CN2896634Y - 智能电机保护仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种智能电机保护仪，包括：数据采集模块、保护模块、通信模块、人机接口模块；其中，所述数据采集模块用于采集三相交流电参量，然后把所采集的数据结果计算后写入指定的保持寄存器中，所述保护模块用于由所述数据采集模块所得数据根据设定条件判断出是否已经达到保护条件，所述通信模块用于所述保护模块与上位机或所述人机接口模块之间进行数据传输，所述人机接口模块包括：显示单元和键盘操作单元，键盘操作单元用于设定参数，显示单元用于实时数据显示和保护类别显示。本实用新型不仅测量精度高，系统稳定性强，而且组网方式灵活，保护种类齐全。

Description

智能电机保护仪

技术领域

本实用新型涉及一种用于电机的保护装置。

背景技术

电动机作为拖动系统中的重要组成部分在国民经济中占有举足轻重的地位，它的使用几乎渗透到了各行各业，是工业、农业和国防建设及人民生活正常进行的重要保证，因而确保电动机的正常运行就显得十分重要，而在使用中造成电机烧毁甚至引发重大安全事故的事件屡见不鲜。据不完全统计，全国每年仅因电动机烧毁所消耗的电量就达数千万度，电动机烧毁的数量达20万台次以上，容量约0.4亿千瓦，因维修所耗的电磁线约5000万公斤，修理费达20亿元，而因停工停产所造成的损失更是一个无法估量的巨大数目。因此做好电动机的保护具有节能显著、提高生产效率和经济效益及保证安全生产的重要意义。

电机在矿山、冶金、电力和石油化工等领域的应用非常普遍，而且保障其正常运行至关重要，电机保护器可应用于这些领域的供配电系统。

从时间上划分，电动机保护器的发展大致可划分为三代：

第一代是以传统的机电式继电器为主，包括：熔断器、热继电器、电动机保护用自动开关及双金属片式温度继电器等。

熔断器是最古老、最简单、最廉价的保护电器。它的主要缺点在于只适用于电动机的短路保护，而不能用于电动机的过载保护。在保护三相异步电动机时，也常常由于某一相熔断器熔体熔断而造成三相异步电动机断相运行。故IEC(国际电工委员会)规定，凡安装熔断器的场合，必须加设断相保护。

热继电器作为传统的电动机保护装置已有80多年历史。在结构和性能上经历了3～4代日臻完善的发展过程。它是利用电流流过热元件时的热效应引起双金属片弯曲使机构动作的。其优点是结构简单、价格低廉、使用方便、有较好的反时限特性。比较适合于恒定负载、连续运行情况下的过载保护。但是，若用来保护频繁起动或重载起动以及发生过多次短时过载的电动机，保护效果欠佳。另外，只能对电动机的过载实现保护，不具备短路保护(由于存在热惯性)，断相保护的可靠性要受异步电动机负载率的影响。近年来，国内外不断开发出具有断相保护功能的三极热继电器，在一定程度上改善了断相保护的效果。热继电器保护的准确度较差，一是由于保护特性有一定的分散性，且不太稳定，二是对环境温度、机械振动等环境因素比较敏感。热继电器尽管存在着许多不足之处，但由于其成本低，使用简便，目前在小型电动机的保护中仍被广泛地选用。

电动机保护用自动开关是一种具有过载和短路保护等保护功能的电动机保护装置，一定程度上可取代熔断器和热继电器的组合。它最突出的特点是在进行短路保护时不会造成异步电动机的断相运行，并且分断后的停机时间短。第一代电动机保护用自动开关中的电动机过载保护仍采用双金属片结构，存在着与热继电器相同的弊端。

双金属片式温度继电器是一种埋置在电动机绕组中，直接反映电动机温度的保护装置。从理论上讲，温度保护是提高电动机可靠性最直接、最有效的方法，对任何原因造成的绕组温度过高均能实现有效的保护。因此，特别适用于由于通风不良、环境温度过高、起动次数过于频繁、变动或冲击性负载等原因引起的电动机过热保护。但是，由于其体积较大，安装工艺比较复杂，动作缓慢、返回时间长，不适合在小型电动机中使用。

第二代是采用电子元件和中小规模集成电路的电子式电动机保护器。它包括电子式电动机综合保护器及电子式温度继电器等等。电子式电动机保护装置是随着电子技术的迅速发展应运而生。

电子式电动机综合保护装置是由电子元器件组成，基本上无可动部件(故称静止型)，不存在机械误差和磨损。因此，动作速度快、精度和灵敏度高，寿命较长，耐冲击和振动，整定简便。我国这种装置的研制始于20世纪80年代，到20世纪90年代初期，一批保护原理各异、性能良好、价格较低廉的产品已陆续研制、生产并开始推广应用。虽然各种电子式保护装置的原理各不相同，但一般均具有过载、断相、短路、三相不平衡等多种保护功能。电子式保护装置从总体上来看，其性能价格比已接近或优于传统的机电式保护装置。早期因价格过于昂贵的束缚也随着电子元器件价格的降低而逐渐消失。迄今为上被保护对象也已从以大、中型电机为主转变为以为数众多的中、小型电动机为主。可以预料它在中、小型电机保护领域的应用势头不会减弱。由于电子式电动机综合保护装置属于纯硬件电路结构，各种功能(特别是它的保护特性)都是由相应的硬件电路实现的。所以，仍存在着扩展功能不够灵活，保护特性不易改变，灵敏度及电流的整定范围受到硬件的限制和电动机运行状态的监控不够完善等一些缺陷。

电子式温度继电器是一种将温度传感器埋置于电机绕组内，借助于电子装置对电机绕组温度进行保护的一种电动机保护电器。温度传感器多采用温度系数大、灵敏度高、体积小和具有明显的开关特性正温度系数(PTC)热敏电阻。由于传感器安置在电动机内部温升较高的部位，直接反映电动机内部的温度。因此，从理论上讲，电子式温度继电器可以保护由各种原因引起的绕组温度过高的电机。然而，由于温度传感器存在着热惯性(尽管西门子公司宣称其生产的PTC热敏电阻的时间常数已低于2秒，在起动、堵转及短路时存在着一定的保护滞后。另外，安装位置的复杂性(至今未见有绕组温度最高点的确切描述)、保护温度选择的不确定性和传感器维护的困难，使得其应用受到一定的限制。

第三代是采用微处理器的智能型电动机保护器。进入80年代以来，微电子技术的发展和应用对电动机保护在原理上的概念更新、装置上的结构变革、性能上的完善、功能上的扩展等方面起着强大的推动作用。微处理器技术进入电动机保护领域后，使基于微处理器的电动机保护装置具有了优异的保护特性、完善的功能扩展和智能化的监视与控制。经过多年的发展，国外一些著名的电器公司纷纷推出以为微处理器为核心的智能化电机保护器。如：德国SIEMENS公司的3UB1系列继电器、日本FUJI公司的QA系列继电器、美国ABB公司的SPEM继电器、英国GEC-ALSHOM公司的GEMSTART智能控制继电器。国内也有许多单位在进行研制(如上海电器科学研究所，南京自动化研究所等)。各类产品型号各异、名称不同，但其核心功能大体上有：基本的保护功能、自检、自诊断、故障参数(如故障值、故障类型等)的记忆、保护参数的整定(包括保护方式的选择，保护特性的改变等)等。进入20世纪90年代以来，由于微机通讯技术和网络技术的发展，国外一些公司又提出了兼有监控、保护功能的智能化保护器。它能与中央控制系统进行双向通讯，形成监控、保护与信息网络，也能监视电动机各种运行参数，不但能测量当前数据，并能对过去的运行参数及故障情况做出统计，帮助操作人员做出决策定以减少线路和设备的停机和维修时间。但这些设备通常结构复杂，价格昂贵，难于在国内推广应用，而在这一方面国内的电机保护器的发展比较欠缺，而且国内市场上的电机保护器普遍存在稳定性差、测量精度低等缺点。

实用新型内容

针对上述存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种智能电机保护仪，该保护仪不仅测量精度高，系统稳定性强，而且组网方式灵活，保护种类齐全。

为实现上述目的，本实用新型一种智能电机保护仪包括：数据采集模块、保护模块、通信模块、人机接口模块；其中，

所述数据采集模块用于采集三相交流电参量，然后把所采集的数据结果计算后写入指定的保持寄存器中，采集的数据包括：1)A、B、C三相电压以及电流有效值，2)A、B、C三相分别的有功功率以及无功功率，3)交流电频率，4)本次运行所消耗的电量；计算的数据有：1)根据A、B、C三相的各自有功功率以及无功功率计算出整体的有功功率以及无功功率，2)功率因数；

所述保护模块用于由所述数据采集模块所得数据根据设定条件判断出是否已经达到保护条件，当达到保护条件则根据当前保护的保护类型推动相应的继电器(报警继电器、保护继电器)以及主机的故障指示灯动作，同时在保护状态寄存器相应的位中写入保护状态，所述保护状态寄存器包括三相中每一相的报警保护以及继电器保护；

所述通信模块用于所述保护模块与上位机或所述人机接口模块之间进行数据传输；

所述人机接口模块包括：显示单元和键盘操作单元，键盘操作单元用于设定参数，显示单元用于实时数据显示和保护类别显示。

进一步地，所述数据采集模块采用集成芯片ADE7758，所述保护模块采用MC9S12D64工业控制芯片。

进一步地，所述通信模块包括RS-232、RS-485、CAN(控制器局域网)和4-20mA模拟输出通信口。

进一步地，各所述通信口与所述保护模块之间设置有光电芯片隔离。

本实用新型具有如下优点：

1)测量精度高：在电机采样的设计上，本系统采用了专用集成芯片ADE7758。ADE7758是ADI公司为三相电能表而专门研制的专用ASIC(特定用途集成电路)，它将6通道模拟通道、ADC转换器和专用计算的DSP集成一体，完成周期电压、电流有效值、有功和无功的累积值(功率、电能)，通过外部辅助的数字计算可完成电网全部电量参数的测量，ADE7758的测量精度等级可达到在1000∶1的0.1％精度；它支持三相三线制、三相四线制等美国ANSIC12.10标准三相电机的接法，片内集成高精度的基准和温度测量单元。采用标准的SPI(串行外设接口)完成同外围MCU(微控制单元)接口，通过SPI可实现对ADE7758的编程配置、电量数据的采集、校准等多种功能，完成了系统中计量要求的低成本、系统简洁、测量精度高、可靠性高的要求。芯片内集成了温度传感器，有利于在不同环境下的温度补偿。与现有的模拟采集电路相比，本设计具有采集精度高(三相电压、电流等的数据采集精度优于0.5％等级)、抗干扰性强、硬件实现简单、维护容易等诸多优点；

2)系统稳定性强：由于工业现场环境比较苛刻，因此需要电机保护器具有较强的稳定性。本系统从芯片的选择到系统的实现，都保证了系统的稳定运行。主机部分的MCU采用Motorola公司的MC9S12D64这款专用于工业控制的芯片。显示单元的MCU MC68HC908AZ32也是Motorola公司的一款工业级微处理器。各通信接口与MCU之间都经过了光电芯片隔离，以保护最小控制系统的安全；

3)组网方式灵活：本系统设计采用了多种通信模块(可选择安装)：基于RS-485的MODBUS协议和基于CAN的DEVICENET协议进行多台电机网络组态监控保护，以及4-20mA模拟量远程输出。MODBUS协议在工业通信上应用比较广泛；DEVICENET协议是工业通信协议发展中的新技术，是一种稳定、高速(最高通信波特率可达到1M bps)的通信协议。由于工业现场的环境干扰程度不尽相同，本系统采用多种通信波特率，具体可根据现场环境进行选择设定并自动保存；

4)保护种类齐全：本系统考虑到了会造成电机烧毁的各种异常情况，包括过压、欠压、过流、断相、电流不平衡等。而且过压比、欠压比、过流比、保护时间等参数可以根据电机情况自由设定，有效地保护电机安全运行。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。

图2为人机接口模块的结构示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，本实用新型包括：数据采集模块1、保护模块2、通信模块3、人机接口模块4；其中，

数据采集模块1用于采集三相交流电参量，然后把所采集的数据结果计算后写入指定的保持寄存器中，数据采集模块1采用集成芯片ADE7758，

数据采集模块1主要是：保护模块2定时从专用集成芯片ADE7758中读取各种采集到的三相交流电参量，然后把所采集的数据写入某一指定的保持寄存器中，采集的数据有：1)A、B、C三相电压以及电流有效值，2)A、B、C三相分别的有功功率以及无功功率，3)交流电频率，4)本次运行所消耗的电量；计算的数据有：1)根据A、B、C三相的各自有功功率以及无功功率计算出整体的有功功率以及无功功率，2)功率因数；

性能要求：要求间隔20ms查询计算一组数据；

此模块中含有一个电机启动正常运行以及停止状态判断的功能，把判断所得结果写入电机状态寄存器中；

保护模块2采用MC9S 12D64工业控制芯片，

保护模块2是由数据采集模块1所得数据根据以下标准判断出是否已经达到保护条件，当达到保护条件则根据当前保护的保护类型推动相应的继电器6(报警继电器、保护继电器)以及故障指示灯7动作，同时在保护状态寄存器相应的位中写入保护状态；

保护状态寄存器应该包括三相中每一相的报警保护以及继电器6保护；

保护定义：

①过压比：(任意一相电压实时值-额定电压)/额定电压

过压比默认值：20％，

过压默认持续时间：30秒，

保护类型：报警，

受保护设备正常运行中过压故障持续发生30秒，系统进行报警保护；

②欠压比：(额定电压-任意一相电压实时值)/额定电压，

欠压比默认值：20％，

欠压默认持续时间：30秒，

系统启动期间，如果发生欠压，则继电器动作，禁止设备起动，受保护设备正常运行期间如果发生欠压故障持续30秒，此时报警，但不发生保护动作；

③过流比：任意一相电流实时值/额定电流，

过流比默认值：1.2，

保护类型：保护，

当某一相电流小于过流比时为正常，当某一相电流等于过流比时，持续120秒，继电器动作，进行保护，当某一相过流比大于3时，持续时间5秒，继电器动作，进行保护。当某相电流过流比在Ig(设定参数中的过流比)至3之间，持续时间遵循反时限规则，

       T＝120-115(I-Ig)/1.8，

式中：T表示持续时间，

I是电流实时值与额定电流之比，

Ig是设定的过流比参数，

④不平衡Ip：任意一相电流与三相平均电流之差的绝对值与平均电流之比。

不平衡默认值：50％，

保护类型：报警，

不平衡默认设定时间：30秒，

当不平衡持续时间达到设定时间，进行报警；

⑤断相：任意一相实时值电流为0则认为是断相，

断相默认设定时间：60秒，

保护类型：保护，

断相分为电机启动时断相、电机正常运行时断相，启动时断相持续2秒时间进行继电器保护，运行状态断相发生达到设定时间则进行继电器保护；

保护仪在进行报警保护判断时，要有一定智能。如判断断相要和电机没启动、互感器坏及保护仪通道故障区别开；判断过流要和保护仪通道故障区别开等；

通信模块3包括RS-232、RS-485、CAN以及4-20mA模拟输出四个通信口，

RS-232口：本口作为从口具有三种功能，1)与操作面板连接，2)与RS-485口具有同样的作用，能够通过PC机或者手抄器(显示单元)显示保护仪的设置值、实时值以及设置保护仪的系统参数，3)通过与PC机配合，完成对ADE7758的校验工作；

RS-485口：本口采用标准MODBUS协议的RTU模式，用以同上位机进行通信，通信内容包括传送保护仪的电机运行的实时值、保护仪的设置值、报警记录、保护状态寄存器值以及控制继电器的开关状态；

CAN口：本口应用DEVICENET协议与上位机通信，作用同RS-485；

4-20mA模拟输出口：本口可将电机的电压、电流等参数转换成4-20mA的电流进行远程传输；

人机接口模块4包括：LCD8(数据显示和保护类别显示)、键盘9和芯片10；

数据显示包括：双行循环显示，按AB线电压、电流，BC线电压、电流，CA线电压、电流，有功功率、无功功率，功率因数、频率，电量顺序显示，每次显示停留1秒；

保护类别显示包括：保护类别显示有两种情况，当相应保护类型为报警时，指示灯作闪烁状点亮，保护类型为继电器保护时指示灯为常亮状态；

通过键盘9的参数设置包括：互感器比、额定电压、额定电流、过压比、欠压比、过流比、电流不平衡、断相时间、电机启动时间、通信地址(主机存放实时数据供RS-485访问)、RS-232波特率)2400pbs，4800pbs，9600pbs，19200pbs四种)、RS-485波特率(2400pbs，4800pbs，9600pbs，19200pbs四种)、CAN波特率(125Mpbs，250Mpbs，500Mpbs三种)、保护使能、通信使能(0通信禁止，1RS-485，2CAN)、模拟输出使能，此外，还可以键盘操作清除继电器保护。

图1、2中，保护模块2的MCU芯片通过SCI(串行通讯接口)0组成RS-232通信接口，通过SCI1组成RS-485通信，通过MSCAN组成CAN通信接口，通过IIC组成4-20mA的模拟输出接口，继电器部分是通过两个通用I/O口控制，通信接口部分都经过光电隔离处理，数据采集模块1的ASIC芯片完成三相电压电流等实时数据的采集并通过SPI与主MCU交换数据，人机接口模块4的MCU芯片10通过SCI与主机进行RS-232通信，一组通用I/O口完成键盘9、LCD8等的控制。

Claims (4)

1、一种智能电机保护仪，其特征在于，包括：互感器、数据采集模块、保护模块、通信模块和人机接口模块，所述互感器、数据采集模块、保护模块、通信模块和人机接口模块依次相连；其中，所述人机接口模块包括：用于实时数据显示和保护类别显示的显示单元和用于设定参数的键盘操作单元。

2、根据权利要求1所述的一种智能电机保护仪，其特征在于，所述数据采集模块采用集成芯片ADE7758，所述保护模块采用MC9S12D64工业控制芯片。

3、根据权利要求2所述的一种智能电机保护仪，其特征在于，所述通信模块包括RS-232、RS-485、CAN和4-20mA模拟输出通信口。

4、根据权利要求3所述的一种智能电机保护仪，其特征在于，各所述通信口与所述保护模块之间设置有光电芯片隔离。