低壓電動機軟起動裝置控制器設計方案

低壓電動機軟起動裝置控制器設計方案功能概述根據(jù)所設定的軟起動或軟停止方式及參數(shù)，控制晶閘管的觸發(fā)角度變化，改變電動機進線電壓，實現(xiàn)電動機的軟起動或軟停止。同時全程監(jiān)測電動機電流，實現(xiàn)對電動機的多種保護。組成框圖控制板控制板旁路接觸器旁路接觸器電動機晶閘管電網(wǎng)電動機晶閘管電網(wǎng)觸發(fā)脈沖觸發(fā)脈沖電壓同步電流信號電流信號外部信號外部信號電源電源數(shù)碼管、鍵盤數(shù)碼管、鍵盤狀態(tài)、故障指示狀態(tài)、故障指示功能模塊控制器按功能可以分為四個模塊，分別分析如下：調節(jié)單元工作方式分為四種：斜坡電壓起動、恒流起動、硬停止、軟停止。通過對限流倍數(shù)的設定來實現(xiàn)起動方式的選擇：限流倍數(shù)為0，為斜坡電壓起動；限流倍數(shù)大于0，為恒流起動。通過對停止時間的設定來實現(xiàn)停止方式的選擇：停止時間為0，為硬停止；停止時間大于0，為軟停止。斜坡電壓起動檢測到起動信號，且旁路接觸器斷開，參數(shù)限流倍數(shù)設置為0；由設定的起始電壓計算出觸發(fā)角度，發(fā)出晶閘管觸發(fā)脈沖，熄“停止”指示燈，亮“起動”指示燈；按設定的起動時間，逐步移動觸發(fā)角度，增大電機電壓；晶閘管觸發(fā)角達到0度，即電機電壓達到全壓，起動完成觸點閉合，使旁路接觸器閉合；檢測到旁路接觸器閉合信號，停止發(fā)觸發(fā)信號，晶閘管全部關斷，熄“起動”指示燈，亮“運行”指示燈，起動完成。全壓U全壓U起始電壓起始電壓t起動完成t起動完成恒流起動檢測到起動信號，且旁路接觸器斷開，參數(shù)限流倍數(shù)設置大于0；由設定的起始電壓計算出觸發(fā)角度，發(fā)出晶閘管觸發(fā)脈沖，熄“停止”指示燈，亮“起動”指示燈；電機電流未達到限制值時，按程序內置的較大斜率，逐步移動觸發(fā)角度，增大電機電壓；電機電流達到或大于限制值時，根據(jù)電流反饋對觸發(fā)角度進行比例-積分調節(jié)，以保持電機電流穩(wěn)定在限制值；晶閘管觸發(fā)角達到0度，即電機電壓達到全壓，起動完成觸點閉合，使旁路接觸器閉合；檢測到旁路接觸器閉合信號，停止發(fā)觸發(fā)信號，晶閘管全部關斷，熄“起動”指示燈，亮“運行”指示燈，起動完成。全壓U全壓U起始電壓起始電壓tt起動完成限流階段起動完成限流階段硬停止檢測到停止信號，且旁路接觸器閉合，參數(shù)停止時間設置為0；不發(fā)觸發(fā)信號，晶閘管全部關斷；熄“運行”指示燈，閃亮“停止”指示燈；起動完成觸點斷開，使旁路接觸器斷開；檢測到旁路接觸器斷開后，亮“停止”指示燈，停止完成。全壓U全壓U停止t停止t軟停止檢測到停止信號，且旁路接觸器閉合，參數(shù)停止時間設置不為0；按觸發(fā)角度0度發(fā)出觸發(fā)脈沖，晶閘管全部開通；熄“運行”指示燈，閃亮“停止”指示燈；起動完成觸點斷開，使旁路接觸器斷開；檢測到旁路接觸器斷開后，按設定的停止時間，逐步增大觸發(fā)角度，減小電機電壓；晶閘管觸發(fā)角達到150度，即電機電壓為0，停止發(fā)觸發(fā)信號，晶閘管全部關斷，亮“停止”指示燈，停止完成。U全壓U全壓t停止開始停止完成t停止開始停止完成保護單元（保護動作參數(shù)為暫定值）故障保護分為五種：電流缺相、過流、三相電流不平衡、超時、外部故障?？刂破髦恍璨杉嚯娏餍盘枴ｋ娏魅毕嚯娏餍盘栆幌酁?時，延時1s發(fā)出故障信號。起動、停止及運行時均有效。過流起動時：限流起動時，電流達到（限流倍數(shù)+0.5）Ie并持續(xù)3s，即發(fā)出故障信號。（斜坡起動時不進行過流保護。）運行時：電流與持續(xù)時間關系如下實際電流1.2~1.4Ie1.4~1.6Ie1.6-1.8Ie1.8~2.0Ie2.2~2.4Ie2.4~2.6Ie2.6~2.8Ie2.8~3.0Ie3.2~3.4Ie3.4~3.6Ie3.6~3.8Ie3.8~4.0Ie>4Ie持續(xù)時間20s19s18s17s15s13s11s9s7s5s3s1s0.5s電流達到相應的持續(xù)時間后，即發(fā)出故障信號。三相電流不平衡當任意兩相電流差值大于25%，持續(xù)1.5s，發(fā)出故障信號。起動、停止及運行時均有效。超時起動開始后60s，若旁路接觸器沒閉合，則觸發(fā)角減為0，強制晶閘管全開通，起動完成觸點閉合，閉合旁路接觸器。檢測到旁路接觸器閉合信號，停止發(fā)觸發(fā)信號，晶閘管全部關斷，熄“起動”指示燈，亮“運行”指示燈，不發(fā)故障信號。起動開始后65s，若仍然沒有檢測到旁路接觸器閉合信號，則發(fā)出故障信號。外部故障接線端子輸入外部故障信號，執(zhí)行故障保護。以上發(fā)出故障信號后，亮相應的故障指示燈，關閉晶閘管，斷開旁路接觸器，故障輸出繼電器動作，發(fā)出閉合/斷開兩種信號。故障信號具有保持功能，必須由外部的故障復位信號復位。觸發(fā)單元采集三相電壓的同步信號，將調節(jié)單元給出的調節(jié)量轉換為觸發(fā)角，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，功率放大、隔離后可靠觸發(fā)晶閘管。三相自動對相序。存儲/顯示單元通過數(shù)碼管和鍵盤讀入各種參數(shù)并存儲，運行時提供給調節(jié)和保護模塊，并實時顯示電機電流。通過發(fā)光二極管顯示裝置的運行狀態(tài)和故障類別。輸入輸出接口輸入輸出接口如下表所示，共32個。名稱接點數(shù)說明供電電源2380V:18VV/2A變壓器輸入入晶閘管觸發(fā)脈沖12六路，不分相序電機電流信號6主回路三相電流互互感器輸出軟起動/軟停止開開始信號3短接有效；1個公公共點起動完成觸點2常開觸點，完成時時閉合；觸點點容量AC2550V/100A旁路狀態(tài)輸入2短接表示旁路閉合合外部故障輸入2短接有效故障輸出觸點3常開、常閉各一個個，1個公共點；；觸電容量AC2550V/100A故障復位2短接有效合計：34個接點點指示燈和按鍵在面板上通過發(fā)光二極管方便直觀地顯示裝置的運行狀態(tài)和故障類型。4位數(shù)碼管和6個按鍵完成參數(shù)的顯示和輸入。狀態(tài)指示停止（紅色，常亮表示電機斷電停機，閃亮表示電機軟停止過程中）、起動（黃色，亮表示電機軟起動過程中）、運行（綠色，亮表示旁路接觸器閉合，電機全壓運行）。故障指示缺相、過流、三相不平衡、超時、外部故障，全部為紅色。數(shù)碼管4位，參數(shù)設定時提示輸入和顯示參數(shù)，運行時顯示電機電流。按鍵共6個，分為上、下、左、右、確定、取消，輸入?yún)?shù)用。操作界面參數(shù)設定共6個：1-電機額定電流、2-電流互感器變比、3-軟起動起始電壓、4-軟起動時間（斜坡電壓起動方式有效）、5-起動限流倍數(shù)（限流起動方式有效）、6-軟停止時間。正常模式開機初始化完成，進入待機狀態(tài)，顯示電機電流按“確定”進入?yún)?shù)設置按“上”、“下”選擇需要修改參數(shù)按“確定”進入修改，可修改位閃爍按“左”、“右”選擇位按“上”、“下”修改數(shù)值按“確定”確認修改，返回3.狀態(tài)；或按“取消”放棄修改，返回3.狀態(tài)重復4.~8.，直至完成修改按“取消”返回待機狀態(tài)，顯示電機電流正常工作時實時顯示電機電流調試模式調試模式供控制板測試或整機現(xiàn)場調試用，功能為自動/手動調整觸發(fā)角度，觸發(fā)晶閘管。自動方式下，觸發(fā)角度從150度移至0度，再從0度移至150度，重復，往返周期30秒。手動方式下，從控制面板手動調節(jié)觸發(fā)角度。開機初始化完成，進入待機狀態(tài)，顯示電機電流按“取消”進入調試模式按“上”、“下”選擇調試方式（1為自動/2為手動）按“確定”開始調試過程，顯示觸發(fā)角度自動方式下，觸發(fā)角度自動變化；手動方式下，按“左”、“右”減小或加大角度按“取消”退出調試過程重復4.~7.，直至完成調試按“取消”返回待機狀態(tài)，顯示電機電流故障模式發(fā)生與控制板有關的故障時，操作界面會有相應的顯示，詳見節(jié)?？煽啃栽O計控制板的可靠工作與否，直接關系到軟起動裝置的可靠性，進而影響用戶電動機系統(tǒng)的正常工作。因此針對控制板進行高可靠性設計十分必要?？煽啃栽O計目標根據(jù)用戶的要求，控制板可靠工作壽命需達5年以上。可靠性設計條件低壓軟起動裝置一般安裝在生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)場，控制板工作在高電壓、大電流、強電磁干擾電氣條件下。因此控制板可靠性設計需有針對性地采取絕緣、隔離、糾錯、抗干擾等措施，確保控制板正常工作?？煽啃栽O計針對控制板的工作環(huán)境，可靠性設計應從元器件的選取、控制電路的設計和發(fā)生故障后的保護三方面進行。元器件控制板工作在生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)場，環(huán)境條件較為惡劣，因此控制板的元器件均選用工業(yè)級，工作溫度一般為-40~+85℃，足以滿足大多數(shù)工作現(xiàn)場的環(huán)境條件。電路設計（1）輸入輸出接口的隔離輸入輸出接口除“起動/停止開始信號”、“旁路狀態(tài)輸入”、“外部故障輸入”、“故障復位”四個接口外，均通過光耦、電流互感器、脈沖變壓器或繼電器與主電路隔離，確保無高電壓強電流串入。上述四個接口采集的是通/斷的開關信號，由外部電路進行隔離。 （2）故障模式分析分析控制板工作中可能出現(xiàn)的故障，進行針對性設計。序號故障模式故障后果嚴重程度發(fā)生機率檢測方法故障原因保護措施備注1旁路接觸器控制信信號誤動起動過程中，接觸觸器提前閉合合，電動機電電流上升；停止過程中，接觸觸器閉合，電電動機重新運運行；運行過程中，接觸觸器斷開，電電動機硬停止止。嚴重很小無電磁干擾單片機分兩路分別別發(fā)出接觸器器控制信號，兩兩路信號相同同才能控制接接觸器；控制信號加濾波，防防止尖峰干擾擾；運行過程中，由“運行”指示燈信號號鎖定接觸器器狀態(tài)，確保保運行過程中中電動機不斷斷電。2晶閘管觸發(fā)脈沖丟丟失偶爾丟失，電動機機三相輕微、短短暫不平衡輕微小無電磁干擾無長期丟失，電動機機三相嚴重不不平衡嚴重極小六路觸發(fā)脈沖指示示燈硬件損壞控制板檢測到三相相不平衡故障障，進行保護護動作，發(fā)出出故障信號。3存儲的控制參數(shù)錯錯誤控制過程不正確中等很小控制板上電自檢電磁干擾參數(shù)分開備份存儲儲，通過比較較上下限自檢檢糾錯。極小硬件損壞控制板檢測到電動動機故障，進進行保護動作作，發(fā)出故障障信號。4控制程序跑飛控制板失效，電動動機突然斷電電嚴重很小無電磁干擾硬件看門狗，程序序跑飛后將單單片機復位。極小硬件損壞無5電流信號采集故障障限流起動時，電動動機加全壓或或過流保護；；運行時，發(fā)生缺相相或過流保護護中等極小電流顯示保持為00或999硬件損壞對電流信號采集電電路進行限幅幅保護；控制板檢測到故障障，進行保護護動作，發(fā)出出故障信號。6故障輸出誤動外接的故障處理設設備動作中等很小無電磁干擾單片機信號與故障障指示燈信號號兩路同時控控制輸出；控制信號加濾波，防防止尖峰干擾擾。7外部故障輸入誤動動控制板進行保護動動作，發(fā)出故故障信號中等很小無電磁干擾輸入信號加濾波，防防止尖峰干擾擾。8故障復位誤動起動、停止過程中中，電動機突突然斷電中等很小無電磁干擾輸入信號加濾波和和0.1秒延時，防防止尖峰干擾擾；9指示燈、按鍵故障障指示燈、數(shù)碼管無無顯示，按鍵鍵無效輕微極小無顯示硬件損壞無10控制板掉電電動機硬停止嚴重極小顯示Erro電源過載電壓檢測芯片，電電壓低于4.6V時單片機轉轉入保護動作作，等待手動動停止（硬/軟停止）。無硬件損壞無控制板保護動作控制板對自身的保護主要是工作過程中監(jiān)測工作電壓、電動機電流數(shù)據(jù)，以及復位后的自檢。（1）工作電壓配置專門的電壓監(jiān)測芯片，當工作電壓低于4.6V時發(fā)出報警信號。此時控制板上的數(shù)碼管顯示Erro，控制板發(fā)出故障輸出信號，等待手動停止（硬/軟停止）。（2）電流數(shù)據(jù)電流信號超量程或A/D轉換芯片損壞后，采集的電流數(shù)據(jù)保持為0或999。持續(xù)一個周期后，控制板發(fā)出故障輸出信號，此時控制板上的數(shù)碼管顯示0或999。除此之外控制板仍正常工作，只是不進行電流監(jiān)控（限流起動的轉為斜坡起動），等待手動停止（硬/軟停止）。（3）復位自檢控制板上電復位或工作過程中復位后，處理過程如下：a.關閉晶閘管。b.檢查硬件狀態(tài)：接觸器狀態(tài)、起動/停止信號、電機電流信號、按鍵狀態(tài)。c.硬件狀況判斷：如果檢測到接觸器閉合且電動機電流為0、或接觸器斷開且電動機電流不為0、或有起動/停止信號、或有按鍵按下時，認為硬件發(fā)生故障，顯示Erro，發(fā)出故障輸出信號，等待故障復位；如果檢測到接觸器斷開、電動機電流為0、無起動/停止信號且無按鍵按下時，認為電動機在停機狀態(tài)，硬件正常；如果檢測到接觸器閉合且電動機電流不為0，認為電動機在運行狀態(tài)，硬件正常。d.軟件狀況判斷：讀出所有存儲的控制參數(shù)（包括原本和備份），進行比較，相同后再與設定的上下限比較。比較無誤，認為軟件正常；比較錯誤，認為軟件故障。電動機停機狀態(tài)下，直接閃爍顯示錯誤的參數(shù)，按“確定”進入?yún)?shù)設置，重新設定參數(shù)；電動機運行狀態(tài)下，顯示Erro，發(fā)出故障輸出信號，不進行電流監(jiān)控，等待手動停機（硬停止）后故障復位。f.復位完成：硬件、軟件檢測正常后，自檢完成。電動機停機狀態(tài)下，等待按鍵信號或起動信號；電動機運行狀態(tài)下，進入電動機電流監(jiān)控。綜上所述，控制板復位可以在停機、運行狀態(tài)進行，不影響電動機狀態(tài)；在起動、停止狀態(tài)復位，則會使電動機斷電（硬停止）?？刂瓢灏惭b外形控制板外形尺寸約200×300（mm），板上含有脈沖變壓器、指示燈、數(shù)碼管、按鍵，因此不再需要其他的電路板?？刂瓢逋庑稳缦聢D所示：電源電流輸入起動完成故障輸出脈沖變壓器G1K1G4K4G3K3G6K6G5K5G2K2起動脈沖變壓器G1K1G4K4G3K3G6K6G5K5G2K2起動運行停止缺相故障過流故障三相不平衡故障超時故障外部故障起動/旁路故障故障停止狀態(tài)輸入復位安裝為了調試、檢修方方便，將軟起動裝置置前面板設計計成可開合式式的，控制板安裝裝在前面板背背面，如下圖圖所示：將控制板固定在前前面板的背面面，控制板元元器件面朝裝裝置殼體。指指示燈、數(shù)碼碼管和按鍵安安裝在元器件件面的反面，直直接與前面板板的開孔吻合合。該安裝方方式的優(yōu)點是是打開前面板板就可以直接接觀察到控制制板和裝置內內的晶閘管，調調試、檢修方