CN215646150U - 电机保护器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电机保护器，该电机保护器包括：电控开关、第一驱动电路、第二驱动电路、主监控器和辅监控器。电控开关连接于电源与电机之间。第一驱动电路和第二驱动电路分别连接至电控开关，用于驱动电控开关断开。主监控器用于监视电机的运行状态，并与第一驱动电路连接用于在电机的运行状态异常的情况下控制第一驱动电路驱动电控开关断开。辅监控器与主监控器和第二驱动电路连接，用于在主监控器出现故障的情况下将主监控器复位并控制第二驱动电路驱动电控开关断开。

Description

电机保护器

技术领域

本实用新型涉及一种电机保护器。

背景技术

电机保护器，也被称为马达保护器，其用于在电机出现超时启动、过流、欠流、过压、欠压、三相不平衡、缺相、短路、堵转、过热、轴承磨损、定转子偏心等故障时对电机进行保护的装置。例如当电动机启动时，如果由于电动机被卡住或者由于负荷过大导致电动机堵转，定子绕组中会产生过电流并导致电动机过热，绝缘降低并最终烧毁电机。在这种情况下，电机保护器会将继电器断开以保护电动机。此外，在电动机的正常运行中，电机保护器能根据三相电流的差值自动检测出电动机是否缺相或者三相电流是否平衡。当电动机发生缺相或者三相电流严重不平衡时，电机保护器会发出停车警报，并通过继电器将供电线断开。此外，在一些应用中，当电压降到额定电压以下时会要求电机保护器能够自动检测到并驱动继电器切断电源，这种保护成为欠电压保护。

针对电机保护器的上述保护功能，电机保护器可以配备有电流传感器和电压传感器，它们采集电机的供电线路上的电流和电压，并且将电流和电压变化线性地反映至电机保护器的采样端口，经过整流、滤波等环节后，转换为成正比的直流电压信号并将其馈送到微控制单元(MCU)，MCU将其与预先给定的保护参数进行比较，在满足条件时驱动继电器动作。

由于电机保护器的工作环境，电机保护器通常会受到强的电场或磁场的影响。电机保护器中的MCU在受到干扰的情况下，程序计数器的值可能发生随机的变化，从而使得程序的流向指向不确定区域，这便是程序的跑飞。程序跑飞后，程序计数器的值指向一条不合逻辑关系的指令甚或是非程序区，运行结果常常会使MCU进入死循环，即MCU死机。为确保在无人操作的情况下，MCU能够从死机状态中自动恢复，通常采用外部的看门狗定时器(Watchdog Timer，WDT)或者软件实现的WDT。当MCU正常工作时，每隔一段时间会输出一个信号到WDT的输入端(喂狗)将WDT清零，如果超过规定的时间没有喂狗，则WDT超时并且会向MCU输出复位信号。通过增加WDT避免了MCU的死机，从而提高了整个系统出现故障时的自我诊断和恢复能力，由此提高了相应装置或系统的安全失效分数(SFF)。

然而，在MCU发生死机或硬件随机失效的情况下，不能及时断开继电器，导致电机不能受到很好的保护而被可能被损坏。

实用新型内容

本实用新型涉及一种改进的电机保护器。当电机保护器的主监控器由于受到干扰而发生故障时，辅监控器除了可以将主监控器复位之外，还可以将电控开关断开，使得电机停止运行。

本实用新型涉及一种电机保护器，其包括：电控开关、第一驱动电路、第二驱动电路、主监控器和辅监控器；

所述电控开关连接于电源与所述电机之间；

所述第一驱动电路和所述第二驱动电路分别连接至所述电控开关，用于驱动所述电控开关断开；

所述主监控器用于监视电机的运行状态，并与所述第一驱动电路连接用于在所述电机的运行状态异常的情况下控制所述第一驱动电路驱动所述电控开关断开；以及

所述辅监控器与所述主监控器和所述第二驱动电路连接，用于在所述主监控器出现故障的情况下将所述主监控器复位并控制所述第二驱动电路驱动所述电控开关断开。

根据本实用新型的一些实施例，所述主监控器出现的故障是硬件损坏、时钟偏差和/或程序跑飞。

根据本实用新型的一些实施例，所述辅监控器是看门狗，并且所述看门狗在未接收到预定喂狗信号时将所述主监控器复位并控制所述第二驱动电路驱动所述电控开关断开。

根据本实用新型的一些实施例，所述看门狗是窗口看门狗。

根据本实用新型的一些实施例，所述电控开关是继电器开关。

根据本实用新型的一些实施例，其特征在于，所述主监控器是微控制单元(MCU)。

根据本实用新型的一些实施例，所述电机保护器还包括检测器，用于检测所述电机的电流和/或电压，并与所述主监控器连接用于将所检测的电流和 /或电压传输给主监控器；并且

所述主监控器基于所述电流和/或电压监视所述电机的运行状态。

根据本实用新型的一些实施例，所述电机的运行状态异常包括所述电机出现过流、欠流、过压、欠压、三相不平衡、缺相、和/或短路。

通过根据本实用新型的电机保护器可以确保电机始终处于可控的状态。在主监控器正常运行的情况下可以通过监视电机的运行状态来避免电机运行出现故障。在主监控器由于受到干扰而死机的情况下，辅监控器能够将主监控器复位并且能够及时将电机的电控开关断开，从而避免了在主监控器恢复运行的过程中使电机处于不受控的状态。由于主监控器和辅监控器都可以控制电控开关的断开，这种冗余的配置大大提高了电机保护器的功能安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的实施例的技术方案，下面将对实施例的描述中所需要使用的附图作简单的介绍。下面描述中的附图仅仅是本实用新型的示例性实施例。

图1示出了三相电机主电路和电机保护器的示例使用场景图，

图2示出了根据本实用新型实施例的电机保护器的结构图，

图3示出了根据本实用新型实施例的电机保护器的操作流程图。

具体实施方式

为了使得本公开的目的、技术方案和优点更为明显，下面将参考附图详细描述根据本公开的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本公开的一部分实施例，而不是本公开的全部实施例，应理解，本公开不受这里描述的示例实施例的限制。

在本说明书和附图中，基本上相同或相似的步骤和元素用相同或相似的附图标记来表示，并且对这些步骤和元素的重复描述将被省略。同时，在本公开的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性或排序。

在本说明书和附图中，根据实施例，元素以单数或复数的形式来描述。然而，单数和复数形式被适当地选择用于所提出的情况仅仅是为了方便解释而无意将本公开限制于此。因此，单数形式可以包括复数形式，并且复数形式也可以包括单数形式，除非上下文另有明确说明。在本公开的实施例中，除非另有明确说明，“连接”并不意味着必须“直接连接”或“直接接触”，而仅需要电学上连通即可。

图1示出了三相电机主电路和电机保护器的示例使用场景图。在三相电机的主回路中布置有电机保护器100、接触器KM和三相电机M。接触器 KM作为三相电机M的开关用于接通和断开三相电机的供电线路以使三相电机启动和停机。此外，还可以在接触器KM处改变三相电流的相序，从而改变电机的转动方向。在电机启动后，电机保护器100的主监控器监视电机的运行状态，例如监视电机的电流和/或电压并且可以根据预先设定的标准判断出电机是否出现超时启动、过流、欠流、过压、欠压、三相不平衡、缺相、短路、堵转、过热、轴承磨损、定转子偏心等故障。若主监控器发现电机出现上述故障，则控制驱动电路将继电器QF断开。

图2示出了根据本实用新型实施例的电机保护器100的示意结构图。所述电机保护器100包括电控开关105、第一驱动电路103、第二驱动电路 104、主监控器101和辅监控器102。所述电控开关105连接于电源与所述电机之间。所述第一驱动电路103和所述第二驱动电路104分别连接至所述电控开关105，用于驱动所述电控开关105断开。所述主监控器101用于监视电机的运行状态，并与所述第一驱动电路连接用于在所述电机的运行状态异常的情况下控制所述第一驱动电路103驱动所述电控开关105断开。所述辅监控器102与所述主监控器101和所述第二驱动电路104连接，用于在所述主监控器101出现故障的情况下将所述主监控器101复位并控制所述第二驱动电路104驱动所述电控开关105断开。

电控开关105可以在控制信号的控制下将电机与电源断开。在一些实施例中，电控开关105例如可以是继电器开关。继电器开关例如由铁芯、线圈、衔铁和传动机构等组成并且当线圈中有电流流过时，所感应出的磁场就会吸引衔铁，从而使衔铁与铁芯吸合，由此可以导致相应的触点闭合或分离。第一驱动电路103用于接收主监控器101的信号并控制电控开关105的接通和断开，第二驱动电路104用于接收辅监控器102的信号并控制电控开关105的接通和断开。第一驱动电路103和第二驱动电路104可以分别根据来自主监控器101和辅监控器102的控制信号而产生驱动电控开关105所需要的电流或电压。在一些实施例中，第一驱动电路103和第二驱动电路104可以是 H桥电路，其由四个电力电子开关组成。通过控制这些电力电子开关的通断，可以改变流过诸如继电器的电控开关105中的线圈的电流的方向，从而可以控制铁芯的磁场方向并吸引不同磁性衔铁，由此控制电控开关105的接通和断开。

主监控器101用于监视电机的运行状态，例如通过电流传感器和/或电压传感器来检测电机的电流和/或电压并将其与预先给定的标准进行比较。例如，若检测到的电流超过电流的上限标准则确定所述电机出现过流故障，若检测到的电流低于电流的下限标准则确定所述电机出现欠流故障，类似的方法也可用于对过压和欠压故障的判断。此外，还可以将各个相的电流和/或电压相互进行比较，若它们相互之间存在偏差且该变差超过预先给定的标准，则确定存在三相不平衡。通过这种方式，主监控器101可以检测出电机的运行异常，例如过流、欠流、过压、欠压、三相不平衡、缺相、和/或短路等。当检测到电机运行异常时，主监控器101控制第一驱动电路103以驱动电控开关105的断开。在一些实施例中，主监控器101例如可以是微控制单元 (MCU)。主监控器101或MCU上可以集成具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等，从而构成完善的微型计算机系统。主监控器101在恶劣的工作环境中可能会发生故障。

在一些实施例中，主监控器101出现的故障是硬件损坏、时钟偏差和/ 或程序跑飞。一方面，主监控器101作为硬件本身可能会被损坏，例如其引脚被腐蚀或断裂。另一方面，在主监控器101中运行的程序会发生异常。常见的程序异常例如是时钟偏差，即诸如寄存器的各个电路元件中的时钟信号不同步。这可能会导致数据不能正确地保持或锁存在目标寄存器中。此外，主监控器101中运行的程序还可能由于所受到的干扰而发生程序跑飞。主监控器101例如可以是MCU，其工作可以分为以下五个阶段：取指令阶段、指令译码阶段、执行指令阶段、访存取数和结果写回。在取指令阶段中，将一条指令从主存储器取到指令寄存器。MCU中的程序计数器(Program Counter，PC)用于指示当前指令在主存储器中的位置，当一条指令被取出后， PC中的数值根据指令字节长度自动递增并指示下一条指令的地址。经过后续的四个阶段，在指令执行完毕、结果数据写回之后，MCU就从PC取得下一条指令地址，开始新一轮的循环，下一个指令周期将顺序取出下一条指令。但是如果MCU受到干扰，例如电磁场的影响。PC的值会发生随机变化，从而使得不能顺序取出下一条指令，这时PC值可能会指向不合逻辑关系的指令或者会指向非程序区，这被称为程序跑飞，由此导致MCU进入死机状态。

为了监视主监控器101是否出现故障，本实用新型的实施例设置了辅监控器102。辅监控器102在主监控器101出现故障的情况下可以将主监控器 101复位并且可以控制第二驱动电路104驱动电控开关105断开。

在一些实施例中，辅监控器102可以是看门狗(Watchdog)，例如外部的看门狗定时器(Watchdog Timer，WDT)。WDT的输入信号被称为WDI (Watchdog Input，其也被称为“喂狗信号”)，WDT的输出信号被称为WDO (Watchdog Output)。输出信号WDO可以传输到诸如MCU的主监控器101 的复位端(RST)。假定主监控器101的程序运行周期为Tp，作为定时器的WDT将定时时间设置为Twu，其中Tp≤Twu。主监控器101和WDT同时开始运行(假定为时间点0)，在主监控器101的程序正常运行的情况下，在程序运行结束时，即在时间点Tp，主监控器101向WDT发送WDI(喂狗信号)，WDT收到WDI后会重置定时。主监控器101中的程序继续运行，并且主监控器101和WDT再次同时开始运行。若主监控器101受到干扰而进入死机状态，主监控器101的程序运行就不会结束，也就不会在时间点Tp 以及Twu向WDT发送WDI。在时间点Twu没有收到WDI的WDT会输出信号到主监控器101的复位端(RST)强制将主监控器101复位，从而主监控器101中的程序可以重新运行。由此可以看出，辅监控器102可以在主监控器102发生故障时将其复位。

然而，虽然通过复位可能使得主监控器101恢复正常运行并继续监视电机的运行状态以及在电机的运行状态异常的情况下控制第一驱动电路103驱动电控开关105断开，但是主监控器101的恢复需要一定的时间，若在此期间电机的运行状态发生异常，则主监控器101不能及时控制第一驱动电路 103。此外，主监控器103的有些故障不能通过复位而恢复，例如，主监控器 103的用于控制第一驱动电路103的引脚损坏。在此情况下，即使复位主监控器101也不再能够控制第一驱动电路103来保护电机。因此，根据本实用新型的实施例，辅监控器102除了能够将主监控器101复位之外，还可以控制第二驱动电路104驱动电控开关105断开。通过这种方式，在主监控器 101的正常功能失效时，避免了危险场景出现的可能，即避免了不允许的功能风险，从而提高了电机保护器100的功能安全性(Functionsafety)。

在一些实施例中，所述看门狗是窗口看门狗(Window Watchdog)。在使用窗口看门狗的情况下，假定主监控器101的程序运行周期为Tp，主监控器101和WDT同时开始运行，在主监控器101中的程序正常运行的情况下，主监控器101会在窗口看门狗的定时时间Twu内向窗口看门狗发送WDI(喂狗信号)，若主监控器101发生故障，窗口看门狗在时间点Twu还没有收到 WDI，则窗口看门狗向主监控器101发送WDO。窗口看门狗的定时时间Twu 在此被称为窗口的上限。除此之外，窗口看门狗还具有另外的定时时间Twl，其中Twl<Tp≤Twu。若窗口看门狗在时间点Twl之前接收到来自主控器101 的WDI，窗口看门狗也会向主监控器101发送WDO，由此使主监控器101 复位，时间点Twl被称为窗口的下限。因此对于窗口看门狗来说，必须在窗口的下限与上限之间接收到WDI，过早接收到WDI或没有接收到WDI都会使主监控器101复位。通过窗口看门狗可以更加精确地保证主监控器101 中的程序运行的时序正确性，尤其是时钟电路的准确性。

在一些实施例中，电机保护器100还包括检测器106，其用于检测电机的电流和/或电压，并与主监控器101连接用于将所检测的电流和/或电压传输给主监控器；并且主监控器101基于所述电流和/或电压监视所述电机的运行状态。检测器例如可以是电流传感器和/或电压传感器，它们采集电机的供电线路上的电流和/或电压，并且经过整流、滤波等环节后，转换为成正比的直流电压信号并将其馈送到主监控器101，主监控器101将其与预先给定的标准进行比较，在满足条件时控制第一驱动电路103驱动电控开关105断开。

电机的运行状态异常可以例如包括所述电机出现过流、欠流、过压、欠压、三相不平衡、缺相、和/或短路。所述主监控器101可以将通过检测器106 检测到的电流和/或电压与预先给定的标准进行比较来确定电机的运行状态是否异常。例如，若检测到的电流超过电流的上限标准则确定所述电机出现过流故障，若检测到的电流低于电流的下限标准则确定所述电机出现欠流故障，类似的方法也可用于对过压和欠压故障的判断。此外，还可以将各个相的电流和/或电压相互进行比较，若相互之间存在偏差且该变差超过预先给定的标准，则确定存在三相不平衡。

图3示出了根据本实用新型的电机保护器的操作流程图。在步骤S300 中，电机启动。与此同时，主监控器上电S310并且辅监控器上电S320。主监控器运行S311，即监视电机的运行状态。在主监控器正常运行的情况下，主监控器会定期向辅监控器发送触发信号S312。在辅监控器是看门狗的情况下，该触发信号被称为喂狗信号。

辅监控器与主监控器同时开始运行，辅监控器开始进行计时S321。在步骤S322中，辅助监控器监视确定在定时时间结束前是否收到触发信号。在辅助监控器是看门狗的情况下，看门狗监视在定时时间结束前是否接收到喂狗信号。若接收到了触发信号(喂狗信号)，则表明主监控器运行正常，返回到步骤S321，辅监控器重新开始计时。在主监控器运行正常的情况下，主监控器能够根据所监视电机的运行状态判断是否需要断开电控开关S313。若电机的运行状态发生异常，则主监控器向第一驱动电路发送信号S314，第一驱动电路驱动电控开关断开S315。若电机的运行状态正常，则返回到步骤 S311，主监控器继续运行。若主监控器受到干扰而不能正常运行或者主监控器被损坏，则主监控器不能定期发送触发信号。在步骤S322中，若辅监控器在定时时间结束前没有接收到触发信号，如前面已经详细描述的，辅监控器发送信号将主监控器复位并且向第二驱动电路发送信号S323。第二驱动电路将电控开关断开S315。

通过根据本实用新型的电机保护器的操作流程可以大大提高电机保护器的功能安全性，也就是说，即使在主监控器发生故障时，电机保护器也能够通过辅监控器将电控开关断开，从而使电机停车。通过主监控器和辅监控器两者的冗余配置，避免了在电机保护器的主控制器的正常功能失效时出现不能控制的危险场景。

本实用新型中涉及的电路、单元、器件、装置、设备、系统的方框图仅作为示例性的例子并不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些电路、单元、器件、装置、设备、系统，只要能够实现所期望的目的即可。本实用新型中涉及的电路、单元、器件、装置可以采用任何合适的方式实现，例如采用专用集成电路、现场可编程门阵列(FPGA)等，也可以采用通用处理器结合已知程序。

本领域技术人员应该理解，上述的具体实施例仅是例子而非限制，可以根据设计需求和其它因素对本实用新型的实施例进行各种修改、组合、部分组合和替换，只要它们在所附权利要求或其等同的范围内，即属于本实用新型所要保护的权利范围。

Claims (8)

1.一种电机保护器，其特征在于，

所述电机保护器包括：电控开关、第一驱动电路、第二驱动电路、主监控器和辅监控器；

所述电控开关连接于电源与所述电机之间；

所述第一驱动电路和所述第二驱动电路分别连接至所述电控开关，用于驱动所述电控开关断开；

所述主监控器用于监视电机的运行状态，并与所述第一驱动电路连接用于在所述电机的运行状态异常的情况下控制所述第一驱动电路驱动所述电控开关断开；以及

所述辅监控器与所述主监控器和所述第二驱动电路连接，用于在所述主监控器出现故障的情况下将所述主监控器复位并控制所述第二驱动电路驱动所述电控开关断开。

2.根据权利要求1所述的电机保护器，其特征在于，所述主监控器出现的故障是硬件损坏、时钟偏差和/或程序跑飞。

3.根据权利要求1或2所述的电机保护器，其特征在于，所述辅监控器是看门狗，并且所述看门狗在未接收到预定喂狗信号时将所述主监控器复位并控制所述第二驱动电路驱动所述电控开关断开。

4.根据权利要求3所述的电机保护器，其特征在于，所述看门狗是窗口看门狗。

5.根据权利要求1所述的电机保护器，其特征在于，所述电控开关是继电器开关。

6.根据权利要求1所述的电机保护器，其特征在于，所述主监控器是微控制单元(MCU)。

7.根据权利要求1所述的电机保护器，其特征在于，

所述电机保护器还包括检测器，用于检测所述电机的电流和/或电压，并与所述主监控器连接用于将所检测的电流和/或电压传输给主监控器；并且

所述主监控器基于所述电流和/或电压监视所述电机的运行状态。

8.根据权利要求1所述的电机保护器，其特征在于所述电机的运行状态异常包括所述电机出现过流、欠流、过压、欠压、三相不平衡、缺相、和/或短路。

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