??? 摘? 要: 提出了一種以Intel196單片機(jī)為控制核心的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)控制與保護(hù)系統(tǒng),通過控制主回路上三對(duì)反并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通角度,實(shí)現(xiàn)交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的平滑起動(dòng)和停機(jī)。根據(jù)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載的不同特點(diǎn),設(shè)計(jì)了多種軟起動(dòng)方式。試驗(yàn)結(jié)果表明,該軟起動(dòng)器具有優(yōu)良的性能。?
??? 關(guān)鍵詞: 單片機(jī)? 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)? 軟起動(dòng)器? 電動(dòng)機(jī)保護(hù)
?
??? 三相交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于機(jī)械、冶金、紡織、電力以及國(guó)防等領(lǐng)域。但是,當(dāng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)直接合閘起動(dòng)時(shí),往往產(chǎn)生高于其額定電流4～7倍的起動(dòng)電流,特別是大功率電動(dòng)機(jī),較大的起動(dòng)電流會(huì)嚴(yán)重沖擊電網(wǎng),降低電網(wǎng)供電質(zhì)量并影響其它設(shè)備運(yùn)行;另外,電動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間起動(dòng)轉(zhuǎn)矩所造成的機(jī)械沖擊會(huì)影響電動(dòng)機(jī)本身及其拖動(dòng)設(shè)備的使用壽命。為此,目前大部分電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)仍使用傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)設(shè)備,如Y-△轉(zhuǎn)換器、自耦變壓器、串接電阻器或電抗器等。它們雖然在一定程度上緩解了起動(dòng)電流過大的矛盾,但并未在本質(zhì)上解決沖擊問題。而且這些起動(dòng)設(shè)備存在一些固有缺陷,如起動(dòng)電流不連續(xù),負(fù)載適應(yīng)能力差,故障率高,維修工作量大等。?
??? 隨著微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的進(jìn)步,近年來(lái),一種新型電動(dòng)機(jī)起動(dòng)設(shè)備即軟起動(dòng)器已經(jīng)研制出來(lái),并不斷得到完善。由于軟起動(dòng)器具有優(yōu)良的起動(dòng)性能與保護(hù)功能,必將得到推廣應(yīng)用,并將逐步取代傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)設(shè)備。本文將介紹筆者所研制的一種基于Intel196單片機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器。這種軟起動(dòng)器可以控制起動(dòng)電流的大小,實(shí)現(xiàn)多種軟起動(dòng)方式;在起動(dòng)過程中電動(dòng)機(jī)可以避免對(duì)電網(wǎng)和負(fù)載的沖擊,負(fù)載適應(yīng)能力強(qiáng);而且還具有過載、斷相、短路、過壓、欠壓等多種保護(hù)功能。?
1 軟起動(dòng)器的基本原理?
??? 本軟起動(dòng)器采用三相平衡調(diào)壓式主回路[1],將三對(duì)反并聯(lián)的晶閘管串接于電動(dòng)機(jī)的三相電路上,主電路原理圖如圖1所示。通過Intel196單片機(jī)控制觸發(fā)角,改變導(dǎo)通程度。由于引入電流負(fù)反饋,因而能控制電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流的大小,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)多種軟起動(dòng)方式。晶閘管主電路還可與接觸器并聯(lián)使用,待起動(dòng)過程完成后,接觸器自動(dòng)閉合,短接晶閘管,使電動(dòng)機(jī)直接投網(wǎng)運(yùn)行,以避免晶閘管元件的持續(xù)損耗。主電路的晶闡管和接觸器并不固定,隨系統(tǒng)容量不同可以選用不同的器件。?
?
?
2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?
??? 圖2為以Intel196單片機(jī)[2]為核心的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。除Intel196單片機(jī)外,還配以電壓同步信號(hào),控制信號(hào),電流、電壓反饋,斷相檢測(cè),脈沖調(diào)制、放大與隔離,LED顯示和接觸器接口等多種電路。?
?
?
2.1 電壓同步信號(hào)?
??? 圖3是電壓同步信號(hào)電路。來(lái)自同步變壓器的電壓信號(hào),先經(jīng)電容濾去電網(wǎng)電壓的波形畸變,再經(jīng)比較器轉(zhuǎn)變成方波,送給單片機(jī),以保證觸發(fā)脈沖與主電路電壓同步。二極管起限幅作用,防止比較器因差模電壓過大而誤動(dòng)作。因?yàn)V波產(chǎn)生的相位移動(dòng),必須進(jìn)行補(bǔ)償,通常有兩種方法:一是調(diào)整同步變壓器的連接方式如△/Y-11,此方式需精確計(jì)算濾波電阻與電容值,并與相序有關(guān);二是在程序里用軟件補(bǔ)償,這種方法調(diào)整方便,且與相序無(wú)關(guān)。本起動(dòng)器采用后者。?
?
?
2.2 控制信號(hào)?
??? 控制信號(hào)來(lái)自控制面板,它包括:最大起動(dòng)電流和額定電流的設(shè)定、起動(dòng)方式選擇、停車方式選擇以及起動(dòng)/停止開關(guān)操作。方式選擇按鈕上有發(fā)光指示功能,用軟件實(shí)現(xiàn)自鎖,按鈕被選中時(shí)相應(yīng)的指示燈亮。?
2.3 電流、電壓反饋?
??? 軟起動(dòng)器工作時(shí),主要任務(wù)是控制主電路的電流,因此要對(duì)電流進(jìn)行監(jiān)控。本起動(dòng)器采用霍爾電流傳感器,獲得的電流信號(hào)為微弱交流信號(hào),這樣的信號(hào)單片機(jī)是無(wú)法識(shí)別的,必須進(jìn)行處理。處理電路可以采用電流變送方式,即先對(duì)電流離散化,再由軟件計(jì)算得到其有效值。這種方法精確度高,實(shí)時(shí)性好,但在一個(gè)周期內(nèi)要多次采樣、計(jì)算,占用大量單片機(jī)資源,影響其它程序運(yùn)行。處理電路也可采用整流、濾波、A/D轉(zhuǎn)換的形式,特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單,占用單片機(jī)資源少,但精度稍差,且由于電路中有濾波電容,使信號(hào)的變化滯后于實(shí)際電流的變化,容易引起系統(tǒng)振蕩。本起動(dòng)器雖然采用后者,但為了克服其缺點(diǎn),特采用如圖4(a)所示的精密整流電路。因?yàn)殡娏鱾鞲衅鞯男盘?hào)很小,若直接用二極管整流會(huì)造成較大誤差,而采用精密整流電路后,可以克服二極管的死區(qū)。同時(shí)設(shè)計(jì)了如圖4(b)所示的電容放電電路,每次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后,由單片機(jī)輸出口給出放電信號(hào),對(duì)電容放電,以保證每次采樣都是當(dāng)前的電流值。電容上實(shí)測(cè)的電壓波形如圖4(c)所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的電路使用效果良好。?
?
?
??? 另外,電壓信號(hào)由電源變壓器分壓獲得,經(jīng)整流濾波后送入單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換口,得到的數(shù)據(jù)用于電機(jī)的欠壓和過壓保護(hù)[3]。?
2.4 斷相檢測(cè)?
??? 斷相是對(duì)電動(dòng)機(jī)危害較大的一種故障,為此系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)置了斷相保護(hù)電路。其基本原理是三相平衡法,斷相檢測(cè)電路如圖5所示。?
??? 圖5中三個(gè)電阻星接,在正常三相對(duì)稱情況下,O點(diǎn)電壓為零;若有一相斷相,則O點(diǎn)有電壓輸出。把O點(diǎn)電壓整流濾波經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送給單片機(jī),檢測(cè)這個(gè)電壓值,若過大時(shí)則實(shí)現(xiàn)斷相保護(hù)而停車。?
2.5 脈沖調(diào)制、放大與隔離?
??? 單片機(jī)產(chǎn)生的脈沖信號(hào),經(jīng)調(diào)制電路變成占空比為五分之一的脈沖列,再放大,這樣既可以保證晶閘管的可靠導(dǎo)通,又可以降低觸發(fā)功率。最后通過脈沖變壓器與主電路隔離。?
2.6 LED顯示?
??? 對(duì)不同的負(fù)載,電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器應(yīng)采取不同的起動(dòng)方式。所以最大起動(dòng)電流和額定工作電流都需要根據(jù)不同電動(dòng)機(jī)以及所拖動(dòng)的不同負(fù)載情況進(jìn)行設(shè)定,所設(shè)定的值作為單片機(jī)工作的依據(jù),同時(shí)也在面板上通過LED顯示出來(lái)。?
2.7 接觸器接口?
??? 本軟起動(dòng)器可長(zhǎng)期工作,但工作時(shí)晶閘管總會(huì)有一定的管壓降。所以用戶可根據(jù)需要并接一個(gè)接觸器,當(dāng)起動(dòng)結(jié)束后接觸器閉合,使電動(dòng)機(jī)直接投網(wǎng)運(yùn)行。這個(gè)接觸器可由起動(dòng)器所留的接口直接控制。?
3 軟件設(shè)計(jì)?
??? Intel196單片機(jī)內(nèi)部是16位運(yùn)算,12MHz晶振,速度快,很適合作實(shí)時(shí)控制。軟件采用ASM96編寫,主要包括以下功能:?
??? (1)系統(tǒng)初始化?
??? 完成對(duì)Intel196內(nèi)部定時(shí)器、中斷系統(tǒng)、看門狗、堆棧指針、I/O口以及特殊寄存器的初始化。?
??? (2)系統(tǒng)自檢?
??? 檢測(cè)電源是否處于過壓或欠壓狀態(tài),是否斷相,程序存儲(chǔ)器、電流傳感器是否工作正常。?
??? (3)軟起動(dòng)模塊?
??? 根據(jù)設(shè)定值和起動(dòng)方式,計(jì)算晶閘管觸發(fā)角的大小,再按照同步信號(hào)順序送出觸發(fā)脈沖,并檢測(cè)電流值,以調(diào)整觸發(fā)角來(lái)滿足設(shè)定的要求。?
??? (4)故障檢測(cè)模塊?
??? 起動(dòng)過程結(jié)束后,系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài),隨時(shí)檢測(cè)過壓、欠壓、過流、斷相等故障。并監(jiān)視有無(wú)停車指令。?
??? 軟件程序框圖如圖6所示。?
?
?
4 試驗(yàn)結(jié)果?
??? 本軟起動(dòng)器在一臺(tái)7.5kW三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)。該感應(yīng)電動(dòng)機(jī)為△接,額定電壓為380V,額定電流為15.6A,額定轉(zhuǎn)速為1440r/min。按照面板上的設(shè)定,分別進(jìn)行三種起動(dòng)方式的試驗(yàn):(1)斜坡恒流軟起動(dòng),即控制起動(dòng)電流先按一定的速率平穩(wěn)地增加。當(dāng)起動(dòng)電流增大到所設(shè)定的電流限定值Ism時(shí),例如本試驗(yàn)電流限定35A,起動(dòng)電流就保持恒定值直至起動(dòng)結(jié)束。其起動(dòng)過程分為兩個(gè)階段:第一階段起動(dòng)電流值沿斜坡增加;第二階段起動(dòng)電流值恒定。(2)恒流軟起動(dòng),即電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中控制起動(dòng)電流保持恒定值直至起動(dòng)結(jié)束。其電流限定值Ism通常在電動(dòng)機(jī)額定電流的1.5～4.5倍之間進(jìn)行選擇。(3)脈沖恒流軟起動(dòng),即在起動(dòng)初始階段有一個(gè)較大的起動(dòng)沖擊電流。該電流值大于設(shè)定的恒流值Ism,從而能產(chǎn)生較大的起動(dòng)沖擊轉(zhuǎn)矩去克服較大的靜摩擦阻轉(zhuǎn)矩,使設(shè)備能夠起動(dòng),然后進(jìn)入恒流起動(dòng)階段,直至起動(dòng)結(jié)束。?
??? 按照面板上的設(shè)定,分別進(jìn)行斷電自由停車、斜坡軟停車和能耗制動(dòng)等三種停車方式的試驗(yàn)。?
??? 另外,對(duì)過載、斷相、過壓、欠壓等多種保護(hù)功能也進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。例如當(dāng)電網(wǎng)電壓高于400V、低于320V或有一相斷相時(shí),系統(tǒng)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài),即保護(hù)了電動(dòng)機(jī)的安全。?
??? 本軟起動(dòng)器經(jīng)試驗(yàn)運(yùn)行效果良好。與傳統(tǒng)起動(dòng)方式相比,它無(wú)觸點(diǎn)、重量輕、占地面積小、起動(dòng)平穩(wěn)、操作簡(jiǎn)單、性能價(jià)格比高,適合自動(dòng)化控制要求。主要實(shí)現(xiàn)了以下功能:?
??? (1)除恒流軟起動(dòng)方式外,還有斜坡恒流軟起動(dòng)和斜坡停車功能,特別適用于泵類負(fù)載,可以避免泵類負(fù)載停車時(shí)的水錘現(xiàn)象。?
??? (2)在重載情況下,還有對(duì)應(yīng)的脈沖恒流軟起動(dòng)功能,避免起動(dòng)困難,縮短起動(dòng)時(shí)間。?
??? (3)對(duì)于大慣性負(fù)載,為加快停車速度,在停車過程中,控制定子回路晶閘管讓其起整流作用,使定子繞組流過直流電流,實(shí)現(xiàn)了能耗制動(dòng)停車方式。?
??? (4)過載、過壓、欠壓和斷相保護(hù)。?
參考文獻(xiàn)?
1 周明寶. 電力電子技術(shù). 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997?
2 孫涵芳. Intel 16位單片機(jī).北京:北京航空航天出版社,1995?
3 宋凌鋒. 異步電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)及相關(guān)實(shí)用電路. 中小型電機(jī),1999;26(3):29～30