一種新型的異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器

提出一種以AT89C51單片機(jī)為控制核心的新型異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)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(dòng)電流，且起動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)，無(wú)沖擊和振蕩。可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)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(dòng)機(jī)； 軟起動(dòng)器； 單片機(jī)； 晶閘管

近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外都十分重視三相異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器的研究和開發(fā)。軟起動(dòng)控制旨在降壓以限制電機(jī)起動(dòng)電流，減小起動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊。目前電動(dòng)機(jī)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(jié)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(dāng)前軟起動(dòng)的主流方式[1-2]。
　本文設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)為核心的異步電動(dòng)機(jī)智能軟起動(dòng)器，該裝置可根據(jù)電動(dòng)機(jī)負(fù)載的特性來(lái)調(diào)整起動(dòng)過(guò)程中的各種參數(shù)，是集電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)、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(jì)
異步電動(dòng)機(jī)智能軟起動(dòng)器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。本設(shè)計(jì)采用AT89C51單片機(jī)作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。零電壓檢測(cè)電路用于檢測(cè)相電壓的過(guò)零點(diǎn);觸發(fā)電路用其作為同步信號(hào);斷相檢測(cè)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(cè)電路配合，在單片機(jī)的控制下，產(chǎn)生移相觸發(fā)脈沖來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)端電壓；電流檢測(cè)電路采用霍爾電流傳感器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)送入A/D轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)定子電流的檢測(cè)，提供軟起動(dòng)和過(guò)載保護(hù)的依據(jù);顯示控制器用來(lái)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(jì)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(tǒng)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(jì)數(shù)器CD4040作為其時(shí)鐘脈沖，另一方面送入單片機(jī)的14引腳（P3.4口）作為計(jì)數(shù)器T0的計(jì)數(shù)輸入時(shí)鐘脈沖，用于定時(shí)中斷。

　晶閘管觸發(fā)信號(hào)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(jì)數(shù)器CD4040是12位計(jì)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(gè)周期有2個(gè)過(guò)零點(diǎn)，過(guò)零時(shí)2個(gè)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(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)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(jī)的P2口1個(gè)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(shí)，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(guò)，雙向晶閘管導(dǎo)通。該觸發(fā)電路沒(méi)有采用傳統(tǒng)的觸發(fā)脈沖調(diào)制放大電路，設(shè)計(jì)和實(shí)施上更為簡(jiǎn)單。
　觸發(fā)角的計(jì)算：令計(jì)1個(gè)數(shù)的時(shí)間為t1，則t1=16/(250×103)s，設(shè)觸發(fā)角α占1個(gè)周期內(nèi)的時(shí)間段為t，則該觸發(fā)角對(duì)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(duì)應(yīng)α角時(shí)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(cè)和A/D轉(zhuǎn)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(duì)電流進(jìn)行檢測(cè)和監(jiān)控。電流檢測(cè)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(cè)，其主要優(yōu)點(diǎn)是LEM電流傳感器可以測(cè)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，因此能夠很好地滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的需要。為減小誤差保證轉(zhuǎn)換精度，沒(méi)有采用傳統(tǒng)的橋式二極管整流電路對(duì)LEM模塊輸出的電流進(jìn)行整流，而是采用由2個(gè)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(hào)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(hào)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(guò)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(duì)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(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(duì)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)移入多路器地址移位寄存器。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)同時(shí)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。