基于DSP2407的異步電機數(shù)字式軟起動器設計

谷志鋒， 張 嶺， 栗彥輝， 葉秀羲

(軍械工程學院，河北石家莊 050003)

0 引言

傳統(tǒng)的電機起動設備，如飽和電抗器、自耦變壓器、Y/△轉換器等，在很大程度上緩解了大容量電機在相對較小容量電網(wǎng)上起動時的矛盾。但它們只是縮短了大電流沖擊的時間，并未從本質上解決問題［1-3］，且存在負載適應能力差、起動電流不連續(xù)、觸點繼電控制及浪費能源等缺陷。數(shù)字式電機軟起動器具有結構簡單、無觸點、無噪聲、體積小、重量輕、起動電流及起動時間可控、起動過程平滑、具備完善的電機保護功能等優(yōu)點，并且維護工作量小、節(jié)能效果顯著［4］。

1 數(shù)字式軟起動控制原理

新型數(shù)字式軟起動器的主路采用晶閘管調壓回路［5-6］，調壓電路由6只晶閘管兩兩反向并聯(lián)組成，串接在電機的三相供電線路中。當數(shù)字控制系統(tǒng)接到起動指令后，通過隔離變壓器和電流互感器采集電機端口電壓、電流等，同時進行有關計算，控制晶閘管的觸發(fā)角α，控制電機的起動過程(電壓斜坡、恒流或恒功率因數(shù)等)［7］。當起動過程完成后，旁路接觸器吸合，短路掉所有的晶閘管，使電機直接投入電網(wǎng)運行，避免不必要的電能損耗。數(shù)字式防暴軟起動器還具有數(shù)碼管和液晶混合顯示、漏電檢測、通信、相序自判斷等功能。數(shù)字式軟起動控制框圖如圖1所示。

2 數(shù)字式軟起動控制器硬件電路

2.1 DSP2407型軟起動器的總體結構

圖1 數(shù)字式軟起動控制系統(tǒng)框圖

數(shù)字式電機軟起動器的CPU采用了低功耗、快速運算速度的DSP2407，同時JETAG接口可以實施在線仿真和跟蹤。外擴的61LV6416型RAM與 DSP2407直接相連，實現(xiàn)在線仿真運行的數(shù)據(jù)零時下載。按鍵功能采用具有模擬串行口功能的HD7279實現(xiàn)。CPU通過MAX485芯片可以實現(xiàn)長距離的數(shù)據(jù)傳輸。LCM320240ZK型液晶顯示屏、93C46型E2PROM及各外擴芯片的片選線由ALTERA最新的MAXⅡCPLD EPM240(相當于8650門CPLD，燒寫至少10萬次以上)編程控制［8］。電機端口的電壓、電流采集通過鎖相環(huán)交流采集調理電路輸入12位A/D轉換器MAX197，并通過雙向驅動 74LVC4245與DSP2407連接，提高了采集精度。由于需要實現(xiàn)6支晶閘管的觸發(fā)控制，外擴了定時器芯片8254，觸發(fā)脈沖通過光電隔離和脈沖列觸發(fā)電路輸出。DSP2407外圍電路如圖2所示。

2.2 高頻脈沖列觸發(fā)電路設計

為了減小脈沖變壓器的體積，降低整個控制器的尺寸，同時提高觸發(fā)的可靠性，設計了高頻脈沖列觸發(fā)電路，如圖3所示。通過調整74LS123外擴阻容的大小，可以實現(xiàn)MC觸發(fā)脈沖高電平信號的擴展，增加觸發(fā)的可靠性。同時，擴展后的輸出信號輸入74LS175的CLE端，可以提高觸發(fā)脈沖CFA、CFB、CFC的同時性。脈沖變壓器的一次側通過增加穩(wěn)壓管，可以提高觸發(fā)脈沖的寬度，二次側采用快速恢復二極管BYC26C，可以保證脈沖列觸發(fā)的同時性［9］。

圖2 DSP2407型軟起動器的總體結構

設晶閘管觸發(fā)角度為α，電流持續(xù)導通時間為θ，電機的阻抗角為β。由電路的知識知，當輸入電壓為U時，可得超越方程為

通常α ＞β，θ+α ＞180°，有 θ＜180°，dθ/dα ＜0。導通角和觸發(fā)角的關系如圖4所示。

由圖4可知，在相同的觸發(fā)角度的情況下隨

圖3 高頻脈沖列觸發(fā)電路

圖4 觸發(fā)角和電流持續(xù)導通角的關系圖

如果認為β為常量，由式(1)可得:著阻抗角的減小，電流的導通角減小，由于電機在起動過程中R2/s在不斷增大(s為電機轉差率，大小為0～1)，導致阻抗角減小，這樣觸發(fā)角在最大觸發(fā)角(通常為100°)向30°前移過程中電流持續(xù)角減小，也就是說在起動過程中是一個動態(tài)的過程，觸發(fā)角的范圍在逐步擴大。如果設α+θπ=δ，δ代表電壓過零后電流持續(xù)的導通角度，設

由于晶閘管存在動態(tài)的恢復時間，在δ=6°時，式(3)可得到γ很小，一般晶閘管的關斷時間要幾百 μs，而 6°電角度對應的時間為 300 μs，如果在正向可控硅沒有關閉時，觸發(fā)反向晶閘管達不到可靠觸發(fā)的目的［10］，同時由于R2/s也與負載的情況有關，這樣在不同負載的情況下達到δ=6°的時間不一樣，為達到動態(tài)監(jiān)視晶閘管的關斷時間，防止在6°以后的不可靠觸發(fā)，設計了晶閘管的關斷檢測電路，如圖5所示。

DSP2407檢測電流的過零時刻并計時，判斷是否在6°的不可靠的觸發(fā)區(qū)間內，如果在這個范圍之內，讓晶閘管的旁路接觸器關閉，電機處于全壓運行狀態(tài)，完成電機軟起動過程。

2.3 電機漏電監(jiān)視電路設計

圖5 晶閘管的電流過零檢測電路

電機在經(jīng)常運作的情況下會由于工作環(huán)境或α+π－(α+θ)=γ，γ代表反向觸發(fā)時間與電流過零之間相位差，可得:者絕緣老化的原因，絕緣程度降低，如果不加以檢測可能會出現(xiàn)危險，圖6為絕緣檢測電路。圖中采用NE555構成雙穩(wěn)類電路，發(fā)電機機殼通過串聯(lián)電阻與漏電保護電路相連，對于在660 V異步電機，絕緣電阻低于42 kΩ時，NE555第3腳會驅動繼電器動作，并將漏電信號輸給數(shù)字式軟起動器，實現(xiàn)漏電保護。在剛上電時，圖6中右部的NE555起到封鎖漏電誤動作信號的作用。

圖6 電機漏電保護電路

3 數(shù)字式軟起動器程序設計

交流電機軟起動控制器的軟件共包含主控制模塊6個及與這些控制模塊相關的子程序186個。主控制程序模塊分別為主程序模塊MAIN、運行控制模塊MONT、α控制模塊SHIFT、數(shù)據(jù)采集模塊SMPL、故障診斷模塊DIGN、RS－485串行通信模塊SCOM。其中，MAIN模塊完成控制參數(shù)的查看與設定、故障狀態(tài)記錄、運行狀態(tài)顯示等界面操作，并完成485串行通信管理;MONT模塊為二級中斷運行方式，其運行節(jié)律為100 ms;SHIFT模塊為一級中斷運行方式，是控制的中心環(huán)節(jié)。主程序MAIN模塊的流程圖如圖7所示。

圖7 主程序MAIN模塊流程圖

4 試驗波形分析

在三相晶閘管部分導通時，將會產(chǎn)生各次諧波，諧波電壓、電流既可能通過傳導，也可能通過空間輻射耦合進入控制系統(tǒng)。圖8是A相晶閘管兩端電壓和電流實測波形，圖9是電機A相的

圖8 A相晶閘管兩端電壓和流過電流實測波形

圖9 電機A相端電壓和流過的電流實測波形

端電壓和流過的電流實測波形。因此，在控制系統(tǒng)設計時要采用強弱隔離、電磁隔離、光電隔離等手段保證控制系統(tǒng)順利工作。

5 結語

基于DSP2407與CPLD的數(shù)字式異步電機軟起動器具有起動過程可控(恒流、恒功率因數(shù)、電壓斜坡軟起)、功耗低、節(jié)能的顯著優(yōu)勢。

本文詳細介紹了控制器的總體構成、高頻脈沖列觸發(fā)、高壓電機漏電檢測的實現(xiàn)原理，并通過實際應用和測量證明其所具有的優(yōu)勢。實際應用證明，軟起動器具有起動過程平穩(wěn)、節(jié)能效果顯著的特點。

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