數(shù)字式智能電機(jī)控制模塊
一、概述
眾所周知，三相交流異步電動(dòng)機(jī)以其低成本，高可靠性和易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)在各行業(yè)中廣泛應(yīng)用。但是，它在直接起動(dòng)時(shí)，存在著很大的缺點(diǎn)：首先，它的起動(dòng)電流高達(dá)額定電流的5-7倍，這需要電網(wǎng)有很大的裕量，而且降低了電器控制設(shè)備的使用壽命，増加維護(hù)成本，甚至影響了其它電氣設(shè)備的正常運(yùn)行;其次，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá)正常轉(zhuǎn)矩的2倍，這會(huì)對(duì)負(fù)載產(chǎn)生沖擊，增加傳動(dòng)部件的磨擦和額外維護(hù)。因?yàn)橐陨显颍霈F(xiàn)了三相異步電動(dòng)機(jī)降壓起動(dòng)設(shè)備。
傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)有以下幾種方法:
1、在電動(dòng)機(jī)定子回路中串入電抗器，使一部分電壓降在電抗器上;
2、星形-三角形轉(zhuǎn)換降壓起動(dòng)(Y -△)。電機(jī)起動(dòng)時(shí)接成星形，起動(dòng)結(jié)束后，通過一個(gè)轉(zhuǎn)換器變成三角形接法;
3、起動(dòng)補(bǔ)償器起動(dòng)(自耦變壓器起動(dòng))。
傳統(tǒng)的起動(dòng)設(shè)備體積龐大，成本高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，與負(fù)載匹配的電機(jī)轉(zhuǎn)距很難控制，也就是說很難得到合適的起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)距;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(jī)械振動(dòng)會(huì)損害電機(jī)轉(zhuǎn)子、軸連接器、中間齒輪以及負(fù)載。
因此，就需要有一種能克服傳統(tǒng)起動(dòng)缺點(diǎn)的起動(dòng)裝置。由銀河公司開發(fā)生產(chǎn)的捷普牌新一代數(shù)字式智能電機(jī)控制模塊，不但完全克服了傳統(tǒng)起動(dòng)的缺點(diǎn)，對(duì)各種起動(dòng)方法做了進(jìn)一步的改善和提高，另外還增加了很多其他功能，比如： 節(jié)能運(yùn)行，過流保護(hù)，過熱保護(hù)，缺相保護(hù)等等。
這種模塊采用數(shù)碼管顯示、按鍵控制，整個(gè)起動(dòng)過程全部由單片機(jī)按照預(yù)先設(shè)定自動(dòng)完成，所以操作起來極其方便。
用戶通過按鍵調(diào)整參數(shù)設(shè)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(fù)載相匹配的電機(jī)轉(zhuǎn)矩。
二、模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電氣原理
模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1。從圖中可以看出，該模塊的主電路與相控電路及單片機(jī)共同封裝于同一殼體內(nèi)，同時(shí)內(nèi)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(xiàn)各種功能的設(shè)置和顯示。
圖 1
主電路為6只玻璃鈍化方形晶閘管芯片，通過一體化焊接技術(shù)，將其貼在DBC(陶瓷覆銅板)上，并與導(dǎo)熱銅板焊接在一起。模塊使用時(shí)，導(dǎo)熱銅板與散熱片通過導(dǎo)熱硅脂緊密接觸。這種結(jié)構(gòu)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。移相電路部分是銀河公司自主開發(fā)的JP-SSY01數(shù)字移相集成電路。該電路為SOP28封裝，5V單一電源供電，全數(shù)字化處理方式，具有很高的移相精度、對(duì)稱度。對(duì)控制端加0-10V電平信號(hào)，即可控制移相角度。
同步變壓器輸出同步信號(hào)給移相電路，其中一路另外分給單片機(jī)，作為單片機(jī)采集電壓、電流信號(hào)的基準(zhǔn)。這樣，就克服了如果交流電頻率變化帶來的計(jì)算誤差，提高了計(jì)算精度。
傳感器包括兩種：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(yīng)快、線形度高的特點(diǎn)，通過與模塊結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)方便地置于模塊內(nèi)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(zhuǎn)換器，通過A/D轉(zhuǎn)換，將相應(yīng)的數(shù)字量傳給單片機(jī)，以備單片機(jī)進(jìn)行處理。
顯示、控制部分采用串行口與單片機(jī)進(jìn)行通訊，這種通訊方式大大減少了該部分與模塊內(nèi)部的連線。5個(gè)數(shù)碼管顯示、8個(gè)按鍵控制，使顯示與控制直觀、方便。
三、主要功能
智能電機(jī)控制模塊主要能夠完成以下功能：
1、電壓斜坡起動(dòng)
2、限流起動(dòng)
3、電壓突跳功能
4、軟停車
5、節(jié)能運(yùn)行
6、過流、過熱、缺相保護(hù)
分別介紹如下：
1、電壓斜坡起動(dòng)
如圖3，系統(tǒng)首先加一個(gè)電壓Us到電機(jī)上，之后電壓線性上升，從Us增 加到最大電壓Umax。此時(shí)，加到電動(dòng)機(jī)端子上的電壓等于電網(wǎng)輸入電壓。Us由用戶設(shè)定，可供用戶選 擇的電壓為80-300 V。Ts由用戶設(shè)定，可以在1-90秒中選擇。在實(shí)際使用中，用戶根據(jù)實(shí)際情況，例如電機(jī)功率大小、負(fù)載大小等，選擇合適的參數(shù)，達(dá)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(wěn)，可減少起動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊，同時(shí)大大減輕起動(dòng)力矩對(duì)負(fù)載帶來的機(jī)械振動(dòng)。
2、限流起動(dòng)
如圖4，這種起動(dòng)方式是由用戶設(shè)定一電流值Ik，在整個(gè)起動(dòng)過程中，實(shí)際電流不超過設(shè)定值Ik。Ik由用戶根據(jù)實(shí)際負(fù)載大小自己設(shè)定。
限流起動(dòng)可以使大慣性負(fù)載以最小電流被起動(dòng)加速，可以用來設(shè)置電流上限，滿足電網(wǎng)容量在有限場合的使用。這種起動(dòng)方式特別適合于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。
3、電壓突跳功能
實(shí)際應(yīng)用中，很多負(fù)載具有很大的靜摩擦力;而在電壓斜坡起動(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)開始的一段時(shí)間內(nèi)，因所加電壓太小，克服不了負(fù)載的靜摩擦力，電機(jī)不動(dòng)，造成因發(fā)熱而損壞電機(jī)的情況。電壓突跳功能則解決了這個(gè)問題。在電機(jī)起動(dòng)前，模塊先輸出一電壓Ut, 且持續(xù)一段時(shí)間Tt, 用以克服靜摩擦力，待電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)之后，再按照原設(shè)定方式起動(dòng)，從而比較好地保護(hù)了電機(jī)。對(duì)于不需要該功能的負(fù)載，只要在設(shè)定中將Tt設(shè)置為0即可。Ut可調(diào)整，范圍是0-380V，Tt可調(diào)整，范圍是0-10秒(如圖5)。
4、軟停車
如圖6，按下停車鍵后，模塊的輸出電壓立即下降到Up1,然后逐漸下降，經(jīng)過時(shí)間Tp后，下降到Up2，再立即下降到0。Up1可調(diào)整，范圍是100-380V;Up2可調(diào)整，范圍是0-300V;Tp調(diào)整的范圍是0-90秒。
這種軟停車可以大大減少管道設(shè)備中液體的沖擊。
5、節(jié)能運(yùn)行
對(duì)于大磨擦負(fù)載，由于所需起動(dòng)電流大，需要功率較大的電動(dòng)機(jī)，而正常負(fù)載所需運(yùn)行負(fù)載力矩比電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)矩小的多，這就造成電動(dòng)機(jī)輕載運(yùn)行。對(duì)于間歇性負(fù)載，維持大電流的工作時(shí)間占整個(gè)周期很小一部分，造成輕載無功損耗浪費(fèi)，使運(yùn)行功率因數(shù)大大降低。智能電機(jī)控制模塊通過檢測電壓和電流，判斷加到電機(jī)上的負(fù)載大小，根據(jù)負(fù)載大小自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電壓，使電機(jī)工作在最佳效率工作區(qū)，達(dá)到節(jié)能目的。
6、保護(hù)功能
共有三種保護(hù)功能：過流保護(hù)，過熱保護(hù)，缺相保護(hù)。
在起動(dòng)或者運(yùn)行過程中如果出現(xiàn)上述三種故障之一，模塊會(huì)自動(dòng)斷電，控制盒上的數(shù)碼管會(huì)閃爍顯示故障原因，待排除故障以后，按復(fù)位鍵即可恢復(fù)正常。
在上述保護(hù)中，過流保護(hù)值可調(diào)。
四、實(shí)驗(yàn)情況及實(shí)際應(yīng)用介紹
我們對(duì)一只正在使用中的智能電機(jī)控制模塊進(jìn)行了實(shí)際測量并作了記錄。
所用負(fù)載為18.5KW風(fēng)機(jī)，電壓實(shí)際測量值為390V左右。
為了作一個(gè)比較，首先拆掉模塊進(jìn)行直接起動(dòng)。
合上空氣開關(guān)以后，電壓立即上升到390V，電流快速上升到150A，持續(xù)一段時(shí)間，逐漸下降，最后穩(wěn)定在30A左右。同時(shí)，可清楚地聽到由于大電流沖擊，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)所發(fā)出的聲音。
然后接上智能電機(jī)控制模塊，設(shè)置為限流方式起動(dòng)，限流值為90A，打開節(jié)能運(yùn)行。
按下“起動(dòng)”鍵，可觀測到電流上升速度明顯變慢，逐漸上升到90A，保持2-3秒后，逐漸下降為30A。電壓由0V緩慢上升到390V。起動(dòng)時(shí)間為6秒。在整個(gè)起動(dòng)過程中，電機(jī)起動(dòng)平穩(wěn)，聽不到機(jī)械沖擊的聲音。
15秒后，電壓逐漸下降為355V，電流不變，開始穩(wěn)定運(yùn)行。
數(shù)字式智能電機(jī)控制模塊現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種生產(chǎn)領(lǐng)域和其它場合，現(xiàn)介紹如下：
1、降低電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流(一般交流電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí)，沖擊電流是額定電流的5-7倍);
2、避免電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)供電線路產(chǎn)生瞬間電壓跌落，造成設(shè)備、儀表誤動(dòng)作;
3、防止起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生力矩沖擊，而使機(jī)械斷軸或產(chǎn)生廢品;
4、可以較頻繁地起動(dòng)電動(dòng)機(jī)(軟起動(dòng)裝置一般允許10次/小時(shí)，而使電動(dòng)機(jī)不致過熱);
5、對(duì)泵類負(fù)載可以防止水錘效應(yīng)，防止管道破裂;
6、對(duì)某些工藝應(yīng)用(如染紗機(jī)械)，可防止由于起動(dòng)過快而產(chǎn)生染色不勻造成質(zhì)量問題;
7、對(duì)某些易碎的容器灌漿生產(chǎn)線，可防止容器破損;
8、需要控制起動(dòng)電流，減少對(duì)機(jī)械的沖擊，同時(shí)也可適應(yīng)較低容量供電變壓器的場合(如注塑機(jī));
9、可以降低電網(wǎng)適配容量，節(jié)省增容費(fèi)開支;
10、需要方便地調(diào)節(jié)起動(dòng)特性的場合。
由以上看出，數(shù)字式智能電機(jī)控制模塊集電機(jī)起動(dòng)、節(jié)能運(yùn)行、保護(hù)于一體。突出特點(diǎn)是體積小、功能強(qiáng)、安裝方便、操作簡單、免維護(hù)、可靠性高，是傳統(tǒng)起動(dòng)設(shè)備的理想換代產(chǎn)品。
參考文獻(xiàn)：
1、《半導(dǎo)體變流技術(shù)》(第2版) 上海機(jī)械高等?？茖W(xué)校 莫正康 主編
2、《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)與應(yīng)用》 湘潭機(jī)電高等?？茖W(xué)校、哈爾濱工業(yè)大學(xué)威海分校
劉國榮 梁景凱 主編
3、《智能電機(jī)控制模塊使用說明書》(第2版本) 淄博市臨淄銀河高技術(shù)開發(fā)有限公司
