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、實驗情況及在實際中的應用。

關鍵詞：移相調控；單片機；電壓斜坡起動；限流起動；軟停車；節能運行

1??? 概述

??? 眾所周知，三相交流異步電動機以其低成本，高可靠性和易維護等優點而在各行業中得到了廣泛的應用。但是，它在直接起動時，存在著很大的缺點：首先，它的起動電流高達額定電流的5～7倍，既對電網造成了很大的沖擊，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，起動轉矩可達正常轉矩的2倍，這會對負載產生沖擊，增加傳動部件的磨擦和額外維護。為此，出現了三相異步電動機降壓起動設備。

??? 傳統的降壓起動有以下幾種方法:

??? 1）在電動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，即起動時電機接成星形，起動結束后，通過一個轉換器變成三角形接法；

??? 3）補償器起動（自耦變壓器起動）。

??? 傳統的起動設備體積龐大，成本高，結構復雜，與負載匹配的電機轉矩很難控制，也就是說很難得到合適的起動電流和起動轉矩；而且在切換瞬間會產生很高的電流尖峰，由此產生的機械振動會損害電機轉子，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缺點的起動裝置。銀河公司開發生產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的缺點，對各種起動方法做了進一步的改善和提高，而且還增加了很多其他功能，比如：節能運行，過流保護，過熱保護，缺相保護等。

??? 這種模塊采用數碼管顯示，按鍵控制，整個起動過程全部由單片機按照預先設定的程序自動完成，操作極其方便。

??? 用戶通過按鍵調整參數設置，可以按實際情況選擇不同的起動方式，能夠很方便地控制起動電流，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，同時內置多個電流、電壓傳感器。用接插件將模塊與控制盒連接在一起，實現各種功能的設置和顯示。

圖1??? 智能電機控制模塊結構圖

??? 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，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，導熱銅板與散熱片通過導熱硅脂緊密接觸。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發的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度。對控制端加0～10V電平信號，即可控制移相角度。

圖2??? 模塊電氣原理方框圖

??? 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、線形度高的特點，通過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A/D轉換，將相應的數字量傳給單片機，以供單片機進行處理。

??? 顯示、控制部分采用串行口與單片機進行通信，這種通信方式大大減少了該部分與模塊內部的連線。5個數碼管顯示，8個按鍵控制，使顯示與控制直觀、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，限流起動，電壓突跳起動，軟停車，節能運行，過流、過熱、缺相保護等功能。

3.1??? 電壓斜坡起動

??? 如圖3所示，系統首先給電機加一個電壓U_s，之后電壓線性上升，從U_s增加到最大電壓U_max，即電網輸入電壓。U_s由用戶設定，可供用戶選擇的電壓為80～300V。t_s也由用戶設定，可以在1～90s選擇。在實際使用中，用戶根據實際情況，例如電機功率大小、負載大小等，選擇合適的參數，達到最佳起動效果。

圖3??? 電壓斜波起動

??? 這種起動方式的特點是起動平穩，可減少起動電流對電網的沖擊，同時大大減輕起動力矩對負載帶來的機械振動。

3.2??? 限流起動

??? 如圖4所示，這種起動方式是由用戶設定一電流值I_k，在整個起動過程中，實際電流不超過設定值I_k。I_k由用戶根據實際負載大小自己設定。

圖4??? 限流起動

??? 限流起動可以使大慣性負載以最小電流起動加速，可以通過設置電流上限，以滿足在電網容量有限的場合使用。這種起動方式特別適合于恒轉矩負載。

3.3??? 電壓突跳起動

??? 實際應用中，很多負載具有很大的靜摩擦力。在電壓斜坡起動方式中，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，在起動開始的一段時間內，因所加電壓太小，克服不了負載的靜摩擦力，電機不動，這可能會造成電機因發熱而損壞的情況。電壓突跳功能則解決了這個問題。在電機起動前，模塊先輸出一電壓U_t，且持續一段時間t_t，用以克服靜摩擦力，待電機轉動之后，再按照原設定方式起動，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t_t設置為0即可。U_t可調整，范圍是0～380V，t_t可調整，范圍是0～10s。

圖5??? 電壓突跳起動

3.4??? 軟停車

??? 如圖6所示，按下停車鍵后，模塊的輸出電壓立即下降到U_p1，然后逐漸下降，經過時間t_p后，下降到U_p2，再立即下降到0。U_p可調整，范圍是100～380V；U_p2可調整，范圍是0～300V；t_p調整的范圍是0～90s。

圖6??? 軟停車

??? 軟停車可以大大減少管道傳輸中液體的沖擊。

3.5??? 節能運行

??? 對于大摩擦負載，由于起動電流大，需要功率較大的電動機，而在正常運行時，負載力矩比電動機額定轉矩小得多，這就造成電動機輕載運行。對于間歇性負載，持續大電流的工作時間占整個工作周期很小一部分，從而造成輕載時無功損耗的浪費，使運行功率因數大大降低。智能電機控制模塊通過檢測電壓和電流，根據負載大小自動調節輸出電壓，使電機工作在最佳效率工作區，達到節能目的。

3.6??? 保護功能

??? 共有三種保護功能：過流保護，過熱保護，缺相保護。

??? 在起動或者運行過程中如果出現上述三種故障之一，模塊會自動斷電，控制盒上的數碼管會閃爍顯示故障原因，待排除故障以后，按復位鍵即可恢復正常。

??? 在上述保護中，過流保護值可調。

4??? 實驗情況及實際應用效果

??? 我們對一只正在使用中的智能電機控制模塊進行了實際測量并作了記錄。所用負載為18.5kW風機，供電電壓實際測量值為390V左右。

??? 為了作一個比較，首先拆掉模塊進行直接起動。合上空氣開關后，電壓立即上升到390V，電流快速上升到150A，持續一段時間，逐漸下降，最后穩定在30A左右。同時，可清楚地聽到由于大電流沖擊，使風機產生強烈的機械振動而發出的噪聲。

??? 然后接上智能電機控制模塊，設置為限流方式起動，限流值為90A，打開節能運行。按下“起動”鍵，可觀測到電流上升速度明顯變慢，逐漸上升到90A，保持2～3s后，逐漸下降為30A。電壓由0V緩慢上升到390V。起動時間為6s。在整個起動過程中，電機起動平穩，聽不到機械沖擊的噪聲。15s后，電壓逐漸下降為355V，電流不變，開始穩定運行。

??? 數字式智能電機控制模塊現已被廣泛應用于各種生產領域和其他場合，實際應用效果如下：

??? 1）降低了電動機起動電流；

??? 2）避免了電動機起動時供電線路瞬間電壓跌落，造成電網上用電設備、儀表誤動作；

??? 3）防止了起動時由于產生的力矩沖擊，而使機械斷軸或產生廢品；

??? 4）可以較頻繁地起動電動機(軟起動裝置一般允許10次/h，而使電動機不致過熱)；

??? 5）對泵類負載可以防止水錘效應，防止管道破裂；

??? 6）對某些工藝應用(如染紗機械)，可防止由于起動過快而產生染色不勻的質量問題；

??? 7）對某些易碎的容器灌漿生產線，可防止容器破損；

??? 8）適應供電變壓器容量較低的場合(如注塑機)；

??? 9）可以降低電網適配容量，節省增容費開支；

??? 10）適用于需要方便地調節起動特性的場合。

5??? 結語

??? 數字式智能電機控制模塊集電機起動，節能運行，保護于一體，其突出特點是體積小，功能強，安裝方便，操作簡單，免維護，可靠性高，是傳統起動設備的理想換代產品。