低压电动机软起动装置控制器设计方案.doc

1、1低压电动机软起动装置控制器设计方案1 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。2 组成框图3 功能模块控制器按功能可以分为四个模块，分别分析如下：3.1 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。3.1.1 斜坡电压起动a. 检测到起动信号，且旁

2、路接触器断开，参数限流倍数设置为 0；b. 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；c. 按设定的起动时间，逐步移动触发角度，增大电机电压；d. 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，电 网 晶闸管 电动机电流信号电源电压同步触发脉冲数码管、键盘外部信号状态、故障指示旁路接触器控制板2使旁路接触器闭合；e. 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。3.1.2 恒流起动a. 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；b. 由设定的起始电压计算

3、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；c. 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；d. 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；e. 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；f. 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。3.1.3 硬停止a. 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；b. 不发触发信号，晶闸管全部关断；Ut起始电压起动完成全压起始

4、电压起动完成Ut全压限流阶段3c. 熄“运行”指示灯，闪亮“停止”指示灯； d. 起动完成触点断开，使旁路接触器断开；e. 检测到旁路接触器断开后，亮“停止”指示灯，停止完成。3.1.4 软停止a. 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；b. 按触发角度 0 度发出触发脉冲，晶闸管全部开通；c. 熄“运行”指示灯，闪亮“停止”指示灯； d. 起动完成触点断开，使旁路接触器断开；e. 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；f. 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。3.

5、2 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。3.2.1 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。3.2.2 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，即发出故全压停止完成停止开始 tUU 全压停止 t4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1.21.4Ie1.41.6Ie1.6-1.8Ie1.82.0Ie2.22.4Ie2.42.6Ie2.62.8Ie2.83.0Ie3.23.4Ie3.43.6

6、Ie3.63.8Ie3.84.0Ie4Ie持续时间20s 19s 18s 17s 15s 13s 11s 9s 7s 5s 3s 1s 0.5s电流达到相应的持续时间后，即发出故障信号。3.2.3 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。3.2.4 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

7、信号。3.2.5 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。3.3 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。3.4 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。4 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5供电

8、电源 2 380V:18V/2A 变压器输入晶闸管触发脉冲 12 六路，不分相序电机电流信号 6 主回路三相电流互感器输出软起动/软停止开始信号 3 短接有效；1 个公共点起动完成触点 2 常开触点，完成时闭合；触点容量 AC 250V/10A旁路状态输入 2 短接表示旁路闭合外部故障输入 2 短接有效故障输出触点 3 常开、常闭各一个，1 个公共点；触电容量 AC 250V/10A故障复位 2 短接有效合计：34 个接点5 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。5.1 状态指示停止（红色，常亮表示电机断电停机，

9、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） 。5.2 故障指示缺相、过流、三相不平衡、超时、外部故障，全部为红色。5.3 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。5.4 按键共 6 个，分为上、下、左、右、确定、取消，输入参数用。6 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。6.1 正常模式6a位 开机b位 初始化完成，进入待机状态，显示电机电流c位 按“

10、确定”进入参数设置d位 按“上” 、 “下”选择需要修改参数e位 按“确定”进入修改，可修改位闪烁f位 按“左” 、 “右”选择位g位 按“上” 、 “下”修改数值h位 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i位 重复 4.8.，直至完成修改j位 按“取消”返回待机状态，显示电机电流k位 正常工作时实时显示电机电流6.2 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。a. 开

11、机7b. 初始化完成，进入待机状态，显示电机电流c. 按“取消”进入调试模式d. 按“上” 、 “下”选择调试方式（1 为自动/2 为手动）e. 按“确定”开始调试过程，显示触发角度f. 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g. 按“取消”退出调试过程h. 重复 4.7.，直至完成调试i. 按“取消”返回待机状态，显示电机电流6.3 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 7.3.3 节。7 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。7.

12、1 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。7.2 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。87.3 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。7.3.1 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。7.3.2 电路设计（1）输入输出接口的隔离输入输出接口除“起

13、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旁路接触器控制信号误动起动过程中，接触器提前闭合，电动机电流上升；停止过程中，接触器闭合，电动机重新运行；运行过程中，接触器断开，电动机硬停止。严重 很小 无电磁干扰单片机分两路分别发出接触器控制信号，两路信号相同才能控制接触器；控制信

14、号加滤波，防止尖峰干扰；运行过程中，由“运行”指示灯信号锁定接触器状态，确保运行过程中电动机不断电。2晶闸管触发脉冲丢失偶尔丢失，电动机三相轻微、短暂不平衡轻微 小 无电磁干扰无9长期丢失，电动机三相严重不平衡严重 极小六路触发脉冲指示灯硬件损坏控制板检测到三相不平衡故障，进行保护动作，发出故障信号。很小电磁干扰参数分开备份存储，通过比较上下限自检纠错。3存储的控制参数错误控制过程不正确中等极小控制板上电自检 硬件损坏控制板检测到电动机故障，进行保护动作，发出故障信号。很小电磁干扰硬件看门狗，程序跑飞后将单片机复位。4控制程序跑飞控制板失效，电动机突然断电严重极小无硬件损坏无5电流信号采集故障

15、限流起动时，电动机加全压或过流保护；运行时，发生缺相或过流保护中等 极小电流显示保持为 0或999硬件损坏对电流信号采集电路进行限幅保护；控制板检测到故障，进行保护动作，发出故障信号。6故障输出误动外接的故障处理设备动作中等 很小 无电磁干扰单片机信号与故障指示灯信号两路同时控制输出；控制信号加滤波，防止尖峰干扰。7外部故障输入误动控制板进行保护动作，发出故障信号中等 很小 无电磁干扰输入信号加滤波，防止尖峰干扰。108故障复位误动起动、停止过程中，电动机突然断电中等 很小 无电磁干扰输入信号加滤波和 0.1 秒延时，防止尖峰干扰；9指示灯、按键故障指示灯、数码管无显示，按键无效轻微 极小无显

16、示硬件损坏无显示Erro电源过载电压检测芯片，电压低于4.6V 时单片机转入保护动作，等待手动停止（硬/软停止） 。10 控制板掉电 电动机硬停止 严重 极小无硬件损坏无7.3.3 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