智能開關(guān)技術(shù)在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)中的應(yīng)用
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，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，特別是智能開關(guān)技術(shù)在解決大、中容量的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)問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：?jiǎn)?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D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)：
（1）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。
（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(dòng)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(jiǎn)單。
（3）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(dòng)機(jī)的啟動(dòng)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(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，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(dòng)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(huì)產(chǎn)生危害性操作過電壓，也不會(huì)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(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(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(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(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)，以防止開關(guān)進(jìn)行大電流投切。
此電路主要用于開關(guān)動(dòng)作時(shí)，如果脈沖變壓器沒有給出脈沖電壓時(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)主開關(guān)閉合時(shí)，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(shí)，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(dòng)作不及時(shí)對(duì)電動(dòng)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(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D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，通過互感器采集的輸入信號(hào)來判定電動(dòng)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(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，Z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。
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