基于單片微機(jī)控制的電機(jī)軟啟動(dòng)器研制*

趙晉琴，肖 杰，唐紅琴，姜明俊

（1.湖南第一師范學(xué)院信息科學(xué)與工程系，湖南長沙 410205）；2.重慶大學(xué)，重慶 400044）；3.長沙順特變壓器廠，湖南長沙 410014）

0 前言

電動(dòng)機(jī)是工業(yè)、農(nóng)業(yè)和交通運(yùn)輸?shù)闹匾O(shè)備，隨著社會(huì)生產(chǎn)的日益發(fā)展，電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛。三相交流鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠和價(jià)格便宜而被廣泛采用，據(jù)統(tǒng)計(jì)，其耗電量約占全國發(fā)電量的30%以上。然而，三相交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是一種反電勢負(fù)載，在啟動(dòng)開始時(shí)反電勢為零，若直接啟動(dòng)，將會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流并造成多種危害。特別是當(dāng)電動(dòng)機(jī)容量較大時(shí)，沖擊電流會(huì)對電網(wǎng)及其負(fù)載造成干擾，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)危害電網(wǎng)的安全運(yùn)行；啟動(dòng)電流過大還會(huì)使電動(dòng)機(jī)本身受到過大電磁力的沖擊，造成繞組過熱的危險(xiǎn)。同時(shí)，由于啟動(dòng)應(yīng)力較大，使得負(fù)載設(shè)備的使用壽命降低。為了克服三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)造成的危害，人們采用了各種降壓啟動(dòng)技術(shù)，而單片機(jī)控制的電子式軟啟動(dòng)器是目前最先進(jìn)、最流行的三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)控制裝置，采用該裝置，不僅能減小電機(jī)啟動(dòng)時(shí)對電網(wǎng)的沖擊，而且能達(dá)到節(jié)能的目的[1-2]。

本文結(jié)合鼠籠電機(jī)本身具有的特性，研制了一款低成本、大功率的智能軟啟動(dòng)器，采用MCS-51 系列單片機(jī)控制晶閘管三相交流調(diào)壓電路[3]，由三相交流調(diào)壓電路給電機(jī)供電，調(diào)節(jié)輸出電壓幅值以控制電機(jī)，從而降低電機(jī)的啟動(dòng)電流，從根本上解決了傳統(tǒng)的降壓啟動(dòng)設(shè)備的諸多弊端，滿足用戶要求。

1 軟啟動(dòng)器的工作原理及結(jié)構(gòu)

軟啟動(dòng)器是一種集軟啟動(dòng)、軟停車、多功能保護(hù)、節(jié)能于一體的電機(jī)控制裝置。它串接于電源和被控電機(jī)之間，通過控制其內(nèi)部晶閘管的導(dǎo)通角來調(diào)整電機(jī)的輸入電壓，使電壓從零開始按預(yù)置的實(shí)際工藝曲線逐步上升，待電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，啟動(dòng)過程結(jié)束，達(dá)到電機(jī)平滑啟動(dòng)的目的[4]。它不僅能根據(jù)電機(jī)的負(fù)載特性來調(diào)整其啟動(dòng)過程中的參數(shù)，而且能實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)過程的無沖擊電流，對電機(jī)具有一定的保護(hù)作用。軟啟動(dòng)器同時(shí)還提供軟停車功能，軟停車與軟啟動(dòng)過程正好相反，控制電機(jī)的輸入電壓逐漸降低，使轉(zhuǎn)速從額定轉(zhuǎn)速逐漸降低到零，避免了電機(jī)停車引起的轉(zhuǎn)矩沖擊，保護(hù)電機(jī)?；趩纹C(jī)控制的電機(jī)軟啟動(dòng)器組成框圖如圖1 所示。以89C52 單片機(jī)為核心組成晶閘管觸發(fā)角α控制調(diào)壓電路輸出電壓，而α角的變化規(guī)律由單片機(jī)根據(jù)用戶預(yù)置并符合實(shí)際的工藝曲線，再根據(jù)實(shí)際啟動(dòng)/停車過程中的電流和電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況予以微調(diào)[5-6]，主要完成鼠籠電動(dòng)機(jī)的自動(dòng)軟啟動(dòng)/軟停車功能，也可手動(dòng)完成電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)/軟停車。自動(dòng)/手動(dòng)、軟啟動(dòng)/軟停車功能的選擇由單片機(jī)根據(jù)撥碼開關(guān)的預(yù)置位置自動(dòng)識別，控制器根據(jù)識別結(jié)果進(jìn)入相應(yīng)的控制程序。在自動(dòng)功能中，控制過程根據(jù)用戶預(yù)選的工藝曲線或限流值自動(dòng)完成；在手動(dòng)功能中，控制過程由工作人員以點(diǎn)動(dòng)的方式人工完成。

圖1 電機(jī)軟啟動(dòng)器組成框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主電路設(shè)計(jì)

電機(jī)軟啟動(dòng)器主電路如圖2 所示，采用帶旁路的晶閘管三相交流調(diào)壓電路，由三組反并聯(lián)的雙晶閘管支路組成，以實(shí)現(xiàn)對三相交流電源進(jìn)行斬波調(diào)壓及旁路，調(diào)節(jié)輸出電壓幅值供給電動(dòng)機(jī)，以滿足軟啟動(dòng)/軟停車的工藝要求。

2.2 控制電路設(shè)計(jì)

圖2 電機(jī)軟啟動(dòng)器主電路

采用MCS-51系列單片機(jī)89C52擴(kuò)展系統(tǒng)作為軟啟動(dòng)器的微控制器單元。擴(kuò)展了鍵盤電路、數(shù)碼管顯示電路、指示燈等人機(jī)接口電路[3]，如圖3所示，以便于操作人員現(xiàn)場進(jìn)行參數(shù)修改、工作模式選擇等工作。

（1）相電壓檢測電路

三相輸入電壓uAN、uBN、uCN分別經(jīng)電壓過零比較器變?yōu)閱螛O性方波Uan、Ubn、Ucn，經(jīng)光耦隔離后輸入單片機(jī)系統(tǒng)，作為微控制器分配觸發(fā)脈沖的主同步信號[2]，也作為微控制器進(jìn)行相序檢測、缺相判斷的輸入信號。

（2）晶閘管壓降檢測電路

三組晶閘管兩端的壓降信號經(jīng)整流后再與電壓過零比較器比較，產(chǎn)生的方波信號經(jīng)光耦隔離后輸入單片機(jī)系統(tǒng)，作為晶閘管損壞判斷和輔助同步信號。若微控制器發(fā)出脈沖后較長時(shí)間晶閘管不導(dǎo)通或關(guān)閉脈沖后較長時(shí)間晶閘管不關(guān)斷，則斷定為晶閘管損壞或驅(qū)動(dòng)電路出現(xiàn)故障；微控制器在分配脈沖時(shí)，要等對應(yīng)晶閘管關(guān)斷后才按序觸發(fā)下一脈沖，以避免占空比丟失引起電機(jī)振蕩。

（3）線電流檢測電路

用三只電流互感器分別檢測出三線線電流，經(jīng)A/D 變換、光耦隔離后送入微控制器，作為限流調(diào)節(jié)、過流保護(hù)的輸入信號。

（4）驅(qū)動(dòng)電路

微控制器發(fā)出的六個(gè)脈沖信號經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路、隔離變壓器后分別控制相應(yīng)的六只晶閘管。

圖3 單片機(jī)控制電路

3 軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 軟件流程

軟件程序主要完成初始化、故障診斷、參數(shù)設(shè)置、讀工藝曲線、參數(shù)計(jì)算、輸出電壓調(diào)節(jié)功能及旁路切換等功能。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

3.2 程序算法

3.2.1 脈沖分配

根據(jù)三相市電固定時(shí)序，微控制器依次發(fā)六個(gè)彼此間隔60 度的觸發(fā)脈沖給相應(yīng)的六個(gè)晶閘管，為可靠形成電流回路，在發(fā)某個(gè)脈沖時(shí)，同時(shí)向前補(bǔ)發(fā)一個(gè)脈沖。各觸發(fā)脈沖時(shí)序與主同步信號的關(guān)系如圖5 所示，序號與時(shí)序一致，括號內(nèi)為補(bǔ)發(fā)的脈沖，同步信號上的箭頭處表示主同步點(diǎn)，實(shí)發(fā)觸發(fā)脈沖時(shí)刻為自同步點(diǎn)滯后觸發(fā)角α處。

圖5 脈沖分配與同步信號

3.2.2 工藝曲線

工藝曲線用來描述對電機(jī)運(yùn)行過程的要求，本軟啟動(dòng)器采用調(diào)壓方式對電機(jī)執(zhí)行軟啟動(dòng)/軟停車，因而工藝曲線表現(xiàn)為對軟啟動(dòng)器輸出電壓的要求上，圖6所示為工藝曲線常見形式之一。

軟啟動(dòng)器的輸出電壓受觸發(fā)角α控制，為了控制的快速方便，通過預(yù)先估算，將用輸出電壓表示的工藝曲線轉(zhuǎn)換為用觸發(fā)角α表示的工藝曲線，如圖7 所示。每一軟啟動(dòng)器配有多種可供選擇的工藝曲線，各工藝曲線以數(shù)據(jù)序列的形式存儲(chǔ)于微控制器的ROM中，存儲(chǔ)內(nèi)容包括：總段數(shù)n、每段的起始α角和終值α角、每段的變化率ρ、每段的時(shí)間數(shù)Δt、觸發(fā)角α的微調(diào)量σ。例如圖7所示工藝曲線，其在ROM 中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為：[4；α0，α1，ρ1，t1，σ1；α1，α2，ρ2，t2-t1，σ2；α2，α3，ρ3，t3-t2，σ3；α3，α4，ρ4，t4-t3，σ4]。選擇適當(dāng)?shù)幕緯r(shí)間單位，如以20 ms為基本單位，以方便于運(yùn)行時(shí)對觸發(fā)角α進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整和校正。

圖6 工藝曲線示意圖

圖7 軟啟動(dòng)工藝曲線及其轉(zhuǎn)換

3.2.3 α調(diào)節(jié)規(guī)律

每五個(gè)基本時(shí)間單位后，根據(jù)預(yù)選的工藝曲線對α角調(diào)整一次，給α增加一個(gè)改變量ρ（軟停車時(shí)減小一個(gè)改變量ρ），若輸出電壓和輸出電壓變化率均沒有達(dá)到要求，且線電流沒有超過限流閾值，再給α角增加一個(gè)微調(diào)量σ；若輸出電壓和輸出電壓變化率均超過要求，或線電流超過限流閾值，則給α角減小一個(gè)微調(diào)量σ。在軟件中，對α角予以邊界限定，最大α角由軟件內(nèi)定（如最大推薦值為110°），以最大可能地加速起動(dòng)；最小α角由軟件根據(jù)實(shí)際工況自適應(yīng)調(diào)整，為電源電壓（主同步信號）過零點(diǎn)到對應(yīng)晶閘管關(guān)斷點(diǎn)的值，目的是在自然換流、感性負(fù)載條件下，保證在發(fā)下一組脈沖時(shí)，該自然關(guān)斷的晶閘管已可靠關(guān)斷，從而避免因占空比丟失引起電機(jī)振蕩。

4 應(yīng)用效果

用Simnon 軟件對該調(diào)壓軟啟動(dòng)器進(jìn)行仿真，得到圖8所示的波形。從圖8中可以看出，調(diào)壓器輸出電壓波形為有缺口的“非圓滑”波形，但因電機(jī)為感性負(fù)載，其電流波形依然為“圓滑”波形。

某單位一水泵房有一臺(tái)380 V，額定功率為75 kW，額定電流為140 A的交流電動(dòng)機(jī)負(fù)責(zé)水塔供水，由于啟動(dòng)和停泵時(shí)經(jīng)常產(chǎn)生水錘效應(yīng)導(dǎo)致水泵的葉輪、管道損壞而停水，啟動(dòng)電機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)周圍電網(wǎng)跳閘。經(jīng)技術(shù)改造，水泵電機(jī)啟動(dòng)由原來的直接啟動(dòng)改造為單片機(jī)控制的電機(jī)軟啟動(dòng)器，通過對軟啟動(dòng)器的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置使電機(jī)獲得了較好的啟動(dòng)性能，起始電壓為：60%Ue，限流倍數(shù)為：3.5Ie，升壓時(shí)間為：3 s。在水泵電機(jī)停機(jī)時(shí)同樣通過對軟啟動(dòng)器各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置使得水泵電機(jī)獲得較好的制動(dòng)性能，取得了很好的保護(hù)效果，同時(shí)也保證了該單位正常供水和周圍電網(wǎng)的正常運(yùn)行，節(jié)約了設(shè)備維修經(jīng)費(fèi)，保護(hù)了設(shè)備和電網(wǎng)，可靠性高，性能完善，完全滿足用戶要求。

圖8 仿真波形

5 結(jié)束語

本軟啟動(dòng)器的研制實(shí)現(xiàn)了電機(jī)軟啟動(dòng)、軟停車和多種綜合故障保護(hù)。三相交流鼠籠式電機(jī)不需要調(diào)速的任何場所都可以應(yīng)用該軟啟動(dòng)器，特別適用于各種泵類負(fù)載、風(fēng)機(jī)類負(fù)載，需要軟啟動(dòng)和軟停車的場合。本軟啟動(dòng)器的主要優(yōu)點(diǎn)有：（1）控制算法簡單，實(shí)現(xiàn)容易，不必熟悉電機(jī)復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型；（2）晶閘管調(diào)壓電路采用的是自然換流開關(guān)器件，在帶電機(jī)負(fù)載時(shí)，控制系統(tǒng)中存在寄生的電流正反饋信號，若該信號幅值超過一定值，會(huì)引起電機(jī)的振蕩，只須在軟件中加入電流正反饋信號幅值抑制措施；（3）工藝曲線可靈活配置，滿足各類電機(jī)軟啟動(dòng)/軟停車工況要求；（4）以較低的成本很好地解決了電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)對電網(wǎng)和機(jī)械設(shè)備的沖擊，同時(shí)還具備軟停車、多種故障保護(hù)、節(jié)能、通訊等功能；（5）與國外同類產(chǎn)品比較，具有較大的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，可廣泛應(yīng)用于冶金、石化、市政、制造等行業(yè)，也必將成為三相鼠籠式電機(jī)智能啟動(dòng)的主流設(shè)備。

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