電廠(chǎng)電動(dòng)執行機構軟啟動(dòng)器設計

　　為了減小電動(dòng)執行機構啟動(dòng)時(shí)對機械裝置的沖擊，同時(shí)可以控制大力矩電動(dòng)執行機構的啟動(dòng)，提出了一種通過(guò)AVRATmega128單片機控制晶閘管調壓的三相交流異步電機軟啟動(dòng)器，并分別介紹了其硬件組成和軟件設計。實(shí)驗結果表明了軟啟動(dòng)器硬件設計以及軟件設計的正確性，達到了控制電機定子兩端電壓的效果。

　　電動(dòng)執行機構作為電廠(chǎng)電動(dòng)閥門(mén)的動(dòng)力裝置，是電廠(chǎng)自動(dòng)化儀表中的執行單元，目前應用非常廣泛，但也存在不少問(wèn)題�，F電廠(chǎng)多回轉電動(dòng)執行機構多采用三相交流異步電機，其傳統的啟動(dòng)方式是將三相交流異步電機通過(guò)正反轉模塊或交流接觸器直接接到電網(wǎng)上。這樣啟動(dòng)電流大，容易對電網(wǎng)和執行機構本身造成損害。在許多場(chǎng)合這種過(guò)大的啟動(dòng)電流會(huì )對整個(gè)傳動(dòng)系統造成不良的影響。為了滿(mǎn)足電動(dòng)機自身啟動(dòng)條件、負載傳動(dòng)機械工藝要求、保護其他用電設備正常工作的需要，應當在電機自身啟動(dòng)過(guò)程中采取必要的措施控制其啟動(dòng)過(guò)程，降低啟動(dòng)電流沖擊和和轉矩沖擊�，F國內針對電動(dòng)執行機構的晶閘管軟啟動(dòng)器技術(shù)研究不多，已有的軟啟動(dòng)器結構簡(jiǎn)單，采用三路晶閘管控制，可靠性不高且啟動(dòng)方式單一，不適合用于大力矩的電動(dòng)執行機構。采用六路晶閘管控制比三路晶閘管控制具有更高的可靠性，且可以根據負載調節啟動(dòng)方式，可大力矩執行機構平穩啟停，限制啟動(dòng)電流，減少機械沖擊，減弱對傳動(dòng)機構的磨損，提高了設備的安全性和可靠性。文中在電動(dòng)執行機構的基礎上，以ATmega128單片機為控制核心，分別控制六路晶閘管的導通角從而調節執行機構三相異步電機兩端的電壓，滿(mǎn)足閥門(mén)的軟啟動(dòng)需要。

1、系統總體架構

　　該軟啟動(dòng)裝置是由一片處理器(ATmega128)控制六路晶閘管實(shí)現對電動(dòng)機定子兩端電壓進(jìn)行控制，用以達到軟啟動(dòng)的功能。利用電流傳感器對起動(dòng)電流進(jìn)行幅值檢測，通過(guò)電壓檢測電路對三相電進(jìn)行相序檢測和過(guò)零檢測，利用正反轉模塊實(shí)現電機正轉反轉的切換。整個(gè)系統用變壓器將強電弱電隔離，并且通過(guò)后級電路進(jìn)行整形濾波后對控制系統、晶閘管驅動(dòng)電路以及正反轉模塊供電。整個(gè)系統總體構架如圖1所示。

圖1 系統總體構架

2、系統的硬件電路設計

2.1、系統主回路

　　軟起動(dòng)器主回路采用圖2所示的三相交流調壓電路。在電源和異步電動(dòng)機之間接入反并聯(lián)的晶閘管調壓電路，通過(guò)改變晶閘管觸發(fā)角來(lái)改變電動(dòng)機定子兩端電壓，進(jìn)而改變電機的轉速和定子電流等物理量。由于圖2所示的電路中沒(méi)有中線(xiàn)，因此工作時(shí)若負載電流流通，至少要有兩相構成通路，其中一相是正向晶閘管導通，另一相則是反向晶閘管導通。為了保證電路起始工作時(shí)有2個(gè)晶閘管同時(shí)導通，以及在感性負載與控制角較小時(shí)仍能保證不同相的2個(gè)晶閘管同時(shí)導通，文中的設計采用了能產(chǎn)生大于60°的寬PWM脈沖觸發(fā)電路。

圖2 軟啟動(dòng)系統主回路

2.2、系統電源電路的設計

　　電源模塊主要完成控制系統各單元的供電，其性能好壞直接影響系統的可靠運行。根據系統的要求，采用電源輸入工頻變壓器后級加六路隔離變壓器驅動(dòng)晶閘管的整體方案。電源變壓器提供20W的輸出能力作為控制系統總的供電，后級輸出+5V，+12V，+24V作為各個(gè)單元電路供電。系統電源分配如圖3所示。晶閘管驅動(dòng)板輸入輸出部分與系統電氣隔離，保證系統的安全性。

圖3 系統電源分配

2.3、系統控制電路的設計

　　軟啟動(dòng)器控制電路以高性能、低功耗8位微處理器ATmega128單片機為控制核心，包括電流檢測電路，電壓過(guò)零檢測電路，脈沖觸發(fā)電路以及正反轉控制電路。軟啟動(dòng)控制電路結構如圖4所示。

圖4 系統控制電路結構

2.4、電壓過(guò)零檢測電路

　　過(guò)零檢測電路的作用是把高壓過(guò)零信號采集后送給單片機，作為單片機定時(shí)器的標準。該設計采用光耦與大功率電阻采集高壓信號，電阻降壓，光耦過(guò)零觸發(fā)。光耦后級接上拉電阻，相電壓過(guò)零后光耦導通，電平信號有高低會(huì )產(chǎn)生變化。單片機通過(guò)采集到的電平變化信號來(lái)確定相電壓過(guò)零導通的時(shí)間，并且可以通過(guò)過(guò)零導通的時(shí)序對三相電進(jìn)行相序檢測。電壓過(guò)零檢測電路如圖5所示。

圖5 過(guò)零檢測電路

2.5、晶閘管驅動(dòng)電路

　　利用ATmega128單片機發(fā)出的六路PWM脈沖控制A，B，C三相6個(gè)晶閘管的觸發(fā)。由于單片機輸出觸發(fā)信號不足以觸發(fā)晶閘管，故需將PWM脈沖觸發(fā)信號通過(guò)晶閘管觸發(fā)變壓器將觸發(fā)功率放大。由于主電路中沒(méi)有中線(xiàn)，為了保證可控硅的導通以及觸發(fā)時(shí)序的正確，在同一時(shí)刻必需有2個(gè)晶閘管導通�？紤]到可靠性的要求，該設計采用大于60°的寬PWM脈沖列觸發(fā)信號。

　　脈沖驅動(dòng)電路如圖6所示，單片機發(fā)出一串寬PWM脈沖，經(jīng)過(guò)三極管進(jìn)行功率放大，然后將放大信號通過(guò)晶閘管觸發(fā)變壓器使晶閘管控制極和陰極之間加正向電壓，從而觸發(fā)晶閘管導通。

圖6 晶閘管觸發(fā)電路

3、系統軟件設計

　　軟啟動(dòng)器的軟件主要包括系統主程序和中斷脈沖觸發(fā)程序，并采用模塊化設計。

3.1、系統主程序設計

　　系統主程序主要包括系統上電初始化、缺相檢測、電機正反轉控制、軟啟動(dòng)與軟停車(chē)模式選擇、軟啟動(dòng)控制方式的選擇，以及按預定方式實(shí)現電機軟啟動(dòng)。主程序流程如圖7所示。

圖7 主程序流程

3.2、中斷脈沖觸發(fā)程序

　　由于晶閘管觸發(fā)變壓器本身伏秒特性的限制，不能給出寬脈沖觸發(fā)信號，故該設計采用寬PWM觸發(fā)脈沖，即給需要導通的晶閘管1個(gè)大于60°的PWM脈沖列，這樣可至少保證兩相之間構成通路，并且該觸發(fā)方式比雙脈沖觸發(fā)方式有更高的可靠性。設計中PWM脈沖頻率為5kHz，占空比25%。

　　ATmega128單片機通過(guò)3個(gè)外部中斷INT2，INT6，INT7分別檢測到電壓過(guò)零檢測電路送來(lái)的相電壓過(guò)零中斷信號，并按照觸發(fā)角的變化延時(shí)相應的角度，給出觸發(fā)信號，然后延時(shí)大約3.5ms停止觸發(fā)脈沖的發(fā)送。利用單片機的2個(gè)16位定時(shí)器/計數器T/C1和T/C3的定時(shí)功能，將T/C1和T/C3的工作模式設置為快速PWM模式，利用定時(shí)器比較匹配中斷和溢出中斷實(shí)現脈沖列的定時(shí)。同時(shí)利用定時(shí)器/計數器T/C0實(shí)現觸發(fā)角和脈沖列寬度的定時(shí)。其中A相中斷脈沖觸發(fā)程序流程如圖8所示。

圖8 A相脈沖觸發(fā)程序流程

4、實(shí)驗結果及分析

　　根據上述軟硬件設計方案，設計并制作了1臺電動(dòng)執行機構軟啟動(dòng)器樣機并進(jìn)行實(shí)驗。三相異步電機額定功率為1.5kW，額定轉速為1440r/min。圖9為晶閘管VT1與VT6觸發(fā)脈沖列的關(guān)系，脈沖列寬度為3.5ms且VT6脈沖列比VT1脈沖列超前60°。由于A(yíng)相正半周期和C相負半周期相位差60°，按照觸發(fā)順序，在A(yíng)相導通的同時(shí)，需同時(shí)將C相導通，這樣就保證兩相之間構成了通路，說(shuō)明了觸發(fā)脈沖相序的正確性。

圖9 晶閘管VT1與VT6觸發(fā)脈沖關(guān)系

　　圖10為當觸發(fā)角為90°時(shí)，輸出線(xiàn)電壓Uab與晶閘管VT1觸發(fā)信號之間的關(guān)系。圖11為當觸發(fā)角為90°時(shí)，負載相電壓Ua與晶閘管VT1觸發(fā)信號之間的關(guān)系。圖12為A相負載電流的變化情況。從相電壓Ua及相電流Ia的波形可以看出加在電機定子兩端之間的電壓電流發(fā)生了變化，說(shuō)明軟啟動(dòng)器起到了調壓調速的效果，同時(shí)表明單片機輸出的脈沖列通過(guò)隔離、放大之后可以成為可靠觸發(fā)晶閘管的觸發(fā)脈沖信號。

圖10 α=90°線(xiàn)電壓Uab與VT1脈沖列的關(guān)系

圖11 α=90°相電壓Ua與VT1脈沖列的關(guān)系

圖12 α=90°A相負載電流變化

5、結束語(yǔ)

　　提出了一種采用六路晶閘管控制有多種啟動(dòng)控制方式的電動(dòng)執行機構軟啟動(dòng)器，并介紹了其硬件組成和軟件設計。文中所做的工作驗證了其硬件電路設計的可靠性和中斷觸發(fā)程序的正確性，為下一步電動(dòng)執行機構軟啟動(dòng)器多種控制方式的研究做準備。