異步電動(dòng)機智能保護器設計

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

0 引言
隨著(zhù)當今社會(huì )的飛速發(fā)展，電動(dòng)機以廣泛應用于紡織、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、短路等原因被燒毀或殃成事故。隨著(zhù)電動(dòng)機在各行各業(yè)的應用領(lǐng)域不斷擴大，對電動(dòng)機的保護也愈來(lái)愈受到人們的關(guān)注。作為重要的驅動(dòng)執行機構的電動(dòng)機來(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)機作為應用最廣泛的電動(dòng)機，約占電動(dòng)機總數的70％，根據統計，通用三相異步電動(dòng)機每年的耗電量約為全球總發(fā)電量的50％，其起動(dòng)電流高達額定電流的5～10倍，故大中型異步電機在直接起動(dòng)時(shí)會(huì )產(chǎn)生很大的沖擊電流，不僅對電動(dòng)機及所拖動(dòng)的設備造成電氣和機械的損傷，而且會(huì )造成電網(wǎng)電壓下降，影響電網(wǎng)其他電氣設備的正常運行。因而存在的問(wèn)題是既要為智能控制打下良好基礎，又要降低電動(dòng)機起動(dòng)時(shí)對電網(wǎng)及拖動(dòng)設備的沖擊。
現在工程應用上常見(jiàn)的電動(dòng)機保護器可分為機械式和電子式兩種。機械式主要指雙金屬片機械式熱繼電器，熱繼電器之所以能延用至今，除受傳統觀(guān)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)限保護特性強(動(dòng)態(tài)范圍寬)等原因。但也存在著(zhù)巨大的缺點(diǎn)，如受環(huán)境溫度影響誤動(dòng)作次數多、余熱滯后動(dòng)作、功耗大、易熱勞損等，因為這些缺點(diǎn)現在已逐漸被電子式電動(dòng)機保護器所替代。電子式保護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、調節精度高、耐沖擊振動(dòng)等優(yōu)勢。

1 智能保護器的總體設計方案
系統方案的選擇包括了系統硬件方案的選擇和軟件方案的選擇。系統方案的選擇非常重要，不僅決定了電動(dòng)機保護器所能實(shí)現的功能，還決定了保護器的功耗、性能以及產(chǎn)品的價(jià)格。而由系統方案決定的系統功能特點(diǎn)還必須與被保護的電動(dòng)機所需要保護功能相一致。下面將對保護器的系統功能特點(diǎn)和系統方案的選擇分別進(jìn)行介紹。
1．1 系統硬件總體方案
根據實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中三相異步電動(dòng)機所可能出現的故障，可以確定電動(dòng)機保護器所需具備的功能。其包括：?jiǎn)?dòng)時(shí)的過(guò)載、堵轉的保護，運行中過(guò)載的保護，斷相的保護，三相不平衡的保護，過(guò)壓的保護，欠壓的保護。
該保護器具有很強的人機交互功能，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)機的運行狀態(tài)，以及在故障發(fā)生時(shí)能夠進(jìn)行相應的故障顯示，便于進(jìn)行故障檢修。
同時(shí)該保護器還具有鍵盤(pán)輸入功能，允許用戶(hù)對電動(dòng)機保護器進(jìn)行自行設定，有利于對電動(dòng)機進(jìn)行更加有效的保護，便于查找故障原因。而整個(gè)保護器的核心部分就是控制系統電路。電動(dòng)機的故障判斷，故障類(lèi)型的判別就是由它來(lái)確定。同時(shí)它還負責控制繼電器動(dòng)作電路進(jìn)行保護動(dòng)作。通過(guò)軟件的設計控制系統可以進(jìn)行定時(shí)限與反時(shí)限的保護。
在控制系統電路的選擇上，由于A(yíng)tmel公司的AVR系列單片機具有一系列的優(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電路提供被保護對象的各種狀態(tài)參數的電路，為了節約單片機的系統時(shí)間，在選擇系統的采樣方案時(shí)選擇了可以最大的節約系統時(shí)間的直流采樣方案。因此在設計采樣電路時(shí)就必須對電動(dòng)機的各相分別進(jìn)行電流與電壓的采樣。為了保證采樣信號的可靠性，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。
在調速電路的選擇上，采用星形三相交流調壓電路，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)現調速。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碼管顯示電路相比最大的優(yōu)點(diǎn)就是除了可以顯示數字之外，還可以顯示中文字符和其他字母、數字符號。同時(shí)還可以自定義漢字和符號。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)將各種保護數據輸入到保護器中去，從而使得保護器得到各種保護參數來(lái)完成保護任務(wù)，所以本設計為減小中斷處理的時(shí)間和外部中斷觸發(fā)，鍵盤(pán)電路采用獨立式非編碼鍵盤(pán)，軟件采用查詢(xún)式。
1．2 系統軟件總體方案
系統的軟件方面為了簡(jiǎn)化程序的設計，在信號的采樣方面為了簡(jiǎn)化程序設計和節省系統時(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、采樣程序以及保護程序分別做成功能子程序，在主程序之中調用這些子程序，以此來(lái)實(shí)現整個(gè)電動(dòng)機保護器的各項功能，同時(shí)也方便以后系統軟件功能的升級。

2 智能保護器硬件設計
2．1 智能保護器主電路設計
保護器的主電路一般為三相交流調壓電路。它主要通過(guò)改變晶閘管的導通角來(lái)實(shí)現主電路的調壓，其框圖如圖1所示。