CN102315806B - 直流电机平滑软启动装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直流电机平滑软启动装置，包括由基于IGBT的主回路和基于单片机和液晶显示的控制装置；霍尔电流电压检测单元对直流电机进行电枢电流、电枢电压和励磁电流实时采样，并将检测的运行参数送入中央处理单元，中央处理器将运行参数传给显示记录单元进行显示，温度检测单元取得IGBT模块的温度值并送入中央处理单元。本发明通过IGBT驱动单元输出PWM控制量驱动IGBT模块，从而控制直流电机的电枢绕组电流的大小，实现直流电机的无触点无级升电流启动。完全可以解决传统直流电机控制系统的弊病，能实现直流电机的平滑无级启动，保证启动和运行电流始终在电机的额定电流以下，对直流系统和直流电机无任何冲击。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子控制技术领域，更具体地说，涉及一种直流电机平滑软启动装置。
背景技术
直流电机启动时最显著的特点是启动电流大，最大冲击电流甚至可达到额定电流的15-20倍，将使直流系统受到巨大的电流冲击，将使电机受到机械冲击，损坏电机。
为了避免直流电机启动时巨大的电流冲击，目前火力发电厂中应用最广泛的启动方式是电枢回路串接电阻启动，该启动方式启动时在直流电机电枢回路中串入启动电阻，当电机启动时通过电阻降压来限制电机的启动电流。启动电阻为一个三个电阻串接的可变电阻，在启动过程中，开始启动时，电枢回路接入电源，串入全部电阻，以尽量降低启动电流，随后以固定时间及时逐级短接三个电阻。在电机的电流或者转速达到期望值时，通过直流接触器将电阻旁路，电阻不再起任何作用，直流电机通过旁路电路正常工作。这种启动方式的应用在电力生产中非常普遍，其暴露出的缺陷及隐患也是非常多的，大致有如下几项：
1、它不能彻底解决直流电机启动过程中冲击电流大的问题，启动过程中直流电机的启动电流依旧大于其额定电流数倍，仍有可能因启动电流过大而引起电机加速损坏；
2、控制原理落后，方式复杂，环节过多，故障率极高，维护工作量很大。这种启动方式需由几个大容量的直流接触器和中间继电器、时间继电器组成，由于元件较多，故障率极高，柜体内非常拥挤，检修维护极不方便；
3、启动过程中，任何一级电阻不切换，即可导致直流电机不能正常运行，电阻发热严重，电机过载；
4、启动过程中，启动电流仍旧较大，使蓄电池受到电流冲击，输出电压降低，如果有任何一级电阻不切换，则会恶化蓄电池的运行工况，对电气二次回路的正常工作造成威胁，比如事故情况下有关开关拒跳，使事故扩大；
5、在停泵过程中，直流电机的反电动势，通过直流接触器断开时的弧光瞬时加入直流系统，导致直流系统电压大幅波动，严重时电压波动幅度大于100V，对电气二次回路的正常工作造成极大威胁，如现场运行中的开关无故偷跳的现象，就是由此引起；
6、为了应对直流电机启动时的超高电流，直流电源系统不得不加大容量，使设备投资加大。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种直流电机平滑软启动装置，以至少解决上述技术问题之一。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种直流电机平滑软启动装置，包括由基于IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)的主回路和基于单片机和液晶显示的控制装置；
所述主回路包括直流断路器、滤波单元、霍尔电流电压检测单元、IGBT驱动单元、电机启动单元和温度检测单元，所述控制装置包括中央处理单元、显示记录单元和本地操作单元，所述直流断路器将直流电源经由所述滤波单元引入平滑软启动装置；
所述本地操作单元和所述中央处理单元相连，所述中央处理单元和所述IGBT驱动单元相连，所述IGBT驱动单元与所述电机启动单元相连，所述中央处理单元接收所述本地操作单元发送的操作指令，所述霍尔电流电压检测单元对直流电机进行电枢电流、电枢电压和励磁电流实时采样，并将检测的运行参数送入所述中央处理单元，所述中央处理器将运行参数传给所述显示记录单元进行显示，所述温度检测单元通过其温度传感器取得IGBT模块的散热器的温度值并送入中央处理单元。
优选的，上述直流电机平滑软启动装置中，直流电机的电枢回路上分别连接有霍尔电流检测单元和霍尔电压检测单元；
直流电机的励磁回路上连接有霍尔电流检测单元。
优选的，上述直流电机平滑软启动装置中，还包括报警单元，当所述中央处理单元采集主回路中霍尔电流检测单元和霍尔电压检测单元送来的直流电机的电枢电流、电枢电压超过预设的报警定值时，控制所述报警单元报警。
优选的，上述直流电机平滑软启动装置中，当所述中央处理单元采集主回路中励磁检测单元送来的励磁回路电流，当励磁回路电流低于预设的报警定值时，并通过IGBT驱动单元控制电机停机。
优选的，上述直流电机平滑软启动装置中，当所述中央处理单元采集主回路中温度检测单元送来的监测量超过预设的温度定值时，控制所述报警单元报警。
优选的，上述直流电机平滑软启动装置中，所述显示记录单元具体包括LCD液晶显示器、LED发光二极管和数据存储单元，所述LCD液晶显示器显示直流电机的各种运行参数和信息，所述LED发光二极管显示直流电机的各种工作状态，所述数据存储单元存储各种运行参数。
优选的，上述直流电机平滑软启动装置中，还包括远方操作单元和通讯单元，所述远方操作单元与中央处理单元通过光电耦合隔离器和所述通讯单元双向通信。
从上述的技术方案可以看出，本发明当接收到启动或停止命令时，IGBT驱动单元输出PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)控制量驱动IGBT模块，从而控制直流电机的电枢绕组电流的大小，实现直流电机的无触点无级升电流启动。完全可以解决传统直流电机控制系统的弊病，能实现直流电机的平滑无级启动，保证启动和运行电流始终在电机的额定电流以下，对直流系统和直流电机无任何冲击，并能在运行中更可靠地监测电机的各种关键参数，可以按理想电机的控制模式来监控电机的运行，大大提高了直流电机运行的可靠性和直流电源系统的稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的直流电机平滑软启动装置的原理框图；
图2为本发明实施例提供的IGBT驱动单元的原理框图；
图3为本发明实施例提供的显示记录单元的原理框图；
图4为本发明实施例提供的通讯单元的原理框图；
图5为本发明实施例提供的远方操作单元的原理框图。
具体实施方式
本发明公开了一种直流电机平滑软启动装置，以降低直流电机的启动电流冲击。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图1为本发明实施例提供的直流电机平滑软启动装置的原理框图。
本发明提供的直流电机平滑软启动装置，包括由基于IGBT的主回路和基于单片机和液晶显示的控制装置。其中，主回路包括直流断路器、滤波单元、霍尔电流电压检测单元、IGBT驱动单元、电机启动单元和温度检测单元。控制装置包括中央处理单元、显示记录单元和本地操作单元，直流断路器将直流电源经由滤波单元引入本发明的平滑软启动装置中。
滤波单元的作用有两点，一是使直流电源的波形平稳，使电机工作时对直流系统的干扰尽量减小，二是使IGBT驱动单元工作时能得到快速补充的直流电能，从而抑制IGBT模块在大电流开关时产生的纹波干扰，也使IGBT模块能工作在更可靠、安全的工作状态。然后，直流电源经过电机启动单元后送到直流电机的电枢绕组，达到随意控制直流电机电枢绕组工作电流的目的。
本地操作单元和中央处理单元相连，中央处理单元和IGBT驱动单元相连，IGBT驱动单元与电机启动单元相连，中央处理单元接收本地操作单元发送的操作指令，所述霍尔电流电压检测单元对直流电机进行电枢电流、电枢电压和励磁电流实时采样，并将检测的运行参数(电枢电流、电枢电压和励磁电流)送入所述中央处理单元，所述中央处理器将运行参数传给所述显示记录单元进行显示，所述温度检测单元通过其温度传感器取得IGBT模块的散热器的温度值并送入中央处理单元。
霍尔电流电压检测单元具体包括霍尔电流检测单元、霍尔电压检测单元和励磁检测单元(励磁检测单元也为霍尔电流检测单元)，霍尔电流检测单元和霍尔电压检测单元分别连接在直流电机的电枢回路上，励磁检测单元连接在直流电机的励磁回路上。霍尔电流检测单元、霍尔电压检测单元和励磁检测单元分别用于检测直流电机的电枢电流、电枢电压和励磁电流。
励磁检测单元通过穿在电机励磁回路中的霍尔电流传感器取得励磁绕组电流，送入中央处理单元进行运算、判断，实时监测电机的励磁回路状态。
温度检测单元通过高精度温度传感器取得IGBT模块散热器的温度值送入中央处理单元运算并与温度定值比较，达到实时监测IGBT模块工作温度的目的。
电机启动单元由IGBT模块通过脉宽调制来驱动，其中IGBT模块工作所需要的驱动信号由IGBT驱动单元产生送来，IGBT驱动单元的控制信号由中央处理器产生。
综上所述，本发明能实现直流电机的平滑无级启动，保证启动和运行电流始终在电机的额定电流以下，对直流和直流电机无任何冲击，充分保证了直流系统和直流电机的安全可靠。同时还降低了对直流电源容量的要求，可节省直流系统的投资。而传统的设备只能实现一级或三级阶梯启动，启动电流远远超过了电机的额定电流，对直流系统和直流电机冲击巨大，严重影响直流系统和直流电机的安全。
本发明还包括报警单元，首先在上位机的输入平台上分别设置直流电机的电枢电流、电枢电压和励磁电流所对应的报警定值。当中央处理单元采集主回路中霍尔电流检测单元和霍尔电压检测单元送来的直流电机的电枢电流、电枢电压超过预设的报警定值时，控制所述报警单元报警并根据当前运行状态通过IGBT驱动单元对电机做出相应的控制动作，如继续运行或停机等。
中央处理单元通过实时采集主回路中霍尔电流传感器送来的励磁回路电流来实时监测励磁回路的完好性，确保电机在励磁回路故障的情况下由IGBT驱动单元控制电机停机，避免造成电机失磁飞车的故障。如当所述中央处理单元采集主回路中励磁检测单元送来的励磁回路电流，当励磁回路电流低于预设的励磁电流定值时，则通过IGBT驱动单元控制电机停机。
中央处理单元实时采集主回路中IGBT模块的温度传感器监测量并与温度定值比较，超限后通过报警单元报警并将报警信号以开关量和数据通讯形式上传至上位机。
本发明全面监控电机控制系统的各种关键参数，如电枢电压、电枢电流、励磁电流、系统温度等。电枢电压、电枢电流、励磁电流通过主回路中的霍尔电流电压传感器来采集到相应的参数量送入中央处理单元实时运算处理。系统温度通过主回路中的高精度温度传感器采集到温度值送入中央处理单元来实时运算处理。对电机的保护报警功能完备，确保电机工作在理想状态，严防电机的非正常运行。如励磁回路故障启动保护、运行中电枢和励磁回路故障电机保护、过流过压报警，超温报警等。
请参阅图2，图2为本发明实施例提供的IGBT驱动单元的原理框图。
IGBT驱动单元由中央处理单元根据需要产生PWM波形，经由光电耦合隔离和信号调理放大，得到适合IGBT模块需要的驱动脉冲，来控制IGBT模块的工作，从而达到调整直流电机工作电流的目的。
本发明当接收到启动或停止命令时，IGBT驱动单元输出PWM控制量驱动IGBT模块，从而控制直流电机的电枢绕组电流的大小，实现直流电机的无触点无级升电流启动。完全可以解决传统直流电机控制系统的弊病，能实现直流电机的平滑无级启动，保证启动和运行电流始终在电机的额定电流以下，对直流系统和直流电机无任何冲击，并能在运行中更可靠地监测电机的各种关键参数，可以按理想电机的控制模式来监控电机的运行，大大提高了直流电机运行的可靠性和直流电源系统的稳定性。
请参阅图3，图3为本发明实施例提供的显示记录单元的原理框图。
显示记录单元具体包括LCD液晶显示器、LED发光二极管和数据存储单元。由中央处理单元采集和运算到的各种信息(运行参数，如电枢电流、电枢电压和励磁电流)经由数据线输送到LCD液晶显示器显示各种参数和信息，并控制LED发光二极管显示各种工作状态(如停止和运行等工作状态)，同时送数据存储单元存储各种参数和记录，保证掉电不丢失。
请参阅图4，图4为本发明实施例提供的通讯单元的原理框图。
通讯单元由中央处理单元经由光电耦合隔离和通讯芯片与上位机产生通讯联系。
请参阅图5，图5为本发明实施例提供的远方操作单元的原理框图。
远方操作单元通过光电耦合隔离器和中央处理单元通信，将操作命令送至中央处理单元。远方操作单元接收由上位机来的各种控制命令，经由光电耦合隔离传送到中央处理单元，从而根据远方命令做出相应动作。
本发明可以实现复杂的设备控制、参数设定、故障存储、即时通讯等功能，比如电机的启动时间设定、电机的启动初始电流设定、电机的各种参数报警定值设定等，而传统装置只能实现单一的启动功能。
综上所述，本发明装置完全可以解决传统直流电机控制系统的弊病，并能在运行中更可靠地监测电机的各种关键参数，可以按理想电机的控制模式来监控电机的运行，大大提高了直流电机运行的可靠性和直流电源系统的稳定性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (1)
1.一种直流电机平滑软启动装置，其特征在于，包括由基于IGBT的主回路和基于单片机和液晶显示的控制装置；
所述主回路包括直流断路器、滤波单元、霍尔电流电压检测单元、IGBT驱动单元、电机启动单元和温度检测单元，所述控制装置包括中央处理单元、显示记录单元和本地操作单元，所述直流断路器将直流电源经由所述滤波单元引入平滑软启动装置；
所述本地操作单元和所述中央处理单元相连，所述中央处理单元和所述IGBT驱动单元相连，所述IGBT驱动单元与所述电机启动单元相连，所述中央处理单元接收所述本地操作单元发送的操作指令，所述霍尔电流电压检测单元对直流电机进行电枢电流、电枢电压和励磁电流实时采样，并将检测的运行参数送入所述中央处理单元，所述中央处理器将运行参数传给所述显示记录单元进行显示，所述温度检测单元通过其温度传感器取得IGBT模块的散热器的温度值并送入中央处理单元；
所述霍尔电流电压检测单元具体包括霍尔电流检测单元、霍尔电压检测单元和励磁检测单元，霍尔电流检测单元和霍尔电压检测单元分别连接在直流电机的电枢回路上，励磁检测单元连接在直流电机的励磁回路上，霍尔电流检测单元、霍尔电压检测单元和励磁检测单元分别用于检测直流电机的电枢电流、电枢电压和励磁电流；
所述励磁检测单元通过串在电机励磁回路中的霍尔电流传感器取得励磁绕组电流，送入中央处理单元进行运算、判断，实时监测电机的励磁回路状态；
所述温度检测单元通过高精度温度传感器取得IGBT模块散热器的温度值送入中央处理单元运算并与温度定值比较，达到实时监测IGBT模块工作温度的目的；
所述电机启动单元由IGBT模块通过脉宽调制来驱动，其中IGBT模块工作所需要的驱动信号由IGBT驱动单元产生送来，IGBT驱动单元的控制信号由中央处理器产生；
所述IGBT驱动单元由所述中央处理单元根据需要产生PWM波形，经由光电耦合隔离和信号调理放大，得到适合所述IGBT模块需要的驱动脉冲，来控制所述IGBT模块的工作，从而达到调整直流电机工作电流的目的；
当接收到启动或停止命令时，所述IGBT驱动单元输出PWM控制量驱动所述IGBT模块，从而控制所述直流电机的电枢绕组电流的大小，实现所述直流电机的无触点无级升电流启动；当所述中央处理单元采集主回路中励磁检测单元送来的励磁回路电流，当励磁回路电流低于预设的励磁电流定值时，并通过IGBT驱动单元控制电机停机；
所述直流电机平滑软启动装置还包括报警单元，首先在上位机的输入平台上分别设置直流电机的电枢电流、电枢电压和励磁电流所对应的报警定值；当中央处理单元采集主回路中霍尔电流检测单元和霍尔电压检测单元送来的直流电机的电枢电流、电枢电压超过预设的报警定 值时，控制所述报警单元报警并根据当前运行状态通过IGBT驱动单元对电机做出相应的控制动作；
所述中央处理单元通过实时采集主回路中霍尔电流传感器送来的励磁回路电流来实时监测励磁回路的完好性，确保电机在励磁回路故障的情况下由IGBT驱动单元控制电机停机，避免造成电机失磁飞车的故障；当所述中央处理单元采集主回路中励磁检测单元送来的励磁回路电流，当励磁回路电流低于预设的励磁电流定值时，则通过IGBT驱动单元控制电机停机；
所述中央处理单元实时采集主回路中IGBT模块的温度传感器监测量并与温度定值比较，超限后通过报警单元报警并将报警信号以开关量和数据通讯形式上传至上位机；
当所述中央处理单元采集主回路中温度检测单元送来的监测量超过预设的温度定值时，控制所述报警单元报警；
所述显示记录单元具体包括LCD液晶显示器、LED发光二极管和数据存储单元，所述LCD液晶显示器显示直流电机的各种运行参数和信息，所述LED发光二极管显示直流电机的各种工作状态，所述数据存储单元存储各种运行参数；
所述直流电机平滑软启动装置还包括远方操作单元和通讯单元，所述远方操作单元通过光电耦合隔离器和中央处理单元通信，将操作命令送至中央处理单元，所述通讯单元通过光电耦合隔离器与中央处理单元双向通信。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20140402 |