CN102480120A

CN102480120A - 一种异步电动机自适应控制及保护系统

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Publication number: CN102480120A
Application number: CN2010105665906A
Authority: CN
Inventors: 杨波; 张建辉; 陈兴文
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2012-05-30

Abstract

一种异步电动机自适应控制及保护系统，其特征在于：包括系统核心控制模块、电源模块、功率因数模块、模拟信号采集模块、晶闸管和数据传输模块组成；电源模块、功率因数模块、模拟信号采集模块、晶闸管和数据传输模块和系统核心控制模块连接。系统核心控制模块有S3C44B0系列单片机、同步信号检测模块和触发电路模块组成，触发电路模块采用有两个副绕阻的脉冲变压器。模拟信号采集模块由电压信号采集模块和电流信号采集模块组成。本发明具有提高了异步电机的工作效率，在过载、三相不平衡以及缺相情况下使其自动断电，对其进行保护，延长电机的使用寿命，同时增加了软启动功能，解决了启动时电流过大造成能源浪费的问题等优点。

Description

一种异步电动机自适应控制及保护系统

技术领域本发明涉及异步电动机控制系统，尤其涉及一种自适应节能控制及保护系统。

背景技术目前我国电力工业发电装机容量达到3.16亿kW，年发电量达到了13500亿kWh。我国的电力消耗仅次于美国位居世界第二位，但是我国人均用电量只有1038kWh，还不到发达国家用电水平的10％。

随着工业化城镇化进程加快，无论在工业部门还是在日常生活领域，各种各样的电机每年都消耗着大量的电能，根据有关资料的估计，通用三相异步电机每年耗电量约为全球发电总量的50％，如何降低电机能耗，实现节能和高效，越来越为人们所重视。电机系统包括电动机、被拖动装置、传动控制系统及管网负荷。电机系统用电量约占全国用电量的60％，其中风机、泵类、压缩机和空调制冷剂的用电量分别占全国用电量的10.4％、20.9％、9.4％、和6％。

电机系统量大面广，节电潜力巨大。我国现有电机系统存在的主要问题是：电动机被拖动设备效率低，电动机、风机、泵等设备陈旧落后；系统匹配不合理，“大马拉小车”现象严重，设备长期低负荷运行；系统调节方式落后，大部分风机、泵类采用机械节流方式调节，效率比调速方式约低30％；同时，现有电机系统未能对电机过载、缺相和三相不平衡情况下进行控制保护；电机在启动时电流较大，这不但会对电网造成冲击，而且是一种能源浪费。

发明内容本发明的目的是提供一种能够提高异步电机的轻载或者变载时的经济性能，并且在节电控制系统中加入了过载保护，缺相保护以及三相不平衡等故障判断和保护功能的一种异步电动机自适应控制及保护系统。

本发明解决技术问题是采用以下技术方案实现的：

一种异步电动机自适应控制及保护系统，其特征在于：包括系统核心控制模块、电源模块、功率因数模块、模拟信号采集模块、晶闸管和数据传输模块组成；电源模块、功率因数模块、模拟信号采集模块、晶闸管和数据传输模块和系统核心控制模块连接。系统核心控制模块有S3C44B0系列单片机、同步信号检测模块和触发电路模块组成，触发电路模块采用有两个副绕阻的脉冲变压器。模拟信号采集模块由电压信号采集模块和电流信号采集模块组成。

使用时，先系统上电后对主芯片的各个控制寄存器进行初始化设置，然后读取拨码开关已设定好的数据进行相关功能设定。根据拨码开关各个功能为的不同，系统可以设定软启动启动电压的高低、软启动的快慢等相关功能，然后程序进入上电后电源电压检测部分，若电源电压不正常(通常情况是由于大意疏忽导致电源电压连接不牢固)，则程序将停留在该子程序进行连续的检测判断，若电源电压正常后，则跳出该子程序，进入软启动部分，并将晶闸管初始控制角设为零，至此初始化程序结束。在完成软启动后，在程序控制下的晶闸管会在全导通的情况下运行大致一分钟的时间，在这期间，交流电压的采集首先经过电压互感器取样后再送入前置差动放大调理电路，对输入电路进行调理放大，调理后的信号输入检波电路，经过检波电路对交流信号进行全波整流，整流后的信号经过RC滤波电路转换为直流信号，将该直流信号传送给主控芯片。交流电流经过电流互感器取样后再送到电阻R18得到交流电压信号，然后输入相敏检波电路，进过相敏检波电路对交流信号进行全波整流，整流后的信号经过RC滤波电路转化为直流信号，将该直流信号传送给主芯片进行功率因数角的分析，如图6所示，线电压UAB作为电压取样信号，经过电压互感器T1，由R3分压后输送到比较器的同相端。UAB在负半周时，过零比较器输出低电平，UAB在正半周上时，比较器输出高电平。比较器输出的信号同时也可以作为电压同步信号直接送到单片机的外部中断0。外部中断0设置为边沿触发。单片机一旦检测到电压取样信号由正变负跃变时，就能使定时器1和定时器输入捕获功能。线电流IAB经电流互感器T2采样R5采样后，输出到比较器的同相端，当电流信号由负向正变化时，就触发定时器1的输入捕获功能，通过读取输入捕获寄存器ICR1的值，就可以得到电流相对电压的时间延迟。如果A相电流过零，送A相触发脉冲到晶闸管。若B相电流过零，松香B相触发脉冲，此时判断是否过载，若过载，打开交流接触器旁路，在此判断是否过载，直到负载正常，断开旁路。若C相电流过零，送C相触发脉冲，判断三相电路是否不平衡，若不平衡，则对其进行断电复位，如果平衡，将其送至晶闸管实现降压处理，根据负载实际情况开始调整电动机端供电电压。

与已有技术相比，本发明的有益效果为：提高了异步电机的工作效率，在过载、三相不平衡以及缺相情况下使其自动断电，对其进行保护，延长电机的使用寿命，同时增加了软启动功能，解决了启动时电流过大造成能源浪费的问题。

附图说明图1为本发明的流程执行图。

图2为本发明的系统框图。

图3为本发明的同步信号检测电路图。

图4为本发明的同步电路检测波形图。

图5为本发明的触发电路图。

图6为本发明的功率因数检测电路图。

图7为本发明的功率因数检测波形图。

图8为本发明的电压信号采集电路图。

图9为本发明的电流信号采集电路图。

图10为本发明的CAN控制器接收电路图。

图11为本发明的电源电路图。

图12为本发明的负电源电路图。

具体实施方式在图1所示的本发明的流程执行图中，首先系统上电后对主芯片的各个控制寄存器进行初始化设置，然后读取拨码开关已设定好的数据进行相关功能设定。

在图2所示的本发明的系统框图中，包括系统核心控制模块、电源模块、功率因数模块、模拟信号采集模块、晶闸管和数据传输模块组成；电源模块、功率因数模块、模拟信号采集模块、晶闸管和数据传输模块和系统核心控制模块连接。系统核心控制模块有S3C44B0系列单片机、同步信号检测模块和触发电路模块组成，触发电路模块采用有两个副绕阻的脉冲变压器。模拟信号采集模块由电压信号采集模块和电流信号采集模块组成。

在图3所示的本发明的同步信号检测电路图中，给出了A相同步信号的检测电路的设计，B相、C相得同步检测原理雷同A。线电压Uab经电压互感器T1隔离降压后，电阻R3分压及电容C1过滤高次谐波后，通过LM224高增益运算放大器整形为方波信号，再将其方波信号送入74LS14施密特反相整形，从而得到方波，然后送入单片机的中断端口INT0，INT1.INT0，INT1采用中断方式工作，分别检测同步信号由负到正和由正到负的过零点。

在图4所示的本发明的同步电路检测波形图中，方波具有陡峭上下沿。

在图5所示的本发明的触发电路图中，采用有两个副绕阻的脉冲变压器，对一组反相并联的晶闸管T1、T2分别触发，是其中承受正向电压的一个导通，1413作为驱动器，来驱动脉冲变压器。

在图6所示的本发明的功率因数检测电路图中，线电压UAB作为电压取样信号，经过电压互感器T1，由R3分压后输送到比较器的同相端。UAB在负半周时，过零比较器输出低电平，UAB在正半周上时，比较器输出高电平。比较器输出的信号同时也可以作为电压同步信号直接送到单片机的外部中断0。外部中断0设置为边沿触发。单片机一旦检测到电压取样信号由正变负跃变时，就能使定时器1和定时器输入捕获功能。线电流IAB经电流互感器T2采样R5采样后，输出到比较器的同相端，当电流信号由负向正变化时，就触发定时器1的输入捕获功能，通过读取输入捕获寄存器ICR1的值，就可以得到电流相对电压的时间延迟。晶闸管调压后，电机端电压不再是完整的正弦波，其电流也不再是连续的正弦波。

在图7所示的本发明的功率因数检测波形图中，电机端电压不再是完整的正弦波，其电流也不再是连续的正弦波。

在图8所示的交流电压的采集首先经过电压互感器取样后再送入前置差动放大调理电路，对输入电路进行调理放大，调理后的信号输入检波电路，经过检波电路对交流信号进行全波整流，整流后的信号经过RC滤波电路转换为直流信号，该信号输入S3C44B0的A/D转换管脚。

在图9所示的本发明的电流信号采集电路图中，交流电流经过电流互感器取样后再送到电阻R18得到交流电压信号，然后输入相敏检波电路，进过相敏检波电路对交流信号进行全波整流，整流后的信号经过RC滤波电路转化为直流信号输入S3C44B0的A/D转换管脚。

在图10所示的本发明的CAN控制器接收电路图中，数据传输模块采用CAN总线与各触发板之间的互联以及控制器与PC机的通信，选用PCA82C250作为CAN控制器和物理传输线路之间的接口元件，其引脚1和4分别与单片机的TXD和RXD直接相连

在图11所示的本发明的电源电路图中，晶闸管驱动模块需要+10V的驱动电压，运算放大器采用双电源供电，需要+10V和-5V的驱动电压，系统其它有源器件需要+5V的驱动电压，因而本系统的电源模块输入380V的交流电压，输出+10V、+5V、-5V的直流电压，为避免晶闸管驱动模块对其它器件的干扰，晶闸管驱动模块的电压源与其他电压源相互隔离，所以同步电压器采用具有两个副绕阻的变压器，其中一个副绕阻的输出电压经整流桥滤波后，可直接获得+10V的电压，作为晶闸管驱动模块的电压源，另一副边绕阻的输出电压经整流桥滤波后，再通过稳压块7805，可以获得+5V的电压输出。

在图12所示的本发明的负电源电路图中，本模块中采用电压转换芯片7660把+5V电压转化为-5V电压。

Claims

1.一种异步电动机自适应控制及保护系统，其特征在于：包括系统核心控制模块、电源模块、功率因数模块、模拟信号采集模块、晶闸管和数据传输模块组成；电源模块、功率因数模块、模拟信号采集模块、晶闸管和数据传输模块和系统核心控制模块连接。

2.根据权利要求1所述的一种异步电动机自适应控制及保护系统，其特征在于：系统核心控制模块有S3C44B0系列单片机、同步信号检测模块和触发电路模块组成，触发电路模块采用有两个副绕阻的脉冲变压器。

3.根据权利要求1所述的一种异步电动机自适应控制及保护系统，其特征在于：模拟信号采集模块由电压信号采集模块和电流信号采集模块组成。