低壓電動機(jī)保護(hù)與防晃電裝置的研制

姜萬東

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低壓電動機(jī)保護(hù)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(jī)保護(hù)與防晃電裝置。該裝置主要由低壓電動機(jī)保護(hù)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(jī)保護(hù)模塊、交流接觸器防晃電模塊的構(gòu)成和工作原理，以及裝置的構(gòu)成與主要功能邏輯，分析了裝置的應(yīng)用及主要技術(shù)指標(biāo)。

低壓電動機(jī)保護(hù)；交流接觸器；防晃電；保護(hù)邏輯

低壓電動機(jī)是工業(yè)系統(tǒng)中重要的機(jī)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(hù)可靠性與不間斷運(yùn)行要求越來越高。而電網(wǎng)因雷擊、短路、重合閘、同一段設(shè)備的啟動或故障切除等原因造成短時(shí)的電壓跌落的問題（俗稱“晃電”）時(shí)有發(fā)生[1-2]。低壓電動機(jī)控制回路多采用交流接觸器的控制方式，系統(tǒng)晃電時(shí)會導(dǎo)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(yùn)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(jī)保護(hù)裝置的失壓再啟功能[5-8]和采用獨(dú)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速恢復(fù)供電[10-11]。但當(dāng)系統(tǒng)晃電時(shí)，如果采用常規(guī)的低壓電動機(jī)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(dǎo)致低壓電動機(jī)保護(hù)裝置的電源模塊無法正常工作，失去了對電動機(jī)的保護(hù)；②采用防晃電保持模塊在系統(tǒng)晃電時(shí)雖然能保證接觸器不釋放，但母線電壓的降低使電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩下降，在負(fù)載不變的情況下輸出轉(zhuǎn)矩的降低會引起電動機(jī)電流增大，而此時(shí)保護(hù)裝置又因晃電的原因?qū)е卤Ｗo(hù)功能失效。

本文介紹了一種低壓電動機(jī)保護(hù)與防晃電裝置。該裝置既能實(shí)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(jī)保護(hù)功能在晃電時(shí)失效的問題。

1 防晃電模塊構(gòu)成及工作原理

圖1所示為交流接觸器防晃電模塊的構(gòu)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(jī)保護(hù)模塊和另一個防晃電模塊實(shí)現(xiàn)聯(lián)接。地址撥碼用來設(shè)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(diǎn)輸出。2位8段數(shù)碼管用于晃電設(shè)定時(shí)間和模塊事件代碼的顯示。

圖1 防晃電模塊構(gòu)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(shí)，AC/DC模塊經(jīng)限流電阻對超級電容模組進(jìn)行充電；當(dāng)電壓降低到AC 85V以下時(shí)，二極管D2導(dǎo)通二極管D1截止，保證超級電容組只對后續(xù)負(fù)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(hù)電路構(gòu)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(dǎo)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(diǎn)和電子開關(guān)S1并聯(lián)后串聯(lián)到KL回路，電子開關(guān)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(shí)，電子開關(guān)S1和S2截止，DLJ常閉節(jié)點(diǎn)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(guān)S1先導(dǎo)通DLJ常閉接點(diǎn)后斷開。系統(tǒng)晃電時(shí)，控制電子開關(guān)S1先截止S2后導(dǎo)通，截止交流回路的同時(shí)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(jìn)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(diǎn)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(fù)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(jī)，型號為dsPIC33FJ128GP306，128KB片內(nèi)Flash，16KB片內(nèi)RAM。

2 電動機(jī)保護(hù)模塊構(gòu)成及工作原理

低壓電動機(jī)保護(hù)模塊構(gòu)成如圖4所示。模塊由4部分構(gòu)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(hù)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(shí)對接觸器釋放的能量，而保護(hù)模塊只需考慮當(dāng)晃電出現(xiàn)、輸入電壓低于AC 85V導(dǎo)致AC/DC電源無法工作時(shí)，超級電容釋放的儲能保證模塊繼續(xù)工作一段時(shí)間（電源中斷時(shí)間）。

圖4 低壓電機(jī)保護(hù)模塊構(gòu)成框圖

保護(hù)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(jì)算出線電壓AB與BC的幅值與相位。電動機(jī)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(hù)模塊。模塊采集電動機(jī)三相電流a、b、c和漏電流L。

保護(hù)模塊設(shè)計(jì)了4路開入量和4路開出量。開入量采集外部接點(diǎn)信號，對外輸出內(nèi)部24V；開出量為1常閉接點(diǎn)與3常開接點(diǎn)。常閉接點(diǎn)為接觸器跳閘出口，3常開接點(diǎn)可通過軟件宏設(shè)定對應(yīng)功能選擇。

保護(hù)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(shí)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(shè)定防晃電參數(shù)等；UART2與顯示模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能；UART3與監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)裝置的三遙功能。

3 裝置構(gòu)成與主要功能邏輯

裝置構(gòu)成如圖5所示。裝置由一個低壓電動機(jī)保護(hù)模塊與一個或多個接觸器防晃電模塊組成。裝置的保護(hù)模塊和防晃電模塊采用拼接式導(dǎo)軌安裝結(jié)構(gòu)，當(dāng)在低壓抽屜柜中無法滿足保護(hù)模塊和防晃電模塊拼接后的尺寸時(shí)，可把兩個模塊獨(dú)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(jìn)行互聯(lián)即可。多個防晃電模塊應(yīng)用時(shí)，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(hù)模塊采用RJ45接口8芯對等網(wǎng)線聯(lián)接。顯示模塊實(shí)現(xiàn)裝置的人機(jī)交互功能，將保護(hù)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(shè)定保護(hù)與防晃電參數(shù)。

圖5 裝置構(gòu)成框圖

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

4 裝置典型應(yīng)用與主要技術(shù)指標(biāo)

裝置在低壓電動機(jī)控制回路的典型應(yīng)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(jī)回路（如需正反轉(zhuǎn)控制的電動機(jī)），可再增加一個防晃電模塊。X2為低壓電動機(jī)提供保護(hù)功能，低壓電動機(jī)保護(hù)模塊的保護(hù)動作出口有接觸器跳閘出口和進(jìn)線斷路器跳閘出口（由于繼電器出口可通過宏定義設(shè)定，因此典型圖未明確指出斷路器跳閘出口）。對于電動機(jī)短路故障和接地故障，由于接觸器的遮斷電流限制無法分?jǐn)喙收?，因此保護(hù)模塊動作出口跳進(jìn)線斷路器；而對于電動機(jī)的電壓故障和其他類型故障，保護(hù)模塊動作出口跳電動機(jī)控制接觸器。

圖6 防晃電邏輯和保護(hù)邏輯流程圖

圖7 裝置在低壓電動機(jī)控制回路的典型應(yīng)用

裝置部分技術(shù)參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)分別見表1、表2。

表1 防晃電模塊技術(shù)參數(shù)與指標(biāo)

表2 保護(hù)模塊技術(shù)指標(biāo)

5 結(jié)論

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

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