“晃電”檢測與再起動控制器設(shè)計

陳 亮 信明貴

（山東萊蕪鋼鐵集團有限公司，山東 萊蕪 271104）

1 引言

電網(wǎng)由于雷擊、短路、發(fā)電廠故障等內(nèi)外部原因，造成電壓大幅波動，甚至停電數(shù)秒鐘的現(xiàn)象時有發(fā)生，此現(xiàn)象俗稱“晃電”。“晃電”現(xiàn)象發(fā)生時，用接觸器控制供電的電機及其它設(shè)備會自動停車。即使立即來電，電機也不會繼續(xù)工作，需要人工重新起動電氣設(shè)備。這不僅浪費時間還造成工藝連續(xù)工作過程的中斷，輕者大量物料排空報廢，重者引起設(shè)備損壞、爆炸、火災(zāi)等事故，造成巨大損失。

“晃電”具有不可預(yù)見性，常給人一種很難控制的感覺。為了降低“晃電”所造成的損失和危險，人們通過分析“晃電”現(xiàn)象，設(shè)計了多種處理“晃電”的措施[1]。如蓄電池方案、電容器方案、采用時間繼電器方案等。這些方案都需要對原有控制線路進行改造，接線復(fù)雜、可靠性低。

本文分析了“晃電”的特點及危害，設(shè)計了基于單片機的低壓電機再起動控制器。當(dāng)檢測到系統(tǒng)電壓波動并確認由此造成電機停機時，則在電壓恢復(fù)正常后，根據(jù)電機原運行狀態(tài)以及再起動控制器參數(shù)的設(shè)定值，使電機重新投入運行。若在設(shè)定的最大“晃電”時間內(nèi)，主回路供電電源沒有恢復(fù)到正常值，再起動控制器給電機投入冗余電源。該系統(tǒng)具有可靠性高、體積小、安裝方便、接線簡單等特點，可直接安裝于現(xiàn)場低壓開關(guān)柜內(nèi)。產(chǎn)品易于維護、投資少，可廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金等需要電機連續(xù)工作的重要場合，完成由于“晃電”造成的低壓電機的再起動或主電源和冗余電源間的自動切換。

2 系統(tǒng)組成

低壓電機再起動控制器由電壓轉(zhuǎn)換電路、測量電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和單片機PIC16F876及相應(yīng)外圍電路等構(gòu)成，如圖1所示。

2.1 “晃電”檢測

所謂“晃電”是指超過兩個周波（40ms）的低電壓狀態(tài)（小于接觸器線圈的吸合電壓）甚至零電壓狀態(tài)[2-3]。系統(tǒng)中選取三相電壓中的一相電壓來檢測。相電壓（采樣電壓）經(jīng)過變壓器變壓輸出V3A-V4A、V3B-V4B（熱備電源），V3A-V4A經(jīng)穩(wěn)壓模塊穩(wěn)壓輸出12V直流電壓，12V直流電壓經(jīng)分壓器分壓后連接到MCU的模擬信號輸入端，進行“晃電”檢測，圖2為系統(tǒng)的電源部分原理圖。另外低壓電機再起動控制器要檢測電機的運行狀態(tài)，只有在電機運行的情況下出現(xiàn)“晃電”，造成電機停機時，再起動控制器才按照設(shè)置好的起動時間起動電機。系統(tǒng)通過檢測電機運行接觸器輔助觸點的狀態(tài)來確定電機的運行狀態(tài)。

圖1 晃電檢測與再起動控制器系統(tǒng)原理圖

圖2 系統(tǒng)電源部分原理圖

“晃電”再起動控制器必須能夠在系統(tǒng)供電出現(xiàn)低電壓或者供電中斷時維持正常連續(xù)工作，才能夠在電壓恢復(fù)后按設(shè)定的參數(shù)精確再起動。因此控制器的供電電壓必須穩(wěn)定且低功耗。由于線性穩(wěn)壓器件（三端穩(wěn)壓器）工作中的“熱損失”大，因此系統(tǒng)中選用功耗極低的LM 2576開關(guān)穩(wěn)壓電源模塊為MCU提供電源，圖1中的Vdd是MCU的供電電源。該模塊的使用，一方面保證在允許的最大“晃電”時間內(nèi)，再起動控制系統(tǒng)正常連續(xù)工作，另一方面由于開關(guān)穩(wěn)壓電源不需要加裝散熱片，大大減少了PCB板的面積。

2.2 時鐘電路

當(dāng)檢測到“晃電”發(fā)生以及再起動過程中，系統(tǒng)需要判斷“晃電”持續(xù)的時間，以便確定是否是“晃電”。另外為了防止“晃電”過后多臺低壓電機同時起動所造成的沖擊電流對電網(wǎng)的影響，為同一網(wǎng)絡(luò)下控制不同電機的再起動控制器設(shè)置不同的起動時間。時鐘電路為系統(tǒng)提供必要的時間參考。系統(tǒng)中采用PCF8563時鐘芯片[4]。PCF8563是工業(yè)級低功耗、多功能時鐘/日歷芯片，具有多種報警功能、定時器功能、時鐘輸出功能以及中斷輸出功能等。內(nèi)部時鐘電路、內(nèi)部振蕩電路、內(nèi)部低電壓檢測電路以及兩線制I2C總線通信方式，使外圍電路簡單、系統(tǒng)可靠性高。

2.3 PIC16F876單片機

PIC16F876單片機是M icrochip公司推出的低功耗單片機，內(nèi)部集成有FLASH程序存儲器、10位ADC，256字節(jié)的E2PROM，上電復(fù)位電路、WDT、USART等，支持外部參考電壓源，寬電壓，低功耗，工作溫度可滿足工業(yè)級應(yīng)用要求。基于PIC16F876上述特點，系統(tǒng)設(shè)計中采用該單片機的SOIC封裝芯片作為控制器。I/O口線分別聯(lián)接2路模擬輸入電壓DC1和DC2（監(jiān)測電壓1和電壓2）、2路開關(guān)量輸入ME1和ME2（電機運行狀態(tài)檢測）、4路輸出RELAY1-4（再起動控制繼電器）以及時鐘模塊和系統(tǒng)四位設(shè)定按鍵BP1-4。圖3為MCU接口電路原理圖。

圖3 M CU連接的電路

2.4 顯示電路

低壓電機再起動控制器系統(tǒng)的顯示部分采用MAX7219芯片實現(xiàn)。MAX7219是一種高度集成化的串行輸入/并行輸出共陰極顯示驅(qū)動器，實現(xiàn)微處理器與7段碼LED顯示器的接口。芯片上有BCD碼譯碼器，多位掃描電路，段驅(qū)動器，位驅(qū)動器，用于存放顯示數(shù)據(jù)的8×8位靜態(tài)RAM。只需外接一個電阻就可為所有LED提供段電流。MAX 7219與MCU的連接口線為DIN、LOAD和CLK。系統(tǒng)具有四位數(shù)碼顯示，一個發(fā)光二級管。發(fā)光二級管顯示電源1和電源2的工作狀態(tài)。四位數(shù)碼管分別顯示控制器的設(shè)定值：最低“晃電”電壓、最低起動電壓、電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常時控制器延時起動時間、最大允許“晃電”時間和電源1、電源2的電壓值、以及“晃電”發(fā)生的時間和累計“晃電”出現(xiàn)的次數(shù)等。

3 結(jié)論

針對“晃電”的特點設(shè)計了基于冗余電源的低壓電動機再起動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)實時監(jiān)測電網(wǎng)電壓和電機的運行狀態(tài)。實現(xiàn)低壓電動機再起動和冗余電源的切換。“晃電”允許時間在0～999s范圍內(nèi)自由設(shè)定；再起動控制器的延時時間在0～29.9s自由設(shè)定；電網(wǎng)電壓的低電壓可在100～299V范圍內(nèi)設(shè)定；恢復(fù)電壓可在100～299V范圍內(nèi)設(shè)定。系統(tǒng)已成功的應(yīng)用于萊鋼高爐冷卻水加壓水泵。系統(tǒng)運行兩年來工作穩(wěn)定、精度高、可靠性好。

[1] 張風(fēng)平,哈新智.“晃電”不停機的解決方案[J]. 化工自動化及儀表, 2007, 34(1): 86-88.

[2] 陳星,徐承深. 低壓電機單機再起動控制器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù), 2005, 215(24): 7-9.

[3] 郭曉麗, 閆承志. 電壓波動和閃變實時檢測的研究與實現(xiàn)[J]. 電測與儀表, 2004, 41(458): 14-18.

[4] 卞麗, 張國華等. 時鐘芯片PCF8563接口及驅(qū)動設(shè)計[J].中國科技信息, 2007(17): 69-71.