- 異步電動機智能軟起動硬件系統(tǒng)設計
- 異步電動機智能軟起動軟件系統(tǒng)設計
- 異步電動機智能軟起動系統(tǒng)試驗結(jié)果
- 采用脈沖觸發(fā)電路
- 采用斷相保護電路
- 單片機分析和處理實現(xiàn)電機的限流起動
近年來,隨著電力電子技術和計算機控制技術的飛速發(fā)展,國內(nèi)外都十分重視三相異步電動機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起動電流,減小起動電流對電網(wǎng)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(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),是當前軟起動的主流方式。
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(jù)電動機負載的特性來調(diào)整起動過程中的各種參數(shù),是集電動機軟起動、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護功能于一體的電機控制裝置。
1硬件系統(tǒng)設計
異步電動機智能軟起動器硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。本設計采用AT89C51單片機作為整個控制系統(tǒng)的核心。零電壓檢測電路用于檢測相電壓的過零點;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,在單片機的控制下,產(chǎn)生移相觸發(fā)脈沖來調(diào)節(jié)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(zhuǎn)換為電壓信號送入A/D轉(zhuǎn)換器,實現(xiàn)電機定子電流的檢測,提供軟起動和過載保護的依據(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)和控制單片機程序的走向。主要電路的設計說明如下。
1.1觸發(fā)電路
觸發(fā)電路如圖2所示。AT89C51的晶振為6MHz,自動在其30引腳輸出頻率為晶振頻率1/6(即1MHz)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250kHz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,過零時2個光耦內(nèi)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的P2口1個設定數(shù),P2口與74HC682的Q0~Q7端相連。74HC682是數(shù)值比較器,當由P0~P7組成的二進制數(shù)大于由Q0~Q7組成的二進制數(shù)時,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,雙向晶閘管導通。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,設計和實施上更為簡單。
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)角對應單片機P2口的十進制數(shù)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(fā)導通。B、C二相晶閘管的觸發(fā)原理同A相。
[page]
1.2電流檢測和A/D轉(zhuǎn)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(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電流傳感器進行主回路電流的檢測,其主要優(yōu)點是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(zhuǎn)換器TLC0834轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)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(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5V作為基準電壓,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)換成二進制數(shù)送入單片機后進行處理和顯示。
1.3顯示電路
顯示電路如圖4所示,由高性能的多位LED顯示驅(qū)動器PS7219控制。PS7219內(nèi)部具有15×8BRAM功能控制器寄存器,尋址方便;其復位引腳與單片機的復位端連接,LOAD、DIN和CLK端分別與單片機的P1.5、P1.6和P1.7端口連接。LOAD腳的功能是裝載數(shù)據(jù)輸入,當它為高電平時,串行輸入數(shù)據(jù)的最后16位被鎖定。串行數(shù)據(jù)的傳送格式為D15~D0,其中D15~D12為無關位,D11~D8為寄存器地址,D7~D0為數(shù)據(jù)位;DIN腳的功能是串行數(shù)據(jù)輸入,發(fā)送到DIN端的16位數(shù)據(jù)在每個CLK的下降沿被移入到內(nèi)部16位寄存器中;然后,在LOAD的上升沿,數(shù)據(jù)被鎖存到數(shù)值或控制寄存器中。
[page]
1.4斷相保護電路
斷相是對電動機危害較大的一種故障,為此系統(tǒng)單獨設置了如圖5所示的斷相保護電路,主要由摩托羅拉單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器MC14548和3只二極管組成的“或門”電路實現(xiàn)。斷相保護示意圖如圖6所示。MC14548由上升沿觸發(fā),產(chǎn)生1個脈寬由外加定時元件電阻R1和電容C決定的輸出脈沖。當MC14548的A端出現(xiàn)1個上升沿、B端為高電平時,Q端(平時輸出低電平)輸出1個由低到高的脈沖,經(jīng)過時間τ(τ=R1×C)后從高變低。分別來自A、B、C相觸發(fā)電路中計數(shù)器CD4040的RST端的3個信號經(jīng)“或門”電路與MC14548的A端相連。因三相電源電壓相位互差120°,故接入A、B、C三相回路的3個雙光耦TLP521每60°就有1次過零,過零時3個計數(shù)器CD4040的RST端一定有1個呈高電平,經(jīng)過“或門”后MC14548的4腳每60°就有1個上升沿脈沖。若設定時間常數(shù)τ的值在大于60°而小于120°所對應的時間為:3.3ms<τ<6.6ms,則不缺相時,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器將始終處于暫態(tài),MC14548的Q端始終輸出高電平,此時觸發(fā)器的工作狀態(tài)如圖6(a)所示;若斷相,MC14548的A端將出現(xiàn)隔120°才出現(xiàn)下一個脈沖的情況,此時MC14548的Q端將從暫態(tài)回到穩(wěn)態(tài),呈現(xiàn)低電平,此時觸發(fā)器的工作狀態(tài)如圖6(b)所示。將MC14548的Q端連至單片機的P3.0端口,由程序檢查P3.0端口,如為零則說明斷相,然后進行斷相處理。
2軟件系統(tǒng)設計
軟件系統(tǒng)采用模塊化設計,主要組成部分如下:
(1)系統(tǒng)初始化模塊:主要完成AT89C51單片機內(nèi)部定時器、中斷系統(tǒng)、堆棧指針、RAM和各I/O口等單元的初始化。
(2)故障檢測模塊:主要完成電動機起動前后的異常故障檢測,如斷相和過流等。
(3)軟起動模塊:根據(jù)電動機電流檢測信號,經(jīng)單片機分析和處理后得到當前晶閘管觸發(fā)角的大小,以實現(xiàn)電機的限流起動。以起動電流限定為2倍的額定電流為例,觸發(fā)角控制算法如下:
(4)A/D采樣程序:該程序定時采集電流反饋量,主要在A/D中斷服務程序中完成。
主程序流程圖如圖7所示。
[page]
3樣機試驗結(jié)果
對1臺樣機進行了試驗。主回路采用1000V、200A雙向晶閘管。以5.5kW鼠籠式異步電動機帶動4kW直流電機進行PI電流閉環(huán)控制的軟起動試驗,5.5kW電動機額定電流為12.6A,試驗中設限定電流約為2倍的額定電流,取為25A。
圖8為電機起動過程實測電流波形,圖8(a)為直接起動過程電流波形,圖8(b)為軟起動過程電流波形??梢娬麄€軟起動過程中電流的變化很平穩(wěn),沒有出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象,電機軟起動時的起動電流是其穩(wěn)定運行電流的2倍左右,而直接起動非常迅速,啟動電流很大,直接起動時的起動電流是其穩(wěn)定運行電流的5~7倍。試驗結(jié)果表明,所設計的軟起動器系統(tǒng)效果良好,起動過程平穩(wěn),無沖擊和振蕩。
本文提出了一種以AT89C51單片機為核心的新型異步電動機智能軟起動器的設計方法,本裝置集電動機軟起動、軟停車和多種保護功能于一體,還可以實現(xiàn)電動機的輕載節(jié)能運行。經(jīng)試驗運行表明,該裝置設計合理,運行可靠,具有較好的實用價值。