數(shù)字式智能電機控制模塊
一、概述
眾所周知，三相交流異步電動機以其低成本，高可靠性和易維護等優(yōu)點在各行業(yè)中廣泛應用。但是，它在直接起動時，存在著很大的缺點：首先，它的起動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，起動轉(zhuǎn)矩可達正常轉(zhuǎn)矩的2倍，這會對負載產(chǎn)生沖擊，增加傳動部件的磨擦和額外維護。因為以上原因，出現(xiàn)了三相異步電動機降壓起動設備。
傳統(tǒng)的降壓起動有以下幾種方法:
1、在電動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(zhuǎn)換降壓起動(Y -△)。電機起動時接成星形，起動結(jié)束后，通過一個轉(zhuǎn)換器變成三角形接法;
3、起動補償器起動(自耦變壓器起動)。
傳統(tǒng)的起動設備體積龐大，成本高，結(jié)構(gòu)復雜，與負載匹配的電機轉(zhuǎn)距很難控制，也就是說很難得到合適的起動電流和起動轉(zhuǎn)距;而且在切換瞬間會產(chǎn)生很高的電流尖峰，由此產(chǎn)生的機械振動會損害電機轉(zhuǎn)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(tǒng)起動缺點的起動裝置。由銀河公司開發(fā)生產(chǎn)的捷普牌新一代數(shù)字式智能電機控制模塊，不但完全克服了傳統(tǒng)起動的缺點，對各種起動方法做了進一步的改善和提高，另外還增加了很多其他功能，比如： 節(jié)能運行，過流保護，過熱保護，缺相保護等等。
這種模塊采用數(shù)碼管顯示、按鍵控制，整個起動過程全部由單片機按照預先設定自動完成，所以操作起來極其方便。
用戶通過按鍵調(diào)整參數(shù)設置，可以按實際情況選擇不同的起動方式，能夠很方便地控制起動電流，得到與負載相匹配的電機轉(zhuǎn)矩。
二、模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電氣原理
模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)，同時內(nèi)置多個電流、電壓傳感器。用接插件將模塊與控制盒連接在一起，實現(xiàn)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，導熱銅板與散熱片通過導熱硅脂緊密接觸。這種結(jié)構(gòu)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發(fā)的JP-SSY01數(shù)字移相集成電路。該電路為SOP28封裝，5V單一電源供電，全數(shù)字化處理方式，具有很高的移相精度、對稱度。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、線形度高的特點，通過與模塊結(jié)構(gòu)的一體化設計方便地置于模塊內(nèi)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(zhuǎn)換器，通過A/D轉(zhuǎn)換，將相應的數(shù)字量傳給單片機，以備單片機進行處理。
顯示、控制部分采用串行口與單片機進行通訊，這種通訊方式大大減少了該部分與模塊內(nèi)部的連線。5個數(shù)碼管顯示、8個按鍵控制，使顯示與控制直觀、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
2、限流起動
3、電壓突跳功能
4、軟停車
5、節(jié)能運行
6、過流、過熱、缺相保護
分別介紹如下：
1、電壓斜坡起動
如圖3，系統(tǒng)首先加一個電壓Us到電機上，之后電壓線性上升，從Us增 加到最大電壓Umax。此時，加到電動機端子上的電壓等于電網(wǎng)輸入電壓。Us由用戶設定，可供用戶選 擇的電壓為80-300 V。Ts由用戶設定，可以在1-90秒中選擇。在實際使用中，用戶根據(jù)實際情況，例如電機功率大小、負載大小等，選擇合適的參數(shù)，達到最佳起動效果。
這種起動方式的特點是起動平穩(wěn)，可減少起動電流對電網(wǎng)的沖擊，同時大大減輕起動力矩對負載帶來的機械振動。
2、限流起動
如圖4，這種起動方式是由用戶設定一電流值Ik，在整個起動過程中，實際電流不超過設定值Ik。Ik由用戶根據(jù)實際負載大小自己設定。
限流起動可以使大慣性負載以最小電流被起動加速，可以用來設置電流上限，滿足電網(wǎng)容量在有限場合的使用。這種起動方式特別適合于恒轉(zhuǎn)矩負載。
3、電壓突跳功能
實際應用中，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，在起動開始的一段時間內(nèi)，因所加電壓太小，克服不了負載的靜摩擦力，電機不動，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問題。在電機起動前，模塊先輸出一電壓Ut, 且持續(xù)一段時間Tt, 用以克服靜摩擦力，待電機轉(zhuǎn)動之后，再按照原設定方式起動，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(diào)整，范圍是0-380V，Tt可調(diào)整，范圍是0-10秒(如圖5)。
4、軟停車
如圖6，按下停車鍵后，模塊的輸出電壓立即下降到Up1,然后逐漸下降，經(jīng)過時間Tp后，下降到Up2，再立即下降到0。Up1可調(diào)整，范圍是100-380V;Up2可調(diào)整，范圍是0-300V;Tp調(diào)整的范圍是0-90秒。
這種軟停車可以大大減少管道設備中液體的沖擊。
5、節(jié)能運行
對于大磨擦負載，由于所需起動電流大，需要功率較大的電動機，而正常負載所需運行負載力矩比電動機額定轉(zhuǎn)矩小的多，這就造成電動機輕載運行。對于間歇性負載，維持大電流的工作時間占整個周期很小一部分，造成輕載無功損耗浪費，使運行功率因數(shù)大大降低。智能電機控制模塊通過檢測電壓和電流，判斷加到電機上的負載大小，根據(jù)負載大小自動調(diào)節(jié)輸出電壓，使電機工作在最佳效率工作區(qū)，達到節(jié)能目的。
6、保護功能
共有三種保護功能：過流保護，過熱保護，缺相保護。
在起動或者運行過程中如果出現(xiàn)上述三種故障之一，模塊會自動斷電，控制盒上的數(shù)碼管會閃爍顯示故障原因，待排除故障以后，按復位鍵即可恢復正常。
在上述保護中，過流保護值可調(diào)。
四、實驗情況及實際應用介紹
我們對一只正在使用中的智能電機控制模塊進行了實際測量并作了記錄。
所用負載為18.5KW風機，電壓實際測量值為390V左右。
為了作一個比較，首先拆掉模塊進行直接起動。
合上空氣開關(guān)以后，電壓立即上升到390V，電流快速上升到150A，持續(xù)一段時間，逐漸下降，最后穩(wěn)定在30A左右。同時，可清楚地聽到由于大電流沖擊，風機產(chǎn)生強烈的機械振動所發(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，限流值為90A，打開節(jié)能運行。
按下“起動”鍵，可觀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。起動時間為6秒。在整個起動過程中，電機起動平穩(wěn)，聽不到機械沖擊的聲音。
15秒后，電壓逐漸下降為355V，電流不變，開始穩(wěn)定運行。
數(shù)字式智能電機控制模塊現(xiàn)已廣泛應用于各種生產(chǎn)領(lǐng)域和其它場合，現(xiàn)介紹如下：
1、降低電動機起動電流(一般交流電動機直接起動時，沖擊電流是額定電流的5-7倍);
2、避免電動機起動時供電線路產(chǎn)生瞬間電壓跌落，造成設備、儀表誤動作;
3、防止起動時產(chǎn)生力矩沖擊，而使機械斷軸或產(chǎn)生廢品;
4、可以較頻繁地起動電動機(軟起動裝置一般允許10次/小時，而使電動機不致過熱);
5、對泵類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)，可防止由于起動過快而產(chǎn)生染色不勻造成質(zhì)量問題;
7、對某些易碎的容器灌漿生產(chǎn)線，可防止容器破損;
8、需要控制起動電流，減少對機械的沖擊，同時也可適應較低容量供電變壓器的場合(如注塑機);
9、可以降低電網(wǎng)適配容量，節(jié)省增容費開支;
10、需要方便地調(diào)節(jié)起動特性的場合。
由以上看出，數(shù)字式智能電機控制模塊集電機起動、節(jié)能運行、保護于一體。突出特點是體積小、功能強、安裝方便、操作簡單、免維護、可靠性高，是傳統(tǒng)起動設備的理想換代產(chǎn)品。
參考文獻：
1、《半導體變流技術(shù)》(第2版) 上海機械高等?？茖W校 莫正康 主編
2、《計算機控制技術(shù)與應用》 湘潭機電高等?？茖W校、哈爾濱工業(yè)大學威海分校
劉國榮 梁景凱 主編
3、《智能電機控制模塊使用說明書》(第2版本) 淄博市臨淄銀河高技術(shù)開發(fā)有限公司
