CN113162334A - 通用型电动机保护器和一种电动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种通用型电动机保护器和一种电动机，所述一种通用型电动机保护器包括：罗氏线圈电流传感器用于采集电动机运行的电流信号；可变增益信号放大电路和A/D转换模块用于在CPU控制模块的控制下，对罗氏线圈电流传感器输出的信号进行调节放大和模数转换处理；所述CPU控制模块还用于对A/D转换模块的输出数据进行判断，当判断出电动机发生异常时，发出响应信号。本发明采用动态调整放大倍数的方式，使采样信号放大后的电压峰峰值略低于A/D转换模块输入的最大值，以保证对采样信号具有最大分辨力。本发明所述的电动机保护器可以对不同规格的电动机进行保护，具有通用性强，且相对分辨力保持不变的特点。

Description

通用型电动机保护器和一种电动机

技术领域

本发明涉及电动机保护技术领域，具体涉及一种通用型电动机保护器和一种电动机。

背景技术

现有技术中的中小型三相交流低压电动机规格型号多，电压从380V到660V，额定电流从0.1A～800A不等，绝大多数是在0.5A～800A之间，为了实现对各种规格额定电流的低压电动机(以下对于此类三相交流低压电动机简称电动机)进行保护，人们最早采用机电式原理，设计了多种规格的保护继电器，随着计算机技术的发展，智能电动机保护器逐渐替代机电式原理的电动机保护器，实现对电动机多种保护，相应的，也设计配置了多种电流规格的电动机保护器。如实践中，如果某台电动机保护器损坏，暂无备件，应急的话最大可能性采用相近大一点规格的电动机保护器来代替，替换后的电动机保护器保护精度及灵敏度相比原规格要差。这主要是由于现有电流互感器线性范围窄，使替换后的电动机保护器不能够在被替换的电动机保护器的电流范围内具有同样的相对分辨力。

专利CN104577986中公开了一种使用罗氏线圈的保护开关，该保护开关解决了互感器测量范围窄的问题；CN204290275实用新型专利中公开了一种采用罗氏线圈的保护继电器，该方案解决了大电流互感器采集精度提高的问题。这些方案中的罗氏线圈，只是简单的在原电流量程范围内进行电流采集方式的替换，解决了测量回路电流量程范围内部分量程采集精度提高的问题。

对于低压变频电动机可在0.1Hz～130Hz范围内长期运行，变频器其变频最低工作频率约为0.1～1Hz；最高工作频率约为200Hz～600Hz。对于这类电动机的保护，一般电动机保护器是按照基波(50Hz)进行交流采样计算，常常导致电动机保护器测量采集数据失真，以致电动机保护器不能正确反映变频电动机的工作状况，发生拒动或误动现象。同时由于电动机运行工况的复杂，如电磁场的强干扰，也会影响电动机保护器。

可见，现有电动机保护器通用性差，且对于工作于变频状态的电动机来说，电动机保护器还存在测量数据计算不准确的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种通用型电动机保护器和一种电动机，以实现通过一种通用型电动机保护器就可以对多种规格的电动机进行保护，且测量数据准确、相对分辨力保持不变。

本发明采用如下原理：利用罗氏线圈在较宽范围内具有线性响应的特点，结合可变增益的放大电路，实现一种不随电动机规格变化，能够保持相对分辨力不变的通用电动机保护器，且保护器相对分辨力最大。

为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：一种通用型电动机保护器，包括：

罗氏线圈电流传感器、可变增益信号放大电路、A/D转换模块、CPU控制模块和输出模块；

其中，所述罗氏线圈电流传感器用于采集电动机运行的电流信号；

所述可变增益信号放大电路用于在所述CPU控制模块的控制下，调整放大增益，并按照调整后的放大增益对所述罗氏线圈电流传感器输出的信号进行调节放大，以使处理后的信号能够匹配电动机保护器的保护电流规格；

所述A/D转换模块用于在所述CPU控制模块的控制下，对所述可变增益信号放大电路处理后的信号进行A/D模数转换处理；

所述CPU控制模块还用于对所述A/D转换模块的输出数据进行判断，当判断出电动机发生异常时，通过所述输出模块将事故或预告信号发送至响应电路。

可选的，所述CPU控制模块根据电动机保护器的保护电流规格，控制所述可变增益信号放大电路调整放大增益，以使输入到所述A/D转换模块的信号幅值在同一水平。

可选的，所述控制所述可变增益信号放大电路调整放大增益，包括：

控制所述可变增益信号放大电路调整接入的反馈电阻和/或输入电阻的阻值，以调整放大器的增益。

可选的，所述可变增益信号放大电路在所述CPU控制模块的控制下，对所述罗氏线圈电流传感器输出的信号进行调节放大，包括：

所述CPU控制模块根据电动机保护器的保护电流规格以及所述罗氏线圈电流传感器输出信号大小，确定对所述信号进行放大的增益；

所述CPU控制模块依照所述增益，控制所述可变增益信号放大电路采用至少一级放大的方式对所述信号进行放大处理。

可选的，当所述CPU控制模块依照所述增益，控制所述可变增益信号放大电路采用多级放大的方式对所述信号进行放大处理时，包括：

依照所述增益分别确定每一级的放大增益，使信号放大后的电压峰峰值低于所述A/D转换模块输入的最大值，以保证对信号具有最大分辨力。

可选的，所述A/D转换模块包括：专用A/D芯片、所述CPU控制模块自带的A/D转换模块，或带A/D转换的计量芯片。

可选的，还包括：

过零检测电路，用于对反映变频电动机运行的信号进行过零检测，过零检测输出的信号传送至所述CPU控制模块，所述CPU控制模块计算出变频电动机工作频率，实现对变频电动机工作频率的跟踪。

可选的，还包括：

人机交互接口以及外围接口；

所述人机交互接口和所述外围接口分别与所述CPU控制模块连接。

可选的，所述外围接口包括：通讯端口，和/或，调试端口。

可选的，所述罗氏线圈电流传感器采用可插接的柔性罗氏线圈；

所述柔性罗氏线圈的线圈本体和信号引出线部分设有电和/或磁屏蔽层。

本发明还提供了一种电动机，包括：

如前面任一项所述的通用型电动机保护器。

本发明采用以上技术方案，所述一种通用型电动机保护器，包括：罗氏线圈电流传感器、可变增益信号放大电路、A/D转换模块、CPU控制模块和输出模块；其中，所述罗氏线圈电流传感器用于采集电动机运行的电流信号；所述可变增益信号放大电路用于在所述CPU控制模块的控制下，调整放大增益，并按照调整后的放大增益对所述罗氏线圈电流传感器输出的信号进行调节放大，以使处理后的信号能够匹配电动机保护器的保护电流规格；所述A/D转换模块用于在所述CPU控制模块的控制下，对所述可变增益信号放大电路处理后的信号进行A/D模数转换处理；所述CPU控制模块还用于对所述A/D转换模块的输出数据进行判断，当判断出电动机发生异常时，并通过所述输出模块将事故或预告信号发送至响应电路。本发明所述的一种通用型电动机保护器采用动态调整放大倍数的方式，使采样信号放大后的电压峰峰值略低于A/D转换模块输入的最大值，以保证对采样信号具有最大分辨力。本发明所述的电动机保护器可以对不同规格的电动机进行保护，较多个规格的电动机保护器来说，具有通用性强，相对分辨力保持不变的优点。实践中，本发明可以减少电动机保护器生产的种类，提高劳动效率，减少生产物资库存数量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种通用型电动机保护器提供的整体结构示意图；

图2是本发明中可变增益信号放大电路在实际应用中的一种实施电路示意图。

图中：01、罗氏线圈电流传感器；02、可变增益信号放大电路；03、A/D转换模块；04、CPU控制模块；05、输出模块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

需要说明的是，本发明中所述的电动机是三相交流异步低压电动机的简称。

图1是本发明一种通用型电动机保护器提供的整体结构示意图。

如图1所示，本发明所述的一种通用型电动机保护器，包括：

罗氏线圈电流传感器01、可变增益信号放大电路02、A/D转换模块03、CPU控制模块04和输出模块05；

其中，所述罗氏线圈电流传感器01用于采集电动机运行的电流信号；

所述可变增益信号放大电路02用于在所述CPU控制模块04的控制下，调整自身放大增益，并按照调整后的放大增益对所述罗氏线圈电流传感器01输出的信号进行调节放大，以使处理后的信号能够匹配电动机保护器的保护电流规格；

所述A/D转换模块03用于在所述CPU控制模块04的控制下，对所述可变增益信号放大电路02处理后的信号进行A/D模数转换处理；

所述CPU控制模块04还用于对所述A/D转换模块03的输出信号进行判断，当判断出电动机发生异常时，通过所述输出模块05将事故或预告信号发送至响应电路。

进一步的，所述CPU控制模块04根据电动机保护器的保护电流规格，控制所述可变增益信号放大电路02调整放大增益，以使输入到所述A/D转换模块03的信号幅值，接近AD转换芯片的满刻度电压，电压幅值在同一水平；

其中，控制所述可变增益信号放大电路02调整放大增益，包括：

控制所述可变增益信号放大电路02调整接入的反馈电阻和/或输入电阻的阻值，以调整放大器的增益。

具体的，控制所述可变增益信号放大电路02调整接入的反馈电阻和/或输入电阻的阻值，可以是通过以下方式实现：

通过数字模拟控制电子开关切换不同规格的输入电阻或/和反馈电阻的阻值；

或者，

当输入电阻和/或反馈电阻采用数字电位器来实现时，可以通过控制数字电位器的阻值来调整反馈电阻和/或输入电阻的阻值。

本发明所述的一种通用型电动机保护器在实际使用中，由所述罗氏线圈电流传感器01采集电动机运行的电流信号并输出相应的电压信号，所述可变增益信号放大电路02在所述CPU控制模块04的控制下对所述电压信号进行放大处理，以使处理后的信号能够匹配电动机保护器的保护电流规格，实现对多种规格的电动机进行保护，且保证相同相对分辨力。

因为罗氏线圈测量交流电流，频率从0.1Hz～1MHz，测量范围从0.1A～10000A，精度从0.1％～1％，线圈具有极佳的瞬态反应能力，可以用于测量尺寸很大或尺寸形状不规则的导体。为了保证对应原规格的设备的保护具有不变的相对分辨力，所述CPU控制模块04根据输入电动机保护器的保护电流规格，对所述可变增益信号放大电路02(如图2所示)，可以切换不同输入电阻、反馈电阻及调整放大器的增益，以使它做不同规格电动机保护器时输入到A/D转换模块03的信号幅值在同一水平，保证采样及处理精度。

进一步的，为了现场施工的方便，所述罗氏线圈电流传感器01优先采用可插接的柔性罗氏线圈；为了增加抗干扰性，所述柔性罗氏线圈的线圈本体和信号引出线部分设有电和/或磁屏蔽层。对于宽范围电流应用，特别是大电流应用时，电动机保护器安装周围的电磁场干扰更大，屏蔽周围电磁场对于采集信号的干扰更十分必要，所以在此环境下采用带屏蔽层的罗氏线圈且保持屏蔽层良好接地。

如图2实例中的2部分，反馈电阻R18-1～R18-8各自分别通过对应的数字控制模拟电子开关连接到反馈回路上，所述数字控制模拟电子开关在CPU控制模块04的控制下切换不同的反馈电阻。具体的，可以是在CPU控制模块04的控制下，根据输入电动机保护器的保护电流规格，通过对多个反馈电阻(R18-1～R18-8)之间的导通/断开的排列组合，动态调整放大增益；同样的，还可以对输入电阻进行配置，以动态调整放大增益。图2中的1、3、4和5部分包含输入输出阻抗匹配、固定增益放大电路兼阻抗匹配、基准电压抬升及其附属电路。需要说明的是，图2只是可变增益信号放大电路02在实际应用中的一种实施方式，本领域技术人员完全可以根据本发明所述的方法对可变增益信号放大电路02的电路结构进行调整，只要是CPU控制模块04能够动态调整所述可变增益信号放大电路02的放大增益，以使输入到A/D转换模块03的信号幅值在同一水平，就都属于本发明所要保护的范围。

进一步的，所述可变增益信号放大电路02在所述CPU控制模块04的控制下，对所述罗氏线圈电流传感器01输出的信号进行调节放大处理，具体包括：

所述CPU控制模块04根据电动机保护器的保护电流规格以及所述罗氏线圈电流传感器01输出信号大小，确定对所述信号进行放大的增益；

所述CPU控制模块04依照所述增益，控制所述可变增益信号放大电路02采用至少一级放大的方式对所述信号进行放大处理。

进一步的，当所述CPU控制模块04依照所述增益，控制所述可变增益信号放大电路02采用多级放大的方式对所述信号进行放大处理时，包括：

依照所述增益分别确定每一级的放大增益，使信号放大后的电压峰峰值低于所述A/D转换模块03输入的最大值，接近A/D转换模块03的满刻度电压，以保证对信号具有最大分辨力。

在本实施方式中，所述A/D转换模块03在对输入信号进行采样前，所述可变增益信号放大电路02在CPU控制模块04的控制下，对所述罗氏线圈电流传感器01采集的电信号进行放大，放大后的信号再由A/D转换模块03进行模数转换处理。

所述CPU控制模块04根据电动机保护器的保护电流规格以及采集的电信号大小，先确定出对所述采集的电信号进行放大的增益。进一步的，当采用两级放大的方式对所述信号进行放大处理时，所述CPU控制模块04依照所述增益分别确定前级放大增益与后级放大增益，使处理后的采样信号的电压峰峰值略低于A/D转换模块03输入的最大值，以保证对采样信号具有最大分辨力。

所述A/D转换模块03包括：专用A/D芯片、所述CPU控制模块自带的A/D转换模块，或带A/D转换的计量芯片。

在实际应用中，电动机保护器规格型号多，本发明特别适用于额定电流0.5A-800A之间的电动机保护器。为了说明情况，以表1所示举例，不同电流规格的电动机保护器对应的罗氏线圈输出电压以及相应的放大增益和满量程值，表1中采用的A/D转换芯片(该芯片包含了可变增益信号放大电路02和A/D转换模块03)带增益放大，总的放大增益为AD内部增益和多级放大器增益的乘积，同时满量程值要对应每个电流规格的8倍数值(电动机堵转倍数)不超限。

表1

由表1中的数据可以看出，罗氏线圈输出电压信号(即采样信号)的变化范围较大，采样信号最大值是最小值的8000倍或更大，对于不同取值的采样信号，为达到相同的测量相对分辨力，采用分级放大的形式，可变增益信号放大电路02前级放大和A/D转换芯片中信号放大(如AD9271就是带内部增益的A/D转换模块的芯片)相结合的方式，通过对采样信号的组合放大，使放大后的信号保持在同一幅值下(如上表中的800mV)，以获得在每种电流规格电动机保护有尽可能大的分辨力及保护精度。

当采用两级放大的方式对所述信号进行放大处理时，可变增益信号放大电路02的前级增益和后级增益形成了组合的信号放大增益，使处理后的采样信号电压峰峰值略低于A/D转换模块03输入的最大值，以保证对采样信号具有最大分辨力，使相对分辨力保持不变。下面以表1中的电流规格25A的电动机保护器相关放大处理电路为例进行说明，假设处理电路中放大电路的放大倍数固定不可调整，12位A/D，分辨率为1/2¹²，对应的满量程有效值为0.8V，得到2¹²对应的电压峰峰值为0.8*1.414*2＝2.2624V，即每一比特对应2.2624/4096V，满量程时对应4096比特；在当做20A规格使用时，对应的最大量程为0.64V(有效值)，则0.64V～0.8V幅值线性空间被浪费，对应的信号只能在0～0.64V(有效值)内变换，相对分辨力或灵敏度变差。采用本发明所述的方法后，25A规格的电动机保护器当做20A规格使用时，所述CPU控制模块04根据要被替换电动机保护器的电流规格20A，先确定出对所述采集的电信号进行放大的增益为原先的25A/20A＝1.25倍，所述CPU控制模块04再依照该增益分别确定前级放大增益与后级放大增益，以使采样信号进行A/D转换前，该信号的峰峰值略低于A/D转换模块03输入的最大值，以保证对采样信号具有不变的相对分辨力。此条件下，如果通用型保护器对原先类型的电动机保护器进行替换，就可完全等同地满足现场要求。

首先假设通用电动机保护器以25A电流规格为基准调试出厂。类似的，本发明所述的通用型电动机保护器对于25A的电流规格替代100A的规格时，所述CPU控制模块04根据需要替换100A规格电动机保护器的要求，先确定出对所述采集的电信号进行放大的增益为原先25A/100A＝1/4倍，然后再将该增益分配给前级和后级进行放大，最终使放大后的信号的峰峰值略低于A/D转换模块03输入的最大值，保证对采样信号具有不变的相对分辨力。

自然的，通用电动机保护器也可以以其他某个电流规格为基准调试出厂,相应的，CPU控制模块04根据现场需要的电动机保护器的电流规格控制调整放大电路增益。

需要说明的是，在实际设计时，首先保证常用规格的电动机保护器替代性，所以本发明所述的通用型电动机保护器优先保证常用规格具有相同的最大相对分辨力。也可以针对实际中的有限个电动机规格，通过调整输入电阻及放大器反馈电阻，结合A/D芯片的放大增益优化组合，实现全系列电动机保护器的通用保护，同时保证相对分辨力不变。

进一步的，还包括：

过零检测电路，用于对反映变频电动机运行的信号进行过零检测，过零检测输出的信号传送至所述CPU控制模块04，所述CPU控制模块04计算出变频电动机工作频率，实现对变频电动机工作频率的跟踪。

进一步的，本发明所述的电动机保护器还包括：

人机交互接口以及外围接口；

所述人机交互接口和所述外围接口分别与所述CPU控制模块04连接。

进一步的，所述外围接口包括：通讯端口，和/或，调试端口。

进一步的，所述罗氏线圈电流传感器采用可插接的柔性罗氏线圈；

所述柔性罗氏线圈的线圈本体和信号引出线部分设有电和/或磁屏蔽层。

本发明所述的一种通用型电动机保护器采用动态调整放大倍数的方式，使采样信号的峰峰值保持在AD采样幅值内，且略低于限幅值，保证了最大的保护分辨力及精度，本发明所述的电动机保护器可以对不同规格的电动机进行保护，通用性强，且相对分辨力不变。

此外，本发明还提供了一种电动机，包括：

如图1所述的通用型电动机保护器。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，如实践中A/D芯片中具有放大增益的调整，也是通过内部输入电阻和/或反馈电阻的切换来调整增益的；设备中放大回路部分增益可以通过多级不同增益放大电路接入和/或断开的变化调整增益，或者是通过两种方法的组合来实现的方法均是本申请保护的范围。切换、接入和/或断开可以通过CPU控制模块驱动的数字控制模拟电子开关或手动拨码开关实现。在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种通用型电动机保护器，其特征在于，包括：

罗氏线圈电流传感器、可变增益信号放大电路、A/D转换模块、CPU控制模块和输出模块；

其中，所述罗氏线圈电流传感器用于采集电动机运行的电流信号；

所述可变增益信号放大电路用于在所述CPU控制模块的控制下，调整放大增益，并按照调整后的放大增益对所述罗氏线圈电流传感器输出的信号进行调节放大，以使处理后的信号能够匹配电动机保护器的保护电流规格；

所述A/D转换模块用于在所述CPU控制模块的控制下，对所述可变增益信号放大电路处理后的信号进行A/D模数转换处理；

所述CPU控制模块还用于对所述A/D转换模块的输出数据进行判断，当判断出电动机发生异常时，通过所述输出模块将事故或预告信号发送至响应电路。

2.根据权利要求1所述的通用型电动机保护器，其特征在于，

所述CPU控制模块根据电动机保护器的保护电流规格，控制所述可变增益信号放大电路调整放大增益，以使输入到所述A/D转换模块的信号幅值在同一水平。

3.根据权利要求2所述的通用型电动机保护器，其特征在于，所述控制所述可变增益信号放大电路调整放大增益，包括：

控制所述可变增益信号放大电路调整接入的反馈电阻和/或输入电阻的阻值，以调整放大器的增益。

4.根据权利要求1所述的通用型电动机保护器，其特征在于，所述可变增益信号放大电路在所述CPU控制模块的控制下，对所述罗氏线圈电流传感器输出的信号进行调节放大，包括：

所述CPU控制模块根据电动机保护器的保护电流规格以及所述罗氏线圈电流传感器输出信号大小，确定对所述信号进行放大的增益；

所述CPU控制模块依照所述增益，控制所述可变增益信号放大电路采用至少一级放大的方式对所述信号进行放大处理。

5.根据权利要求4所述的通用型电动机保护器，其特征在于，当所述CPU控制模块依照所述增益，控制所述可变增益信号放大电路采用多级放大的方式对所述信号进行放大处理时，包括：

依照所述增益分别确定每一级的放大增益，使信号放大后的电压峰峰值低于所述A/D转换模块输入的最大值，以保证对信号具有最大分辨力。

6.根据权利要求1所述的通用型电动机保护器，其特征在于，

所述A/D转换模块包括：专用A/D芯片、所述CPU控制模块自带的A/D转换模块，或带A/D转换的计量芯片。

7.根据权利要求1所述的通用型电动机保护器，其特征在于，还包括：

过零检测电路，用于对反映变频电动机运行的信号进行过零检测，过零检测输出的信号传送至所述CPU控制模块，所述CPU控制模块计算出变频电动机工作频率，实现对变频电动机工作频率的跟踪。

8.根据权利要求1至7任一项所述的通用型电动机保护器，其特征在于，还包括：

人机交互接口以及外围接口；

所述人机交互接口和所述外围接口分别与所述CPU控制模块连接；

所述外围接口包括：通讯端口，和/或，调试端口。

9.根据权利要求1至7任一项所述的通用型电动机保护器，其特征在于，

所述罗氏线圈电流传感器采用可插接的柔性罗氏线圈；

所述柔性罗氏线圈的线圈本体和信号引出线部分设有电和/或磁屏蔽层。

10.一种电动机，其特征在于，包括：

如权利要求1至9任一项所述的通用型电动机保护器。

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