低压电机再起动控制器的硬件设计

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1引言

由于雷击、自动重合闸动作或其他原因导致电网瞬时失压,运行中的接触器因失压动作而释放,控制电机停止运行。对于石化等连续运行的企业,会造成生产波动、操作混乱,甚至火灾爆炸事故,造成巨大的经济损失。
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。

低压电机
图1低压再起动控制器与系统的接线图

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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。

低压电机
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~5.5VDC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。

低压电机
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。

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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。

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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是用C语言编写的。按功能可分为三个部分。首先,根据实时性要求,利用单片机的中断功能实现电网电压的实时测量;二是人机交互;三是停电判断和再起动。图6是电动机再起动控制的流程图。控制流程的主要标准是在电机状态发生变化时实时、准确地测量系统的工作电压。这里采用了快速交流采样原理,可以在电网每个周期20ms内完成测量转换,完全满足系统的实际需要。

 

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