一、引言
在交流异步电动机的启动控制中,常用的启动方式有全压直接启动和降压启动两种.作为传统的启动方式,应用很广泛,但在某些有特殊要求的场合,这些传统的启动方式也有着各种弊端.近年来,电力电子技术和电力电子器件都有了很大发展,从根本上解决了电动机控制中存在的一些难题,特别是智能开关技术在解决大、中容量的电动机启动问题中有着卓越的功能,是替代传统启动方式的一项新技术.传统的启动方式弊端主要在于:启动时高达5～7倍的额定电流容易造成电动机绕组因过热引起高温,从而加速绝缘老化;启动时供电网络电压降过大,影响其他设备的正常运行;频繁启动时能量损失过大,浪费电能;启动时对被带动的设备造成极大的冲击力,缩短设备使用寿命.因此,对电动机直接启动存在着一定的限制条件:机械设备是否允许电动机直接启动;直接启动时,不允许电动机的容量大于10%～15%主变压器的容量;启动过程中电压降ΔU不大于15%的额定电压.
以往解决这些弊端的方法是采用一些传统的启动方式及设备,例如:频敏变阻器启动（只适用于绕线式电动机）、自耦变压器降压启动、Y/Δ转换方式启动、延边三角形启动方式等.这些传统的启动方式普遍存在着起动设备复杂,部分启动方式存在启动电流大或启动转矩偏小的弊端,而且在电动机的运行保护方面,存在功能不完善或不灵敏的情况.
软启动技术作为一种先进的电动机控制技术,在这些方面与传统的控制方式相比,具有以下优点:
适用不同斜率电压增量起动时,电动机得到预设定的初始转矩,该转矩可由用户在转子堵转转矩的0%～90%范围内自行设定.在斜坡加速期间,输出给电动机的电压是无级递增的,当软启动器的控制器检测到电动机已达到额定转速时,输出电压自动切换为全电压.
智能开关的保护系统不仅能提供过载保护,而且可提供各种操作故障状态下的保护,诸如输入、输出缺相、电动机堵转、可控硅短路及失压、过压、短路等保护[1],其中,内置的过载保护功能可省去热继电器,使配电柜内布线更加简单.
电动机的软启动能有效降低启动机械应力,减少对传动元件的机械冲击,在液流系统中能有效消除喘振或液击问题,提高设备利用率,提高生产率.
二、智能开关的基本工作原理
在电动机的启动过程中,先由无触点开关———反并联的可控硅的导通来接通电源[2],然后再由有触点开关K闭合,从而实现开关的无火花闭合.而在电动机的正常运行后,可控硅退出,由接触器控制电动机的运行.当要停止电动机运行时,先使可控硅导通,然后接触器断开,再关断可控硅,从而实现开关的无火花断开.由于这种开关的可控硅只在电动机的起停过程中起作用,因此它不需要考虑散热和通风等措施,没有散热器,具有体积小、重量轻的特点[3].而且交流电源的接通与关断均是由可控硅的导通与关断来控制,不会产生危害性操作过电压,也不会产生电弧或电火花.
三、 智能开关的硬件构成
1.系统的组成
系统由可控硅开关、三相交流电动机、同步检测装置、电流电压检测装置、80KC196单片机[4]等组成，系统由可控硅开关代替常规开关来断开或闭合线路,并结合单片机进行智能控制.
2.控制电路
3.采样电路
通过电压电流互感器改变电路实际电压电流大小,得到的电压电流信号再由运算放大器OP07及可调电阻可调电容转换成的直流电压.获得的直流电压经A/D转换接至单片机.
3.1同步电路
采用一个线电压作为触发脉冲的同步信号,由变压器采集的同步电压,经比较器输出宽度为180°的方波.以该方波上升沿作为同步中断输入单片机的管脚HSI.0以达到确定计时起点和定相的目的.
3.2整体电路
硬件配置采用80KC196单片机作为中央控制单元,外接8M的EPROM和8279芯片,EPROM用于存储定值:电压上下限、电流上限、启动时间值等;8279芯片接键盘和LED显示,键盘用于修改和设定定值,LED用于显示定值及各种运行状态.单片机获得电压电流值后进行分析计算,判断运行状态是否正常[5].并通过周期值和设定的启动时间值计算出可控硅的导通角,控制单片机的高速输出端口HSO输出触发脉冲,触发脉冲经功放电路放大控制可控硅的导通.
为提高系统的可靠性,对强弱电进行隔离,输入输出信号都经过光耦隔离,输入信号主要有电压电流采样信号、同步信号、启动和停机信号、键盘设置信号;输出主要有LED显示、继电器控制和可控硅触发脉冲等.
3.3保护电路
由于装置中的开关采用普通开关代替,在过流情况下容易损坏.因此必须保证开关闭合或者断开时不能承受很大电流.所以对装置中的可控硅要进行必要的设计,以防止开关进行大电流投切.
此电路主要用于开关动作时,如果脉冲变压器没有给出脉冲电压时,能够借助于电源电压产生一个触发脉冲进行自身触发.当主开关闭合时,辅助开关K也闭合,使可控硅导通;当主开关断开时,辅助开关K也断开,电容放电使可控硅导通一次.避免主开关直接切断电流产生电弧并造成损坏,也避免由于动作不及时对电动机带来的损坏.
四、智能开关的软件设计
1.采样计算的算法
对交流信号的采样采用数值算法中具有滤波作用的12点傅氏算法.
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