CN101309003A - 低压三相异步电动机抗晃电及保护综合装置 - Google Patents

Abstract

低压三相异步电动机抗晃电及保护综合装置能实现低压三相异步电动机因低压线路电网波动而造成停车时的再次启动，从而解决工业生产企业因晃电而导致生产线非正常停车的问题。本发明由下列部分组成：1.处理器，2.时钟芯片，3.电池，4.电压比较器电路，5.接触器监测电路，6.继电器控制电路，7.二次控制回路，8.开关电源，9.接线端子。本发明能够在电网晃电波动停车后再来电时再启动电动机，还能判别电网晃电和长时间欠压故障两种不同类型的事件，并能判别晃电前电动机是否处于工作状态，具有整定精度高、可重复性好、动作时间准确等特点，且无需外部为装置提供大功率后备电源。

Description

低压三相异步电动机抗晃电及保护综合装置

技术领域

本发明应用于低压三相异步电动机控制及保护领域，能实现低压三相异步电动机因低压线路电网波动而造成停车时的再次启动，从而解决工业生产企业因晃电而导致生产线非正常停车的问题，属于电气自动化控制领域。

背景技术

“晃电”是厂区线路或电气设备短路造成的电压大幅波动和电源瞬间消失，但通过自动重合闸和备用电源自投入装置的作用，短时间内得到恢复的现象。如果设备和系统抵御“晃电”能力较差，将给生产带来不应有的损失。一般化工和石化工厂中，每年都会发生数起甚至数十起此类“晃电”现象，造成部分机泵停车，生产流程混乱，产品不合格，甚至造成非计划停工，大量物料放空，损失惨重。

“晃电”一般是通过电网电压波动或电源的短时间消失而对工厂生产造成影响。前者的作用一般不超过1s，主要特征是工厂总变电所的母线没有脱离电网；后者主要特征是进线跳开，母线暂时脱离电网，作用时间一般在数秒内。据统计分析，造成“晃电”的原因一般包括自然原因(雷击、台风、污闪)引起的线路短路、线路或变电设备短路、带电误合地刀、误停电、大容量电源突然跳开等。此外，工厂内部电气设备短路拉、误合地刀、误停电，甚至电动机群再启动处理不当等原因也有一点比例。

目前高压回路和设备的保护装置比较成熟，可以很好的解决“晃电”问题，但是工厂中的低压线路和设备对于抗“晃电”则没有非常成熟的方法，一般来说，低压线路电压跌落时间只要大于10毫秒，直接采用三相交流电作为一次和二次回路供电电源的低压电动机控制柜中的交流接触器就无法维持正常运行，必然会导致跳闸。而交流接触器跳闸后，正在正常工作的电动机将迅速停机，从而导致生产线迅速停滞。而当电压跌落恢复时，交流接触器无法自启动，必须通过人工手动再启动，从交流接触器跳闸到人工手动再启动这一过程，最快时间约为几十秒钟。而在工厂中，所有低压电动机控制柜旁不可能时刻都有人值守，从发生晃电到通知维护班组再到维护人员到达低压电动机控制柜，往往已经过去十几分钟，多套控制柜的再启动过程将更长。这还没有考虑按照检修流程，对跳闸原因进行分析后再合闸的情况。因此，发生晃电后，通常整个生产线恢复稳定运行约需要几十分钟时间，从而造成比较大的损失，这些损失包括突然停工的废品、重新开工的废品、原料、电力及人力损失，某些行业如果使用了高温炉，那么在生产线停滞时还会造成原料输运设备的巨大损失。

目前，已有的抗晃电设备主要是抗晃电专用交流接触器，或者是在二次控制回路中使用UPS不间断电源控制交流接触器，以及晃电再启动控制器。抗晃电专用交流接触器包括交流吸合线圈、直流保持吸合线圈、用于交流吸合线圈在吸合后转换的交直流转换电路、用于提供在晃电保护状态下所需电源的半波整流及储能电路和用于提供直流保持吸合线圈吸合电压的直流稳压电路。其工作原理是在吸合过程中，进行交直流转换，使直流保持吸合线圈保持正常吸合工作状态，消除交流电源波动对交流接触器的影响，确保晃电瞬间接触器不脱扣。这类设备的缺点在于其内部极其复杂，不可靠性急剧增加，此外其内部所具备的储能电路将极大延迟正常跳闸动作的时间，当二次控制回路做出保护动作，需要接触器立即跳闸时，无法按时完成保护动作，这将给设备造成极大的损失。而使用UPS不间断电源控制交流接触器的方法，由于UPS中同样包含储能电路，因此也会增加系统的反应延时，造成事故隐患。已报道的晃电再启动控制器，其特点一般包括电源单元、启动单元、计时单元和接线端子等部分，其核心部分——启动单元和计时单元中，延时时间、延时再启动时间和启动脉冲宽度通常由分立电阻和分立电容的参数值所固定，各项时间定值无法根据现场情况进行再整定，即不具备灵活性。而且，由于电阻和电容的绝对值参数误差大，且随温度等外界条件变化大，因此导致各项时间定值精度差、稳定性差。

发明内容

技术问题：本发明针对工业生产企业因晃电而导致生产线上的低压三相异步电动机非正常停车的问题，提供一种低压三相异步电动机抗晃电及保护综合装置，能实现低压线路电网波动停车后再次送电时再启动低压三相异步电动机。

技术方案：包括下列组成部分：处理器，时钟芯片，电池，电压比较器电路，接触器监测电路，继电器控制电路，二次控制回路，开关电源，接线端子。处理器为32位高性能单片机芯片CPU，接收从电压比较器电路和接触器监测电路输出的信号，并通过内部通讯总线与时钟芯片相连，通过内部控制总线与继电器控制电路相连；时钟芯片为低功耗实时时钟芯片RTC，通过内部通讯总线与处理器相连，并由电池对其进行电源供应；电池为普通3.3V纽扣电池；电压比较器电路包括模拟运放芯片和电阻R1、R2，电阻R1与R2串联后，电阻R2的一端通过接线端子a接到相电源线L1上，电阻R1的一端通过接线端子c接到中性线N上，R1与R2的连接点同时连接到模拟运放芯片的输入端，模拟运放芯片的另一个输入端接内部基准电源；接触器监测电路包括电阻R3和光耦，电阻R3一端通过接线端子c接到中性线N上，另一端与光耦输入端串联后再通过与交流接触器KM常闭辅助触点串联，交流接触器KM常闭辅助触点的另一端通过接线端子a接到相电源线L1上，光耦的输出端分别接到内部基准电源和处理器上；继电器控制电路由继电器ZJ1线圈、继电器ZJ2线圈组成，通过内部控制总线与处理器相连，并对二次控制回路进行控制；二次控制回路由继电器ZJ1常闭触点、继电器ZJ2常开触点组成，继电器ZJ1常闭触点的一端与继电器ZJ2常开触点的一端并联后，通过接线端子d与停止按钮TA的一端连接，TA的另一端接到相电源L1上，继电器ZJ1常闭触点的另一端通过接线端子f与启动按钮QA的一端及交流接触器KM常开辅助触点的一端相连，继电器ZJ2常开触点的另一端通过接线端子e与QA和交流接触器KM常开辅助触点的另一端一起连接到交流接触器KM线圈的一端，KM线圈的另一端接到中性线N上；开关电源为交流-直流开关电源模块，提供装置内部处理器、电压比较器电路、接触器监测电路和继电器控制电路所需直流电源和基准电压。

安装时接线端子有6个，a端子接交流接触器常闭辅助触点一侧和相电源线L1，b端子接交流接触器常闭辅助触点的另一侧，c端子接中性点，d、f端子接继电器ZJ1常闭触点的两侧，e、f端子接交流接触器常开辅助触点和启动按钮的两侧，继电器ZJ2常开触点的两侧分别接到d、e端子，该结构可提供晃电再启动，也可以提供保护跳闸动作。

有益效果：本发明能够在电网晃电波动停车后再来电时再启动电动机，还能判别电网晃电和长时间欠压故障两种不同类型的事件，并能判别晃电前电动机是否处于工作状态，具有整定精度高、可重复性好、动作时间准确等特点，且无需外部为装置提供大功率后备电源。

附图说明

图1是本发明晃电再启动装置外部二次控制回路原理图。图中有：接触器KM常闭辅助触点KM-1，第一电阻R1，第二电阻R2，第三电阻R3，光耦21，低功耗实时时钟芯片6，3.3V纽扣电池7，继电器ZJ2线圈31，继电器ZJ1线圈32，32位高性能单片机芯片8，模拟运放芯片11，交流-直流开关电源模块7，继电器ZJ2常开触点33，继电器ZJ1常闭触点34，接触器KM常开辅助触点KM-2，接触器KM线圈KM-3。

图2为本晃电再启动发明装置内部连接示意图。

图3晃电时间小于整定值时的装置动作波形图。

图4晃电时间小于整定值时或晃电发生前三相异步电动机未正常工作时的装置动作波形图。

图5是设置参数定义示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明装置作进一步说明。

某生产线上采用380V三相异步电动机驱动，电源频率为50Hz工频，主电机采用星型接法工作。在电气控制系统中采用空气开关、交流接触器及本发明装置进行晃电再启动控制和电动机保护。

三相异步电动机启动时，空气开关打到合闸位置，按下启动按钮QA，此时由于继电器ZJ1常闭触点34处于默认常闭状态，因此交流接触器KM线圈KM-3从控制回路得电并吸合交流接触器KM的主触点，三相异步电动机正常启动。正常工作期间，32位高性能单片机芯片CPU8通过由模拟运放芯片11和第一电阻R1、第二电阻R2所组成的电压比较器电路对低压三相异步电动机的三相电压进行实时数据采集，并通过由光耦21和第三电阻R3所组成的接触器监测电路对低压三相异步电动机的工作状态进行实时监测，从而判定电动机一直处于正常工作模式。

晃电发生的瞬间，32位高性能单片机芯片CPU8记录下当前的三相电压、电动机工作状态和发生晃电的时间，并存储到由3.3V纽扣电池7供电的低功耗实时时钟芯片RTC6中；三相电失电持续过程中，32位高性能单片机芯片CPU8失电，此时交流接触器KM线圈KM-3因为控制回路失电因而也失电，从而释放交流接触器KM主触点；晃电结束后再次上电时，32位高性能单片机芯片CPU8记录下此时的三相电压和再次上电的时间，并计算出本次晃电过程持续的时间；先通过由模拟运放芯片11和第一电阻R1、第二电阻R2所组成的电压比较器电路判断电压是否上升到欠压保护允许值以上，如果电压仍未到允许值，继电器ZJ1常闭触点34、继电器ZJ2常开触点33均不做动作，直到电压上升到欠电压允许值以上，再对本次过程持续的时间和晃电发生瞬间的三相电流做出判断。结果可分为下列几种情况：

情况1：如果持续时间t＜晃电整定时间tzd，并且晃电发生前瞬间三相异步电动机处于正常工作状态，则由32位高性能单片机芯片CPU8控制继电器ZJ2线圈31，使得继电器ZJ2常开触点33做一次合闸动作。否则继电器ZJ2常开触点33不做动作。各关键点波形如图3所示：

情况2：如果持续时间t＞晃电整定时间tzd，或者晃电发生前瞬间三相异步电动机未处于正常工作状态，则继电器ZJ2常开触点33和ZJ1常闭触点34均不做任何动作。各关键点波形如图4所示。

综上所述，本发明是利用了处理器通过电压比较器电路对低压三相异步电动机晃电时及恢复后的相电压进行实时监测，同时通过接触器监测电路对交流接触器的工作状态进行实时监测，以判别低压三相异步电动机在晃电前瞬间是否处于工作状态，并根据由电池供电的时钟芯片所提供的晃电时间等参数，通过继电器控制电路来对二次控制回路的状态进行控制，根据不同的情况给出不同的控制信号，从而正确的实现晃电再启动。

本发明无需外部提供如UPS等后备电源来对装置提供晃电发生期间的电源供应，甚至对交流接触器提供晃电发生期间的电源供应，仅仅是直接采用三相中的一相供电，降低了系统成本并提高了系统的稳定性。也无需使用高精度电流互感器和电压互感器来监测相电源电流与电压，以此作为低压三相异步电动机的工作状态及相电源的状态判断依据，而是采用电阻分压来判断相电源电压的状态，采用光耦来判断低压三相异步电动机的工作状态，降低了系统成本并提高了系统的稳定性。

需要设置的参数有4个，其定义如图5所示：

欠电压定值Uq：电压跌落到该值以下认为进入晃电或欠压；

允许晃电时间tq：允许晃电重启的电压跌落持续最大时间；

延时启动时间ty：电压恢复到发出再启动信号之间的延迟时间；

脉冲时间to：ZJ2闭合一次持续时间；

如果在正常工作过程中32位高性能单片机芯片CPU8通过通过由模拟运放芯片11和第一电阻R1、第二电阻R2所组成的电压比较器电路发现低压三相异步电动机的三相电压符合欠压或过压条件达一定时间以上，则由32位高性能单片机芯片CPU8控制继电器ZJ1线圈32，使得继电器ZJ1常闭触点34做一次跳闸动作，从而断开主回路，保护电动机。

如果在正常工作过程中需要停止三相异步电动机，可通过按下停止按钮实现。

以上借助较佳实施例描述了本发明的具体实施方式，但是应该理解的是，前述具体的描述不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例作出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。

Claims (2)

1.一种低压三相异步电动机抗晃电及保护综合装置，其特征在于该装置的处理器为32位单片机CPU(8)，接收从电压比较器电路(1)和接触器监测电路(2)输出的信号，并通过内部通讯总线与时钟芯片RTC(6)相连，通过内部控制总线与继电器控制电路(3)相连；时钟芯片为低功耗实时时钟芯片RTC(6)，通过内部通讯总线与单片机CPU(8)相连，并由3.3V纽扣电池(4)对其进行电源供应；电压比较器电路(1)包括模拟运放芯片(11)和第一电阻(R1)、第二电阻(R2)，第一电阻(R1)、第二电阻(R2)串联后，第二电阻(R2)的一端通过第一接线端子(a)接到相电源线(L1)上，第一电阻(R1)的一端通过第三接线端子(c)接到中性线(N)上，第一电阻(R1)、第二电阻(R2)的连接点同时连接到模拟运放芯片(11)的输入端，模拟运放芯片(11)的另一个输入端接内部基准电源；接触器监测电路(2)包括第三电阻(R3)和光耦(21)，第三电阻(R3)一端通过第三接线端子(c)接到中性线(N)上，另一端与光耦(21)输入端串联后再通过与交流接触器常闭辅助触点(KM-1)串联接到相电源线(L1)上，光耦(21)的输出端分别接到内部基准电源和单片机CPU(8)上；继电器控制电路(3)由继电器ZJ1线圈(32)、继电器ZJ2线圈(31)组成，通过内部控制总线与处理器相连，并对二次控制回路进行控制；开关电源为交流-直流开关电源模块(7)，提供装置内部处理器、电压比较器电路、接触器监测电路和继电器控制电路所需直流电源和基准电压。

2.根据权利要求1所述的低压三相异步电动机抗晃电及保护综合装置，其特征是二次控制回路由继电器ZJ1常闭触点(34)、继电器ZJ2常开触点(33)组成，继电器ZJ1常闭触点(34)的一端与继电器ZJ2常开触点(33)的一端并联后，通过第四接线端子(d)与停止按钮(TA)的一端连接，停止按钮(TA)的另一端接到相电源线(L1)上，继电器ZJ1常闭触点(34)的另一端通过第六接线端子(f)与启动按钮(QA)的一端及交流接触器常开辅助触点(KM-2)的一端相连，继电器ZJ2常开触点(33)的另一端通过第五接线端子(e)与启动按钮(QA)和交流接触器常开辅助触点(KM-2)的另一端一起连接到交流接触器KM线圈(KM-3)的一端，交流接触器KM线圈(KM-3)的另一端接到中性线(N)上。

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