基于單片機(jī)的電機(jī)保護(hù)與軟起動控制

張彥來

摘要：本文通過單片機(jī)系統(tǒng)循環(huán)檢測電機(jī)是否發(fā)生過電流、過電壓等故障，實(shí)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(jī) 異步電動機(jī) 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(jī)的制造機(jī)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。可見，軟起動產(chǎn)品具有廣闊的市場。

1. 軟起動及電機(jī)保護(hù)的機(jī)理

軟起動器主要是由串接于電源與被控電機(jī)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(jī)的輸入電壓按不同的要求變化，實(shí)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(jī)投入電網(wǎng)運(yùn)行。引起電機(jī)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(jī)保護(hù)是將電機(jī)工作參數(shù)與設(shè)定值相比較從而判斷電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)是否正常， 然后采取相應(yīng)的保護(hù)措施。電機(jī)啟動前，設(shè)定好電機(jī)工作參數(shù)的上限值或下限值。電機(jī)啟動后， 保護(hù)裝置采集電機(jī)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(jì)算，得到工作參數(shù)的真實(shí)值。將實(shí)測的電機(jī)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(jī)工作狀態(tài)是否正常。

2.軟件實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)

為了提高可靠性，增加了硬件電路組成，由單片機(jī)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(jī)發(fā)生過流時(shí)，由P3.6位使繼電器跳閘，電動機(jī)斷電。當(dāng)過載時(shí)，由P3.4位給出報(bào)警信號。同時(shí)，設(shè)有74LS244，用于過載、欠壓、欠流、過流與報(bào)警信號的顯示電路。電機(jī)的異常運(yùn)行，實(shí)質(zhì)上是電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子電流嚴(yán)重偏離額定值。電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子電流增大，勢必導(dǎo)致電機(jī)損耗加大、溫度升高，直至燒毀電機(jī)。所以用電機(jī)電流的高低控制電機(jī)電源的通斷可有效地保護(hù)電機(jī)。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(jī)正常運(yùn)行時(shí)，三相控制電路全部輸出高電平。如果電機(jī)出現(xiàn)過載、過流的異常時(shí)，對應(yīng)的電流控制電路則輸出低電平，從而單片機(jī)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(jī)電源，達(dá)到保護(hù)電機(jī)目的。（如圖1）

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(jī)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(jī)交互等外圍電路。該設(shè)計(jì)以最少的器件實(shí)現(xiàn)軟起動器實(shí)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(jì)對電機(jī)的起動、運(yùn)行、停車等時(shí)的參數(shù)進(jìn)行采集，然后進(jìn)行分析計(jì)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(jī)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(jī)實(shí)時(shí)工作電流，經(jīng)整流、濾波、放大及A/D 轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)。此電路準(zhǔn)確地反映了主電路中的實(shí)時(shí)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(qiáng)，可使晶閘管的放大門極均勻?qū)ǎ恍盘柸酰瑒t局部導(dǎo)通，在門極附近產(chǎn)生熱點(diǎn)而損壞器件。該設(shè)計(jì)采用強(qiáng)觸發(fā)方式，改善導(dǎo)通時(shí)的動態(tài)一致性，保證可靠觸發(fā)。作為該設(shè)計(jì)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(jī)檢測到軟起動器信號時(shí)，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(shí)間和初始起動的電壓。單片機(jī)根據(jù)輸入的起動時(shí)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(jī)根據(jù)輸入信號計(jì)算出第一個(gè)脈沖產(chǎn)生的時(shí)刻、每個(gè)脈沖持續(xù)的時(shí)間和相鄰兩個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔。電動機(jī)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(jī)上，然后單片機(jī)便會停止產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，從而使電動機(jī)投入正常工作狀態(tài)。該設(shè)計(jì)采用智能旁路技術(shù)，把運(yùn)行情況分為故障關(guān)斷、延時(shí)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(jī)檢測到軟停車信號時(shí)，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(jī)兩端的電壓緩慢降低，從而實(shí)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(jī)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(jī)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(fèi)率大、精度不高、誤動作多，而模擬電子型電動機(jī)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(shí)現(xiàn)智能檢測和控制。現(xiàn)代生產(chǎn)機(jī)械中，由于自動化生產(chǎn)的需要，對電機(jī)的安全運(yùn)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(jī)保護(hù)的必然發(fā)展方向。智能電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)能準(zhǔn)確、靈敏、有效地檢測電機(jī)的初發(fā)故障，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的及時(shí)有效保護(hù)，保證生產(chǎn)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。通過電動機(jī)的智能保護(hù)， 對提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益及節(jié)能降耗具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。