0 引言

對于電動機的起動過程，為了避免定子回路的大電流沖擊，設(shè)計有兩種起動方法。方法一通過設(shè)置在操作面板上的起動電位器，人工控制起動過程的快慢。方法二，通過單片機控制器將給定轉(zhuǎn)速按一定的函數(shù)關(guān)系緩慢地增大，即相當于增加一個轉(zhuǎn)速給定函數(shù)發(fā)生器。在交流感應電動機的定子鐵心中，沿空間均勻分布三相繞組，各繞組軸相互錯開120O把定子三相繞組依次接到三相電源時產(chǎn)生一個磁場，其幅值所在的磁軸相繼與各繞組軸重疊。

也就是說，三相繞組聯(lián)合產(chǎn)生一個在空間不斷移動的磁場。當三相繞組流過三相正弦電流時，則將產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場。如果轉(zhuǎn)子以低于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動， 那么在轉(zhuǎn)子繞組和旋轉(zhuǎn)磁場之間出現(xiàn)相對運動，而在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生感應電壓引起電流。而感應電流在磁場下又產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。

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1.感應電動機的調(diào)速方式

1.1 感應電動機調(diào)壓調(diào)速

當主電源為恒壓恒頻三相交流電網(wǎng)CVCF，M為感應電動機，中間為交流斬波調(diào)壓器時，就構(gòu)成了感應電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)。交流斬波器的輸出是變壓恒頻交流VVCF，即f1=fa，U1≤Ua，感應電動機的電磁轉(zhuǎn)矩Te，最大電磁轉(zhuǎn)矩Tem及其對應的臨界轉(zhuǎn)差率sm分別為：

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由于調(diào)壓調(diào)速屬于能耗轉(zhuǎn)差調(diào)動，低速運行時電動機轉(zhuǎn)子的損耗大，轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴重，故不適用于長期低速運行。對于只有短時低速運行的起重機械升降機等恒轉(zhuǎn)矩負載和風機泵類等通風機械的負載都可采用。

輕載時如果把電動機的端電壓降低，就能大大減小勵磁電流，提高功率因數(shù)和減少電動機空載損耗，這就是國外發(fā)展起來的所謂NOLA節(jié)能器，即功率因數(shù)節(jié)能器的基本原理。

1.2 變極調(diào)速

采用雙速(或三速)變極籠型電動機經(jīng)接觸器換接定子繞組，可得到與極對數(shù)對應的二擋(或三擋)同步速度。這種設(shè)備控制簡單、運行可靠、費用也低，但調(diào)速是有級的且范圍有限，一般只用于對特性要求較低的場所。

2.單片機控制的交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)

MCS-98單片機實現(xiàn)數(shù)字觸發(fā)、數(shù)字測速、數(shù)字調(diào)節(jié)的任務。

2.1 基于MCS-98單片機控制器

電動機的轉(zhuǎn)矩和功率變換是建立在定子和轉(zhuǎn)子跨越氣隙相互施加推力的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生推力的原因是繞組中的電流與氣隙中的磁場之間相互作用。本文主要介紹了采用高性能的Intel 8098單片機作為控制核心的感應電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)，其性能和調(diào)速效果良好。該控制器主要由MCS-98單片機最小系統(tǒng)及鍵盤顯示部分、測速部分組成。主要的功能是：

數(shù)字調(diào)節(jié)控制算法運算，觸發(fā)脈沖的形成，實際轉(zhuǎn)速、電流、電壓檢測及顯示，轉(zhuǎn)速的數(shù)字量或模擬量給定、轉(zhuǎn)速環(huán)控制參數(shù)設(shè)置，電源、運行狀態(tài)、故障報警信號指示等。

2.2 轉(zhuǎn)速檢測電路及測速原理

選用E6C-CWZ5C測速器，與交流電動機同軸連接，每轉(zhuǎn)輸出脈沖數(shù)P=1000，實現(xiàn)數(shù)字測速。

測速電路使用1個定時器、2個計數(shù)器，實現(xiàn)M/T測速法。在定時器設(shè)定的時間Td內(nèi)，1個計數(shù)器對固定的頻率信號進行計數(shù);另1個計數(shù)器對測速器輸出脈沖進行計數(shù)，從而通過計算獲得實際轉(zhuǎn)速值。定時器由8098單片機軟件定時完成，2個計數(shù)器由外擴的8253計數(shù)/定時器芯片的0通道、1通道完成。計數(shù)器的啟、停通過外擴的8155接口芯片C口Pc.6、Pc.7來控制。

2.3 電流、電壓檢測電路

用電流互感器、降壓隔離變壓器來完成電流、電壓信號的獲取，經(jīng)橋式整流穩(wěn)壓后獲得直流電壓，可直接送入MCS-98單片機的A/D轉(zhuǎn)換通道ACH4、ACH5。轉(zhuǎn)換時間為22μs，分辨率為10位。

2.4 起、制動過程

從單片機向主單片機獲取指令的通信過程如下：從機先向主機發(fā)出正跳變中斷信號，主機的HIS.0接收并響應中斷，在中斷服務程序中向該8255的PA輸出數(shù)據(jù)，從機檢測到OBF有效時，則產(chǎn)生ACK信號從PA讀出數(shù)據(jù)，隨之OBF信號變成無效，主機又可向PA輸出數(shù)據(jù)。如此繼續(xù)，直到全部數(shù)據(jù)通信完畢。值得強調(diào)的是PA為雙向總線方式，因主從單片機之間交換數(shù)據(jù)的能力較強，另外PB仍可作為主單片機的I/O，故該通信接口既擴展了主單片機的外圍接口，又實現(xiàn)了雙向通信，大大提高了通信速度，使通信時間不影響從單片機實時脈寬調(diào)制。全面而可靠的保護功能由主電路模塊實現(xiàn)，尤其逆變器開關(guān)元件的安全工作，是系統(tǒng)可靠運行的主要保證。變頻器保護除上述的欠電壓、過電壓、過載保護外，還需設(shè)計下述保護功能：

①輸出短路保護，由于變頻器使用不慎引起輸出相間短路故障;②過流保護，電動機堵轉(zhuǎn)或負載過大超出允許的時限保護;③快熔保護，快速熔斷器作為后級保護元件，參與對變頻器元件的保護;④接地故障保護，對變頻器輸入接地故障或變頻器輸出接地故障進行保護;⑤過熱保護，保證變頻器開關(guān)元件工作于安全的溫度范圍內(nèi)，避免元件過熱損壞;⑥外部故障保護，保證變頻器外部相關(guān)設(shè)備的安全使用。出現(xiàn)上述故障時，軟件或保護電路產(chǎn)生故障中斷信號，一方面立即封鎖調(diào)制脈沖，快速關(guān)斷所有開關(guān)元件，另一方面對主從單片機申請最高級別的外部中斷。主單片機響應中斷后，首先通過接口電路查詢故障信息，隨后轉(zhuǎn)入系統(tǒng)保護程序塊，即分斷有關(guān)接觸器。系統(tǒng)有關(guān)狀態(tài)設(shè)置，顯示故障類型，從單片機響應中斷后也進行有關(guān)處理工作。

3.單片機控制的串級調(diào)速系統(tǒng)

用單片微型計算機控制的串級調(diào)速系統(tǒng)，由主電路、單片機8031及接口電路等部分組成。下面主要介紹單片機和接口電路的組成及其工作原理。由該繼電器觸點控制有關(guān)接觸器的通、斷電，實現(xiàn)系統(tǒng)主電路從串級調(diào)速運行狀態(tài)到異步電動機自然接線運行狀態(tài)的切換。

系統(tǒng)所用的單片機是MCS-98系列中的8098。并擴展了I/O接口8155、程序存儲器2716。單片機8098中的P0口及P2口用于片外擴展的程序存儲器及I/O口的數(shù)據(jù)/地址總線。P1口用來接收故障檢測輸入信號。

P3.4、P3.5與升、降速按鈕SBl、SB2相接。8098內(nèi)設(shè)轉(zhuǎn)速計數(shù)器，在運行中查詢P3.4、P3.5，得到觸發(fā)器移相控制電壓，再配合程序軟件實現(xiàn)升、降速。