基于MCS-98單片機的交流調壓調速系統

0 引言

對于電動(dòng)機的起動(dòng)過(guò)程，為了避免定子回路的大電流沖擊，設計有兩種起動(dòng)方法。方法一通過(guò)設置在操作面板上的起動(dòng)電位器，人工控制起動(dòng)過(guò)程的快慢。方法二，通過(guò)單片機控制器將給定轉速按一定的函數關(guān)系緩慢地增大，即相當于增加一個(gè)轉速給定函數發(fā)生器。在交流感應電動(dòng)機的定子鐵心中，沿空間均勻分布三相繞組，各繞組軸相互錯開(kāi)120O把定子三相繞組依次接到三相電源時(shí)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，其幅值所在的磁軸相繼與各繞組軸重疊。

也就是說(shuō)，三相繞組聯(lián)合產(chǎn)生一個(gè)在空間不斷移動(dòng)的磁場(chǎng)。當三相繞組流過(guò)三相正弦電流時(shí)，則將產(chǎn)生一個(gè)旋轉磁場(chǎng)。如果轉子以低于旋轉磁場(chǎng)的轉速轉動(dòng)， 那么在轉子繞組和旋轉磁場(chǎng)之間出現相對運動(dòng)，而在轉子繞組中產(chǎn)生感應電壓引起電流。而感應電流在磁場(chǎng)下又產(chǎn)生轉矩，推動(dòng)轉子轉動(dòng)。

1.感應電動(dòng)機的調速方式

1.1 感應電動(dòng)機調壓調速

當主電源為恒壓恒頻三相交流電網(wǎng)CVCF，M為感應電動(dòng)機，中間為交流斬波調壓器時(shí)，就構成了感應電動(dòng)機調壓調速系統。交流斬波器的輸出是變壓恒頻交流VVCF，即f1=fa，U1≤Ua，感應電動(dòng)機的電磁轉矩Te，最大電磁轉矩Tem及其對應的臨界轉差率sm分別為：

由于調壓調速屬于能耗轉差調動(dòng)，低速運行時(shí)電動(dòng)機轉子的損耗大，轉子發(fā)熱嚴重，故不適用于長(cháng)期低速運行。對于只有短時(shí)低速運行的起重機械升降機等恒轉矩負載和風(fēng)機泵類(lèi)等通風(fēng)機械的負載都可采用。

輕載時(shí)如果把電動(dòng)機的端電壓降低，就能大大減小勵磁電流，提高功率因數和減少電動(dòng)機空載損耗，這就是國外發(fā)展起來(lái)的所謂NOLA節能器，即功率因數節能器的基本原理。

1.2 變極調速

采用雙速(或三速)變極籠型電動(dòng)機經(jīng)接觸器換接定子繞組，可得到與極對數對應的二擋(或三擋)同步速度。這種設備控制簡(jiǎn)單、運行可靠、費用也低，但調速是有級的且范圍有限，一般只用于對特性要求較低的場(chǎng)所。

2.單片機控制的交流調壓調速系統

MCS-98單片機實(shí)現數字觸發(fā)、數字測速、數字調節的任務(wù)。

2.1 基于MCS-98單片機控制器

電動(dòng)機的轉矩和功率變換是建立在定子和轉子跨越氣隙相互施加推力的基礎上，產(chǎn)生推力的原因是繞組中的電流與氣隙中的磁場(chǎng)之間相互作用。本文主要介紹了采用高性能的Intel 8098單片機作為控制核心的感應電動(dòng)機調壓調速系統，其性能和調速效果良好。該控制器主要由MCS-98單片機最小系統及鍵盤(pán)顯示部分、測速部分組成。主要的功能是：

數字調節控制算法運算，觸發(fā)脈沖的形成，實(shí)際轉速、電流、電壓檢測及顯示，轉速的數字量或模擬量給定、轉速環(huán)控制參數設置，電源、運行狀態(tài)、故障報警信號指示等。

2.2 轉速檢測電路及測速原理

選用E6C-CWZ5C測速器，與交流電動(dòng)機同軸連接，每轉輸出脈沖數P=1000，實(shí)現數字測速。

測速電路使用1個(gè)定時(shí)器、2個(gè)計數器，實(shí)現M/T測速法。在定時(shí)器設定的時(shí)間Td內，1個(gè)計數器對固定的頻率信號進(jìn)行計數;另1個(gè)計數器對測速器輸出脈沖進(jìn)行計數，從而通過(guò)計算獲得實(shí)際轉速值。定時(shí)器由8098單片機軟件定時(shí)完成，2個(gè)計數器由外擴的8253計數/定時(shí)器芯片的0通道、1通道完成。計數器的啟、停通過(guò)外擴的8155接口芯片C口Pc.6、Pc.7來(lái)控制。

2.3 電流、電壓檢測電路

用電流互感器、降壓隔離變壓器來(lái)完成電流、電壓信號的獲取，經(jīng)橋式整流穩壓后獲得直流電壓，可直接送入MCS-98單片機的A/D轉換通道ACH4、ACH5。轉換時(shí)間為22μs，分辨率為10位。

2.4 起、制動(dòng)過(guò)程

從單片機向主單片機獲取指令的通信過(guò)程如下：從機先向主機發(fā)出正跳變中斷信號，主機的HIS.0接收并響應中斷，在中斷服務(wù)程序中向該8255的PA輸出數據，從機檢測到OBF有效時(shí)，則產(chǎn)生ACK信號從PA讀出數據，隨之OBF信號變成無(wú)效，主機又可向PA輸出數據。如此繼續，直到全部數據通信完畢。值得強調的是PA為雙向總線(xiàn)方式，因主從單片機之間交換數據的能力較強，另外PB仍可作為主單片機的I/O，故該通信接口既擴展了主單片機的外圍接口，又實(shí)現了雙向通信，大大提高了通信速度，使通信時(shí)間不影響從單片機實(shí)時(shí)脈寬調制。全面而可靠的保護功能由主電路模塊實(shí)現，尤其逆變器開(kāi)關(guān)元件的安全工作，是系統可靠運行的主要保證。變頻器保護除上述的欠電壓、過(guò)電壓、過(guò)載保護外，還需設計下述保護功能：

①輸出短路保護，由于變頻器使用不慎引起輸出相間短路故障;②過(guò)流保護，電動(dòng)機堵轉或負載過(guò)大超出允許的時(shí)限保護;③快熔保護，快速熔斷器作為后級保護元件，參與對變頻器元件的保護;④接地故障保護，對變頻器輸入接地故障或變頻器輸出接地故障進(jìn)行保護;⑤過(guò)熱保護，保證變頻器開(kāi)關(guān)元件工作于安全的溫度范圍內，避免元件過(guò)熱損壞;⑥外部故障保護，保證變頻器外部相關(guān)設備的安全使用。出現上述故障時(shí)，軟件或保護電路產(chǎn)生故障中斷信號，一方面立即封鎖調制脈沖，快速關(guān)斷所有開(kāi)關(guān)元件，另一方面對主從單片機申請最高級別的外部中斷。主單片機響應中斷后，首先通過(guò)接口電路查詢(xún)故障信息，隨后轉入系統保護程序塊，即分斷有關(guān)接觸器。系統有關(guān)狀態(tài)設置，顯示故障類(lèi)型，從單片機響應中斷后也進(jìn)行有關(guān)處理工作。

3.單片機控制的串級調速系統

用單片微型計算機控制的串級調速系統，由主電路、單片機8031及接口電路等部分組成。下面主要介紹單片機和接口電路的組成及其工作原理。由該繼電器觸點(diǎn)控制有關(guān)接觸器的通、斷電，實(shí)現系統主電路從串級調速運行狀態(tài)到異步電動(dòng)機自然接線(xiàn)運行狀態(tài)的切換。

系統所用的單片機是MCS-98系列中的8098。并擴展了I/O接口8155、程序存儲器2716。單片機8098中的P0口及P2口用于片外擴展的程序存儲器及I/O口的數據/地址總線(xiàn)。P1口用來(lái)接收故障檢測輸入信號。

P3.4、P3.5與升、降速按鈕SBl、SB2相接。8098內設轉速計數器，在運行中查詢(xún)P3.4、P3.5，得到觸發(fā)器移相控制電壓，再配合程序軟件實(shí)現升、降速。

每當發(fā)出觸發(fā)脈沖后，要檢測相應的晶閘管是否已正常導通。即從晶閘管陽(yáng)、陰極兩端取出信號，此信號經(jīng)光耦合、施密特整形后送給單片機8031的P1 口。若晶閘管導通，則壓降很小，施密特輸 出為低電平;若晶閘管未導通，則施密特輸出為高電平。因此，在觸發(fā)脈沖發(fā)出后，檢測Pl口的狀態(tài)，可以檢測出晶閘管導通與否。

當單片機8098一旦檢測出晶閘管未導通、三相電源嚴重不對稱(chēng)或同步信號丟失的故障時(shí)：一方面單片機8098由程序軟件將逆變角β推至最小逆變角 βmin，限制主回路電流;另一方面，由8155PA口、驅動(dòng)器7406、光耦合器4N25、晶體管V配等輸出保護信號，使繼電器K通電動(dòng)作。由該繼電器觸點(diǎn)控制有關(guān)接觸器的通、斷電，實(shí)現系統主電路從串級調速運行狀態(tài)到異步電動(dòng)機自然接線(xiàn)運行狀態(tài)的切換。

最小脈沖刪除間隔設置是考慮功率開(kāi)關(guān)元件響應時(shí)間的作用。當脈沖過(guò)窄時(shí)，開(kāi)關(guān)元件不能完全導通或完全關(guān)斷，主電路也就不能輸出滿(mǎn)幅電壓。但若刪除這種脈沖，會(huì )使輸出電壓變化不均勻，特別是當最小脈沖刪除間隔取較大值時(shí)，輸出電壓變化的不均勻性表現得更加明顯。經(jīng)驗表明：在載波頻率為15.6kHz的條件下，如果選擇最小脈沖刪除間隔為16μs，則當輸出電壓調制系數上升到78%以后，輸出電壓出現躍變。若選擇最小脈沖刪除間隔為6μs，則當輸出電壓調制系數上升到93%以后，輸出電壓出現躍變。通過(guò)示波器觀(guān)察驅動(dòng)波形，發(fā)現在輸出電壓躍變點(diǎn)處開(kāi)始出現脈沖合并，柜當于出現過(guò)調制，這種脈沖合并正是由于刪除了最小脈沖引起的。為保證輸出電壓調節的均勻性，應盡量減小最小脈沖刪除間隔，甚至不刪除。

在高速電動(dòng)機變頻調速系統中，電動(dòng)機的額定電壓一般為220V，達不到輸出電壓躍變點(diǎn)，因而輸出電壓表現還是均勻的，這時(shí)最小脈沖刪除問(wèn)隔取為6μs。

4.結論

對于快速制動(dòng)過(guò)程，一般采用能耗制動(dòng)。在制動(dòng)時(shí)只需觸發(fā)VR1和VR2即可，其他四只晶閘管全部關(guān)斷，這樣定子兩相繞組便流過(guò)直流電流進(jìn)行能耗制動(dòng)。利用相位控制可以改變直流電流的大小，改變制動(dòng)強度，從而控制制動(dòng)過(guò)程轉速變化的規律。對于一般的停車(chē)制動(dòng)過(guò)程，可采用全部封鎖觸發(fā)脈沖，讓電動(dòng)機自由停止運行。