一種新型的異步電動機軟起動器

提出一種以AT89C51單片機為控制核心的新型異步電動機軟起動系統，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現方法。試驗結果表明，該系統能有效地降低起動電流，且起動過程平穩，無沖擊和振蕩。可實現電動機的軟停車、輕載節能及保護功能。
關鍵詞： 異步電動機； 軟起動器； 單片機； 晶閘管

近年來，隨著電力電子技術和計算機控制技術的飛速發展，國內外都十分重視三相異步電動機軟起動器的研究和開發。軟起動控制旨在降壓以限制電機起動電流，減小起動電流對電網的沖擊。目前電動機軟起動方式有很多，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，是當前軟起動的主流方式[1-2]。
　本文設計以AT89C51單片機為核心的異步電動機智能軟起動器，該裝置可根據電動機負載的特性來調整起動過程中的各種參數，是集電動機軟起動、軟停車、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
異步電動機智能軟起動器硬件系統結構如圖1所示。本設計采用AT89C51單片機作為整個控制系統的核心。零電壓檢測電路用于檢測相電壓的過零點;觸發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，產生移相觸發脈沖來調節電機端電壓；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，實現電機定子電流的檢測，提供軟起動和過載保護的依據;顯示控制器用來控制LED，用以顯示工作參數和狀態;鍵盤電路用于輸入系統的參數和控制單片機程序的走向。主要電路的設計說明如下。

1.1 觸發電路
　觸發電路如圖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。本系統將此脈沖用作外部時鐘源和作為定時脈沖使用。該脈沖經過2個CD4013分頻器(每個CD4013接成二分頻器，2個串聯組成四分頻器)分頻后，輸出頻率為250 kHz的脈沖，此脈沖一方面送入觸發板的計數器CD4040作為其時鐘脈沖，另一方面送入單片機的14引腳（P3.4口）作為計數器T0的計數輸入時鐘脈沖，用于定時中斷。

　晶閘管觸發信號的產生：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個周期有2個過零點，過零時2個光耦內部的發光二極管均不導通，CD4040的RST端為高電平，CD4040清零并開始計數，計數頻率由其時鐘端(CLK)輸入脈沖控制(來自四分頻器),由程序傳送給單片機的P2口1個設定數，P2口與74HC682的Q0~Q7端相連。74HC682是數值比較器，當由P0~P7組成的二進制數大于由Q0~Q7組成的二進制數時，其P>Q非端輸出低電平，光耦MOC3020導通，晶閘管的觸發回路便有觸發電流通過，雙向晶閘管導通。該觸發電路沒有采用傳統的觸發脈沖調制放大電路，設計和實施上更為簡單。
　觸發角的計算：令計1個數的時間為t1，則t1=16/(250×103)s，設觸發角α占1個周期內的時間段為t，則該觸發角對應單片機P2口的十進制數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角時被觸發導通。B、C二相晶閘管的觸發原理同A相。
1.2 電流檢測和A/D轉換電路
軟起動的主要任務是控制主電路的電流，因此要對電流進行檢測和監控。電流檢測和A/D轉換電路如圖3所示。本裝置采用LEM電流傳感器進行主回路電流的檢測，其主要優點是LEM電流傳感器可以測量任意波形的電流及瞬態峰值，副邊電流能真實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，而且動態性能好，精度高，因此能夠很好地滿足工業現場應用的需要。為減小誤差保證轉換精度，沒有采用傳統的橋式二極管整流電路對LEM模塊輸出的電流進行整流，而是采用由2個運放組成的精密全波整流電路進行整流并濾波，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轉換成二進制數送入單片機，以此信號作為改變晶閘管觸發角大小的依據，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行配置。多路器尋址通過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個時鐘，在每個時鐘的上升跳變時，DI端的數據移入多路器地址移位寄存器。在轉換過程中，轉換數據同時從DO端輸出。這樣TLC0834將輸入電壓轉換成二進制數送入單片機后進行處理和顯示。