該裝置主要由低壓電動(dòng)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(dòng)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(shù)指標。
低壓電動(dòng)機是工業(yè)系統中重要的機械拖動(dòng)元件，隨著(zhù)工業(yè)現代化的發(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(lái)越高。而電網(wǎng)因雷擊、短路、重合閘、同一段設備的啟動(dòng)或故障切除等原因造成短時(shí)的電壓跌落的問(wèn)題（俗稱(chēng)“晃電”）時(shí)有發(fā)生。
低壓電動(dòng)機控制回路多采用交流接觸器的控制方式，系統晃電時(shí)會(huì )導致交流接觸器發(fā)生脫扣現象，要求長(cháng)周期連續運行的場(chǎng)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和采用獨立的接觸器防晃電保持模塊。
防晃電保持模塊有利同于大功率直流電源快速切換裝置配合，實(shí)現系統快速恢復供電。但當系統晃電時(shí)，如果采用常規的低壓電動(dòng)機與防晃電模塊，就產(chǎn)生兩個(gè)問(wèn)題：①由于母線(xiàn)電壓的降低，會(huì )導致低壓電動(dòng)機保護裝置的大功率直流電源模塊無(wú)法正常工作，失去了對電動(dòng)機的保護；②采用防晃電保持模塊在系統晃電時(shí)雖然能保證接觸器不釋放，但母線(xiàn)電壓的降低使電動(dòng)機輸出轉矩下降，在負載不變的情況下輸出轉矩的降低會(huì )引起電動(dòng)機電流增大，而此時(shí)保護裝置又因晃電的原因導致保護功能失效。
本文介紹了一種低壓電動(dòng)機保護與防晃電裝置。該裝置既能實(shí)現交流接觸器的防晃電功能，又能避免出現低壓電動(dòng)機保護功能在晃電時(shí)失效的問(wèn)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大功率直流電源變換部分；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顯示與數據通信等功能部分。
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(guò)模塊處理后輸出到端子X(jué)L、XN。端子PL、PN是模塊的大功率直流電源輸入端。兩個(gè)RJ11接口對內與RS 485總線(xiàn)并接，對外可以采用4芯線(xiàn)與電動(dòng)機保護模塊和另一個(gè)防晃電模塊實(shí)現聯(lián)接。地址撥碼用來(lái)設定防晃電模塊的ID號，以區分不同防晃電模塊。端子DO1、DO2晃電信號告警繼電器的常
圖1 防晃電模塊構成框圖
開(kāi)節點(diǎn)輸出。2位8段數碼管用于晃電設定時(shí)間和模塊事件代碼的顯示。
超級電容模組儲能與大功率直流電源變換部分含有一個(gè)AC/DC大功率直流電源模塊和3個(gè)DC/DC大功率直流電源模塊。圖1中的POW1是寬輸入AC/DC大功率直流電源模塊，輸入電壓范圍AC 85～265V，輸出DC 15V，最大1000mA。系統大功率直流電源正常時(shí)，AC/DC模塊經(jīng)限流電阻R對超級電容模組進(jìn)行充電；當電壓降低到AC 85V以下時(shí)，二極管D2導通二極管D1截止，保證超級電容組只對后續負載供電。
POW2和POW3為非隔離型DC/DC大功率直流電源模塊，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E2儲能。POW4是隔離型DC/DC大功率直流電源模塊，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大功率直流電源。
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(gè)占空比連續可調的電壓信號，該電壓信號經(jīng)過(guò)光耦隔離后與驅動(dòng)電路相連。半橋斬波電路的上橋臂Q1和下橋臂Q2交替導通，形成可調的直流電壓VDC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的常閉節點(diǎn)和電子開(kāi)關(guān)S1并聯(lián)后串聯(lián)到KL回路，電子開(kāi)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(kāi)關(guān)S1和S2截止，DLJ常閉節點(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(kāi)關(guān)S1先導通DLJ常閉接點(diǎn)后斷開(kāi)。系統晃電時(shí)，控制電子開(kāi)關(guān)S1先截止S2后導通，截止交流回路的同時(shí)將VDC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AIac，AIac信號經(jīng)處理后與切換閉鎖值Vset進(jìn)行比較，如果AIac大于閉鎖值，鎖存器就會(huì )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。AIac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Flash，16KB片內RAM。
2 電動(dòng)機保護模塊構成及工作原理
低壓電動(dòng)機保護模塊構成如圖4所示。模塊由4部分構成：①大功率直流電源處理以及儲能部分；②主回路電流、電壓采集部分；③數字開(kāi)入開(kāi)出部分；④通信接口部分。
大功率直流電源處理和儲能部分包含一個(gè)AC/DC模塊、一個(gè)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(shí)對接觸器釋放的能量，而保護模塊只需考慮當晃電出現、輸入電壓低于A(yíng)C 85V導致AC/DC大功率直流電源無(wú)法工作時(shí)，超級電容釋放的儲能保證模塊繼續工作一段時(shí)間（大功率直流電源中斷時(shí)間）。
保護模塊使用VV接線(xiàn)方式采集母線(xiàn)電壓，經(jīng)微處理器的ADC接口模數轉換后，計算出線(xiàn)電壓UAB與UBC的幅值與相位。電動(dòng)機主回路電流一般采用外置電流轉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(dòng)機三相電流Ia、Ib、Ic和漏電流IL。
保護模塊設計了4路開(kāi)入量和4路開(kāi)出量。開(kāi)入量采集外部接點(diǎn)信號，對外輸出內部24V；開(kāi)出量為1常閉接點(diǎn)與3常開(kāi)接點(diǎn)。常閉接點(diǎn)為接觸器跳閘出口，3常開(kāi)接點(diǎn)可通過(guò)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(shí)現與防晃電模塊數據通信，讀取用防晃電的動(dòng)作信息、設定防晃電參數等；UART2與顯示模塊進(jìn)行數據通信，實(shí)現人機交互功能；UART3與監控系統進(jìn)行數據通信，實(shí)現裝置的三遙功能。
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(gè)低壓電動(dòng)機保護模塊與一個(gè)或多個(gè)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(wú)法滿(mǎn)足保護模塊和防晃電模塊拼接后的尺寸時(shí)，可把兩個(gè)模塊獨立安裝在不同位置，兩個(gè)模塊只需要通過(guò)RJ11接口的4芯聯(lián)接線(xiàn)進(jìn)行互聯(lián)即可。多個(gè)防晃電模塊應用時(shí)，也可采用RJ11聯(lián)接線(xiàn)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(xiàn)聯(lián)接。顯示模塊實(shí)現裝置的人機交互功能，將保護模塊、防晃電模塊的信息、參數等顯示到液晶屏上，通過(guò)按鍵可以修改和設定保護與防晃電參數。
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(gè)邏輯控制功能獨立運行在各自的模塊中，模塊既實(shí)現了硬件的獨立，又實(shí)現了功能邏輯的獨立。當電動(dòng)機保護模塊發(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 裝置典型應用與主要技術(shù)指標
裝置在低壓電動(dòng)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(wèn)題，對兩個(gè)及以上接觸器控制的電動(dòng)機回路（如需正反轉控制的電動(dòng)機），可再增加一個(gè)防晃電模塊。X2為低壓電動(dòng)機提供保護功能，低壓電動(dòng)機保護模塊的保護動(dòng)作出口有接觸器跳閘出口和進(jìn)線(xiàn)斷路器跳閘出口（由于繼電器出口可通過(guò)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(dòng)機短路故障和接地故障，由于接觸器的遮斷電流限制無(wú)法分斷故障，因此保護模塊動(dòng)作出口跳進(jìn)線(xiàn)斷路器；而對于電動(dòng)機的電壓故障和其他類(lèi)型故障，保護模塊動(dòng)作出口跳電動(dòng)機控制接觸器。
圖7 裝置在低壓電動(dòng)機控制回路的典型應用
裝置部分技術(shù)參數與技術(shù)指標分別見(jiàn)表1、表2。
表1 防晃電模塊技術(shù)參數與指標
表2 保護模塊技術(shù)指標
結論
本文介紹了一種低壓電動(dòng)機保護及防晃電裝置的研發(fā)裝置，即低壓電動(dòng)機保護與防晃電采用模塊化設計方案，確保兩個(gè)模塊硬件與軟件完全獨立。保護模塊內部使用超級電容儲能，解決了晃電時(shí)電動(dòng)機保護的失效問(wèn)題。
模塊間即能拼接安裝又可分別獨立安裝，聯(lián)接時(shí)只需要RJ11接口的4芯線(xiàn)進(jìn)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(shí)現了裝置應用配置的靈活性，具有一定的推廣應用價(jià)值。
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