姜萬東

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低壓電動機保護與防晃電裝置的研制

姜萬東

（江蘇國網(wǎng)自控科技股份有限公司，江蘇 昆山 215311）

本文介紹了一種低壓電動機保護與防晃電裝置。該裝置主要由低壓電動機保護模塊和交流接觸器防晃電模塊組成。本文闡述了低壓電動機保護模塊、交流接觸器防晃電模塊的構成和工作原理，以及裝置的構成與主要功能邏輯，分析了裝置的應用及主要技術指標。

低壓電動機保護；交流接觸器；防晃電；保護邏輯

低壓電動機是工業(yè)系統(tǒng)中重要的機械拖動元件，隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展和工藝控制水平不斷的提升，對其保護可靠性與不間斷運行要求越來越高。而電網(wǎng)因雷擊、短路、重合閘、同一段設備的啟動或故障切除等原因造成短時的電壓跌落的問題（俗稱“晃電”）時有發(fā)生[1-2]。低壓電動機控制回路多采用交流接觸器的控制方式，系統(tǒng)晃電時會導致交流接觸器發(fā)生脫扣現(xiàn)象[3-4]，要求長周期連續(xù)運行的場合必須考慮接觸器的防晃電措施。目前接觸器防晃電措施主要采用低壓電機保護裝置的失壓再啟功能[5-8]和采用獨立的接觸器防晃電保持模塊[9]。防晃電保持模塊有利同于電源快速切換裝置配合，實現(xiàn)系統(tǒng)快速恢復供電[10-11]。但當系統(tǒng)晃電時，如果采用常規(guī)的低壓電動機與防晃電模塊，就產(chǎn)生兩個問題：①由于母線電壓的降低，會導致低壓電動機保護裝置的電源模塊無法正常工作，失去了對電動機的保護；②采用防晃電保持模塊在系統(tǒng)晃電時雖然能保證接觸器不釋放，但母線電壓的降低使電動機輸出轉(zhuǎn)矩下降，在負載不變的情況下輸出轉(zhuǎn)矩的降低會引起電動機電流增大，而此時保護裝置又因晃電的原因?qū)е卤Ｗo功能失效。

本文介紹了一種低壓電動機保護與防晃電裝置。該裝置既能實現(xiàn)交流接觸器的防晃電功能，又能避免出現(xiàn)低壓電動機保護功能在晃電時失效的問題。

1 防晃電模塊構成及工作原理

圖1所示為交流接觸器防晃電模塊的構成框圖。模塊主要由4部分組成：①超級電容模組儲能與電源變換部分；②可變直流電壓輸出與交直流切換部分；③電流、電壓采集與切換閉鎖部分；④顯示與數(shù)據(jù)通信等功能部分。

模塊中端子KL、KN為交流接觸器控制電壓輸入，輸入電壓經(jīng)過模塊處理后輸出到端子XL、XN。端子PL、PN是模塊的電源輸入端。兩個RJ11接口對內(nèi)與RS 485總線并接，對外可以采用4芯線與電動機保護模塊和另一個防晃電模塊實現(xiàn)聯(lián)接。地址撥碼用來設定防晃電模塊的ID號，以區(qū)分不同防晃電模塊。端子DO1、DO2晃電信號告警繼電器的常開節(jié)點輸出。2位8段數(shù)碼管用于晃電設定時間和模塊事件代碼的顯示。

圖1 防晃電模塊構成框圖

超級電容模組儲能與電源變換部分含有一個AC/DC電源模塊和3個DC/DC電源模塊。圖1中的POW1是寬輸入AC/DC電源模塊，輸入電壓范圍AC 85～265V，輸出DC 15V，最大1000mA。系統(tǒng)電源正常時，AC/DC模塊經(jīng)限流電阻對超級電容模組進行充電；當電壓降低到AC 85V以下時，二極管D2導通二極管D1截止，保證超級電容組只對后續(xù)負載供電。POW2和POW3為非隔離型DC/DC電源模塊，POW2輸入電壓為DC 9～36V，輸出電壓為DC 96V，最大500mA。POW3輸入電壓為DC 60～96V，輸出電壓為DC 220V，最大10mA，POW3帶輸出限流功能，主要作用是為高壓電容2儲能。POW4是隔離型DC/DC電源模塊，輸入為DC 9～36V，輸出DC 5V，最大1200mA為微處理器及控制電路提供電源。

可變直流電壓輸出和交直流切換部分，由半橋斬波電路和交直流切換電路、切換保護電路構成。半橋斬波電路如圖2所示。微處理器控制PWM1輸出一個占空比連續(xù)可調(diào)的電壓信號，該電壓信號經(jīng)過光耦隔離后與驅(qū)動電路相連。半橋斬波電路的上橋臂Q1和下橋臂Q2交替導通，形成可調(diào)的直流電壓DC對外輸出。

圖2 半橋斬波電路框圖

交直流切換電路如圖3所示，繼電器DLJ的常閉節(jié)點和電子開關S1并聯(lián)后串聯(lián)到KL回路，電子開關S2串接二極管D后并接到KL回路。防晃電模塊在初始上電時，電子開關S1和S2截止，DLJ常閉節(jié)點閉合，KL、KN與KL*、KN*回路直通。接觸器合閘20ms后，微處理器控制電子開關S1先導通DLJ常閉接點后斷開。系統(tǒng)晃電時，控制電子開關S1先截止S2后導通，截止交流回路的同時將DC電壓輸出到KL*、KN*。

圖3 交/直流切換電路框圖

電流傳感器CT將接觸器控制回路的電流信號變換為電壓信號ac，ac信號經(jīng)處理后與切換閉鎖值set進行比較，如果ac大于閉鎖值，鎖存器就會閉鎖交/直切換電路，控制邏輯保持DLJ常閉接點閉合，S1和S2截止。ac小于閉鎖值并經(jīng)人工確任后，程序輸出復位信號RES解除切換鎖定。

防晃電模塊微處理器是美國微芯公司帶有DSP引擎的16位單片機，型號為dsPIC33FJ128GP306，128KB片內(nèi)Flash，16KB片內(nèi)RAM。

2 電動機保護模塊構成及工作原理

低壓電動機保護模塊構成如圖4所示。模塊由4部分構成：①電源處理以及儲能部分；②主回路電流、電壓采集部分；③數(shù)字開入開出部分；④通信接口部分。

電源處理和儲能部分包含一個AC/DC模塊、一個DC/DC模塊和超級電容組。低壓保護模塊的超級電容容量比防晃電模塊的超級電容容量小，防晃電模塊的超級電容容量要考慮晃電時對接觸器釋放的能量，而保護模塊只需考慮當晃電出現(xiàn)、輸入電壓低于AC 85V導致AC/DC電源無法工作時，超級電容釋放的儲能保證模塊繼續(xù)工作一段時間（電源中斷時間）。

圖4 低壓電機保護模塊構成框圖

保護模塊使用VV接線方式采集母線電壓，經(jīng)微處理器的ADC接口模數(shù)轉(zhuǎn)換后，計算出線電壓AB與BC的幅值與相位。電動機主回路電流一般采用外置電流轉(zhuǎn)換器將電流信號變換成小電壓信號后輸入到保護模塊。模塊采集電動機三相電流a、b、c和漏電流L。

保護模塊設計了4路開入量和4路開出量。開入量采集外部接點信號，對外輸出內(nèi)部24V；開出量為1常閉接點與3常開接點。常閉接點為接觸器跳閘出口，3常開接點可通過軟件宏設定對應功能選擇。

保護模塊的微處理器為STM32F103處理器，本模塊使用了微處理器的3路串行口，其中UART1實現(xiàn)與防晃電模塊數(shù)據(jù)通信，讀取用防晃電的動作信息、設定防晃電參數(shù)等；UART2與顯示模塊進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)人機交互功能；UART3與監(jiān)控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)裝置的三遙功能。

3 裝置構成與主要功能邏輯

裝置構成如圖5所示。裝置由一個低壓電動機保護模塊與一個或多個接觸器防晃電模塊組成。裝置的保護模塊和防晃電模塊采用拼接式導軌安裝結構，當在低壓抽屜柜中無法滿足保護模塊和防晃電模塊拼接后的尺寸時，可把兩個模塊獨立安裝在不同位置，兩個模塊只需要通過RJ11接口的4芯聯(lián)接線進行互聯(lián)即可。多個防晃電模塊應用時，也可采用RJ11聯(lián)接線級聯(lián)方式聯(lián)接。裝置的顯示模塊安裝在抽屜柜的面板上，顯示模塊與保護模塊采用RJ45接口8芯對等網(wǎng)線聯(lián)接。顯示模塊實現(xiàn)裝置的人機交互功能，將保護模塊、防晃電模塊的信息、參數(shù)等顯示到液晶屏上，通過按鍵可以修改和設定保護與防晃電參數(shù)。

圖5 裝置構成框圖

防晃電控制邏輯和保護控制邏輯流程圖如圖6所示。兩個邏輯控制功能獨立運行在各自的模塊中，模塊既實現(xiàn)了硬件的獨立，又實現(xiàn)了功能邏輯的獨立。當電動機保護模塊發(fā)生故障或防晃電模塊發(fā)生故障時，兩者互不影響，提高了裝置的可靠性。

4 裝置典型應用與主要技術指標

裝置在低壓電動機控制回路的典型應用如圖7所示。X1為防晃電模塊，解決交流接觸器的晃電問題，對兩個及以上接觸器控制的電動機回路（如需正反轉(zhuǎn)控制的電動機），可再增加一個防晃電模塊。X2為低壓電動機提供保護功能，低壓電動機保護模塊的保護動作出口有接觸器跳閘出口和進線斷路器跳閘出口（由于繼電器出口可通過宏定義設定，因此典型圖未明確指出斷路器跳閘出口）。對于電動機短路故障和接地故障，由于接觸器的遮斷電流限制無法分斷故障，因此保護模塊動作出口跳進線斷路器；而對于電動機的電壓故障和其他類型故障，保護模塊動作出口跳電動機控制接觸器。

圖6 防晃電邏輯和保護邏輯流程圖

圖7 裝置在低壓電動機控制回路的典型應用

裝置部分技術參數(shù)與技術指標分別見表1、表2。

表1 防晃電模塊技術參數(shù)與指標

表2 保護模塊技術指標

5 結論

本文介紹了一種低壓電動機保護及防晃電裝置的研發(fā)裝置，即低壓電動機保護與防晃電采用模塊化設計方案，確保兩個模塊硬件與軟件完全獨立。保護模塊內(nèi)部使用超級電容儲能，解決了晃電時電動機保護的失效問題。模塊間即能拼接安裝又可分別獨立安裝，聯(lián)接時只需要RJ11接口的4芯線進行級聯(lián)。對多接觸器控制回路只需要增加對應的防晃電模塊即可，在保證可靠性的前提下實現(xiàn)了裝置應用配置的靈活性，具有一定的推廣應用價值。

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Development of low voltage motor protection and anti-electricity shaking device

Jiang Wandong

(Jiangsu State Grid Automation Technology Co., Ltd, Kunshan, Jiangsu 215311)

This paper introduces the development of a low-voltage motor protection and anti-electricity shaking device. The device is mainly composed of low voltage motor protection module and AC contactor anti-electricity Shaking module. This paper describes the structure and working principle of the low-voltage motor protection module, AC contactor anti-electricity shaking module, as well as the structure and main function logic of the device, and analyzes the application and main technical indicators of the device.

low-voltage motor protection; AC contactor; anti-electricity shaking; protection logic

2018-07-10

姜萬東（1980-），男，遼寧朝陽人，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)防晃電與自動控制技術方面研究工作。

低壓電動機保及防晃電裝置及控制方法已獲得國家發(fā)明專利（CN201510834687.3）