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        2013
        05-27

        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

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        模塊選型注意事項-導通角要求

          導通角要求:   模塊在較小導通角時(shí)(即模塊高輸入電壓、低輸出電壓)輸出較大電流,這樣會(huì )使模塊嚴重發(fā)熱甚至燒毀。這是因為在非正弦波狀態(tài)下用普通儀表測出的電流值,不是有效值,所以,盡管儀表顯示的電流值并未超過(guò)模塊的標稱(chēng)值,但有效值會(huì )超過(guò)模塊標稱(chēng)值的幾倍。因此,要求模塊應在較大導通角下(100度以上)工作。模塊在不同輸出電壓下允許的最大輸出電流比例可參見(jiàn)表1   U實(shí)/U標   1   0.75   0.50   0.25   0.15   I實(shí)/I標   1   0.85   0.60   0.45   0.3   U實(shí):模塊實(shí)際輸出的電壓; U標:模塊能輸出的最高電壓;   I實(shí):模塊實(shí)際輸出的電流; I標:模塊標稱(chēng)最大電流。   示例:100A的三相交流模塊,電網(wǎng)為380V,對應不同輸出電壓下,最大輸出電流見(jiàn)表2   輸出電壓   380V   285V   190V   50V   最大輸出電流   100A   85A   60A   25A   其它要求:   (1)當模塊控制變壓器負載時(shí),如果變壓器空載,輸出電流可能會(huì )小于晶閘管芯片的擎住電流,導致回路中產(chǎn)生較大直流分量,嚴重時(shí)會(huì )燒掉保險絲。為了避免出現上述情況,可在模塊輸出端接一固定電阻,一般每相輸出電流不小于500mA(具體數據可根據試驗情況確定)。   (2)小規格模塊主電極無(wú)螺釘緊固,極易掀起折斷.接線(xiàn)時(shí)應注意避免外力或電纜重力將電極拉起折斷。   (3)嚴禁將電纜銅線(xiàn)直接壓接在模塊電極上,以防止接觸不良產(chǎn)生附加發(fā)熱。   (4)模塊不能當作隔離開(kāi)關(guān)使用。為保證安全.模塊輸入端前面需加空氣開(kāi)關(guān)。   (5)測量模塊工作殼溫時(shí),測試點(diǎn)選擇靠近模塊底板中心的散熱器表面??蓪⑸崞鞅砻嬉韵聶M向打一深孔至散熱器中心,把熱電偶探頭插到孔底。要求該測試點(diǎn)的溫度應≤80℃。

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        模塊的保護-過(guò)壓保護

          過(guò)壓保護   晶閘管的過(guò)電壓能力極差,當元件承受的反向電壓超過(guò)其反向擊穿電壓時(shí),即使時(shí)間很短,也會(huì )造成元件反向擊穿損壞。如果正向電壓超過(guò)晶閘管的正向轉折電壓,會(huì )引起晶閘管硬開(kāi)通,它不僅使電路工作失常,且多次硬開(kāi)通后元件正向轉折電壓要降低,甚至失去正向阻斷能力而損壞。因此必須采用過(guò)電壓保護措施用以抑制晶閘管上可能出現的過(guò)電壓。模塊的過(guò)壓保護推薦采用阻容吸收和壓敏電阻兩種方式并用的保護措施。   (1)阻容吸收回路   晶閘管從導通到阻斷時(shí),和開(kāi)關(guān)電路一樣,因線(xiàn)路電感(主要是變壓器漏感LB)釋放能量會(huì )產(chǎn)生過(guò)電壓。由于晶閘管在導通期間,載流子充滿(mǎn)元件內部,所以元件在關(guān)斷過(guò)程中,正向電壓下降到零時(shí),內部仍殘存著(zhù)載流子。這些積蓄的載流子在反向電壓作用下瞬時(shí)出現較大的反向電流.使積蓄載流子迅速消失,這時(shí)反向電流消失的極快.即di/dt極大。因此即使和元件串連的線(xiàn)路電感L很小,電感產(chǎn)生的感應電勢L (di/dt)值仍很大.這個(gè)電勢與電源電壓串聯(lián),反向加在已恢復阻斷的元件上,可能導致晶閘管的反向擊穿。這種由于晶閘管關(guān)斷引起的過(guò)電壓,稱(chēng)為關(guān)斷過(guò)電壓,其數值可達工作電壓峰值的5-6倍,所以必須采取抑制措施。   阻容吸收電路中電容器把過(guò)電壓的電磁能量變成靜電能量存貯,電阻防止電容與電感產(chǎn)生諧振、限制晶閘管開(kāi)通損耗與電流上升率。這種吸收回路能抑制晶閘管由導通到截止時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓,有效避免晶閘管被擊穿。阻容吸收電路安裝位置要盡量靠近模塊主端子.即引線(xiàn)要短。最好采用無(wú)感電阻,以取得較好的保護效果。   接線(xiàn)方法如圖:   三相整流模塊 單相整流模塊   三相交流模塊 單相交流模塊   (2)壓敏電阻吸收過(guò)電壓   壓敏電阻能夠吸收由于雷擊等原因產(chǎn)生能量較大、持續時(shí)間較長(cháng)的過(guò)電壓。壓敏電阻標稱(chēng)電壓(V1mA),是指壓敏電阻流過(guò)1mA電流時(shí)它兩端的電壓。壓敏電阻的選擇,主要考慮額定電壓和通流容量。額定電壓V1mA的下限是線(xiàn)路工作電壓峰值,考慮到電網(wǎng)電壓的波動(dòng)以及多次承受沖擊電流以后V1mA值可能下降,因此,額定電壓的取值應適當提高。目前通常采用30%的余量計算。   V1mA≥1.3√2·U   式中 U——壓敏電阻兩端正常工作電壓的有效值。接線(xiàn)方法如圖:   三相模塊 單相模塊

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        模塊的保護-過(guò)熱保護

          散熱條件的好壞.是影響模塊能否安全工作的重要因素。良好的散熱條件不但能夠保證模塊可靠工作、防止模塊過(guò)熱燒毀,而且能夠提高模塊的電流輸出能力。   在使用中,當散熱條件不符合規定要求時(shí),如室溫超付40℃、強迫風(fēng)冷的出口風(fēng)速不足6m/s等.則模塊的額定電流應立即降低使用,否則模塊會(huì )由于芯片結溫超過(guò)允許值而損壞。譬如,按規定應采用風(fēng)冷的模塊而采用自冷時(shí).則電流的額定值應降低到原有值的30-40%,反之如果改為采用水冷時(shí).則電流的額定值可以增大30-40%。   散熱效果參考標準:使模塊的底板溫度不超過(guò)80℃:最簡(jiǎn)單的方法可在散熱器表面靠近模塊處安裝75℃的溫度開(kāi)關(guān)。   在實(shí)際應用中,應注意以下幾點(diǎn):   (1)軸流風(fēng)機風(fēng)速應≥6m/S。   (2)若模塊達不到滿(mǎn)負荷工作,可酌減散熱器長(cháng)度。   (3)在設備開(kāi)機前,應檢查模塊所有螺釘是否牢固,若有松動(dòng),應擰緊螺釘,以使模塊底板與散熱器表面以及模塊電極與接線(xiàn)端子之間都能夠緊密接觸,達到最佳散熱效果。   (4)采用自然冷卻形式時(shí),必須保證散熱器周?chē)目諝饽軌蜃匀粚α鳌?   (5)因水冷散熱效果好.有水冷條件的,應首選水冷散熱形式。

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