CN106207974B - 直流电动机保护器及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明直流电动机保护器及其运行方法,涉及用于电动机的紧急保护电路装置,该装置包括信号采样部分、控制部分和执行部分,通过对传感器模块与信号处理模块运行方式和混合式开关的设计,实现了短路保护且防止能源信号干扰,并避免了机械开关触头损耗,其运行方法可以做到对短路情况的预测,从而克服了现有的保护器产品受拓展能力限制,无法实现多种能源环境下的保护功能,稳定性不足和通用性较差的缺陷。

Description

直流电动机保护器及其运行方法
技术领域
[0001]本发明的技术方案涉及用于电动机的紧急保护电路装置,具体地说是直流电动机 保护器及其运行方法。
背景技术
[0002]随着新能源技术及负载多样化的发展应用,承担用电设备控制与保护任务的低压 电器不断趋于复杂化。电动机保护器作为其中重要的一类电器产品,其性能状态直接关系 到电力系统的安全运行。目前,国内外专家主要集中于交流电动机保护器保护原理研究,根 据电流信号特征设计不同功能特点的保护器;但是随着新能源技术及直流动力系统越来越 多的应用,现有的保护器产品受拓展能力限制,无法实现多种能源环境下的保护功能,并在 一定程度上限制新能源技术的发展,因此通过设计一种新型直流电动机保护器实现微电网 及电动汽车一类新能源背景下的过载保护功能和短路保护,这是十分必要的,也为各种交 直流电器的设计提供参考。另外对现有的过载保护技术的争论也持续到今,争论的焦点是 其与电动机过载特征相匹配的耦合度。
[0003] CN20131〇34〇265公开了智能电动机保护器,其所述的电动机是交流电动机,其中 的电流采样电路也只能检测交流信号,与本发明完全不同。
发明内容
[0004]本发明所要解决的技术问题是:提供直流电动机保护器及其运行方法,该装置通 过对传感器模块与信号处理模块运行方式和混合式开关的设计,实现了短路保护且防止能 源信号干扰,并避免了机械开关触头损耗,其运行方法可以做到对短路情况的预测,从而克 服了现有的保护器产品受拓展能力限制,无法实现多种能源环境下的保护功能,稳定性不 足和通用性较差的缺陷。
[0005] 本发明解决该技术问题所采用的技术方案是:直流电动机保护器,包括信号采样 部分、控制部分和执行部分,其中信号采样部分包括传感器模块、信号采样电路、阀值保护 电路和延时电路;控制部分包括:电源模块、显示器、按键和单片机;执行部分包括:驱动电 路和混合式开关;上述部件的连接方式是,传感器模块连接信号采样电路,信号采样电路再 分别与单片机和阀值保护电路连接,阀值保护电路连接延时电路,其中由信号采样电路、阀 值保护电路、延时电路和单片机形成一个信号处理模块,传感器模块与该信号处理模块之 间连接进行信号传递,延时电路连接驱动电路,单片机又分别与显示器、按键和驱动电路连 接,驱动电路再连接混合式开关,电源模块分别与信号采样电路和单片机连接,向信号采样 电路和单片机供电。
[0006] 上述直流电动机保护器,所述信号采样电路包括两个电压跟随器、基准电压、阀值 调节器、电压作差电路、放大电路和稳压电路,其中,两个电压跟随器分别由电阻R1与集成 运放U1A组成和电阻R2与集成运放U1B组成,电压作差电路由电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻 R6和集成运放U1C组成,放大电路由电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电位器Rl 1、电容C1和 集成运放U1D组成,稳压电路由集成运放U2A组成,基准电压连接电阻Ri,电阻R1连接集成运 放U1ALM324AD的3引脚,集成运放U1ALM324AD的2引脚与1引脚相连,集成运放U1ALM324AD的 1引脚连接电阻R3,同时霍尔信号连接电阻R2,电阻R2连接集成运放U1BLM324AD的5引脚,集 成运放U1BLM324AD的6引脚连接集成运放U1BLM324AD的7引脚,集成运放U1BLM324AD的7引 脚连接电阻R5,电阻R5又分别连接集成运放U1CLM324AD的10引脚和电阻R6,电阻R6接地,电 阻R3分别连接U1CLM324AD的9引脚和电阻R4,电阻R4连接集成运放U1CLM324AD的8引脚,集 成运放U1CLM324AD的8引脚分别连接电阻R7和电阻R9,电阻R9接地,电阻R7连接集成运放 U1DLM324AD的12引脚,电阻R9—端接地,另一端接集成运放U1DLM:324AD的13引脚,集成运放 U1DLM324AD的13引脚再连接电阻R10,电阻R10连接电位器R11,电位器R11调节端连接集成 运放U1DLM324AD的14引脚,U1DLM324AD的14引脚再连接C1和集成运放U2ALM2904AN的3引 脚,集成运放U2ALM2904AN的2引脚与集成运放U2ALM2904AN的1引脚相连,集成运放 U2ALM2904AN的1引脚输出量为输出信号,C1、电阻R9、电阻R10相接,电阻R11第三端输出阀 值信号,电阻R1、电阻R2、电阻R7、电阻R9阻值为10K Q,电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6阻值 为100KQ,电阻R8阻值为510Q,C1电容为10nF,电阻R10阻值为5.1KD,电位器R11的总阻值 为50KQ。
[0007]上述直流电动机保护器,所述传感器模块与由信号采样电路、阀值保护电路、延时 电路和单片机形成的一个信号处理模块之间连接进行信号传递的方式为:被测电流信号输 入到传感器模块,传感器模块将获取的电流信号转换为电压信号,输入到信号采样电路中 的电压跟随器输入端,该电压跟随器连接信号采样电路中的电压作差电路的一个输入端, 同时信号采样电路中的基准电压连接信号采样电路中的电压作差电路另一输入端,信号采 样电路中的电压作差电路输出端连接信号采样电路中的放大电路,信号采样电路中的放大 电路输出端分别连接延时电路和彳目号采样电路中的稳压电路,延时电路连接阀值保护电 路,信号采样电路中的稳压电路连接单片机。
[0008]上述直流电动机保护器,所述混合式开关的结构为:机械开关为继电器XI,缓冲电 路为:电阻R1、电阻R2、电容C1、电容C2、二极管D5和二极管D6,电阻R1与二极管D5并联,二极 管D5负端与电容C1相连,电阻R2与二极管D6并联,二极管D6负端与电容C2相连,电容C1与电 容C2相连,电阻R1与电阻R2阻值为20 Q,电容C2与电容C3为15nF,二极管D3与Q3并联,二极 管D3负极连接IGBTQ3的集电极,二极管D3的正极连接IGBTQ3的发射极,二极管D4与IGBTQ4 并联,二极管D4正极接IGBTQ4的发射极,二极管D2负极连接IGBTQ4的集电极,二极管D3正极 与二极管D4正极相连,同时二极管D3正极、二极管D4正极、电容C1、电容C2相连接,IGBTQ3集 电极、二极管D3负极、二极管D5正极、电阻R1、继电器XI输入端相连接,IGBTQ4集电极、二极 管D4负极、二极管D6正极、电阻R2、继电器)(1输出端相连接;二极管D3〜二极管D6为1N4009 型号二极管,XI为常闭继电器,其型号为RELEY_NC,IGBT型号为IRF5210。
[0009]上述直流电动机保护器,所述单片机中存有操作软件中的总体流程是:开始—初 始化—电流检测并显示电流参数,计算当前电流增量与电流增率—检测是否过载?是—报 警并启动保护程序—返回主程序;否—检测按键是否按下?否—返回主程序;是:键1—键1 按下:设定额定电流参数—返回主程序;键2—键2按下:设定电流增率S;键3—键3按下:手 动合闸。
[0010]上述直流电动机保护器,所述单片机中存有操作软件中的保护子程序的流程是: 开始4初始化-H十算电流增率Si和电流增量S2—Si>S或S2>0?否—返回主程序;是—S2>0?是 ->计算过载倍数4确定延时时间;否—分闸并显示测量值。
[0011] 上述直流电动机保护器,所述传感器模块采用WCS1700霍尔电流传感器。
[0012] 上述直流电动机保护器,所述单片机采用所述PIC18系列单片机。
[0013]上述直流电动机保护器,所述电源模块的供电电源是通过220V交流电整流得到, 实现±24V及5V供电。
[0014] 上述直流电动机保护器,所述显示器为LCD带背光中文显示。
[0015] 上述直流电动机保护器,所涉及的元器件均是本技术领域的技术人员所熟知并可 以商购获得的,所涉及的电路的连接方法是本技术领域的技术人员所熟知的。
[0016] 上述直流电动机保护器的运行方法,其实现过载保护和短路保护的过程是:传感 器模块将捕捉到的电流信号转换为电压信号,电压信号再经过由信号采样电路、阀值保护 电路和延时电路形成的信号处理模块部分,其输出端接驱动电路,将捕捉到的电流信号在 单片机中进行计算处理,并通过显示器显示;单片机在系统运行前会设定额定电流和电流 增率阀值S,并且掉电复位后数据不会丢失;由单片机通过三极管与光耦构成的驱动电路与 混合式开关电路10相连形成分合闸开关,通过单片机指令执行分合闸指令,阀值保护电路 分闸过程:通过传感器模块实现IV转换,比较信号电压与阀值电压,电压比较器输出电压信 号零点,若大于零,则电压比较器输出高电平导通驱动电路,进而驱动混合式开关分闸,切 断电源;若小于零,则电压比较器输出低电平,无法导通驱动电路,进而无法驱动混合式开 关;单片机控制分闸过程:单片机通过采集电流信号计算电流增量和电流增速,实时监测电 流增量是否大于零,若电流增量大于零,即电动机出现过载情况,单片机发出电动机故障警 告,提醒操作人员,并计算过载倍数及延时时间,达到延时时间时驱动混合式开关电路10切 断电源;若电流增量小于零,单片机则循环检测电流增量;与此同时,单片机通过计算确定 电流增率,计算周期到达时,比较电流增率与设定值,若大于设定值,单片机发出分闸指令, 驱动混合式开关切断电源;若小于设定值,单片机则循环检测电流增率;分闸之后通过单片 机中十位精度的A/D转换实时地检测电流信号,直到混合式开关断开或者达到设定的通电 时间值;用户通过控制部分上的按键来完成软件额定电流的大小和电流增率设定值;通过 延时电路中的电位器可以调节硬件电路延时时间。
[0017] 上述直流电动机保护器的运行方法,所述实现过载保护和短路保护的过程,该过 程中直流电动机保护器运行中所实现了如下的功能:
[0018] 参数设定功能的实现是:通过三个按键设定额定电流并且保存到单片机EEPR0M 中;
[0019] 实时电流检测功能的实现是:通过初始化设定AD转换周期,霍尔传感器把电流信 号实时转换为线性模拟电压信号,通过信号调理电路转换至0〜5V范围接入单片机中10位 精度的A/D端口 AN0,单片机获取信号通过数据处理换算回实际电流值,调用LCD液晶屏显示 子函数将实际电流值显示出来;
[0020] 过载保护功能的实现是:初始化CCP1并开中断,开始进行连续采样,开定时器0并 使能中断,定时器〇每产生一次中断标志位自动加1并自动读取TMR1H:TMR1L,将读取的数值 存储在设定常量中,当采样达到第六个周期到来之后,计算平均值,并根据采样周期计算电 流增量,初始化设定常量以便常量继续存储采样数据,通过测量五个电流增量与设定数值 比较;由比较结果,利用反时限函数得到延时时间,延时时间倒计时为零时,开启驱动,进而 驱动开关电路实现过载保护;
[0021]短路保护功能的实现是:初始化CCP1并开中断,开始进行连续采样,开定时器0并 使能中断,定时器〇每产生一次中断标志位自动加1并自动读取TMR1H: TMR1L,将读取的数值 存储在设定常量中,当采样达到第六个周期到来之后,计算平均值,并根据采样周期计算电 流增率,初始化设定常量以便常量继续存储采样数据,通过测量五个电流增率与设定数值 比较;由比较结果,若设定值连续小于五个电流增量,则开启驱动,进而驱动开关电路实现 过载保护。
[0022]本发明的有益效果是:与现有技术相比本发明突出的实质性特点如下:
[0023] (1)本发明直流电动机保护器通过对传感器模块与信号处理模块运行方式和混合 式开关的设计,实现了 ms级的快速短路保护且防止能源信号千扰,并避免了机械开关触头 损耗;运行中通过:①通过获取电流信号与设定额定电流,计算电流增量,根据电流增量判 断过载情况,采用离散化数据处理方法确定延时时间,实现过载保护,此过程由双信号变为 单信号,数据处理速度更快且精确;②由用户设定电流增率,将设定值与采样电流的增率进 行比较,电流增率大于设定值立即切断电源实现短路保护。本方法还可以做到对短路情况 的预测,提前预知短路运行状态,更好的保护电动机。
[0024] (2)本发明的直流电动机保护器与现有的多种电动机保护器相比,所具有的实质 性区别还有:①现有的所谓智能电动机保护器主要集中在交流环境下电动机保护功能,而 本发明的直流电动机保护器不仅具有大电网直流系统环境下直流电动机保护功能,还主要 是实现太阳能、风能等不稳定新能源电源环境下对直流电动机的过载保护;②热过载继电 器采用机械结构实现保护,本发明的直流电动机保护器的微处理器为PIC18系列单片机,本 发明的直流电动机保护器以此单片机为核心构成控制部分,能直接自动实时检测电动机的 电流信号,实现对直流电动机的精确实时保护;③在保护策略上与现有的智能电动机保护 器也完全不同,现有的智能电动机保护器大多采用过载电流比较判断法,本发明中采取电 流增量和电流增率两种变量,通过电流增量计算过载情况,通过电流增率做到对短路情况 的预测性保护,因此能实现对不稳定电源环境下的电动机保护;④本发明加入了短路保护 功能,且在短路保护方面与现有的电动机保护器的短路功能不同,现有的电动机机械式保 护器动作时间慢且重复利用效果较差,智能电动机保护器要通过CPU做出判断后才进行短 路保护,本发明的短路采用模拟电路直接判断法,具有很好的动作时间特性及较好的重复 利用效果,并且具有延时可调功能,能很好的避免不稳定电源干扰。本发明中单片机的十位 精度A/D转换实时地检测电流信号,极大地提高了电流的精度。所用AD转换电路实现实时检 测,使得采样的误差降低到1 OOiis以下。
[0025] (3)本发明直流电动机保护器,所用霍尔元件利用霍尔效应实现IV转换,获得线性 采样电压。
[0026] (4)本发明直流电动机保护器及其运行方法具有电动机过载报警和防止系统“跑 飞”的软件复位功能。
[0027]本发明的有益效果,与现有技术相比本发明的显著进步如下:
[0028] (1)本发明直流电动机保护器及其运行方法,既可以检测电动机通电电流大小,也 可以通过计算电流增率和电流增量,提前预测短路情况并精确计算电动机的过载情况,降 低了电源波动引起电动机保护器误动概率。
[0029] (2)本发明直流电动机保护器以单片机为核心,LCD带背光中文显示,轻触按键操 作,通过控制部分的按键用户可以对参数进行控制:额定电流、电流增率阀值等,并可直接 从液晶屏上看到设定结果,方便人们对系统的监控,人机交互功能强。
[0030] (3)本发明直流电动机保护器保护稳定可靠且通用性较好,在电动机运行后,实时 检测电动机电流大小以及通电时,阀值保护电路可以通过调节电位器进行阀值调节,同样 延时电路通过调节电位器调节延时时间,动作开关采用混合式开关有效的避免了电弧影响 且设定延时时间可避免电源波动引起勿动;通过计算电流增量和电流增率,实现过载保护 和短路保护的功能,设置不同的额定电流和电流增率阀值,满足不同类型的电动机保护需 求;硬件设计简单合理,设计多处稳压电路和滤波电路,在关键部位设置钳位电路,防止冲 击电压对系统的损坏,从而克服了现有的保护器产品受拓展能力限制,无法实现多种能源 环境下的保护功能,稳定性不足和通用性较差的的缺陷。
[0031] 本发明突出的实质性特点和显著进步在下面的实施例中有进一步的说明。
附图说明
[0032]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0033]图1是本发明直流电动机保护器的结构示意框图。
[0034]图2是本发明直流电动机保护器的传感器模块与信号处理模块之间连接进行信号 传递的方式示意图。
[0035]图3是本发明直流电动机保护器的电源模块构成图。
[0036]图4是本发明直流电动机保护器的信号采样电路构成图。
[0037]图5是本发明直流电动机保护器的阀值保护电路构成图。
[0038]图6是本发明直流电动机保护器的延时电路构成图。
[0039]图7是本发明直流电动机保护器的驱动电路构成图。
[0040]图8是本发明直流电动机保护器的混合式开关构成图。
[0041]图9是本发明直流电动机保护器的单片机中存有的操作软件中的总体程序流程 图。
[0042]图10是本发明直流电动机保护器单片机中存有的操作软件中的过载保护子程序 的流程图。
[0043]图中,1.传感器模块,2•信号采样电路,3.阀值保护电路,4.延时电路,5.电源模 块,6.显示器,7.按键,8•单片机,9.驱动电路,10.混合式开关。
具体实施方式
[0044]图1所示实施例表明,本发明直流电动机保护器的结构是:传感器模块1连接信号 采样电路2,信号采样电路2再分别与单片机8和阀值保护电路3连接,阀值保护电路3连接延 时电路4,延时电路4连接驱动电路9,单片机又分别与显示器6、按键7和驱动电路9连接,驱 动电路9再连接混合式开关10,电源模块5分别与信号处理模块2和单片机8连接,并向信号 采样电路2和单片机8供电;其中,由信号采样电路2、阀值保护电路3、延时电路4和单片机8 形成一个信号处理模块,传感器模块1与该信号处理模块之间进行信号传递。
[0045]图2所示实施例表明,本发明直流电动机保护器的传感器模块1与信号处理模块之 间连接进行信号传递的方式是:所述信号处理模块是由信号采样电路2、阀值保护电路3、延 时电路4和单片机8形成;被测电流信号输入到传感器模块1,传感器模块1将获取的电流信 号转换为电压信号,输入到信号采样电路2的电压跟随器输入端,电压跟随器连接信号采样 电路2的电压作差电路的一个输入端,同时信号采样电路2的基准电压连接信号采样电路2 的电压作差电路的另一输入端,信号采样电路2的电压作差电路输出端连接信号采样电路2 的放大电路,信号采样电路2的放大电路输出端分别连接延时电路4和信号采样电路2的稳 压电路,延时电路4连接阀值保护电路3,信号采样电路2的稳压电路连接单片机8;该处理方 式可以将信号放大到单片机8能够处理的电压范围内,输入到单片机8的ANO端口;信号采样 电路2的电压作差电路是将信号采样电路2的基准电压输出电压值与信号采样电路2的电压 跟随器输出电压进行比较,比较结果输入到延时电路4再输入到阀值保护电路3。
[0046]图3所示实施例显示本发明直流电动机保护器的电源模块的构成,该电源模块的 作用在于:本发明直流电动机保护器为了便于实现过载保护及短路快速保护,需要采用单 片机8、基准电压、延时电路4、驱动电路9以及阀值调节器,通过电源模块可以为上述部件提 供稳定+5V或+12V电源。该电源模块的稳压器件使用LM317AH,通过设置不同的电阻输出不 同稳定电压,同时调节电位器可以获取不同的基准电压,采用大功率高精度电解电容对电 压信号进行滤波处理,保证电源精度,功率到达5W以上。
[M47]图4所示实施例显示本发明直流电动机保护器的信号采样电路2的构成是:该信号 采样电路2包括两个电压跟随器、基准电压、阀值调节器、电压作差电路、放大电路和稳压电 路,其中,两个电压跟随器分别由电阻則与集成运放U1A组成和电阻R2与集成运放U1B组成, 电压作差电路由电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6和集成运放U1C组成,放大电路由电阻R7、 电阻RS、电阻R9、电阻R10、电位器R11、电容C1和集成运放U1D组成,稳压电路由集成运放U2A 组成,基准电压连接电阻R1,电阻R1连接集成运放U1ALM324AE^^3引脚,集成运放 U1 ALM:324AD的2引脚与1引脚相连,集成运放u丨ALM324AD的丨引脚连接电阻R3,同时霍尔信号 连接电阻R2,电阻R2连接集成运放U1BLM324AD的5引脚,集成运放U1BLM324AD的6引脚连接 集成运放U1BLM324AD的7引脚,集成运放U1BLM324AD的7引脚连接电阻R5,电阻R5又分别连 接集成运放U1CLM324AD的10引脚和电阻R6,电阻R6接地,电阻R3分别连接U1CLM324AD的9引 脚和电阻R4,电阻R4连接集成运放U1CLM324AD的8引脚,集成运放U1CLM324AD的8引脚分别 连接电阻R7和电阻R9,电阻R9接地,电阻R7连接集成运放U1DLM324AD的12引脚,电阻R9—端 接地,另一端接集成运放U1DLM324AD的13引脚,集成运放U1DLM324AD的13引脚再连接电阻 R10,电阻R10连接电位器R11,电位器R11调节端连接集成运放引脚, U1DLM:B24AD的14引脚再连接C1和集成运放u2ALM2904AN的3引脚,集成运放U2ALM2904AN的2 ^丨脚与集成运放U2ALM29〇4AN的1引脚相连,集成运放u2ALM2904AN的1引脚输出量为输出信 号,C1、电阻R9、电阻R10相接,电阻R1丨第三端输出阀值信号,电阻R1、电阻R2、电阻R7、电阻 =阻值为10KQ,电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6阻值为1〇〇KQ,电阻咫阻值为51〇fi,^电 容为10nF,电阻R10阻值为5.1KQ,电位器R11的总阻值为5〇KQ。图4中的“key = A,5〇%,,为 电位器有效值。
[0048]该电路的作用在于:本发明直流电动机保护器为了精确测量通入电动机产品的电 流大小,在经过霍尔传感器、电压跟随器之后还需要将电压信号进行缩放,使得采样电流的 范围相应的扩大,经过放大电路处理调节到单片机可以接受的范围内,再由电压跟随器输 入到单片机的ANO端口,为了留出一定的余量以及防止电压冲击影响,该信号采样电路2将 电压缩小0.5倍,再将电压平均值放大到2.5V左右,在现有电路的基础上,阀值信号由放大 电路的电位器最大值端口输出。
[0049]图5所示实施例显示本发明直流电动机保护器的阀值保护电路4的构成,该电路的 作用在于:本发明直流电动机保护器通过延时电路实现短路或高过载情况下,不经控制部 分只经由硬件电路实现短路保护或过载保护功能,被测电流信号通过上述信号处理模块处 理后,与阀值调节器输出阀值由电压比较器进行比较,再将比较器输出结果输入到继电器 驱动电路;通过电压比较器输出结果判定电流是否超出设定阀值,若超出设定阀值,电压比 较器输出逻辑信号“高”,同时LED指示灯发光,继电器切断电源;驱动电路采用三极管基极 控制,容易控制,导通后电压损耗低,能确保继电器供电足,动作迅速。
[0050]图6所示实施例显示本发明直流电动机保护器的延时电路的构成,该电路的作用 在于:本发明直流电动机保护器通过延时电路实现高过载情况下,不经控制部分只经由硬 件电路实现过载保护延时功能,扩大了过载保护能力,也可防止电流波动引起误动,使用的 主要芯片为LM555CM可控定时器,它可通过调节电位器来控制延时时间。用该电路实现延时 功能,具有结构简单、成本低和延时精度高的优点。
[0051]图7所示实施例显示本发明直流电动机保护器的驱动电路的构成,该电路的作用 在于:本发明直流电动机保护器通过驱动三极管控制开关器件完成快速分闸动作,本电路 驱动信号是单片机10端口输出的低电平逻辑信号,使用的主要器件为6N137光电可控硅驱 动器,它可用直流低电压和小电流控制高电压和大电流。利用光耦开关芯片隔离控制模块 与开关电路,不仅具有较好的电器隔离效果,也可保证快速性,同时光耦开关芯片受外界环 境影响较小,可靠性较高。用该电路触发继电器,具有结构简单、成本低和触发可靠的优点。 [0052]图8所示实施例显示本发明直流电动机保护器的混合式开关的构成是:机械开关 为继电器XI,缓冲电路为:电阻R1、电阻R2、电容C1、电容C2、二极管D5和二极管D6,电阻R1与 二极管D5并联,二极管D5负端与电容C1相连,电阻R2与二极管D6并联,二极管D6负端与电容 C2相连,电容C1与电容C2相连,电阻R1与电阻R2阻值为20 Q,电容C2与电容C3为15nF,二极 管D3与Q3并联,二极管D3负极连接IGBTQ3的集电极,二极管D3的正极连接IGBTQ3的发射极, 二极管D4与IGBTQ4并联,二极管D4正极接IGBTQ4的发射极,二极管D2负极连接IGBTQ4的集 电极,二极管D3正极与二极管D4正极相连,同时二极管D3正极、二极管D4正极、电容C1、电容 C2相连接,IGBTQ3集电极、二极管D3负极、二极管D5正极、电阻R1、继电器XI输入端相连接, IGBTQ4集电极、二极管D4负极、二极管D6正极、电阻R2、继电器XI输出端相连接;二极管D3〜 二极管D6为1N4009型号二极管,XI为常闭继电器,其型号为RELEY_NC,IGBT型号为IRF5210。 [0053] Q3与Q4两个IGBT的基极相连接后接驱动信号,缓冲电路可以防止IGBT误导通,D4 与D3为续流二极管,可以迅速释放电能;混合式开关动作过程为:发出指令前,IGBT开关Q3 和Q4处于断开状态,机械开关XI处于接通状态,单片机发出合闸指令,驱动电路驱动混合式 开关10,由于机械开关XI处于接通状态,合闸指令只驱动IGBT开关Q3或Q4电路合闸,此时, IGBT开关Q3或Q4两端电压为0V,所以IGBT开关Q3或Q4不会导通,随后单片机发出机械开关 分闸指令,由于电流大部分经过机械开关XI,机械开关n分闸时会产生电弧,根据自然换流 原理,机械开关XI分闸时,其触点两端产生的电弧电压使IGBT开关Q3和Q4导通,负载电流转 换到至IGBT开关Q3和Q4上,与此同时,IGBT开关Q3或Q4会把其两端电压钳制在5V以内,限制 过电压且机械开关XI电压也相应的被限制在5V以内,根据电弧的产生原理,机械开关XI的 触头不会产生电弧,分闸过程完成。
[00M]图9所示实施例显示本发明直流电动机保护器的单片机中存有的操作软件中的总 体程序流程是:开始—初始化—电流检测并显示电流参数,计算当前电流增量与电流增率 —检测是否过载?是—报警并启动保护程序—返回主程序;否—检测按键是否按下?否—返 回主程序;是:键1—键1按下:设定额定电流参数—返回主程序;键2—键2按下:设定电流增 率S;键3—键3按下:手动合闸。
[0055]图10所示实施例显示本发明直流电动机保护器单片机中存有的操作软件中的过 载保护子程序的流程是:开始—初始化4计算电流增率Si和电流增量S2—Si>S或S2>0?否4 返回主程序;是—s2>0?是4计算过载倍数—确定延时时间;否—分闸并显示测量值。
[0056] 实施例
[0057] 本实施例的直流电动机保护器由上述图1〜图10所示实施例构成,包括信号采样 部分、控制部分和执行部分,其中信号采样部分包括传感器模块1、信号采样电路2、阀值保 护电路3和延时电路4;控制部分包括:电源模块5、显示器6、按键7和单片机8;执行部分包 括:驱动电路9和混合式开关10;上述部件的连接方式是,传感器模块1连接信号采样电路2, 信号采样电路2再分别与单片机8和阀值保护电路3连接,阀值保护电路3连接延时电路4,其 中由信号采样电路2、阀值保护电路3、延时电路4和单片机8形成一个信号处理模块,传感器 模块1与该信号处理模块之间连接进行信号传递,延时电路4连接驱动电路9,单片机又分别 与显示器6、按键7和驱动电路9连接,驱动电路9再连接混合式开关10,电源模块5分别与信 号采样电路2和单片机8连接,向信号采样电路2和单片机8供电;其中,所述传感器模块1采 用WCS1700霍尔电流传感器;所述传感器模块1采用WCS1700霍尔电流传感器,利用霍尔原理 实现IV转换,获取采样电流,可线性输出电压信号,同时由于其体积小可焊接在PCB板;所述 单片机8采用所述PIC18系列单片机;所述电源模块5的供电电源是通过220V交流电整流得 至IJ,实现± 24V及5V供电;所述显示器6为LCD带背光中文显示。
[0058] 本实施例的直流电动机保护器的运行方法,其实现过载保护和短路保护的过程 是:传感器模块1将捕捉到的电流信号转换为电压信号,电压信号再经过由信号采样电路2、 阀值保护电路3和延时电路4形成的信号处理模块部分,其输出端接驱动电路9,将捕捉到的 电流信号在单片机8中进行计算处理,并通过显示器6显示;单片机8在系统运行前会设定额 定电流和电流增率阀值S,并且掉电复位后数据不会丢失;由单片机8通过三极管与光耦构 成的驱动电路9与混合式开关电路10相连形成分合闸开关,通过单片机8指令执行分合闸指 令,阀值保护电路3分闸过程:通过传感器模块1实现IV转换,比较信号电压与阀值电压,电 压比较器输出电压信号零点,若大于零,则电压比较器输出高电平导通驱动电路9,进而驱 动混合式开关分阐,切断电源;若小于零,则电压比较器输出低电平,无法导通驱动电路9, 进而无法驱动混合式开关;单片机8控制分闸过程:单片机8通过采集电流信号计算电流增 量和电流增速,实时监测电流增量是否大于零,若电流增量大于零,即电动机出现过载情 况,单片机8发出电动机故障警告,提醒操作人员,并计算过载倍数及延时时间,达到延时时 间时驱动混合式开关电路10切断电源;若电流增量小于零,单片机8则循环检测电流增量; 与此同时,单片机8通过计算确定电流增率,计算周期到达时,比较电流增率与设定值,若大 于设定值,单片机8发出分闸指令,驱动混合式开关10切断电源;若小于设定值,单片机8则 循环检测电流增率;分闸之后通过单片机8中十位精度的A/D转换实时地检测电流信号,直 到混合式开关10断开或者达到设定的通电时间值;用户通过控制部分上的按键7来完成软 件额定电流的大小和电流增率设定值;通过延时电路4中的电位器可以调节硬件电路延时 时间。
[0059] 本实施例的直流电动机保护器的运行方法,所述实现过载保护和短路保护的过 程,该过程中直流电动机保护器运行中所实现了如下的功能:
[0060] 参数设定功能的实现是:通过三个按键设定额定电流并且保存到单片机EEPR0M 中;
[0061]实时电流检测功能的实现是:通过初始化设定AD转换周期,霍尔传感器把电流信 号实时转换为线性模拟电压信号,通过信号调理电路转换至0〜5V范围接入单片机中10位 精度的A/D端口 AN0,单片机获取信号通过数据处理换算回实际电流值,调用LCD液晶屏显示 子函数将实际电流值显示出来;
[0062] 过载保护功能的实现是:初始化CCP1并开中断,开始进行连续采样,开定时器0并 使能中断,定时器〇每产生一次中断标志位自动加1并自动读取TMR1H:TMR1L,将读取的数值 存储在设定常量中,当采样达到第六个周期到来之后,计算平均值,并根据采样周期计算电 流增量,初始化设定常量以便常量继续存储采样数据,通过测量五个电流增量与设定数值 比较;由比较结果,利用反时限函数得到延时时间,延时时间倒计时为零时,开启驱动,进而 驱动开关电路实现过载保护;
[0063] 短路保护功能的实现是:初始化CCP1并开中断,开始进行连续采样,开定时器0并 使能中断,定时器〇每产生一次中断标志位自动加1并自动读取TMR1H: TMR1L,将读取的数值 存储在设定常量中,当采样达到第六个周期到来之后,计算平均值,并根据采样周期计算电 流增率,初始化设定常量以便常量继续存储采样数据,通过测量五个电流增率与设定数值 比较;由比较结果,若设定值连续小于五个电流增量,则开启驱动,进而驱动开关电路实现 过载保护。
[0064] 本实施例的直流电动机保护器,所涉及的元器件均是本技术领域的技术人员所熟 知并可以商购获得的,所涉及的电路的连接方法是本技术领域的技术人员所熟知的。

Claims (7)

1.直流电动机保护器,其特征在于:包括信号采样部分、控制部分和执行部分,其中信 号采样部分包括传感器模块、信号采样电路、阀值保护电路和延时电路;控制部分包括:电 源模块、显示器、按键和单片机;执行部分包括:驱动电路和混合式开关;上述部件的连接方 式是,传感器模块连接信号采样电路,信号采样电路再分别与单片机和阀值保护电路连接, 阀值保护电路连接延时电路,其中由信号采样电路、阀值保护电路、延时电路和单片机形成 一个信号处理模块,传感器模块与该信号处理模块之间连接进行信号传递,延时电路连接 驱动电路,单片机又分别与显示器、按键和驱动电路连接,驱动电路再连接混合式开关,电 源模块分别与信号采样电路和单片机连接,向信号采样电路和单片机供电;上述单片机中 存有操作软件中的总体流程是:开始4初始化4电流检测并显示电流参数,计算当前电流 增量与电流增率4检测是否过载?是4报警并启动保护程序->返回主程序;否—检测按键 是否按下?否—返回主程序;是:键1—键1按下:设定额定电流参数—返回主程序;键2—键2 按下:设定电流增率S—返回主程序;键3—键3按下:手动合闸—返回主程序;上述单片机中 存有操作软件中的保护子程序的流程是:开始—初始化—计算电流增率Si和电流增量S2— SOS或S2>0?否—返回主程序;是—S2>0?是—计算过载倍数—确定延时时间;否—分闸并显 示测量值。
2.根据权利要求1所述直流电动机保护器,其特征在于:所述信号采样电路包括两个电 压跟随器、基准电压、阀值调节器、电压作差电路、放大电路和稳压电路,其中,两个电压跟 随器分别由电阻R1与集成运放U1A组成和电阻R2与集成运放U1B组成,电压作差电路由电阻 R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6和集成运放U 1C组成,放大电路由电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻 R10、电位器R11、电容C1和集成运放U1D组成,稳压电路由集成运放U2A组成,基准电压连接 电阻R1,电阻R1连接集成运放U1ALM324AD的3引脚,集成运放U1ALM324AD的2引脚与1引脚相 连,集成运放U1ALM324AD的1引脚连接电阻R3,同时霍尔信号连接电阻R2,电阻R2连接集成 运放U1BLM324AD的5引脚,集成运放U1BLM324AD的6引脚连接集成运放U1BLM324AD的7引脚, 集成运放U1BLM324AD的7引脚连接电阻R5,电阻R5又分别连接集成运放U1CLM324AD的10引 脚和电阻R6,电阻R6接地,电阻R3分别连接U1CLM324AD的9引脚和电阻R4,电阻R4连接集成 运放U1CLM324AD的8引脚,集成运放U1CLM324AD的8引脚分别连接电阻R7和电阻R9,电阻R9 接地,电阻R7连接集成运放U1DLM324AD的12引脚,电阻R9—端接地,另一端接集成运放 U1DLM324AD的I3引脚,集成运放U1DLM324AD的I3引脚再连接电阻R10,电阻R10连接电位器 R11,电位器Rl 1调节端连接集成运放U1DLM324AD的14引脚,U1DLM324AD的14引脚再连接C1 和集成运放U2ALM29〇4AN的3引脚,集成运放U2ALM2904AN的2引脚与集成运放U2ALM2904AN 的1引脚相连,集成运放U2ALM29〇4AN的1引脚输出量为输出信号,C1、电阻R9、电阻R10相接, 电阻Rl 1第三端输出阀值信号,电阻R1、电阻R2、电阻R7、电阻R9阻值为1 OK D,电阻R3、电阻 R4、电阻R5、电阻R6阻值为100KQ,电阻R8阻值为5l〇Q,C1电容为10nF,电阻R10阻值为5.1K Q,电位器R11的总阻值为50KQ。
3.根据权利要求1所述直流电动机保护器,其特征在于:所述传感器模块与由信号采样 电路、阀值保护电路、延时电路和单片机形成的一个信号处理模块之间连接进行信号传递 的方式为:被测电流信号输入到传感器模块,传感器模块将获取的电流信号转换为电压信 号,输入到信号采样电路中的电压跟随器输入端,该电压跟随器连接信号采样电路中的电 压作差电路的一个输入端,同时信号采样电路中的基准电压连接信号采样电路中的电压作 差电路另一输入端,信号采样电路中的电压作差电路输出端连接信号采样电路中的放大电 路,信号采样电路中的放大电路输出端分别连接延时电路和信号采样电路中的稳压电路, 延时电路连接阀值保护电路,信号采样电路中的稳压电路连接单片机。
4. 根据权利要求1所述直流电动机保护器,其特征在于:所述混合式开关的结构为:机 械开关为继电器XI,缓冲电路为:电阻R1、电阻R2、电容C1、电容C2、二极管D5和二极管D6,电 阻R1与二极管D5并联,二极管D5负端与电容C1相连,电阻R2与二极管D6并联,二极管D6负端 与电容C2相连,电容C1与电容C2相连,电阻R1与电阻R2阻值为20Q,电容C2与电容C3为 15nF,二极管D3与Q3并联,二极管D3负极连接IGBTQ3的集电极,二极管D3的正极连接IGBTQ3 的发射极,二极管D4与IGBTQ4并联,二极管D4正极接IGBTQ4的发射极,二极管D2负极连接 IGBTQ4的集电极,二极管D3正极与二极管D4正极相连,同时二极管D3正极、二极管D4正极、 电容C1、电容C2相连接,IGBTQ3集电极、二极管D3负极、二极管D5正极、电阻R1、继电器H输 入端相连接,IGBTQ4集电极、二极管D4负极、二极管D6正极、电阻R2、继电器XI输出端相连 接;二极管D3〜二极管D6为1N4009型号二极管,H为常闭继电器,其型号为RELEY_NC,IGBT 型号为IRF5210。
5. 根据权利要求1所述直流电动机保护器,其特征在于:上述直流电动机保护器,所述 传感器模块采用WCS1700霍尔电流传感器;所述单片机采用PIC18系列单片机;所述电源模 块的供电电源是通过220V交流电整流得到,实现±24V及5V供电;所述显示器为LCD带背光 中文显示。
6. 权利要求1所述直流电动机保护器的运行方法,其特征在于:其实现过载保护和短路 保护的过程是:传感器模块将捕捉到的电流信号转换为电压信号,电压信号再经过由信号 采样电路、阀值保护电路和延时电路形成的信号处理模块部分,其输出端接驱动电路,将捕 捉到的电流信号在单片机中进行计算处理,并通过显示器显示;单片机在系统运行前会设 定额定电流和电流增率阀值S,并且掉电复位后数据不会丢失;由单片机通过三极管与光耦 构成的驱动电路与混合式开关电路1〇相连形成分合闸开关,通过单片机指令执行分合闸指 令,阀值保护电路分闸过程:通过传感器模块实现IV转换,比较信号电压与阀值电压,电压 比较器输出电压信号零点,若大于零,则电压比较器输出高电平导通驱动电路,进而驱动混 合式开关分闸,切断电源;若小于零,则电压比较器输出低电平,无法导通驱动电路,进而无 法驱动混合式开关;单片机控制分闸过程:单片机通过采集电流信号计算电流增量和电流 增速,实时监测电流增量是否大于零,若电流增量大于零,即电动机出现过载情况,单片机 发出电动机故障警告,提醒操作人员,并计算过载倍数及延时时间,达到延时时间时驱动混 合式开关电路10切断电源;若电流增量小于零,单片机则循环检测电流增量;与此同时,单 片机通过计算确定电流增率,计算周期到达时,比较电流增率与设定值,若大于设定值,单 片机发出分闸指令,驱动混合式开关切断电源;若小于设定值,单片机则循环检测电流增 率;分闸之后通过单片机中十位精度的A/D转换实时地检测电流信号,直到混合式开关断开 或者达到设定的通电时间值;用户通过控制部分上的按键来完成软件额定电流的大小和电 流增率设定值;通过延时电路中的电位器可以调节硬件电路延时时间。
7. 根据权利要求6所述直流电动机保护器的运行方法,其特征在于:所述实现过载保护 和短路保护的过程,该过程中直流电动机保护器运行中所实现了如下的功能: 参数设定功能的实现是:通过三个按键设定额定电流并且保存到单片机EEPROM中; 实时电流检测功能的实现是:通过初始化设定AD转换周期,霍尔传感器把电流信号实 时转换为线性模拟电压信号,通过信号调理电路转换至〇〜5V范围接入单片机中1〇位精度 的A/D端口 AN0,单片机获取信号通过数据处理换算回实际电流值,调用LCD液晶屏显示子函 数将实际电流值显示出来; 过载保护功能的实现是:初始化CCP1并开中断,开始进行连续采样,开定时器〇并使能 中断,定时器0每产生一次中断标志位自动加1并自动读取TMR1H: TMR1L,将读取的数值存储 在设定常量中,当采样达到第六个周期到来之后,计算平均值,并根据采样周期计算电流增 量,初始化设定常量以便常量继续存储采样数据,通过测量五个电流增量与设定数值比较; 由比较结果,利用反时限函数得到延时时间,延时时间倒计时为零时,开启驱动,进而驱动 开关电路实现过载保护; 短路保护功能的实现是:初始化CCP1并开中断,开始进行连续采样,开定时器0并使能 中断,定时器〇每产生一次中断标志位自动加1并自动读取TMR1H:TMR1L,将读取的数值存储 在设定常量中,当采样达到第六个周期到来之后,计算平均值,并根据采样周期计算电流增 率,初始化设定常量以便常量继续存储采样数据,通过测量五个电流增率与设定数值比较; 由比较结果,若设定值连续小于五个电流增量,则开启驱动,进而驱动开关电路实现过载保 护。
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