數字式智能電機控制模塊

摘要：介紹一種取代傳統電機起動(dòng)裝置的數字式智能電機控制模塊，內容包括其系統構成、主要功能、實(shí)驗情況及在實(shí)際中的應用。

1 概述

眾所周知，三相交流異步電動(dòng)機以其低成本，高可靠性和易維護等優(yōu)點(diǎn)而在各行業(yè)中得到了廣泛的應用。但是，它在直接起動(dòng)時(shí)，存在著(zhù)很大的缺點(diǎn)：首先，它的起動(dòng)電流高達額定電流的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備的使用壽命，甚至影響到其它電氣設備的正常運行；其次，起動(dòng)轉矩可達正常轉矩的2倍，這會(huì )對負載產(chǎn)生沖擊，增加傳動(dòng)部件的磨擦和額外維護。為此，出現了三相異步電動(dòng)機降壓起動(dòng)設備。

圖1 智能電機控制模塊結構圖

傳統的降壓起動(dòng)有以下幾種方法:

1）在電動(dòng)機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—△)轉換降壓起動(dòng)，即起動(dòng)時(shí)電機接成星形，起動(dòng)結束后，通過(guò)一個(gè)轉換器變成三角形接法；

3）補償器起動(dòng)（自耦變壓器起動(dòng)）。

傳統的起動(dòng)設備體積龐大，成本高，結構復雜，與負載匹配的電機轉矩很難控制，也就是說(shuō)很難得到合適的起動(dòng)電流和起動(dòng)轉矩；而且在切換瞬間會(huì )產(chǎn)生很高的電流尖峰，由此產(chǎn)生的機械振動(dòng)會(huì )損害電機轉子，軸連接器，中間齒輪以及負載設備。

因此，就需要有一種能克服傳統起動(dòng)缺點(diǎn)的起動(dòng)裝置。銀河公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的捷普牌新一代數字式智能電機控制模塊，不但完全克服了傳統起動(dòng)的缺點(diǎn)，對各種起動(dòng)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：節能運行，過(guò)流保護，過(guò)熱保護，缺相保護等。

這種模塊采用數碼管顯示，按鍵控制，整個(gè)起動(dòng)過(guò)程全部由單片機按照預先設定的程序自動(dòng)完成，操作極其方便。

用戶(hù)通過(guò)按鍵調整參數設置，可以按實(shí)際情況選擇不同的起動(dòng)方式，能夠很方便地控制起動(dòng)電流，得到與負載相匹配的電機轉矩。

2 模塊結構及電氣原理

模塊結構如圖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共同封裝于同一殼體內，同時(shí)內置多個(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)現各種功能的設置和顯示。

主電路為6只玻璃鈍化方形晶閘管芯片，通過(guò)一體化焊接技術(shù)，將其貼在DBC（陶瓷覆銅板）上，并與導熱銅板焊接在一起。模塊使用時(shí)，導熱銅板與散熱片通過(guò)導熱硅脂緊密接觸。這種結構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(kāi)發(fā)的JP-SSY01數字移相集成電路。該電路為SOP28封裝，5V單一電源供電，全數字化處理方式，具有很高的移相精度及對稱(chēng)度。對控制端加0～10V電平信號，即可控制移相角度。

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，作為單片機采集電壓、電流信號的基準。這樣，就克服了如果交流電頻率變化帶來(lái)的計算誤差，提高了計算精度。

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、反應快、線(xiàn)形度高的特點(diǎn)，通過(guò)與模塊結構的一體化設計，方便地置于模塊內部。兩種傳感器將電壓模擬量、電流模擬量傳給12位高速A/D轉換器，通過(guò)A/D轉換，將相應的數字量傳給單片機，以供單片機進(jìn)行處理。

顯示、控制部分采用串行口與單片機進(jìn)行通信，這種通信方式大大減少了該部分與模塊內部的連線(xiàn)。5個(gè)數碼管顯示，8個(gè)按鍵控制，使顯示與控制直觀(guān)、方便。

3 主要功能

智能電機控制模塊主要完成電壓斜坡起動(dòng)，限流起動(dòng)，電壓突跳起動(dòng)，軟停車(chē)，節能運行，過(guò)流、過(guò)熱、缺相保護等功能。

3.1 電壓斜坡起動(dòng)

如圖3所示，系統首先給電機加一個(gè)電壓Us，之后電壓線(xiàn)性上升，從Us增加到最大電壓Umax，即電網(wǎng)輸入電壓。Us由用戶(hù)設定，可供用戶(hù)選擇的電壓為80～300V。ts也由用戶(hù)設定，可以在1～90s選擇。在實(shí)際使用中，用戶(hù)根據實(shí)際情況，例如電機功率大小、負載大小等，選擇合適的參數，達到最佳起動(dòng)效果。

這種起動(dòng)方式的特點(diǎn)是起動(dòng)平穩，可減少起動(dòng)電流對電網(wǎng)的沖擊，同時(shí)大大減輕起動(dòng)力矩對負載帶來(lái)的機械振動(dòng)。

3.2 限流起動(dòng)

如圖4所示，這種起動(dòng)方式是由用戶(hù)設定一電流值Ik，在整個(gè)起動(dòng)過(guò)程中，實(shí)際電流不超過(guò)設定值Ik。Ik由用戶(hù)根據實(shí)際負載大小自己設定。

限流起動(dòng)可以使大慣性負載以最小電流起動(dòng)加速，可以通過(guò)設置電流上限，以滿(mǎn)足在電網(wǎng)容量有限的場(chǎng)合使用。這種起動(dòng)方式特別適合于恒轉矩負載。

3.3 電壓突跳起動(dòng)

實(shí)際應用中，很多負載具有很大的靜摩擦力。在電壓斜坡起動(dòng)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(dòng)，在起動(dòng)開(kāi)始的一段時(shí)間內，因所加電壓太小，克服不了負載的靜摩擦力，電機不動(dòng)，這可能會(huì )造成電機因發(fā)熱而損壞的情況。電壓突跳功能則解決了這個(gè)問(wèn)題。在電機起動(dòng)前，模塊先輸出一電壓Ut，且持續一段時(shí)間tt，用以克服靜摩擦力，待電機轉動(dòng)之后，再按照原設定方式起動(dòng)，從而比較好地保護了電機，如圖5所示。對于不需要該功能的負載，只要將tt設置為0即可。Ut可調整，

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