数字式智能电机控制模块

摘要：介绍一种取代传统电机起动装置的数字式智能电机控制模块，内容包括其系统构成、主要功能、实验情况及在实际中的应用。

关键词：移相调控；单片机；电压斜坡起动；限流起动；软停车；节能运行

1    概述

    众所周知，三相交流异步电动机以其低成本，高可靠性和易维护等优点而在各行业中得到了广泛的应用。但是，它在直接起动时，存在着很大的缺点：首先，它的起动电流高达额定电流的5～7倍，既对电网造成了很大的冲击，又影响了电器控制设备的使用寿命，甚至影响到其它电气设备的正常运行；其次，起动转矩可达正常转矩的2倍，这会对负载产生冲击，增加传动部件的磨擦和额外维护。为此，出现了三相异步电动机降压起动设备。

    传统的降压起动有以下几种方法:

    1）在电动机定子电路中串入电抗器，使一部分电压降在电抗器上；

    2）星形—三角形(Y—△)转换降压起动，即起动时电机接成星形，起动结束后，通过一个转换器变成三角形接法；

    3）补偿器起动（自耦变压器起动）。

    传统的起动设备体积庞大，成本高，结构复杂，与负载匹配的电机转矩很难控制，也就是说很难得到合适的起动电流和起动转矩；而且在切换瞬间会产生很高的电流尖峰，由此产生的机械振动会损害电机转子，轴连接器，中间齿轮以及负载设备。

    因此，就需要有一种能克服传统起动缺点的起动装置。银河公司开发生产的捷普牌新一代数字式智能电机控制模块，不但完全克服了传统起动的缺点，对各种起动方法做了进一步的改善和提高，而且还增加了很多其他功能，比如：节能运行，过流保护，过热保护，缺相保护等。

    这种模块采用数码管显示，按键控制，整个起动过程全部由单片机按照预先设定的程序自动完成，操作极其方便。

    用户通过按键调整参数设置，可以按实际情况选择不同的起动方式，能够很方便地控制起动电流，得到与负载相匹配的电机转矩。

2    模块结构及电气原理

    模块结构如图1所示。从图1可以看出，该模块的主电路与相控电路及单片机共同封装于同一壳体内，同时内置多个电流、电压传感器。用接插件将模块与控制盒连接在一起，实现各种功能的设置和显示。

图1    智能电机控制模块结构图

    主电路为6只玻璃钝化方形晶闸管芯片，通过一体化焊接技术，将其贴在DBC（陶瓷覆铜板）上，并与导热铜板焊接在一起。模块使用时，导热铜板与散热片通过导热硅脂紧密接触。这种结构使模块具有很高的绝缘性能和散热性能。

    图2是模块电气原理方框图。移相控制电路部分是银河公司自主开发的JP-SSY01数字移相集成电路。该电路为SOP28封装，5V单一电源供电，全数字化处理方式，具有很高的移相精度及对称度。对控制端加0～10V电平信号，即可控制移相角度。

图2    模块电气原理方框图

    同步变压器输出同步信号给移相电路，其中另一路给单片机，作为单片机采集电压、电流信号的基准。这样，就克服了如果交流电频率变化带来的计算误差，提高了计算精度。

    传感器包括电压传感器和电流传感器。两种传感器中均使用了霍尔元件，具有体积小、反应快、线形度高的特点，通过与模块结构的一体化设计，方便地置于模块内部。两种传感器将电压模拟量、电流模拟量传给12位高速A/D转换器，通过A/D转换，将相应的数字量传给单片机，以供单片机进行处理。

    显示、控制部分采用串行口与单片机进行通信，这种通信方式大大减少了该部分与模块内部的连线。5个数码管显示，8个按键控制，使显示与控制直观、方便。

3    主要功能

    智能电机控制模块主要完成电压斜坡起动，限流起动，电压突跳起动，软停车，节能运行，过流、过热、缺相保护等功能。

3.1    电压斜坡起动

    如图3所示，系统首先给电机加一个电压U_s，之后电压线性上升，从U_s增加到最大电压U_max，即电网输入电压。U_s由用户设定，可供用户选择的电压为80～300V。t_s也由用户设定，可以在1～90s选择。在实际使用中，用户根据实际情况，例如电机功率大小、负载大小等，选择合适的参数，达到最佳起动效果。

图3    电压斜波起动

    这种起动方式的特点是起动平稳，可减少起动电流对电网的冲击，同时大大减轻起动力矩对负载带来的机械振动。

3.2    限流起动

    如图4所示，这种起动方式是由用户设定一电流值I_k，在整个起动过程中，实际电流不超过设定值I_k。I_k由用户根据实际负载大小自己设定。

图4    限流起动

    限流起动可以使大惯性负载以最小电流起动加速，可以通过设置电流上限，以满足在电网容量有限的场合使用。这种起动方式特别适合于恒转矩负载。

3.3    电压突跳起动

    实际应用中，很多负载具有很大的静摩擦力。在电压斜坡起动方式中，电压是由小到大逐渐上升的。如果直接使用电压斜坡方式起动，在起动开始的一段时间内，因所加电压太小，克服不了负载的静摩擦力，电机不动，这可能会造成电机因发热而损坏的情况。电压突跳功能则解决了这个问题。在电机起动前，模块先输出一电压U_t，且持续一段时间t_t，用以克服静摩擦力，待电机转动之后，再按照原设定方式起动，从而比较好地保护了电机，如图5所示。对于不需要该功能的负载，只要将t_t设置为0即可。U_t可调整，范围是0～380V，t_t可调整，范围是0～10s。

图5    电压突跳起动

3.4    软停车

    如图6所示，按下停车键后，模块的输出电压立即下降到U_p1，然后逐渐下降，经过时间t_p后，下降到U_p2，再立即下降到0。U_p可调整，范围是100～380V；U_p2可调整，范围是0～300V；t_p调整的范围是0～90s。

图6    软停车 

    软停车可以大大减少管道传输中液体的冲击。

3.5    节能运行

    对于大摩擦负载，由于起动电流大，需要功率较大的电动机，而在正常运行时，负载力矩比电动机额定转矩小得多，这就造成电动机轻载运行。对于间歇性负载，持续大电流的工作时间占整个工作周期很小一部分，从而造成轻载时无功损耗的浪费，使运行功率因数大大降低。智能电机控制模块通过检测电压和电流，根据负载大小自动调节输出电压，使电机工作在最佳效率工作区，达到节能目的。

3.6    保护功能

    共有三种保护功能：过流保护，过热保护，缺相保护。

    在起动或者运行过程中如果出现上述三种故障之一，模块会自动断电，控制盒上的数码管会闪烁显示故障原因，待排除故障以后，按复位键即可恢复正常。

    在上述保护中，过流保护值可调。

4    实验情况及实际应用效果

    我们对一只正在使用中的智能电机控制模块进行了实际测量并作了记录。所用负载为18.5kW风机，供电电压实际测量值为390V左右。

    为了作一个比较，首先拆掉模块进行直接起动。合上空气开关后，电压立即上升到390V，电流快速上升到150A，持续一段时间，逐渐下降，最后稳定在30A左右。同时，可清楚地听到由于大电流冲击，使风机产生强烈的机械振动而发出的噪声。

    然后接上智能电机控制模块，设置为限流方式起动，限流值为90A，打开节能运行。按下“起动”键，可观测到电流上升速度明显变慢，逐渐上升到90A，保持2～3s后，逐渐下降为30A。电压由0V缓慢上升到390V。起动时间为6s。在整个起动过程中，电机起动平稳，听不到机械冲击的噪声。15s后，电压逐渐下降为355V，电流不变，开始稳定运行。

    数字式智能电机控制模块现已被广泛应用于各种生产领域和其他场合，实际应用效果如下：

    1）降低了电动机起动电流；

    2）避免了电动机起动时供电线路瞬间电压跌落，造成电网上用电设备、仪表误动作；

    3）防止了起动时由于产生的力矩冲击，而使机械断轴或产生废品；

    4）可以较频繁地起动电动机(软起动装置一般允许10次/h，而使电动机不致过热)；

    5）对泵类负载可以防止水锤效应，防止管道破裂；

    6）对某些工艺应用(如染纱机械)，可防止由于起动过快而产生染色不匀的质量问题；

    7）对某些易碎的容器灌浆生产线，可防止容器破损；

    8）适应供电变压器容量较低的场合(如注塑机)；

    9）可以降低电网适配容量，节省增容费开支；

    10）适用于需要方便地调节起动特性的场合。

5    结语

    数字式智能电机控制模块集电机起动，节能运行，保护于一体，其突出特点是体积小，功能强，安装方便，操作简单，免维护，可靠性高，是传统起动设备的理想换代产品。