低壓電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)裝置控制器設(shè)計(jì)方案

低壓電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)裝置控制器設(shè)計(jì)方案功能概述根據(jù)所設(shè)定的軟起動(dòng)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(dòng)機(jī)進(jìn)線電壓，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)或軟停止。同時(shí)全程監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的多種保護(hù)。組成框圖控制板控制板旁路接觸器旁路接觸器電動(dòng)機(jī)晶閘管電網(wǎng)電動(dòng)機(jī)晶閘管電網(wǎng)觸發(fā)脈沖觸發(fā)脈沖電壓同步電流信號(hào)電流信號(hào)外部信號(hào)外部信號(hào)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(gè)模塊，分別分析如下：調(diào)節(jié)單元工作方式分為四種：斜坡電壓起動(dòng)、恒流起動(dòng)、硬停止、軟停止。通過(guò)對(duì)限流倍數(shù)的設(shè)定來(lái)實(shí)現(xiàn)起動(dòng)方式的選擇：限流倍數(shù)為0，為斜坡電壓起動(dòng)；限流倍數(shù)大于0，為恒流起動(dòng)。通過(guò)對(duì)停止時(shí)間的設(shè)定來(lái)實(shí)現(xiàn)停止方式的選擇：停止時(shí)間為0，為硬停止；停止時(shí)間大于0，為軟停止。斜坡電壓起動(dòng)檢測(cè)到起動(dòng)信號(hào)，且旁路接觸器斷開，參數(shù)限流倍數(shù)設(shè)置為0；由設(shè)定的起始電壓計(jì)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(dòng)”指示燈；按設(shè)定的起動(dòng)時(shí)間，逐步移動(dòng)觸發(fā)角度，增大電機(jī)電壓；晶閘管觸發(fā)角達(dá)到0度，即電機(jī)電壓達(dá)到全壓，起動(dòng)完成觸點(diǎn)閉合，使旁路接觸器閉合；檢測(cè)到旁路接觸器閉合信號(hào)，停止發(fā)觸發(fā)信號(hào)，晶閘管全部關(guān)斷，熄“起動(dòng)”指示燈，亮“運(yùn)行”指示燈，起動(dòng)完成。全壓U全壓U起始電壓起始電壓t起動(dòng)完成t起動(dòng)完成恒流起動(dòng)檢測(cè)到起動(dòng)信號(hào)，且旁路接觸器斷開，參數(shù)限流倍數(shù)設(shè)置大于0；由設(shè)定的起始電壓計(jì)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(dòng)”指示燈；電機(jī)電流未達(dá)到限制值時(shí)，按程序內(nèi)置的較大斜率，逐步移動(dòng)觸發(fā)角度，增大電機(jī)電壓；電機(jī)電流達(dá)到或大于限制值時(shí)，根據(jù)電流反饋對(duì)觸發(fā)角度進(jìn)行比例-積分調(diào)節(jié)，以保持電機(jī)電流穩(wěn)定在限制值；晶閘管觸發(fā)角達(dá)到0度，即電機(jī)電壓達(dá)到全壓，起動(dòng)完成觸點(diǎn)閉合，使旁路接觸器閉合；檢測(cè)到旁路接觸器閉合信號(hào)，停止發(fā)觸發(fā)信號(hào)，晶閘管全部關(guān)斷，熄“起動(dòng)”指示燈，亮“運(yùn)行”指示燈，起動(dòng)完成。全壓U全壓U起始電壓起始電壓tt起動(dòng)完成限流階段起動(dòng)完成限流階段硬停止檢測(cè)到停止信號(hào)，且旁路接觸器閉合，參數(shù)停止時(shí)間設(shè)置為0；不發(fā)觸發(fā)信號(hào)，晶閘管全部關(guān)斷；熄“運(yùn)行”指示燈，閃亮“停止”指示燈；起動(dòng)完成觸點(diǎn)斷開，使旁路接觸器斷開；檢測(cè)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(cè)到停止信號(hào)，且旁路接觸器閉合，參數(shù)停止時(shí)間設(shè)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(yùn)行”指示燈，閃亮“停止”指示燈；起動(dòng)完成觸點(diǎn)斷開，使旁路接觸器斷開；檢測(cè)到旁路接觸器斷開后，按設(shè)定的停止時(shí)間，逐步增大觸發(fā)角度，減小電機(jī)電壓；晶閘管觸發(fā)角達(dá)到150度，即電機(jī)電壓為0，停止發(fā)觸發(fā)信號(hào)，晶閘管全部關(guān)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(hù)單元（保護(hù)動(dòng)作參數(shù)為暫定值）故障保護(hù)分為五種：電流缺相、過(guò)流、三相電流不平衡、超時(shí)、外部故障?？刂破髦恍璨杉嚯娏餍盘?hào)。電流缺相電流信號(hào)一相為0時(shí)，延時(shí)1s發(fā)出故障信號(hào)。起動(dòng)、停止及運(yùn)行時(shí)均有效。過(guò)流起動(dòng)時(shí)：限流起動(dòng)時(shí)，電流達(dá)到（限流倍數(shù)+0.5）Ie并持續(xù)3s，即發(fā)出故障信號(hào)。（斜坡起動(dòng)時(shí)不進(jìn)行過(guò)流保護(hù)。）運(yùn)行時(shí)：電流與持續(xù)時(shí)間關(guān)系如下實(shí)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(shí)間20s19s18s17s15s13s11s9s7s5s3s1s0.5s電流達(dá)到相應(yīng)的持續(xù)時(shí)間后，即發(fā)出故障信號(hào)。三相電流不平衡當(dāng)任意兩相電流差值大于25%，持續(xù)1.5s，發(fā)出故障信號(hào)。起動(dòng)、停止及運(yùn)行時(shí)均有效。超時(shí)起動(dòng)開始后60s，若旁路接觸器沒(méi)閉合，則觸發(fā)角減為0，強(qiáng)制晶閘管全開通，起動(dòng)完成觸點(diǎn)閉合，閉合旁路接觸器。檢測(cè)到旁路接觸器閉合信號(hào)，停止發(fā)觸發(fā)信號(hào)，晶閘管全部關(guān)斷，熄“起動(dòng)”指示燈，亮“運(yùn)行”指示燈，不發(fā)故障信號(hào)。起動(dòng)開始后65s，若仍然沒(méi)有檢測(cè)到旁路接觸器閉合信號(hào)，則發(fā)出故障信號(hào)。外部故障接線端子輸入外部故障信號(hào)，執(zhí)行故障保護(hù)。以上發(fā)出故障信號(hào)后，亮相應(yīng)的故障指示燈，關(guān)閉晶閘管，斷開旁路接觸器，故障輸出繼電器動(dòng)作，發(fā)出閉合/斷開兩種信號(hào)。故障信號(hào)具有保持功能，必須由外部的故障復(fù)位信號(hào)復(fù)位。觸發(fā)單元采集三相電壓的同步信號(hào)，將調(diào)節(jié)單元給出的調(diào)節(jié)量轉(zhuǎn)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(dòng)對(duì)相序。存儲(chǔ)/顯示單元通過(guò)數(shù)碼管和鍵盤讀入各種參數(shù)并存儲(chǔ)，運(yùn)行時(shí)提供給調(diào)節(jié)和保護(hù)模塊，并實(shí)時(shí)顯示電機(jī)電流。通過(guò)發(fā)光二極管顯示裝置的運(yùn)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(gè)。名稱接點(diǎn)數(shù)說(shuō)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(jī)電流信號(hào)6主回路三相電流互互感器輸出軟起動(dòng)/軟停止開開始信號(hào)3短接有效；1個(gè)公公共點(diǎn)起動(dòng)完成觸點(diǎn)2常開觸點(diǎn)，完成時(shí)時(shí)閉合；觸點(diǎn)點(diǎn)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(diǎn)3常開、常閉各一個(gè)個(gè)，1個(gè)公共點(diǎn)；；觸電容量AC2550V/100A故障復(fù)位2短接有效合計(jì)：34個(gè)接點(diǎn)點(diǎn)指示燈和按鍵在面板上通過(guò)發(fā)光二極管方便直觀地顯示裝置的運(yùn)行狀態(tài)和故障類型。4位數(shù)碼管和6個(gè)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(jī)斷電停機(jī)，閃亮表示電機(jī)軟停止過(guò)程中）、起動(dòng)（黃色，亮表示電機(jī)軟起動(dòng)過(guò)程中）、運(yùn)行（綠色，亮表示旁路接觸器閉合，電機(jī)全壓運(yùn)行）。故障指示缺相、過(guò)流、三相不平衡、超時(shí)、外部故障，全部為紅色。數(shù)碼管4位，參數(shù)設(shè)定時(shí)提示輸入和顯示參數(shù)，運(yùn)行時(shí)顯示電機(jī)電流。按鍵共6個(gè)，分為上、下、左、右、確定、取消，輸入?yún)?shù)用。操作界面參數(shù)設(shè)定共6個(gè)：1-電機(jī)額定電流、2-電流互感器變比、3-軟起動(dòng)起始電壓、4-軟起動(dòng)時(shí)間（斜坡電壓起動(dòng)方式有效）、5-起動(dòng)限流倍數(shù)（限流起動(dòng)方式有效）、6-軟停止時(shí)間。正常模式開機(jī)初始化完成，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，顯示電機(jī)電流按“確定”進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置按“上”、“下”選擇需要修改參數(shù)按“確定”進(jìn)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(rèn)修改，返回3.狀態(tài)；或按“取消”放棄修改，返回3.狀態(tài)重復(fù)4.~8.，直至完成修改按“取消”返回待機(jī)狀態(tài)，顯示電機(jī)電流正常工作時(shí)實(shí)時(shí)顯示電機(jī)電流調(diào)試模式調(diào)試模式供控制板測(cè)試或整機(jī)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試用，功能為自動(dòng)/手動(dòng)調(diào)整觸發(fā)角度，觸發(fā)晶閘管。自動(dòng)方式下，觸發(fā)角度從150度移至0度，再?gòu)?度移至150度，重復(fù)，往返周期30秒。手動(dòng)方式下，從控制面板手動(dòng)調(diào)節(jié)觸發(fā)角度。開機(jī)初始化完成，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，顯示電機(jī)電流按“取消”進(jìn)入調(diào)試模式按“上”、“下”選擇調(diào)試方式（1為自動(dòng)/2為手動(dòng)）按“確定”開始調(diào)試過(guò)程，顯示觸發(fā)角度自動(dòng)方式下，觸發(fā)角度自動(dòng)變化；手動(dòng)方式下，按“左”、“右”減小或加大角度按“取消”退出調(diào)試過(guò)程重復(fù)4.~7.，直至完成調(diào)試按“取消”返回待機(jī)狀態(tài)，顯示電機(jī)電流故障模式發(fā)生與控制板有關(guān)的故障時(shí)，操作界面會(huì)有相應(yīng)的顯示，詳見節(jié)?？煽啃栽O(shè)計(jì)控制板的可靠工作與否，直接關(guān)系到軟起動(dòng)裝置的可靠性，進(jìn)而影響用戶電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的正常工作。因此針對(duì)控制板進(jìn)行高可靠性設(shè)計(jì)十分必要?？煽啃栽O(shè)計(jì)目標(biāo)根據(jù)用戶的要求，控制板可靠工作壽命需達(dá)5年以上。可靠性設(shè)計(jì)條件低壓軟起動(dòng)裝置一般安裝在生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，控制板工作在高電壓、大電流、強(qiáng)電磁干擾電氣條件下。因此控制板可靠性設(shè)計(jì)需有針對(duì)性地采取絕緣、隔離、糾錯(cuò)、抗干擾等措施，確保控制板正常工作。可靠性設(shè)計(jì)針對(duì)控制板的工作環(huán)境，可靠性設(shè)計(jì)應(yīng)從元器件的選取、控制電路的設(shè)計(jì)和發(fā)生故障后的保護(hù)三方面進(jìn)行。元器件控制板工作在生產(chǎn)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，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(jí)，工作溫度一般為-40~+85℃，足以滿足大多數(shù)工作現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境條件。電路設(shè)計(jì)（1）輸入輸出接口的隔離輸入輸出接口除“起動(dòng)/停止開始信號(hào)”、“旁路狀態(tài)輸入”、“外部故障輸入”、“故障復(fù)位”四個(gè)接口外，均通過(guò)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(wú)高電壓強(qiáng)電流串入。上述四個(gè)接口采集的是通/斷的開關(guān)信號(hào)，由外部電路進(jìn)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(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。序號(hào)故障模式故障后果嚴(yán)重程度發(fā)生機(jī)率檢測(cè)方法故障原因保護(hù)措施備注1旁路接觸器控制信信號(hào)誤動(dòng)起動(dòng)過(guò)程中，接觸觸器提前閉合合，電動(dòng)機(jī)電電流上升；停止過(guò)程中，接觸觸器閉合，電電動(dòng)機(jī)重新運(yùn)運(yùn)行；運(yùn)行過(guò)程中，接觸觸器斷開，電電動(dòng)機(jī)硬停止止。嚴(yán)重很小無(wú)電磁干擾單片機(jī)分兩路分別別發(fā)出接觸器器控制信號(hào)，兩兩路信號(hào)相同同才能控制接接觸器；控制信號(hào)加濾波，防防止尖峰干擾擾；運(yùn)行過(guò)程中，由“運(yùn)行”指示燈信號(hào)號(hào)鎖定接觸器器狀態(tài)，確保保運(yùn)行過(guò)程中中電動(dòng)機(jī)不斷斷電。2晶閘管觸發(fā)脈沖丟丟失偶爾丟失，電動(dòng)機(jī)機(jī)三相輕微、短短暫不平衡輕微小無(wú)電磁干擾無(wú)長(zhǎng)期丟失，電動(dòng)機(jī)機(jī)三相嚴(yán)重不不平衡嚴(yán)重極小六路觸發(fā)脈沖指示示燈硬件損壞控制板檢測(cè)到三相相不平衡故障障，進(jìn)行保護(hù)護(hù)動(dòng)作，發(fā)出出故障信號(hào)。3存儲(chǔ)的控制參數(shù)錯(cuò)錯(cuò)誤控制過(guò)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(chǔ)儲(chǔ)，通過(guò)比較較上下限自檢檢糾錯(cuò)。極小硬件損壞控制板檢測(cè)到電動(dòng)動(dòng)機(jī)故障，進(jìn)進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作作，發(fā)出故障障信號(hào)。4控制程序跑飛控制板失效，電動(dòng)動(dòng)機(jī)突然斷電電嚴(yán)重很小無(wú)電磁干擾硬件看門狗，程序序跑飛后將單單片機(jī)復(fù)位。極小硬件損壞無(wú)5電流信號(hào)采集故障障限流起動(dòng)時(shí)，電動(dòng)動(dòng)機(jī)加全壓或或過(guò)流保護(hù)；；運(yùn)行時(shí)，發(fā)生缺相相或過(guò)流保護(hù)護(hù)中等極小電流顯示保持為00或999硬件損壞對(duì)電流信號(hào)采集電電路進(jìn)行限幅幅保護(hù)；控制板檢測(cè)到故障障，進(jìn)行保護(hù)護(hù)動(dòng)作，發(fā)出出故障信號(hào)。6故障輸出誤動(dòng)外接的故障處理設(shè)設(shè)備動(dòng)作中等很小無(wú)電磁干擾單片機(jī)信號(hào)與故障障指示燈信號(hào)號(hào)兩路同時(shí)控控制輸出；控制信號(hào)加濾波，防防止尖峰干擾擾。7外部故障輸入誤動(dòng)動(dòng)控制板進(jìn)行保護(hù)動(dòng)動(dòng)作，發(fā)出故故障信號(hào)中等很小無(wú)電磁干擾輸入信號(hào)加濾波，防防止尖峰干擾擾。8故障復(fù)位誤動(dòng)起動(dòng)、停止過(guò)程中中，電動(dòng)機(jī)突突然斷電中等很小無(wú)電磁干擾輸入信號(hào)加濾波和和0.1秒延時(shí)，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(wú)無(wú)顯示，按鍵鍵無(wú)效輕微極小無(wú)顯示硬件損壞無(wú)10控制板掉電電動(dòng)機(jī)硬停止嚴(yán)重極小顯示Erro電源過(guò)載電壓檢測(cè)芯片，電電壓低于4.6V時(shí)單片機(jī)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)入保護(hù)動(dòng)作作，等待手動(dòng)動(dòng)停止（硬/軟停止）。無(wú)硬件損壞無(wú)控制板保護(hù)動(dòng)作控制板對(duì)自身的保護(hù)主要是工作過(guò)程中監(jiān)測(cè)工作電壓、電動(dòng)機(jī)電流數(shù)據(jù)，以及復(fù)位后的自檢。（1）工作電壓配置專門的電壓監(jiān)測(cè)芯片，當(dāng)工作電壓低于4.6V時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。此時(shí)控制板上的數(shù)碼管顯示Erro，控制板發(fā)出故障輸出信號(hào)，等待手動(dòng)停止（硬/軟停止）。（2）電流數(shù)據(jù)電流信號(hào)超量程或A/D轉(zhuǎn)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(gè)周期后，控制板發(fā)出故障輸出信號(hào)，此時(shí)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(jìn)行電流監(jiān)控（限流起動(dòng)的轉(zhuǎn)為斜坡起動(dòng)），等待手動(dòng)停止（硬/軟停止）。（3）復(fù)位自檢控制板上電復(fù)位或工作過(guò)程中復(fù)位后，處理過(guò)程如下：a.關(guān)閉晶閘管。b.檢查硬件狀態(tài)：接觸器狀態(tài)、起動(dòng)/停止信號(hào)、電機(jī)電流信號(hào)、按鍵狀態(tài)。c.硬件狀況判斷：如果檢測(cè)到接觸器閉合且電動(dòng)機(jī)電流為0、或接觸器斷開且電動(dòng)機(jī)電流不為0、或有起動(dòng)/停止信號(hào)、或有按鍵按下時(shí)，認(rèn)為硬件發(fā)生故障，顯示Erro，發(fā)出故障輸出信號(hào)，等待故障復(fù)位；如果檢測(cè)到接觸器斷開、電動(dòng)機(jī)電流為0、無(wú)起動(dòng)/停止信號(hào)且無(wú)按鍵按下時(shí)，認(rèn)為電動(dòng)機(jī)在停機(jī)狀態(tài)，硬件正常；如果檢測(cè)到接觸器閉合且電動(dòng)機(jī)電流不為0，認(rèn)為電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)，硬件正常。d.軟件狀況判斷：讀出所有存儲(chǔ)的控制參數(shù)（包括原本和備份），進(jìn)行比較，相同后再與設(shè)定的上下限比較。比較無(wú)誤，認(rèn)為軟件正常；比較錯(cuò)誤，認(rèn)為軟件故障。電動(dòng)機(jī)停機(jī)狀態(tài)下，直接閃爍顯示錯(cuò)誤的參數(shù)，按“確定”進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置，重新設(shè)定參數(shù)；電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，顯示Erro，發(fā)出故障輸出信號(hào)，不進(jìn)行電流監(jiān)控，等待手動(dòng)停機(jī)（硬停止）后故障復(fù)位。f.復(fù)位完成：硬件、軟件檢測(cè)正常后，自檢完成。電動(dòng)機(jī)停機(jī)狀態(tài)下，等待按鍵信號(hào)或起動(dòng)信號(hào)；電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)下，進(jìn)入電動(dòng)機(jī)電流監(jiān)控。綜上所述，控制板復(fù)位可以在停機(jī)、運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行，不影響電動(dòng)機(jī)狀態(tài)；在起動(dòng)、停止?fàn)顟B(tài)復(fù)位，則會(huì)使電動(dòng)機(jī)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(dòng)完成故障輸出脈沖變壓器G1K1G4K4G3K3G6K6G5K5G2K2起動(dòng)脈沖變壓器G1K1G4K4G3K3G6K6G5K5G2K2起動(dòng)運(yùn)行停止缺相故障過(guò)流故障三相不平衡故障超時(shí)故障外部故障起動(dòng)/旁路故障故障停止?fàn)顟B(tài)輸入復(fù)位安裝為了調(diào)試、檢修方方便，將軟起動(dòng)裝置置前面板設(shè)計(jì)計(jì)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(diǎn)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(nèi)內(nèi)的晶閘管，調(diào)調(diào)試、檢修方