CN201563083U - 一种蓄电池供电的直流电机软启动器 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种蓄电池供电的直流电机软启动器，其精度较高，启动时间和频率可调，自动稳压，无启动电流冲击，节能，无触点烧结现象，不影响其它负载正常工作。它包括LCD显示和键盘模块，综合控制模块和直流电机动力箱，综合控制模块与直流电机动力箱连接，LCD显示和键盘模块与综合控制模块双向通信；综合控制模块包括微控制器模块，电压电流信号采样模块和IGBT驱动模块，电压电流信号采样模块对直流电机动力箱和吸收回路进行电压电流实时采样，送入微控制器模块；微控制器模块依次连接PWM辅助电路、驱动电路和IGBT驱动模块，IGBT驱动模块与吸收回路和直流电机动力箱连接；驱动电路与吸收回路连接，吸收回路与微控制器模块连接；电源装置为各模块供电。

Description

一种蓄电池供电的直流电机软启动器

技术领域

本实用新型属于电力电子控制技术领域，尤其涉及利用PWM调制的蓄电池供电的直流电机软启动器，可实现功率为3.7KW-55KW的直流电动机的调速。

背景技术

传统的直流电机启动方式是采用的直流接触器切换电阻方式，即在直流电动机的电枢回路中串入大功率电阻，当电动机启动时通过电阻降压来限制电动机的启动电流，在电动机的电流或者转速达到期望值时，通过直流接触器将电阻旁路，电阻不再起任何作用，直流电动机通过旁路电路正常工作。该方式的优点是：回路简单，造价低。缺点是：其调速指标不高，调速范围不大，平滑性不好；电动机在启动时易发生电流突变，以至于会影响直流工作系统；直流接触器在多次使用后会产生触点烧结现象。

随着脉宽调制技术的成熟与大功率电力电子的广泛运用，使设计新的直流电动机启动方式成为了可能。

脉冲宽度调制(PWM，Pulse Width Modulation)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。该调制是一种模拟控制方式，是根据其相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定。PWM控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了解决传统直流电机启动方式的不足点，设计并实现了一种利用AVR单片机来控制的，精度较高的，启动时间和频率可调的，具有吸收回路保护的蓄电池供电的直流电机软启动器，它具有在直流电机稳定运行时，可以实现自动稳压的功能，没有明显的启动电流冲击；直流电机启动时没有热损耗，具有节能的功效；无直流断路器，不会产生触点烧结现象；对直流电网没有电流冲击，不会影响直流电网上的其它负载正常工作等特点。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种蓄电池供电的直流电机软启动器，它包括LCD显示和键盘模块和综合控制模块，综合控制模块与直流电机动力箱连接，所述LCD显示和键盘模块与综合控制模块双向通信；所述综合控制模块包括微控制器模块，电压电流信号采样模块和IGBT驱动模块三个模块，电压电流信号采样模块对直流电机动力箱运行参数进行电压电流实时采样，送入微控制器模块和吸收回路；微控制器模块依次连接PWM辅助电路、驱动电路和IGBT驱动模块，IGBT驱动模块与直流电机动力箱连接，对直流电动机进行自动控制；驱动电路也与吸收回路连接，吸收回路与微控制器模块连接；同时微控制器模块把直流电机动力箱的运行参数传给LCD显示和键盘模块进行显示，并接受LCD显示和键盘模块传来的指令；电源装置为各模块供电。

所述LCD显示和键盘模块通过RS485串行接口与综合控制模块进行通信，一方面可以实时显示直流电机动力箱的运行参数，另一方面对综合控制模块发出相关指令，并修改相关参数。

所述电压电流信号采样模块为霍尔元件及辅助电路。

所述LCD显示和键盘模块通过RS485协议与综合控制模块通信，LCD显示也由RS485提供+5V电压；

LCD显示包括电压电流菜单，电压电流菜单显示系统的电压电流以及PWM延时和频率大小；

运行状态菜单实时显示系统状态，包括直流电机动力箱通电状态，电机运行状态，接触器的开断，电压值，电流值正常与否；

事件记录菜单记录电机的开启，停止，以及过欠压，过欠流状况发生的时间；

PWM工作模式菜单可以对PWM频率及延时时间进行设置，便于针对不同功率的电动机进行合适的运行调速。

所述吸收回路包括电容C4串联电阻MY1后与并联的电阻R1、电阻R2、电阻R3串联，该电路消除续流二极管两端的尖峰电压；电容C5串联电阻MY2后与并联的二极管D1、二极管D2、二极管D3、电阻R4、电阻R5和电阻R6串联，该电路消除IGBT驱动模块的电压尖峰，同时还减小电流波动；其中，电容C4，电容C5为无感电容，电阻R1，R2，R3，R4，R5，R6为大功率电阻，二极管D1，D2，D3为快速恢复续流二极管，电阻MY1，MY2为压敏电阻。

所述直流电机动力箱设有箱门，在箱门上设有停止状态灯、故障灯、启动状态灯、停止按钮、启动按钮以及拨动开关。

所述电源装置包括主电源和辅助电源，其中主电源为220V直流蓄电池，辅助电源为220V供电的开关电源即把直流220V转换为24V和±15V，为驱动电路和霍尔元件及辅助电路提供电源。

本实用新型运用PWM脉宽调制的原理来控制IGBT的开通及关断，以AVR系列ATmega16单片机为控制核心，设计了一个基于PWM控制的直流电机软启动器系统，并设计了软启动电路的吸收回路对其进行保护，采用电压负反馈闭环控制方式，对直流电压进行线性调节，使加载在电枢上的电压慢慢升高，达到额定转速，同时交流接触器吸合，软启动器退出工作，达到保护蓄电池组及直流电动机，延长电动机寿命的作用。

直流电机软启动器，就是采用PWM调制技术、配置IGBT驱动模块和电压电流采集模块、电压负反馈电路、散热器系统、微控制器系统，使蓄电池供电的电源系统平稳调整电压，并具有过流，欠压以及温度保护，保障了电网电器的有效使用，确保了系统稳定，安全的运行。

在设计上，本实用新型的直流电机软启动器系统主要包括三个部分：综合控制模块、LCD显示和键盘模块和直流电机动力箱。

综合控制模块是以高性能控制器为核心的综合控制系统，它包括微控制器模块(ATmega16)，电压电流信号采样和IGBT驱动三个模块。该模块可以通过微控制器对直流电机动力箱运行参数进行电压电流实时采样，并驱动IGBT模块来实现对直流电动机的自动控制，同时还可以把直流电机动力箱的运行参数传给LCD进行显示，并接受LCD和键盘模块传来的指令。LCD显示和键盘模块通过RS485串行接口与综合控制模块进行通信，一方面可以实时显示直流电机动力箱的运行参数(电压，电流，功率，PWM延时及频率)，另一方面可以对综合控制模块发出相关指令，并修改相关参数(PWM延时及频率)。直流电机控制箱主要为电动机提供电源，保证直流电动机正常的启动和停止。图2即为直流电机软启动器的总体框图。

其中，主电源为220V直流电源，控制命令操作是通过安在机箱上的按钮和拨动开关来完成的，它可以通过按动启动，停止按钮来完成电动机的启动或停止即就地操作。也可以通过拨动开关将操作设为远方，通过上位机来操作完成电动机的启动与停止。频率时间设置可以由安装在机箱上的LCD和键盘模块来操作完成。

LCD与键盘模块可以对微控制器模块发送指令，同时也可以把单片机处理后的数据实时的接收并显示在液晶屏上。两个模块通信是由RS485来实现的，同时液晶屏的+5V供电也是有RS485来传送。电压电流菜单显示系统的电压电流以及PWM延时和频率大小；运行状态菜单中会实时显示系统状态，包括转换开关位置，电机运行状态，接触器的开断，电压值，电流值正常与否。事件记录菜单记录了电机的开启，停止，以及过欠压，过欠流等状况发生的时间，可以协助操作人员掌握电机的运行状况，便于电动机的维护。PWM工作模式菜单可以对PWM频率及延时时间进行设置，便于针对不同功率的电动机进行合适的运行调速。

吸收回路的优化设计：在直流电动机启动的过程中，PWM的频率可达8M，在高频的情况下，开关器件在高电压下导通，在大电流下关断，处于强迫开关过程，同时会造成一系列的恶劣影响。(1)过高的频率会使通过IGBT集电极的电流过大，造成过高的功率损耗，甚至会把元器件损坏。(2)IGBT和吸收回路之间的线路电感会引起电压过冲。BT开通时续流二极管会吸收电容的放电电流和反向恢复电流，开通的速度越快，IGBT承受的峰值电流就越大，甚至会损坏IGBT或续流二极管。IGBT关断时，电感负载由于快速的开通和关断会产生高频和尖峰电压，一般的电压吸收回路由于会受到续流二极管的开通速度的影响难以吸收尖峰电压，可能会造成自身或其他元器件的损坏。针对上述会出现的情况采取了以下措施：1)安装散热系统。通过安装散热片或者其他散热系统可以有效的降低IGBT和续流二极管产生的热量，显著地提高散热效率，最大程度上降低了器件的功率损耗，延长了大功率器件的使用寿命。2)为了最大限度的减小大功率电子器件断开时的过充电压和开通时的过电流，我们可以给其加入吸收电路(缓冲电路)，将过压和过流等多余的能量吸收，并存储在储能原件里，等到开关处于稳定状态的时候再把能量反馈到电源和负载中，提高元器件的利用率。3)杂散电感在高频和大电流的情况下会产生尖峰电压，因此在搭建电路的时候，要使电子元器件之间的线路尽可能的短，可使用薄而宽的铜排，中间夹一层绝缘材料，互相紧压在一起，形成低压母线，无感母线降低电压过冲的意义不仅为了避免过流或短路，还在于减轻吸收电路的负担，简化吸收电路结构，减少吸收电阻功耗。吸收回路中，C4和R1，R2，R3，MY1组成的电路可以消除续流二极管两端的尖峰电压，C5和D1，D2，D3，R4，R5，R6，MY2组成的电路可以消除IGBT模块C，E间的电压尖峰，同时在到同时还可以减小电流波动。其中，C4，C5为无感电容，R1，R2，R3，R4，R5，R6为大功率电阻，D1，D2，D3为快速恢复续流二极管，MY1，MY2为压敏电阻。功率低于20KW的直流电动机可不必加压敏电阻，功率大于20KW的直流电动机加入压敏电阻后可有效的抑制尖峰电压脉冲。在为了降低温度损耗，这些大功率电子器件必须安放在散热片上面。

直流电机动力箱箱门的红灯代表电动机停止运行，黄灯代表电动机运行出现故障或保护，绿灯代表电动机正在运行；拨动开关用来选择电动机运行于“远方“还是”就地“；红色按钮用于停机操作，绿色按钮用于启动操作。

本实用新型的操作过程(就地操作)：

(1)检测整台设备的电源接线顺序，分别按一下各个控制按钮，判断是否灵活，准确无误后，接通供电电源。

(2)主电源为直流电动机提供220V电压，并由辅助电源模块提供IGBT模块和电压电流信号采集模块(霍尔原件及辅助电路)所需要的+15V和-15V电压以及单片机工作所需要的+5V电压。

(3)LCD和键盘模块设置PWM的时间延时和频率，并把这些命令发送至单片机。

(4)控制命令操作中把拨动开关设置在就地状态。

(5)控制命令操作(启动，停止)使直流电动机以设置好的参数启动，随着PWM脉冲的调制，电压电流会逐渐上升，直至电动机稳定运行，同时代表启动状态的指示灯(绿)亮，代表停止状态的指示灯(红)灭。微处理器会根据运行期间采集到的相关数据进行欠压，欠流保护。如果系统运行出现故障LCD和键盘模块上面的蜂鸣器会发出警报，同时代表故障状态的黄灯会亮起。

(6)控制命令操作(启动，停止)使直流电动机已设置好的参数停止，随着PWM脉冲的调制，电压电流逐渐降低直至数值变为0，电动机停止运转，同时代表启动状态的指示灯(绿)灭，代表停止状态的指示灯(红)亮。

(7)操作结束。

直流电机运行过程中的数据会在LCD上实时显示，可根据上传来的数据进行设置系统的运行速率，同时热继电器保护，励磁欠流保护，IGBT保护也会根据所采集到的数据开启。当然，我们也可以对上述操作进行远方操作。

RS-485接口具有良好的抗噪声干扰性，长的传输距离和多站能力等优点，其通讯距离可达几千米，在此，远方上位机与微处理器模块的通信就是用RS485来完成。

本实用新型的操作过程(远方操作)：

(1)通电后，将拨动开关置于远方状态，此刻，“启动“，”停止“按钮都不能工作，只有远方信号有效。

(2)远方开机信号到来时电动机启动运行，代表停止状态的指示灯(红)灭，代表启动状态的指示灯(绿)亮。微处理器会根据运行期间采集到的相关数据进行欠压，欠流保护。如果系统运行出现故障LCD和键盘模块上面的蜂鸣器会发出警报，同时代表故障状态的黄灯会亮起。

(3)远方停机信号到来时电动机会逐渐停止运行，此刻代表停止状态的指示灯(红)亮，代表启动状态的指示灯(绿)灭。

(4)操作结束。

附图说明

图1为本实用新型的系统结构图；

图2为微控制器模块结构图；

图3为吸收回路图；

图4为直流电机动力箱箱门结构图。

其中，1.LCD显示和键盘模块，2.综合控制模块，201.微控制器模块，202.电压电流信号采样模块，203.IGBT驱动模块，204.吸收回路205.PWM辅助电路，206.驱动电路，207.主电源，208.辅助电源，3.直流电机动力箱，301.停止状态灯，302.故障灯，303.启动状态灯，304.停止按钮，305.启动按钮，306.拨动开关。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型做进一步说明。

图1中，蓄电池供电的直流电机软启动器，它包括LCD显示和键盘模块1和综合控制模块2，综合控制模块2与直流电机动力箱3连接。LCD显示和键盘模块1与综合控制模块2双向通信。

图2中，综合控制模块2包括微控制器模块201，电压电流信号采样模块202和IGBT驱动模块203三个模块，电压电流信号采样模块202对直流电机动力箱3运行参数进行电压电流实时采样，送入微控制器模块201；微控制器模块201依次连接PWM辅助电路205、驱动电路206和IGBT模块203，IGBT模块203与直流电机动力箱3连接，对直流电动机进行自动控制；驱动电路206也与吸收回路204连接，吸收回路204与微控制器模块201连接；同时微控制器模块201把直流电机动力箱3的运行参数传给LCD显示和键盘模块1进行显示，并接受LCD显示和键盘模块1传来的指令；电源装置为各模块供电。电压电流信号采样模块202为霍尔元件及辅助电路。电源装置包括主电源207和辅助电源208，其中主电源207为220V直流蓄电池，辅助电源为220V供电的开关电源即把直流220V转换为24V和±15V，为驱动电路和霍尔元件及辅助电路提供电源。

图3中，吸收回路包括电容C4串联电阻MY1后与并联的电阻R1、电阻R2、电阻R3串联，该电路消除续流二极管两端的尖峰电压；电容C5串联电阻MY2后与并联的二极管D1、二极管D2、二极管D3、电阻R4、电阻R5和电阻R6串联，该电路消除IGBT模块的电压尖峰，同时还减小电流波动；其中，电容C4，电容C5为无感电容，电阻R1，R2，R3，R4，R5，R6为大功率电阻，二极管D1，D2，D3为快速恢复续流二极管，电阻MY1，MY2为压敏电阻。

LCD显示和键盘模块1通过RS485串行接口与综合控制模块2进行通信，一方面可以实时显示直流电机动力箱3的运行参数，另一方面对综合控制模块2发出相关指令，并修改相关参数。

LCD显示和键盘模块1通过RS485串行接口与综合控制模块2通信，LCD显示也由RS485提供+5V电压；LCD显示包括电压电流菜单，电压电流菜单显示系统的电压电流以及PWM延时和频率大小；运行状态菜单实时显示系统状态，包括直流电机动力箱通电状态，电机运行状态，接触器的开断，电压值，电流值正常与否；事件记录菜单记录电机的开启，停止，以及过欠压，过欠流状况发生的时间；PWM工作模式菜单可以对PWM频率及延时时间进行设置，便于针对不同功率的电动机进行合适的运行调速。

图4中，直流电机动力箱3设有箱门，在箱门上设有停止状态灯301、故障灯302、启动状态灯303、停止按钮304、启动按钮305以及拨动开关306。

Claims (7)

1.一种蓄电池供电的直流电机软启动器，它包括LCD显示和键盘模块，综合控制模块和直流电机动力箱，综合控制模块与直流电机动力箱连接，其特征是，所述LCD显示和键盘模块与综合控制模块双向通信；所述综合控制模块包括微控制器模块，电压电流信号采样模块和IGBT驱动模块三个模块，电压电流信号采样模块对直流电机动力箱和吸收回路进行电压电流实时采样，送入微控制器模块；微控制器模块依次连接PWM辅助电路、驱动电路和IGBT驱动模块，IGBT驱动模块与直流电机动力箱连接，对直流电动机进行自动控制；驱动电路也与吸收回路连接，吸收回路与微控制器模块连接；同时微控制器模块把直流电机动力箱的运行参数传给LCD显示和键盘模块进行显示，并接受LCD显示和键盘模块传来的指令；电源装置为各模块供电。

2.如权利要求1所述的蓄电池供电的直流电机软启动器，其特征是，所述LCD显示和键盘模块通过RS485串行接口与综合控制模块进行通信，一方面可以实时显示直流电机动力箱的运行参数，另一方面对综合控制模块发出相关指令，并修改相关参数。

3.如权利要求1所述的蓄电池供电的直流电机软启动器，其特征是，所述电压电流信号采样模块为霍尔元件及辅助电路。

4.如权利要求1所述的蓄电池供电的直流电机软启动器，其特征是，所述LCD显示和键盘模块通过RS485协议与综合控制模块通信，LCD显示也由RS485提供+5V电压：

LCD显示包括电压电流菜单，电压电流菜单显示系统的电压电流以及PWM延时和频率大小；

运行状态菜单实时显示系统状态，包括直流电机动力箱通电状态，电机运行状态，接触器的开断，电压值，电流值正常与否；

事件记录菜单记录电机的开启，停止，以及过欠压，过欠流状况发生的时间；

PWM工作模式菜单可以对PWM频率及延时时间进行设置，便于针对不同功率的电动机进行合适的运行调速。

5.如权利要求1所述的蓄电池供电的直流电机软启动器，其特征是，所述吸收回路包括电容C4串联电阻MY1后与并联的电阻R1、电阻R2、电阻R3串联，该电路消除续流二极管两端的尖峰电压；电容C5串联电阻MY2后与并联的二极管D1、二极管D2、二极管D3、电阻R4、电阻R5和电阻R6串联，该电路消除IGBT驱动模块的电压尖峰，同时还减小电流波动；其中，电容C4，电容C5为无感电容，电阻R1，R2，R3，R4，R5，R6为大功率电阻，二极管D1，D2，D3为快速恢复续流二极管，电阻MY1，MY2为压敏电阻。

6.如权利要求1所述的蓄电池供电的直流电机软启动器，其特征是，所述直流电机动力箱设有箱门，在箱门上设有停止状态灯、故障灯、启动状态灯、停止按钮、启动按钮以及拨动开关。

7.如权利要求1所述的蓄电池供电的直流电机软启动器，其特征是，所述电源装置包括主电源和辅助电源，其中主电源为220V直流蓄电池，辅助电源为220V供电的开关电源即把直流220V转换为24V和±15V，为驱动电路和霍尔元件及辅助电路提供电源。

Images