摘  要: 提出了一种以Intel196单片机为控制核心的感应电动机软起动控制与保护系统,通过控制主回路上三对反并联晶闸管的导通角度,实现交流感应电动机的平滑起动和停机。根据电动机拖动负载的不同特点,设计了多种软起动方式。试验结果表明,该软起动器具有优良的性能。 

    关键词: 单片机  感应电动机  软起动器  电动机保护

    三相交流感应电动机因其结构简单、运行可靠、价格低廉等优点,广泛应用于机械、冶金、纺织、电力以及国防等领域。但是,当感应电动机直接合闸起动时,往往产生高于其额定电流4～7倍的起动电流,特别是大功率电动机,较大的起动电流会严重冲击电网,降低电网供电质量并影响其它设备运行;另外,电动机起动瞬间起动转矩所造成的机械冲击会影响电动机本身及其拖动设备的使用寿命。为此,目前大部分电动机起动时仍使用传统的降压起动设备,如Y-△转换器、自耦变压器、串接电阻器或电抗器等。它们虽然在一定程度上缓解了起动电流过大的矛盾,但并未在本质上解决冲击问题。而且这些起动设备存在一些固有缺陷,如起动电流不连续,负载适应能力差,故障率高,维修工作量大等。 

    随着微电子技术、电力电子技术和控制技术的进步,近年来,一种新型电动机起动设备即软起动器已经研制出来,并不断得到完善。由于软起动器具有优良的起动性能与保护功能,必将得到推广应用,并将逐步取代传统的降压起动设备。本文将介绍笔者所研制的一种基于Intel196单片机的感应电动机软起动器。这种软起动器可以控制起动电流的大小,实现多种软起动方式;在起动过程中电动机可以避免对电网和负载的冲击,负载适应能力强;而且还具有过载、断相、短路、过压、欠压等多种保护功能。 

1 软起动器的基本原理 

    本软起动器采用三相平衡调压式主回路^[1],将三对反并联的晶闸管串接于电动机的三相电路上,主电路原理图如图1所示。通过Intel196单片机控制触发角,改变导通程度。由于引入电流负反馈,因而能控制电动机起动电流的大小,实现电动机多种软起动方式。晶闸管主电路还可与接触器并联使用,待起动过程完成后,接触器自动闭合,短接晶闸管,使电动机直接投网运行,以避免晶闸管元件的持续损耗。主电路的晶阐管和接触器并不固定,随系统容量不同可以选用不同的器件。 

2 控制系统结构 

    图2为以Intel196单片机^[2]为核心的控制系统结构图。除Intel196单片机外,还配以电压同步信号,控制信号,电流、电压反馈,断相检测,脉冲调制、放大与隔离,LED显示和接触器接口等多种电路。 

2.1 电压同步信号 

    图3是电压同步信号电路。来自同步变压器的电压信号,先经电容滤去电网电压的波形畸变,再经比较器转变成方波,送给单片机,以保证触发脉冲与主电路电压同步。二极管起限幅作用,防止比较器因差模电压过大而误动作。因滤波产生的相位移动,必须进行补偿,通常有两种方法:一是调整同步变压器的连接方式如△/Y-11,此方式需精确计算滤波电阻与电容值,并与相序有关;二是在程序里用软件补偿,这种方法调整方便,且与相序无关。本起动器采用后者。 

2.2 控制信号 

    控制信号来自控制面板,它包括:最大起动电流和额定电流的设定、起动方式选择、停车方式选择以及起动/停止开关操作。方式选择按钮上有发光指示功能,用软件实现自锁,按钮被选中时相应的指示灯亮。 

2.3 电流、电压反馈 

    软起动器工作时,主要任务是控制主电路的电流,因此要对电流进行监控。本起动器采用霍尔电流传感器,获得的电流信号为微弱交流信号,这样的信号单片机是无法识别的,必须进行处理。处理电路可以采用电流变送方式,即先对电流离散化,再由软件计算得到其有效值。这种方法精确度高,实时性好,但在一个周期内要多次采样、计算,占用大量单片机资源,影响其它程序运行。处理电路也可采用整流、滤波、A/D转换的形式,特点是电路简单,占用单片机资源少,但精度稍差,且由于电路中有滤波电容,使信号的变化滞后于实际电流的变化,容易引起系统振荡。本起动器虽然采用后者,但为了克服其缺点,特采用如图4(a)所示的精密整流电路。因为电流传感器的信号很小,若直接用二极管整流会造成较大误差,而采用精密整流电路后,可以克服二极管的死区。同时设计了如图4(b)所示的电容放电电路,每次A/D转换结束后,由单片机输出口给出放电信号,对电容放电,以保证每次采样都是当前的电流值。电容上实测的电压波形如图4(c)所示。实验结果表明所设计的电路使用效果良好。 

    另外,电压信号由电源变压器分压获得,经整流滤波后送入单片机A/D转换口,得到的数据用于电机的欠压和过压保护^[3]。 

2.4 断相检测 

    断相是对电动机危害较大的一种故障,为此系统单独设置了断相保护电路。其基本原理是三相平衡法,断相检测电路如图5所示。 

    图5中三个电阻星接,在正常三相对称情况下,O点电压为零;若有一相断相,则O点有电压输出。把O点电压整流滤波经A/D转换送给单片机,检测这个电压值,若过大时则实现断相保护而停车。 

2.5 脉冲调制、放大与隔离 

    单片机产生的脉冲信号,经调制电路变成占空比为五分之一的脉冲列,再放大,这样既可以保证晶闸管的可靠导通,又可以降低触发功率。最后通过脉冲变压器与主电路隔离。 

2.6 LED显示 

    对不同的负载,电动机软起动器应采取不同的起动方式。所以最大起动电流和额定工作电流都需要根据不同电动机以及所拖动的不同负载情况进行设定,所设定的值作为单片机工作的依据,同时也在面板上通过LED显示出来。 

2.7 接触器接口 

    本软起动器可长期工作,但工作时晶闸管总会有一定的管压降。所以用户可根据需要并接一个接触器,当起动结束后接触器闭合,使电动机直接投网运行。这个接触器可由起动器所留的接口直接控制。 

3 软件设计 

    Intel196单片机内部是16位运算,12MHz晶振,速度快,很适合作实时控制。软件采用ASM96编写,主要包括以下功能: 

    (1)系统初始化 

    完成对Intel196内部定时器、中断系统、看门狗、堆栈指针、I/O口以及特殊寄存器的初始化。 

    (2)系统自检 

    检测电源是否处于过压或欠压状态,是否断相,程序存储器、电流传感器是否工作正常。 

    (3)软起动模块 

    根据设定值和起动方式,计算晶闸管触发角的大小,再按照同步信号顺序送出触发脉冲,并检测电流值,以调整触发角来满足设定的要求。 

    (4)故障检测模块 

    起动过程结束后,系统进入监控状态,随时检测过压、欠压、过流、断相等故障。并监视有无停车指令。 

    软件程序框图如图6所示。 

4 试验结果 

    本软起动器在一台7.5kW三相感应电动机上进行了试验。该感应电动机为△接,额定电压为380V,额定电流为15.6A,额定转速为1440r/min。按照面板上的设定,分别进行三种起动方式的试验:(1)斜坡恒流软起动,即控制起动电流先按一定的速率平稳地增加。当起动电流增大到所设定的电流限定值I_sm时,例如本试验电流限定35A,起动电流就保持恒定值直至起动结束。其起动过程分为两个阶段:第一阶段起动电流值沿斜坡增加;第二阶段起动电流值恒定。(2)恒流软起动,即电动机起动过程中控制起动电流保持恒定值直至起动结束。其电流限定值I_sm通常在电动机额定电流的1.5～4.5倍之间进行选择。(3)脉冲恒流软起动,即在起动初始阶段有一个较大的起动冲击电流。该电流值大于设定的恒流值I_sm,从而能产生较大的起动冲击转矩去克服较大的静摩擦阻转矩,使设备能够起动,然后进入恒流起动阶段,直至起动结束。 

    按照面板上的设定,分别进行断电自由停车、斜坡软停车和能耗制动等三种停车方式的试验。 

    另外,对过载、断相、过压、欠压等多种保护功能也进行了试验验证。例如当电网电压高于400V、低于320V或有一相断相时,系统进入保护状态,即保护了电动机的安全。 

    本软起动器经试验运行效果良好。与传统起动方式相比,它无触点、重量轻、占地面积小、起动平稳、操作简单、性能价格比高,适合自动化控制要求。主要实现了以下功能: 

    (1)除恒流软起动方式外,还有斜坡恒流软起动和斜坡停车功能,特别适用于泵类负载,可以避免泵类负载停车时的水锤现象。 

    (2)在重载情况下,还有对应的脉冲恒流软起动功能,避免起动困难,缩短起动时间。 

    (3)对于大惯性负载,为加快停车速度,在停车过程中,控制定子回路晶闸管让其起整流作用,使定子绕组流过直流电流,实现了能耗制动停车方式。 

    (4)过载、过压、欠压和断相保护。 

参考文献 

1 周明宝. 电力电子技术. 北京:机械工业出版社,1997 

2 孙涵芳. Intel 16位单片机.北京:北京航空航天出版社,1995 

3 宋凌锋. 异步电动机综合保护及相关实用电路. 中小型电机,1999;26(3):29～30