1 引言
在交流異步電動機的啟動控制中,常用的啟動方式有全壓直接啟動和降壓啟動兩種.作為傳統的啟動方式,應用很廣泛,但在某些有特殊要求的場合,這些傳統的啟動方式也有著各種弊端.近年來,電力電子技術和電力電子器件都有了很大發展,從根本上解決了電動機控制中存在的一些難題,特別是智能開關技術在解決大、中容量的電動機啟動問題中有著卓越的功能,是替代傳統啟動方式的一項新技術.傳統的啟動方式弊端主要在于:啟動時高達5～7倍的額定電流容易造成電動機繞組因過熱引起高溫,從而加速絕緣老化;啟動時供電網絡電壓降過大,影響其他設備的正常運行;頻繁啟動時能量損失過大,浪費電能;啟動時對被帶動的設備造成極大的沖擊力,縮短設備使用壽命.因此,對電動機直接啟動存在著一定的限制條件:機械設備是否允許電動機直接啟動;直接啟動時,不允許電動機的容量大于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的啟動方式及設備,例如:頻敏變阻器啟動（只適用于繞線式電動機）、自耦變壓器降壓啟動、Y/Δ轉換方式啟動、延邊三角形啟動方式等.這些傳統的啟動方式普遍存在著起動設備復雜,部分啟動方式存在啟動電流大或啟動轉矩偏小的弊端,而且在電動機的運行保護方面,存在功能不完善或不靈敏的情況.
軟啟動技術作為一種先進的電動機控制技術,在這些方面與傳統的控制方式相比,具有以下優點:
（1）適用不同斜率電壓增量起動時,電動機得到預設定的初始轉矩,該轉矩可由用戶在轉子堵轉轉矩的0%～90%范圍內自行設定.在斜坡加速期間,輸出給電動機的電壓是無級遞增的,當軟啟動器的控制器檢測到電動機已達到額定轉速時,輸出電壓自動切換為全電壓.
（2）智能開關的保護系統不僅能提供過載保護,而且可提供各種操作故障狀態下的保護,諸如輸入、輸出缺相、電動機堵轉、可控硅短路及失壓、過壓、短路等保護[1],其中,內置的過載保護功能可省去熱繼電器,使配電柜內布線更加簡單.
（3）電動機的軟啟動能有效降低啟動機械應力,減少對傳動元件的機械沖擊,在液流系統中能有效消除喘振或液擊問題,提高設備利用率,提高生產率.
2 智能開關的基本工作原理
在電動機的啟動過程中,先由無觸點開關———反并聯的可控硅的導通來接通電源[2],然后再由有觸點開關K閉合,從而實現開關的無火花閉合.而在電動機的正常運行后,可控硅退出,由接觸器控制電動機的運行.當要停止電動機運行時,先使可控硅導通,然后接觸器斷開,再關斷可控硅,從而實現開關的無火花斷開.由于這種開關的可控硅只在電動機的起停過程中起作用,因此它不需要考慮散熱和通風等措施,沒有散熱器,具有體積小、重量輕的特點[3].而且交流電源的接通與關斷均是由可控硅的導通與關斷來控制,不會產生危害性操作過電壓,也不會產生電弧或電火花.
3 智能開關的硬件構成
3.1 系統的組成
系統由可控硅開關、三相交流電動機、同步檢測裝置、電流電壓檢測裝置、80KC196單片機[4]等組成.系統組成可參見圖2.系統由可控硅開關代替常規開關來斷開或閉合線路,并結合單片機進行智能控制.
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際電壓電流大小,得到的電壓電流信號再由運算放大器OP07及可調電阻可調電容轉換成的直流電壓.獲得的直流電壓經A/D轉換接至單片機.
3.2.2 同步電路
采用一個線電壓作為觸發脈沖的同步信號,參見圖4.由變壓器采集的同步電壓,經比較器輸出寬度為180°的方波.以該方波上升沿作為同步中斷輸入單片機的管腳HSI.0以達到確定計時起點和定相的目的.
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,鍵盤用于修改和設定定值,LED用于顯示定值及各種運行狀態.單片機獲得電壓電流值后進行分析計算,判斷運行狀態是否正常[5].并通過周期值和設定的啟動時間值計算出可控硅的導通角,控制單片機的高速輸出端口HSO輸出觸發脈沖,觸發脈沖經功放電路放大控制可控硅的導通.
為提高系統的可靠性,對強弱電進行隔離,輸入輸出信號都經過光耦隔離,輸入信號主要有電壓電流采樣信號、同步信號、啟動和停機信號、鍵盤設置信號;輸出主要有LED顯示、繼電器控制和可控硅觸發脈沖等.
3.2.4 保護電路
由于裝置中的開關采用普通開關代替,在過流情況下容易損壞.因此必須保證開關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行必要的設計,以防止開關進行大電流投切.
此電路主要用于開關動作時,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生一個觸發脈沖進行自身觸發.當主開關閉合時,輔助開關K也閉合,使可控硅導通;當主開關斷開時,輔助開關K也斷開,電容放電使可控硅導通一次.避免主開關直接切斷電流產生電弧并造成損壞,也避免由于動作不及時對電動機帶來的損壞.
4 智能開關的軟件設計
4.1 采樣計算的算法
對交流信號的采樣采用數值算法中具有濾波作用的12點傅氏算法.
12點傅氏算法具有濾去直流分量和高次諧波的能力,精度較高.在實時計算中,為了提高實時運算速度,可將其分解成移位操作和加減運算.
4.2 同步時刻確定
常規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時刻.
當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.如果相位正確,則可以根據一個線電壓的過零點按順序依次觸發六個可控硅.只用在啟動前判斷一次,不用同時采三相電壓,很大程度上節約了硬件成本.
4.3 程序設計
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,若有故障則關機檢修,確定線路無故障后,給出準備就緒信號;對各種參數的整定值進行采樣,根據整定的初始電流值的大小,確定可控硅的起始觸發角;判斷啟動按鈕是否按下.
子程序主要是中斷構成:HIS.0中斷子程序測量電網電壓的周期和確定同步時刻;HSO中斷子程序在規定的時間到時產生觸發脈沖,觸發相應可控硅的導通,觸發脈沖的寬度為10°,由該寬度轉換成時間值約為0.6 ms;軟件定時器中斷子程序是對交流信號進行采樣,并實現故障判斷及保護等功能;外中斷子程序主要給出停機命令,并對正常停機和故障停機進行分別處理.
5 智能開關的功能
系統具有延時自啟動功能,當系統上電時,單片機啟動定時器工作,并通過計算定時時間,設定時間到自動啟動設備運行,避免了在自動控制中多臺設備同時啟動對電網的沖擊.
該系統還具有完善的保護功能,通過互感器采集的輸入信號來判定電動機運行的狀態,避免了過載、斷相、短路等故障造成電動機的損失.當系統檢測出工作狀態異常時,向單片機發出復位信號使單片機復位,切斷輸出電源使設備停止工作,同時還具有故障指示與記憶功能.
6 結論
本裝置經實驗調試,運行穩定,能夠實現軟啟動和軟停機的基本功能,同時可以提供各種故障保護.采用這套裝置不僅可以保護電動機,而且通過控制可控硅的導通時間進而控制電動機的啟動電流,最大限度地減少電能損耗.對于在高壓領域替換斷路器進行高壓線路的投切也具有積極意義.
