張彥來

摘要：本文通過單片機系統(tǒng)循環(huán)檢測電機是否發(fā)生過電流、過電壓等故障，實現(xiàn)自檢、自診斷、故障參數(shù)的記憶、保護(hù)參數(shù)的整定等多種功能。

關(guān)鍵詞：單片機 異步電動機 監(jiān)視保護(hù)裝置

軟起動器于上世紀(jì)80 年代初在國外得到應(yīng)用，90 年代初引入國內(nèi)，目前國內(nèi)生產(chǎn)商較多，但質(zhì)量水平參差不齊，與國際一線品牌比還有一定的差距。因此，國內(nèi)軟起動產(chǎn)品市場呈現(xiàn)低端過剩、高端不足的局面。有專家指出，如果電機的制造機理短期內(nèi)不發(fā)生革命性的改變，就有軟起動器的市場，軟起動器未來幾年的市場需求將穩(wěn)定在十幾億的規(guī)模?？梢姡浧饎赢a(chǎn)品具有廣闊的市場。

1. 軟起動及電機保護(hù)的機理

軟起動器主要是由串接于電源與被控電機定子之間的三對反并聯(lián)晶閘管構(gòu)成，集成控制電路和外圍電路。利用晶閘管的電子開關(guān)作用，通過微處理器控制晶閘管觸發(fā)角的變化來改變晶閘管的開通程度，從而控制電機的輸入電壓按不同的要求變化，實現(xiàn)軟起動，當(dāng)起動完成后，通過三相旁路接觸器將電動機投入電網(wǎng)運行。引起電機燒毀的主要原因是電流型故障，常見的形式有缺相、短路、接地、堵轉(zhuǎn)、過載及三相電流不平衡，等等。電機保護(hù)是將電機工作參數(shù)與設(shè)定值相比較從而判斷電機運行狀態(tài)是否正常， 然后采取相應(yīng)的保護(hù)措施。電機啟動前，設(shè)定好電機工作參數(shù)的上限值或下限值。電機啟動后， 保護(hù)裝置采集電機三相電流和電壓。利用合適的算法對采集的電流和電壓等工作參數(shù)進(jìn)行處理和計算，得到工作參數(shù)的真實值。將實測的電機工作參數(shù)與事先設(shè)定好的上限值或下限值進(jìn)行比較、判斷，以確定電機工作狀態(tài)是否正常。

2.軟件實現(xiàn)設(shè)計

為了提高可靠性，增加了硬件電路組成，由單片機的P3.1與P3.2接24C08作掉電保護(hù)控制；由P3.3作欠壓保護(hù)電路；由P3.7作程序控制復(fù)位電路。當(dāng)電機發(fā)生過流時，由P3.6位使繼電器跳閘，電動機斷電。當(dāng)過載時，由P3.4位給出報警信號。同時，設(shè)有74LS244，用于過載、欠壓、欠流、過流與報警信號的顯示電路。電機的異常運行，實質(zhì)上是電機的定子、轉(zhuǎn)子電流嚴(yán)重偏離額定值。電機的定、轉(zhuǎn)子電流增大，勢必導(dǎo)致電機損耗加大、溫度升高，直至燒毀電機。所以用電機電流的高低控制電機電源的通斷可有效地保護(hù)電機。該方案包括了電流互感器、控制電路、與非門電路及驅(qū)動電路等。電機正常運行時，三相控制電路全部輸出高電平。如果電機出現(xiàn)過載、過流的異常時，對應(yīng)的電流控制電路則輸出低電平，從而單片機的“與非門”電路輸出高電平，驅(qū)動繼電器、交流接觸器工作，切斷電機電源，達(dá)到保護(hù)電機目的。（如圖1）

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計

軟起動器硬件電路可分為主電路和控制電路，控制電路以高性能的AVR 單片機作為核心，集成有檢測電路、同步電路、脈沖觸發(fā)電路、電源電路、鍵盤和LCD人機交互等外圍電路。該設(shè)計以最少的器件實現(xiàn)軟起動器實用功能，可內(nèi)置旁路接觸器，系統(tǒng)低成本、性能高。

3.1采樣電路

該設(shè)計對電機的起動、運行、停車等時的參數(shù)進(jìn)行采集，然后進(jìn)行分析計算和控制。將三相電源線電壓UAB、UBC、UCA分別經(jīng)整流、濾波、分壓后送入單片機A/D 端口，作為故障檢測、過壓及欠壓保護(hù)、電壓顯示等的依據(jù)；另一方面，產(chǎn)生方波信號，作為觸發(fā)晶閘管的相控信號。采樣電機實時工作電流，經(jīng)整流、濾波、放大及A/D 轉(zhuǎn)換后送入單片機。此電路準(zhǔn)確地反映了主電路中的實時電流，又使控制電路與主電路隔開，既安全又減少了干擾。

3.2晶閘管觸發(fā)電路

晶閘管的導(dǎo)通由控制極的觸發(fā)脈沖來控制，由于晶閘管門極參數(shù)的分散性以及其觸發(fā)電壓、電流隨溫度變化的特性，門極觸發(fā)信號強，可使晶閘管的放大門極均勻?qū)?；信號弱，則局部導(dǎo)通，在門極附近產(chǎn)生熱點而損壞器件。該設(shè)計采用強觸發(fā)方式，改善導(dǎo)通時的動態(tài)一致性，保證可靠觸發(fā)。作為該設(shè)計的重要內(nèi)容，此處詳細(xì)介紹晶閘管的觸發(fā)過程。單片機檢測到軟起動器信號時，便對鍵盤進(jìn)行掃描，以檢測由鍵盤輸入軟起動器過程所需要的時間和初始起動的電壓。單片機根據(jù)輸入的起動時間、初始起動電壓和同步信號等參數(shù)，根據(jù)軟件程序輸出一系列觸發(fā)脈沖。具體來說，就是由單片機根據(jù)輸入信號計算出第一個脈沖產(chǎn)生的時刻、每個脈沖持續(xù)的時間和相鄰兩個脈沖之間的時間間隔。電動機正常起動后，會自動輸出控制信號接通旁路接觸器、短路晶閘管，使三相電全部加到電動機上，然后單片機便會停止產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，從而使電動機投入正常工作狀態(tài)。該設(shè)計采用智能旁路技術(shù)，把運行情況分為故障關(guān)斷、延時旁路、正常旁路3 種模式，通過程序算法根據(jù)檢測參數(shù)智能判定。最大程度保護(hù)系統(tǒng)器件，延長使用壽命，突出智能化特性。單片機檢測到軟停車信號時，先產(chǎn)生一系列觸發(fā)脈沖開通晶閘管，然后斷開旁路接觸器，使加在電動機兩端的電壓緩慢降低，從而實現(xiàn)軟停車。以限流起動模式簡單介紹移相觸發(fā)控制算法，軟起動器將起動電流作為控制對象。限流起動通過降低電動機端電壓，以限制起動電流不超過用戶設(shè)定的最大值，通過電流環(huán)調(diào)節(jié)起動電流不超過用戶設(shè)定值，以充分利用降壓空間。

4.結(jié)語：國內(nèi)外經(jīng)歷了電動機的熱繼電器保護(hù)器和模擬電子式保護(hù)器。由于熱繼電器保護(hù)器功能單一、靈敏度差、資源浪費率大、精度不高、誤動作多，而模擬電子型電動機保護(hù)器受環(huán)境影響大、功能不夠全面，因此難以真正的實現(xiàn)智能檢測和控制?，F(xiàn)代生產(chǎn)機械中，由于自動化生產(chǎn)的需要，對電機的安全運行要求越來越高。因此具有自檢、自診斷、故障參數(shù)的記憶、保護(hù)參數(shù)的整定等多種功能的智能保護(hù)技術(shù)成為電機保護(hù)的必然發(fā)展方向。智能電機保護(hù)系統(tǒng)能準(zhǔn)確、靈敏、有效地檢測電機的初發(fā)故障，實現(xiàn)電機的及時有效保護(hù)，保證生產(chǎn)系統(tǒng)安全可靠運行。通過電動機的智能保護(hù)， 對提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益及節(jié)能降耗具有重要的現(xiàn)實意義。