【文章內(nèi)容簡介】 照設(shè)定的模式發(fā)出觸發(fā)脈沖以驅(qū)動晶閘管模塊的導(dǎo)通，單片機通過控制觸發(fā)脈沖的寬度來改變晶閘管的觸發(fā)角的大小，電機軟起動開始。電機起動過程中，檢測電路將電機的電壓、電流、轉(zhuǎn)速等參數(shù)送入80C196KC中：一方面對電機軟起動過程中的突發(fā)過流、過壓等故障進行實時保護；另一方面則對采集的數(shù)據(jù)進行計算，以保證電機按預(yù)定的控制規(guī)律進行軟起動。同時，80C196KC將電機起動期間的各項參數(shù)的運算結(jié)果在LCD顯示器上顯示出來。電機起動過程中，晶閘管的觸發(fā)角逐漸減少，晶閘管的輸出電壓也逐漸增加，直到達到電機的額定電壓，電機轉(zhuǎn)速從零開始加速，實現(xiàn)電動機的無級平滑起動。在運行中通過對電機的工作電壓和電流的采樣值與保護閥值相比較，判斷是否發(fā)生過壓、過流等情況。另外，還要對膠帶輸送機進行故障檢測，如果發(fā)生膠帶跑偏、打滑和斷帶等故障則及時發(fā)出報警信息，并作出保護反應(yīng)。 系統(tǒng)主電路設(shè)計主電路的設(shè)計采用晶閘管三相交流調(diào)壓原理，通過相控調(diào)壓的方式調(diào)節(jié)電機定子端電壓的大小來實現(xiàn)電機軟起動。主電路接線圖如圖32所示。用三組雙向反并聯(lián)晶閘管分別串聯(lián)在Y接法的電機三相定子線圈上，這種接法各相波形對稱，輸出波形中諧波較少且不含偶次諧波，調(diào)速性能優(yōu)越，控制系統(tǒng)簡單、可靠。圖32 晶閘管三相調(diào)壓主電路處在阻斷狀態(tài)下晶閘管的PN結(jié)的結(jié)面相當于一個結(jié)電容，當加到晶閘管上的正向電壓上升率過大時，會使流過PN結(jié)的結(jié)面的充電電流過大，起到了觸發(fā)電流的作用，造成晶閘管誤導(dǎo)通，從而引起較大的浪涌電流，損壞晶閘管。因此對電壓上升率也必須予以限制，使之小于晶閘管的斷態(tài)電壓臨界上升率。本系統(tǒng)在每一晶閘管的兩端并聯(lián)RC阻容吸收回路進行電壓上升率的限制。煤礦使用的電子式軟啟動器不允許長期在額定負載工況下運行，本設(shè)計采用旁路接觸器，在啟動完畢后把它短接。由于系統(tǒng)的檢測電路在電機側(cè)，因此短接后電動機運行回路仍有過載等保護功能。在實際應(yīng)用過程中，若工藝條件許可，一臺軟啟動器可用于多臺電動機的軟啟動，軟啟動器按其中最大電動機容量進行選擇，這樣便可大大節(jié)省投資費用。CPU通過調(diào)節(jié)晶閘管觸發(fā)角逐漸將電壓升至電機的額定電壓后，發(fā)出旁路控制信號，旁路接觸器常開觸點閉合，將晶閘管三相調(diào)壓模塊旁路短接掉，電機進入額定運行狀態(tài)，至此，電機整個軟起動過程結(jié)束。若需要運行中的電機進行停機，則由鍵盤向系統(tǒng)發(fā)出停機指令，CPU接到停機命令后將旁路接觸器觸點斷開，此時晶閘管三相調(diào)壓模塊再次接入，調(diào)節(jié)晶閘管觸發(fā)角執(zhí)行軟停車功能，直至電機軟停車完畢。 微處理器的選擇及其基本外圍電路由于膠帶輸送機控制系統(tǒng)比較大，對系統(tǒng)穩(wěn)定性要求高，輸送機的軟啟動、故障檢測、實時保護等環(huán)節(jié)都要求CPU要有較高的運算速度和比較完善的中斷及I/O口資源，并能夠及時地處理一些緊急突發(fā)事件。根據(jù)以上分析，8位單片機已無法滿足該裝置的要求，因此，本裝置選用了Intel公司的16位微控制器80C196KC作為系統(tǒng)控制核心。MCS96系列16位單片機是一種在工業(yè)界應(yīng)用廣泛的嵌入式控制器，由于它的高性能的寄存器——寄存器結(jié)構(gòu)，使其非常適用于以實時控制為主的應(yīng)用，如工業(yè)自動化控制、車輛控制、電機控制等。而80C196KC是Intel公司生產(chǎn)的CHMOS高性能低功耗16位單片機，其CPU采用寄存器——寄存器結(jié)構(gòu)，CPU直接面向512字節(jié)的寄存器，消除了CPU結(jié)構(gòu)中單一累加器的瓶頸，提高操作速度和數(shù)據(jù)吞吐能力。同時80C196KC還集成了更為豐富的外設(shè)裝置，如：PTS(外設(shè)事務(wù)服務(wù)器)、EPA(事件處理器陣列)、HSIO(高速輸入／輸出器)、ADC等，具有速度快，可靠性高，功能強大，硬件資源資源豐富等特點。80C196KC單片機具有高速輸入、輸出口(～～)，它們獨立于CPU而工作。本設(shè)計中，、B、C三相線電壓的過零點發(fā)生的時間，時間基準由定時器提供形成同步信號。HSO口的輸出信號可以預(yù)先設(shè)置，并且可以對6個引腳同時尋址，這正好可以用作三相全控橋的六路觸發(fā)脈沖輸出，在程序設(shè)計時只要根據(jù)觸發(fā)角的要求，～，就可以實時觸發(fā)相應(yīng)的晶閘管。另外，80C196KC單片機還具有外設(shè)事件服務(wù)器PTS，對中斷提供了一種類似于DMA的響應(yīng)，更有效地處理中斷事務(wù)，使CPU的開銷比一般的中斷響應(yīng)要小得多，增加了單片機的實時性。本設(shè)計中單片機80C196KC采用最常用的PLCC封裝形式，其管腳及基本外圍電路如圖33所示。為提高運算速度，單片機振蕩電路采用16MHz的晶振，因此其狀態(tài)周期為167ns；復(fù)位電路采用上電復(fù)位加按鈕手動復(fù)位方式；EA端口為存儲器選擇信號，由于本系統(tǒng)擴展了ROM和RAM存儲器，因此EA端口接低電平。圖33 單片機80C196KC及其基本外圍接口電路 同步脈沖信號檢測電路為保證晶閘管的正常工作，很重要的一點是保證按觸發(fā)角α的大小在正確的時刻向電路中的晶閘管施加有效的觸發(fā)脈沖。這就要求其觸發(fā)脈沖要與其陽極電壓必須保持嚴格的相位關(guān)系，才能實現(xiàn)晶閘管的相控調(diào)壓。因此，晶閘管同步電路設(shè)計是一個非常重要的環(huán)節(jié)。本設(shè)計中采用同步變壓器作為同步測量器件，同步變壓器具有體積小，價格低廉，相位關(guān)系確定等優(yōu)點。將其一次側(cè)接入為主電路供電的電網(wǎng)，由其二次側(cè)提供同步電壓信號，這樣，由同步變壓器決定的觸發(fā)脈沖頻率與主電路晶閘管電壓頻率始終是一致的。同步電壓檢測電路設(shè)計如圖34所示。圖34 同步電壓檢測電路在同步變壓器二次側(cè)各相的相電壓經(jīng)過電壓比較器LM339比較后輸出，再經(jīng)TIL117光電隔離后形成SSS3三個方波邏輯電平同步信號，、。而S1⊕S2⊕S3的邊沿正好與自然換相點重合，因此可以利用它作為同步電壓信號向80C196KC申請中斷，進行同步認相判斷。SS當同步脈沖信號的上跳沿發(fā)生時，、各信號的波形如圖35所示（其中S=S1⊕S2⊕S3）。需要注意的是本電路檢測到的為自然換相點，各相電壓的過零點滯后于自然換相點30176。，在單片機計算觸發(fā)脈沖時刻時，需要減去30176。圖35 同步電壓信號波形⊕S2⊕S3的狀態(tài)，當有跳變時發(fā)生中斷，進入中斷服務(wù)子程序，并通過進一步查詢SSS3的狀態(tài)來判斷此時HSO的輸出的位置，其邏輯關(guān)系如表31所示，可依據(jù)此進行編程。表31 同步認相電路邏輯關(guān)系自然換相點電源狀態(tài)S1 S2 S3將要被觸發(fā)的晶閘管號（括號內(nèi)為補發(fā)觸發(fā)脈沖)HSO通道號0 0 1VT1（VT6）0 1 1VT2（VT1）0 1 0VT3（VT2）1 1 0VT4（VT3）1 0 0VT5（VT4）1 0 1VT6（VT5） 晶閘管觸發(fā)脈沖驅(qū)動電路 晶閘管脈沖觸發(fā)電路是軟啟動系統(tǒng)電路中非常關(guān)鍵的一部分。為確保電路的正常工作，同時導(dǎo)通的兩個晶閘管需保證均有觸發(fā)脈沖，目前主要采用以下兩種脈沖觸發(fā)形式：一種是寬脈沖觸發(fā)，脈沖寬度大于60176。（一般選取80176。~100176。)。另一種是雙窄脈沖觸發(fā)，在觸發(fā)某個晶閘管的同時，給序號緊前的一個晶閘管補發(fā)脈沖。兩個脈沖的前沿相差60176。，脈寬為20176。~30176。雙脈沖電路復(fù)雜，但要求的觸發(fā)電路輸出功率小。寬脈沖觸發(fā)電路雖可以少輸出一半脈沖，但需將鐵芯體積做得較大，增加繞組匝數(shù)，以抑制脈沖變壓器飽和。為不使脈沖變壓器飽且減少不必要的功率消耗，本設(shè)計中采用雙窄脈沖觸發(fā)方式，如圖36所示。圖36 晶閘管雙窄脈沖觸發(fā)示意圖晶閘管的脈沖觸發(fā)需要一定的電壓幅值、電流強度和觸發(fā)功率，否則晶閘管就無法正常進行觸發(fā)。脈沖觸發(fā)信號由單片機直接輸出，其幅值和功率都不能滿足要求，必須經(jīng)過功率放大器件才能可靠的觸發(fā)晶閘管。為保證晶閘管能正?？煽康挠|發(fā)，觸發(fā)電路設(shè)計如圖37所示。前面所述的精確同步電路檢測到的同步脈沖信號通過單片機80C196KC的 ，經(jīng)過單片機的運算后，～。為了抑制功放電路對控制系統(tǒng)造成的干擾，在前面加了一級光電耦合器進行隔離；為了滿足晶閘管門極對觸發(fā)脈沖的功率要求，在電路中設(shè)置了三極管和脈沖變壓器對觸發(fā)脈沖進行功率放大，同時脈沖變壓器也起到了隔離的作用；穩(wěn)壓管D8起電壓箝位的作用，從而保證形成一定幅值的觸發(fā)脈沖；脈沖變壓器的副邊接入了兩個二極管，保證了輸出正的觸發(fā)脈沖。圖37 觸發(fā)脈沖驅(qū)動電路觸發(fā)電路工作原理為：~，其輸出為“1”，光電隔離TIL117截止，則三極管Q基極為高電平，因此三極管導(dǎo)通，此時脈沖變壓器T原邊和電源構(gòu)成回路，其副邊向有脈沖輸出，在晶閘管門極形成滿足晶閘管門極觸發(fā)條件的觸發(fā)脈沖。反之，由于脈沖變壓器副邊的兩個二極管的作用，脈沖變壓器無脈沖輸出，晶閘管門極無觸發(fā)脈沖。 反饋采樣電路 電流采樣電路本系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制調(diào)速方法，電流采樣作為雙閉環(huán)控制設(shè)計中的電流反饋部分，地位至關(guān)重要，是軟起動器電路設(shè)計中不可或缺的一環(huán)。電機整個起動過程中需要對起動電流進行實時檢測：一方面將電流值送入控制器CPU中進行數(shù)值計算，完成電機起動；另一方面與過流設(shè)定值進行比較，實現(xiàn)過流故障的及時保護。如圖48所示，本設(shè)計中采用三個電流互感器(型號為TBC50BA/BR)作為檢測元件，電流的反饋信號取自電動機的定子側(cè)，其三相電流輸出端UKW1經(jīng)二極管(D1~D6)三相全波整流、電阻分壓、電容濾波后得到一直流電壓信號，再經(jīng)過由運算放大器LM324構(gòu)成的電壓跟隨器后，再經(jīng)RC濾波后送入CPU的A/D口進行AD轉(zhuǎn)換就得到了我們需要的電流信號。為保護單片機的A/D口不受干擾電壓尖峰損壞，特別加入了兩個二極管構(gòu)成的電壓限幅環(huán)節(jié)。圖38 電流檢測電路 電壓采樣電路軟啟動器在運行過程中需要不斷對調(diào)壓后輸出的電壓進行采樣，一方面作為調(diào)壓效果的反饋，另一方面通過對電壓信號采樣也可以確定電路是否正常工作，以及電機是否工作在過壓欠壓等不良狀態(tài)，從而及時作出保護響應(yīng)，是保護電路的一部分。電壓采樣是通過電壓互感器來實現(xiàn)的，其調(diào)理原理同電流信號調(diào)理原理，電路圖如圖49所示。處理后的信號也輸入80C196KC的A/D口，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后得到電壓的反饋值，再根據(jù)值的大小進行判斷和處理。此反饋電壓信號既作為軟啟動控制算法電壓反饋信號，又作為電動機運行時的過壓和欠壓保護信號。圖39 電壓檢測電路 轉(zhuǎn)速采樣電路電機轉(zhuǎn)速檢測是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的速度反饋環(huán)節(jié)。電機轉(zhuǎn)速的檢測方案可分成兩類：用測速發(fā)電機檢測或用脈沖發(fā)生器檢測。測速發(fā)電機的工作原理是將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，它運行可靠，但體積大，精度低，且由于測量值是模擬量，必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后讀入計算機。脈沖發(fā)生器的工作原理是按發(fā)電機轉(zhuǎn)速高低，每轉(zhuǎn)發(fā)出相應(yīng)數(shù)目的脈沖信號。按要求選擇或設(shè)計脈沖發(fā)生器，能夠?qū)崿F(xiàn)高性能檢測。在眾多的數(shù)字式轉(zhuǎn)速傳感器中，因霍爾傳感器具有高可靠性、長壽命、無火花、抗污染能力強、構(gòu)造簡單、性能好等優(yōu)點，所以本設(shè)計選用NJK5002C型霍爾傳感器作為電機控制系統(tǒng)中電機轉(zhuǎn)速傳感器。圖310 霍爾傳感器測速原理圖如圖310所示，在與電機連接的驅(qū)動滾筒的周邊均勻地安裝幾塊磁鋼片，將霍爾傳感器固定在合適的位置，隨著滾筒的滾動，當磁鋼片經(jīng)過霍爾傳感器時將感應(yīng)出一個脈沖信號，此脈沖信號經(jīng)過處理后輸入單片機，通過單片機的HIS口進脈沖計數(shù)，經(jīng)過運算后便可輸出轉(zhuǎn)速結(jié)果，并可通過轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)運行狀況進行分析。其電路原理圖如圖311所示。圖311 電機轉(zhuǎn)速檢測電路 若滾筒周圍安裝了m1個磁鋼片，在被測信號m2個周期內(nèi)，單片機收到的脈沖數(shù)為m3，假設(shè)內(nèi)部時鐘為16MHz，則電機轉(zhuǎn)速為：（r/min） （31） 保護系統(tǒng)電路的設(shè)計 過壓欠壓保護當電機經(jīng)常處于過壓運行時，鐵損增加，效率降低。同時鐵損的增加，帶來鐵芯的溫升、電極的冷卻、絕緣層壽命的縮短以及金屬某些物理性質(zhì)變壞等諸多問題，所以電機不能長時間地運行在過壓狀態(tài)，因此在系統(tǒng)中加入過壓及欠壓保護環(huán)節(jié)很有必要。在本系統(tǒng)中，電壓反饋信號除了作為調(diào)壓結(jié)果反饋信號外還作為過壓和欠壓的信號。在實際工作中，起動過電壓保護：，起動欠電壓保護。 欠壓保護電壓： （32）過壓保護電壓： （33）過壓和欠壓比較器先設(shè)定一個適當?shù)闹?，采樣到的電壓?jīng)CPU進行AD轉(zhuǎn)換后，通過與設(shè)定值進行對比，一旦超過過壓值或者低于欠壓值時，CPU發(fā)出命令立即封鎖晶閘管輸出脈沖，并由控制器發(fā)出過壓或欠壓保護動作信號。 過流保護電子式軟啟動器一般不帶短路保護，通過過載保護來完成短路保護，由于可控硅具有有限大的浪涌電流能力，且過流反應(yīng)能力在微秒級，在實際應(yīng)用中，在故障點的電流還沒有形成短路電流時，可迅速的關(guān)斷主功率單元。系統(tǒng)的過流檢測仍然是通過電流反饋電路檢測的，檢測到的電流經(jīng)過CPU運算處理后，通過與設(shè)定值大小進行比較，從而實現(xiàn)過流故障的及時發(fā)現(xiàn)，CPU及時作出保護響應(yīng)。 過熱檢測保護所有的電力電子器件在運行中都會有導(dǎo)通功率損耗和開關(guān)功率損耗發(fā)生。這些功耗通常表現(xiàn)為熱，必須采用散熱器把這些熱量從功率芯片傳導(dǎo)到外部環(huán)境。但是，當負載過重、開關(guān)頻