電廠電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)軟啟動器設(shè)計

沈德明 ，袁 棟

(1.南京科遠(yuǎn)自動化股份有限公司，江蘇 南京 211100；2.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210018)

電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為電廠電動閥門的動力裝置，是電廠自動化儀表中的執(zhí)行單元，目前應(yīng)用非常廣泛，但也存在不少問題。現(xiàn)電廠多回轉(zhuǎn)電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)多采用三相交流異步電機(jī)，其傳統(tǒng)的啟動方式是將三相交流異步電機(jī)通過正反轉(zhuǎn)模塊或交流接觸器直接接到電網(wǎng)上。這樣啟動電流大，容易對電網(wǎng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)本身造成損害。在許多場合這種過大的啟動電流會對整個傳動系統(tǒng)造成不良的影響[1]。為了滿足電動機(jī)自身啟動條件、負(fù)載傳動機(jī)械工藝要求、保護(hù)其他用電設(shè)備正常工作的需要，應(yīng)當(dāng)在電機(jī)自身啟動過程中采取必要的措施控制其啟動過程，降低啟動電流沖擊和和轉(zhuǎn)矩沖擊[2]。現(xiàn)國內(nèi)針對電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的晶閘管軟啟動器技術(shù)研究不多，已有的軟啟動器結(jié)構(gòu)簡單，采用三路晶閘管控制，可靠性不高且啟動方式單一，不適合用于大力矩的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。采用六路晶閘管控制比三路晶閘管控制具有更高的可靠性，且可以根據(jù)負(fù)載調(diào)節(jié)啟動方式，可大力矩執(zhí)行機(jī)構(gòu)平穩(wěn)啟停，限制啟動電流，減少機(jī)械沖擊，減弱對傳動機(jī)構(gòu)的磨損，提高了設(shè)備的安全性和可靠性。文中在電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，以ATmega128單片機(jī)為控制核心，分別控制六路晶閘管的導(dǎo)通角從而調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)三相異步電機(jī)兩端的電壓,滿足閥門的軟啟動需要。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

該軟啟動裝置是由一片處理器 （ATmega128）控制六路晶閘管實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)定子兩端電壓進(jìn)行控制，用以達(dá)到軟啟動的功能。利用電流傳感器對起動電流進(jìn)行幅值檢測，通過電壓檢測電路對三相電進(jìn)行相序檢測和過零檢測，利用正反轉(zhuǎn)模塊實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)的切換。整個系統(tǒng)用變壓器將強(qiáng)電弱電隔離，并且通過后級電路進(jìn)行整形濾波后對控制系統(tǒng)、晶閘管驅(qū)動電路以及正反轉(zhuǎn)模塊供電。整個系統(tǒng)總體構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)架

2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計

2.1 系統(tǒng)主回路

軟起動器主回路采用圖2所示的三相交流調(diào)壓電路。在電源和異步電動機(jī)之間接入反并聯(lián)的晶閘管調(diào)壓電路，通過改變晶閘管觸發(fā)角來改變電動機(jī)定子兩端電壓，進(jìn)而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速和定子電流等物理量[3]。由于圖2所示的電路中沒有中線，因此工作時若負(fù)載電流流通，至少要有兩相構(gòu)成通路，其中一相是正向晶閘管導(dǎo)通，另一相則是反向晶閘管導(dǎo)通[4]。為了保證電路起始工作時有2個晶閘管同時導(dǎo)通，以及在感性負(fù)載與控制角較小時仍能保證不同相的2個晶閘管同時導(dǎo)通，文中的設(shè)計采用了能產(chǎn)生大于60°的寬PWM脈沖觸發(fā)電路。

圖2 軟啟動系統(tǒng)主回路

2.2 系統(tǒng)電源電路的設(shè)計

電源模塊主要完成控制系統(tǒng)各單元的供電，其性能好壞直接影響系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。根據(jù)系統(tǒng)的要求，采用電源輸入工頻變壓器后級加六路隔離變壓器驅(qū)動晶閘管的整體方案。電源變壓器提供20 W的輸出能力作為控制系統(tǒng)總的供電，后級輸出+5 V，+12 V，+24 V作為各個單元電路供電。系統(tǒng)電源分配如圖3所示。晶閘管驅(qū)動板輸入輸出部分與系統(tǒng)電氣隔離，保證系統(tǒng)的安全性。

圖3 系統(tǒng)電源分配

2.3 系統(tǒng)控制電路的設(shè)計

軟啟動器控制電路以高性能、低功耗8位微處理器ATmega128單片機(jī)為控制核心，包括電流檢測電路，電壓過零檢測電路，脈沖觸發(fā)電路以及正反轉(zhuǎn)控制電路。軟啟動控制電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)控制電路結(jié)構(gòu)

2.4 電壓過零檢測電路

過零檢測電路的作用是把高壓過零信號采集后送給單片機(jī)，作為單片機(jī)定時器的標(biāo)準(zhǔn)。該設(shè)計采用光耦與大功率電阻采集高壓信號，電阻降壓，光耦過零觸發(fā)。光耦后級接上拉電阻，相電壓過零后光耦導(dǎo)通，電平信號有高低會產(chǎn)生變化。單片機(jī)通過采集到的電平變化信號來確定相電壓過零導(dǎo)通的時間，并且可以通過過零導(dǎo)通的時序?qū)θ嚯娺M(jìn)行相序檢測。電壓過零檢測電路如圖5所示。

圖5 過零檢測電路

2.5 晶閘管驅(qū)動電路

利用ATmega128單片機(jī)發(fā)出的六路PWM脈沖控制A，B，C三相6個晶閘管的觸發(fā)。由于單片機(jī)輸出觸發(fā)信號不足以觸發(fā)晶閘管，故需將PWM脈沖觸發(fā)信號通過晶閘管觸發(fā)變壓器將觸發(fā)功率放大。由于主電路中沒有中線，為了保證可控硅的導(dǎo)通以及觸發(fā)時序的正確，在同一時刻必需有2個晶閘管導(dǎo)通?？紤]到可靠性的要求，該設(shè)計采用大于60°的寬PWM脈沖列觸發(fā)信號。

脈沖驅(qū)動電路如圖6所示，單片機(jī)發(fā)出一串寬PWM脈沖，經(jīng)過三極管進(jìn)行功率放大，然后將放大信號通過晶閘管觸發(fā)變壓器使晶閘管控制極和陰極之間加正向電壓，從而觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通。

圖6 晶閘管觸發(fā)電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟啟動器的軟件主要包括系統(tǒng)主程序和中斷脈沖觸發(fā)程序，并采用模塊化設(shè)計。

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計

系統(tǒng)主程序主要包括系統(tǒng)上電初始化、缺相檢測、電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制、軟啟動與軟停車模式選擇、軟啟動控制方式的選擇，以及按預(yù)定方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動。主程序流程如圖7所示。

圖7 主程序流程

3.2 中斷脈沖觸發(fā)程序

由于晶閘管觸發(fā)變壓器本身伏秒特性的限制，不能給出寬脈沖觸發(fā)信號，故該設(shè)計采用寬PWM觸發(fā)脈沖，即給需要導(dǎo)通的晶閘管1個大于60°的PWM脈沖列，這樣可至少保證兩相之間構(gòu)成通路，并且該觸發(fā)方式比雙脈沖觸發(fā)方式有更高的可靠性[5]。設(shè)計中PWM脈沖頻率為5 kHz，占空比25%。

ATmega128單片機(jī)通過3個外部中斷 INT2，INT6，INT7分別檢測到電壓過零檢測電路送來的相電壓過零中斷信號，并按照觸發(fā)角的變化延時相應(yīng)的角度，給出觸發(fā)信號，然后延時大約3.5 ms停止觸發(fā)脈沖的發(fā)送。利用單片機(jī)的2個16位定時器/計數(shù)器T/C1和T/C3的定時功能，將T/C1和T/C3的工作模式設(shè)置為快速PWM模式，利用定時器比較匹配中斷和溢出中斷實(shí)現(xiàn)脈沖列的定時。同時利用定時器/計數(shù)器T/C0實(shí)現(xiàn)觸發(fā)角和脈沖列寬度的定時[6]。其中A相中斷脈沖觸發(fā)程序流程如圖8所示。

圖8 A相脈沖觸發(fā)程序流程

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)上述軟硬件設(shè)計方案，設(shè)計并制作了1臺電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)軟啟動器樣機(jī)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。三相異步電機(jī)額定功率為1.5 kW，額定轉(zhuǎn)速為1440 r/min。圖9為晶閘管VT1與VT6觸發(fā)脈沖列的關(guān)系，脈沖列寬度為3.5 ms且VT6脈沖列比VT1脈沖列超前60°。由于A相正半周期和C相負(fù)半周期相位差60°，按照觸發(fā)順序，在A相導(dǎo)通的同時，需同時將C相導(dǎo)通，這樣就保證兩相之間構(gòu)成了通路，說明了觸發(fā)脈沖相序的正確性。

圖10為當(dāng)觸發(fā)角為90°時，輸出線電壓Uab與晶閘管VT1觸發(fā)信號之間的關(guān)系。圖11為當(dāng)觸發(fā)角為90°時，負(fù)載相電壓Ua與晶閘管VT1觸發(fā)信號之間的關(guān)系。圖12為A相負(fù)載電流的變化情況。從相電壓Ua及相電流Ia的波形可以看出加在電機(jī)定子兩端之間的電壓電流發(fā)生了變化，說明軟啟動器起到了調(diào)壓調(diào)速的效果，同時表明單片機(jī)輸出的脈沖列通過隔離、放大之后可以成為可靠觸發(fā)晶閘管的觸發(fā)脈沖信號。

5 結(jié)束語

提出了一種采用六路晶閘管控制有多種啟動控制方式的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)軟啟動器，并介紹了其硬件組成和軟件設(shè)計。文中所做的工作驗(yàn)證了其硬件電路設(shè)計的可靠性和中斷觸發(fā)程序的正確性，為下一步電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)軟啟動器多種控制方式的研究做準(zhǔn)備。

[1]季 鋒.國產(chǎn)電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)展與現(xiàn)狀[J].世界儀表與自動化，2009（3）：24-25.

[2]GHODHBANI L，REBHI B，KOURDA F，et al.Comparison Among Electronic Start up Methods for Induction motors[A].Systems Signals and Devices(SSD),20107th International Multi-Conference on，Amman，2010.

[3]劉 利，王 棟.電動機(jī)軟啟動器實(shí)用技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2009.

[4]王艷杰，曾 毅，呂 鳳.基于ATmega128的智能軟啟動器的設(shè)計[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2010，19（2）：72-75.

[5]黃美成，盧 潔，彭永進(jìn).晶閘管交流調(diào)壓電路的觸發(fā)方案研究[J].電子電力技術(shù)，2004，38（2）：54-55.

[6]金鐘夫，杜 剛，王 群.AVR ATmega128單片機(jī)C程序設(shè)計與實(shí)踐[MJ].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.