一種新型的異步電動(dòng)機軟起動(dòng)器

提出一種以AT89C51單片機為控制核心的新型異步電動(dòng)機軟起動(dòng)系統，給出了單片機控制系統硬件電路結構、控制軟件框圖及其實(shí)現方法。試驗結果表明，該系統能有效地降低起動(dòng)電流，且起動(dòng)過(guò)程平穩，無(wú)沖擊和振蕩?？蓪?shí)現電動(dòng)機的軟停車(chē)、輕載節能及保護功能。
關(guān)鍵詞： 異步電動(dòng)機； 軟起動(dòng)器； 單片機； 晶閘管

近年來(lái)，隨著(zhù)電力電子技術(shù)和計算機控制技術(shù)的飛速發(fā)展，國內外都十分重視三相異步電動(dòng)機軟起動(dòng)器的研究和開(kāi)發(fā)。軟起動(dòng)控制旨在降壓以限制電機起動(dòng)電流，減小起動(dòng)電流對電網(wǎng)的沖擊。目前電動(dòng)機軟起動(dòng)方式有很多，如液阻軟起動(dòng)、磁控軟起動(dòng)、晶閘管軟起動(dòng)和變頻軟起動(dòng)等。從起動(dòng)時(shí)間、控制方式的多樣性、節能效果和價(jià)格等多方面綜合比較，以晶閘管軟起動(dòng)方式最優(yōu)，是當前軟起動(dòng)的主流方式[1-2]。
　本文設計以AT89C51單片機為核心的異步電動(dòng)機智能軟起動(dòng)器，該裝置可根據電動(dòng)機負載的特性來(lái)調整起動(dòng)過(guò)程中的各種參數，是集電動(dòng)機軟起動(dòng)、軟停車(chē)、輕載節能和多種保護功能于一體的電機控制裝置。
1 硬件系統設計
異步電動(dòng)機智能軟起動(dòng)器硬件系統結構如圖1所示。本設計采用AT89C51單片機作為整個(gè)控制系統的核心。零電壓檢測電路用于檢測相電壓的過(guò)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)電路采用全數字化移相控制電路，與零電壓檢測電路配合，在單片機的控制下，產(chǎn)生移相觸發(fā)脈沖來(lái)調節電機端電壓；電流檢測電路采用霍爾電流傳感器將電流信號轉換為電壓信號送入A/D轉換器，實(shí)現電機定子電流的檢測，提供軟起動(dòng)和過(guò)載保護的依據;顯示控制器用來(lái)控制LED，用以顯示工作參數和狀態(tài);鍵盤(pán)電路用于輸入系統的參數和控制單片機程序的走向。主要電路的設計說(shuō)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(dòng)在其30引腳輸出頻率為晶振頻率1/6(即1 MHz)的脈沖。本系統將此脈沖用作外部時(shí)鐘源和作為定時(shí)脈沖使用。該脈沖經(jīng)過(guò)2個(gè)CD4013分頻器(每個(gè)CD4013接成二分頻器，2個(gè)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)板的計數器CD4040作為其時(shí)鐘脈沖，另一方面送入單片機的14引腳（P3.4口）作為計數器T0的計數輸入時(shí)鐘脈沖，用于定時(shí)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(gè)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(gè)腳接主回路A相雙向晶閘管的1個(gè)陽(yáng)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。計數器CD4040是12位計數器，將其Q5~Q12輸出端與74HC682輸入端P0~P7相連。A相電壓在1個(gè)周期有2個(gè)過(guò)零點(diǎn)，過(guò)零時(shí)2個(gè)光耦內部的發(fā)光二極管均不導通，CD4040的RST端為高電平，CD4040清零并開(kāi)始計數，計數頻率由其時(shí)鐘端(CLK)輸入脈沖控制(來(lái)自四分頻器),由程序傳送給單片機的P2口1個(gè)設定數，P2口與74HC682的Q0~Q7端相連。74HC682是數值比較器，當由P0~P7組成的二進(jìn)制數大于由Q0~Q7組成的二進(jìn)制數時(shí)，其P>Q非端輸出低電平，光耦MOC3020導通，晶閘管的觸發(fā)回路便有觸發(fā)電流通過(guò)，雙向晶閘管導通。該觸發(fā)電路沒(méi)有采用傳統的觸發(fā)脈沖調制放大電路，設計和實(shí)施上更為簡(jiǎn)單。
　觸發(fā)角的計算：令計1個(gè)數的時(shí)間為t1，則t1=16/(250×103)s，設觸發(fā)角α占1個(gè)周期內的時(shí)間段為t，則該觸發(fā)角對應單片機P2口的十進(jìn)制數γ=t/t1。將γ傳送至單片機P2口，則可控制雙向晶閘管在電源電壓的正、負半波對應α角時(shí)被觸發(fā)導通。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轉換電路
軟起動(dòng)的主要任務(wù)是控制主電路的電流，因此要對電流進(jìn)行檢測和監控。電流檢測和A/D轉換電路如圖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(dòng)態(tài)性能好，精度高，因此能夠很好地滿(mǎn)足工業(yè)現場(chǎng)應用的需要。為減小誤差保證轉換精度，沒(méi)有采用傳統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(gè)運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轉換器TLC0834轉換成二進(jìn)制數送入單片機，以此信號作為改變晶閘管觸發(fā)角大小的依據，并用于數碼管顯示。TLC0834是8位串行控制模數轉換器，以5 V作為基準電壓，通過(guò)與控制處理器相連的串行數據鏈路傳送控制命令，用軟件對通道選擇和輸入端進(jìn)行配置。多路器尋址通過(guò)TLC0834的DI端移入轉換器。TLC0834的DI、CLK、DO和/CS分別與單片機的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，并對轉換器初始化；然后從處理器接收1個(gè)時(shí)鐘，在每個(gè)時(shí)鐘的上升跳變時(shí)，DI端的數據移入多路器地址移位寄存器。在轉換過(guò)程中，轉換數據同時(shí)從DO端輸出。這樣TLC0834將輸入電壓轉換成二進(jìn)制數送入單片機后進(jìn)行處理和顯示。