基于DSP2407的異步電機(jī)數(shù)字式軟起動(dòng)器設(shè)計(jì)

谷志鋒， 張 嶺， 栗彥輝， 葉秀羲

(軍械工程學(xué)院，河北石家莊 050003)

0 引言

傳統(tǒng)的電機(jī)起動(dòng)設(shè)備，如飽和電抗器、自耦變壓器、Y/△轉(zhuǎn)換器等，在很大程度上緩解了大容量電機(jī)在相對(duì)較小容量電網(wǎng)上起動(dòng)時(shí)的矛盾。但它們只是縮短了大電流沖擊的時(shí)間，并未從本質(zhì)上解決問題［1-3］，且存在負(fù)載適應(yīng)能力差、起動(dòng)電流不連續(xù)、觸點(diǎn)繼電控制及浪費(fèi)能源等缺陷。數(shù)字式電機(jī)軟起動(dòng)器具有結(jié)構(gòu)簡單、無觸點(diǎn)、無噪聲、體積小、重量輕、起動(dòng)電流及起動(dòng)時(shí)間可控、起動(dòng)過程平滑、具備完善的電機(jī)保護(hù)功能等優(yōu)點(diǎn)，并且維護(hù)工作量小、節(jié)能效果顯著［4］。

1 數(shù)字式軟起動(dòng)控制原理

新型數(shù)字式軟起動(dòng)器的主路采用晶閘管調(diào)壓回路［5-6］，調(diào)壓電路由6只晶閘管兩兩反向并聯(lián)組成，串接在電機(jī)的三相供電線路中。當(dāng)數(shù)字控制系統(tǒng)接到起動(dòng)指令后，通過隔離變壓器和電流互感器采集電機(jī)端口電壓、電流等，同時(shí)進(jìn)行有關(guān)計(jì)算，控制晶閘管的觸發(fā)角α，控制電機(jī)的起動(dòng)過程(電壓斜坡、恒流或恒功率因數(shù)等)［7］。當(dāng)起動(dòng)過程完成后，旁路接觸器吸合，短路掉所有的晶閘管，使電機(jī)直接投入電網(wǎng)運(yùn)行，避免不必要的電能損耗。數(shù)字式防暴軟起動(dòng)器還具有數(shù)碼管和液晶混合顯示、漏電檢測、通信、相序自判斷等功能。數(shù)字式軟起動(dòng)控制框圖如圖1所示。

2 數(shù)字式軟起動(dòng)控制器硬件電路

2.1 DSP2407型軟起動(dòng)器的總體結(jié)構(gòu)

圖1 數(shù)字式軟起動(dòng)控制系統(tǒng)框圖

數(shù)字式電機(jī)軟起動(dòng)器的CPU采用了低功耗、快速運(yùn)算速度的DSP2407，同時(shí)JETAG接口可以實(shí)施在線仿真和跟蹤。外擴(kuò)的61LV6416型RAM與 DSP2407直接相連，實(shí)現(xiàn)在線仿真運(yùn)行的數(shù)據(jù)零時(shí)下載。按鍵功能采用具有模擬串行口功能的HD7279實(shí)現(xiàn)。CPU通過MAX485芯片可以實(shí)現(xiàn)長距離的數(shù)據(jù)傳輸。LCM320240ZK型液晶顯示屏、93C46型E2PROM及各外擴(kuò)芯片的片選線由ALTERA最新的MAXⅡCPLD EPM240(相當(dāng)于8650門CPLD，燒寫至少10萬次以上)編程控制［8］。電機(jī)端口的電壓、電流采集通過鎖相環(huán)交流采集調(diào)理電路輸入12位A/D轉(zhuǎn)換器MAX197，并通過雙向驅(qū)動(dòng) 74LVC4245與DSP2407連接，提高了采集精度。由于需要實(shí)現(xiàn)6支晶閘管的觸發(fā)控制，外擴(kuò)了定時(shí)器芯片8254，觸發(fā)脈沖通過光電隔離和脈沖列觸發(fā)電路輸出。DSP2407外圍電路如圖2所示。

2.2 高頻脈沖列觸發(fā)電路設(shè)計(jì)

為了減小脈沖變壓器的體積，降低整個(gè)控制器的尺寸，同時(shí)提高觸發(fā)的可靠性，設(shè)計(jì)了高頻脈沖列觸發(fā)電路，如圖3所示。通過調(diào)整74LS123外擴(kuò)阻容的大小，可以實(shí)現(xiàn)MC觸發(fā)脈沖高電平信號(hào)的擴(kuò)展，增加觸發(fā)的可靠性。同時(shí)，擴(kuò)展后的輸出信號(hào)輸入74LS175的CLE端，可以提高觸發(fā)脈沖CFA、CFB、CFC的同時(shí)性。脈沖變壓器的一次側(cè)通過增加穩(wěn)壓管，可以提高觸發(fā)脈沖的寬度，二次側(cè)采用快速恢復(fù)二極管BYC26C，可以保證脈沖列觸發(fā)的同時(shí)性［9］。

圖2 DSP2407型軟起動(dòng)器的總體結(jié)構(gòu)

設(shè)晶閘管觸發(fā)角度為α，電流持續(xù)導(dǎo)通時(shí)間為θ，電機(jī)的阻抗角為β。由電路的知識(shí)知，當(dāng)輸入電壓為U時(shí)，可得超越方程為

通常α ＞β，θ+α ＞180°，有 θ＜180°，dθ/dα ＜0。導(dǎo)通角和觸發(fā)角的關(guān)系如圖4所示。

由圖4可知，在相同的觸發(fā)角度的情況下隨

圖3 高頻脈沖列觸發(fā)電路

圖4 觸發(fā)角和電流持續(xù)導(dǎo)通角的關(guān)系圖

如果認(rèn)為β為常量，由式(1)可得:著阻抗角的減小，電流的導(dǎo)通角減小，由于電機(jī)在起動(dòng)過程中R2/s在不斷增大(s為電機(jī)轉(zhuǎn)差率，大小為0～1)，導(dǎo)致阻抗角減小，這樣觸發(fā)角在最大觸發(fā)角(通常為100°)向30°前移過程中電流持續(xù)角減小，也就是說在起動(dòng)過程中是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，觸發(fā)角的范圍在逐步擴(kuò)大。如果設(shè)α+θπ=δ，δ代表電壓過零后電流持續(xù)的導(dǎo)通角度，設(shè)

由于晶閘管存在動(dòng)態(tài)的恢復(fù)時(shí)間，在δ=6°時(shí)，式(3)可得到γ很小，一般晶閘管的關(guān)斷時(shí)間要幾百 μs，而 6°電角度對(duì)應(yīng)的時(shí)間為 300 μs，如果在正向可控硅沒有關(guān)閉時(shí)，觸發(fā)反向晶閘管達(dá)不到可靠觸發(fā)的目的［10］，同時(shí)由于R2/s也與負(fù)載的情況有關(guān)，這樣在不同負(fù)載的情況下達(dá)到δ=6°的時(shí)間不一樣，為達(dá)到動(dòng)態(tài)監(jiān)視晶閘管的關(guān)斷時(shí)間，防止在6°以后的不可靠觸發(fā)，設(shè)計(jì)了晶閘管的關(guān)斷檢測電路，如圖5所示。

DSP2407檢測電流的過零時(shí)刻并計(jì)時(shí)，判斷是否在6°的不可靠的觸發(fā)區(qū)間內(nèi)，如果在這個(gè)范圍之內(nèi)，讓晶閘管的旁路接觸器關(guān)閉，電機(jī)處于全壓運(yùn)行狀態(tài)，完成電機(jī)軟起動(dòng)過程。

2.3 電機(jī)漏電監(jiān)視電路設(shè)計(jì)

圖5 晶閘管的電流過零檢測電路

電機(jī)在經(jīng)常運(yùn)作的情況下會(huì)由于工作環(huán)境或α+π－(α+θ)=γ，γ代表反向觸發(fā)時(shí)間與電流過零之間相位差，可得:者絕緣老化的原因，絕緣程度降低，如果不加以檢測可能會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)，圖6為絕緣檢測電路。圖中采用NE555構(gòu)成雙穩(wěn)類電路，發(fā)電機(jī)機(jī)殼通過串聯(lián)電阻與漏電保護(hù)電路相連，對(duì)于在660 V異步電機(jī)，絕緣電阻低于42 kΩ時(shí)，NE555第3腳會(huì)驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，并將漏電信號(hào)輸給數(shù)字式軟起動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)漏電保護(hù)。在剛上電時(shí)，圖6中右部的NE555起到封鎖漏電誤動(dòng)作信號(hào)的作用。

圖6 電機(jī)漏電保護(hù)電路

3 數(shù)字式軟起動(dòng)器程序設(shè)計(jì)

交流電機(jī)軟起動(dòng)控制器的軟件共包含主控制模塊6個(gè)及與這些控制模塊相關(guān)的子程序186個(gè)。主控制程序模塊分別為主程序模塊MAIN、運(yùn)行控制模塊MONT、α控制模塊SHIFT、數(shù)據(jù)采集模塊SMPL、故障診斷模塊DIGN、RS－485串行通信模塊SCOM。其中，MAIN模塊完成控制參數(shù)的查看與設(shè)定、故障狀態(tài)記錄、運(yùn)行狀態(tài)顯示等界面操作，并完成485串行通信管理;MONT模塊為二級(jí)中斷運(yùn)行方式，其運(yùn)行節(jié)律為100 ms;SHIFT模塊為一級(jí)中斷運(yùn)行方式，是控制的中心環(huán)節(jié)。主程序MAIN模塊的流程圖如圖7所示。

圖7 主程序MAIN模塊流程圖

4 試驗(yàn)波形分析

在三相晶閘管部分導(dǎo)通時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生各次諧波，諧波電壓、電流既可能通過傳導(dǎo)，也可能通過空間輻射耦合進(jìn)入控制系統(tǒng)。圖8是A相晶閘管兩端電壓和電流實(shí)測波形，圖9是電機(jī)A相的

圖8 A相晶閘管兩端電壓和流過電流實(shí)測波形

圖9 電機(jī)A相端電壓和流過的電流實(shí)測波形

端電壓和流過的電流實(shí)測波形。因此，在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要采用強(qiáng)弱隔離、電磁隔離、光電隔離等手段保證控制系統(tǒng)順利工作。

5 結(jié)語

基于DSP2407與CPLD的數(shù)字式異步電機(jī)軟起動(dòng)器具有起動(dòng)過程可控(恒流、恒功率因數(shù)、電壓斜坡軟起)、功耗低、節(jié)能的顯著優(yōu)勢。

本文詳細(xì)介紹了控制器的總體構(gòu)成、高頻脈沖列觸發(fā)、高壓電機(jī)漏電檢測的實(shí)現(xiàn)原理，并通過實(shí)際應(yīng)用和測量證明其所具有的優(yōu)勢。實(shí)際應(yīng)用證明，軟起動(dòng)器具有起動(dòng)過程平穩(wěn)、節(jié)能效果顯著的特點(diǎn)。

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