低压电机再起动控制器的设计与实现

　　1 引言

　　因雷击、自动重合闸动作成功或其它原因引起电网瞬间失压,致使运行中的接触器因失压动作而释放,所控制的电动机停止运行,对于石油化工等连续性运行的企业,会引起生产波动,操作混乱,甚至发生起火爆炸事故,造成很大的经济损失。

　　低压电机再起动指经常运行的电动机,因短暂停电(俗称晃电) 后,在速度降低或完全停止运行的情况下重新起动。采用这一技术可以解决晃电带来的生产实际问题。本文介绍了一种高度智能化的新型低压电动机再起动控制器,它采用先进的嵌入式技术设计,体积小、接线简单,可以根据需要设定不同的自起动时间,满足实际生产工序要求;采用性能优异的低功耗微型单片机结合独特的电源设计,无任何需用户维护的部件,如电池等,在工作电源中断10 分钟以内,仍能按设定的参数精确控制。

　　2 工作原理

　　低压再起动控制器实时监测电网的电压,当电网发生瞬间掉电,使得低压接触器的自保持开关断开,在电网电压再设定的时间内(0～10 分钟) ,控制器的辅助触点会接通,对掉电释放的接触器进行再次接通。其接线图及动作时序图如图1 和图2所示,T定义为掉电时间周期,Tm 定义为掉电响应时间上限,如果实际掉电时间T大于掉电响应时间上限Tm ,则再起动控制器不动作。

　　图1 低压再起动控制器与系统的接线图

　　3 硬件设计

　　低压电机再起动控制器硬件电路以单片机为核心,功能电路主要由电源电路、电源净化电路、电压采样转换电路、人机交互电路、输出控制电路五部分构成。图3 是系统硬件构成图。

　　图3 系统硬件构成图

　　3. 1 单片机的选型

　　综合考虑对再起动控制器的各方面性能的特殊要求,选择MicroChip 公司的PIC16F877 型单片机,其工作电压范围宽,在2V～5. 5V DC下均可以正常工作;与同类产品相比,具有优越的低功耗性能,在工作时钟为32KHz ,工作电压为3 伏时,工作电流仅20μA;片内集成了8 通道的10 位APD 和256 个字节的EEP2ROM;同时该单片机还有极强的电磁抗干扰能力。

　　3. 2 电源电路设计

　　再起动控制器的工作电源由交流接触器的交流低压变换而得。其电路设计有着较高的技术要求:一方面要满足不使用电池的条件下,能够在系统掉电10 分钟的情况下仍能够正常工作,另一方面要求供电电源的品质要满足单片机的正常工作要求,需要较好的电源滤波功能。图4 为低压电机再起动控制器的电源电路,电容C1 的作用是在系统掉电时,维持系统继续工作的电源,其容值的选择由C = I ×ΔTPΔU 来确定, I 是系统的工作电流,单位是安,ΔT 是系统的工作时间,单位为秒,ΔU 是ΔT工作时间内电容C1 的电压降落,在本系统中ΔU = 5. 5V - 2. 7V= 2. 8V。

　　图4 低压电机再起动控制器的电源电路

　　3. 3 掉电识别电路设计

　　掉电识别是通过单片机对电网电压的实时采样检测来实现的。因为交流接触器的保持线圈在掉电时间20ms 左右,交流接触器触点释放,所以再起动控制器为了即时识别电网瞬时的掉电,设计成能够响应10ms 的瞬间掉电。这里采用交流采样方式。由于PIC16F877 型内置APD 为单极性,所以采样电路要完成电网电压的降压和极性变换。图5 是再起动控制器的输入电压转换电路。设计中采用微型的电流型电压互感器,将输入电压转换成与之成正比的小电流,再经过次级的电流转换电压电路,转换成0～5V 之间的偏置电压信号,送给APD 单元进行采样处理。该电路结构简单,线性度好,能够在单极性电源的条件下正常工作。

　　图5 再起动控制器的输入电压转换电路

　　3. 4 人机交互设计

　　再起动控制器为用户提供了良好的人机交互界面。兼顾小型化设计的要求,人机交互电路由三个触摸按键和三个数码管构成。三个按键分别设计成功能转换键、加键和减键。人机交互界面具备晃电允许时间Tm、再起动延时时间Td、低电压设定值UF、恢复电压设定值UH、当前电压值的显示与设定等功能。

　　图6 电动机再起动控制流程图

　　4 软件设计

　　再起动控制器的软件采用C 语言进行编写。按功能可分为三部分。一是电网电压的实时测量,根据其实时性的要求,用单片机的中断功能来实现;二是人机交互部分;三是掉电判断和再起动。图6 是电动机再起动控制流程图。控制流程的主要判据是在电动机状态改变时,实时准确地对系统工作电压的测量,这里采用了快速交流采样原理,可以在电网每个周波20ms 时间内可以完成一次测量转换,完全能满足本系统的实际需要。