2024年3月10日发(作者：)

维普资讯

第３６卷第９期　

继电器　

、ｒ０ｌ＿３６　ＮＯ．９　

２００８年５月ｌ曰　

ＲＥＬＡＹ　

Ｍａｙ　１，２００８　

浅谈ＡＲＤ３电动机保护器设计原理　

赵波　，周中　，黄少杰　

（１．江阴安科瑞电器制造有限公司，江苏江阴２１４４０５；２．广州造纸股份有限公司，广东广州５１　０２８１）　

摘要：着重介绍ＡＲＤ３电动机保护器的具体设计方法，给出硬件原理图和软件流程图。文章按照产品的各硬件功能模块进行　

展开说明，介绍硬件功能模块时，对硬件功能模块原理图进行详细分析，结合各种实际应用的情况说明此处硬件是怎样设计　

的，为什么这样设计以及这样设计的优缺点。通常电动机保护器工作的条件比较恶劣，为使产品性能方面更加稳定可靠，需　

要使用一些抗干扰措施，文中介绍的这些抗干扰措施在实际使用中被证明是成功的　

关键词：电动机保护器；ＡＲＤ３；保护功能；ＭｏｄＢｕｓ　

Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＡＲＤ３　ｍｏｔｏｒ　ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ　

ＺＨＡＯ　Ｂｏ　，ＺＨＯＵ　Ｚｈｏｎｇ　，ＨＵＡＮＧ　Ｓｈａｏ－ｊｉｅ　

（１．Ｊｉａｎｇｙｉｎ　Ａｃｒｅｌ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｊｉａｎｇｙｉｎ　２　１４４０５，Ｃｈｉｎａ；２．Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　Ｐａｐｅｒ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５　１　０２８　１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｈｉｇｈｌｉｇｈｔｓ　ｉｄｉｏｇｒａｐｈｉｃ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＡＲＤ３　ｍｏｔｏｒ　ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ　ａｎｄ　ｇｉｖｅｓ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｆｌｏｗ　

ｃｈａｒｔ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｍｏｄｕｌｅｓ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｔａｉｌｓ　ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｍｏｄｕｌｅｓ　ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ．Ｗｉｈｔ　ｔｈｅ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　

ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ｉｔ　ｉｎｔｒｏｄｕｅｓ　ｈｏｗ　ｔｏ　ｄｅｓｉｇｎ　ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｄｅｓｉｇｎ．Ｔｈｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｔｈａｔ　ｍｏｔｏｒ　

ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ　ｕｓｕａｌｌｙ　ｗｏｒｋｓ　ｒａｅ　ｐｏｏｒ，Ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｐｏｓｓｅｓｓｉｎｇ　ｍｏｒｅ　ｓｔａｂｌｅ　ｎａｄ　ｒｅｌｉａｂｌｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｉｔ　ｎｅｅｄｓ　ｔｏ　ｕｓｅ　ｓｏｍｅ　ｎａｔｉ－ｊａｍｍｉｎｇ　

ｍｅａｓｕｒｅｓ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ａｎｔｉ－ｊａｍｍｉｎｇ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｉｎ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｕｓｅ　ｈａｖｅ　ｐｒｏｖｅｄ　ｔＯ　ｂｅ　ｓｕｃｃｅｓｓｆｕ１　．

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｍｏｔｏｒ　ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ；　ＡＲＤ３；ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ；　ＭｏｄＢｕｓ　

中图分类号：ＴＭ３４；ＴＭ７７　文献标识码：　Ｂ　文章编号：　１００３—４８９７（２００８）０９—００８０—０４　

０引言　１硬件设计　

随着电子技术的发展，电动机保护器正向基于　

ＡＲＤ３电动机保护器用Ｈ８／３６８７ＦＰ单片机实现　

现场总线的智能型方向发展。我公司设计的ＡＲＤ３　

电动机的保护功能。在硬件方面主要由三相电流信　

电动机保护器立足于国内先进水平，是具有智能保　

号采样、漏电流采样、电压信号采样、键盘接口、　

护和可通信功能的电动机保护器。产品系列电流范　

显示部分、控制输出、报警输出、通信接口等几部　

围齐全，产品系列额定电流范围１．６￣８００　Ａ；可测　

分构成，下面分别对其中的关键部分作简要介绍：　

量的电流范围宽，可以达到１０倍电机额定电流；采　

１．１信号采集单元　

用先进的软件算法和可靠的硬件设计，对电动机的　

ＡＲＤ３电动机保护器采用交流采样算法计算被　

过载、断相、三相不平衡、堵转、阻塞、过压、欠　

测信号。采样方式是按一定周期（称为采样周期）　

压等故障进行有效判断和可靠保护，过载保护采用　

连续实时采样被测信号一个完整的波形（对于正弦　

计算分析当前电动机的热容量的方法，根据热容情　

波只需采样半个周期即可），然后将采样得到的离散　

况判断电动机的过载状态，此种方法可以最大发挥　

信号进行真有效值运算，从而得到被测信号的真有　

电动机的过载能力；配有可编程开关量输入、继电　

效值，这样就避免了被测信号波形畸变对采样值的　

器输出，用于实现远程主站对电动机运行状态的遥　

影响。　

信监视和直接起动、自耦降压、星一三角等起动方式；　

信号采集单元的功能取样、整流、放大互感器　

带有标准ＲＳ一４８５接口ＭｏｄＢｕｓ通讯协议实现计算　

二次测的输出信号，将这些信号转换为单片机可处　

棚　联网。　

理的信号。ＡＲＤ３电动机保护器中处理三相电流信　

号、剩余电流信号、电压信号的信号采集放大电路　

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赵波，等　浅谈ＡＲＤ３电动机保护器设计原理　．８ｌ＿　

原理都相同，现以一路电流信号采集放大电路为例　

变为低电平，三极管ＱＪ１导通ＯＵＴ１输出低电平使　

说明电路工作原理。　

图１信号采集放大电路　

Ｆｉｇ．１　Ｓｉｇｎａｌ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ　

信号采集放大电路如图１所示。在图中二极管　

Ａ１、Ａ７是双向二极管，对后级电路起到过压保护作　

用。当输入的信号在正常范围内，Ａ１、Ａ７不起作用，　

当输入信号超出正常范围（或有脉冲干扰信号出现）　

时，Ａ１、Ａ７导通，防止超出后级电路端口范围的信　

号进入后级电路，破坏后级Ａ／Ｄ电路。ＣＲ１为取样　

电阻，将从ＣＴ１输出的电流信号转变为电压信号。　

ＬＭ３２４和ＣＲ４，ＣＲ７，ＣＲ１０，ＣＲ１３组成同相放大　

电路将电压信号放大后输入Ａ／Ｄ转换电路。　

图１中ＬＭ３２４采用双电源供电，这样可以保证　

ＬＭ３２４输出电压达到５Ｖ充分利用Ａ／Ｄ转换提高显　

示精度。图１中通过运放将输入信号进行分档处理，　

小信号从Ｐ１．０输出大信号从Ｐ１．１输出。这样处理　

是因为：电动机保护器要处理的电流范围很宽（要　

从电动机１倍额定电流到１Ｏ倍额定电流），分档处　

理可以提高测量精度。　

１．２　Ｉ／０单元　

开关量输入处理电路如图２所示。电路开关量　

由ＩＮ１￣＇ＩＮ７输入，通过光藕后产生ＩＳ１～ＩＳ７，并　

行信号ＩＳ１～ＩＳ７输入到７４ＨＣ１６５，通过７４ＨＣ１６５　

将并行信号转换为串行信号传送给ＣＰＵ。电阻　

Ｒ１１～Ｒ１８起到限流作用保护光耦中的二极管不被　

损坏。ＲＳ１￣ＲＳ８是上拉电阻与电容ＣＳ～ＣＳ８配合　

使用既可以稳定光耦输出电平又可以在上电时对光　

耦起到保护作用。　

继电器控制电路如图３所示。ＪＤＱ１￣ＪＤＱ４与　

ＣＰＵ连接，三极管ＱＪ１１～ＱＪ１４的供电电压是＋５　Ｖ，　

三极管ＱＪ１～ＱＪ４的供电电压是＋２４Ｖ。现以ＱＪ１１，　

ＱＪ１这路控制电路来说明电路工作原理，当ＣＰＵ输　

出高电平时三极管ＱＪ１１不导通，ＯＵＴ１１不会输出　

电流光藕不会导通，Ｊ］ｒ１也输出高电平，ＱＪ１不会　

导通继电器不会动作。当ＣＰＵ输出低电平时三极管　

ＱＪ１１导通，ＯＵＴ１输出高电平使光耦导通，　ＪＴ１　

继电器发生动作。图３中二极管ＤＪ１￣ＤＪ４作为继　

电器续流二极管。　

Ｒｌ２　：　１５　

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图２开关量输入电路　

Ｆｉｇ．２　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｉｎｐｕｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ　

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图３继电器控制电路　

Ｆｉｇ－３　Ｒｅｌａｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｉｒｃｕｉｔ　

控制输出部分可采用机电式继电器或固体继电　

器。前者价格便宜，市场产品丰富，驱动线路也比　

较简单，但可靠性和使用寿命有限，且在触点动作　

时会产生“火花”，严重时可影响系统的正常工作。　

因此，在ＰＣＢ板布局时应将继电器尽量远离单片机　

并靠近仪表的输出端口。另外，在继电器线圈两端　

应并联续流二极管，否则在继电器线圈断电瞬间会　

产生较高的感应电压，从而破坏电路。固态继电器　

具有寿命长、性能稳定，无火花等特点，本产品中　

考虑到产品的可靠性要求采用固态继电器。　

１．３通讯单元　

通讯电路如图４所示。通讯电路实现将ｃＰｕ串　

口输出电平转换到ＲＳ４８５电平。本电路的巧妙之处　

在于数据收发直接由硬件来控制，不用ｃＰｕ参与控　

制，这样可以节省ｃＰｕ资源简化程序设计。　

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．

８２．　继电器　

各种报警处理，通信功能，显示功能……都是由它　

来完成的。本产品采用的ＣＰＵ芯片是瑞萨公司的　

Ｈ８／３６８７芯片，该芯片功能如下：６２条基本指令；　

ＲＴＣ（片上实时时钟，可作为自由运算计数器使用），　

ＳＣＩ（异步或者时钟同步串行通信接口）２路，１路　

ＩＩＣ接口，８路１０位Ａ／Ｄ，８位定时器２个（Ｔｉｍｅｒ　

Ｂ１，ＴｉｍｅｒＶ），１６位定时器１个（ＴｉｍｅｒＺ），看门　

狗定时器，１４位ＰＷＭ，４５个１／ｏ引脚（Ｈ８／３６８７Ｎ　

有４３个Ｉ／Ｏ引脚），包括８个可直接驱动ＬＥＤ的大　

电流引脚（　＝２０　ｍＡ，＠％　＝１．５　Ｗ），片上复位电源　

图４通讯电路　

ＰＯＲ电路，片上低电压检测电路（ＬＶＤ）。该芯片有　

Ｆｉｇ．４　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　

两种封装形式：ＬＱＦＰ一６４（１ＯｍｍＸ　ｌＯｍｍ）ＦＰ一６４（１４ｍｍ　

１．４　ＣＰＵ单元　

Ｘ１４ｒａｍ）。ＣＰＵ单元电路如图５所示。　

ＣＰＵ单元是电机保护器的核心单元。信号采集，　

一　

垂ｉ　２ｉｌ　量蛋蛋　２　

图５　ＯＰＵ电路　

Ｆｉｇ．５　ＣＰＵ　ｃｉｒｃｕｉｔ　

因为Ａ／Ｄ功能，ＩＩＣ功能，ＲＴＣ，定时器，看　系统软件要完成三相电流、１路剩余电流、３　

门狗等功能都已经集成到芯片内部，所以ＣＰＵ单元　路电压Ａ／Ｄ，各种保护量计算，保护功能判断处理，　

的外围电路十分简洁，各引脚只需外接增加端口驱　显示电压、电流，故障记录，按键处理，通讯，变　

动能力的上拉电阻和稳定信号的滤波电容即可。　送等功能。只有合理安排程序流程来完成这些功能，　

２　软件设计　保护器才能可靠工作。程序流程图如图６所示。　

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赵波，等　浅谈ＡＲＤ３电动机保护器设计原理　

开始Ｉ　ｒ—　电流计算子程序Ｉ　通讯子程序　

一８３一　

保护分功析能子’判　Ｉ程断序子　ｌ程序ｌＩ　——＿ＴＩ—　一　

图６程序流程　

Ｆｉｇ．６　Ｆｌｏｗ　ｃｈａｒｔ　ｏｆ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　

护器在实际使用中完全可以替热继电器、温度继电　

器等传统的电动机保护产品，替代各种指针式电量　

表、信号灯、电量变送器等常规元件，简化电动机　

控制电路，减少柜内电缆连接及现场施工量。　

参考文献　

［１］　任致程，周中．电力电测数字仪表原理与应用指南【Ｍ】．　

北京：中国电力出版社，２００７．　

ＲＥＮ　Ｚｈｉ－ｃｈｅｎｇ，ＺＨＯＵ　Ｚｈｏｎｇ．Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　Ｄｉｇｉｔａｌ　

Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　Ｍｅｔｅｒ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　

３抗干扰措施　

电动机保护器作为保护电动机装置要具有很　

强的抗干扰性。在本产品软硬件设计过程中采取如　

下措施提高产品的抗干扰性：１）硬件方面：电源部　

分加ＥＭＣ滤波器，高频变压器次级与初级加高压电　

Ｇｕｉｄｅｓ［Ｍ】．Ｂｅｉｊｉｎｇ：　Ｃｈｉｎａ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｐｒｅｓｓ，２００７．　

［２］　佟为民，李中伟，倪文利．基于ＰＩＣ１６Ｆ８７６单片机的智　

能低压电动机综合保护器的研究［Ｊ］．继电器，２００５，３３　

（３）：４３—４６．　

ＴＯＮＧ　Ｗｅｉ—ｍｉｎ，ＬＩ　Ｚｈｏｎｇ—ｗｅｉ，ＮＩ　Ｗｅｎ—ｌｉ．Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ａｎ　

Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｌｏｗ－ｖｏｌｔａｇｅ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｖｅ　Ｍｏｔｏｒ　Ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ　

容，输出部分加滤波电路；信号采集部分增加滤波　

电路；在作信号处理的各芯片输入口处加端口保护　

电路；在各芯片电源输入处加去藕电容；继电器两　

端并联续流二极管，加光耦与ＣＰＵ端口隔离；不使　

用的ＣＰＵ端口定义为输出状态；ＰＣＢ板布局时模拟　

部分与数字部分作分区处理，模拟信号在模拟区域　

内布线，数字信号数字区域内布线，二者不进入彼　

此区域内；布线时尽量加粗电源线与地线，信号线　

走线时走１４５。线，不走直角线；使用ＣＰＵ内部看门　

狗监控程序运行。２）软件方面：各路信号采集都使　

用软件滤波，增加采样值的准确性。通过采取一系　

列的措施，产品的抗干扰性能大幅提高，本产品一　

次性顺利通过３ｃ安全认证型式试验。　

Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＰＩＣ１６Ｆ８７６　Ｓｉｎｇｌｅ　Ｃｈｉｐ［Ｊ］．Ｒｅｌａｙ，２００５，（３）：　

４３—４６．　

［３］　佟为民，赵志衡．一种微机式电动机综合保护器的研制　

［Ｊ］．低压电器，２００３，（３）：２０—２３．　

ＴＯＮＧ　Ｗｅｉ－ｍｉｎ，ＺＨＡＯ　Ｚｈｉ－ｈｅｎｇ．Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ａｎ　

Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｖｅ　Ｍｏｔｏｒ　ｒｏ￣ｃｔＰｏｒ　Ｂａｓｄ　ｅｏｎ　Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ［Ｊ］．　

Ｌｏｗ　Ｖｏｌａｇｅ　ｔＡｐ￣ａｍｓ，２００３，（３）：２０—２３．　

［４］　夏天伟，郑祥，王士荣．电动机智能型保护监控装置的　

研究［Ｊ］．沈阳工业大学学报，２００４，（４）：３９９—４０２．　

ＸＩＡ　Ｔｉａｎ　ｗｅｉ，ＺＨＥＮＧ　Ｘｉｎｇ，ａ　ＷＡＮＧ　Ｓｈｉ—ｒｏｎｇ．　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｍｏｔｏｒ　Ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ　ａｎｄ　Ｍｏｎｉｏｒ［ｔＪ］．　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　

２００４，（４）：３９９—４０２．　

收稿日期：２００７－０８－０８；　

作者简介：　

修回日期：２００７—０９—１９　

赵波（１９８２一），男，本科，主要从事电动机控制器的　

４　结论　

ＡＲＤ３电动机保护器采用先进的设计方案，集测　

量、保护、控制、通讯于一身，产品性能安全可靠，　

可以对电动机实施可靠有效的保护。ＡＲＤ３电动机保　

（上接第７５页ｃｏｎｔｉｎｕｅｄｆｒｏｍｐａｇｅ　７５）　

设计与应用；Ｅ—ｍａｉｌ：ＺＨＡＯＢＯＱＹｌｌ＠１６３．ＣＯＭ　

周　中（１９６８一），男，学士，主要从事智能配电系统的　

研究及应用；　

黄少杰（１９６８－），男，学士，主要从事电气设备项目管　

理　

华中理工大学出版社，１９９１．　

髓Ｙａｎｇ—ｚａｎ．ＷＥＮ　Ｚｅｎｇ—ｙｉｎ，ＷＡＮＧ　Ｆｕ—ｙｉｎｇ，ｅｔ　ａ１．　

作用，故障线路零序电流对非故障线路零序电流分　

布的影响很大，可能导致非故障线路零序电流保护　

不正确动作。因此在线路设计时，要充分考虑架线　

方式对继电保护装置的影响，避免因一、二次设备　

配合不当引起的继电保护不正确动作。　

参考文献　

［１］　刘万顺．电力系统故障分析［Ｍ］．北京：水利电力出版　

社，１９８６．　

ＬＩＵ　Ｗａｎ—ｓｈｕｎ．Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　Ｆａｕｌｔｓ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　

Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｙｓｔｅｍ［Ｍ］．Ｈｕｂｅｉ：Ｈｕａｚｈｏｎｇ　

Ｕｎｉｖｅｒｓｉｙ　ｔｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｐｒｅｓｓ，１９９１．　

收稿日期：２００７－０９－１０．　

作者简介：　

修回日期：２００７—１卜２２　

赵世春（１９７１一），男，工程师，从事继电保护运行管理、　

整定计算工作；Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈａｏｓｈｃｈ＠ｃｎｐｃ．ｃｏｍ．ｃａ　

李永军（１９６３一），男，高级工程师，从事继电保护运行　

管理、整定计算工作；　

闰宝庚（１９６５一），男，工学硕士，高级工程师，从事继　

电保护运行管理工作。　

Ｓｙｓｔｅｍ［Ｍ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ．Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｎｄ　ａＥｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｐｒｅｓｓ，　

１９８６．　

［２］　何仰赞，温增银，汪馥英，等．电力系统分析［Ｍ］．湖北：