數(shù)字式智能電機(jī)控制模塊

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

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

1??? 概述

??? 眾所周知，三相交流異步電動機(jī)以其低成本，高可靠性和易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)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(shí)，存在著很大的缺點(diǎn)：首先，它的起動電流高達(dá)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(yùn)行；其次，起動轉(zhuǎn)矩可達(dá)正常轉(zhuǎn)矩的2倍，這會對負(fù)載產(chǎn)生沖擊，增加傳動部件的磨擦和額外維護(hù)。為此，出現(xiàn)了三相異步電動機(jī)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(jī)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(shí)電機(jī)接成星形，起動結(jié)束后，通過一個(gè)轉(zhuǎn)換器變成三角形接法；

??? 3）補(bǔ)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(fù)載匹配的電機(jī)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(jī)械振動會損害電機(jī)轉(zhuǎn)子，軸連接器，中間齒輪以及負(fù)載設(shè)備。

??? 因此，就需要有一種能克服傳統(tǒng)起動缺點(diǎn)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(jī)控制模塊，不但完全克服了傳統(tǒng)起動的缺點(diǎn)，對各種起動方法做了進(jìn)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(yùn)行，過流保護(hù)，過熱保護(hù)，缺相保護(hù)等。

??? 這種模塊采用數(shù)碼管顯示，按鍵控制，整個(gè)起動過程全部由單片機(jī)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(shí)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(fù)載相匹配的電機(jī)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(jī)共同封裝于同一殼體內(nèi)，同時(shí)內(nèi)置多個(gè)電流、電壓傳感器。用接插件將模塊與控制盒連接在一起，實(shí)現(xiàn)各種功能的設(shè)置和顯示。

圖1??? 智能電機(jī)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(shí)，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(jī)，作為單片機(jī)采集電壓、電流信號的基準(zhǔn)。這樣，就克服了如果交流電頻率變化帶來的計(jì)算誤差，提高了計(jì)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(diǎn)，通過與模塊結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)，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(jī)，以供單片機(jī)進(jìn)行處理。

??? 顯示、控制部分采用串行口與單片機(jī)進(jìn)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(gè)數(shù)碼管顯示，8個(gè)按鍵控制，使顯示與控制直觀、方便。

3??? 主要功能

??? 智能電機(jī)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(yùn)行，過流、過熱、缺相保護(hù)等功能。

3.1??? 電壓斜坡起動

??? 如圖3所示，系統(tǒng)首先給電機(jī)加一個(gè)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(shí)際使用中，用戶根據(jù)實(shí)際情況，例如電機(jī)功率大小、負(fù)載大小等，選擇合適的參數(shù)，達(dá)到最佳起動效果。

圖3??? 電壓斜波起動

??? 這種起動方式的特點(diǎn)是起動平穩(wěn)，可減少起動電流對電網(wǎng)的沖擊，同時(shí)大大減輕起動力矩對負(fù)載帶來的機(jī)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(gè)起動過程中，實(shí)際電流不超過設(shè)定值I_k。I_k由用戶根據(jù)實(shí)際負(fù)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(fù)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(fù)載。

3.3??? 電壓突跳起動

??? 實(shí)際應(yīng)用中，很多負(fù)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(shí)間內(nèi)，因所加電壓太小，克服不了負(fù)載的靜摩擦力，電機(jī)不動，這可能會造成電機(jī)因發(fā)熱而損壞的情況。電壓突跳功能則解決了這個(gè)問題。在電機(jī)起動前，模塊先輸出一電壓U_t，且持續(xù)一段時(shí)間t_t，用以克服靜摩擦力，待電機(jī)轉(zhuǎn)動之后，再按照原設(shè)定方式起動，從而比較好地保護(hù)了電機(jī)，如圖5所示。對于不需要該功能的負(fù)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(shí)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(yùn)行

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

3.6??? 保護(hù)功能

??? 共有三種保護(hù)功能：過流保護(hù)，過熱保護(hù)，缺相保護(hù)。

??? 在起動或者運(yùn)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(hù)中，過流保護(hù)值可調(diào)。

4??? 實(shí)驗(yàn)情況及實(shí)際應(yīng)用效果

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

??? 為了作一個(gè)比較，首先拆掉模塊進(jìn)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(shí)間，逐漸下降，最后穩(wěn)定在30A左右。同時(shí)，可清楚地聽到由于大電流沖擊，使風(fēng)機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)烈的機(jī)械振動而發(fā)出的噪聲。

??? 然后接上智能電機(jī)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(yùn)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(shí)間為6s。在整個(gè)起動過程中，電機(jī)起動平穩(wěn)，聽不到機(jī)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(yùn)行。

??? 數(shù)字式智能電機(jī)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(shí)際應(yīng)用效果如下：

??? 1）降低了電動機(jī)起動電流；

??? 2）避免了電動機(jī)起動時(shí)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(shí)由于產(chǎn)生的力矩沖擊，而使機(jī)械斷軸或產(chǎn)生廢品；

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

??? 5）對泵類負(fù)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(jī)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(jī))；

??? 9）可以降低電網(wǎng)適配容量，節(jié)省增容費(fèi)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(jī)控制模塊集電機(jī)起動，節(jié)能運(yùn)行，保護(hù)于一體，其突出特點(diǎn)是體積小，功能強(qiáng)，安裝方便，操作簡單，免維護(hù)，可靠性高，是傳統(tǒng)起動設(shè)備的理想換代產(chǎn)品。