CN102088263B - 一种具有波形分析功能的软起动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有波形分析功能的软起动器，主要应用于三相异步电动机，属于电力电气领域；它的硬件结构包括电机、信号采集模块、信号处理模块、中央控制处理单元、晶闸管触发控制电路、晶闸管模块及接触器、LCD显示模块、闪存存贮器及USB接口驱动模块、通讯模块、输入/输出模块和晶闸管阻容吸收保护模块；它的软件结构包括数据采集模块、模糊自学习整定模块、多种电机数学模型库、人机接口程序模块、通讯程序模块、故障诊断模块、系统综合配置模块和波形分析数据存贮及USB接口驱动模块；本发明结构设计合理，通过录取电机起动过程中的电流波形，进行定量分折，找出最佳的技术参数，能自动适应不同负载，简化产品现场调试环节。

Description

一种具有波形分析功能的软起动器

技术领域

本发明涉及一种电机的软起、软停控制装置，特别是一种具有波形分析功能的软起动器，主要应用于三相异步电动机，属于电力电气领域。

背景技术

三相异步电动机因其结构简单、成本低廉、使用维护方便，因此成为应用最为广泛的电动机。但交流电机全压起动时，起动电流将达到额定电流的6～8倍，造成电网冲击和机械应力冲击。为减小电动机的起动电流，传统的方法是采用Y/△起动或自耦降压起动器来实现电机的降压起动，但这些方式在电压切换过程中，依然存在“二次冲击”的问题。电动机软起动器是一种通过控制可控硅的导通角来使输出电压逐渐增加以降低起动电流的设备，近年来在各行各业得到广泛的应用。但是由于电机原理的特殊性，不同功率，不同负载，起停过程中的电流曲线都是不一样的，很难用一个或几个数学模型来实现自动控制。目前通常的软起动器制造厂家，为了使自己的产品在现场能达到比较好的起动效果，一般都需要提供专门的技术调试人员到现场根据电机的参数和负载类型进行技术调试工作，并且需要根据电机的起动情况，不断的修改参数，才能获得较好的起动过程。这样，就对制造厂家而言开销大、培训难、资源得不到合理优化等问题。当调试好的设备运行方式发生改变时，还需重新设置参数。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中所存在的上述不足，而提供一种结构设计合理，具有波形分析功能的软起动器，它能录取电机起动过程中的电流波形，自学习优化参数设置，达到自动适应不同负载，简化产品现场调试环节。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种具有波形分析功能的软起动器，其特征在于：它包括电机、信号采集模块、信号处理模块、中央控制处理单元、晶闸管触发控制电路、晶闸管模块及接触器、LCD显示模块、闪存存贮器及USB接口驱动模块、通讯模块、输入/输出模块和晶闸管阻容吸收保护模块；所述的电机与信号采集模块连接，信号处理模块与信号采集模块连接，中央控制处理单元分别与信号处理模块、晶闸管触发控制电路、LCD显示模块、闪存存贮器及USB接口驱动模块、通讯模块、输入/输出模块连接，晶闸管阻容吸收保护模块与晶闸管模块及接触器连接；工作原理为：信号采集模块从电机处采集信号，经由信号处理模块处理后发送到中央控制处理单元，中央控制处理单元处理完的信号发送到晶闸管触发控制电路，形成触发控制信号，并控制晶闸管模块及接触器，从而控制主回路中加在电机上的电压，达到软起动的目的。

本发明的软件结构包括数据采集模块、模糊自学习整定模块、多种电机数学模型库、人机接口程序模块、通讯程序模块、故障诊断模块、系统综合配置模块和波形分析数据存贮及USB接口驱动模块；在各个模块之间，采用消息机制的方式进行相互触发、协调。

本发明所述的中央控制处理单元采用C8051F120单片机，该芯片是完全集成的混合信号系统（SOC），具有与8051兼容的高速CIP-51内核，速度是普通51单片机的12倍，片内集成了8路12位AD转换器，2路12位DA转换器，有128K字节的Flash ROM,4K字节的RAM和2个UART，芯片自带硬件Watchdog，这些丰富的硬件资源对于简化系统的软硬件设计提供了较好的硬件支撑。

本发明所述的信号采集模块和信号处理模块，采用三组小的电流互感器对一次电流进行采样，并可靠的与主回路进行隔离，该电路与国内常用的其它电路相比，最终的信号还是交流量，避免了波形的失真，为后面录取起动波形的真实度提供了保障。

本发明所述的晶闸管触发控制电路，采用三个脉冲变压器来控制晶闸管的可靠触发，该电路具有功耗小、功率大、输入阻抗高、抗干扰性能好、外接元件小等优点。

本发明所述的闪存存贮器及USB接口驱动模块，采用具有I2C接口的铁电芯片FM24C256，主要用于记录起动过程中的电流波形和故障报警数据，掉电后不丢失。

本发明所述的通讯模块采用RS485现场总线通讯，使用Modbus协议，实现全面的上位机远程控制和监测。Modbus 协议是应用于电子控制器上的一种通用语言，通过此协议,控制器相互之间、控制器经由网络和其它设备之间可以通信。

本发明所述的LCD显示模块，用于实时指示系统的各运行状态，如软起中、软停中，故障报警等，使系统信息一目了然。

本发明所述的输入/输出模块，用于控制本装置起停指令的输入及故障报警的输出。

本发明所述的晶闸管阻容吸收保护模块，用于减小和避免感应电压di/dt对晶闸管器件的损坏。

本发明所述的软件结构的工作原理为：根据现场的电机功率大小、负载情况选择设置好一个初始参数，然后起动电机，数据采集模块录取电流的波形并存储到闪存存贮器及USB接口驱动模块之中；模糊自学习整定模块将采集到的电流信号与程序中固化的不同负载类型的电机数学模型库进行比对，找出与实际电机最为接近的数学模型，据此对原先设计的初始参数自动进行优化，得到与当前电机最为匹配的参数设置；下一次起动电机时，则自动选取优化后的参数，从而使加到电机上的电压按负载驱动的要求有规律的慢慢上升至全电压，实现软起动的功能；系统综合配置模块负责各软件模块流程的全盘调度。

本发明与现有技术相比，具有以下明显效果：结构设计合理，在技术上采用通过录取电机起动过程中的电流波形，进行定量分折，通过自学习找出最佳的技术参数，能自动适应不同负载，简化产品现场调试环节。并且所记录的波形可通过移动硬盘等设备拷贝到电脑上，对用户来说，方便了设备的维护管理。

附图说明

图1是本发明的硬件原理框图。

图2是软起动器的中央控制处理单元及处围线路图。

图3是本发明信号采集模块和信号处理模块的示意图。

图4是本发明晶闸管触发控制电路的示意图。

图5是本发明的闪存存贮器的示意图。

图6本发明的软件原理框图。

图7本发明软件的主程序流程图。

图8本发明软件的软启动程序的流程图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步说明。

实施例：

参见图1，本实施例的硬件结构包括电机M、信号采集模块1、信号处理模块2、中央控制处理单元3、晶闸管触发控制电路4、晶闸管模块及接触器5、LCD显示模块6、闪存存贮器及USB接口驱动模块7、通讯模块8、输入/输出模块9和晶闸管阻容吸收保护模块10；所述的电机M与信号采集模块1连接，信号处理模块2与信号采集模块1连接，中央控制处理单元3分别与信号处理模块2、晶闸管触发控制电路4、LCD显示模块6、闪存存贮器及USB接口驱动模块7、通讯模块8、输入/输出模块9连接，晶闸管阻容吸收保护模块10与晶闸管模块及接触器5连接。

上述电路的工作原理为：信号采集模块1从电机M处采集信号，经由信号处理模块2处理后发送到中央控制处理单元3，中央控制处理单元3处理完的信号发送到晶闸管触发控制电路4，形成触发控制信号，并控制晶闸管模块及接触器5，从而控制主回路中加在电机M上的电压，达到软起动的目的。

参见图2，本实施例所述的中央控制处理单元3采用C8051F120单片机，该芯片是完全集成的混合信号系统（SOC），具有与8051兼容的高速CIP-51内核，速度是普通51单片机的12倍，片内集成了8路12位AD转换器，2路12位DA转换器，有128K字节的Flash ROM,4K字节的RAM和2个UART，芯片自带硬件Watchdog，这些丰富的硬件资源对于简化系统的软硬件设计提供了较好的硬件支撑。

参见图3，本实施例所述的信号采集模块1和信号处理模块2，采用三组小的电流互感器对一次电流进行采样，并可靠的与主回路进行隔离，该电路与国内常用的其它电路相比，最终的信号还是交流量，避免了波形的失真，为后面录取起动波形的真实度提供了保障。

参见图4，本实施例所述的晶闸管触发控制电路4，采用三个脉冲变压器来控制晶闸管的可靠触发，该电路具有功耗小、功率大、输入阻抗高、抗干扰性能好、外接元件小等优点。

参见图5，本实施例所述的闪存存贮器及USB接口驱动模块7，采用具有I2C接口的铁电芯片FM24C256，主要用于记录起动过程中的电流波形和故障报警数据，掉电后不丢失。

本实施例所述的通讯模块8采用RS485现场总线通讯，使用Modbus协议，实现全面的上位机远程控制和监测。

本实施例所述的LCD显示模块6，用于实时指示系统的各运行状态，如软起中、软停中，故障报警等，使系统信息一目了然。

本实施例所述的输入/输出模块9，用于控制本装置起停指令的输入及故障报警的输出。

本实施例所述的晶闸管阻容吸收保护模块10，用于减小和避免感应电压di/dt对晶闸管器件的损坏。

参见图6，本实施例的软件结构包括数据采集模块11、模糊自学习整定模块12、多种电机数学模型库13、人机接口程序模块14、通讯程序模块15、故障诊断模块16、系统综合配置模块17和波形分析数据存贮及USB接口驱动模块18；在各个模块之间，采用消息机制的方式进行相互触发、协调，系统综合配置模块17负责各软件模块流程的全盘调度，系统的大部分消息由系统综合配置模块17进行集中的收发。

本发明所述的软件结构的工作原理为：根据现场的电机M功率大小、负载情况选择设置好一个初始参数，然后起动电机M，数据采集模块11录取电流的波形并存储到闪存存贮器及USB接口驱动模块7之中；模糊自学习整定模块12将采集到的电流信号与程序中固化的不同负载类型的电机M数学模型库进行比对，找出与实际电机M最为接近的数学模型，据此对原先设计的初始参数自动进行优化，得到与当前电机M最为匹配的参数设置；下一次起动电机M时，则自动选取优化后的参数，从而使加到电机M上的电压按负载驱动的要求有规律的慢慢上升至全电压，实现软起动的功能。

参见图7～图8，为具体的软件流程图，主程序负责输入/输出、显示的循环外理，当检测到有运行信号时，进入软起动程序，在软起动的过程中，首先进行判断是否是第一次起动，如果是第一次起动，则以出厂默认的参数进行一系列的控制，在通过数据采集模块计录电机的电流、电压，送模糊自学习整定模块后得出优化后的参数设置，当第二次起动电机时，自动转入优化后的参数进行电机的控制。

本实施例所述的数据采集模块11，主要负责各种变化量对象的采集和整理，如电压、电流、功率因素、相序等，并通过快速富氏算法，计算出各变化量的有效值，并送闪存存贮器及USB接口驱动模块7进行存贮，每过3.3mS存贮一次。

本实施例所述的多种电机数学模型库13，它是通过对调试过程中收集到的不同负载类型的电机M相关参数，进行归纳整理，利用多种理论的数学模型而形成的矩阵模块，主要为后面的模糊自学习整定算法做准备。

本实施例所述的模糊自学习整定模块12，当一次起动完成后，调出闪存存贮器及USB接口驱动模块7，根据数据采集模块11所采集的数据进行整理，结合多种电机数学模型库13中的数据，调整控制策略，形成一组新的整定参数，为下次起动自动做好准备。

本实施例所述的人机接口程序模块14，主要包括I/O对象和状态显示对象。

本实施例所述的通讯程序模块15，采用Modbus协议。

本实施例所述的故障诊断模块16，主要对象为故障诊断，即对过流、缺相、不平衡、过热、外部开入、相序反、起动超时、起动频繁等。

本实施例所述的波形分析数据存贮及USB接口驱动模块18，主要是对起动过程中所录取的电流波形进行存贮，可共录取3次起动过程中的波形，当第四次发生时，自动删除第一次所录取的数据。

本实施例所述的系统综合配置模块17，主要负责系统中各模块的总体优化调度。

三相交流异步电动机的起动转矩与所加的电压有关，也就是说，只要改变电机M端点的电压就会影响该值。本实施例通过对市场上一百多种不同负载的电机M进行现场实施采集，建立多个数学模型，存入多种电机数学模型库13，通过模糊自学习整定模块12，快速计算出一套最合理的参数，控制晶闸管的导通角度，使加到电动机的电压按计算的规律缓慢上升至全电压，并且对录取的电流波形存储到闪存之中，可用优盘拷贝到电脑之中进行保存分析，方便用户管理。本发明还自带多种保护、可采用RS-485现场总线进行组网、具有大屏幕液晶汉字显示等功能，可广泛用于农业、纺织、冶金、石油化工、采矿和机械设备等行业，具有较高的应用价值和经济价值。

虽然本发明已以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种具有波形分析功能的软起动器，其特征在于：它的硬件结构包括电机、信号采集模块、信号处理模块、中央控制处理单元、晶闸管触发控制电路、晶闸管模块及接触器、LCD显示模块、闪存存贮器及USB接口驱动模块、通讯模块、输入/输出模块和晶闸管阻容吸收保护模块；所述的电机与信号采集模块连接，信号处理模块与信号采集模块连接，中央控制处理单元分别与信号处理模块、晶闸管触发控制电路、LCD显示模块、闪存存贮器及USB接口驱动模块、通讯模块、输入/输出模块连接，晶闸管阻容吸收保护模块与晶闸管模块及接触器连接；信号采集模块从电机处采集信号，经由信号处理模块处理后发送到中央控制处理单元，中央控制处理单元处理完的信号发送到晶闸管触发控制电路，形成触发控制信号，并控制晶闸管模块及接触器，从而控制主回路中加在电机上的电压，达到软起动的目的；所述软起动器的软件结构包括数据采集模块、模糊自学习整定模块、多种电机数学模型库、人机接口程序模块、通讯程序模块、故障诊断模块、系统综合配置模块和波形分析数据存贮及USB接口驱动模块；在各个模块之间，采用消息机制的方式进行相互触发、协调。

2.根据权利要求1所述的具有波形分析功能的软起动器，其特征在于：所述的中央控制处理单元采用C8051F120单片机，该C8051F120单片机是完全集成的混合信号系统，具有与8051兼容的高速CIP-51内核，速度是普通51单片机的12倍，片内集成了8路12位AD转换器，2路12位DA转换器，有128K字节的Flash ROM,4K字节的RAM和2个UART，芯片自带硬件Watchdog。

3.根据权利要求1或2所述的具有波形分析功能的软起动器，其特征在于：所述的信号采集模块和信号处理模块，采用三组小的电流互感器对一次电流进行采样，并可靠的与主回路进行隔离。

4.根据权利要求1或2所述的具有波形分析功能的软起动器，其特征在于：所述的晶闸管触发控制电路，采用三个脉冲变压器来控制晶闸管的可靠触发。

5.根据权利要求1或2所述的具有波形分析功能的软起动器，其特征在于：所述的闪存存贮器及USB接口驱动模块，采用具有I2C接口的铁电芯片FM24C256。

6.根据权利要求1或2所述的具有波形分析功能的软起动器，其特征在于：所述的通讯模块采用RS485现场总线通讯，使用Modbus协议。

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