智能软启动器（精选10篇）
智能软启动器 篇1
0引言
异步电动机软启动控制器在电机启动过程中, 通过控制电机的电流, 使电机缓慢、平滑的加速, 避免了大电流对电机和电网的冲击, 提高了电网的工作效率, 减少了启动时对电机的冲击损伤, 从而达到了启动和保护设备的作用。国内在异步电动机软启动上, 目前以液变电阻、水阻软启动占据主导地位。水阻和液变电阻式的软启动装置受环境温度的影响比较大, 因此启动电流控制不准确。另外, 在启动时会产生很大的能量损耗, 使水温迅速升高, 所以对连续启动的次数是有限制的。磁控式软启动是针对水阻和热变电阻式启动器不可克服的缺点而出现的最新换代产品, 具有十分广阔的应用前景。本文基于LPC2294微控制器, 设计了一种新型电机磁控软启动方案, 即在异步电动机定子回路串入磁饱和可控电抗器来实现电机的软启动。
1异步电动机软启动原理
磁控式软启动是从电抗器软启动衍生出来的, 用可控制的饱和电抗器串在异步电动机定子侧实现降压。饱和电抗器由封闭的铁芯、直流绕组 (控制绕组) 和交流绕组 (工作绕组) 组成, 串联在电动机定子回路的是它的工作绕组, 由直流绕组控制铁芯的饱和度, 从而控制交流绕组的等效电抗值。
在异步电动机启动过程中, 通过反馈自动控制饱和电抗器直流绕组电流, 改变铁芯的饱和程度, 调节交流绕组的电抗, 实现异步电动机的恒流软启动。图1为串入饱和电抗器的异步电动机T型等效电路。其中, Un为电网电压额定值, U1为电机端电压, UL、XL分别为饱和电抗器电压、电抗, Rn、Xn分别为电网等效电阻、电抗, R1、X1分别为电机定子绕组的电阻和漏电抗, R2、X2分别为电机转子绕组的电阻和漏电抗, Rm、Xm分别为激磁电阻、电抗。Un=UL+U1, 通过调节UL的大小, 可以改变U1, 这就是磁控式软启动器的工作原理。
2磁控式软启动控制系统设计
2.1 主电路设计
磁控式异步电动机软启动控制系统图如图2所示。其中, QS为三相电源开关;QF1、QF2为高压真空断路器;SR为饱和电抗器;SCR为晶闸管整流电路, 是提供饱和电抗器直流绕组直流励磁电流的回路, 改变可控硅不同的触发角度, 可提供饱和电抗器不同的直流励磁值;HR为霍尔传感器, 其大电流侧串接在饱和电抗器的直流绕组中, 用来监测直流电流值大小。通过霍尔传感器的可靠隔离将大电流信号转化为小的电压信号送给单片机。霍尔传感器能在电隔离条件下测量直流、交流脉冲以及各种不规则波形的电流, 同时蓄流二极管起到保护可控硅的作用。
2.2 控制系统设计
磁控软启动智能控制系统的硬件总体结构如图3所示。它主要由微处理器系统、信号检测、功率变换单元、现场总线、人机交换模块等组成。智能控制器在软启动中的作用是根据电机启动中的电流、电压信号进行智能控制, 通过功率变换单元控制可变电抗器的电抗, 从而控制异步电动机的启动。所以, 智能控制器主要包括如下几个基本功能:启动电量信号的检测、智能控制算法运算、功率变换单元控制、开关器件控制。此外, 为完善系统功能, 系统还具有友好的人机交互界面、现场总线通信、存储数据等功能。
2.3 系统软件设计
软启动控制流程主要有软启动初始化、启动状态检查、软启动、软启动结束几个阶段。根据以上步骤, 利用结构化设计思想, 将系统软件分成主程序、初始化程序、软启动过程控制程序、数据通讯程序、人机交互程序、数据存储等若干功能模块, 控制硬件系统自动采集、检测输入信号, 对输入数据进行判断与处理, 并按要求输出所需的控制信号。主程序流程图如图4所示, 系统上电初始化结束后先进行系统自检, 自检完成后判断电机所处的状态, 根据不同的状态接收不同的命令。如果检测电机处于准备阶段, 则接到启动指令后进行触发角的测量, 发出触发脉冲启动电机;如果检测电机处于高速阶段, 则瞬时给出最大触发角实现电机的软停。在整个循环过程中, 任何一项测试不能通过则闭锁所有中断停机。
2.4 模糊PID控制器设计
当异步电动机启动或负载变化时, 由于实际电流与给定电流的误差太大, 单纯采用PID控制进行调频调功时, 容易造成积分累积, 最终引起系统较大的超调, 甚至可能引起系统的振荡, 使得系统的稳定性变差。智能控制器采用模糊控制器与PID控制器相结合的方案, 其控制器系统结构图如图5所示。系统主要由PID控制器、模糊控制器以及误差e和误差变化ec的离散化环节 (k4) 、模糊化环节k1和k2、控制量输出比例环节k3、在线参数自调整环节组成。PID控制器是在误差很小时起作用, 用来消除静态误差, 当误差较大时, 该环节作用较小。参数自调整的作用, 是根据误差e和误差变化率ec, 在线调节k1、k2和k3, 使系统的动特性与稳态性能更好地相互兼顾。
3结论
实验证明, 磁控式饱和电抗器降压启动通过控制直流励磁绕组的电流大小来改变铁芯饱和度, 从而它的等效电抗值是可控的。通过调节饱和电抗器 (SR) 的直流励磁电流, 可以连续改变其电抗以维持启动电流恒定。当软启动完成后, 由于电抗器电抗值相当小, 旁路饱和电抗器不会产生二次电流冲击, 所以磁控软启动克服了定子串联电抗器启动的缺点。
合理选择启动时间和饱和电抗器的直流励磁电流, 对改善异步电动机的启动性能有着重要的作用, 使异步电动机启动达到限流调节、平滑、快速、可靠性高等要求。
摘要：基于LPC 2294微控制器, 设计了一种新型电机磁控软启动方案, 即在电动机定子回路串入磁饱和可控电抗器来实现异步电动机的软启动。设计了系统的硬件电路及软件程序, 并提出了模糊P ID控制算法及其控制器的设计。
关键词：磁控,LPC2294,模糊PID,启动器
参考文献
[1]任宇飞.感应电机软启动新技术[D].武汉:华中科技大学, 2005:10-25.
[2]张斌, 尚刚.高压交流感应电机软启动技术的发展[J].变流技术与电力牵引, 2006 (2) :75-78.
[3]高淑萍.智能型交流异步电机软启动器的研究[D].西安:西安理工大学, 2005:3-4.
[4]袁佑新, 王亚兰, 彭万权, 等.基于可变电抗的高压软启动器研究[J].电力自动化设备, 2007, 27 (11) :38-41.
[5]彭万权.电机软启动智能控制器的研究[D].武汉:武汉理工大学, 2008:3.
软启动器在钻井现场的应用 篇2
【关键词】钻井电力系统；软启动器
0.引言
钻井队的电力系统是一套独立系统，其容量比通常电网的容量要小，随着井队用电设备的越来越多，负载的投入和切除都会对电网带来一定的影响，特别是突然加入或者切除较大负载时，井队的电网频率和电压会有较大的波动，从而影响供电质量，严重时会引起主电路跳闸的事故出现。
井队目前使用的大功率用电设备，如加重泵、剪切泵、灌注泵等都是由三相异步电动机带动的，在实际使用中，三相异步电动机启动电流是额定电流的5-7倍，如果采取直接启动就会影响现场供电质量；停机时，如果拖动系统突然失去转矩，靠系统的摩擦转矩来克服系统的惯性滑行停车，也会给系统带来诸多问题，因此井队现场很有必要采用一种软启动装置避免上述不合理情况发生。
1.软启动器概述
软启动器是一种集软启动、软停车、轻载节能和多功能保护于一体的电机控制装备。实现在整个启动过程中无冲击而平滑的启动电机，而且可根据电动机负载的特性来调节启动过程中的各种参数，如限流值、启动时间等。主要是由串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管及其电子控制电路构成。运用不同的方法，控制三相反并联闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功能。
软启动器（Soft Starter）是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间。这种电路如三相全控桥式整流电路，使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。待电机达到额定转数时，启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。其实现的主要功能：通过增加过载电流的设定和反时限控制模式，实现过载保护功能；工作时随时检测三相线电流的变化，一旦发生断流可做出缺相保护反应；通过软起动器内部热继电器检测晶闸管散热器的温度，一旦散热器温度超过允许值后自动关断晶闸管，并发出报警信号；电动机工作时软启动器内的检测器一直监视着电动机运行状态，并将监测到的参数送给CPU进行处理，CPU将监测参数进行分析、存储、显示，具有测量回路参数的功能；通过电子电路的组合，在系统中实现其它种种联锁保护。
2.软启动器启动方式
运用串接于电源与被控电机之间的软起动器，控制其内部晶闸管的导通角，使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至起动结束，赋予电机全电压，即为软起动，在软起动过程中，电机起动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。软起动一般有下面几种起动方式：
（1）斜坡升压软起动：这种起动方式最简单，不具备电流闭环控制，仅调整晶闸管导通角，使之与时间成一定函数关系增加。其缺点是，由于不限流，在电机起动过程中，有时要产生较大的冲击电流使晶闸管损坏，对电网影响较大，实际很少应用。
（2）斜坡恒流软起动：这种起动方式是在电动机起动的初始阶段起动电流逐渐增加，当电流达到预先所设定的值后保持恒定（t1至t2阶段），直至起动完毕。起动过程中，电流上升变化的速率是可以根据电动机负载调整设定。电流上升速率大，则起动转矩大，起动时间短。该起动方式是应用最多的起动方式，尤其适用于风机、泵类负载的起动。
（3）阶跃起动：开机，即以最短时间，使起动电流迅速达到设定值，即为阶跃起动。通过调节起动电流设定值，可以达到快速起动效果。
（4）脉冲冲击起动：在起动开始阶段，让晶闸管在极短时间内，以较大电流导通一段时间后回落，再按原设定值线性上升，连入恒流起动。该起动方法，在一般负载中较少应用，适用于重载并需克服较大静摩擦的起动场合。笼型电机传统的减压起动方式有Y-q起动、自耦减压起动、电抗器起动等。这些起动方式都属于有级减压起动，存在明显缺点，即起动过程中出现二次冲击电流。
（5）电压双斜坡起动：在起动过程中，电机的输出力矩随电压增加，在起动时提供一个初始的起动电压Us，Us根据负载可调，将Us调到大于负载静摩擦力矩，使负载能立即开始转动。这时输出电压从Us开始按一定的斜率上升（斜率可调），电机不断加速。当输出电压达到达速电压Ur时，电机也基本达到额定转速。软起动器在起动过程中自动检测达速电压，当电机达到额定转速时，使输出电压达到额定电压。
（6）限流起动：就是电机的起动过程中限制其起动电流不超过某一设定值（Im）的软起动方式。其输出电压从零开始迅速增长，直到输出电流达到预先设定的电流限值Im，然后保持输出电流。这种起动方式的优点是起动电流小，且可按需要调整，对电网影响小，其缺点是在起动时难以知道起动压降，不能充分利用压降空间。
3.软启动器选型及接线方式
除了技术、性能、价格比较外，还要考虑设备现场的电网容量、设备启动负荷轻重、启动频繁程度等具体条件。对于启动负载较轻的设备，可选择功能简单、价格较低、操作方便的软启动器，这类设备根据电动机额定功率，选用样本规定的相同容量的软启动器就能满足需要；对于启动负荷比较重的设备，应该选用启动功能比较多、有限流启动功能、自身保护比较齐全的软启动器。
启动器接线方式可分为：单台单机式；软启动器+断路器+接触器电路，这种接线方式是目前大多数国产软启动用户采用的方案；“一拖三”软启动方案，这种方式可以控制三台电动机分时先后启动，在任意一台电动机启动完成后，软启动器处于待命状态，此时可允许启动下一台电动机。
4.采用软启动器的优点
（1）采用数字监控和数字设定，提高了控制系统的可靠性，也便于维护，同时具有外控功能，可根据使用情况进行连接，方便控制。
（2）电动机软启动器对电动机提供平滑渐进的启动过程，减少启动电流对电网或发电设备的冲击，将启动电流控制在安全范围内，改善了原控制系统因启动电流较大冲击厂用电源而影响其它设备正常运行的状况。
（3）启动过程采用双向可控硅，启动过程完成后，接触器短接可控硅的控制方式，避免了用接触器直接控制电动机使触点易拉弧、粘连、烧坏等故障的发生。
（4）软启动、软停车方式，降低了设备振动和噪声，减少了机械应力，延长了发电设备及机械传动系统地使用寿命。
（5）具有过流、过载、电源缺相等多种保护功能，同时可以检测到负载所涉及系统各种不良运行情况，有利于保护设备的安全运行等。
5.结束语
智能软启动器 篇3
关键词：软启动,单片机,晶闸管,三相异步电动机
1 引言
由于异步电动机具有结构简单、性价比高、工作性能好等诸多优点,在社会各个领域有着非常广泛的应用。但是它在全压直接启动时产生的冲击电流是额定电流的4-7倍,这会造成:电网电压下降和剧烈波动,影响共网的其他电气设备的正常运行;冲击电流会造成电动机局部温升,降低电动机的寿命;产生的机械冲力会加速机械传动部件的磨损等危害[1,2]。因此,需要对电动机的启动过程进行一定的控制。
传统的降压启动方式有定子串电阻或电抗启动、自耦补偿启动、星-形三角形启动、延边三角形启动等[3]。这些启动方式无法线性连续平滑调节启动电压,其启动特性不理想,切换时造成的二次冲击电流无法消除,不能频繁重复启动。
本文介绍的软启动器以AVR ATmega128单片机为控制核心,采用晶闸管作为电动机启动过程中的调压调速元件,具有多种启动模式和保护功能,实现了电动机的平稳启动,限制了启动电流。
2 系统的硬件电路设计
2.1 系统主回路
该软启动器的主回路主要由接触器和三组反并联的晶闸管组成。在电动机软启动过程中,通过控制晶闸管的触发角使电动机的启动电压按照预定的规律增加至其额定电压;在软启动过程完成之后,通过接触器将晶闸管旁路。软停车过程与软启动过程相反,接触器断开,通过控制晶闸管的触发角使加到电动机上的电压按照预定的规律减小到零。软启动器的主回路电路如图1所示。
2.2 系统控制电路
软启动器控制电路以高性能、低功耗的A V R ATmega128单片机[4]为控制核心,包括电压检测电路、电流检测电路、电压同步及相序判别电路、脉冲触发电路、键盘和LCD显示电路、状态输出电路、故障判别电路等。软启动控制电路结构图如图2所示。
控制系统上电后,先进行系统初始化,然后经过键盘设定好软启动的各种参数,运算后按照设定的启动模式发出触发脉冲以驱动晶闸管模块导通。在电动机启动过程中,检测电路将电动机的电压、电流等信号进行采样,经过A/D转换后由LCD进行显示,如有异常情况如过压、过流等则进行故障处理并显示故障类型。软启动完成后,旁路接触器常开触点闭合,将晶闸管三相调压模块旁路掉,电动机进入额定运行。当需要软停车时,由键盘选择软停车功能,旁路接触器断开,接入软启动器,电动机开始软停车,转速下降直至停止。
3 系统软件设计
系统软件采用模块化设计,主要包括系统主程序、同步信号中断程序、脉冲触发中断程序及各种启动模式程序等。
3.1 系统主程序设计
系统主程序主要完成上电系统初始化、故障自检测、软启动参数的设定、运行过程中的参数显示、突发故障实时处理、按预定的启动模式实现电动机的启动和软停车等功能。主程序流程图如图3所示。
3.2 同步信号中断程序
电源电压过零点的精确捕捉对于晶闸管触发脉冲的产生至关重要,只有精确的同步信号才能保证晶闸管触发角计算的准确,从而确保电压按照预定的规律变化。为了确保同步中断的实时性,同步信号的采集采用AVR ATmega128单片机的外部中断INT7,并将其设置为INT7引脚上任意的逻辑电平变换都将引发中断。同步信号中断流程图如图4所示。
在同步信号中断程序中,根据相序判定六只晶闸管的触发顺序,然后启动脉冲触发中断的标志位开始根据设定的启动模式发出触发脉冲。
3.3 脉冲触发程序
该系统采用双脉冲触发,即在触发某个晶闸管的同时,给序号紧前的一个晶闸管补发脉冲,两个窄脉冲的前沿相差60°[5]。本设计中脉冲宽度为10°。
晶闸管触发脉冲的产生利用AVR ATmega128单片机的两个16位定时器/计数器T/C1和T/C3的定时功能,将T/C 1和T/C 3的工作模式设置为快速PWM模式,利用定时器的比较匹配中断和定时器的溢出中断实现触发角、脉冲间隔和脉冲宽度的定时。限于篇幅,现只给出正相序时脉冲触发子程序的流程图,如图5所示。
3.4 启动模式的软件设计
目前软启动器产品的启动模式有很多种,如限流启动、斜坡启动、斜坡加限流启动、突跳加斜坡启动、电压限制启动、突跳加电压限制等[6]。限于篇幅,现在只给出斜坡电压加限流启动模式的程序流程图,如图6所示。
这种启动模式既能使加在电动机上电压由一个设定值逐渐增加至其额定电压,又能限制启动过程中的启动电流。在软启动过程中,每半个周期都对电流进行采样和A/D转换,当实际电流大于设定电流时,就要经过增量式PID调节,使实际电流维持在设定的范围内,从而限制了启动电流。该启动模式采用双斜坡启动,首先使晶闸管的输出电压迅速升至电动机启动所需的最小转矩所对应的电压值,然后再按所设定的速率逐渐升压,直至达到电动机的额定电压,软启动过程结束后接通旁路接触器。
4 实验结果
根据上述软硬件设计方案,设计并制作了一台软启动器样机并进行实验调试。实验所带负载为4k W三相异步电动机,其额定转速为2880r/min。实验取得了良好的效果。
下面给出了实验调试过程中的波形图。图7为软启动过程中同步信号与晶闸管VT1的触发脉冲之间的关系(触发角α=30°时)。图8为晶闸管VTI与VT2触发脉冲的关系,相应脉冲前沿间隔为60°,在触发VT2时补发VTI的触发脉冲。
5 结束语
本文介绍了以AVR ATmega128单片机为控制核心的电动机软启动器的硬件组成和软件设计。它在电动机软启动过程中,限制了电动机的启动电流,减少了对电网电压的危害,完成了电动机的平稳启动,延长了电动机的使用寿命,具有一定的使用价值。
参考文献
[1]张月奎.浅谈异步电动机软启动[J].中国新技术新产品,2008,(18):84.
[2]谢显辉,曾攀.浅谈软起动[J].新疆化工,2005,(1,2):51,32.
[3]顾绳谷.电机及拖动基础(上、下[)M].北京:机械工业出版社,2003.
[4]金钟夫,杜刚,王群,徐宗完.AVR ATmega128单片机C程序设计与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.
[5]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2000.
智能软启动器 篇4
【关键词】变频器；软启动器；电机启动
一、引言
工业化时代电动机在工业企业生产中占有举足轻重的地位，而电动机的启动方式已成为影响电动机性能和使用寿命等重要因素。传统三相交流电动机启动方式分为直接启动和降压启动两种，然而传统的这两种启动方式也带来了诸多问题。传统交流电动机直接启动时将全部电压直接加载在电动机定子绕组上，启动电流是额定电流的3～7倍，过高的启动电流直接影响该电动机所在变配电网上的其他电气设备的运行，甚至造成电气设备损坏及电网跳闸。同时直接启动电动会产生过高启动冲击转矩，这种冲击转矩会使机械设备以及连接件受到损坏。而另一种电动机启动方式为了避免启动电流过大进而通过降低电压的方式来启动电动机，然而这种降低电压的启动方式本身便可引起电动机无法正常运行，更为严重时可烧毁电动机，造成直接经济损失。为了传统电动机启动带来的问题，我们研究和采用了一种新的启动方式即为软启动。
二、软启动相比全压启动的优势
软启动是指电压由零慢慢提升到额定电压，电机在启动过程中的启动电流由不可控过载冲击电流变为可控电流，并且可以按照需要调节启动电流的大小。电动机启动的全过程不存在冲击转矩。与传统启动方式相比软启动具有以下优势：1、无冲击电流：软启动在起动电机时，通过逐渐增大晶闸管导通角，使电机起动电流从零线性上升至设定值。对电动机无冲击，提高了供电安全性和可靠性，减少对负载机械设备和连接件的冲击转矩，延长机器使用寿命；2、有软停车功能：当电动机瞬间断电停机时，其可做到平滑减速，逐渐停机，进而减轻对重载机械的冲击，减少设备损坏；3、起动参数可调：软启动的启动参数可根据负载情况及所在变配电网继电保护特性选择调整，可按照设备运行情况调整至最佳的启动电流。在软启动设备中软启动器和变频器是两种具有代表性和实用性的应用产品，而两种软启动设备又有着相同和不同之处，下面我们将分别分析两种软启动设备的应用特点。
三、软启动器的启动特性
（一）限流启动
限流启动就是限制电动机的启动电流，它主要是用在轻载启动的设备上，它可以直观地看到启动电流，同时在启动时启动压降难以获取使其不足之处，不能充分利用压降空间损失启动力矩，对电动机不利。
（二）斜坡电压启动
斜坡电压启动就是电压由小到大斜坡线性上升，主要应用在重载启动设备上，它实现了将传统的降压启动从有级变成了无级，启动转矩特性抛物线型上升对拖动系统有利，启动平滑，柔性好使其优点，对拖动系统有更好的保护，延长拖动系统的使用寿命。但启动电流较大却是它的缺点。
（三）转矩加突跳控制启动
转矩加突跳控制启动就是在电压斜坡控制启动的基础上加一个电压突跳，它主要应用在静惯量较大的设备上，用于如风机负载等电压斜坡启动比较困难的设备上。它用突跳转矩在启动瞬间克服电机静阻力矩，然后将转矩抛物线上升，缩短启动时间。但是其缺点是突然跳电会给电网发送100ms的浪涌电流进而给电网带来大电流冲击。
四、变频器软启动的启动特性
变频器软启动是一种采用电压频率按比例平滑上升为基本原则的启动方式，在启动过程中不存在大的转差功率，有利于电动机平稳启动，从而实现降压启动，消除了启动冲击，避免启动功耗，且可控制启动速度。变频器软启动是一门综合性的技术，它是建立在电力电子技术、自动化控制技术、计算机技术的基础之上逐渐发展起来的。由于直流电动机受换向等因素制约，无法进行高速旋转，但对于异步电机来说不存在上述制约因素，可以在相当高的转速下运行。变频器可进行调速控制，易实现电机的正反转切换，只需改变变频器内部逆变管的开关顺序，即可实现输出换相，不存在因换相不当而烧毁电机的问题。这样变频器启动变可以方便的进行启、停运转，具有直流制动功能，适用各种环境。
五、软启动器和变频器的区别和优劣比较
软启动器和变频器的区别在于：软启动器是个调压器，用于电机启动时，输出时改变电压不改变频率，而变频器是用于需要调速的地方，其输出时不但改变电压而且同时改变频率。变频器具备所有软启动器功能，但它的价格比软启动器要贵得多，结构也复杂得多。此外变频器启动对所在变配电网造成谐波，必须利用电抗器和有源滤波器抑制谐波，增加格外成本。但对于变频器本身来说，可以看作是可进行调频调压的交流电源，可以用一台同时供给多台电机；电源功率因素不受电机功率因素的的影响，启动电流小，节能效果明显节电率可达20%-60%虽先期投入成本高，但远期节能效果好，此外由于高性能的变频器的外部接口功能丰富，可以作为自动控制系统的一个部件使用，构成所需的自动控制系统。
六、结论
综上所诉，传统的电动机的启动方式存在诸多弊端，对于大型生产联合企业以及电网负载复杂的企业均不适合，而利用软启动器进行电动机启动这一方式具有较好的启动特性，启动参数可调，一定程度上可解决轻载启动设备启动冲击电网的问题，其不足之处不宜作随载降压节能设备用，不能达到完全的平稳平滑启动。变频器软启动其具有调速、保护、节能等优点，他可以通过微機计算信息化、全数字化、节能化控制，对电动机提供全方位服务，但对于电机的负荷使用方面受其变载变频影响对于恒定频率和负荷的设备较为不适合。
参考文献
[1]童玲.异步电动机软启动技术及转矩控制仿真研究[J].电气传动，2010.
[2]周伟.变频器节能技术原理及应用研究[J].科技致富向导，2013.
[3]吕润宇.大容量电动机软启动设计[D].华东理工大学，2012.
智能软启动器 篇5
在交流异步电动机的启动控制中, 常用的启动方式有全压直接启动和降压启动两种。这两种传统的启动方式, 应用很广泛, 但在某些特殊要求的场合, 这些传统的启动方式会暴露出一些缺陷, 如启动时高达5～7倍的额定电流易造成电动机绕组高温过热, 加速绝缘老化;启动时供电网络电压降过大, 影响其它设备的正常运行;频繁启动时能量损失过大, 浪费电能;启动时对被带动的设备造成极大的冲击力, 缩短设备使用寿命。因此, 为了避免这些问题的出现, 对电动机直接启动提出了限制条件:机械设备是否允许电动机直接启动;直接启动时, 不允许电动机的容量大于10%～15%主变压器的容量;启动过程中电压降△U不大于15%的额定电压。同时, 试图采用一些可行办法, 即采用频敏变阻器启动 (只适用于绕线式电动机) 、自耦变压器降压启动、Y/△转换方式启动、延边三角形启动方式等。但这些启动方式普遍也存在着启动设备复杂, 部分启动方式存在启动电流大或启动转矩偏小的弊端, 而且在电动机的运行保护方面, 存在功能不完善或不灵敏的情况。对此, 经技术人员的实地考察, 分析, 提出一种先进的电动机控制技术——智能软启动技术。
1 全新的启动方式
1.1 软启动
软启动是采用软件控制方式来平滑启动电动机, 一方面控制方式以软控强, 另一方面控制结果将电动机启动特性由“硬”平滑为“软”, 故被称之为“软启动”。它又分为两种:一种是采用变频恒矩限流;另一种是采用晶闸管调压启动, 又称智能软启动。
1.2 两类软启动的对比
技术性能。采用变频调速启动, 启动时具有良好的静、动态性能, 就是在低速情况下也能随意调节电动机转矩, 能以恒转矩启动电动机, 启动电流可以限制在150 %额定电流。
采用智能软启动, 启动时由于转矩是按电压比的平方减少, 因此启动转矩很小。软启动器有电流反馈, 也可采用恒流启动, 即在启动过程中保护启动电流不变, 直到电动机接近同步转速。从技术性能方面考虑, 变频调速启动适用于较大启动转矩的负载, 一般是大于50%的场合, 例如翻车机、重牛驱动电机、带负载的物料输送机、碎煤机、螺旋式或振动式给料机、多级油泵等。智能软启动适用于较小转矩的负载, 一般是小于50%的场合, 例如叶轮给煤机、离心式风机、离心泵、空载启动的输煤皮带机、各种空载启动的设备。经济性。采用变频器调速启动比智能软启动的投资费用高两倍甚至三倍。
综合以上技术性能和经济性, 对电厂用电而言, 当前受欢迎、能实际推广的启动方式当数后者。
1.3 智能软启动
智能软启动主要由串接于电源与被控电动机之间三对反并联晶闸管调压电路构成, 以单片机为控制核心, 整个启动过程是数字化程序软件控制下自动进行。利用三对晶闸管的电子开关特性, 通过启动器中的单片机, 控制其触发脉冲的迟早来改变触发角的大小。而触发导通角的大小, 又改变晶闸管的导通时间, 从而最终改变加到定子绕组的三相电压的大小。异步电动机定子调压的结果, 一方面其转矩近似与定子电压的平方成正比, 另一方面电动机的电流又和定子电压成正比。从而电动机的启动转矩和初始电流的限制可以通过定子电压的控制来实现, 而定子电压又是通过可控硅的导通相角来控制的, 所以不同的初始相角可实现不同的端电压, 以满足不同的负载启动特性。电动机启动过程中, 晶闸管的导通角逐渐增大, 晶闸管的输出电压也逐渐增加, 电动机从零开始加速, 直到晶闸管全导通, 从而实现电动机的无级平滑启动。电动机的启动转矩和启动电流的最大值可根据负载情况设定。
2 智能软启动的技术特性与功能
2.1 基本特性
采用单片机全数字自控监控, 启动时启动电流以恒定的斜率平稳上升, 对电网无冲击电流, 不会造成大的电压降落, 保证了电网电压的稳定。启动转矩、电流、电压、时间可按负载不同而设定, 可取得最佳的电流冲击和最佳的转矩控制特性。极大地减少了电动机转矩对负载的冲击, 也满足了不同工作对象对启动转矩的不同要求, 保护了驱动机构。
电动机启动不受电网电压波动的影响。由于在晶闸管的移相电路中, 引入了电流反馈, 因而使电动机在启动过程中保持恒流、平稳启动。同时, 由于以启动电流为定值整定, 当电网电压上下波动时, 通过控制电路自动增大或减小晶闸管导通角来维持原设定值, 可保护启动电流恒定。有的还采用双电源隔离, 保证控制部分不受各种强电干扰。
根据工作对象的不同, 可选择多种启停方式。而采用不同的启动方式, 其启动力矩也不同。一般软启动的初始转矩可根据用户要求在锁定转矩的0～90范围内选择, 从初始力矩水平开始, 电动机的电压在斜坡加速时间内无级增加, 加速的斜坡时间由用户设定。可以自由停车和软停车, 软停车时间可调节。软停车特性大大延长电气触点寿命。
结构简单, 质量轻, 无噪音, 占地小。作为无触点控制, 其使用寿命比传统的接触器大大延长, 若使用得当, 可长达几十年, 全免维修。而且安装、操作、使用简便。平滑、渐进的启动过程亦降低设备的振动和噪声, 延长转动机寿命, 并改善了工人的劳动环境。
可选择过流、过载、电源缺相多种保护, 保证了设备和电机的安全。提供设备的监控保护的快速故障诊断信息, 如限流、过载、缺相、转子堵转等。保护整定值可由用户指定, 保护性能可靠。有的还具相序自动识别、相序保护功能。
带标准的RS232C接口, 具有通信功能。通过标准接口传输数据, 可集成网络化, 实现分散控制, 集中管理。全数字设定和外控功能大大方便用户。人机界面友好:工作时显示工作电压, 工作电流, 最大电流;故障时显示故障, 性能价格比高。方便的外控接口具有数字延时启动控制;软停控制输入;启动延时继电器输出;故障继电器输出等多种功能。
2.2 启动特性
限流型:限制启动电流, 降低启动压降, 任意调整, 键盘设定。
电压控制型:设定允许电压降百分值, 自动测量压降并限制压降。通过测量压降自适应控制启动电流。调试数据电脑自动记忆, 运行时由智能程序自动监控运行。
转矩控制型:对电机运行特性的控制, 尤其是在启动和停止期间。对电机和启动器的过载保护。对传动机械的保护, 清除浪涌转矩并降低冲击电流。在给定区间内控制加速转矩和按应用要求调节电机转矩。
转矩控制加突跳型:如果转矩控制启动时间长, 通过转矩突跳克服静转矩, 加快启动周期。
2.3 停车特性
自由停机:自由掉电停机, 外故障停机, 自复位可编位。
软停机:0～200 s (t=0 s为自由停机) 自设定。电机停车传统方式为自由停机, 即通过瞬间停电来实现。但如皮带运输机、升降机等许多负荷并不宜突然停机, 软停车功能正好能满足此要求。晶闸管在收到软停机信号后, 导通角渐减, 经一定时间才过渡到全关, 即电动机端电压渐减至零。停车时间可按实际需要设定。
制动停机:0～60 s自设定, 强制停机。
2.4 控制及通信功能
控制输入:无源开关量 (无源触点) 。启动;瞬停;软停;手、自动切换;共用端五种。
控制输出:旁路:延时;故障输出三种。
电流输出:4～20 mA。
计算机通信:RS232或RS485。
显示器:正常时, 显示电动机运行电流或电压;故障时, 显示故障内容。
键盘:设定参数;接点功能;锁停。
2.5 系统保护功能
电子速断保护:内置, 启动、运行、软停时输出短路, 报警并动作;
单相接地保护:故障时报警并停车;
过电压保护:故障时报警并停车;
过负荷保护:故障时先报警, 后停车;
断相保护:电动机上、下口断相对报警并停车;
倒相保护:电动机上口倒相时报警并不启动。
2.6 维护及管理功能
故障自诊断, 短路、过电压、单相接地、电机过载、堵转, 加智能程序可判断拖动系统工况;故障显示与继电器接点输出;
模块化组合设计, 根据故障显示内容, 5 min 排除故障;
可带 4～20 mA模拟量电流输出口, 输出电机的启动电流和运行电流值;
可带计算机通信接口 (RS232C) , 可联上位微机管理或遥信。
3 智能软启动在发电厂的应用
选用原则:在发电厂燃料卸储输实际应用中, 一般根据下述原则来选用,
功率较大, 直接启动对电网产生不允许的冲击的电动机;
防止启动时产生力矩冲击, 而使转动机械断裂、损坏的场合;
较频繁启动的电动机 (软启动装置一般允许启动10次/h, 而使电动机不致过热) ;
需重载启动, 且正常负载所需运行负载力矩又比大一号电动机额定转矩小得多的电动机;
需防止水锤效应, 防止管道破裂的泵类负载;
拖动负载需特殊功能的电机。如突跳、平滑加速、减速、快速停止、低速制动和准确定位等。
摘要：针对大功率异步电动机通常降低启动电流冲击的措施, 阐述了智能软启动技术性能及功能, 并讨论了应用中的有关问题。
关键词：异步电动机,晶闸管调压,智能软启动,启动控制,控制技术
参考文献
[1]罗建业.浅谈中压电动机的故障和保护[J].电工技术杂志, 1991 (2) :7~10.
[2]贺益康.交流电动机的计算机仿真[M].北京:科学出版社, 1990.
[3]黄立培, 张学.变频器应用技术及电动机调速[M].北京:人民邮电出版社, 1998.
智能软启动器 篇6
国内外的很多学术著作都提出了电机保护系统的设计方案,综合来看,这些保护措施都是基于保护电路和软件监控实现的[1,2,3,4]。保护电路一般主要由欠压保护、过流保护、短路保护等组成,在软件里设置电压、电流的阈值,直接对电压、电流进行检测,当检测到的数值大于阈值时,就进行断电,停止电机运行,以免对驱动器和电机造成损害[4]。驱动器的这种断电保护能够保证电机的安全运行,但是在工业系统往往采用多轴联动控制,当一个电机突然停止运行时,会波及整个系统,严重时会造成机器损坏甚至威胁人身安全[5,6]。
在工业控制系统中,驱动器的运行是通过和控制系统之间的网络传输数据完成的,驱动器应该具有安全的网络通信机制,对数据进行加密处理以防止网络中的错误数据影响电机的正常运行,同时对于工业控制网络中恶意的窃取信息、攻击等行为,驱动器也应该具有防范功能,因此,有必要研究面向工业控制系统的智能安全电机驱动器。
1 智能安全电机驱动器设计方案
在工业系统中,电机作为最重要的执行设备,具有广泛的应用。单独一套大型自动生产设备通常采用几个到几十个电机,所以电机的安全运行是工业系统稳定工作的基础。同时,在多轴系统中,当单个电机出现故障时会危及整个系统的运行,甚至造成事故。因此,设计能够保证电机安全运行,并且在遇到故障时进行正确处理的电机驱动器是本文的主要目的。现代工业加工及控制技术对伺服和驱动系统提出了更高的安全要求,主要表现在功率密度、控制精度、运行可靠性、网络及智能化等方面。现针对工业控制系统对电机驱动器安全、可靠性方面的苛刻要求,研制了集控制与驱动功能于一体的智能安全电机驱动器,并在多轴机器人手臂上实现了示范应用,验证了智能安全电机驱动器设计的有效性。
智能安全电机驱动器设计方案如图1所示,首先建立永磁同步电机数学模型,对永磁同步电机的矢量控制技术进行了系统的分析研究,通过对控制策略的原理及其使用时的控制性能进行分析,得出矢量控制技术具有可以实现电机交直轴之间的解耦,具有转矩控制的线性特性,能够获得比较平稳的输出转矩,达到电机稳定控制的基础。其次设计小型永磁同步电机伺服系统的软硬件,包括驱动与控制硬件电路、驱动器上位机和下位机软件。系统采用CAN分布式串行总线,在硬件设计上针对可靠性提出了一些策略,如驱动、控制、接口实现电气隔离,编码器断线检测,快速电气保护等。在控制器软件结构上应用了状态机方式,并且在控制策略上吸收先进现代控制理论进行参数优化调整。
智能安全电机驱动器完成的主要任务是当电机的接线、电压、电流和温度等状态超出规定的范围时,判断并显示出故障类型,通知中央控制系统,并进行适当的故障处理,同时驱动器在控制网络中应具有通信纠错,通信加密和防止攻击的功能。为了实现以上目的,提出的智能安全驱动器的结构框图如图2所示。
智能安全驱动器的系统包括硬件层、软件层、网络层等三个层次。硬件层的保护电路能够监测码盘、传感器、电压、电流和温度等参数并进行硬件保护。软件层在完成电机的驱动功能外需要对硬件采集到的各种状态进行实时监控,同时要对系统参数进行实时分析,当遇到故障时,能够及时通知中央控制系统,并根据不同的故障类型,采用智能的控制方法。网络层负责与中央控制系统进行通信,网络层需要具有通信校验,数据加密和防止数据窃取及恶意攻击等功能,以保护整个系统的安全运行。
2 系统设计
2.1 硬件设计
根据上一节提出的智能安全电机驱动器的功能要求,设计的硬件框图如图3所示。主控单元采用专门用于运动控制的16位DSP芯片,工作主频为40 MIPS,配备有三相电机专用的PWM发生单元,并集成了硬件死区时间发生器,增量式码盘接口,丰富灵活的时钟和中断源,非常适合处理数字模拟混合信号。电源电路采用两级串联式开关电源结构,经过变换后得到强电端5 V,12 V和弱电端5 V,12V,2.5 V,3.3 V为DSP和外设供电。驱动电路用于放大DSP的PWM驱动信号送给永磁同步电机,系统功率管采用MOSFET管,开关频率可达数十k Hz,导通电阻小于10 mΩ,耐压达到100 V。DSP控制单元,电源电路和驱动电路构成了基本的电机控制电路。同时,为了满足智能安全控制的要求,系统还设计了以下几个硬件保护电路模块。
2.1.1 急停电路
为了设备的可靠保护,防止因机械限位导致的永久性损坏以及误伤操作人员等,电机驱动应当设置有急停电路,在出现设备故障时,通过急停开关,主电路立即被切断,保证设备和人身安全。急停电路应当具备最高的响应,即不管软件受不受控制,急停操作都可以瞬间断开电机供电。急停电路设计采用关断PWM控制信号来关闭所有MOSFET,而不通过任何软件操作。由于考虑到关断输出后,关节控制的一些状态还需要恢复,所以急停信号并不关断DSP主电源和通信外设。当驱动器触发急停操作后,同时,还可以输出一路开关量给DSP的外部中断引脚,此时,程序即进入急停保护模式。
2.1.2 断线检测
由于驱动器运行过程中需要不停地读取码盘返回的位置值和向电机输出三相电流,当这些连线出现断线时,会造成飞车、烧毁电机的危险情况发生,因此驱动器需要具有断线检测功能。一般情况下位置传感器都是基于光电码盘。光电码盘输出含有位置信息的正交编码信号,该信号为两路脉冲信号的组合。两路信号正交相位相差90°,信号的频率能反映转速的高低,两路信号的相位超前滞后的关系反映了电机转动方向。由于码盘输出的是差分信号,因此可以通过异或逻辑来检测码盘是否断线。码盘断线检测电路如图4(a)所示,当码盘信号正常时,SN74LV86三路输出都是0,ENCODER_ER信号是低电平;当码盘出现断线时,A、B和C任一相的差分信号的异或值会变为0,SN74LV86输出变成1,ENCODER_ER信号变为高电平,则说明码盘信号出现了断线故障。
对于电机相线的断线保护可以通过在控制回路中接入半导体断相保护器实现[图4(b)],半导体断相保护器是一种5端半导体三相交流断相监测保护与控制的新型器件。它有5个端子:1、2、3为三相监视输入端,相序任意,吸收电流极少,三端总计不超过1.0 m A。4、5为开关端,特点是工作范围宽,无火花和抖动。在图4(b)中,若A、B、C三相正常,则半导体断相保护器输出端4、5闭合,交流接触器KM得电吸合,其常开触点KM闭合并自锁,电机得电运转。若A、B、C中任意一相断电,则4、5端截止关断,接触器KM失电,其常开触点和主触点KM断开,电机停止运转,起到保护作用。
2.1.3 电流检测电路
驱动器需要检测的电流信号是电机的三相相电流,根据KCL电流定律可知三相相电流Ia、Ib、Ic满足以下电流平衡关系:Ia+Ib+Ic=0。因此,只需测量任意二相电流即可得到全部的三相电流。通常使用的有两种检测电流的方法:第一种是小阻值无感采样电阻。电阻采用康铜丝或者贴片件,这是一种廉价的方案,但是要注意采样电阻阻值的选取,功率要足够大,同时电阻的电感要小,以排除感抗在电阻两端引起的电压降。第二种方法是采用霍尔电流传感器。系统采用霍尔电流传感器将强电端电流信号耦合至弱电端,采用高端电流变换的好处是可以减小地线不同位置电位差的影响,它的优点是精度高,可靠性高。
2.1.4 电压保护电路
通常电机控制器的电压保护电路是由分压电阻将电源电压分压后送入DSP控制器的模拟输入脚进行采样,但是这种方式存在两个弊端:首先电网强电与控制弱电直接共地,不免会引入电磁干扰,直接共地在多控制器组网使用时因为存在地线环路,会导致环路电流,干扰模拟电路。其次,由于DSP是周期性采集模拟电压,电源电压的采集实时性不佳,对于电源电压的瞬间抬高往往需要一段延时才能检测到。因此对于敏感期间的保护就存在一定局限性。系统提出硬件级过压欠压电路就解决了以上两个问题,该电路供电来自热地段5 V供电,与DSP控制器采用光电隔离。电源电压经过分压放大后的数值与输入电压进行比较,当输入电压高于这个数值时,比较器正翻转,输出高电平,电路正常工作;当电压低于这个数值时,比较器负翻转,输出低电平,电源芯片停止工作。采用两个比较器就可以同时对过压或者欠压情况进行检测报警。
2.1.5 温度检测电路
逆变模块在工作时会发出比较大的热量,当电机不正常运行时,该部分温度过高会损坏模块。系统在靠近IGBT芯片的绝缘基板上安装了温度传感器(图5),如果基板温度超过设定值,DSP内部就会封锁门极驱动并且屏蔽输入信号,保护功率设备,同时输出故障信号。直到温度降到设定的值后才能恢复正常工作,过热保护可以在过载或散热条件不良的情况下保证驱动器的正常运行。
2.1.6 加密芯片
加密芯片主要用来防止未经授权访问或拷贝单片机的机内程序,从而达到保护知识产权的目的。本设计采用AT88SC1616加密芯片是国际著名芯片厂商Atmel公司生产的具有多用途的加密存储系列芯片[7]。芯片为用户访问应用存储区提供了标准、认证和加密三种方式,既方便用户根据实际情况灵活选择加密方式,又提高了系统的安全性。本设计的AT88SC1616与DSP通过I2C总线通信方式相连。使用过程中,首先对AT88SC1616写入配置区密码、分区访问方式、认证参数和安全限制等进行初始化。当DSP需要访问时,要同时发送命令数据和校验和,芯片内内部的加密机校验无误后才会允许操作,校验和不正确时芯片会返回错误信息。
2.2 软件设计
智能安全电机驱动器的软件结构如图6所示。电机驱动模块负责完成电机的运行控制。永磁同步电机驱动,需要知道电子转子位置。可根据转子位置及运动方向指令信号确定逆变桥通断电控制信号,即PWM驱动译码,控制逆变桥,实现电机正反转。电流环通过对电机电枢电流信息的读取,利用转子位置信息实现定子静止三相到转子dq两相的定子电流坐标变换。速度环通过M/T测速法,根据速度给定和速度反馈,经速度调节器输出电流转矩分量给定值,具有增强系统抗负载扰动的能力。位置环通过检测电机的实际位置,与位置指令相比较,进而调节速度指令,实现位置指令的跟随。
电机驱动模块软件详细结构如图7所示。按功能可分为如下几个部分:SVPWM解耦算法,装载参数和自检,静态参数配置,动态参数配置,电流环,速度环,位置环,外部找零点,PVT曲线,外部霍尔,CAN通信指令解析,各种保护功能等。SVPWM解耦算法是矢量控制所必需的,定子电流由三相静止到两相静止的Clarke变换,再由两相静止到两相旋转的Park变换,系统采样两相电流,第三相由电流的平衡关系式计算得到。电流调节器模块,包括计算直轴和交轴电流误差,直轴和交轴电流控制器获得直轴和交轴电压增量。电流环为双环结构,分别调节电流转矩分量和电流励磁分量跟踪给定值的变化,提高系统响应的快速性,并能及时抑制电流环内干扰。
故障保护模块能够跟据硬件保护电路测量的不同参数和故障采取相应的处理方法。断线保护模块负责在系统检测到码盘或者电机相线接线故障时进行保护。由于码盘断线会使驱动器读到的电机位置错误,造成飞车现象,而电机相线断线可能会烧毁电机,因此断线属于比较严重的故障,关断PWM控制信号。电流保护模块需要在维持电流在阈值范围内的条件下,维持电机的正常运转,软件内部设置最大峰值电流和最大持续电流两个参数,当测量的电流值大于最大持续电流值时,驱动器以最大持续电流输出,以维持系统的正常运行,而当电流长时间超过最大峰值电流时,说明系统遇到了堵转等问题,此时会停止输出驱动信号。电压保护模块和温度保护模块设计思路相同,当测量的电压或者温度值超过最大或最小阈值的时候,发送警告帧,并停止驱动电机,而当恢复正常时,则重新开始驱动电机。
网络通信模块负责保护驱动器在工业控制系统中的安全运行。通信功能完成驱动器与中央控制系统的通信,传输数据包括中央控制系统的控制指令,驱动器的运行参数,该部分同时负责将驱动器的错误报告发送给控制系统,并且返回控制系统的应答,驱动器会根据这个应答采用合适的故障处理。通信校验包括校验码和ID校验,采用CRC校验可以保证接收到的数据准确性,ID校验可以使驱动器只响应针对自身的控制指令,对于网络中传输的其他设备的控制指令则不予响应。驱动器还具有防攻击和防盗版功能。通过驱动器和控制系统的唯一ID匹配,对于其他设备发出的指令驱动器不予响应。同时由于驱动器采用了加密芯片,因此不能从驱动器中将控制软件读出,保证了使用者的安全。
通信加密采用基于伪随机序列的加密方法[8,9],在系统运行过程中,将网络中驱动器传递的数据进行加密,使网络中的数据不会被逻辑分析仪等调试设备破译。该方法在每次通信开始时,由驱动器产生伪随机种子应用于加密,使得同一个参数在每次通信中传递的密文不一样。每次通信开始时,控制器向驱动器发送命令,要求驱动器发送一个随机序列种子。当驱动器接收到命令之后,产生一个16位随机数作为种子,根据该种子对自己内部的伪随机序列算法进行初始化,并将该种子作为附加数据通过网络回复给控制器。反之,当控制器接收到驱动器回复的种子,则使用该种子对自己内部的伪随机序列算法进行初始化。在后续命令中,把需要进行传送的驱动器运行参数用该伪随机序列进行加密处理。驱动器接收到密文后,对接收到的数据进行解密,判断数据无误后按照所得运行参数执行相应的命令。在通信过程中,一旦发现解密后数据有误,就需要重新发送同步随机种子的命令,再次由驱动器产生新的随机种子并回复给控制器。通过以上几种通信保护手段相结合,就可以保证驱动器在工业系统中数据传输的可靠性,以及避免了窃取数据及恶意攻击等行为。
3 实验验证
智能安全电机驱动器的实物如图8所示。驱动器的尺寸是60 mm×50 mm×30 mm,体积小巧,方便嵌入式安装于各类工业系统。设计的驱动器能够同时驱动直流电机、直流无刷电机及永磁同步电机,最大额定功率200 W,工作效率高于85%。利用铝基印刷电路作为基板,将伺服驱动器、控制器进行功率集成,铝基板本身可以起到散热器作用,无需再设计散热器,达到便于安装、节省空间和提高系统安全可靠性的目的。
为了验证本设计的智能安全驱动器的工作情况,采用了北京理工大学智能机器人研究所的仿人机器人手臂进行了实验验证,系统连接方案如图9所示。手臂使用7个驱动器(安装图如图10所示),并通过CAN总线连接至工控机,同时CAN网络还连接了力传感器、摄像头等设备。
实验过程中,工控机按照通信协议给驱动器发送位置指令,并读取驱动器的返回状态,同时工控机还要实时读取力传感器和摄像头的数据。为了验证电机驱动器伺服控制的静态、动态相应,系统设置了各关节实际位置和给定位置的显示,给定关节一组位置,实测其误差,单位为度。结果表明各关节在静态均有较强的刚性,经过多次测量,稳态误差在0.001°以内。以肘关节为例,测试结果如图11所示,图中实线为关节位置反馈值,虚线为给定参考值,最大角速度为100°/s关节最大动态伺服误差为0.1°。实验中机械臂能平稳运动,因此关节控制器的动态响应较好的满足了系统安全稳定性的要求。
CAN通信正常并且收发数据实时可靠是系统安全工作的基础,由关节闭环试验,各个关节驱动器能够实时反馈关节准确的位置角,保证关节驱动器实时跟踪。测试中,每次工控机(CAN接口卡)向某个驱动器发送8字节的有效数据,驱动器接收后直接返回原数据,程序比较前后数据,若一致则认为通信正常,反之则记为1次误码,若在限定时间内无数据返回则记为1次断线。每次通信测试全部完成后记作一轮通信结束。CAN网络数据通信测试结果如表1所示。
通过测试可以看出,电机驱动器CAN网络系统在通信测试过程中,平均每轮通信用时3.332 ms,并且在10 000 000次以上的测试中无误码或断线现象发生,满足工业系统安全工作需求。
在实验过程中,每个驱动器能够有效地识别通信总线中与自身相匹配的指令,稳定精确的运行。在人为制造故障时,能够有效地检测码、相线断线等错误,对于电流,电压,温度异常也能够及时报告工控机,并采用合理的保护措施,保证了整个机械臂始终处于安全工作状态,满足了设计要求。
4 结论
设计了一种面向工业控制系统的智能安全驱动器,通过软硬件结合设计,实现了硬件层、软件层和网络层的结合,驱动器在完成电机的位置、速度和力矩控制的基础上能够对电机线、码盘线进行断线的保护;在对电压、电流和温度等参数实时监控的基础上,根据不同的故障类型,采用合理的处理方法;同时采用的通信校验和加密处理保证了驱动器在工业系统中数据传输的可靠性,防护了窃取数据及恶意攻击等行为,满足工业控制系统对于安全驱动器的需要。
摘要：为了保护电机的正常运行,驱动器需要相应的安全保护功能。目前的驱动器多数采用欠压、过流、短路等保护电路,当检测到故障时进行相应处理。然而工业控制系统中通常采用的都是多轴联动,在网络控制下,由于内部或外部原因导致单轴或多轴电机的误运行会波及整个系统。为提高工业控制系统的安全性,提出了一种智能安全的电机驱动器,通过硬件层、软件层和网络层三个层次的保护机制来保障电机在工业系统中的安全运行。实践应用表明,该设计方案切实可行,能够在异常情况下保障电机、驱动器和系统的安全运行。
关键词：系统安全,工业控制,驱动器,通信安全
参考文献
[1] Welchko B A,Lipo T A,Jahns T M,et al.Fault tolerant threephase AC motor drive topologies:a comparison of features,cost,and limitations.IEEE Transactions on Power Electronics,2004;19(4):1108—1116
[2] Ribeiro R L.Fault detection of open-switch damage in voltage-fed PWM motor drive systems.IEEE Transactions on Power Electronics,2003;18(2):587—593
[3] Hagiwara M,Nishimura K,Akagi H.A medium-voltage motor drive with a modular multilevel PWM inverter.IEEE Transactions on Power Electronics,2010;25(7):1786—1799
[4] 马宏忠,胡虔生,方瑞明,等.多功能电机保护控制一体化装置的研究.中小型电机,2005;27(5):22—25Ma H Z,Hu Q S,Fang R M,et al.Research on multi-function protection and control system for motor.S&M Electric Machines,2005;27(5):22—25
[5] Byres E.The myths and facts behind cyber security risks for industrial control systems.Vde Congress Vde Association for Electrical Electronic Information Technologies British Columbia Institute of Technology&Pa Consulting Group,2004
[6] Dzung D,Naedele M,Hoff T P,et al.Security for industrial communication systems.Proceedings of the IEEE,2005;93(6):1152—1177
[7] 王彦文,薄勇,孙素丽.加密存储芯片AT88SC1616的原理与应用技术.单片机与嵌入式系统应用,2004;12:39—42Wang Y W,Bo Y,Sun S L.The principle and application of memory chip AT88SC1616.Microcontrollers&Embedded Systems,2004;12:39—42
[8] 张冬艳,殷丽华,胡铭曾,等.面向内容安全的多模精确匹配算法性能分析.通信学报,2004;25(7):128—136Zhang D Y,Yin L H,Hu M Z.The performance of multiple-keyword pattern matching algorithms of information content security.Journal on Communications,2004;25(7):128—136
智能软启动器 篇7
分动器是四驱汽车实现动力合理分配的关键总成部件,承担汽车扭矩合理分配的任务,其设计性能将直接影响到四驱汽车的传动系统性能。目前应用较为广泛的四轮驱动汽车(four wheel drive,简称4WD)主要有全时四驱、分时四驱和智能四驱等类型。智能四驱汽车较多地采用车辆正常行驶时以前轮驱动为主的方式,在前驱动轮打滑、车辆转弯等特殊工况下,扭矩控制器根据接收的传感器信息自动将后驱动轮连接,从而形成四轮驱动。目前在该方面的研究成果主要有:文献[1-2]针对电子控制四驱汽车进行了最佳力矩分配和牵引力控制研究;贾巨民等[3]针对汽车分动器非圆行星差速器进行了概念研究;文献[4-8]分别针对分动器的设计制造以及不同部件的振动特性进行了研究。国外该类产品主要由博格华纳公司提供,国内目前还没有企业能够将该类分动器产品产业化。
本文以某款智能四驱汽车所用的分动器壳体为研究对象,对其进行了模态试验,并开展了结构强度分析,通过分析对结构进行了改进,得到了满意的结构。
1 有限元建模
分动器壳体是一个复杂的薄壁壳体,结构比较复杂,壳体上有轴承孔、定位销孔和加强筋等部分。为了简化有限元模型,在不影响分析结果的前提下,对结构进行如下简化:(1)忽略壳体结构各处过小的面;(2)忽略壳体上小的过度圆角和螺纹等结构特征。采用四面体二次网格设置,网格整体尺寸为2.5mm,共划分网格646 224个,节点144 168个。分动器壳体有限元网格如图1所示。
为了简化计算且又能准确反映分动器壳体的实际工作环境,对边界条件作以下近似处理:(1)针对螺栓螺母连接件,采用保留螺帽,使用梁单元模拟螺栓连接,设置梁单元的截面为圆形,梁一端和螺帽耦合一端与去除螺纹的分动器壳体耦合;(2)简化轴承的结构模型,保留轴承外圈,使用弹簧单元模拟轴承滚子,弹簧的指向由轴承的公称接触角确定,刚度由轴承滚子决定;(3)设置螺栓预紧力。边界处理如图2所示。
2 计算模态分析与试验研究
2.1 计算模态
将分动器壳体模型导入到Abaqus有限元软件中,使用Lanczos法计算其30阶自由模态,表1列出了前6阶固有频率和振型。
2.2 试验模态研究
2.2.1 试验装置及测点布置
使用软绳悬挂的方式模拟分动器壳体的自由模态进行振动特性研究。
(1)被测试件:某智能汽车分动器壳体。
(2)激励方式:试验时对分动器壳体进行的激励力由力锤锤击产生,使分动器壳体产生振动,同时在分动器壳体的适当位置布置加速度传感器,试验采用固定响应点,改变激励点的多次触发采样,输出信号与输入信号经过电荷放大器进入到采集系统。
(3)测试系统:测试系统包括传感器、信号采集系统和分析软件等,试验时用到的设备见表2,仪器连接简图见图3。
(4)测点选择:根据计算模态振型,在振动较大处布置较多的测点,以便较好地测得振动效果;振动较小处适当布置,以免模态丢失。测点布置如图4所示。
2.2.2 试验结果
对测得的信号进行处理得到前6阶的模态参数,如表3所示。
2.3 结果比较
通过比较发现,计算模态和试验模态前6阶具有相同的振型,频率值误差均在5%以内,说明了有限元模型的准确性。计算模态和试验模态对比如表4所示。
3 结构强度分析
3.1 载荷条件
3.1.1 轴承载荷计算
以某款智能汽车所用分动器为研究对象,该款车辆相关参数如表5所示,分动器结构如图5所示。
分动器壳体的受力主要是由与其相连的4个轴承传递,因此轴承的受力计算是壳体分析的基础,常规的方法采用传统的轴承计算公式进行求解,该方法与实际中轴承受力情况有差异。本文采用Romax软件构建分动器传动部件动力学模型,具体步骤如下。
(1)基于分动器总成的三维模型进行相关部件的数据测绘,分别进行输入轴和输出轴等部件的建模。
1.动力输入轴2.输出轴3、4.双曲面齿轮5、6、7、8.圆锥滚子轴承
(2)从轴承数据库中选择轴承型号,并建立在确定的位置;根据轴承的受力特点和工作条件,轴承1和轴承2选用相同的HM88649-HM88610圆锥滚子轴承,轴承3和轴承4号分别选用M88048-M88010和LM102949-LM102910圆锥滚子轴承。
(3)根据齿轮的相关参数建立齿轮模型,按照三维模型中位置进行输入轴和输出轴装配,如图6所示。
(4)设置2种极限载荷工况,即汽车在行驶中由于路面情况导致动力切换为四驱:(1)前进极限工况,四驱工况下发动机以最大扭矩且变速器以Ⅰ挡传动动力;(2)倒车极限工况,四驱工况下发动机以最大扭矩且变速器以倒挡传递动力。按照分动器工作时转速和扭矩输入,经过运动仿真后得出分动器4个圆锥滚子轴承的受力,2种工况下的轴承载荷如表6所示。
N
3.1.2 约束条件
按照分动器实际安装情况,对与变速器相连接部分的螺栓孔加载了固定约束,1个定位销限制其X、Y方向位移和转动,根据轴承受力分析结果在Abaqus中采用专门的轴承载荷形式加载。
3.2 静力学分析
3.2.1 应力和位移量分析
由分动器壳体的极限工况应力云图(图7)可见:分动器壳体的高应力区域主要集中在分动器大齿轮安装部分两侧,这主要是因为大齿轮两侧安装有支撑传动轴的两个轴承,壳体上的受力是通过轴承传递的,所以轴承安装部位受力相对较大。同时壳体上加强筋的设计也主要布置在壳体应力较大区域,说明加强筋的布置相对合理,对减小壳体应力和提高壳体的疲劳强度有一定的帮助。
通过分动器壳体的前进极限工况和倒挡极限工况应力云图比较后发现,最大应力分别为196.8MPa和190.3MPa,相差不是很大。同时,壳体材料许用应力屈服极限为190MPa,壳体所受应力大于许用应力,说明壳体设计不能满足实际需求,需要对壳体进行修改。由2种工况的应变分析结果可得出分动器壳体的位移变形量分别为0.113mm和0.130mm,位移量较小。
3.2.2 疲劳分析
按照2种极限工况的载荷设置疲劳分析工况为:前进极限工况时载荷为正向加载,倒车极限工况时载荷为反向加载,以完成1次正向和1次反向为1个循环。考虑到智能四驱汽车在整个行驶过程中动力切换到四驱工况时的概率仅为5%,因此对于分动器壳体的疲劳分析取进行2万次循环的疲劳工况分析,疲劳分析结果如图8所示(数字表示寿命的10的对数次)。由图8可以得知:壳体上在大齿轮轴承座安装区域疲劳寿命较低,不能满足设计要求。
4 分动器壳体改进
针对分动器壳体出现的应力集中在大齿轮轴承座附近的现象,对分动器壳体输入轴大齿轮轴承座位置进行加厚2mm处理,同时对加强筋进行加厚1mm。为了配合底盘传动系统的布置,图9中把1号螺栓孔改为定位销布置,同时缩短2号螺栓孔与中心孔之间的距离,使螺栓法向压力产生的反向摩擦力足以抵消螺栓所受的剪切力。改进后的应力结果如图9所示,由图可以知通过增加加强筋,修改后的最大主应力下降为144.3MPa,同时不存在应力集中现象,应力满足设计要求。
为了更加说明应力和位移修改前后的变化趋势,沿图9中黑色线区域,分别取100个点,统计圆周上各点应力和位移变化情况,如图10所示。由图10可看出,修改前有应力集中现象,同时应力主要保持在100MPa上下,经过修改后,应力明显下降,且应力过渡平稳,基本上保持在50MPa以下。说明修改后的数模总体应力取得了较大进步。
5 结论
(1)通过模拟真实分动器装配情况,分析完成了准确的约束边界条件和载荷的加载,建立了准确的分动器有限元分析模型。
(2)利用Romax软件建立了分动器总成动力学模型,并准确计算出了轴承的受力。与传统的运用理论公式计算轴承受力相比,该方法结合实际工况进行分析,得出的受力结果更为准确。
(3)通过模态试验和有限元仿真相结合的方法得到了准确的分动器各阶振型,为分动器在底盘上的布局提够参考。通过应力应变和疲劳的有限元计算保证了设计开发模型的准确性,为下一步分动器的分析打下了坚实的基础。
参考文献
[1]郭立书,葛安林,张泰,等.电子控制最佳扭矩分配4WD系统研究[J].农业机械学报,2002,33(6):16-19.Guo Lishu,Ge Anlin,Zhang Tai,et al.Study onElectronic Control Optimal Torque Distribute Sys-tem for 4WD[J].Transactions of the Chinese Socie-ty of Agricultural Machinery,2002,33(6):16-19.
[2]高阳,李静,雷雨龙,等.基于配备取力器的越野车牵引力控制方法[J].吉林大学学报(工学版),2009,39(3):18-21.Gao Yang,Li Jing,Lei Yulong,et al.Traction Con-trol Methods Based on Special Off-road Vehiclewith Power Take-off[J].Journal of Jilin Universi-ty(Engineering and Technology Edition),2009,39(3):18-21.
[3]贾巨民,高波.越野汽车分动器非圆行星差速器概念模型[J].中国机械工程,2008,19(24):3003-3005.Jia Jumin,Gao Bo.A Conceptive Noncircular Plane-tary Differential for Off-road Vehicles[J].ChinaMechanical Engineering,2008,19(24):3003-3005.
[4]王洪军,叶斌,卢旭东.汽车分动器齿形链疲劳失效分析[J].机械传动,2012,36(1):60-64.Wang Hongjun,Ye Bin,Lu Xudong.Fatigue FailureAnalysis of Automobile Transfer Case Silent Chain[J].Journal of Mechanical Transmission,2012,36(1):60-64.
[5]史建鹏,孙庆和.分动器转矩分配比确定理论研究[J].汽车工程,2007,29(10):889-892.Shi Jianpeng,Sun Qinghe.A Theoretical Study onthe Determination of the Torque Distribution Ratioin Transfer Case[J].Automotive Engineering,2007,29(10):889-892.
[6]陈习江.浅析一种新型分动器换挡机构的设计[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2009,32(18):194-195.Chen Xijiang.Brief Analysis on a New Shift Agencyof the Sub-actuator Designing[J].Journal of HefeiUniversity of Technology,2009,32(18):194-195.
[7]郭学军.新一代5t级越野汽车全时分动器开发[J].汽车技术,2011(2):18-21.Guo Xuejun.Development of Full-time TransferCase for New Generation 5tOff-road Vehicle[J].Automobile Technology,2011(2):18-21.
智能软启动器 篇8
在冶金行业中，鼠笼式电动机是应用最广泛的一种电动机。但鼠笼式电动机直接起动方式无法实现很多应用场合的软起动和限制电流峰值，因而损坏机械设备，降低电机的使用寿命。在这种情况下，人们常常采用降压起动来获得良好的起动效果。
2 三相鼠笼电动机起动方式比较
对于降压起动，传统的做法是采用降低加在电动机定子端电压的起动系统。通常所有降压起动都会引起起动转矩按照与电机相电流平方成正比关系降低，而电流与电压具有线性关系，因此，任何降压起动都会导致起动转矩按照与电机相电压平方成正比关系降低。最为人们所熟知的是电阻减压或电抗减压起动、星形—三角形起动、延边三角形起动，目前流行的是电子式软起动。
2.1 电阻减压或电抗减压起动
电动机起动过程中，在定子电路串联电阻或电抗，起动电流在电阻或电抗上将产生压降，降低了电动机定子绕组上的电压，起动电流从而得到减小。但由于电压降低，起动转矩与电压的平方成正比地减少，起动转矩将降低很多。因此这种起动方法一般用在轻载起动场合，同时由于成本较高，起动时电能损耗较多，实际应用不多。
2.2 星形—三角形起动
这种起动，电动机三相需引出六个出线端，在起动时先将三相定子绕组联结成星形，待转速接近稳定时再联结成三角形。起动过程中存在速度突变，在起动完毕切换时会出现较高的电流转矩峰值。这种接法起动时将起动线电流和起动转矩降为直接起动的1/3，因此这种起动方式使用于空载或低阻性转矩起动，同时只能用于正常运转时定子绕组联结方式为三角形的电动机。
2.3 延边三角形起动
延边三角形起动法利用电动机引出的九个出线端，起动时构成延边三角形联结法，起动结束后改为三角形。这种方法降低三相绕组的相电压，从而降低起动电流。但电动机内部接线复杂，维护量增加，同时只能用于正常运转时定子绕组联结方式为三角形的电动机。
2.4 电子式软起动
电子式软起动根据负载特点及工艺要求，通过设定相应的功能参数，可以限制起动期间的电压降，同时易于调节机器的电流峰值和转矩，力矩匀速平滑上升，能延长传动设备使用寿命，节省能源。使用软起动可以获得高于额定值的起动转矩。这种软起动器体积小、重量轻，故障率与维修费较低，使用时间长。由于自身的优势，在泵、风机、传送带、球磨机、压缩机等场合得到广泛应用。
这种软起动采用大功率晶闸管作为主回路的开关元件，通过控制它的导通角进行控制。这既能保证电动机在负载要求的起动特性下平滑起动，又能降低对电网的冲击。除各种起动方式外，还有一些可选功能，如软停车、泵控制、直流制动、慢速、线性斜坡、远程通讯等。
3 软起动器的工作原理
GE ASTAT Plus软起动器采用三对反并联的晶闸管串接于交流电动机的定子回路上。利用晶闸管的电子开关作用，通过微处理器控制其触发角的变化来改变晶闸管的开通程度，由此来改变电动机输入电压大小，以达到控制电动机的软起目的。当起动完成后，软起动器输出达到额定电压，这时软起动自动控制三相旁路接触器K吸和，软起动主回路断开，电动机直接投入电网运行，此时软起动作用为检测电动机运行情况并提供相应的保护措施。其工作原理如图1。
几种软起动器的控制模式：
3.1 软起动限流起动控制模式
在限流起动模式下，当电动机起动时，电机端电压保持不变，其输出电流值迅速增加，直到输出电流达到设定的电流限幅值，并保持输出电流不大于该值。然后电压逐渐升高，使电动机逐渐加速，当电动机接近额定转速时，输出电流迅速下降至额定电流，完成起动过程，见图2。
3.2 软起动电压斜坡起动控制模式
在电压斜坡起动模式下，当电动机起动时，软起动器的输出电压迅速上升至设定的初始电压值，然后按所设定的起动时间逐渐上升，直至额定电压。电机随着电压的上升不断加速，当电压达到额定电压时，电机达到额定转速，起动过程完成。见图3这种启动将传统的有级降压变为无级，根据负载特点，起动时间可调。实际应用中，这两种起动模式是互相关联的，而不是独立的。在电压斜坡起动模式下，当电流达到设定限幅值时，软启动调节斜坡电压，维持电流不变。
3.3 停机控制模式
自由停机：当接到停机指令后，软起动断开旁路接触器随即封锁主电路晶闸管的输出，电动机依负载惯性逐渐停机。
软停机：在这种停机模式下，电动机的供电由旁路接触器切换到主电路晶闸管，软起动器的输出电压逐渐降低，电机停止运行。其停机时间可根据负载要求进行设定。
4 软起动的选用
4.1 选型：根据负载性质及软起动特性选择软起动器
大型H型钢锯机的电机为西门子低压鼠笼式异步电动机，同步转速为1500rpm，两台热锯的功率为400KW，额定电流为6 9 0 A, 两台冷锯的功率为630KW，额定电流为1050A, 均属于重型负载，并且为满足生产节奏，允许能够频繁起制动。根据锯机频繁起制动工艺要求，我们对国内外软起动作了比较：施耐德、ABB软起动重载应用最大功率为500KW，额定电流为1200A，每小时允许起动次数不能超过6次，功率与起动次数均不能满足要求。而GE软起动器重载应用最大功率为850KW, 额定电流为1750A最大起动电流达4250A, 并且每小时起动次数在4倍起动电流下至少可达30次，满足生产工艺要求。并且GE软起动器属于国外进口设备，性能稳定，维护工作量将大大减少。根据以上特点, GE软起动器成为我们的首选。
4.2 选规格：根据电动机的标称功率、电流、负载性质选择软起动器
一般软起动器额定容量、额定电流大于电动机的额定容量、工作电流一个级别即可，同时还要考虑保护功能是否完备，如过电流保护、过电压保护、单相接地保护、堵转、晶闸管短路等不正确的工作状态。根据上述特点，我们选择GE软起动器型号如下：两台热锯型号为QC1VDP, 功率450KW, 电流为850A, 两台冷锯型号为QC1XDP，功率600KW, 电流为1075A。
5 GE ASTAT Plus智能软起动器的特点
5.1 改善加速/减速特性
GE ASTAT Plus智能软起动器选择电压斜坡起动或限流起动，可根据负载要求调整起动参数，使加速与负载特性相匹配，以达到最佳起动效果。通过使用软起动降低电机起动电流，减小起动应力，延长电动机及机械设备的使用寿命。制动可以通过断开电源或停止斜坡实现。还可以通过向电动机定子供应直流电流更为积极的制动，以获得最佳的减速。
5.2 全监视，易于维护
全数字开放式用户操作键盘，操作、设置灵活方便。信号代码采用字母数字显示，因此装置的工作状态随时可知，故障原因能快速诊断。
5.3 ASTAT Plus具有比标准软停车更有效的泵控制功能，减少管道系统中的流体浪涌或冲击。此方法通过控制电动机的内部参数和闭环系统中的输出电压降低电动机的速度。
5.4 ASTAT Plus具有多种高级功能，如线性加速斜坡、正向/反向啮合，可编程I/O以及通过串行通讯与计算机连接，并可与其它软起动器、可编程控制器、变频器等集成到生产工艺中的分布式控制网络中。
5.5 这种软起动调压范围宽、过载能力强，可用于频繁起、停的场合。通过操作键盘或外控端子，可方便实现本地控制或异地自动控制。
6 GE ASTAT Plus智能软起动器的应用
根据生产工艺要求及G E ASTAT Plus智能软起动特性，莱钢大型H型钢锯机上首次成功采用了GE ASTAT Plus智能软起动器。
大型H型钢共有4台锯，其中一台400KW切头热锯，一台400KW切尾、取样热锯，两台630KW移动冷锯、固定定尺冷锯。设计采用一带一方式 (一台软启动带动一台锯) ，控制方式分为远控和本机两种（程序起动）。正常运行状况下，通过西门子PLC和内部的程序联锁并通过GE ASTAT Plus智能软起动器的远程开关设置为ON，开启远程通讯功能，从而自动起停软起动器。在调试及维修时通过参数设置，采用本地操作模式。当电动机起动完成并达到额定电压后，三相旁路接触器吸合，关断软起动器主回路晶闸管组件，通过三相旁路接触器工作，使电动机直接投入运行，从而避免软起动功率元件长时间工作发热。此软起动能全时连续检测电机电流，提供电机最可靠和完整的保护功能。在起动结束旁路后，仍能够监视电动机的运行状态并提供相应保护功能。停车时我们采用直流制动方式，当软起动接收到停止命令时，通过可编辑继电器3r吸合，控制直流接触器动作，实施积极的制动。
GE ASTAT Plus智能软起动器对电动机提供了电流限幅、过流/欠流保护、过压/欠压保护、过载保护、输出缺相保护、堵转、晶闸管短路、电源频率故障等完备的保护功能并具有故障自诊断功能。通过操作面板上的液晶显示屏可以监控电动机电流、功率因数、线路功率、主电源电压。还可以显示工作状态代码、错误信息代码、功能设定代码，为查看软起动当前工作状态及故障的分析和排除提供了极大的方便。通过PLC控制的自动起停，既减少了操作工劳动强度，又提高了设备运行的可靠性。
7 结束语
目前软起动器在水泵、风机、球磨机、压缩机、输送机械等不需要调速的场合应用比较广泛。该软起动器自投入以来，运行情况稳定，没有出现较大故障。由于电子式软起动的优点，传统降压起动方式逐渐被新型的电子式软起动取代。它的使用为今后的智能控制打下了良好的基础。
摘要：本文首先介绍了三相鼠笼电动机常用的几种起动方式及其优缺点, 并重点介绍了GE ASTAT Plus智能软起动器的选型依据、工作原理、特点以及在大型H型钢锯机上的应用。
面板级相机致动器 篇9
技术指标：（1） 像素： 1.3M， 3.0M， 5.0M， 8.0M；（2） 尺寸： 5.1 x 5.6 x 4.75mm（1.3M）， 6.84 x 6.62 x 5.95mm （3M/5M）；（3） 镜片规格： 1/5.5”，1/4”；（4） 倾斜角度：>60°；（5） 模块类型： 光学全自动对焦；（6） 接口类型： 可应用于现有的手机；（7） 感应器类型：CMOS/CCD ；（8）光学畸变：≤1%；（9）耗电量：与市场上的VCM相近；（10）自动对焦范围： 5cm - ∞。
智能移动监控技术平台
成果简介： 智能移动监控技术平台是可穿戴的移动多媒体通信监控设备，双通道3G确保紧急情况下可靠通信。核心技术为结合监控摄像机网络的目标跟踪锁定、视频容错技术、服务器端智能场景分析技术的应用、客户端相片的获取、传输以及服务器端的脸部识别，并支持Email和浏览器程序。
智能安全
技术平台
成果简介： 智能安全技术平台基于内容的视频检索和快速浏览平台，具有智能场景分析、背景建模、前景提取和分析、运动背景过滤、人车检测和分类、物体跟踪和检索、用户定义的事件检测、视频音频分析系统的融合、关键词的声音定位和视频去噪算法功能。
沥青改性与深加工技术
成果简介： 沥青（包括石油沥青、煤沥青、天然沥青亦含煤焦油）来源广泛，现已成为道路建筑、房屋建筑、水工建筑、化工建筑、防腐防湿、涂料工业以及炭石墨材料等领域的重要材料和原料。项目对煤沥青和石油沥青的组分、化学结构、各种性能指标测试以及改性技术等方面有长期研究工作基础，在改性沥青方面取得了一些先期研究经验，如对道路建筑方面用沥青产品的软化点、延展度、耐低温开裂等性能指标方面的研究已达到相关国外产品的质量指标。
低功耗系统级芯片设计平台
成果简介： 香港应用科技研究院集成电路群组建立了一个平台来提供低功耗系统级芯片设计的解决方案。平台提供各种低功耗管理和实施的方法，从而能针对每个设计阶段之不同需要，包括系统层面设计、架构定义、逻辑综合、物理版图实现以至最终芯片制造。透过此全面设计平台，设计团队能减低低功耗系统芯片的设计风险；同时亦可以提升设计效率，满足加快推出市场的需求。
智能软启动器 篇10
矿用隔爆型启动器常见的故障类型有过电流、断相运行、漏电三大类。过电流是煤矿井下低压电网常见的故障之一, 它又可以分为过载和短路2种故障状态, 常见的有三相短路、两相短路、两相接地短路、单相断线等。断相运行是造成电动机烧毁的常见故障, 也是一种过载故障。一般的热继电器不能可靠地保护电动机免于断相运行, 需要单独设置断相运行保护装置。大多数井下低压供电方式供电距离较长, 由于井下工作条件恶劣, 供电电缆机械强度差, 漏电事故时有发生, 矿用保护装置应该具有漏电闭锁的功能[1]。因此, 矿用隔爆型磁力启动器保护电路应具备对上述故障的预测、保护和闭锁功能。
目前, 国内煤矿广泛应用的磁力启动器存在着保护功能不完善、灵敏度低、无故障闭锁、维护量大等缺陷, 且陈旧老化, 已经不适应矿井生产现代化的要求[2]。为此, 笔者采用W79E834单片机设计了一种磁力启动器智能综合保护装置, 并且加入了电能计量功能, 克服了上述缺陷, 实现了小型隔爆开关的智能化和数字化。
1 保护装置的原理及电能计量
1.1 装置的保护原理
根据《煤矿安全规程》的规定, 井下低压电动机应具备短路、过负荷、单相断线保护功能。本文设计的磁力启动器智能保护装置除具备上述保护功能外, 还具有漏电闭锁功能。保护原理如下:
短路、过流保护主要是利用电网短路或过载时线路上电流突然增大的特点, 当电流超过预先整定的某个值时, 保护装置动作。
漏电闭锁是采用附加直流电源的方法, 在断电的情况下, 通过在电网上附加一个24 V直流电源的方式, 检测电网对地的绝缘阻抗, 判断是否发生漏电故障。若发生漏电则将磁力启动器锁住, 使之不能合闸送电, 达到保护的目的。图1为利用附加直流电源漏电闭锁保护的原理图。附加直流电源所产生的电流:
式中:U为24 V直流电源;I为24 V电源回路的电流;∑R为限流电阻、接地极电阻之和。R∑为三相电网每相对地绝缘电阻的并联值, 即R∑=r/3[3]。
图1中, K1为K的辅助常闭触点;L为电动机的线圈;r为电网的对地绝缘电阻;R为限流电阻;GD为线性光耦, 它的电流传输特性曲线接近直线, 即I1=KI, 并且小信号时性能较好, 能以线性特性进行隔离控制。R1为取样电阻, 其两端的电压为
由式 (2) 可知, 通过测量R1两端的电压U1, 可连续检测r, 使r达到装置设定的动作值时, 迅速启动漏电闭锁保护[4]。
刚好使继电器动作的绝缘电阻值称为检漏继电器的动作电阻值。按照规定, 对于660 V电网, 漏电闭锁的动作电阻值为22 kΩ, 即R∑=22 kΩ[5]。代入式 (1) , 得:
这就是电流继电器的整定值。
所以, 当三相电网的对地绝缘电阻低于22 kΩ时, 测量得到的U1>KR1Ilb=Ulb, 这样就可以启动漏电闭锁保护。式中, Ilb、Ulb为漏电闭锁的电流、电压整定值。
采用这种方法, 首先线路简单, 其次能反映单相、两相及三相绝缘降低, 也就是说无论是发生触电还是三相绝缘电阻均匀降低等情况均能反映, 而且其动作值只与总的绝缘电阻有关。
断相保护的一般方法是对断相信号进行识别。当断相信号超过一定值时, 也就是实际不对称度超过容许的不对称程度时, 保护装置经过一短延时后动作[6]。
电动机正常运行时的相电流为
式中:Ip为相电流; Ul为线电压; PN为额定功率; cos φ为功率因数;η为效率。
如电动机在一相断电后, 其余两相串联, 每相绕组的电压就从原来的220 V降为190 V。当电动机负载功率不变, 故障相电流很小, 几乎接近为零, 而非故障相电流为
由式 (5) 可知, 在额定负载下, 电动机在缺相运行时非故障相的电流是正常运行时额定电流的
根据电动机在发生断相故障时故障相电流变小、非故障相电流变大的特点, 采用比例法进行整定值的计算, 即三相电流中的最小值与最大值的比值小于预先整定的某个值, 并且最大值大于预先整定的某个值时, 保护装置经延时后动作[8], 其动作条件如式 (6) 所示:
式中:Imax、Imin分别为三相电流的最大值与最小值;k为Imin与Imax比值的整定值, 即不平衡系数;Idx为发生断相保护的电流启动定值;tdx为延时跳闸的时间整定值。
1.2 装置的电能计量
CS5460A[9]是一种能量计量专用芯片, 它由美国Crystal 公司生产, 具有良好的性能, 可通过SPI方便地读出电压、电流、功率、电度数等参数。该芯片的性能优于其它计量芯片, 主要表现在:
(1) 转换精度高, 测量功能强。
(2) 外围器件少, 具有片内看门狗定时器 (WatchDog Timer) 与内部电源监视器。
(3) 接口方便。
针对这些特点, 保护装置选用CS5460A芯片、二表法测量电能。根据二表法测量电能的原理:
可知只需测量A、B相的线电压、B、C相的线电压、A相电流和B相电流[10], 采用定时间隔Δt访问CS5460A, 可以认为在Δt时间内功率是不变的, 由功率和时间Δt的乘积可以得出消耗的电能。
2 装置的硬件及软件设计
2.1 硬件设计
该保护装置选用W79E834单片机作为CPU控制模拟量的采集和计算、保护的判断、开关量的输入输出。W79E834具有可以在系统编程的应用程序存储器FLASH EPROM, 可使用烧写器在系统中编程, 它的指令系统完全与标准的8052指令系统兼容;具有256 B的RAM、256 B的AUX-RAM、3个8位和1个2位双向可位寻址的I/O端口、2个16位定时器/计数器、8路10位的A/D转换器、4路10位的PWM、1个定时器有输入捕获单元;2个串口包括1个SPI和1个增强型全双工串口;支持13个中断源4级中断;容易编程和校验, W79E834内部的FLASH EPROM 支持电编程读取。
基于W79E834的磁力启动器智能保护装置的硬件系统整体框图如图2所示。
(1) 信号输入:
用于采集电网A、B、C三相电流、AB和BC两相的线电压以及R1两端的电压U1。
(2) 信号调理电路:
由于从相应PT和CT上取得的电压和电流都很高, 不能直接为A/D转换芯片所用, 必须转换为弱电压信号。信号调理电路将从PT和CT上取得的电压和电流信号经过高精度的小PT和CT转换为-5～+5 V的交流电压信号。
(3) A/D转换电路:
将采样得到的模拟量转换为数字量供单片机使用。
(4) 单片机电路:
用于实现数据采集、计算、逻辑判断、定时、存储等功能。
(5) 指示灯报警电路:
用于出现故障时提醒工作人员, 以便于及时处理。
(6) 电能计量及显示电路:
计量及显示电能。
(7) 故障跳闸电路:
继电器保护装置动作电路, 切除故障。
2.2 软件设计
该保护装置的软件包括短路、过载、断相和漏电闭锁的判断程序。采用W79E834定时器中断进行控制, 每周波采32点, 可保证足够的精度。图3为该保护装置软件流程图, 在发生短路、过载、断相和漏电故障时, 装置利用不同的指示灯进行指示, 同时对应故障线路的保护动作。
Idl、Igz—短路、过载的电流整定值
在断电的情况下, 测量取样电阻R1两端的电压U1、将它与Ulb进行比较来判断是否漏电闭锁。
当发生短路或过载故障时, 通过公式
线路故障切除后, 保护装置除漏电闭锁需要手动复位外, 短路、过流、断相的继电器均自动返回到起始状态, 完成保护装置的全部动作过程。
3 结语
本文介绍的采用W79E834单片机和CS5460A电能计量芯片设计的磁力启动器保护装置实现了常见故障的智能保护, 较以前的保护装置接线简单、灵敏度高、占用空间小、操作方便, 而且加入了电能计量装置, 在节省投资的情况下有效地提高了系统运行的稳定性和可靠性。该装置已在某矿变电所应用, 运行效果良好。同时, 该装置与煤矿现有的模拟式保护装置在体积、安装方式、接线方式等方面完全一致, 具有良好的适应性, 特别适合于煤矿现有设备的升级改造。
参考文献
[1]刘巧英, 陈杰, 付子义, 等.矿用隔爆型小型智能化真空磁力启动器的设计[J].工矿自动化, 2007 (6) :58-61.
[2]陈冬云, 杜敬仓, 任柯燕, 等.Tmega128单片机原理与开发指导[M].北京:机械工业出版社, 2006.
[3]王红俭, 王会森.煤矿电工学[M].北京:煤炭工业出版社, 2005.
[4]玄子玉, 薛佳楣, 陈广大.矿用低压隔爆型馈电开关智能保护器的设计[J].煤矿机械, 2008 (9) :128-130.
[5]刘兵.矿山供电[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2004.
[6]曹明业.电动机智能保护器的开发应用[J].机电工程技术, 2007, 36 (3) :62-65.
[7]黄荷英, 金永琪.电动机缺相运行后果及预防措施[J].水电能源科学, 2008, 26 (3) :182-184.
[8]刘玉宾, 范文军.基于BP神经网络的三相异步电动机故障诊断技术研究[J].煤矿机械, 2007, 28 (2) :188-190.
[9]曾智刚, 周岳松.CS5460A芯片与其在功率测量的一种应用[J].现代电子技术, 2004, 5 (1) :100-102.