??? 摘? 要: 提出了一種以Intel196單片機為控制核心的感應電動機軟起動控制與保護系統,通過控制主回路上三對反并聯晶閘管的導通角度,實現交流感應電動機的平滑起動和停機。根據電動機拖動負載的不同特點,設計了多種軟起動方式。試驗結果表明,該軟起動器具有優良的性能。?
??? 關鍵詞: 單片機? 感應電動機? 軟起動器? 電動機保護
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??? 三相交流感應電動機因其結構簡單、運行可靠、價格低廉等優點,廣泛應用于機械、冶金、紡織、電力以及國防等領域。但是,當感應電動機直接合閘起動時,往往產生高于其額定電流4～7倍的起動電流,特別是大功率電動機,較大的起動電流會嚴重沖擊電網,降低電網供電質量并影響其它設備運行;另外,電動機起動瞬間起動轉矩所造成的機械沖擊會影響電動機本身及其拖動設備的使用壽命。為此,目前大部分電動機起動時仍使用傳統的降壓起動設備,如Y-△轉換器、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電流過大的矛盾,但并未在本質上解決沖擊問題。而且這些起動設備存在一些固有缺陷,如起動電流不連續,負載適應能力差,故障率高,維修工作量大等。?
??? 隨著微電子技術、電力電子技術和控制技術的進步,近年來,一種新型電動機起動設備即軟起動器已經研制出來,并不斷得到完善。由于軟起動器具有優良的起動性能與保護功能,必將得到推廣應用,并將逐步取代傳統的降壓起動設備。本文將介紹筆者所研制的一種基于Intel196單片機的感應電動機軟起動器。這種軟起動器可以控制起動電流的大小,實現多種軟起動方式;在起動過程中電動機可以避免對電網和負載的沖擊,負載適應能力強;而且還具有過載、斷相、短路、過壓、欠壓等多種保護功能。?
1 軟起動器的基本原理?
??? 本軟起動器采用三相平衡調壓式主回路[1],將三對反并聯的晶閘管串接于電動機的三相電路上,主電路原理圖如圖1所示。通過Intel196單片機控制觸發角,改變導通程度。由于引入電流負反饋,因而能控制電動機起動電流的大小,實現電動機多種軟起動方式。晶閘管主電路還可與接觸器并聯使用,待起動過程完成后,接觸器自動閉合,短接晶閘管,使電動機直接投網運行,以避免晶閘管元件的持續損耗。主電路的晶闡管和接觸器并不固定,隨系統容量不同可以選用不同的器件。?
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2 控制系統結構?
??? 圖2為以Intel196單片機[2]為核心的控制系統結構圖。除Intel196單片機外,還配以電壓同步信號,控制信號,電流、電壓反饋,斷相檢測,脈沖調制、放大與隔離,LED顯示和接觸器接口等多種電路。?
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2.1 電壓同步信號?
??? 圖3是電壓同步信號電路。來自同步變壓器的電壓信號,先經電容濾去電網電壓的波形畸變,再經比較器轉變成方波,送給單片機,以保證觸發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作。因濾波產生的相位移動,必須進行補償,通常有兩種方法:一是調整同步變壓器的連接方式如△/Y-11,此方式需精確計算濾波電阻與電容值,并與相序有關;二是在程序里用軟件補償,這種方法調整方便,且與相序無關。本起動器采用后者。?
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2.2 控制信號?
??? 控制信號來自控制面板,它包括:最大起動電流和額定電流的設定、起動方式選擇、停車方式選擇以及起動/停止開關操作。方式選擇按鈕上有發光指示功能,用軟件實現自鎖,按鈕被選中時相應的指示燈亮。?
2.3 電流、電壓反饋?
??? 軟起動器工作時,主要任務是控制主電路的電流,因此要對電流進行監控。本起動器采用霍爾電流傳感器,獲得的電流信號為微弱交流信號,這樣的信號單片機是無法識別的,必須進行處理。處理電路可以采用電流變送方式,即先對電流離散化,再由軟件計算得到其有效值。這種方法精確度高,實時性好,但在一個周期內要多次采樣、計算,占用大量單片機資源,影響其它程序運行。處理電路也可采用整流、濾波、A/D轉換的形式,特點是電路簡單,占用單片機資源少,但精度稍差,且由于電路中有濾波電容,使信號的變化滯后于實際電流的變化,容易引起系統振蕩。本起動器雖然采用后者,但為了克服其缺點,特采用如圖4(a)所示的精密整流電路。因為電流傳感器的信號很小,若直接用二極管整流會造成較大誤差,而采用精密整流電路后,可以克服二極管的死區。同時設計了如圖4(b)所示的電容放電電路,每次A/D轉換結束后,由單片機輸出口給出放電信號,對電容放電,以保證每次采樣都是當前的電流值。電容上實測的電壓波形如圖4(c)所示。實驗結果表明所設計的電路使用效果良好。?
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??? 另外,電壓信號由電源變壓器分壓獲得,經整流濾波后送入單片機A/D轉換口,得到的數據用于電機的欠壓和過壓保護[3]。?
2.4 斷相檢測?
??? 斷相是對電動機危害較大的一種故障,為此系統單獨設置了斷相保護電路。其基本原理是三相平衡法,斷相檢測電路如圖5所示。?
??? 圖5中三個電阻星接,在正常三相對稱情況下,O點電壓為零;若有一相斷相,則O點有電壓輸出。把O點電壓整流濾波經A/D轉換送給單片機,檢測這個電壓值,若過大時則實現斷相保護而停車。?
2.5 脈沖調制、放大與隔離?
??? 單片機產生的脈沖信號,經調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通,又可以降低觸發功率。最后通過脈沖變壓器與主電路隔離。?
2.6 LED顯示?
??? 對不同的負載,電動機軟起動器應采取不同的起動方式。所以最大起動電流和額定工作電流都需要根據不同電動機以及所拖動的不同負載情況進行設定,所設定的值作為單片機工作的依據,同時也在面板上通過LED顯示出來。?
2.7 接觸器接口?
??? 本軟起動器可長期工作,但工作時晶閘管總會有一定的管壓降。所以用戶可根據需要并接一個接觸器,當起動結束后接觸器閉合,使電動機直接投網運行。這個接觸器可由起動器所留的接口直接控制。?
3 軟件設計?
??? Intel196單片機內部是16位運算,12MHz晶振,速度快,很適合作實時控制。軟件采用ASM96編寫,主要包括以下功能:?
??? (1)系統初始化?
??? 完成對Intel196內部定時器、中斷系統、看門狗、堆棧指針、I/O口以及特殊寄存器的初始化。?
??? (2)系統自檢?
??? 檢測電源是否處于過壓或欠壓狀態,是否斷相,程序存儲器、電流傳感器是否工作正常。?
??? (3)軟起動模塊?
??? 根據設定值和起動方式,計算晶閘管觸發角的大小,再按照同步信號順序送出觸發脈沖,并檢測電流值,以調整觸發角來滿足設定的要求。?
??? (4)故障檢測模塊?
??? 起動過程結束后,系統進入監控狀態,隨時檢測過壓、欠壓、過流、斷相等故障。并監視有無停車指令。?
??? 軟件程序框圖如圖6所示。?
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4 試驗結果?
??? 本軟起動器在一臺7.5kW三相感應電動機上進行了試驗。該感應電動機為△接,額定電壓為380V,額定電流為15.6A,額定轉速為1440r/min。按照面板上的設定,分別進行三種起動方式的試驗:(1)斜坡恒流軟起動,即控制起動電流先按一定的速率平穩地增加。當起動電流增大到所設定的電流限定值Ism時,例如本試驗電流限定35A,起動電流就保持恒定值直至起動結束。其起動過程分為兩個階段:第一階段起動電流值沿斜坡增加;第二階段起動電流值恒定。(2)恒流軟起動,即電動機起動過程中控制起動電流保持恒定值直至起動結束。其電流限定值Ism通常在電動機額定電流的1.5～4.5倍之間進行選擇。(3)脈沖恒流軟起動,即在起動初始階段有一個較大的起動沖擊電流。該電流值大于設定的恒流值Ism,從而能產生較大的起動沖擊轉矩去克服較大的靜摩擦阻轉矩,使設備能夠起動,然后進入恒流起動階段,直至起動結束。?
??? 按照面板上的設定,分別進行斷電自由停車、斜坡軟停車和能耗制動等三種停車方式的試驗。?
??? 另外,對過載、斷相、過壓、欠壓等多種保護功能也進行了試驗驗證。例如當電網電壓高于400V、低于320V或有一相斷相時,系統進入保護狀態,即保護了電動機的安全。?
??? 本軟起動器經試驗運行效果良好。與傳統起動方式相比,它無觸點、重量輕、占地面積小、起動平穩、操作簡單、性能價格比高,適合自動化控制要求。主要實現了以下功能:?
??? (1)除恒流軟起動方式外,還有斜坡恒流軟起動和斜坡停車功能,特別適用于泵類負載,可以避免泵類負載停車時的水錘現象。?
??? (2)在重載情況下,還有對應的脈沖恒流軟起動功能,避免起動困難,縮短起動時間。?
??? (3)對于大慣性負載,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,實現了能耗制動停車方式。?
??? (4)過載、過壓、欠壓和斷相保護。?
參考文獻?
1 周明寶. 電力電子技術. 北京:機械工業出版社,1997?
2 孫涵芳. Intel 16位單片機.北京:北京航空航天出版社,1995?
3 宋凌鋒. 異步電動機綜合保護及相關實用電路. 中小型電機,1999;26(3):29～30