基于MCS-98單片機的交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)

 0 引言

對于電動機的起動過程，為了避免定子回路的大電流沖擊，設(shè)計有兩種起動方法。方法一通過設(shè)置在操作面板上的起動電位器，人工控制起動過程的快慢。方法二，通過單片機控制器將給定轉(zhuǎn)速按一定的函數(shù)關(guān)系緩慢地增大，即相當(dāng)于增加一個轉(zhuǎn)速給定函數(shù)發(fā)生器。在交流感應(yīng)電動機的定子鐵心中，沿空間均勻分布三相繞組，各繞組軸相互錯開120O把定子三相繞組依次接到三相電源時產(chǎn)生一個磁場，其幅值所在的磁軸相繼與各繞組軸重疊。

也就是說，三相繞組聯(lián)合產(chǎn)生一個在空間不斷移動的磁場。當(dāng)三相繞組流過三相正弦電流時，則將產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場。如果轉(zhuǎn)子以低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動， 那么在轉(zhuǎn)子繞組和旋轉(zhuǎn)磁場之間出現(xiàn)相對運動，而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電壓引起電流。而感應(yīng)電流在磁場下又產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。

1.感應(yīng)電動機的調(diào)速方式

1.1 感應(yīng)電動機調(diào)壓調(diào)速

當(dāng)主電源為恒壓恒頻三相交流電網(wǎng)CVCF，M為感應(yīng)電動機，中間為交流斬波調(diào)壓器時，就構(gòu)成了感應(yīng)電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)。交流斬波器的輸出是變壓恒頻交流VVCF，即f1=fa，U1≤Ua，感應(yīng)電動機的電磁轉(zhuǎn)矩Te，最大電磁轉(zhuǎn)矩Tem及其對應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)差率sm分別為：

由于調(diào)壓調(diào)速屬于能耗轉(zhuǎn)差調(diào)動，低速運行時電動機轉(zhuǎn)子的損耗大，轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴(yán)重，故不適用于長期低速運行。對于只有短時低速運行的起重機械升降機等恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載和風(fēng)機泵類等通風(fēng)機械的負(fù)載都可采用。

輕載時如果把電動機的端電壓降低，就能大大減小勵磁電流，提高功率因數(shù)和減少電動機空載損耗，這就是國外發(fā)展起來的所謂NOLA節(jié)能器，即功率因數(shù)節(jié)能器的基本原理。

1.2 變極調(diào)速

采用雙速(或三速)變極籠型電動機經(jīng)接觸器換接定子繞組，可得到與極對數(shù)對應(yīng)的二擋(或三擋)同步速度。這種設(shè)備控制簡單、運行可靠、費用也低，但調(diào)速是有級的且范圍有限，一般只用于對特性要求較低的場所。

2.單片機控制的交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)

MCS-98單片機實現(xiàn)數(shù)字觸發(fā)、數(shù)字測速、數(shù)字調(diào)節(jié)的任務(wù)。

2.1 基于MCS-98單片機控制器

電動機的轉(zhuǎn)矩和功率變換是建立在定子和轉(zhuǎn)子跨越氣隙相互施加推力的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生推力的原因是繞組中的電流與氣隙中的磁場之間相互作用。本文主要介紹了采用高性能的Intel 8098單片機作為控制核心的感應(yīng)電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)，其性能和調(diào)速效果良好。該控制器主要由MCS-98單片機最小系統(tǒng)及鍵盤顯示部分、測速部分組成。主要的功能是：

數(shù)字調(diào)節(jié)控制算法運算，觸發(fā)脈沖的形成，實際轉(zhuǎn)速、電流、電壓檢測及顯示，轉(zhuǎn)速的數(shù)字量或模擬量給定、轉(zhuǎn)速環(huán)控制參數(shù)設(shè)置，電源、運行狀態(tài)、故障報警信號指示等。

2.2 轉(zhuǎn)速檢測電路及測速原理

選用E6C-CWZ5C測速器，與交流電動機同軸連接，每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)P=1000，實現(xiàn)數(shù)字測速。

測速電路使用1個定時器、2個計數(shù)器，實現(xiàn)M/T測速法。在定時器設(shè)定的時間Td內(nèi)，1個計數(shù)器對固定的頻率信號進(jìn)行計數(shù);另1個計數(shù)器對測速器輸出脈沖進(jìn)行計數(shù)，從而通過計算獲得實際轉(zhuǎn)速值。定時器由8098單片機軟件定時完成，2個計數(shù)器由外擴的8253計數(shù)/定時器芯片的0通道、1通道完成。計數(shù)器的啟、停通過外擴的8155接口芯片C口Pc.6、Pc.7來控制。

2.3 電流、電壓檢測電路

用電流互感器、降壓隔離變壓器來完成電流、電壓信號的獲取，經(jīng)橋式整流穩(wěn)壓后獲得直流電壓，可直接送入MCS-98單片機的A/D轉(zhuǎn)換通道ACH4、ACH5。轉(zhuǎn)換時間為22μs，分辨率為10位。

2.4 起、制動過程

從單片機向主單片機獲取指令的通信過程如下：從機先向主機發(fā)出正跳變中斷信號，主機的HIS.0接收并響應(yīng)中斷，在中斷服務(wù)程序中向該8255的PA輸出數(shù)據(jù)，從機檢測到OBF有效時，則產(chǎn)生ACK信號從PA讀出數(shù)據(jù)，隨之OBF信號變成無效，主機又可向PA輸出數(shù)據(jù)。如此繼續(xù)，直到全部數(shù)據(jù)通信完畢。值得強調(diào)的是PA為雙向總線方式，因主從單片機之間交換數(shù)據(jù)的能力較強，另外PB仍可作為主單片機的I/O，故該通信接口既擴展了主單片機的外圍接口，又實現(xiàn)了雙向通信，大大提高了通信速度，使通信時間不影響從單片機實時脈寬調(diào)制。全面而可靠的保護(hù)功能由主電路模塊實現(xiàn)，尤其逆變器開關(guān)元件的安全工作，是系統(tǒng)可靠運行的主要保證。變頻器保護(hù)除上述的欠電壓、過電壓、過載保護(hù)外，還需設(shè)計下述保護(hù)功能：

①輸出短路保護(hù)，由于變頻器使用不慎引起輸出相間短路故障;②過流保護(hù)，電動機堵轉(zhuǎn)或負(fù)載過大超出允許的時限保護(hù);③快熔保護(hù)，快速熔斷器作為后級保護(hù)元件，參與對變頻器元件的保護(hù);④接地故障保護(hù)，對變頻器輸入接地故障或變頻器輸出接地故障進(jìn)行保護(hù);⑤過熱保護(hù)，保證變頻器開關(guān)元件工作于安全的溫度范圍內(nèi)，避免元件過熱損壞;⑥外部故障保護(hù)，保證變頻器外部相關(guān)設(shè)備的安全使用。出現(xiàn)上述故障時，軟件或保護(hù)電路產(chǎn)生故障中斷信號，一方面立即封鎖調(diào)制脈沖，快速關(guān)斷所有開關(guān)元件，另一方面對主從單片機申請最高級別的外部中斷。主單片機響應(yīng)中斷后，首先通過接口電路查詢故障信息，隨后轉(zhuǎn)入系統(tǒng)保護(hù)程序塊，即分?jǐn)嘤嘘P(guān)接觸器。系統(tǒng)有關(guān)狀態(tài)設(shè)置，顯示故障類型，從單片機響應(yīng)中斷后也進(jìn)行有關(guān)處理工作。

3.單片機控制的串級調(diào)速系統(tǒng)

用單片微型計算機控制的串級調(diào)速系統(tǒng)，由主電路、單片機8031及接口電路等部分組成。下面主要介紹單片機和接口電路的組成及其工作原理。由該繼電器觸點控制有關(guān)接觸器的通、斷電，實現(xiàn)系統(tǒng)主電路從串級調(diào)速運行狀態(tài)到異步電動機自然接線運行狀態(tài)的切換。

系統(tǒng)所用的單片機是MCS-98系列中的8098。并擴展了I/O接口8155、程序存儲器2716。單片機8098中的P0口及P2口用于片外擴展的程序存儲器及I/O口的數(shù)據(jù)/地址總線。P1口用來接收故障檢測輸入信號。

P3.4、P3.5與升、降速按鈕SBl、SB2相接。8098內(nèi)設(shè)轉(zhuǎn)速計數(shù)器，在運行中查詢P3.4、P3.5，得到觸發(fā)器移相控制電壓，再配合程序軟件實現(xiàn)升、降速。

每當(dāng)發(fā)出觸發(fā)脈沖后，要檢測相應(yīng)的晶閘管是否已正常導(dǎo)通。即從晶閘管陽、陰極兩端取出信號，此信號經(jīng)光耦合、施密特整形后送給單片機8031的P1 口。若晶閘管導(dǎo)通，則壓降很小，施密特輸 出為低電平;若晶閘管未導(dǎo)通，則施密特輸出為高電平。因此，在觸發(fā)脈沖發(fā)出后，檢測Pl口的狀態(tài)，可以檢測出晶閘管導(dǎo)通與否。

當(dāng)單片機8098一旦檢測出晶閘管未導(dǎo)通、三相電源嚴(yán)重不對稱或同步信號丟失的故障時：一方面單片機8098由程序軟件將逆變角β推至最小逆變角 βmin，限制主回路電流;另一方面，由8155PA口、驅(qū)動器7406、光耦合器4N25、晶體管V配等輸出保護(hù)信號，使繼電器K通電動作。由該繼電器觸點控制有關(guān)接觸器的通、斷電，實現(xiàn)系統(tǒng)主電路從串級調(diào)速運行狀態(tài)到異步電動機自然接線運行狀態(tài)的切換。

最小脈沖刪除間隔設(shè)置是考慮功率開關(guān)元件響應(yīng)時間的作用。當(dāng)脈沖過窄時，開關(guān)元件不能完全導(dǎo)通或完全關(guān)斷，主電路也就不能輸出滿幅電壓。但若刪除這種脈沖，會使輸出電壓變化不均勻，特別是當(dāng)最小脈沖刪除間隔取較大值時，輸出電壓變化的不均勻性表現(xiàn)得更加明顯。經(jīng)驗表明：在載波頻率為15.6kHz的條件下，如果選擇最小脈沖刪除間隔為16μs，則當(dāng)輸出電壓調(diào)制系數(shù)上升到78%以后，輸出電壓出現(xiàn)躍變。若選擇最小脈沖刪除間隔為6μs，則當(dāng)輸出電壓調(diào)制系數(shù)上升到93%以后，輸出電壓出現(xiàn)躍變。通過示波器觀察驅(qū)動波形，發(fā)現(xiàn)在輸出電壓躍變點處開始出現(xiàn)脈沖合并，柜當(dāng)于出現(xiàn)過調(diào)制，這種脈沖合并正是由于刪除了最小脈沖引起的。為保證輸出電壓調(diào)節(jié)的均勻性，應(yīng)盡量減小最小脈沖刪除間隔，甚至不刪除。

在高速電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電動機的額定電壓一般為220V，達(dá)不到輸出電壓躍變點，因而輸出電壓表現(xiàn)還是均勻的，這時最小脈沖刪除問隔取為6μs。

4.結(jié)論

對于快速制動過程，一般采用能耗制動。在制動時只需觸發(fā)VR1和VR2即可，其他四只晶閘管全部關(guān)斷，這樣定子兩相繞組便流過直流電流進(jìn)行能耗制動。利用相位控制可以改變直流電流的大小，改變制動強度，從而控制制動過程轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律。對于一般的停車制動過程，可采用全部封鎖觸發(fā)脈沖，讓電動機自由停止運行。