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1 引言
   
    工厂低压配电系统中，存在着大量的电机电气回路，其中很大一部分负责机械动力的供给，如机械切割和煤炭等物体的传送等。另外一些重要回路除了负责传动外，还担负着计量的功能，需要实时监控以防止故障的发生，而导致工厂的停产。如医药生产系统中计量泵的运行负责着药品的比例配比，石化行业聚合反应中各化工成份合成配比的控制等。如果采用多功能电动机保护器实行保护功能，功能浪费严重，成本高，用户很难接受。本文介绍一种PZ96-P/J功率监控器（见图1），利用其I/O（开关量输入/输出）模块、与接触器配合实现磁力泵的保护功能，从而实现了计量系统的可靠运行。
                                                    

2产品设计 
                                                                       
                                                                                图1  PZ96-P/J功率监控器
    2.1 CS5463芯片介绍
       
    CS5463是一个包含两个Δ∑模-数转换（ADC）、高速电能计量功能和一个SPI串行接口的高度集成的Δ∑模-数转换器，见图2。它可以精确测量和计算有功电能、瞬时功率、IRMS和VRMS用于研制开发单相2线或3线电表。CS5463可以使用低成本的分流器或互感器测量电流，使用分压电阻或电压互感器测量电压。CS5463具有与微控制器通讯的双向串口，芯片的脉冲输出频率与有功能量成正比。CS5463具有方便的片上AC/DC系统校准功能。

 图2 CS5463芯片

    2.2 监控器的硬件电路设计

图3 基于MSP430和CS5463的硬件测量框图 

    a) 数码管的动态显示设计  
   
    将需要显示的数字通过查表译码输出给74HC595，通过595的锁存功能将字形锁存，而P5.0～P5.3则构成选通信号。
用MSP430内部的TA定时器产生一个1mS的定时中断，在中断程序中刷新数码管的显示，以实现动态显示。
   
    b) 键盘控制和LED显示电路设计
   
    由MSP430的P1口的P1.0～P1.3构成键盘控制电路，其原理如图3所示。由于本系统要求有8种状态显示，故需要使用8个发光LED来表示当前程序运行的不同状态，而MSP430微控制器具有丰富的I/O口资源，因此不需要再额外增加译码芯片和软件开销。
   
    c) 执行电路
   
    通过开关量的输入来判断外部接触器的状态和当故障出现后，由开关量输出模块来执行接触器的脱扣，从而实现电动机的停车。
   
    2.3  软件程序设计
   
    1) 根据校验仪输入的电流、电压有效值计算出二次侧满功率：
      
    折算到一次侧的功率时，应乘以CT变比值。   
       
    2) 根据CS5463测量到的无功功率和校验得到的无功满功率，计算得到实际有功功率。
        
    在开始采集前，初始化程序需将用户设置参数从内部MSP430的FLASH中读取到内存中，从而可以实现快速处理。其处理程序如下(见图4)：

图4 处理软件流程

3  产品技术指标 
     
    PZ96-P/J磁力泵防干转功率监控器产品主要技术指标见表1。

表1

4  工作原理
   
    PZ96-P/J功率监控器是以微处理器为基础的数字负荷监控装置，兼有测量和保护的功能。它测量并显示泵用电动机的实际功率千瓦数（kW）或功率百分比(%)，并且可以动态修改CT变比以满足不同电动机的要求。监控器可用于任何负载状态下断开电机。因此使泵避免低载或过载状态运行。
   
    图5为交流电机在接通电源后即刻显示的一个典型功率曲线，可设定的启动定时器（Ts）用来从保护周期中滤出启动时电动机产生的大峰值功率消耗值。Ts的延时功能在功率消耗达5%以后开始启动。当Ts终止时，则时限Tr1、Tr2才会动作。Tr用于避免发出报警，除非功率消耗要比在一段持续时间内的极限值高或低，以避免保护器的误动作和频繁动作而影响生产。

图5  监控器功能曲线图

5 典型应用
   
    在连接监控器之前，应检查电动机的满载电流。电机电流低于5安培时，则不需要电流互感器。如果满载电流略大于5安培，而电机准备在远低于满载时运行，则也不需要电流互感器。当电机电流大于5安培时，则必须使用电流互感器。其典型应用见图6。

图6带电流互感器的接线图

6  功率上下限的设定
   
    使泵在正常流量下运转，观察监控器显示器上的功率百分比(%)。调节泵的出口阀门，使流量在0至最大值之间变化。注意监控器显示器上反映这些情况的功率百分比(%)，然后将流量调至正常值。将测定结果作图，如图7所示，确保能从图中推导出监控器设定的上、下限(%)。上限设定值应在泵的正常流量和最大流量之间。下限设定值应在泵的正常流量和所推荐的最小安全流量之间。推荐的泵的最小安全流量可以从泵的性能数据表中获得。

                               监控器(%)    

图7    监控器上、下限设置 

     说明：
   
    % nor  =  正常流量下监控器显示的功率百分比（% ）
   
    Q nor  =  泵的正常流量
   
    Q msf  =  泵的最小安全流量
   
    Q max  =  泵的最大流量
    - 监控器上、下限设置中允许的流量范围

7 结束语
      
    将功率监控器应用于控制系统，从而极大的提高了磁力泵使用的安全性。实践证明，该方案具有方法简单可靠，易于实现，易于使用，极大的提高了系统运行的可靠性。

参考文献
   
    [1] 魏小龙 MSP430系列单片机接口技术及系统设计，北京航空航天大学出版社，2002
   
    [2] 磁力泵防干转功率监控器原理、调试及使用手册 汉胜工业设备（上海）有限公司 2007
   
    [3] CIRRUS LOGIC CS5463 datasheet 
   
    [4] 电力电测数字仪表原理与应用指南   中国电力出版社

作者介绍：
   
    陆伟青（1979.4- ），男，上海大学，机械制造及自动化，主要研究方向为智能化控制。
   
    周中（1968.1- ），男，长春光学精密机械学院，电子应用系，学士，主要研究方向为智能配电及系统