一種新型的異步電動機(jī)軟起動器

提出一種以AT89C51單片機(jī)為控制核心的新型異步電動機(jī)軟起動系統(tǒng)，給出了單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)、控制軟件框圖及其實(shí)現(xiàn)方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效地降低起動電流，且起動過程平穩(wěn)，無沖擊和振蕩?？蓪?shí)現(xiàn)電動機(jī)的軟停車、輕載節(jié)能及保護(hù)功能。
關(guān)鍵詞： 異步電動機(jī)； 軟起動器； 單片機(jī)； 晶閘管

近年來，隨著電力電子技術(shù)和計算機(jī)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，國內(nèi)外都十分重視三相異步電動機(jī)軟起動器的研究和開發(fā)。軟起動控制旨在降壓以限制電機(jī)起動電流，減小起動電流對電網(wǎng)的沖擊。目前電動機(jī)軟起動方式有很多，如液阻軟起動、磁控軟起動、晶閘管軟起動和變頻軟起動等。從起動時間、控制方式的多樣性、節(jié)能效果和價格等多方面綜合比較，以晶閘管軟起動方式最優(yōu)，是當(dāng)前軟起動的主流方式[1-2]。
　本文設(shè)計以AT89C51單片機(jī)為核心的異步電動機(jī)智能軟起動器，該裝置可根據(jù)電動機(jī)負(fù)載的特性來調(diào)整起動過程中的各種參數(shù)，是集電動機(jī)軟起動、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護(hù)功能于一體的電機(jī)控制裝置。
1 硬件系統(tǒng)設(shè)計
異步電動機(jī)智能軟起動器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。本設(shè)計采用AT89C51單片機(jī)作為整個控制系統(tǒng)的核心。零電壓檢測電路用于檢測相電壓的過零點(diǎn);觸發(fā)電路用其作為同步信號;斷相檢測電路用于判斷斷相故障。觸發(fā)電路采用全數(shù)字化移相控制電路，與零電壓檢測電路配合，在單片機(jī)的控制下，產(chǎn)生移相觸發(fā)脈沖來調(diào)節(jié)電機(jī)端電壓；電流檢測電路采用霍爾電流傳感器將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號送入A/D轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)定子電流的檢測，提供軟起動和過載保護(hù)的依據(jù);顯示控制器用來控制LED，用以顯示工作參數(shù)和狀態(tài);鍵盤電路用于輸入系統(tǒng)的參數(shù)和控制單片機(jī)程序的走向。主要電路的設(shè)計說明如下。

1.1 觸發(fā)電路
　觸發(fā)電路如圖2所示。AT89C51的晶振為6 MHz，自動在其30引腳輸出頻率為晶振頻率1/6(即1 MHz)的脈沖。本系統(tǒng)將此脈沖用作外部時鐘源和作為定時脈沖使用。該脈沖經(jīng)過2個CD4013分頻器(每個CD4013接成二分頻器，2個串聯(lián)組成四分頻器)分頻后，輸出頻率為250 kHz的脈沖，此脈沖一方面送入觸發(fā)板的計數(shù)器CD4040作為其時鐘脈沖，另一方面送入單片機(jī)的14引腳（P3.4口）作為計數(shù)器T0的計數(shù)輸入時鐘脈沖，用于定時中斷。

　晶閘管觸發(fā)信號的產(chǎn)生：在每1相都串入光耦TLP521，以A相為例，2個光電耦合器TLP521按圖2所示接入。另一光電耦合器MOC3020的輸出1個腳接主回路A相雙向晶閘管的1個陽極，另一腳接觸發(fā)極。光耦TLP521和MOC3020都起到了控制回路與主回路相隔離的作用。計數(shù)器CD4040是12位計數(shù)器，將其Q5~Q12輸出端與74HC682輸入端P0~P7相連。A相電壓在1個周期有2個過零點(diǎn)，過零時2個光耦內(nèi)部的發(fā)光二極管均不導(dǎo)通，CD4040的RST端為高電平，CD4040清零并開始計數(shù)，計數(shù)頻率由其時鐘端(CLK)輸入脈沖控制(來自四分頻器),由程序傳送給單片機(jī)的P2口1個設(shè)定數(shù)，P2口與74HC682的Q0~Q7端相連。74HC682是數(shù)值比較器，當(dāng)由P0~P7組成的二進(jìn)制數(shù)大于由Q0~Q7組成的二進(jìn)制數(shù)時，其P>Q非端輸出低電平，光耦MOC3020導(dǎo)通，晶閘管的觸發(fā)回路便有觸發(fā)電流通過，雙向晶閘管導(dǎo)通。該觸發(fā)電路沒有采用傳統(tǒng)的觸發(fā)脈沖調(diào)制放大電路，設(shè)計和實(shí)施上更為簡單。
　觸發(fā)角的計算：令計1個數(shù)的時間為t1，則t1=16/(250×103)s，設(shè)觸發(fā)角α占1個周期內(nèi)的時間段為t，則該觸發(fā)角對應(yīng)單片機(jī)P2口的十進(jìn)制數(shù)γ=t/t1。將γ傳送至單片機(jī)P2口，則可控制雙向晶閘管在電源電壓的正、負(fù)半波對應(yīng)α角時被觸發(fā)導(dǎo)通。B、C二相晶閘管的觸發(fā)原理同A相。
1.2 電流檢測和A/D轉(zhuǎn)換電路
軟起動的主要任務(wù)是控制主電路的電流，因此要對電流進(jìn)行檢測和監(jiān)控。電流檢測和A/D轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。本裝置采用LEM電流傳感器進(jìn)行主回路電流的檢測，其主要優(yōu)點(diǎn)是LEM電流傳感器可以測量任意波形的電流及瞬態(tài)峰值，副邊電流能真實(shí)地反映原邊電流的波形，原邊電路與副邊電路之間完全絕緣，可靠性高，而且動態(tài)性能好，精度高，因此能夠很好地滿足工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的需要。為減小誤差保證轉(zhuǎn)換精度，沒有采用傳統(tǒng)的橋式二極管整流電路對LEM模塊輸出的電流進(jìn)行整流，而是采用由2個運(yùn)放組成的精密全波整流電路進(jìn)行整流并濾波，得到與交流電流成比例變化的0~5V的直流電壓信號送入A/D轉(zhuǎn)換器TLC0834轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)送入單片機(jī)，以此信號作為改變晶閘管觸發(fā)角大小的依據(jù)，并用于數(shù)碼管顯示。TLC0834是8位串行控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器，以5 V作為基準(zhǔn)電壓，通過與控制處理器相連的串行數(shù)據(jù)鏈路傳送控制命令，用軟件對通道選擇和輸入端進(jìn)行配置。多路器尋址通過TLC0834的DI端移入轉(zhuǎn)換器。TLC0834的DI、CLK、DO和/CS分別與單片機(jī)的P3.2、P3.3、P3.6和P3.7端口連接。程序中置/CS為低，使TLC0834能夠工作，并對轉(zhuǎn)換器初始化；然后從處理器接收1個時鐘，在每個時鐘的上升跳變時，DI端的數(shù)據(jù)移入多路器地址移位寄存器。在轉(zhuǎn)換過程中，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)同時從DO端輸出。這樣TLC0834將輸入電壓轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)送入單片機(jī)后進(jìn)行處理和顯示。