CN102104355A - 智能内置电子熄弧旁路式软起动器 - Google Patents

Abstract

一种智能内置电子熄弧旁路式软起动器，包括电动机，其特征在于：还包括单片机、调压器、电流检测保护模块、缺相检测模块、旁路继电器控制模块、通讯模块、显示器和键盘，电动机与调压器相连接，调压器连接单片机的数据口，显示器、键盘、电流检测保护模块和缺相检测模块、旁路继电器控制模块连接单片机的数据口，通讯模块连接单片机的通讯口，旁路继电器控制模块与调压器相连接。该软起动控制器具有具有按键设置灵活，液晶显示直观，起动方式多样，限流保护和缺相保护等功能。调压器采用三相反并联晶闸管模块控制精度高。单片机串行片内EEPROM存储灵活可靠，采用显示器显示直观，RS485通讯灵活，使得整个控制器性价比更高。

Description

智能内置电子熄弧旁路式软起动器

技术领域

本发明涉及一种智能内置电子熄弧旁路式软起动器。

背景技术

大功率三相异步电动机以其结构简单、性能可靠而被广泛应用于各类工业领域。大功率电动机在直接起动的瞬间，会对电网产生很大的冲击电流，机械传动部件由于冲击转矩而产生故障。而且，直接起动容易烧坏绕组，更不允许带负载直接起动。所以，人们对三相异步电动机的起动技术也不断改进。软起动技术由最初的定子串电阻、星-三角起动、自耦减压起动发展到现代的晶闸管调压控制的智能软起动。传统的软起动控系统结构复杂、部件众多、体积庞大，导致故障率高，维修困难和维护成本高等缺点。

发明内容

根据以上现有技术中的不足，本发明要解决的技术问题是：提供一种可以克服上述缺陷，结构简单实用、能最大限度保护电动机的智能内置电子熄弧旁路式软起动器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种智能内置电子熄弧旁路式软起动器，包括电动机，其特征在于：还包括单片机、调压器、电流检测保护模块、缺相检测模块、旁路继电器控制模块、通讯模块、显示器和键盘，电动机与调压器相连接，调压器连接单片机的数据口，显示器、键盘、电流检测保护模块和缺相检测模块、旁路继电器控制模块连接单片机的数据口，通讯模块连接单片机的通讯口，旁路继电器控制模块与调压器相连接。

所述的调压器包括三相反并联晶闸管模块和D/A转换器，三相反并联晶闸管模块通过D/A转换器连接单片机。

所述的电流检测保护模块包括霍尔电流传感器、滤波电路、放大电路、A/D转换模块，霍尔电流传感器连接电动机，并通过滤波电路、放大电路、A/D转换模块连接单片机。

所述的缺相检测电路包括整流电路、滤波电路和光电隔离器，电动机的三相电压和中性点分别通过整流电路和滤波电路连接光电隔离器，光电隔离器连接单片机的数据口。

所述的通讯模块包括通讯芯片和光电隔离器，通讯芯片具有RS485通信协议，通过光电隔离器连接单片机。

所述的单片机串行片内EEPROM。

所述的旁路继电器控制模块包括输出光电隔离器和旁路继电器，单片机通过输出光电隔离器连接旁路继电器，旁路继电器与三相反并联晶闸管模块相连接。

利用晶闸管的移相控制原理，控制电路按预定的不同起动方式，通过检测同步电压信号作为移相控制脉冲的基准，检测主电路的反馈电流信号，与设定值进行比较，计算出控制量来调节三相反并联晶闸管模块的控制电压，从而实现交流输出电压的调节，使电机的端电压以设定的速度逐渐升高，达到通过调压方式控制起动电流和起动转矩的目的。当电动机起动完成并达到额定电压时，通过光电隔离器控制三相旁路继电器闭合，电动机直接投入电网运行。由于软起动器为电子调压并对电流进行检测，因此还具有对电动机和软起动器本身的热保护、限制转矩和电流冲击，三相电源不平衡、缺相、断相等保护功能。

首先通过键盘设置电流互感器的变比，起动方式，起动电压，起动电流，起动时间，停止时间等参数，并记录到单片机内。然后选择启动按钮，进入设定的起动状态，随着输出电压的升高，电动机转速不断增加直至达到额定转速，起动结束后，旁路继电器投入工作，三相反并联晶闸管模块退出工作。当电动机工作完毕后，选择软停止按钮，进入设定的软停止状态，三相反并联晶闸管模块快速导通，断开旁路继电器，单片机经过串行D/A转换器控制三相反并联晶闸管模块实现电动机的电压逐步下降，转速平稳下降，直到转速下降到0，软停止结束。

本发明所具有的有益效果是：该软起动控制器具有具有按键设置灵活，液晶显示直观，起动方式多样，限流保护和缺相保护等功能。调压器采用三相反并联晶闸管模块控制精度高。单片机串行片内EEPROM存储灵活可靠，采用显示器显示直观，RS485通讯灵活，使得整个控制器性价比更高。

附图说明

图1是本发明结构方框图；

图2是本发明调压器、显示器、通讯模块与单片机连接电路原理图；

图3是本发明缺相检测原理图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述：

如图1～图3所示，一种智能内置电子熄弧旁路式软起动器，包括电动机，还包括单片机、调压器、电流检测保护模块、缺相检测模块、旁路继电器控制模块、通讯模块、显示器和键盘，电动机与调压器相连接，调压器连接单片机的数据口，显示器、键盘、电流检测保护模块和缺相检测模块、旁路继电器控制模块连接单片机的数据口，通讯模块连接单片机的通讯口，旁路继电器控制模块与调压器相连接。

所述的调压器包括三相反并联晶闸管模块和D/A转换器，三相反并联晶闸管模块通过D/A转换器连接单片机。

所述的电流检测保护模块包括霍尔电流传感器、滤波电路、放大电路、A/D转换模块，霍尔电流传感器连接电动机，并通过滤波电路、放大电路、A/D转换模块连接单片机。

所述的缺相检测电路包括整流电路、滤波电路和输入光电隔离器，电动机的三相电压和中性点分别通过整流电路和滤波电路连接输入光电隔离器，输入光电隔离器连接单片机的数据口。

所述的通讯模块包括通讯芯片和光电隔离器，通讯芯片具有RS485通信协议，通过光电隔离器连接单片机。

所述的旁路继电器控制模块包括输出光电隔离器和旁路继电器，单片机通过光电隔离器连接旁路继电器，旁路继电器与三相反并联晶闸管模块相连接。

利用晶闸管的移相控制原理，控制电路按预定的不同起动方式，通过检测同步电压信号作为移相控制脉冲的基准，检测主电路的反馈电流信号，与设定值进行比较，计算出控制量来调节三相反并联晶闸管模块的控制电压，从而实现交流输出电压的调节，使电机的端电压以设定的速度逐渐升高，达到通过调压方式控制起动电流和起动转矩的目的。当电动机起动完成并达到额定电压时，通过光电隔离器控制三相旁路继电器闭合，电动机直接投入电网运行。由于软起动器为电子调压并对电流进行检测，因此还具有对电动机和软起动器本身的热保护、限制转矩和电流冲击，三相电源不平衡、缺相、断相等保护功能。

首先通过键盘设置电流互感器的变比，起动方式，起动电压，起动电流，起动时间，停止时间等参数，并记录到单片机内。然后选择启动按钮，进入设定的起动状态，随着输出电压的升高，电动机转速不断增加直至达到额定转速，起动结束后，旁路继电器投入工作，三相反并联晶闸管模块退出工作。当电动机工作完毕后，选择软停止按钮，进入设定的软停止状态，三相反并联晶闸管模块快速导通，断开旁路继电器，单片机经过串行D/A转换器控制三相反并联晶闸管模块实现电动机的电压逐步下降，转速平稳下降，直到转速下降到0，软停止结束。

其中单片机采用PIC16F916单片机，PIC16F916芯片具有28个引脚，片内有一个高度稳定的8MHz内置振荡器，2.0V到5.5V宽电压工作模式，具有14KB闪存程序存储器，高达352字节的RAM及256字节的数字EEPROM，芯片具有欠压复位功能，增强型看门狗定时器(WDT)、可编程低电压检测功，3个定时器及2个捕捉/比较/PWM模块，五路十位AD转换器，外围电路简单。引脚RA0-RA7、RB0-RB7、RC0-RC7、均可作为通用I/O和LCD模拟输出，I/O口数有24个。是一个比较适合于以开关量信号输入检测的性价比较高的8位单片机。

通讯芯片采用MAX487芯片实现RS485通讯控制。MAX487芯片具有RS485通信协议，可以带下位机128个、传输距离大于1km、传输速率达250kb/s。智能控制器通过RS485总线可与管理计算机相连，完成智能内置电子熄弧旁路式软起动器的系统管理。MAX487的DE为发送器使能端，DE为1时发送器可以工作，DI为输入端，A、B为输出端。当DE为0时，停止发送输出端为高阻。RE为输入使能端，RE为0时允许接收器工作，A、B为输入端，RO为输出端；RE为1时，接收器被禁止，RO为高阻状态。因此，采用半双工通讯方式，把DE和RE相连然后接PIC16F916的RC5脚，通过RC5引脚来控制收发工作状态。PIC16F916单片机经过光电隔离器实现光电隔离，光电隔离器优选高速光耦6N137，完成串行通讯接收和发送控制。

三相反并联晶闸管模块通过D/A转换器连接单片机，D/A转换器选用MAX515其分辨率为10位，电压输出建立时间为20微妙，工作电压Vcc为电压5V。DI串行数据输入，SL为串行移位脉冲输入，CS为片选输入，低电平有效。MAX515与单片机电通讯时优选利用光电隔离器传递电信号，优选高速光耦6N1371。

缺相检测分别取电动机三相相电压Va、Vb、Vc，和中性点V0，引出信号分别经过75K电阻和二极管半波整流和电容滤波后接入光电隔离器，接线图如图2所示，经过光电隔离器EL817，把三相电压开关量接入PIC16F916的RA3、RA4、RA5引脚。

单片机通过光电隔离器直接控制旁路继电器，完成旁路继电器模块的控制。

在系统中利用光电隔离器通过光的耦合作用传递电信号，提高整个系统抗干扰的能力。

本智能内置电子熄弧旁路式软起动器可完成四种启动方式即电流限流起动、电压斜坡起动、电压斜坡限电流软起动、突跳转矩起动。用户可根据不同负载及具体使用条件选择不同的起动方式，实现起动电流和负载转矩的优化组合。

(1)电流限流软起动控制方式采用电流负反馈闭环控制，给定值是电流限流值，利用电流互感器检测电枢实际的电流值，对二者的偏差计算出输出值U(k)，U(k)调节三相反并联晶闸管模块的控制电压，实现利用电流环调节起动电流不超过用户设定值。起动时，电流以一定的斜率上升至设定值，其后维持恒定，直至起动结束。然后旁路继电器投入工作，三相反并联晶闸管模块退出工作。电流的限幅值可根据实际负载情况进行调整，设定范围为电动机额定电流Ie的1到5倍。这种方式起动电流小，可按需进行调整，对电网影响较小，适应于绝大多数应用场合。

(2)电压斜坡软起动控制方式的数学模型如式Ua＝(Ue-Ur)*t/Tr+Ur，在本数学模型中，Ua为电压斜坡软起动模式时输出电压，Ue为额定相电压，Ur为软起动器输出的初始电压，Tr为软起动控制器的软起动时间，t为软起动时间内的当前时间；然后按照设定的软起动时间t平滑升高输出电压直至达到额定电压Ue，随着输出电压的升高，电动机转速不断增加直至达到额定转速，直至起动结束。然后旁路继电器投入工作，三相反并联晶闸管模块退出工作。

(3)电压斜坡限流软起动控制方式集中了前两种起动模式的优点，输出电压以设定的起动时间平稳上升，同时输出电流以一定的速率增加，当起动电流增至电流限幅值Im时，电流保持恒定，直至起动结束。然后旁路继电器投入工作，三相反并联晶闸管模块退出工作。

(4)在突跳转矩软起动控制方式中，Tk为施加突跳初始电压Uk的时间，一般设置为3秒，初始电压为Uk＝300伏，当t＜＝Tk时，软起动输出电压为Ua＝Uk。当t＞Tk时，软起动输出电压为Ua如式Ua＝(Ue-Ur)*(t-Tk)/(Tr-Tk)+Ur所示。Ua为软起动输出电压，Ue为额定电压，Ur为初始电压，Tr为软起动时间，Tk为突跳时间，t为当前时间；突跳转矩软起动模式主要应用在静态阻力比较大的负载电动机上，通过施加一个瞬时较大的起动力矩以克服大的静摩擦力。该模式下输出电压迅速达到设定的突跳电压(Uk)，当达预先设定的突跳时间(Tk)后降为起始电压，再根据设定的起动时间平滑升高输出电压直到额定电压Ue，直至起动结束。然后旁路继电器投入工作，三相反并联晶闸管模块退出工作。

Claims (7)

1.一种智能内置电子熄弧旁路式软起动器，包括电动机，其特征在于：还包括单片机、调压器、电流检测保护模块、缺相检测模块、旁路继电器控制模块、通讯模块、显示器和键盘，电动机与调压器相连接，调压器连接单片机的数据口，显示器、键盘、电流检测保护模块和缺相检测模块、旁路继电器控制模块连接单片机的数据口，通讯模块连接单片机的通讯口，旁路继电器控制模块与调压器相连接。

2.根据权利要求1所述的智能内置电子熄弧旁路式软起动器，其特征在于：所述的调压器包括三相反并联晶闸管模块和D/A转换器，三相反并联晶闸管模块通过D/A转换器连接单片机。

3.根据权利要求1所述的智能内置电子熄弧旁路式软起动器，其特征在于：所述的电流检测保护模块包括霍尔电流传感器、滤波电路、放大电路、A/D转换模块，霍尔电流传感器连接电动机，并通过滤波电路、放大电路、A/D转换模块连接单片机。

4.根据权利要求1所述的智能内置电子熄弧旁路式软起动器，其特征在于：所述的缺相检测电路包括整流电路、滤波电路和光电隔离器，电动机的三相电压和中性点分别通过整流电路和滤波电路连接光电隔离器，光电隔离器连接单片机的数据口。

5.根据权利要求1所述的智能内置电子熄弧旁路式软起动器，其特征在于：所述的通讯模块包括通讯芯片和光电隔离器，通讯芯片具有RS485通信协议，通过光电隔离器连接单片机。

6.根据权利要求1所述的智能内置电子熄弧旁路式软起动器，其特征在于：所述的单片机串行片内EEPROM。

7.根据权利要求1或2所述的智能内置电子熄弧旁路式软起动器，其特征在于：所述的旁路继电器控制模块包括输出光电隔离器和旁路继电器，单片机通过输出光电隔离器连接旁路继电器，旁路继电器与三相反并联晶闸管模块相连接。

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