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1 引言

　　在交流異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)控制中,常用的啟動(dòng)方式有全壓直接啟動(dòng)和降壓?jiǎn)?dòng)兩種.作為傳統(tǒng)的啟動(dòng)方式,應(yīng)用很廣泛,但在某些有特殊要求的場(chǎng)合,這些傳統(tǒng)的啟動(dòng)方式也有著各種弊端.近年來(lái),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(dòng)機(jī)控制中存在的一些難題,特別是智能開(kāi)關(guān)技術(shù)在解決大、中容量的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)問(wèn)題中有著卓越的功能,是替代傳統(tǒng)啟動(dòng)方式的一項(xiàng)新技術(shù).傳統(tǒng)的啟動(dòng)方式弊端主要在于:啟動(dòng)時(shí)高達(dá)5～7倍的額定電流容易造成電動(dòng)機(jī)繞組因過(guò)熱引起高溫,從而加速絕緣老化;啟動(dòng)時(shí)供電網(wǎng)絡(luò)電壓降過(guò)大,影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行;頻繁啟動(dòng)時(shí)能量損失過(guò)大,浪費(fèi)電能;啟動(dòng)時(shí)對(duì)被帶動(dòng)的設(shè)備造成極大的沖擊力,縮短設(shè)備使用壽命.因此,對(duì)電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)存在著一定的限制條件:機(jī)械設(shè)備是否允許電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng);直接啟動(dòng)時(shí),不允許電動(dòng)機(jī)的容量大于10%～15%主變壓器的容量;啟動(dòng)過(guò)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(dòng)方式及設(shè)備,例如:頻敏變阻器啟動(dòng)（只適用于繞線式電動(dòng)機(jī)）、自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)、Y/Δ轉(zhuǎn)換方式啟動(dòng)、延邊三角形啟動(dòng)方式等.這些傳統(tǒng)的啟動(dòng)方式普遍存在著起動(dòng)設(shè)備復(fù)雜,部分啟動(dòng)方式存在啟動(dòng)電流大或啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩偏小的弊端,而且在電動(dòng)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(dòng)技術(shù)作為一種先進(jìn)的電動(dòng)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):

　?。?）適用不同斜率電壓增量起動(dòng)時(shí),電動(dòng)機(jī)得到預(yù)設(shè)定的初始轉(zhuǎn)矩,該轉(zhuǎn)矩可由用戶(hù)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(dòng)機(jī)的電壓是無(wú)級(jí)遞增的,當(dāng)軟啟動(dòng)器的控制器檢測(cè)到電動(dòng)機(jī)已達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí),輸出電壓自動(dòng)切換為全電壓.

　?。?）智能開(kāi)關(guān)的保護(hù)系統(tǒng)不僅能提供過(guò)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(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)、可控硅短路及失壓、過(guò)壓、短路等保護(hù)[1],其中,內(nèi)置的過(guò)載保護(hù)功能可省去熱繼電器,使配電柜內(nèi)布線更加簡(jiǎn)單.

　?。?）電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)能有效降低啟動(dòng)機(jī)械應(yīng)力,減少對(duì)傳動(dòng)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(wèn)題,提高設(shè)備利用率,提高生產(chǎn)率.

2 智能開(kāi)關(guān)的基本工作原理

　　在電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程中,先由無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)———反并聯(lián)的可控硅的導(dǎo)通來(lái)接通電源[2],然后再由有觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)K閉合,從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的無(wú)火花閉合.而在電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行后,可控硅退出,由接觸器控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行.當(dāng)要停止電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí),先使可控硅導(dǎo)通,然后接觸器斷開(kāi),再關(guān)斷可控硅,從而實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的無(wú)火花斷開(kāi).由于這種開(kāi)關(guān)的可控硅只在電動(dòng)機(jī)的起停過(guò)程中起作用,因此它不需要考慮散熱和通風(fēng)等措施,沒(méi)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(lái)控制,不會(huì)產(chǎn)生危害性操作過(guò)電壓,也不會(huì)產(chǎn)生電弧或電火花.

3 智能開(kāi)關(guān)的硬件構(gòu)成

　　3.1 系統(tǒng)的組成

　　系統(tǒng)由可控硅開(kāi)關(guān)、三相交流電動(dòng)機(jī)、同步檢測(cè)裝置、電流電壓檢測(cè)裝置、80KC196單片機(jī)[4]等組成.系統(tǒng)組成可參見(jiàn)圖2.系統(tǒng)由可控硅開(kāi)關(guān)代替常規(guī)開(kāi)關(guān)來(lái)斷開(kāi)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(guò)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(hào)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).

　　3.2.2 同步電路

　　采用一個(gè)線電壓作為觸發(fā)脈沖的同步信號(hào),參見(jiàn)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(shí)起點(diǎn)和定相的目的.

　　3.2.3 整體電路

　　硬件配置框圖參見(jiàn)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(chǔ)定值:電壓上下限、電流上限、啟動(dòng)時(shí)間值等;8279芯片接鍵盤(pán)和LED顯示,鍵盤(pán)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(guò)周期值和設(shè)定的啟動(dòng)時(shí)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(duì)強(qiáng)弱電進(jìn)行隔離,輸入輸出信號(hào)都經(jīng)過(guò)光耦隔離,輸入信號(hào)主要有電壓電流采樣信號(hào)、同步信號(hào)、啟動(dòng)和停機(jī)信號(hào)、鍵盤(pán)設(shè)置信號(hào);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(kāi)關(guān)采用普通開(kāi)關(guān)代替,在過(guò)流情況下容易損壞.因此必須保證開(kāi)關(guān)閉合或者斷開(kāi)時(shí)不能承受很大電流.所以對(duì)裝置中的可控硅要進(jìn)行必要的設(shè)計(jì),以防止開(kāi)關(guān)進(jìn)行大電流投切.

　　此電路主要用于開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí),如果脈沖變壓器沒(méi)有給出脈沖電壓時(shí),能夠借助于電源電壓產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)脈沖進(jìn)行自身觸發(fā).當(dāng)主開(kāi)關(guān)閉合時(shí),輔助開(kāi)關(guān)K也閉合,使可控硅導(dǎo)通;當(dāng)主開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí),輔助開(kāi)關(guān)K也斷開(kāi),電容放電使可控硅導(dǎo)通一次.避免主開(kāi)關(guān)直接切斷電流產(chǎn)生電弧并造成損壞,也避免由于動(dòng)作不及時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)帶來(lái)的損壞.

4 智能開(kāi)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)

　　4.1 采樣計(jì)算的算法

　　對(duì)交流信號(hào)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(shí)計(jì)算中,為了提高實(shí)時(shí)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(shí)刻確定

　　常規(guī)方法對(duì)于同步時(shí)刻的確定都是采用三個(gè)相電壓或三個(gè)線電壓同時(shí)采樣來(lái)確定可控硅的同步觸發(fā)時(shí)刻.

　　當(dāng)只采用一個(gè)線電壓作同步信號(hào)時(shí),裝置工作時(shí)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(dòng)前獲取同步電壓信號(hào)時(shí),延時(shí)一定時(shí)間段觀察另外一個(gè)線電壓的狀態(tài).如果相位正確,則可以根據(jù)一個(gè)線電壓的過(guò)零點(diǎn)按順序依次觸發(fā)六個(gè)可控硅.只用在啟動(dòng)前判斷一次,不用同時(shí)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(gè)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(hào),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(wú)故障后,給出準(zhǔn)備就緒信號(hào);對(duì)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(dòng)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(cè)量電網(wǎng)電壓的周期和確定同步時(shí)刻;HSO中斷子程序在規(guī)定的時(shí)間到時(shí)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(shí)間值約為0.6 ms;軟件定時(shí)器中斷子程序是對(duì)交流信號(hào)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(duì)正常停機(jī)和故障停機(jī)進(jìn)行分別處理.

5 智能開(kāi)關(guān)的功能

　　系統(tǒng)具有延時(shí)自啟動(dòng)功能,當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí),單片機(jī)啟動(dòng)定時(shí)器工作,并通過(guò)計(jì)算定時(shí)時(shí)間,設(shè)定時(shí)間到自動(dòng)啟動(dòng)設(shè)備運(yùn)行,避免了在自動(dòng)控制中多臺(tái)設(shè)備同時(shí)啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊.

　　該系統(tǒng)還具有完善的保護(hù)功能,通過(guò)互感器采集的輸入信號(hào)來(lái)判定電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的狀態(tài),避免了過(guò)載、斷相、短路等故障造成電動(dòng)機(jī)的損失.當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)出工作狀態(tài)異常時(shí),向單片機(jī)發(fā)出復(fù)位信號(hào)使單片機(jī)復(fù)位,切斷輸出電源使設(shè)備停止工作,同時(shí)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(dòng)和軟停機(jī)的基本功能,同時(shí)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(dòng)機(jī),而且通過(guò)控制可控硅的導(dǎo)通時(shí)間進(jìn)而控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流,最大限度地減少電能損耗.對(duì)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.