低压电动机保护与防晃电装置的研制
江苏国网自控科技股份有限公司的研究人员姜万东，在2018年第12期《电气技术》杂志上撰文，介绍了一种低压电动机保护与防晃电装置。该装置主要由低压电动机保护模块和交流接触器防晃电模块组成。本文阐述了低压电动机保护模块、交流接触器防晃电模块的构成和工作原理，以及装置的构成与主要功能逻辑，分析了装置的应用及主要技术指标。
低压电动机是工业系统中重要的机械拖动元件，随着工业现代化的发展和工艺控制水平不断的提升，对其保护可靠性与不间断运行要求越来越高。而电网因雷击、短路、重合闸、同一段设备的启动或故障切除等原因造成短时的电压跌落的问题（俗称“晃电”）时有发生。
低压电动机控制回路多采用交流接触器的控制方式，系统晃电时会导致交流接触器发生脱扣现象，要求长周期连续运行的场合必须考虑接触器的防晃电措施。目前接触器防晃电措施主要采用低压电机保护装置的失压再启功能和采用独立的接触器防晃电保持模块。
防晃电保持模块有利同于电源快速切换装置配合，实现系统快速恢复供电。但当系统晃电时，如果采用常规的低压电动机与防晃电模块，就产生两个问题：①由于母线电压的降低，会导致低压电动机保护装置的电源模块无法正常工作，失去了对电动机的保护；②采用防晃电保持模块在系统晃电时虽然能保证接触器不释放，但母线电压的降低使电动机输出转矩下降，在负载不变的情况下输出转矩的降低会引起电动机电流增大，而此时保护装置又因晃电的原因导致保护功能失效。
本文介绍了一种低压电动机保护与防晃电装置。该装置既能实现交流接触器的防晃电功能，又能避免出现低压电动机保护功能在晃电时失效的问题。
1 防晃电模块构成及工作原理
图1所示为交流接触器防晃电模块的构成框图。模块主要由4部分组成：①超级电容模组储能与电源变换部分；②可变直流电压输出与交直流切换部分；③电流、电压采集与切换闭锁部分；④显示与数据通信等功能部分。
模块中端子KL、KN为交流接触器控制电压输入，输入电压经过模块处理后输出到端子XL、XN。端子PL、PN是模块的电源输入端。两个RJ11接口对内与RS 485总线并接，对外可以采用4芯线与电动机保护模块和另一个防晃电模块实现联接。地址拨码用来设定防晃电模块的ID号，以区分不同防晃电模块。端子DO1、DO2晃电信号告警继电器的常
图1 防晃电模块构成框图
开节点输出。2位8段数码管用于晃电设定时间和模块事件代码的显示。
超级电容模组储能与电源变换部分含有一个AC/DC电源模块和3个DC/DC电源模块。图1中的POW1是宽输入AC/DC电源模块，输入电压范围AC 85～265V，输出DC 15V，最大1000mA。系统电源正常时，AC/DC模块经限流电阻R对超级电容模组进行充电；当电压降低到AC 85V以下时，二极管D2导通二极管D1截止，保证超级电容组只对后续负载供电。
POW2和POW3为非隔离型DC/DC电源模块，POW2输入电压为DC 9～36V，输出电压为DC 96V，最大500mA。POW3输入电压为DC 60～96V，输出电压为DC 220V，最大10mA，POW3带输出限流功能，主要作用是为高压电容E2储能。POW4是隔离型DC/DC电源模块，输入为DC 9～36V，输出DC 5V，最大1200mA为微处理器及控制电路提供电源。
可变直流电压输出和交直流切换部分，由半桥斩波电路和交直流切换电路、切换保护电路构成。半桥斩波电路如图2所示。微处理器控制PWM1输出一个占空比连续可调的电压信号，该电压信号经过光耦隔离后与驱动电路相连。半桥斩波电路的上桥臂Q1和下桥臂Q2交替导通，形成可调的直流电压VDC对外输出。
图2 半桥斩波电路框图
交直流切换电路如图3所示，继电器DLJ的常闭节点和电子开关S1并联后串联到KL回路，电子开关S2串接二极管D后并接到KL回路。防晃电模块在初始上电时，电子开关S1和S2截止，DLJ常闭节点闭合，KL、KN与KL*、KN*回路直通。接触器合闸20ms后，微处理器控制电子开关S1先导通DLJ常闭接点后断开。系统晃电时，控制电子开关S1先截止S2后导通，截止交流回路的同时将VDC电压输出到KL*、KN*。
图3 交/直流切换电路框图
电流传感器CT将接触器控制回路的电流信号变换为电压信号AIac，AIac信号经处理后与切换闭锁值Vset进行比较，如果AIac大于闭锁值，锁存器就会闭锁交/直切换电路，控制逻辑保持DLJ常闭接点闭合，S1和S2截止。AIac小于闭锁值并经人工确任后，程序输出复位信号RES解除切换锁定。防晃电模块微处理器是美国微芯公司带有DSP引擎的16位单片机，型号为dsPIC33FJ128GP306，128KB片内Flash，16KB片内RAM。
2 电动机保护模块构成及工作原理
低压电动机保护模块构成如图4所示。模块由4部分构成：①电源处理以及储能部分；②主回路电流、电压采集部分；③数字开入开出部分；④通信接口部分。
电源处理和储能部分包含一个AC/DC模块、一个DC/DC模块和超级电容组。低压保护模块的超级电容容量比防晃电模块的超级电容容量小，防晃电模块的超级电容容量要考虑晃电时对接触器释放的能量，而保护模块只需考虑当晃电出现、输入电压低于AC 85V导致AC/DC电源无法工作时，超级电容释放的储能保证模块继续工作一段时间（电源中断时间）。
保护模块使用VV接线方式采集母线电压，经微处理器的ADC接口模数转换后，计算出线电压UAB与UBC的幅值与相位。电动机主回路电流一般采用外置电流转换器将电流信号变换成小电压信号后输入到保护模块。模块采集电动机三相电流Ia、Ib、Ic和漏电流IL。
保护模块设计了4路开入量和4路开出量。开入量采集外部接点信号，对外输出内部24V；开出量为1常闭接点与3常开接点。常闭接点为接触器跳闸出口，3常开接点可通过软件宏设定对应功能选择。
保护模块的微处理器为STM32F103处理器，本模块使用了微处理器的3路串行口，其中UART1实现与防晃电模块数据通信，读取用防晃电的动作信息、设定防晃电参数等；UART2与显示模块进行数据通信，实现人机交互功能；UART3与监控系统进行数据通信，实现装置的三遥功能。
3 装置构成与主要功能逻辑
装置构成如图5所示。装置由一个低压电动机保护模块与一个或多个接触器防晃电模块组成。装置的保护模块和防晃电模块采用拼接式导轨安装结构，当在低压抽屉柜中无法满足保护模块和防晃电模块拼接后的尺寸时，可把两个模块独立安装在不同位置，两个模块只需要通过RJ11接口的4芯联接线进行互联即可。多个防晃电模块应用时，也可采用RJ11联接线级联方式联接。
装置的显示模块安装在抽屉柜的面板上，显示模块与保护模块采用RJ45接口8芯对等网线联接。显示模块实现装置的人机交互功能，将保护模块、防晃电模块的信息、参数等显示到液晶屏上，通过按键可以修改和设定保护与防晃电参数。
图5 装置构成框图
防晃电控制逻辑和保护控制逻辑流程图如图6所示。两个逻辑控制功能独立运行在各自的模块中，模块既实现了硬件的独立，又实现了功能逻辑的独立。当电动机保护模块发生故障或防晃电模块发生故障时，两者互不影响，提高了装置的可靠性。
4 装置典型应用与主要技术指标
装置在低压电动机控制回路的典型应用如图7所示。X1为防晃电模块，解决交流接触器的晃电问题，对两个及以上接触器控制的电动机回路（如需正反转控制的电动机），可再增加一个防晃电模块。X2为低压电动机提供保护功能，低压电动机保护模块的保护动作出口有接触器跳闸出口和进线断路器跳闸出口（由于继电器出口可通过宏定义设定，因此典型图未明确指出断路器跳闸出口）。
对于电动机短路故障和接地故障，由于接触器的遮断电流限制无法分断故障，因此保护模块动作出口跳进线断路器；而对于电动机的电压故障和其他类型故障，保护模块动作出口跳电动机控制接触器。
图7 装置在低压电动机控制回路的典型应用
装置部分技术参数与技术指标分别见表1、表2。
表1 防晃电模块技术参数与指标
表2 保护模块技术指标
本文介绍了一种低压电动机保护及防晃电装置的研发装置，即低压电动机保护与防晃电采用模块化设计方案，确保两个模块硬件与软件完全独立。保护模块内部使用超级电容储能，解决了晃电时电动机保护的失效问题。
模块间即能拼接安装又可分别独立安装，联接时只需要RJ11接口的4芯线进行级联。对多接触器控制回路只需要增加对应的防晃电模块即可，在保证可靠性的前提下实现了装置应用配置的灵活性，具有一定的推广应用价值。