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     本文设计了一种带冗余电源的低压电机再启动控制系统,给出“晃电”测量原理和再起动控制系统的硬件电路。采用电压变换器和开关电源对电网电压进行检测。控制器采用PIC876A单片机。

     实验数据和现场使用表明,该控制器能很好的检测“晃电”现象,并对“晃电”次数进行累加,“晃电”过后实现低压电机延时再启动,解决用电设备启动电流对电网的冲击。

    电网由于雷击、短路、发电厂故障等内外部原因,造成电压大幅波动,甚至停电数秒钟的现象时有发生,此现象俗称“晃电”。“晃电”现象发生时,用接触器控制供电的及其它设备会自动停车。即使立即来电,电机也不会继续工作,需要人工重新启动电气设备。这不仅浪费时间还造成工艺连续工作过程的中断,轻者大量物料排空报废,重者引起设备损坏、爆炸、火灾等事故,造成巨大损失。

    “晃电”具有不可预见性,常给人一种很难控制的感觉。为了降低“晃电”所造成的损失和危险,人们通过分析“晃电”现象,设计了多种处理“晃电”的措施[1]。如蓄电池方案、电容器方案、采用时间继电器方案等。这些方案都需要对原有控制线路进行改造,接线复杂、可靠性低。

本文分析了“晃电”的特点及危害,设计了基于的低压电机再启动控制器。当检测到系统电压波动并确认由此造成电机停机时,则在电压恢复正常后,根据电机原运行状态以及再启动控制器参数的设定值,使电机重新投入运行。

    若在设定的最大“晃电”时间内,主回路供电电源没有恢复到正常值,再启动控制器给投入冗余电源。该系统具有可靠性高、体积小、安装方便、接线简单等特点,可直接安装于现场低压开关柜内。产品易于维护、投资少,可广泛应用于石油、化工、冶金等需要电机连续工作的重要场合,完成由于“晃电”造成的低压电机的再启动或主电源和冗余电源间的自动切换。

      系统组成

       低压电机再启动控制器由电压转换电路、测量电路、模数转换电路和单片机PIC16F876及相应外围电路等构成,如图1所示。

图1 晃电检测与再启动控制器系统原理图

      1 “晃电”检测

      所谓 “晃电”是指超过两个周波(40ms)的低电压状态(小于接触器线圈的吸合电压)甚至零电压状态。系统中选取三相电压中的一相电压来检测。相电压(采样电压)经过变压器变压输出V3A-V4A、V3B-V4B(热备电源),V3A-V4A经稳压模块稳压输出12V直流电压,12V直流电压经分压器分压后连接到MCU的模拟信号输入端,进行“晃电”检测,图2为系统的电源部分原理图。

                                                                                                                            图2 系统电源部分原理图

      另外低压电机再启动控制器要检测电机的运行状态,只有在电机运行的情况下出现“晃电”,造成电机停机时,再启动控制器才按照设置好的启动时间启动电机。系统通过检测电机运行接触器辅助触点的状态来确定电机的运行状态。

    另外“晃电”再启动控制器必须能够在系统供电出现低电压或者供电中断时维持正常连续工作,才能够在电压恢复后按设定的参数精确再启动。因此控制器的供电电压必须稳定且低功耗。

     由于线性稳压器件(三端稳压器)工作中的“热损失”大,因此系统中选用功耗极低的LM2576开关稳压电源模块为MCU提供电源,图1中的Vdd是MCU的供电电源。该模块的使用,一方面保证在允许的最大“晃电”时间内,再启动控制系统正常连续工作,另一方面由于开关稳压电源不需要加装散热片,大大减少了PCB板的面积。

      2 时钟电路

    当检测到“晃电”发生以及再启动过程中,系统需要判断“晃电”持续的时间,以便确定是否是“晃电”。另外为了防止“晃电”过后多台低压电机同时启动所造成的冲击电流对电网的影响,为同一网络下控制不同电机的再启动控制器设置不同的启动时间。时钟电路为系统提供必要的时间参考。系统中采用PCF8563时钟芯片。

    PCF8563是工业级低功耗、多功能时钟/日历芯片,具有多种报警功能、定时器功能、时钟输出功能以及中断输出功能等。内部时钟电路、内部振荡电路、内部低电压检测电路以及两线制I2C总线通讯方式,使外围电路简单、系统可靠性高。

      3 PIC16F876单片机

      PIC16F876单片机是Microchip公司推出的低功耗单片机,内部集成有FLASH程序存储器、10位ADC,256字节的E2PROM,上电复位电路、WDT、USART等,支持外部参考电压源,宽电压,低功耗,工作温度可满足工业级应用要求。

    基于PIC16F876上述特点,系统设计中采用该单片机的SOIC封装芯片作为控制器。I/O口线分别连接2路模拟输入电压DC1和DC2(监测电压1和电压2)、2路开关量输入ME1和ME2(电机运行状态检测)、4路输出RELAY1-4(再启动控制继电器)以及时钟模块和系统四位设定按键BP1-4。图3为MCU接口电路原理图。

图3 MCU连接的电路

        4 显示电路

     低压电机再启动控制器系统的显示部分采用MAX7219芯片实现。MAX7219是一种高度集成化的串行输入/并行输出共阴极显示驱动器,实现微处理器与7段码LED显示器的接口。芯片上有BCD码译码器,多位扫描电路,段驱动器,位驱动器,用于存放显示数据的8×8位静态RAM。只需外接一个电阻就可为所有LED提供段电流。

   MAX7219与MCU的连接口线为DIN、LOAD和CLK。系统具有四位数码显示,一个发光二级管。发光二级管显示电源1和电源2的工作状态。四位数码管分别显示控制器的设定值:最低“晃电”电压、最低启动电压、电网电压恢复正常时控制器延时启动时间、最大允许“晃电”时间和电源1、电源2的电压值、以及“晃电”发生的时间和累计“晃电”出现的次数等。

      结论

    针对“晃电”的特点设计了基于冗余电源的低压电机再起动控制系统。系统实时监测电网电压和电机的运行状态。实现低压电机启动和冗余电源的切换。“晃电”允许时间在0-999秒范围内自由设定;再启动控制器的延时时间在0-29.9秒自由设定;电网电压的低电压可在100-299V范围内设定;恢复电压可在100-299V范围内设定。系统已成功地应用于莱钢高炉冷却水加压水泵。系统运行两年来工作稳定、精度高、可靠性好。



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