低壓電機再起動控制器的設計與實現(xiàn)

　　1 引言

　　因雷擊、自動重合閘動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作而釋放,所控制的電動機停止運行,對于石油化工等連續(xù)性運行的企業(yè),會引起生產(chǎn)波動,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。

　　低壓電機再起動指經(jīng)常運行的電動機,因短暫停電(俗稱晃電) 后,在速度降低或完全停止運行的情況下重新起動。采用這一技術可以解決晃電帶來的生產(chǎn)實際問題。本文介紹了一種高度智能化的新型低壓電動機再起動控制器,它采用先進的嵌入式技術設計,體積小、接線簡單,可以根據(jù)需要設定不同的自起動時間,滿足實際生產(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,無任何需用戶維護的部件,如電池等,在工作電源中斷10 分鐘以內(nèi),仍能按設定的參數(shù)精確控制。

　　2 工作原理

　　低壓再起動控制器實時監(jiān)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關斷開,在電網(wǎng)電壓再設定的時間內(nèi)(0～10 分鐘) ,控制器的輔助觸點會接通,對掉電釋放的接觸器進行再次接通。其接線圖及動作時序圖如圖1 和圖2所示,T定義為掉電時間周期,Tm 定義為掉電響應時間上限,如果實際掉電時間T大于掉電響應時間上限Tm ,則再起動控制器不動作。

　　圖1 低壓再起動控制器與系統(tǒng)的接線圖

　　3 硬件設計

　　低壓電機再起動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(tǒng)硬件構成圖。

　　圖3 系統(tǒng)硬件構成圖

　　3. 1 單片機的選型

　　綜合考慮對再起動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;與同類產(chǎn)品相比,具有優(yōu)越的低功耗性能,在工作時鐘為32KHz ,工作電壓為3 伏時,工作電流僅20μA;片內(nèi)集成了8 通道的10 位APD 和256 個字節(jié)的EEP2ROM;同時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。其電路設計有著較高的技術要求:一方面要滿足不使用電池的條件下,能夠在系統(tǒng)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 為低壓電機再起動控制器的電源電路,電容C1 的作用是在系統(tǒng)掉電時,維持系統(tǒng)繼續(xù)工作的電源,其容值的選擇由C = I ×ΔTPΔU 來確定, I 是系統(tǒng)的工作電流,單位是安,ΔT 是系統(tǒng)的工作時間,單位為秒,ΔU 是ΔT工作時間內(nèi)電容C1 的電壓降落,在本系統(tǒng)中ΔU = 5. 5V - 2. 7V= 2. 8V。

　　圖4 低壓電機再起動控制器的電源電路

　　3. 3 掉電識別電路設計

　　掉電識別是通過單片機對電網(wǎng)電壓的實時采樣檢測來實現(xiàn)的。因為交流接觸器的保持線圈在掉電時間20ms 左右,交流接觸器觸點釋放,所以再起動控制器為了即時識別電網(wǎng)瞬時的掉電,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(nèi)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 單元進行采樣處理。該電路結構簡單,線性度好,能夠在單極性電源的條件下正常工作。

　　圖5 再起動控制器的輸入電壓轉換電路

　　3. 4 人機交互設計

　　再起動控制器為用戶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觸摸按鍵和三個數(shù)碼管構成。三個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間Tm、再起動延時時間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 電動機再起動控制流程圖

　　4 軟件設計

　　再起動控制器的軟件采用C 語言進行編寫。按功能可分為三部分。一是電網(wǎng)電壓的實時測量,根據(jù)其實時性的要求,用單片機的中斷功能來實現(xiàn);二是人機交互部分;三是掉電判斷和再起動。圖6 是電動機再起動控制流程圖?？刂屏鞒痰闹饕袚?jù)是在電動機狀態(tài)改變時,實時準確地對系統(tǒng)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)每個周波20ms 時間內(nèi)可以完成一次測量轉換,完全能滿足本系統(tǒng)的實際需要。