一种新型的异步电动机软起动器

提出一种以AT89C51单片机为控制核心的新型异步电动机软起动系统，给出了单片机控制系统硬件电路结构、控制软件框图及其实现方法。试验结果表明，该系统能有效地降低起动电流，且起动过程平稳，无冲击和振荡。可实现电动机的软停车、轻载节能及保护功能。
关键词： 异步电动机； 软起动器； 单片机； 晶闸管

近年来，随着电力电子技术和计算机控制技术的飞速发展，国内外都十分重视三相异步电动机软起动器的研究和开发。软起动控制旨在降压以限制电机起动电流，减小起动电流对电网的冲击。目前电动机软起动方式有很多，如液阻软起动、磁控软起动、晶闸管软起动和变频软起动等。从起动时间、控制方式的多样性、节能效果和价格等多方面综合比较，以晶闸管软起动方式最优，是当前软起动的主流方式[1-2]。
　本文设计以AT89C51单片机为核心的异步电动机智能软起动器，该装置可根据电动机负载的特性来调整起动过程中的各种参数，是集电动机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的电机控制装置。
1 硬件系统设计
异步电动机智能软起动器硬件系统结构如图1所示。本设计采用AT89C51单片机作为整个控制系统的核心。零电压检测电路用于检测相电压的过零点;触发电路用其作为同步信号;断相检测电路用于判断断相故障。触发电路采用全数字化移相控制电路，与零电压检测电路配合，在单片机的控制下，产生移相触发脉冲来调节电机端电压；电流检测电路采用霍尔电流传感器将电流信号转换为电压信号送入A/D转换器，实现电机定子电流的检测，提供软起动和过载保护的依据;显示控制器用来控制LED，用以显示工作参数和状态;键盘电路用于输入系统的参数和控制单片机程序的走向。主要电路的设计说明如下。

1.1 触发电路
　触发电路如图2所示。AT89C51的晶振为6 MHz，自动在其30引脚输出频率为晶振频率1/6(即1 MHz)的脉冲。本系统将此脉冲用作外部时钟源和作为定时脉冲使用。该脉冲经过2个CD4013分频器(每个CD4013接成二分频器，2个串联组成四分频器)分频后，输出频率为250 kHz的脉冲，此脉冲一方面送入触发板的计数器CD4040作为其时钟脉冲，另一方面送入单片机的14引脚（P3.4口）作为计数器T0的计数输入时钟脉冲，用于定时中断。

　晶闸管触发信号的产生：在每1相都串入光耦TLP521，以A相为例，2个光电耦合器TLP521按图2所示接入。另一光电耦合器MOC3020的输出1个脚接主回路A相双向晶闸管的1个阳极，另一脚接触发极。光耦TLP521和MOC3020都起到了控制回路与主回路相隔离的作用。计数器CD4040是12位计数器，将其Q5~Q12输出端与74HC682输入端P0~P7相连。A相电压在1个周期有2个过零点，过零时2个光耦内部的发光二极管均不导通，CD4040的RST端为高电平，CD4040清零并开始计数，计数频率由其时钟端(CLK)输入脉冲控制(来自四分频器),由程序传送给单片机的P2口1个设定数，P2口与74HC682的Q0~Q7端相连。74HC682是数值比较器，当由P0~P7组成的二进制数大于由Q0~Q7组成的二进制数时，其P>Q非端输出低电平，光耦MOC3020导通，晶闸管的触发回路便有触发电流通过，双向晶闸管导通。该触发电路没有采用传统的触发脉冲调制放大电路，设计和实施上更为简单。
　触发角的计算：令计1个数的时间为t1，则t1=16/(250×103)s，设触发角α占1个周期内的时间段为t，则该触发角对应单片机P2口的十进制数γ=t/t1。将γ传送至单片机P2口，则可控制双向晶闸管在电源电压的正、负半波对应α角时被触发导通。B、C二相晶闸管的触发原理同A相。
1.2 电流检测和A/D转换电路
软起动的主要任务是控制主电路的电流，因此要对电流进行检测和监控。电流检测和A/D转换电路如图3所示。本装置采用LEM电流传感器进行主回路电流的检测，其主要优点是LEM电流传感器可以测量任意波形的电流及瞬态峰值，副边电流能真实地反映原边电流的波形，原边电路与副边电路之间完全绝缘，可靠性高，而且动态性能好，精度高，因此能够很好地满足工业现场应用的需要。为减小误差保证转换精度，没有采用传统的桥式二极管整流电路对LEM模块输出的电流进行整流，而是采用由2个运放组成的精密全波整流电路进行整流并滤波，得到与交流电流成比例变化的0~5V的直流电压信号送入A/D转换器TLC0834转换成二进制数送入单片机，以此信号作为改变晶闸管触发角大小的依据，并用于数码管显示。TLC0834是8位串行控制模数转换器，以5 V作为基准电压，通过与控制处理器相连的串行数据链路传送控制命令，用软件对通道选择和输入端进行配置。多路器寻址通过TLC0834的DI端移入转换器。TLC0834的DI、CLK、DO和/CS分别与单片机的P3.2、P3.3、P3.6和P3.7端口连接。程序中置/CS为低，使TLC0834能够工作，并对转换器初始化；然后从处理器接收1个时钟，在每个时钟的上升跳变时，DI端的数据移入多路器地址移位寄存器。在转换过程中，转换数据同时从DO端输出。这样TLC0834将输入电压转换成二进制数送入单片机后进行处理和显示。