基于Intel96的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器

1、        摘要：提出了一種以Intel96單片機(jī)為控制核心的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)軟件起動(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?jīng)]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。    三相交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單、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47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

2、沖擊電網(wǎng)，降低電網(wǎng)共電質(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。它們雖然在一定程序上緩解了起動(dòng)電流過大矛盾，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)電流不連接，負(fù)載適應(yīng)能力差，故障率高，維修工作量大等。隨著徽電子技術(shù)、電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的進(jìn)步，近年來，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，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)

3、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)載適用能力強(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)器采和三相平衡調(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

4、設(shè)網(wǎng)運(yùn)行，以避免晶閘管元件的持續(xù)損耗。主電路的晶閘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Intle 196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

5、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，且與相序無關(guān)。本起動(dòng)器采用后者。    2.2 控制信號(hào)控制信號(hào)來自控制面板，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、停止方式選擇以及起動(dòng)/停止開關(guān)操作。方式選擇按鈕上有發(fā)關(guān)指示功能，用軟件實(shí)現(xiàn)自鎖，按鈕被先中時(shí)相應(yīng)的指示燈亮。2.3 電流、電壓反饋電流、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)是無法識(shí)別的，必須進(jìn)行處理。處理

6、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

7、電信號(hào)，對(duì)電容放電，以保證每次采樣當(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

8、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。最后脈沖變壓器與主電路隔離。2.6 LED顯示對(duì)不同的的負(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)不同電機(jī)動(dòng)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。2.7 接觸器接口本軟起動(dòng)器可長期工作，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)直接設(shè)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)Intle196單片機(jī)內(nèi)部

9、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)解的大小，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

10、.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衡地增加。當(dāng)起電流增大到所設(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1.54.5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、久壓等多種保護(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，它無觸點(diǎn)、重量輕、占地面積小、傳動(dòng)平穩(wěn)、操作簡單、性能價(jià)格比高，適合自動(dòng)化控制要求。要實(shí)現(xiàn)了以下功能：（1）除恒流