數(shù)字式智能電機控制模塊

摘要：介紹一種取代傳統(tǒng)電機起動裝置的數(shù)字式智能電機控制模塊，內(nèi)容包括其系統(tǒng)構(gòu)成、主要功能、實驗情況及在實際中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：移相調(diào)控；單片機；電壓斜坡起動；限流起動；軟停車；節(jié)能運行

1    概述

    眾所周知，三相交流異步電動機以其低成本，高可靠性和易維護等優(yōu)點而在各行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。但是，它在直接起動時，存在著很大的缺點：首先，它的起動電流高達額定電流的5～7倍，既對電網(wǎng)造成了很大的沖擊，又影響了電器控制設(shè)備的使用壽命，甚至影響到其它電氣設(shè)備的正常運行；其次，起動轉(zhuǎn)矩可達正常轉(zhuǎn)矩的2倍，這會對負載產(chǎn)生沖擊，增加傳動部件的磨擦和額外維護。為此，出現(xiàn)了三相異步電動機降壓起動設(shè)備。

    傳統(tǒng)的降壓起動有以下幾種方法:

    1）在電動機定子電路中串入電抗器，使一部分電壓降在電抗器上；

    2）星形—三角形(Y—△)轉(zhuǎn)換降壓起動，即起動時電機接成星形，起動結(jié)束后，通過一個轉(zhuǎn)換器變成三角形接法；

    3）補償器起動（自耦變壓器起動）。

    傳統(tǒng)的起動設(shè)備體積龐大，成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，與負載匹配的電機轉(zhuǎn)矩很難控制，也就是說很難得到合適的起動電流和起動轉(zhuǎn)矩；而且在切換瞬間會產(chǎn)生很高的電流尖峰，由此產(chǎn)生的機械振動會損害電機轉(zhuǎn)子，軸連接器，中間齒輪以及負載設(shè)備。

    因此，就需要有一種能克服傳統(tǒng)起動缺點的起動裝置。銀河公司開發(fā)生產(chǎn)的捷普牌新一代數(shù)字式智能電機控制模塊，不但完全克服了傳統(tǒng)起動的缺點，對各種起動方法做了進一步的改善和提高，而且還增加了很多其他功能，比如：節(jié)能運行，過流保護，過熱保護，缺相保護等。

    這種模塊采用數(shù)碼管顯示，按鍵控制，整個起動過程全部由單片機按照預(yù)先設(shè)定的程序自動完成，操作極其方便。

    用戶通過按鍵調(diào)整參數(shù)設(shè)置，可以按實際情況選擇不同的起動方式，能夠很方便地控制起動電流，得到與負載相匹配的電機轉(zhuǎn)矩。

2    模塊結(jié)構(gòu)及電氣原理

    模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1可以看出，該模塊的主電路與相控電路及單片機共同封裝于同一殼體內(nèi)，同時內(nèi)置多個電流、電壓傳感器。用接插件將模塊與控制盒連接在一起，實現(xiàn)各種功能的設(shè)置和顯示。

圖1    智能電機控制模塊結(jié)構(gòu)圖

    主電路為6只玻璃鈍化方形晶閘管芯片，通過一體化焊接技術(shù)，將其貼在DBC（陶瓷覆銅板）上，并與導(dǎo)熱銅板焊接在一起。模塊使用時，導(dǎo)熱銅板與散熱片通過導(dǎo)熱硅脂緊密接觸。這種結(jié)構(gòu)使模塊具有很高的絕緣性能和散熱性能。

    圖2是模塊電氣原理方框圖。移相控制電路部分是銀河公司自主開發(fā)的JP-SSY01數(shù)字移相集成電路。該電路為SOP28封裝，5V單一電源供電，全數(shù)字化處理方式，具有很高的移相精度及對稱度。對控制端加0～10V電平信號，即可控制移相角度。

圖2    模塊電氣原理方框圖

    同步變壓器輸出同步信號給移相電路，其中另一路給單片機，作為單片機采集電壓、電流信號的基準。這樣，就克服了如果交流電頻率變化帶來的計算誤差，提高了計算精度。

    傳感器包括電壓傳感器和電流傳感器。兩種傳感器中均使用了霍爾元件，具有體積小、反應(yīng)快、線形度高的特點，通過與模塊結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計，方便地置于模塊內(nèi)部。兩種傳感器將電壓模擬量、電流模擬量傳給12位高速A/D轉(zhuǎn)換器，通過A/D轉(zhuǎn)換，將相應(yīng)的數(shù)字量傳給單片機，以供單片機進行處理。

    顯示、控制部分采用串行口與單片機進行通信，這種通信方式大大減少了該部分與模塊內(nèi)部的連線。5個數(shù)碼管顯示，8個按鍵控制，使顯示與控制直觀、方便。

3    主要功能

    智能電機控制模塊主要完成電壓斜坡起動，限流起動，電壓突跳起動，軟停車，節(jié)能運行，過流、過熱、缺相保護等功能。

3.1    電壓斜坡起動

    如圖3所示，系統(tǒng)首先給電機加一個電壓U_s，之后電壓線性上升，從U_s增加到最大電壓U_max，即電網(wǎng)輸入電壓。U_s由用戶設(shè)定，可供用戶選擇的電壓為80～300V。t_s也由用戶設(shè)定，可以在1～90s選擇。在實際使用中，用戶根據(jù)實際情況，例如電機功率大小、負載大小等，選擇合適的參數(shù)，達到最佳起動效果。

圖3    電壓斜波起動

    這種起動方式的特點是起動平穩(wěn)，可減少起動電流對電網(wǎng)的沖擊，同時大大減輕起動力矩對負載帶來的機械振動。

3.2    限流起動

    如圖4所示，這種起動方式是由用戶設(shè)定一電流值I_k，在整個起動過程中，實際電流不超過設(shè)定值I_k。I_k由用戶根據(jù)實際負載大小自己設(shè)定。

圖4    限流起動

    限流起動可以使大慣性負載以最小電流起動加速，可以通過設(shè)置電流上限，以滿足在電網(wǎng)容量有限的場合使用。這種起動方式特別適合于恒轉(zhuǎn)矩負載。

3.3    電壓突跳起動

    實際應(yīng)用中，很多負載具有很大的靜摩擦力。在電壓斜坡起動方式中，電壓是由小到大逐漸上升的。如果直接使用電壓斜坡方式起動，在起動開始的一段時間內(nèi)，因所加電壓太小，克服不了負載的靜摩擦力，電機不動，這可能會造成電機因發(fā)熱而損壞的情況。電壓突跳功能則解決了這個問題。在電機起動前，模塊先輸出一電壓U_t，且持續(xù)一段時間t_t，用以克服靜摩擦力，待電機轉(zhuǎn)動之后，再按照原設(shè)定方式起動，從而比較好地保護了電機，如圖5所示。對于不需要該功能的負載，只要將t_t設(shè)置為0即可。U_t可調(diào)整，范圍是0～380V，t_t可調(diào)整，范圍是0～10s。

圖5    電壓突跳起動

3.4    軟停車

    如圖6所示，按下停車鍵后，模塊的輸出電壓立即下降到U_p1，然后逐漸下降，經(jīng)過時間t_p后，下降到U_p2，再立即下降到0。U_p可調(diào)整，范圍是100～380V；U_p2可調(diào)整，范圍是0～300V；t_p調(diào)整的范圍是0～90s。

圖6    軟停車 

    軟停車可以大大減少管道傳輸中液體的沖擊。

3.5    節(jié)能運行

    對于大摩擦負載，由于起動電流大，需要功率較大的電動機，而在正常運行時，負載力矩比電動機額定轉(zhuǎn)矩小得多，這就造成電動機輕載運行。對于間歇性負載，持續(xù)大電流的工作時間占整個工作周期很小一部分，從而造成輕載時無功損耗的浪費，使運行功率因數(shù)大大降低。智能電機控制模塊通過檢測電壓和電流，根據(jù)負載大小自動調(diào)節(jié)輸出電壓，使電機工作在最佳效率工作區(qū)，達到節(jié)能目的。

3.6    保護功能

    共有三種保護功能：過流保護，過熱保護，缺相保護。

    在起動或者運行過程中如果出現(xiàn)上述三種故障之一，模塊會自動斷電，控制盒上的數(shù)碼管會閃爍顯示故障原因，待排除故障以后，按復(fù)位鍵即可恢復(fù)正常。

    在上述保護中，過流保護值可調(diào)。

4    實驗情況及實際應(yīng)用效果

    我們對一只正在使用中的智能電機控制模塊進行了實際測量并作了記錄。所用負載為18.5kW風(fēng)機，供電電壓實際測量值為390V左右。

    為了作一個比較，首先拆掉模塊進行直接起動。合上空氣開關(guān)后，電壓立即上升到390V，電流快速上升到150A，持續(xù)一段時間，逐漸下降，最后穩(wěn)定在30A左右。同時，可清楚地聽到由于大電流沖擊，使風(fēng)機產(chǎn)生強烈的機械振動而發(fā)出的噪聲。

    然后接上智能電機控制模塊，設(shè)置為限流方式起動，限流值為90A，打開節(jié)能運行。按下“起動”鍵，可觀測到電流上升速度明顯變慢，逐漸上升到90A，保持2～3s后，逐漸下降為30A。電壓由0V緩慢上升到390V。起動時間為6s。在整個起動過程中，電機起動平穩(wěn)，聽不到機械沖擊的噪聲。15s后，電壓逐漸下降為355V，電流不變，開始穩(wěn)定運行。

    數(shù)字式智能電機控制模塊現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)領(lǐng)域和其他場合，實際應(yīng)用效果如下：

    1）降低了電動機起動電流；

    2）避免了電動機起動時供電線路瞬間電壓跌落，造成電網(wǎng)上用電設(shè)備、儀表誤動作；

    3）防止了起動時由于產(chǎn)生的力矩沖擊，而使機械斷軸或產(chǎn)生廢品；

    4）可以較頻繁地起動電動機(軟起動裝置一般允許10次/h，而使電動機不致過熱)；

    5）對泵類負載可以防止水錘效應(yīng)，防止管道破裂；

    6）對某些工藝應(yīng)用(如染紗機械)，可防止由于起動過快而產(chǎn)生染色不勻的質(zhì)量問題；

    7）對某些易碎的容器灌漿生產(chǎn)線，可防止容器破損；

    8）適應(yīng)供電變壓器容量較低的場合(如注塑機)；

    9）可以降低電網(wǎng)適配容量，節(jié)省增容費開支；

    10）適用于需要方便地調(diào)節(jié)起動特性的場合。

5    結(jié)語

    數(shù)字式智能電機控制模塊集電機起動，節(jié)能運行，保護于一體，其突出特點是體積小，功能強，安裝方便，操作簡單，免維護，可靠性高，是傳統(tǒng)起動設(shè)備的理想換代產(chǎn)品。