低壓電機再起動(dòng)控制器的設計與實(shí)現

　　1 引言

　　因雷擊、自動(dòng)重合閘動(dòng)作成功或其它原因引起電網(wǎng)瞬間失壓,致使運行中的接觸器因失壓動(dòng)作而釋放,所控制的電動(dòng)機停止運行,對于石油化工等連續性運行的企業(yè),會(huì )引起生產(chǎn)波動(dòng),操作混亂,甚至發(fā)生起火爆炸事故,造成很大的經(jīng)濟損失。

　　低壓電機再起動(dòng)指經(jīng)常運行的電動(dòng)機,因短暫停電(俗稱(chēng)晃電) 后,在速度降低或完全停止運行的情況下重新起動(dòng)。采用這一技術(shù)可以解決晃電帶來(lái)的生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題。本文介紹了一種高度智能化的新型低壓電動(dòng)機再起動(dòng)控制器,它采用先進(jìn)的嵌入式技術(shù)設計,體積小、接線(xiàn)簡(jiǎn)單,可以根據需要設定不同的自起動(dòng)時(shí)間,滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)工序要求;采用性能優(yōu)異的低功耗微型單片機結合獨特的電源設計,無(wú)任何需用戶(hù)維護的部件,如電池等,在工作電源中斷10 分鐘以?xún)?仍能按設定的參數精確控制。

　　2 工作原理

　　低壓再起動(dòng)控制器實(shí)時(shí)監測電網(wǎng)的電壓,當電網(wǎng)發(fā)生瞬間掉電,使得低壓接觸器的自保持開(kāi)關(guān)斷開(kāi),在電網(wǎng)電壓再設定的時(shí)間內(0～10 分鐘) ,控制器的輔助觸點(diǎn)會(huì )接通,對掉電釋放的接觸器進(jìn)行再次接通。其接線(xiàn)圖及動(dòng)作時(shí)序圖如圖1 和圖2所示,T定義為掉電時(shí)間周期,Tm 定義為掉電響應時(shí)間上限,如果實(shí)際掉電時(shí)間T大于掉電響應時(shí)間上限Tm ,則再起動(dòng)控制器不動(dòng)作。

　　圖1 低壓再起動(dòng)控制器與系統的接線(xiàn)圖

　　3 硬件設計

　　低壓電機再起動(dòng)控制器硬件電路以單片機為核心,功能電路主要由電源電路、電源凈化電路、電壓采樣轉換電路、人機交互電路、輸出控制電路五部分構成。圖3 是系統硬件構成圖。

　　圖3 系統硬件構成圖

　　3. 1 單片機的選型

　　綜合考慮對再起動(dòng)控制器的各方面性能的特殊要求,選擇MicroChip 公司的PIC16F877 型單片機,其工作電壓范圍寬,在2V～5. 5V DC下均可以正常工作;與同類(lèi)產(chǎn)品相比,具有優(yōu)越的低功耗性能,在工作時(shí)鐘為32KHz ,工作電壓為3 伏時(shí),工作電流僅20μA;片內集成了8 通道的10 位APD 和256 個(gè)字節的EEP2ROM;同時(shí)該單片機還有極強的電磁抗干擾能力。

　　3. 2 電源電路設計

　　再起動(dòng)控制器的工作電源由交流接觸器的交流低壓變換而得。其電路設計有著(zhù)較高的技術(shù)要求:一方面要滿(mǎn)足不使用電池的條件下,能夠在系統掉電10 分鐘的情況下仍能夠正常工作,另一方面要求供電電源的品質(zhì)要滿(mǎn)足單片機的正常工作要求,需要較好的電源濾波功能。圖4 為低壓電機再起動(dòng)控制器的電源電路,電容C1 的作用是在系統掉電時(shí),維持系統繼續工作的電源,其容值的選擇由C = I ×ΔTPΔU 來(lái)確定, I 是系統的工作電流,單位是安,ΔT 是系統的工作時(shí)間,單位為秒,ΔU 是ΔT工作時(shí)間內電容C1 的電壓降落,在本系統中ΔU = 5. 5V - 2. 7V= 2. 8V。

　　圖4 低壓電機再起動(dòng)控制器的電源電路

　　3. 3 掉電識別電路設計

　　掉電識別是通過(guò)單片機對電網(wǎng)電壓的實(shí)時(shí)采樣檢測來(lái)實(shí)現的。因為交流接觸器的保持線(xiàn)圈在掉電時(shí)間20ms 左右,交流接觸器觸點(diǎn)釋放,所以再起動(dòng)控制器為了即時(shí)識別電網(wǎng)瞬時(shí)的掉電,設計成能夠響應10ms 的瞬間掉電。這里采用交流采樣方式。由于PIC16F877 型內置APD 為單極性,所以采樣電路要完成電網(wǎng)電壓的降壓和極性變換。圖5 是再起動(dòng)控制器的輸入電壓轉換電路。設計中采用微型的電流型電壓互感器,將輸入電壓轉換成與之成正比的小電流,再經(jīng)過(guò)次級的電流轉換電壓電路,轉換成0～5V 之間的偏置電壓信號,送給APD 單元進(jìn)行采樣處理。該電路結構簡(jiǎn)單,線(xiàn)性度好,能夠在單極性電源的條件下正常工作。

　　圖5 再起動(dòng)控制器的輸入電壓轉換電路

　　3. 4 人機交互設計

　　再起動(dòng)控制器為用戶(hù)提供了良好的人機交互界面。兼顧小型化設計的要求,人機交互電路由三個(gè)觸摸按鍵和三個(gè)數碼管構成。三個(gè)按鍵分別設計成功能轉換鍵、加鍵和減鍵。人機交互界面具備晃電允許時(shí)間Tm、再起動(dòng)延時(shí)時(shí)間Td、低電壓設定值UF、恢復電壓設定值UH、當前電壓值的顯示與設定等功能。

　　圖6 電動(dòng)機再起動(dòng)控制流程圖

　　4 軟件設計

　　再起動(dòng)控制器的軟件采用C 語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)。按功能可分為三部分。一是電網(wǎng)電壓的實(shí)時(shí)測量,根據其實(shí)時(shí)性的要求,用單片機的中斷功能來(lái)實(shí)現;二是人機交互部分;三是掉電判斷和再起動(dòng)。圖6 是電動(dòng)機再起動(dòng)控制流程圖?？刂屏鞒痰闹饕袚窃陔妱?dòng)機狀態(tài)改變時(shí),實(shí)時(shí)準確地對系統工作電壓的測量,這里采用了快速交流采樣原理,可以在電網(wǎng)每個(gè)周波20ms 時(shí)間內可以完成一次測量轉換,完全能滿(mǎn)足本系統的實(shí)際需要。