智能開關(guān)技術(shù)在電動機(jī)啟動中的應(yīng)用(8279接口芯片)

1　引言
　　在交流異步電動機(jī)的啟動控制中，常用的啟動方式有全壓直接啟動和降壓啟動兩種。作為傳統(tǒng)的啟動方式，應(yīng)用很廣泛，但在某些有特殊要求的場合，這些傳統(tǒng)的啟動方式也有著各種弊端。近年來，電力電子技術(shù)和電力電子器件都有了很大發(fā)展，從根本上解決了電動機(jī)控制中存在的一些難題，特別是智能開關(guān)技術(shù)在解決大、中容量的電動機(jī)啟動問題中有著卓越的功能，是替代傳統(tǒng)啟動方式的一項(xiàng)新技術(shù)。傳統(tǒng)的啟動方式弊端主要在于：啟動時高達(dá)5～7倍的額定電流容易造成電動機(jī)繞組因過熱引起高溫，從而加速絕緣老化；啟動時供電網(wǎng)絡(luò)電壓降過大，影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行；頻繁啟動時能量損失過大，浪費(fèi)電能；啟動時對被帶動的設(shè)備造成極大的沖擊力，縮短設(shè)備使用壽命。因此，對電動機(jī)直接啟動存在著一定的限制條件：機(jī)械設(shè)備是否允許電動機(jī)直接啟動；直接啟動時，不允許電動機(jī)的容量大于10％～15％主變壓器的容量；啟動過程中電壓降ΔU不大于15％的額定電壓。
　　以往解決這些弊端的方法是采用一些傳統(tǒng)的啟動方式及設(shè)備，例如：頻敏變阻器啟動(只適用于繞線式電動機(jī))、自耦變壓器降壓啟動、Y/Δ轉(zhuǎn)換方式啟動、延邊三角形啟動方式等。這些傳統(tǒng)的啟動方式普遍存在著起動設(shè)備復(fù)雜，部分啟動方式存在啟動電流大或啟動轉(zhuǎn)矩偏小的弊端，而且在電動機(jī)的運(yùn)行保護(hù)方面，存在功能不完善或不靈敏的情況。
　　軟啟動技術(shù)作為一種先進(jìn)的電動機(jī)控制技術(shù)，在這些方面與傳統(tǒng)的控制方式相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：　　
　　(1)適用不同斜率電壓增量起動時，電動機(jī)得到預(yù)設(shè)定的初始轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩可由用戶在轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的0％～90％范圍內(nèi)自行設(shè)定。在斜坡加速期間，輸出給電動機(jī)的電壓是無級遞增的，當(dāng)軟啟動器的控制器檢測到電動機(jī)已達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時，輸出電壓自動切換為全電壓。
　　(2)智能開關(guān)的保護(hù)系統(tǒng)不僅能提供過載保護(hù)，而且可提供各種操作故障狀態(tài)下的保護(hù)，諸如輸入、輸出缺相、電動機(jī)堵轉(zhuǎn)、可控硅短路及失壓、過壓、短路等保護(hù)［1］，其中，內(nèi)置的過載保護(hù)功能可省去熱繼電器，使配電柜內(nèi)布線更加簡單。
　　(3)電動機(jī)的軟啟動能有效降低啟動機(jī)械應(yīng)力，減少對傳動元件的機(jī)械沖擊，在液流系統(tǒng)中能有效消除喘振或液擊問題，提高設(shè)備利用率，提高生產(chǎn)率。
　　
　　2　智能開關(guān)的基本工作原理　　
　　在電動機(jī)的啟動過程中，先由無觸點(diǎn)開關(guān)———反并聯(lián)的可控硅的導(dǎo)通來接通電源［2］，然后再由有觸點(diǎn)開關(guān)K閉合，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)的無火花閉合。而在電動機(jī)的正常運(yùn)行后，可控硅退出，由接觸器控制電動機(jī)的運(yùn)行。當(dāng)要停止電動機(jī)運(yùn)行時，先使可控硅導(dǎo)通，然后接觸器斷開，再關(guān)斷可控硅，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)的無火花斷開。由于這種開關(guān)的可控硅只在電動機(jī)的起停過程中起作用，因此它不需要考慮散熱和通風(fēng)等措施，沒有散熱器，具有體積小、重量輕的特點(diǎn)［3］。而且交流電源的接通與關(guān)斷均是由可控硅的導(dǎo)通與關(guān)斷來控制，不會產(chǎn)生危害性操作過電壓，也不會產(chǎn)生電弧或電火花。
　　

　　3　智能開關(guān)的硬件構(gòu)成
　　3．1　系統(tǒng)的組成
　　系統(tǒng)由可控硅開關(guān)、三相交流電動機(jī)、同步檢測裝置、電流電壓檢測裝置、80KC196單片機(jī)［4］等組成。系統(tǒng)組成可參見圖2。系統(tǒng)由可控硅開關(guān)代替常規(guī)開關(guān)來斷開或閉合線路，并結(jié)合單片機(jī)進(jìn)行智能控制。
　　

　　3．2　控制電路
　　3．2．1　采樣電路
　　通過電壓電流互感器改變電路實(shí)際電壓電流大小，得到的電壓電流信號再由運(yùn)算放大器OP07及可調(diào)電阻可調(diào)電容轉(zhuǎn)換成的直流電壓。獲得的直流電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換接至單片機(jī)。電壓采樣電路圖參見圖3(a)，電流采樣電路圖參見圖3(b)。
　　

　　3．2．2　同步電路
　　采用一個線電壓作為觸發(fā)脈沖的同步信號，參見圖4。由變壓器采集的同步電壓，經(jīng)比較器輸出寬度為180°的方波。以該方波上升沿作為同步中斷輸入單片機(jī)的管腳HSI．0以達(dá)到確定計(jì)時起點(diǎn)和定相的目的。
　　

　　3．2．3　整體電路
　　硬件配置框圖參見圖5，采用80KC196單片機(jī)作為中央控制單元，外接8M的EPROM和8279芯片，EPROM用于存儲定值：電壓上下限、電流上限、啟動時間值等；8279芯片接鍵盤和LED顯示，鍵盤用于修改和設(shè)定定值，LED用于顯示定值及各種運(yùn)行狀態(tài)。單片機(jī)獲得電壓電流值后進(jìn)行分析計(jì)算，判斷運(yùn)行狀態(tài)是否正常［5］。并通過周期值和設(shè)定的啟動時間值計(jì)算出可控硅的導(dǎo)通角，控制單片機(jī)的高速輸出端口HSO輸出觸發(fā)脈沖，觸發(fā)脈沖經(jīng)功放電路放大控制可控硅的導(dǎo)通。
　　

　　為提高系統(tǒng)的可靠性，對強(qiáng)弱電進(jìn)行隔離，輸入輸出信號都經(jīng)過光耦隔離，輸入信號主要有電壓電流采樣信號、同步信號、啟動和停機(jī)信號、鍵盤設(shè)置信號；輸出主要有LED顯示、繼電器控制和可控硅觸發(fā)脈沖等。
　　3．2．4　保護(hù)電路
　　由于裝置中的開關(guān)采用普通開關(guān)代替，在過流情況下容易損壞。因此必須保證開關(guān)閉合或者斷開時不能承受很大電流。所以對裝置中的可控硅要進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)，以防止開關(guān)進(jìn)行大電流投切。保護(hù)電路如圖6。
　　

　　此電路主要用于開關(guān)動作時，如果脈沖變壓器沒有給出脈沖電壓時，能夠借助于電源電壓產(chǎn)生一個觸發(fā)脈沖進(jìn)行自身觸發(fā)。當(dāng)主開關(guān)閉合時，輔助開關(guān)K也閉合，使可控硅導(dǎo)通；當(dāng)主開關(guān)斷開時，輔助開關(guān)K也斷開，電容放電使可控硅導(dǎo)通一次。避免主開關(guān)直接切斷電流產(chǎn)生電弧并造成損壞，也避免由于動作不及時對電動機(jī)帶來的損壞。
　　
　　4　智能開關(guān)的軟件設(shè)計(jì)
　　4．1　采樣計(jì)算的算法
　　對交流信號的采樣采用數(shù)值算法中具有濾波作用的12點(diǎn)傅氏算法。
　　12點(diǎn)傅氏算法具有濾去直流分量和高次諧波的能力，精度較高。在實(shí)時計(jì)算中，為了提高實(shí)時運(yùn)算速度，可將其分解成移位操作和加減運(yùn)算。
　　4．2　同步時刻確定
　　常規(guī)方法對于同步時刻的確定都是采用三個相電壓或三個線電壓同時采樣來確定可控硅的同步觸發(fā)時刻。
　　當(dāng)只采用一個線電壓作同步信號時，裝置工作時必須首先判斷電源的相位關(guān)系是否正確。判斷的方法就是啟動前獲取同步電壓信號時，延時一定時間段觀察另外一個線電壓的狀態(tài)。如果相位正確，則可以根據(jù)一個線電壓的過零點(diǎn)按順序依次觸發(fā)六
　　個可控硅。只用在啟動前判斷一次，不用同時采三相電壓，很大程度上節(jié)約了硬件成本。
　　4．3　程序設(shè)計(jì)
　　程序由主程序模塊和四個子程序模塊組成。主程序模塊主要完成以下功能：初始化后，首先采樣交流信號，判斷線路中是否有故障，若有故障則關(guān)機(jī)檢修，確定線路無故障后，給出準(zhǔn)備就緒信號；對各種參數(shù)的整定值進(jìn)行采樣，根據(jù)整定的初始電流值的大小，確定可控硅的起始觸發(fā)角；判斷啟動按鈕是否按下。
　　子程序主要是中斷構(gòu)成：HIS．0中斷子程序測量電網(wǎng)電壓的周期和確定同步時刻；HSO中斷子程序在規(guī)定的時間到時產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，觸發(fā)相應(yīng)可控硅的導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖的寬度為10°，由該寬度轉(zhuǎn)換成時間值約為0．6 ms；軟件定時器中斷子程序是對交流信號進(jìn)行采樣，并實(shí)現(xiàn)故障判斷及保護(hù)等功能；外中斷子程序主要給出停機(jī)命令，并對正常停機(jī)和故障停機(jī)進(jìn)行分別處理。主程序框圖參見圖7。
　　

　　5　智能開關(guān)的功能
　　系統(tǒng)具有延時自啟動功能，當(dāng)系統(tǒng)上電時，單片機(jī)啟動定時器工作，并通過計(jì)算定時時間，設(shè)定時間到自動啟動設(shè)備運(yùn)行，避免了在自動控制中多臺設(shè)備同時啟動對電網(wǎng)的沖擊。
　　該系統(tǒng)還具有完善的保護(hù)功能，通過互感器采集的輸入信號來判定電動機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)，避免了過載、斷相、短路等故障造成電動機(jī)的損失。當(dāng)系統(tǒng)檢測出工作狀態(tài)異常時，向單片機(jī)發(fā)出復(fù)位信號使單片機(jī)復(fù)位，切斷輸出電源使設(shè)備停止工作，同時還具有故障指示與記憶功能。
　　
　　6　結(jié)論
　　本裝置經(jīng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試，運(yùn)行穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)軟啟動和軟停機(jī)的基本功能，同時可以提供各種故障保護(hù)。采用這套裝置不僅可以保護(hù)電動機(jī)，而且通過控制可控硅的導(dǎo)通時間進(jìn)而控制電動機(jī)的啟動電流，最大限度地減少電能損耗。對于在高壓領(lǐng)域替換斷路器進(jìn)行高壓線路的投切也具有積極意義。