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數字式智能電機控制模塊
摘要：介紹一種取代傳統電機起動裝置的數字式智能電機控制模塊，內容包括其系統構成、主要功能、實驗情況及在實際中的應用。1 概述
眾所周知，三相交流異步電動機以其低成本，高可靠性和易維護等優點而在各行業中得到了廣泛的應用。但是，它在直接起動時，存在著很大的缺點：首先，它的起動電流高達額定電流的5～7倍，既對電網造成了很大的沖擊，又影響了電器控制設備的使用壽命，甚至影響到其它電氣設備的正常運行；其次，起動轉矩可達正常轉矩的2倍，這會對負載產生沖擊，增加傳動部件的磨擦和額外維護。為此，出現了三相異步電動機降壓起動設備。
圖1 智能電機控制模塊結構圖
傳統的降壓起動有以下幾種方法:
1）在電動機定子電路中串入電抗器，使一部分電壓降在電抗器上；
2）星形—三角形(Y—△)轉換降壓起動，即起動時電機接成星形，起動結束后，通過一個轉換器變成三角形接法；
3）補償器起動（自耦變壓器起動）。
傳統的起動設備體積龐大，成本高，結構復雜，與負載匹配的電機轉矩很難控制，也就是說很難得到合適的起動電流和起動轉矩；而且在切換瞬間會產生很高的電流尖峰，由此產生的機械振動會損害電機轉子，軸連接器，中間齒輪以及負載設備。
因此，就需要有一種能克服傳統起動缺點的起動裝置。銀河公司開發生產的捷普牌新一代數字式智能電機控制模塊，不但完全克服了傳統起動的缺點，對各種起動方法做了進一步的改善和提高，而且還增加了很多其他功能，比如：節能運行，過流保護，過熱保護，缺相保護等。
這種模塊采用數碼管顯示，按鍵控制，整個起動過程全部由單片機按照預先設定的程序自動完成，操作極其方便。
用戶通過按鍵調整參數設置，可以按實際情況選擇不同的起動方式，能夠很方便地控制起動電流，得到與負載相匹配的電機轉矩。
2 模塊結構及電氣原理
模塊結構如圖1所示。從圖1可以看出，該模塊的主電路與相控電路及單片機共同封裝于同一殼體內，同時內置多個電流、電壓傳感器。用接插件將模塊與控制盒連接在一起，實現各種功能的設置和顯示。
主電路為6只玻璃鈍化方形晶閘管芯片，通過一體化焊接技術，將其貼在DBC（陶瓷覆銅板）上，并與導熱銅板焊接在一起。模塊使用時，導熱銅板與散熱片通過導熱硅脂緊密接觸。這種結構使模塊具有很高的絕緣性能和散熱性能。
圖2是模塊電氣原理方框圖。移相控制電路部分是銀河公司自主開發的JP-SSY01數字移相集成電路。該電路為SOP28封裝，5V單一電源供電，全數字化處理方式，具有很高的移相精度及對稱度。對控制端加0～10V電平信號，即可控制移相角度。
同步變壓器輸出同步信號給移相電路，其中另一路給單片機，作為單片機采集電壓、電流信號的基準。這樣，就克服了如果交流電頻率變化帶來的計算誤差，提高了計算精度。
傳感器包括電壓傳感器和電流傳感器。兩種傳感器中均使用了霍爾元件，具有體積小、反應快、線形度高的特點，通過與模塊結構的一體化設計，方便地置于模塊內部。兩種傳感器將電壓模擬量、電流模擬量傳給12位高速A/D轉換器，通過A/D轉換，將相應的數字量傳給單片機，以供單片機進行處理。
顯示、控制部分采用串行口與單片機進行通信，這種通信方式大大減少了該部分與模塊內部的連線。5個數碼管顯示，8個按鍵控制，使顯示與控制直觀、方便。
3 主要功能
智能電機控制模塊主要完成電壓斜坡起動，限流起動，電壓突跳起動，軟停車，節能運行，過流、過熱、缺相保護等功能。
3.1 電壓斜坡起動
如圖3所示，系統首先給電機加一個電壓Us，之后電壓線性上升，
從Us增加到最大電壓Umax，即電網輸入電壓。Us由用戶設定，可供用戶選擇的電壓為80～300V。ts也由用戶設定，可以在1～90s選擇。在實際使用中，用戶根據實際情況，例如電機功率大小、負載大小等，選擇合適的參數，達到最佳起動效果。
這種起動方式的特點是起動平穩，可減少起動電流對電網的沖擊，同時大大減輕起動力矩對負載帶來的機械振動。
3.2 限流起動
如圖4所示，這種起動方式是由用戶設定一電流值Ik，在整個起動過程中，實際電流不超過設定值Ik。Ik由用戶根據實際負載大小自己設定。
限流起動可以使大慣性負載以最小電流起動加速，可以通過設置電流上限，以滿足在電網容量有限的場合使用。這種起動方式特別適合于恒轉矩負載。
3.3 電壓突跳起動
實際應用中，很多負載具有很大的靜摩擦力。在電壓斜坡起動方式中，電壓是由小到大逐漸上升的。如果直接使用電壓斜坡方式起動，在起動開始的一段時間內，因所加電壓太小，克服不了負載的靜摩擦力，電機不動，這可能會造成電機因發熱而損壞的情況。電壓突跳功能則解決了這個問題。在電機起動前，模塊先輸出一電壓Ut，且持續一段時間tt，用以克服靜摩擦力，待電機轉動之后，再按照原設定方式起動，從而比較好地保護了電機，如圖5所示。對于不需要該功能的負載，只要將tt設置為0即可。Ut可調整，
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