數字式智能電機控制模塊
一、概述
眾所周知，三相交流異步電動(dòng)機以其低成本，高可靠性和易維護等優(yōu)點(diǎn)在各行業(yè)中廣泛應用。但是，它在直接起動(dòng)時(shí)，存在著(zhù)很大的缺點(diǎn)：首先，它的起動(dòng)電流高達額定電流的5-7倍，這需要電網(wǎng)有很大的裕量，而且降低了電器控制設備的使用壽命，増加維護成本，甚至影響了其它電氣設備的正常運行;其次，起動(dòng)轉矩可達正常轉矩的2倍，這會(huì )對負載產(chǎn)生沖擊，增加傳動(dòng)部件的磨擦和額外維護。因為以上原因，出現了三相異步電動(dòng)機降壓起動(dòng)設備。
傳統的降壓起動(dòng)有以下幾種方法:
1、在電動(dòng)機定子回路中串入電抗器，使一部分電壓降在電抗器上;
2、星形-三角形轉換降壓起動(dòng)(Y -△)。電機起動(dòng)時(shí)接成星形，起動(dòng)結束后，通過(guò)一個(gè)轉換器變成三角形接法;
3、起動(dòng)補償器起動(dòng)(自耦變壓器起動(dòng))。
傳統的起動(dòng)設備體積龐大，成本高，結構復雜，與負載匹配的電機轉距很難控制，也就是說(shuō)很難得到合適的起動(dòng)電流和起動(dòng)轉距;而且在切換瞬間會(huì )產(chǎn)生很高的電流尖峰，由此產(chǎn)生的機械振動(dòng)會(huì )損害電機轉子、軸連接器、中間齒輪以及負載。
因此，就需要有一種能克服傳統起動(dòng)缺點(diǎn)的起動(dòng)裝置。由銀河公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn)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(dòng)的缺點(diǎn)，對各種起動(dòng)方法做了進(jìn)一步的改善和提高，另外還增加了很多其他功能，比如： 節能運行，過(guò)流保護，過(guò)熱保護，缺相保護等等。
這種模塊采用數碼管顯示、按鍵控制，整個(gè)起動(dòng)過(guò)程全部由單片機按照預先設定自動(dòng)完成，所以操作起來(lái)極其方便。
用戶(hù)通過(guò)按鍵調整參數設置，可以按實(shí)際情況選擇不同的起動(dòng)方式，能夠很方便地控制起動(dòng)電流，得到與負載相匹配的電機轉矩。
二、模塊內部結構及電氣原理
模塊內部結構如圖1。從圖中可以看出，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(shí)內置多個(gè)電流、電壓傳感器。用接插件將模塊與控制盒連接在一起，實(shí)現各種功能的設置和顯示。
圖 1
主電路為6只玻璃鈍化方形晶閘管芯片，通過(guò)一體化焊接技術(shù)，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(shí)，導熱銅板與散熱片通過(guò)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。移相電路部分是銀河公司自主開(kāi)發(fā)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、對稱(chēng)度。對控制端加0-10V電平信號，即可控制移相角度。
同步變壓器輸出同步信號給移相電路，其中一路另外分給單片機，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(lái)的計算誤差，提高了計算精度。
傳感器包括兩種：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(xiàn)形度高的特點(diǎn)，通過(guò)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(guò)A/D轉換，將相應的數字量傳給單片機，以備單片機進(jìn)行處理。
顯示、控制部分采用串行口與單片機進(jìn)行通訊，這種通訊方式大大減少了該部分與模塊內部的連線(xiàn)。5個(gè)數碼管顯示、8個(gè)按鍵控制，使顯示與控制直觀(guān)、方便。
三、主要功能
智能電機控制模塊主要能夠完成以下功能：
1、電壓斜坡起動(dòng)
2、限流起動(dòng)
3、電壓突跳功能
4、軟停車(chē)
5、節能運行
6、過(guò)流、過(guò)熱、缺相保護
分別介紹如下：
1、電壓斜坡起動(dòng)
如圖3，系統首先加一個(gè)電壓Us到電機上，之后電壓線(xiàn)性上升，從Us增 加到最大電壓Umax。此時(shí)，加到電動(dòng)機端子上的電壓等于電網(wǎng)輸入電壓。Us由用戶(hù)設定，可供用戶(hù)選 擇的電壓為80-300 V。Ts由用戶(hù)設定，可以在1-90秒中選擇。在實(shí)際使用中，用戶(hù)根據實(shí)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(dòng)效果。
這種起動(dòng)方式的特點(diǎn)是起動(dòng)平穩，可減少起動(dòng)電流對電網(wǎng)的沖擊，同時(shí)大大減輕起動(dòng)力矩對負載帶來(lái)的機械振動(dòng)。
2、限流起動(dòng)
如圖4，這種起動(dòng)方式是由用戶(hù)設定一電流值Ik，在整個(gè)起動(dòng)過(guò)程中，實(shí)際電流不超過(guò)設定值Ik。Ik由用戶(hù)根據實(shí)際負載大小自己設定。
限流起動(dòng)可以使大慣性負載以最小電流被起動(dòng)加速，可以用來(lái)設置電流上限，滿(mǎn)足電網(wǎng)容量在有限場(chǎng)合的使用。這種起動(dòng)方式特別適合于恒轉矩負載。
3、電壓突跳功能
實(shí)際應用中，很多負載具有很大的靜摩擦力;而在電壓斜坡起動(dòng)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(dòng)，在起動(dòng)開(kāi)始的一段時(shí)間內，因所加電壓太小，克服不了負載的靜摩擦力，電機不動(dòng)，造成因發(fā)熱而損壞電機的情況。電壓突跳功能則解決了這個(gè)問(wèn)題。在電機起動(dòng)前，模塊先輸出一電壓Ut, 且持續一段時(shí)間Tt, 用以克服靜摩擦力，待電機轉動(dòng)之后，再按照原設定方式起動(dòng)，從而比較好地保護了電機。對于不需要該功能的負載，只要在設定中將Tt設置為0即可。Ut可調整，范圍是0-380V，Tt可調整，范圍是0-10秒(如圖5)。
4、軟停車(chē)
如圖6，按下停車(chē)鍵后，模塊的輸出電壓立即下降到Up1,然后逐漸下降，經(jīng)過(guò)時(shí)間Tp后，下降到Up2，再立即下降到0。Up1可調整，范圍是100-380V;Up2可調整，范圍是0-300V;Tp調整的范圍是0-90秒。
這種軟停車(chē)可以大大減少管道設備中液體的沖擊。
5、節能運行
對于大磨擦負載，由于所需起動(dòng)電流大，需要功率較大的電動(dòng)機，而正常負載所需運行負載力矩比電動(dòng)機額定轉矩小的多，這就造成電動(dòng)機輕載運行。對于間歇性負載，維持大電流的工作時(shí)間占整個(gè)周期很小一部分，造成輕載無(wú)功損耗浪費，使運行功率因數大大降低。智能電機控制模塊通過(guò)檢測電壓和電流，判斷加到電機上的負載大小，根據負載大小自動(dòng)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。
6、保護功能
共有三種保護功能：過(guò)流保護，過(guò)熱保護，缺相保護。
在起動(dòng)或者運行過(guò)程中如果出現上述三種故障之一，模塊會(huì )自動(dòng)斷電，控制盒上的數碼管會(huì )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(guò)流保護值可調。
四、實(shí)驗情況及實(shí)際應用介紹
我們對一只正在使用中的智能電機控制模塊進(jìn)行了實(shí)際測量并作了記錄。
所用負載為18.5KW風(fēng)機，電壓實(shí)際測量值為390V左右。
為了作一個(gè)比較，首先拆掉模塊進(jìn)行直接起動(dòng)。
合上空氣開(kāi)關(guān)以后，電壓立即上升到390V，電流快速上升到150A，持續一段時(shí)間，逐漸下降，最后穩定在30A左右。同時(shí)，可清楚地聽(tīng)到由于大電流沖擊，風(fēng)機產(chǎn)生強烈的機械振動(dòng)所發(fā)出的聲音。
然后接上智能電機控制模塊，設置為限流方式起動(dòng)，限流值為90A，打開(kāi)節能運行。
按下“起動(dòng)”鍵，可觀(guān)測到電流上升速度明顯變慢，逐漸上升到90A，保持2-3秒后，逐漸下降為30A。電壓由0V緩慢上升到390V。起動(dòng)時(shí)間為6秒。在整個(gè)起動(dòng)過(guò)程中，電機起動(dòng)平穩，聽(tīng)不到機械沖擊的聲音。
15秒后，電壓逐漸下降為355V，電流不變，開(kāi)始穩定運行。
數字式智能電機控制模塊現已廣泛應用于各種生產(chǎn)領(lǐng)域和其它場(chǎng)合，現介紹如下：
1、降低電動(dòng)機起動(dòng)電流(一般交流電動(dòng)機直接起動(dòng)時(shí)，沖擊電流是額定電流的5-7倍);
2、避免電動(dòng)機起動(dòng)時(shí)供電線(xiàn)路產(chǎn)生瞬間電壓跌落，造成設備、儀表誤動(dòng)作;
3、防止起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生力矩沖擊，而使機械斷軸或產(chǎn)生廢品;
4、可以較頻繁地起動(dòng)電動(dòng)機(軟起動(dòng)裝置一般允許10次/小時(shí)，而使電動(dòng)機不致過(guò)熱);
5、對泵類(lèi)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(dòng)過(guò)快而產(chǎn)生染色不勻造成質(zhì)量問(wèn)題;
7、對某些易碎的容器灌漿生產(chǎn)線(xiàn)，可防止容器破損;
8、需要控制起動(dòng)電流，減少對機械的沖擊，同時(shí)也可適應較低容量供電變壓器的場(chǎng)合(如注塑機);
9、可以降低電網(wǎng)適配容量，節省增容費開(kāi)支;
10、需要方便地調節起動(dòng)特性的場(chǎng)合。
由以上看出，數字式智能電機控制模塊集電機起動(dòng)、節能運行、保護于一體。突出特點(diǎn)是體積小、功能強、安裝方便、操作簡(jiǎn)單、免維護、可靠性高，是傳統起動(dòng)設備的理想換代產(chǎn)品。
參考文獻：
1、《半導體變流技術(shù)》(第2版) 上海機械高等專(zhuān)科學(xué)校 莫正康 主編
2、《計算機控制技術(shù)與應用》 湘潭機電高等專(zhuān)科學(xué)校、哈爾濱工業(yè)大學(xué)威海分校
劉國榮 梁景凱 主編
3、《智能電機控制模塊使用說(shuō)明書(shū)》(第2版本) 淄博市臨淄銀河高技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司
