智能开关技术在电动机启动中应用

1 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:
　　（1）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.
　　（2）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.
　　（3）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.
2 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.
3 智能开关的硬件构成
　　3.1 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.系统组成可参见图2.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.
　　3.2 控制电路
　　3.2.1 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.
　　3.2.2 同步电路
　　采用一个线电压作为触发脉冲的同步信号,参见图4.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.
　　3.2.3 整体电路
　　硬件配置框图参见图5,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.
　　3.2.4 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.
4 智能开关的软件设计
　　4.1 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.
　　12点傅氏算法具有滤去直流分量和高次谐波的能力,精度较高.在实时计算中,为了提高实时运算速度,可将其分解成移位操作和加减运算.
　　4.2 同步时刻确定
　　常规方法对于同步时刻的确定都是采用三个相电压或三个线电压同时采样来确定可控硅的同步触发时刻.
　　当只采用一个线电压作同步信号时,装置工作时必须首先判断电源的相位关系是否正确.判断的方法就是启动前获取同步电压信号时,延时一定时间段观察另外一个线电压的状态.如果相位正确,则可以根据一个线电压的过零点按顺序依次触发六个可控硅.只用在启动前判断一次,不用同时采三相电压,很大程度上节约了硬件成本.
　　4.3 程序设计
　　程序由主程序模块和四个子程序模块组成.主程序模块主要完成以下功能:初始化后,首先采样交流信号,判断线路中是否有故障,若有故障则关机检修,确定线路无故障后,给出准备就绪信号;对各种参数的整定值进行采样,根据整定的初始电流值的大小,确定可控硅的起始触发角;判断启动按钮是否按下.
　　子程序主要是中断构成:HIS.0中断子程序测量电网电压的周期和确定同步时刻;HSO中断子程序在规定的时间到时产生触发脉冲,触发相应可控硅的导通,触发脉冲的宽度为10°,由该宽度转换成时间值约为0.6 ms;软件定时器中断子程序是对交流信号进行采样,并实现故障判断及保护等功能;外中断子程序主要给出停机命令,并对正常停机和故障停机进行分别处理.
5 智能开关的功能
　　系统具有延时自启动功能,当系统上电时,单片机启动定时器工作,并通过计算定时时间,设定时间到自动启动设备运行,避免了在自动控制中多台设备同时启动对电网的冲击.
　　该系统还具有完善的保护功能,通过互感器采集的输入信号来判定电动机运行的状态,避免了过载、断相、短路等故障造成电动机的损失.当系统检测出工作状态异常时,向单片机发出复位信号使单片机复位,切断输出电源使设备停止工作,同时还具有故障指示与记忆功能.
6 结论
　　本装置经实验调试,运行稳定,能够实现软启动和软停机的基本功能,同时可以提供各种故障保护.采用这套装置不仅可以保护电动机,而且通过控制可控硅的导通时间进而控制电动机的启动电流,最大限度地减少电能损耗.对于在高压领域替换断路器进行高压线路的投切也具有积极意义.