一種改進的直流電機軟啟動器設計方法

潘 勇，王 鋒，趙 毅，李 萍

(山東省產品質量檢驗研究院 電器安全能效檢驗研究所，濟南 250102)

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一種改進的直流電機軟啟動器設計方法

潘 勇，王 鋒，趙 毅，李 萍

(山東省產品質量檢驗研究院 電器安全能效檢驗研究所，濟南 250102)

介紹了一種以ATmega16單片機為控制核心，采用PWM技術調節(jié)帶有吸收回路保護的IGBT以實現直流電機平穩(wěn)運行的軟啟動器設計方法，最后給出了實驗結果。

PWM；IGBT；吸收回路；軟啟動

0 引 言

傳統(tǒng)直流電機軟啟動方式為切換電阻啟動，顧名思義，就是在電機電樞回路中串入大功率電阻，通過電阻降壓來限制電機的啟動電流，當電機的電流或轉速達到期望值時，通過直流接觸器將電阻旁路，電阻不再起任何作用，直流電機通過旁路電路正常工作。該方式的優(yōu)點是回路簡單，造價低；缺點是平滑性不好,電機在啟動時易發(fā)生電流突變，以致影響直流工作系統(tǒng),直流接觸器觸點易燒結。本文介紹了一種基于ATmega16改進的直流電機軟啟動器的設計方法，實驗證明，該軟啟動器能夠實現直流電機穩(wěn)定、準確、可靠的運行。

1 直流電機軟啟動器設計原理

直流電機接通電源后，轉速從零上升到穩(wěn)態(tài)轉速的過程稱為啟動過程[1]，這個過程可用電動勢平衡方程式和電樞電動勢方程式來解釋。

電動勢平衡方程式：

(1)

電樞電動勢方程式：

(2)

式中：U為電樞電壓；Ea為電樞感應電動勢；Ia為電樞電流；Ra為電樞回路電阻；Ce為電動勢常數；φ為磁通；n為轉速。

直流電機通電轉動瞬間：n=0，故Ea=0，Ia=(U-Ea)/Ra=U/Ra，Ra一般約為0.5～2 Ω，可知電機啟動電流很大，瞬間值可達到額定電流的10～20倍[2]。如此大的啟動電流會導致電機換向困難，同時造成供電線路產生很大的壓降，因此，必須采取適當的措施限制啟動電流。

當前，主要有2種方案實現電機的平穩(wěn)啟動，即變頻調速軟啟動器和IGBT調壓軟啟動器。變頻器調速軟啟動器控制的電機具有良好的動態(tài)和靜態(tài)特性[3]，在低速的時候可以任意調節(jié)電機轉速，也能以恒定轉矩啟動電機，但是變頻調速軟啟動器所需費用高昂，常用于特殊的電機控制如啟動轉矩較大的中壓電機。本文涉及的直流電機工作電壓為220 V，屬于低壓電機，采用的是IGBT調壓軟啟動器方案。IGBT調壓軟啟動器的設計原理是以AVR系列的ATmega16單片機為微處理器，運用PWM脈寬調制的方式來控制IGBT的開通和關斷對直流電壓進行線性調節(jié)，并設計了吸收回路對軟啟動器進行保護，最終使電動機達到額定轉速，繼而穩(wěn)定運行。

2 直流電機軟啟動器設計

直流電機軟啟動器系統(tǒng)主電路包括IGBT模塊、吸收回路、霍爾元件及輔助電路等；控制電路主要包括AVR ATmega16、驅動電路、PWM輔助電路、LCD和鍵盤模塊；直流電機軟啟動器系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

其中，主電源為整個系統(tǒng)提供220 V的直流電壓，輔助電源給AVR ATmega16、驅動電路、霍爾元件提供工作電壓；驅動電路通過PWM來調節(jié)IGBT的開關速度，繼而調節(jié)直流電機的轉速；霍爾元件對電壓電流進行采樣，反饋給AVR ATmega16，在出現過壓、欠流、過流時對電機進行保護，防止直流電機被損壞；LCD和鍵盤模塊可對系統(tǒng)運行的時間和PWM的頻率進行設定，使不同功率的電機在合適的啟動速度下運行。本文設計的直流電機軟啟動器可實現功率為3.7～55 kW的直流電機的調速。

圖1 直流電機軟啟動器系統(tǒng)結構框圖

2.1 直流電機軟啟動器主電路設計

直流電機軟啟動器主電路圖主要包括IGBT驅動模塊、電壓電流變送模塊、吸收回路等三部分，如圖2所示。圖2中KR為溫度繼電器，用于監(jiān)控溫度，保護電路；變流器主要變換電流，完成系統(tǒng)故障、啟動、停止三種狀態(tài)的指示；電壓電流變送模塊實現電樞電流、勵磁電流的采樣，將電流信號轉換為電壓信號反饋給AVR ATmega16來完成對電機轉速的實時調節(jié)。IGBT驅動電路采用了瑞士CONCEPT公司出品的2SD315AI來完成IGBT的精確通斷。直流電機軟啟動器主電路設計的重點是IGBT，而吸收回路的設計是確保IGBT精確運行的關鍵。

圖2 直流電機軟啟動器主電路圖

直流電機是感性負載，IGBT開通時續(xù)流二極管會吸收電容的放電電流和反向恢復電流，開通的速度越快，IGBT承受的峰值電流就越大，甚至會損壞IGBT或續(xù)流二極管；IGBT關斷時，負載由于快速地開通和關斷會產生尖峰電壓，續(xù)流二極管受開通速度的影響難以吸收尖峰電壓，以至于會造成自身或其他元器件的損壞。為了解決這一難題，本文對吸收回路進行了重點設計。在圖2中，為防止直流電源正負反接，直流電源端接入防反二極管D15；C10和R4，R5組成的電路可以消除續(xù)流二極管D1兩端的尖峰電壓；C11和R1，R2，R3，D12，D13，D14組成的電路可以消除IGBT模塊集電極(C極)和發(fā)射極(E極)間的電壓尖峰，同時還可以減小電流波動。

2.2 直流電機軟啟動器控制邏輯算法

直流電機軟啟動器控制器為AVR ATmega16，除了具備常規(guī)的邏輯控制，ATmega16還可以產生PWM信號通過驅動板來控制IGBT的開通與關斷；同時，將輸出的電壓、電流信號進行采樣，經RS485傳輸給LCD實時顯示。

直流電機軟啟動器上電以后，首先進行系統(tǒng)初始化，通過鍵盤模塊設置電壓、電流、時間、速度等啟動參數來控制IGBT的通斷以實現直流電機平穩(wěn)啟動。直流電機軟啟動器控制方式有就地操作和遠方操作兩種。在直流電機啟動過程中，故障檢測電路會對直流電機的電壓、電流和IGBI的溫度等信號進行采樣，經數模/模數轉換后經LCD顯示。若有異?，F象如欠壓、過流、過熱等發(fā)生，直流電機軟啟動器會進行故障報警反饋。若無異?，F象發(fā)生，直流電機軟啟動器根據ATmega16發(fā)出的指令輸出一定占空比的PWM波形控制直流電機按照設定速度來運行。同時，ATmega16計數器計算數值與指令設定的時間/速度值進行比較，若計算值大于設定值，則降低PWM的占空比以降低電機轉速；反之，增加PWM占空比以提升電機轉速。直流電機軟啟動器ATmega16控制邏輯策略如圖3所示。

圖3 直流電機軟啟動器ATmega16控制邏輯策略圖

ATmega16單片機內有一個16位的定時/計數器，可以產生無干擾脈沖、相位準確的PWM波形[4]。產生PWM波形的機理是：PWM引腳電平在匹配0～0xFFFF之間的值，如c時，比較匹配輸出寄存器置位或清零，同時，計數器清零時，對應的定時器時鐘周期清零或置位。圖4給出了使用輸出比較寄存器(OCR1A)來定義最大值時的快速PWM模式時序圖。

圖4 快速PWM模式時序圖

圖4中的c～h為OCR1A匹配值，從圖中可見，波形在每個匹配值和計數清零時輸出發(fā)生了改變，從而產生了PWM波形。OCR1A值的范圍可以在0x0000～0xFFFF之間變化，共有65 535個值，可知PWM波的最大分辨率為K=1/65 535。輸出的PWM波的頻率可以通過如下公式計算得到：

(3)

其中:fCLK為系統(tǒng)時鐘頻率，N為分頻因子(1，8，64，256或1 024)?？焖貾WM模式采用了單邊斜坡模式，可以產生高頻PWM波，非常適合應用于直流電機軟啟動器設計領域。

3 實驗結果

根據上述軟硬件方案，作者設計制作了一臺樣機進行調試，以驗證該直流電機軟啟動器設計的合理性。實驗所使用的負載是功率為40 kW，額定電壓為220 V，轉速為3 000 r/min的直流電機。感性負載在電機啟動過程產生的尖峰電壓會對IGBT和續(xù)流二極管產生極大的沖擊，二者是否能正常工作，關系著直流電機軟啟動器設計的優(yōu)劣，因此，通過將探頭置于×10檔的示波器監(jiān)測IGBT和續(xù)流二極管的電壓和振鈴幅值來評估整個直流電機軟啟動器的性能。圖5為直流電機軟啟動過程中IGBT和續(xù)流二極管的電壓波形；圖6位直流電機軟啟動過程中IGBT和續(xù)流二極管的振鈴波形。

圖5 IGBT和續(xù)流二極管電壓波形圖6 IGBT和續(xù)流二極管振鈴波形

從圖5和圖6中可以發(fā)現，在直流電動機工作過程中，IGBT和續(xù)流二極管的電壓波動較小，波形平緩，IGBT的振鈴尖峰電壓比續(xù)流二極管的振鈴尖峰電壓大，但也未超過600 V，這遠小于IGBT和續(xù)流二極管的耐壓值。

4 結 語

本文分析了直流電機啟動時產生沖擊電流的原因，在此基礎上設計了一款采用PWM調節(jié)的、具有吸收回路保護的直流電機軟啟動器，并制作樣機對直流電機軟啟動器進行性能測試，驗證了該設計方法在解決直流電機啟動過程電壓平滑性差、易發(fā)生電流突變、直流接觸器易燒結等問題上有著良好的效果。

[1] 閻治安，崔新藝，蘇少平.電機學[M].2版.西安：西安交通大學出版社，2008:5-30.

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[3] ZHANG Pinjia,LU Bin,HABETLER T G.A remote and sensorless stator winding resistance estimation method for thermal protection of soft-starter-connected induction machines[J].IEEE Transactions on,Industrial Electronics,2008,55(10):3611-3618.

[4] Atmel Corporation.8-bit Microcontroller with 16k bytes in-system programmable flash[Z].Atmel Corporation,2009：71-82.

Design of an Improved Soft-Starter for DC Motors

PANYong,WANGFeng,ZHAOYi,LIPing

(Electrical Apparatus Safety Energy Efficiency Inspection Institute,Shandong Institute for Product Quality Inspection,Jinan 250102,China)

A soft-starter design method based on ATmega16 was introduced, and PWM was used to adjust IGBT with absorbing circuit protection for achieving DC motor smooth operation. Finally, the experiment result was given.

PWM； IGBT； absorbing circuit； soft start

2015-10-15

TM33

A

1004-7018(2016)07-0041-02

潘勇(1984-)，男，碩士研究生，工程師，研究方向為電器產品性能、安全、EMC等。