一種基于80C196KC的電子軟起動(dòng)器的軟硬件實(shí)現(xiàn)

全數(shù)字電子軟起動(dòng)器不僅能有效控制鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流，減緩電流對(duì)電動(dòng)機(jī)和電網(wǎng)的沖擊，還能在起動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程檢測(cè)電流、電壓參數(shù)，對(duì)異常情況進(jìn)行處理、顯示及報(bào)警，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的綜合保護(hù)。

三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性?xún)r(jià)比高和工作特性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)今工業(yè)應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，但它有一明顯缺點(diǎn)，就是起動(dòng)電流過(guò)大(一般起動(dòng)電流為額定電流的5～7倍甚至更大)，這樣不論是對(duì)電動(dòng)機(jī)本身，還是對(duì)電網(wǎng)以及其他電氣設(shè)備，都會(huì)產(chǎn)生不利的影響。

電子軟起動(dòng)器的誕生，已經(jīng)從很大程度上提供了解決這個(gè)技術(shù)難題的有效手段，而且近年來(lái)隨著電力電子技術(shù)以及智能控制技術(shù)的不斷發(fā)展，電子軟起動(dòng)器已經(jīng)逐步取代了傳統(tǒng)的起動(dòng)方法，例如“Y－△”降壓起動(dòng)、自耦變壓器降壓起動(dòng)以及磁性調(diào)壓起動(dòng)等。所謂電子軟起動(dòng)器，就是使用晶閘管調(diào)壓技術(shù)，采用單片機(jī)控制的起動(dòng)器，在用戶(hù)規(guī)定的起動(dòng)時(shí)間內(nèi)自動(dòng)地將起動(dòng)電壓連續(xù)平滑地上升，直到達(dá)到額定電壓，從而達(dá)到有效控制起動(dòng)電流的目的。

基本工作原理

軟起動(dòng)器的控制原理圖如圖1所示，它采用三相平衡調(diào)壓式主回路，將3對(duì)反向并聯(lián)的大功率晶閘管串接于電動(dòng)機(jī)的三相電路上，通過(guò)控制其觸發(fā)角的大小來(lái)改變晶閘管的導(dǎo)通程度，由此控制電動(dòng)機(jī)輸入電壓的大小，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)的過(guò)程。當(dāng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)完成并達(dá)到額定電壓時(shí)，閉合三相旁路接觸器KC，短接晶閘管，使電動(dòng)機(jī)直接投入電網(wǎng)運(yùn)行，以避免晶閘管元件的持續(xù)損耗。其中，主回路的晶閘管和接觸器隨系統(tǒng)容量不同可以選用不同的器件。

從圖1可以看出，主回路主要是晶閘管電子調(diào)壓裝置，由6個(gè)晶閘管V1～V6組成，另外，利用3個(gè)霍爾傳感器來(lái)完成三相定子的電流檢測(cè)。在起動(dòng)過(guò)程中，晶閘管V1～V6的觸發(fā)角由軟件控制，從而使加在交流電動(dòng)機(jī)三相定子繞組上的電壓由零逐漸平滑地升至全電壓。同時(shí)，電流檢測(cè)裝置檢測(cè)三相定子電流送給單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算和判斷，當(dāng)起動(dòng)電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)，軟件控制升壓停止，直到起動(dòng)電流下降到低于設(shè)定值之后，再使電動(dòng)機(jī)繼續(xù)升壓起動(dòng)。若三相起動(dòng)電流不平衡并超過(guò)規(guī)定的范圍，則停止起動(dòng)。另外，由電動(dòng)機(jī)理論可知，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的輸入電源頻率不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與輸入電壓的平方成正比。因此，軟起動(dòng)不僅使電動(dòng)機(jī)定子電壓連續(xù)平滑地增加，實(shí)現(xiàn)了升壓限流起動(dòng)，而且避免了電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的沖擊和不平穩(wěn)的現(xiàn)象。

圖1 軟起動(dòng)器主回路示意圖

軟起動(dòng)的控制器采用16位的Intel 80C196KC芯片，這種芯片比一般的8位單片機(jī)有更高的運(yùn)算速度和較高的集成度，而對(duì)比DSP芯片來(lái)講，雖然運(yùn)算速度上稍微慢了點(diǎn)，但196芯片價(jià)格便宜這個(gè)特點(diǎn)又使其在性?xún)r(jià)比上占了一定優(yōu)勢(shì)，而且196芯片的CPU晶振頻率現(xiàn)在也已達(dá)到了16MHz，再加上它自身具有乘除法運(yùn)算指令，使其已經(jīng)能夠滿(mǎn)足軟起動(dòng)過(guò)程中數(shù)據(jù)運(yùn)算處理速度要求。另外，80C196KC芯片豐富的外圍部件功能，以及具有10位A/D高分辨率轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)，可以在保證軟起動(dòng)器高可靠性的同時(shí)降低生產(chǎn)成本。

硬件設(shè)計(jì)

一個(gè)完整的軟起動(dòng)器一般由兩部分組成，即控制單元和功率單元?？刂茊卧呛诵牟糠?，軟起動(dòng)器大部分功能都是在這一單元實(shí)現(xiàn)的，其中含有三相電源的電壓及工作電流的檢測(cè)、鍵盤(pán)輸入和液晶顯示輸出信號(hào)的接收和處理，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信和故障診斷及報(bào)警等；功率單元?jiǎng)t擔(dān)負(fù)著形成所需觸發(fā)脈沖的職責(zé)。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，下文也將從系統(tǒng)核心部分——觸發(fā)控制部分重點(diǎn)說(shuō)明軟起動(dòng)器的硬件設(shè)計(jì)。