異步電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)器設(shè)計(jì)

摘要：為了克服傳統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)中受環(huán)境溫度影響誤動(dòng)作次數(shù)多、余熱滯后動(dòng)作、功耗大、易熱勞損等缺點(diǎn)，采用了對(duì)主電路、控制電路和輔助電路進(jìn)行分析調(diào)試的方法，以及對(duì)包括主程序、保護(hù)程序、液晶程序在內(nèi)的控制系統(tǒng)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，優(yōu)化了整個(gè)硬件電路，很大程度上提升了異步電動(dòng)機(jī)的性能。
關(guān)鍵詞：異步電機(jī)；晶閘菅；電機(jī)保護(hù)；觸發(fā)脈沖

0 引言
隨著當(dāng)今社會(huì)的飛速發(fā)展，電動(dòng)機(jī)以廣泛應(yīng)用于紡織、化工、石油、冶金等工業(yè)部門(mén)之中，但常因斷相、過(guò)載、堵轉(zhuǎn)、短路等原因被燒毀或殃成事故。隨著電動(dòng)機(jī)在各行各業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，對(duì)電動(dòng)機(jī)的保護(hù)也愈來(lái)愈受到人們的關(guān)注。作為重要的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，其控制技術(shù)也越來(lái)越受到人們的重視，尤其異步電動(dòng)機(jī)作為應(yīng)用最廣泛的電動(dòng)機(jī)，約占電動(dòng)機(jī)總數(shù)的70％，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，通用三相異步電動(dòng)機(jī)每年的耗電量約為全球總發(fā)電量的50％，其起動(dòng)電流高達(dá)額定電流的5～10倍，故大中型異步電機(jī)在直接起動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，不僅對(duì)電動(dòng)機(jī)及所拖動(dòng)的設(shè)備造成電氣和機(jī)械的損傷，而且會(huì)造成電網(wǎng)電壓下降，影響電網(wǎng)其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。因而存在的問(wèn)題是既要為智能控制打下良好基礎(chǔ)，又要降低電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)及拖動(dòng)設(shè)備的沖擊。
現(xiàn)在工程應(yīng)用上常見(jiàn)的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器可分為機(jī)械式和電子式兩種。機(jī)械式主要指雙金屬片機(jī)械式熱繼電器，熱繼電器之所以能延用至今，除受傳統(tǒng)觀念的影響，價(jià)格低廉等原因之外，還有其本身固有的反時(shí)限保護(hù)特性強(qiáng)(動(dòng)態(tài)范圍寬)等原因。但也存在著巨大的缺點(diǎn)，如受環(huán)境溫度影響誤動(dòng)作次數(shù)多、余熱滯后動(dòng)作、功耗大、易熱勞損等，因?yàn)檫@些缺點(diǎn)現(xiàn)在已逐漸被電子式電動(dòng)機(jī)保護(hù)器所替代。電子式保護(hù)器是由電子電路組合來(lái)完成的，易實(shí)施多功能化，具有更寬的反時(shí)限動(dòng)態(tài)范圍、功率消耗低、調(diào)節(jié)精度高、耐沖擊振動(dòng)等優(yōu)勢(shì)。

1 智能保護(hù)器的總體設(shè)計(jì)方案
系統(tǒng)方案的選擇包括了系統(tǒng)硬件方案的選擇和軟件方案的選擇。系統(tǒng)方案的選擇非常重要，不僅決定了電動(dòng)機(jī)保護(hù)器所能實(shí)現(xiàn)的功能，還決定了保護(hù)器的功耗、性能以及產(chǎn)品的價(jià)格。而由系統(tǒng)方案決定的系統(tǒng)功能特點(diǎn)還必須與被保護(hù)的電動(dòng)機(jī)所需要保護(hù)功能相一致。下面將對(duì)保護(hù)器的系統(tǒng)功能特點(diǎn)和系統(tǒng)方案的選擇分別進(jìn)行介紹。
1．1 系統(tǒng)硬件總體方案
根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中三相異步電動(dòng)機(jī)所可能出現(xiàn)的故障，可以確定電動(dòng)機(jī)保護(hù)器所需具備的功能。其包括：?jiǎn)?dòng)時(shí)的過(guò)載、堵轉(zhuǎn)的保護(hù)，運(yùn)行中過(guò)載的保護(hù)，斷相的保護(hù)，三相不平衡的保護(hù)，過(guò)壓的保護(hù)，欠壓的保護(hù)。
該保護(hù)器具有很強(qiáng)的人機(jī)交互功能，由于采用了字符型的液晶顯示模塊，使得用戶(hù)可以很清楚的了解到電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，以及在故障發(fā)生時(shí)能夠進(jìn)行相應(yīng)的故障顯示，便于進(jìn)行故障檢修。
同時(shí)該保護(hù)器還具有鍵盤(pán)輸入功能，允許用戶(hù)對(duì)電動(dòng)機(jī)保護(hù)器進(jìn)行自行設(shè)定，有利于對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行更加有效的保護(hù)，便于查找故障原因。而整個(gè)保護(hù)器的核心部分就是控制系統(tǒng)電路。電動(dòng)機(jī)的故障判斷，故障類(lèi)型的判別就是由它來(lái)確定。同時(shí)它還負(fù)責(zé)控制繼電器動(dòng)作電路進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作。通過(guò)軟件的設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)可以進(jìn)行定時(shí)限與反時(shí)限的保護(hù)。
在控制系統(tǒng)電路的選擇上，由于Atmel公司的AVR系列單片機(jī)具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，所以我采用它作為控制的核心。
在采樣電路的選擇上，由于采樣電路是為控制系統(tǒng)電路提供被保護(hù)對(duì)象的各種狀態(tài)參數(shù)的電路，為了節(jié)約單片機(jī)的系統(tǒng)時(shí)間，在選擇系統(tǒng)的采樣方案時(shí)選擇了可以最大的節(jié)約系統(tǒng)時(shí)間的直流采樣方案。因此在設(shè)計(jì)采樣電路時(shí)就必須對(duì)電動(dòng)機(jī)的各相分別進(jìn)行電流與電壓的采樣。為了保證采樣信號(hào)的可靠性，在整流之后必須進(jìn)行濾波，所以采樣電路包括整流與濾波兩個(gè)部分。
在調(diào)速電路的選擇上，采用星形三相交流調(diào)壓電路，只要依次給每個(gè)晶閘管以不同的脈沖就可以得到所需要的電壓實(shí)現(xiàn)調(diào)速。在顯示電路的選擇上，由于液晶顯示模塊具有體積小，功能多等優(yōu)點(diǎn)，而且液晶顯示模塊與數(shù)碼管顯示電路相比最大的優(yōu)點(diǎn)就是除了可以顯示數(shù)字之外，還可以顯示中文字符和其他字母、數(shù)字符號(hào)。同時(shí)還可以自定義漢字和符號(hào)。所以選用液晶模塊較好。
在鍵盤(pán)方案的選擇上，由于用戶(hù)要通過(guò)鍵盤(pán)將各種保護(hù)數(shù)據(jù)輸入到保護(hù)器中去，從而使得保護(hù)器得到各種保護(hù)參數(shù)來(lái)完成保護(hù)任務(wù)，所以本設(shè)計(jì)為減小中斷處理的時(shí)間和外部中斷觸發(fā)，鍵盤(pán)電路采用獨(dú)立式非編碼鍵盤(pán)，軟件采用查詢(xún)式。
1．2 系統(tǒng)軟件總體方案
系統(tǒng)的軟件方面為了簡(jiǎn)化程序的設(shè)計(jì)，在信號(hào)的采樣方面為了簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)和節(jié)省系統(tǒng)時(shí)間，采用較簡(jiǎn)單的直流采樣。將液晶顯示程序、鍵盤(pán)掃描程序、采樣程序以及保護(hù)程序分別做成功能子程序，在主程序之中調(diào)用這些子程序，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的各項(xiàng)功能，同時(shí)也方便以后系統(tǒng)軟件功能的升級(jí)。

2 智能保護(hù)器硬件設(shè)計(jì)
2．1 智能保護(hù)器主電路設(shè)計(jì)
保護(hù)器的主電路一般為三相交流調(diào)壓電路。它主要通過(guò)改變晶閘管的導(dǎo)通角來(lái)實(shí)現(xiàn)主電路的調(diào)壓，其框圖如圖1所示。