低压电动机软起动装置控制器设计方案

低压电动机软起动装置控制器设计方案功能概述根据所设定的软起动或软停止方式及参数，控制晶闸管的触发角度变化，改变电动机进线电压，实现电动机的软起动或软停止。同时全程监测电动机电流，实现对电动机的多种保护。组成框图控制板控制板旁路接触器旁路接触器电动机晶闸管电网电动机晶闸管电网触发脉冲触发脉冲电压同步电流信号电流信号外部信号外部信号电源电源数码管、键盘数码管、键盘状态、故障指示状态、故障指示功能模块控制器按功能可以分为四个模块，分别分析如下：调节单元工作方式分为四种：斜坡电压起动、恒流起动、硬停止、软停止。通过对限流倍数的设定来实现起动方式的选择：限流倍数为0，为斜坡电压起动；限流倍数大于0，为恒流起动。通过对停止时间的设定来实现停止方式的选择：停止时间为0，为硬停止；停止时间大于0，为软停止。斜坡电压起动检测到起动信号，且旁路接触器断开，参数限流倍数设置为0；由设定的起始电压计算出触发角度，发出晶闸管触发脉冲，熄“停止”指示灯，亮“起动”指示灯；按设定的起动时间，逐步移动触发角度，增大电机电压；晶闸管触发角达到0度，即电机电压达到全压，起动完成触点闭合，使旁路接触器闭合；检测到旁路接触器闭合信号，停止发触发信号，晶闸管全部关断，熄“起动”指示灯，亮“运行”指示灯，起动完成。全压U全压U起始电压起始电压t起动完成t起动完成恒流起动检测到起动信号，且旁路接触器断开，参数限流倍数设置大于0；由设定的起始电压计算出触发角度，发出晶闸管触发脉冲，熄“停止”指示灯，亮“起动”指示灯；电机电流未达到限制值时，按程序内置的较大斜率，逐步移动触发角度，增大电机电压；电机电流达到或大于限制值时，根据电流反馈对触发角度进行比例-积分调节，以保持电机电流稳定在限制值；晶闸管触发角达到0度，即电机电压达到全压，起动完成触点闭合，使旁路接触器闭合；检测到旁路接触器闭合信号，停止发触发信号，晶闸管全部关断，熄“起动”指示灯，亮“运行”指示灯，起动完成。全压U全压U起始电压起始电压tt起动完成限流阶段起动完成限流阶段硬停止检测到停止信号，且旁路接触器闭合，参数停止时间设置为0；不发触发信号，晶闸管全部关断；熄“运行”指示灯，闪亮“停止”指示灯；起动完成触点断开，使旁路接触器断开；检测到旁路接触器断开后，亮“停止”指示灯，停止完成。全压U全压U停止t停止t软停止检测到停止信号，且旁路接触器闭合，参数停止时间设置不为0；按触发角度0度发出触发脉冲，晶闸管全部开通；熄“运行”指示灯，闪亮“停止”指示灯；起动完成触点断开，使旁路接触器断开；检测到旁路接触器断开后，按设定的停止时间，逐步增大触发角度，减小电机电压；晶闸管触发角达到150度，即电机电压为0，停止发触发信号，晶闸管全部关断，亮“停止”指示灯，停止完成。U全压U全压t停止开始停止完成t停止开始停止完成保护单元（保护动作参数为暂定值）故障保护分为五种：电流缺相、过流、三相电流不平衡、超时、外部故障。控制器只需采集三相电流信号。电流缺相电流信号一相为0时，延时1s发出故障信号。起动、停止及运行时均有效。过流起动时：限流起动时，电流达到（限流倍数+0.5）Ie并持续3s，即发出故障信号。（斜坡起动时不进行过流保护。）运行时：电流与持续时间关系如下实际电流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持续时间20s19s18s17s15s13s11s9s7s5s3s1s0.5s电流达到相应的持续时间后，即发出故障信号。三相电流不平衡当任意两相电流差值大于25%，持续1.5s，发出故障信号。起动、停止及运行时均有效。超时起动开始后60s，若旁路接触器没闭合，则触发角减为0，强制晶闸管全开通，起动完成触点闭合，闭合旁路接触器。检测到旁路接触器闭合信号，停止发触发信号，晶闸管全部关断，熄“起动”指示灯，亮“运行”指示灯，不发故障信号。起动开始后65s，若仍然没有检测到旁路接触器闭合信号，则发出故障信号。外部故障接线端子输入外部故障信号，执行故障保护。以上发出故障信号后，亮相应的故障指示灯，关闭晶闸管，断开旁路接触器，故障输出继电器动作，发出闭合/断开两种信号。故障信号具有保持功能，必须由外部的故障复位信号复位。触发单元采集三相电压的同步信号，将调节单元给出的调节量转换为触发角，产生触发脉冲，功率放大、隔离后可靠触发晶闸管。三相自动对相序。存储/显示单元通过数码管和键盘读入各种参数并存储，运行时提供给调节和保护模块，并实时显示电机电流。通过发光二极管显示装置的运行状态和故障类别。输入输出接口输入输出接口如下表所示，共32个。名称接点数说明供电电源2380V:18VV/2A变压器输入入晶闸管触发脉冲12六路，不分相序电机电流信号6主回路三相电流互互感器输出软起动/软停止开开始信号3短接有效；1个公公共点起动完成触点2常开触点，完成时时闭合；触点点容量AC2550V/100A旁路状态输入2短接表示旁路闭合合外部故障输入2短接有效故障输出触点3常开、常闭各一个个，1个公共点；；触电容量AC2550V/100A故障复位2短接有效合计：34个接点点指示灯和按键在面板上通过发光二极管方便直观地显示装置的运行状态和故障类型。4位数码管和6个按键完成参数的显示和输入。状态指示停止（红色，常亮表示电机断电停机，闪亮表示电机软停止过程中）、起动（黄色，亮表示电机软起动过程中）、运行（绿色，亮表示旁路接触器闭合，电机全压运行）。故障指示缺相、过流、三相不平衡、超时、外部故障，全部为红色。数码管4位，参数设定时提示输入和显示参数，运行时显示电机电流。按键共6个，分为上、下、左、右、确定、取消，输入参数用。操作界面参数设定共6个：1-电机额定电流、2-电流互感器变比、3-软起动起始电压、4-软起动时间（斜坡电压起动方式有效）、5-起动限流倍数（限流起动方式有效）、6-软停止时间。正常模式开机初始化完成，进入待机状态，显示电机电流按“确定”进入参数设置按“上”、“下”选择需要修改参数按“确定”进入修改，可修改位闪烁按“左”、“右”选择位按“上”、“下”修改数值按“确定”确认修改，返回3.状态；或按“取消”放弃修改，返回3.状态重复4.~8.，直至完成修改按“取消”返回待机状态，显示电机电流正常工作时实时显示电机电流调试模式调试模式供控制板测试或整机现场调试用，功能为自动/手动调整触发角度，触发晶闸管。自动方式下，触发角度从150度移至0度，再从0度移至150度，重复，往返周期30秒。手动方式下，从控制面板手动调节触发角度。开机初始化完成，进入待机状态，显示电机电流按“取消”进入调试模式按“上”、“下”选择调试方式（1为自动/2为手动）按“确定”开始调试过程，显示触发角度自动方式下，触发角度自动变化；手动方式下，按“左”、“右”减小或加大角度按“取消”退出调试过程重复4.~7.，直至完成调试按“取消”返回待机状态，显示电机电流故障模式发生与控制板有关的故障时，操作界面会有相应的显示，详见节。可靠性设计控制板的可靠工作与否，直接关系到软起动装置的可靠性，进而影响用户电动机系统的正常工作。因此针对控制板进行高可靠性设计十分必要。可靠性设计目标根据用户的要求，控制板可靠工作寿命需达5年以上。可靠性设计条件低压软起动装置一般安装在生产企业现场，控制板工作在高电压、大电流、强电磁干扰电气条件下。因此控制板可靠性设计需有针对性地采取绝缘、隔离、纠错、抗干扰等措施，确保控制板正常工作。可靠性设计针对控制板的工作环境，可靠性设计应从元器件的选取、控制电路的设计和发生故障后的保护三方面进行。元器件控制板工作在生产企业现场，环境条件较为恶劣，因此控制板的元器件均选用工业级，工作温度一般为-40~+85℃，足以满足大多数工作现场的环境条件。电路设计（1）输入输出接口的隔离输入输出接口除“起动/停止开始信号”、“旁路状态输入”、“外部故障输入”、“故障复位”四个接口外，均通过光耦、电流互感器、脉冲变压器或继电器与主电路隔离，确保无高电压强电流串入。上述四个接口采集的是通/断的开关信号，由外部电路进行隔离。 （2）故障模式分析分析控制板工作中可能出现的故障，进行针对性设计。序号故障模式故障后果严重程度发生机率检测方法故障原因保护措施备注1旁路接触器控制信信号误动起动过程中，接触触器提前闭合合，电动机电电流上升；停止过程中，接触触器闭合，电电动机重新运运行；运行过程中，接触触器断开，电电动机硬停止止。严重很小无电磁干扰单片机分两路分别别发出接触器器控制信号，两两路信号相同同才能控制接接触器；控制信号加滤波，防防止尖峰干扰扰；运行过程中，由“运行”指示灯信号号锁定接触器器状态，确保保运行过程中中电动机不断断电。2晶闸管触发脉冲丢丢失偶尔丢失，电动机机三相轻微、短短暂不平衡轻微小无电磁干扰无长期丢失，电动机机三相严重不不平衡严重极小六路触发脉冲指示示灯硬件损坏控制板检测到三相相不平衡故障障，进行保护护动作，发出出故障信号。3存储的控制参数错错误控制过程不正确中等很小控制板上电自检电磁干扰参数分开备份存储储，通过比较较上下限自检检纠错。极小硬件损坏控制板检测到电动动机故障，进进行保护动作作，发出故障障信号。4控制程序跑飞控制板失效，电动动机突然断电电严重很小无电磁干扰硬件看门狗，程序序跑飞后将单单片机复位。极小硬件损坏无5电流信号采集故障障限流起动时，电动动机加全压或或过流保护；；运行时，发生缺相相或过流保护护中等极小电流显示保持为00或999硬件损坏对电流信号采集电电路进行限幅幅保护；控制板检测到故障障，进行保护护动作，发出出故障信号。6故障输出误动外接的故障处理设设备动作中等很小无电磁干扰单片机信号与故障障指示灯信号号两路同时控控制输出；控制信号加滤波，防防止尖峰干扰扰。7外部故障输入误动动控制板进行保护动动作，发出故故障信号中等很小无电磁干扰输入信号加滤波，防防止尖峰干扰扰。8故障复位误动起动、停止过程中中，电动机突突然断电中等很小无电磁干扰输入信号加滤波和和0.1秒延时，防防止尖峰干扰扰；9指示灯、按键故障障指示灯、数码管无无显示，按键键无效轻微极小无显示硬件损坏无10控制板掉电电动机硬停止严重极小显示Erro电源过载电压检测芯片，电电压低于4.6V时单片机转转入保护动作作，等待手动动停止（硬/软停止）。无硬件损坏无控制板保护动作控制板对自身的保护主要是工作过程中监测工作电压、电动机电流数据，以及复位后的自检。（1）工作电压配置专门的电压监测芯片，当工作电压低于4.6V时发出报警信号。此时控制板上的数码管显示Erro，控制板发出故障输出信号，等待手动停止（硬/软停止）。（2）电流数据电流信号超量程或A/D转换芯片损坏后，采集的电流数据保持为0或999。持续一个周期后，控制板发出故障输出信号，此时控制板上的数码管显示0或999。除此之外控制板仍正常工作，只是不进行电流监控（限流起动的转为斜坡起动），等待手动停止（硬/软停止）。（3）复位自检控制板上电复位或工作过程中复位后，处理过程如下：a.关闭晶闸管。b.检查硬件状态：接触器状态、起动/停止信号、电机电流信号、按键状态。c.硬件状况判断：如果检测到接触器闭合且电动机电流为0、或接触器断开且电动机电流不为0、或有起动/停止信号、或有按键按下时，认为硬件发生故障，显示Erro，发出故障输出信号，等待故障复位；如果检测到接触器断开、电动机电流为0、无起动/停止信号且无按键按下时，认为电动机在停机状态，硬件正常；如果检测到接触器闭合且电动机电流不为0，认为电动机在运行状态，硬件正常。d.软件状况判断：读出所有存储的控制参数（包括原本和备份），进行比较，相同后再与设定的上下限比较。比较无误，认为软件正常；比较错误，认为软件故障。电动机停机状态下，直接闪烁显示错误的参数，按“确定”进入参数设置，重新设定参数；电动机运行状态下，显示Erro，发出故障输出信号，不进行电流监控，等待手动停机（硬停止）后故障复位。f.复位完成：硬件、软件检测正常后，自检完成。电动机停机状态下，等待按键信号或起动信号；电动机运行状态下，进入电动机电流监控。综上所述，控制板复位可以在停机、运行状态进行，不影响电动机状态；在起动、停止状态复位，则会使电动机断电（硬停止）。控制板安装外形控制板外形尺寸约200×300（mm），板上含有脉冲变压器、指示灯、数码管、按键，因此不再需要其他的电路板。控制板外形如下图所示：电源电流输入起动完成故障输出脉冲变压器G1K1G4K4G3K3G6K6G5K5G2K2起动脉冲变压器G1K1G4K4G3K3G6K6G5K5G2K2起动运行停止缺相故障过流故障三相不平衡故障超时故障外部故障起动/旁路故障故障停止状态输入复位安装为了调试、检修方方便，将软起动装置置前面板设计计成可开合式式的，控制板安装装在前面板背背面，如下图图所示：将控制板固定在前前面板的背面面，控制板元元器件面朝装装置壳体。指指示灯、数码码管和按键安安装在元器件件面的反面，直直接与前面板板的开孔吻合合。该安装方方式的优点是是打开前面板板就可以直接接观察到控制制板和装置内内的晶闸管，调调试、检修方