電廠電動執行機構軟啟動器設計

沈德明 ，袁 棟

(1.南京科遠自動化股份有限公司，江蘇 南京 211100；2.東南大學能源與環境學院，江蘇 南京 210018)

電動執行機構作為電廠電動閥門的動力裝置，是電廠自動化儀表中的執行單元，目前應用非常廣泛，但也存在不少問題。現電廠多回轉電動執行機構多采用三相交流異步電機，其傳統的啟動方式是將三相交流異步電機通過正反轉模塊或交流接觸器直接接到電網上。這樣啟動電流大，容易對電網和執行機構本身造成損害。在許多場合這種過大的啟動電流會對整個傳動系統造成不良的影響[1]。為了滿足電動機自身啟動條件、負載傳動機械工藝要求、保護其他用電設備正常工作的需要，應當在電機自身啟動過程中采取必要的措施控制其啟動過程，降低啟動電流沖擊和和轉矩沖擊[2]。現國內針對電動執行機構的晶閘管軟啟動器技術研究不多，已有的軟啟動器結構簡單，采用三路晶閘管控制，可靠性不高且啟動方式單一，不適合用于大力矩的電動執行機構。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方式，可大力矩執行機構平穩啟停，限制啟動電流，減少機械沖擊，減弱對傳動機構的磨損，提高了設備的安全性和可靠性。文中在電動執行機構的基礎上，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,滿足閥門的軟啟動需要。

1 系統總體架構

該軟啟動裝置是由一片處理器 （ATmega128）控制六路晶閘管實現對電動機定子兩端電壓進行控制，用以達到軟啟動的功能。利用電流傳感器對起動電流進行幅值檢測，通過電壓檢測電路對三相電進行相序檢測和過零檢測，利用正反轉模塊實現電機正轉反轉的切換。整個系統用變壓器將強電弱電隔離，并且通過后級電路進行整形濾波后對控制系統、晶閘管驅動電路以及正反轉模塊供電。整個系統總體構架如圖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。在電源和異步電動機之間接入反并聯的晶閘管調壓電路，通過改變晶閘管觸發角來改變電動機定子兩端電壓，進而改變電機的轉速和定子電流等物理量[3]。由于圖2所示的電路中沒有中線，因此工作時若負載電流流通，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[4]。為了保證電路起始工作時有2個晶閘管同時導通，以及在感性負載與控制角較小時仍能保證不同相的2個晶閘管同時導通，文中的設計采用了能產生大于60°的寬PWM脈沖觸發電路。

圖2 軟啟動系統主回路

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晶閘管的整體方案。電源變壓器提供20 W的輸出能力作為控制系統總的供電，后級輸出+5 V，+12 V，+24 V作為各個單元電路供電。系統電源分配如圖3所示。晶閘管驅動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，電壓過零檢測電路，脈沖觸發電路以及正反轉控制電路。軟啟動控制電路結構如圖4所示。

圖4 系統控制電路結構

2.4 電壓過零檢測電路

過零檢測電路的作用是把高壓過零信號采集后送給單片機，作為單片機定時器的標準。該設計采用光耦與大功率電阻采集高壓信號，電阻降壓，光耦過零觸發。光耦后級接上拉電阻，相電壓過零后光耦導通，電平信號有高低會產生變化。單片機通過采集到的電平變化信號來確定相電壓過零導通的時間，并且可以通過過零導通的時序對三相電進行相序檢測。電壓過零檢測電路如圖5所示。

圖5 過零檢測電路

2.5 晶閘管驅動電路

利用ATmega128單片機發出的六路PWM脈沖控制A，B，C三相6個晶閘管的觸發。由于單片機輸出觸發信號不足以觸發晶閘管，故需將PWM脈沖觸發信號通過晶閘管觸發變壓器將觸發功率放大。由于主電路中沒有中線，為了保證可控硅的導通以及觸發時序的正確，在同一時刻必需有2個晶閘管導通。考慮到可靠性的要求，該設計采用大于60°的寬PWM脈沖列觸發信號。

脈沖驅動電路如圖6所示，單片機發出一串寬PWM脈沖，經過三極管進行功率放大，然后將放大信號通過晶閘管觸發變壓器使晶閘管控制極和陰極之間加正向電壓，從而觸發晶閘管導通。

圖6 晶閘管觸發電路

3 系統軟件設計

軟啟動器的軟件主要包括系統主程序和中斷脈沖觸發程序，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、軟啟動與軟停車模式選擇、軟啟動控制方式的選擇，以及按預定方式實現電機軟啟動。主程序流程如圖7所示。

圖7 主程序流程

3.2 中斷脈沖觸發程序

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

ATmega128單片機通過3個外部中斷 INT2，INT6，INT7分別檢測到電壓過零檢測電路送來的相電壓過零中斷信號，并按照觸發角的變化延時相應的角度，給出觸發信號，然后延時大約3.5 ms停止觸發脈沖的發送。利用單片機的2個16位定時器/計數器T/C1和T/C3的定時功能，將T/C1和T/C3的工作模式設置為快速PWM模式，利用定時器比較匹配中斷和溢出中斷實現脈沖列的定時。同時利用定時器/計數器T/C0實現觸發角和脈沖列寬度的定時[6]。其中A相中斷脈沖觸發程序流程如圖8所示。

圖8 A相脈沖觸發程序流程

4 實驗結果及分析

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

圖10為當觸發角為90°時，輸出線電壓Uab與晶閘管VT1觸發信號之間的關系。圖11為當觸發角為90°時，負載相電壓Ua與晶閘管VT1觸發信號之間的關系。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生了變化，說明軟啟動器起到了調壓調速的效果，同時表明單片機輸出的脈沖列通過隔離、放大之后可以成為可靠觸發晶閘管的觸發脈沖信號。

5 結束語

提出了一種采用六路晶閘管控制有多種啟動控制方式的電動執行機構軟啟動器，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程序的正確性，為下一步電動執行機構軟啟動器多種控制方式的研究做準備。

[1]季 鋒.國產電動執行機構發展與現狀[J].世界儀表與自動化，2009（3）：24-25.

[2]GHODHBANI L，REBHI B，KOURDA F，et al.Comparison Among Electronic Start up Methods for Induction motors[A].Systems Signals and Devices(SSD),20107th International Multi-Conference on，Amman，2010.

[3]劉 利，王 棟.電動機軟啟動器實用技術[M].北京：中國電力出版社，2009.

[4]王艷杰，曾 毅，呂 鳳.基于ATmega128的智能軟啟動器的設計[J].自動化技術與應用，2010，19（2）：72-75.

[5]黃美成，盧 潔，彭永進.晶閘管交流調壓電路的觸發方案研究[J].電子電力技術，2004，38（2）：54-55.

[6]金鐘夫，杜 剛，王 群.AVR ATmega128單片機C程序設計與實踐[MJ].北京：北京航空航天大學出版社，2008.