摘要：文中針對TPAM傳統啟動方式啟動電流大、啟動時間長等缺陷，研究了基于電力電子技術的TPAM軟啟動技術，提出以P89V51RD2為核心的軟啟動裝置的設計方案。該軟啟動裝置采用晶閘管調壓方式，通過改變晶閘管的觸發角來實現對TPAM定子兩端電壓調節,從而實現了TPAM的軟啟動。 關鍵詞：TPAM；軟啟動；單片機 Abstract：To solve the problem of traditional start defect such as high start current and long start time, the soft starter for TPAM based on power electronics technology has been researched and a design project for the soft starter based on P89VS1RD2 has been presented in this paper.A voltage adjusting model with SCR is used in this soft starter. By regulating the amplitude of asynchronous motor‘s voltage, the torque-control start. and so on. Keywords：TPAM；Soft start；SCM 0 引言 隨著當今社會的飛速發展，現代科技的日新月異，智能控制系統得到了越來越廣泛的應用，如：生產作業自動化、各種遙控調度系統等等。這也提出了更多要求，如對電網的波動性，執行機構的智能配套等，都要求越來越嚴格。作為重要的驅動執行機構的電動機來說，其調速和控制技術也越來越受到人們的重視，尤其TPAM（Three-Phase Asynchronous Motor）作為應用最廣泛的電動機，約占電動機總數的70%。根據統計，通用 TPAM每年的耗電量約為全球總發電量的50%，其啟動電流高達額定電流的5～10倍，故大中型TPAM在直接啟動時會產生很大的沖擊電流，不但對TPAM及所拖動的設備造成電氣和機械的損傷，而且會造成電網電壓下降，影響電網其它電氣設備的正常運行。因此，對TPAM實行軟啟動是非常必要的，本文介紹的就是對TPAM軟啟動裝置的研究。 1 TPAM軟啟動裝置的硬件設計 本系統是通過P89V51RD2單片機作為主控芯片，晶閘管作為主要開關器件來實現的。 軟啟動裝置硬件結構如圖1所示，主要包括主電路和控制電路兩部分。 主電路包括由晶閘管組成的晶閘管交流調壓電路、接觸器、電源, TPAM等。通過控制反并聯的晶閘管的導通角實現改變加載在TPAM兩端的電壓，從而實現軟啟動。其中晶閘管的容量要根據所控制的TPAM容量來選擇，不同容量的TPAM所用晶閘管的容量也不同，但電路結構是相同的。而接觸器的主要作用是在軟啟動過程完成以后，把反并聯的晶閘管從三相電源中旁路；在需要軟停車時，再把軟啟動裝置接入到TPAM回路中，完成軟停車。 控制電路包括單片機控制電路、觸發驅動電路、檢測電路、鍵盤顯示電路等。控制電路與所控制的TPAM容量無關，可設計成通用型的，TPAM軟啟動裝置能實現的功能及能達到的性能指標，完全取決于控制單元電路結構和相應控制算法。需要檢測的物理量有電壓、電流、轉速、功率因數等信息，這些信息需送入CPU進行處理，以形成對晶閘管的控制信號。圖1各部分功能簡述如下： （1）電壓檢測：在電壓檢測回路中，實現兩個功能。其一是同步信號的檢測功能，采樣三相電壓的過零時刻，它作為晶閘管脈沖觸發信號的同步信號；其二是將三相電源電壓信號通過變壓器降壓后轉變成直流信號，再經A/D轉換后作為故障檢測、過壓和欠壓保護、電壓顯示等的依據。 （2）電流檢測：通過電流互感器檢測TPAM的三相電流，將電流信息送入P89VS1RD2中，作為過流保護、電流顯示等的依據。另一方面同樣檢測電流的相位信號。 （3）晶閘管觸發電路：利用P89VS1RD2給出的控制信號，經由觸發芯片TC787組成的觸發電路后送出一定脈寬的脈沖信號驅動晶閘管的導通，并通過控制導通角來改變加載在TPAM兩端的電壓大小。 （4）主控芯片P89VS1RD2：是系統控制的核心單元，主要負責對檢測信號的處理，移相范圍的調節，給出晶閘管和接觸器的驅動信號，輸出控制等功能。 （5）鍵盤顯示：鍵盤部分可預置啟動、停車方式和各參數的預先設置和修改，顯示部分可顯示多種軟啟動參數和各種故障信息。 1.1 P89VS1RD2簡介 P89VS1RD2是一款8位80C51單片機的派生產品。它在完全保留80C51指令系統和硬件界構的大框架外，作了很多的加強和擴展。其將原有的對外部數據和程序存儲器的16位尋址機制加以應用，把片上的RAM擴展到1024字節，片上Flash EPROM擴展到64kB，滿足本系統中用C語言編程對片上大存儲器容量的需要。P89V51 RD2的典型特性是它的X2方式選項。利用該特性，設計者可使應用程序以傳統的80C51時鐘頻率（每個機器周期包含12個時鐘）或X2方式（每個機器周期包含6個時鐘）的時鐘頻率運行，選擇X2方式可在相同時鐘頻率下獲得2倍的速度。這樣可將時鐘頻率減半并保持特性不變。 采用Flash程序存儲器，可支持并行和串行在系統編程（ISP），ISP允許CPU不離開系統，在軟件控制下對成品中的器件進行重復編程，使調試變得方便。這也是本系統選用該芯片的一個重要原因。P89V51RD2也可采用在運行中編程（1AP），允許隨時對Flash程序存儲器重新配置，即使應用程序正在運行時也不例外。這很適合系統中的不停機修改。 1.2晶閘管參數選擇 輸入電路中如何選擇合適的晶閘管對于軟啟動裝置系統能否安全工作、性價比高低有很大的聯系。本系統對晶閘管的選擇主要從以下兩個方面考慮： （1）晶閘管的電流選擇 交流電路中，晶閘管通態時額定電流是指有效值電流。例如對于3KW的TPAM，啟動電流可以高達額定電流的5～10倍，當僅取5倍的安全裕量后，晶閘管通態電流為：IM=5×IN=5×4.56=23A。 （2）晶閘管的電壓選擇 精確設計晶閘管的耐壓值比較困難，這是因為它不僅和電路的接法有關，同時還與TPAM的容量、激勵電流等數值有關。一般在考慮有過電壓吸收電路的情況下，在選用晶閘管時應使其額定電壓為正常工作電壓峰值的2～3倍，即。其中UM為晶閘管額定電壓， UN為系統正常工作線電壓即380V。 在選擇晶閘管時僅加大安全裕量還是不夠的。為了使晶閘管能正常工作而不受損壞，還必須對過電壓、過電流，過高的電流引起的器件或電機溫升等進行適當的保護或抑制。本系統中根據市場情況采用的晶閘管是Semikron公司生產的SKKT 250/18E型號的晶閘管，其額定電壓1800V，通態平均電流為250A，能充分滿足要求。 2 控制電路設計 軟啟動裝置作為一種交流調壓裝置，其核心是微機控制電路。該部分的主要功能就是對各種信號進行數學運算和邏輯判斷等處理，控制調壓系統各部分協調工作。本軟啟動裝置的控制電路主要包括單片機控制電路、同步電路、觸發電路、驅動電路、檢測電路、鍵盤顯示電路等。下面分別介紹主要部分電路的設計。 2.1單片機控制電路設計 P89VS1RD2單片機控制電路框圖如圖2所示，其中P0.7作為晶閘管觸發脈沖控制命令輸出，系統正常運行時，輸出低電平，通過光耦隔離后連接到觸發芯片TC787的Pi引腳，釋放脈沖。單片機通過D/A轉換后送晶閘管的觸發控制電路，通過定時調節D/A轉換的數字量，輸出一定的電壓到觸發芯片TC787的Vr引腳，觸發器根據此值大小控制晶閘管的導通角，使晶閘管的導通角從設定的初始值開始按一定速率增大，實現晶閘管的移相控制，并通過對啟動電流的采樣值和限定值進行比較和修正，直到晶閘管全部開通，投入正常運行。其中D/A轉換采用串行D/A轉換芯片TLC5615實現。 P2.0和P2.1用于連接串行EEPROM存儲器AT24C02，用于設定參數的保存以及存儲故障信息。鍵盤和顯示部分利用單片機的擴展外部設備8255連接。其中顯示電路由LCD液晶模塊完成，液晶模塊用于顯示參數的設定、運行監控及故障查詢。鍵盤由8個按鍵組成，實現人機對話，參數設定和修改。圖中蜂鳴器用于故障報警。當故障發生時，LCD顯示器上顯示故障類型及相應的參數大小且蜂鳴器報警。A/D轉換電路由TLC2543芯片實現，用于采樣電流、電壓的輸入。 2.2同步電路設計 TC787需要三相同步變壓器提供同步信號，在系統中必須設胃同步電路，以使三相交流調壓器主電路各個晶閘管的觸發脈沖與其陽極電源保持嚴格的同步相位關系。系統中，對于晶閘管導通進行控制的同步信號來自3個同步變壓器的輸出。同步變壓器輸出的信號經過光電隔離及功率驅動后送入P89VS1RD2，由P89VS1RD2檢測同步信號狀態，以保證P89VS1RD2控制晶閘管觸發脈沖相位時使其能與主電路電壓相位精確可調。同時，由三相電源經同步變壓器后輸出的電壓信號（UA‘ , UB‘ , UC‘）通過電阻電容組成的限流移相網絡移相30度后，再經過光耦驅動后送到晶閘管集成觸發芯片TC787的1、2及18號引腳，即同步電壓輸入腳，該系統采用TLP250光耦進行隔離驅動。同步電路如圖3所示。 2.3 數模轉換電路設計 為了使單片機能專門從事監控和提高系統的可靠性，該系統采用具有優越性能的TC787芯片實現脈沖形成功能。而TC787需要一個直流控制電壓，因而，必須設計數模轉換電路。本系統采用串行數模轉換器TLC5615產生可變基準直流電壓。其數模轉換電路如圖4所示。 2.4電流檢測電路 電流檢測為控制電路提供一個與主電路工作電流大小成比例的取樣值，一是為限電流啟動提供反饋信號；二是為過電流保護、缺相保護、過載保護等提供反饋信號；三是用于運行狀態的指示。本系統的電流反饋信號取自TPAM的定子側。A相電流檢測電路見圖5所示，采用電流互感器檢測三相定子電流的大小，電流互感器的輸出IA‘, IB‘, IC’經過全橋整流、濾波和分壓后獲得一個直流電壓信號，實際處理與電壓檢測類似，將此信號作為電流反饋輸入到A/D電路，經過A/D轉換后送入到P89VS1RD2中。 3 TPAM軟啟動裝置的主程序設計 系統主程序流程圖如圖6所示。該軟啟動系統的主程序主要包括以下三個主要部分：系統的初始化，鍵盤和顯示以及運行部分。 系統初始化程序主要完成系統的初始化和自檢。初始化工作包括對單片機的輸入輸出口，單片機內部定時器，特殊寄存器，中斷系統，還有對外圍器件8255的初始化。為了保證系統的正常和安全運行，希望對于一些可能的系統故障盡量在系統運行前就發現并及時進行處理，因此在主程序的初始化后進行系統的初始自檢功能是很重要的。系統初始自檢程序內容：對系統剛上電后的狀態當時所處的電壓、電流、溫度等參量進行A/D檢測并處理。檢測流程是：最先從輸出電壓檢測信號得到的線電壓值過高（大于420V）或過低（低于340V）就進入保護電路中的過壓或欠壓故障處理；電壓檢測通過后接著進行電流檢測，若從電流檢測電路得到了一定的值，則認為系統的管子擊穿。因為剛上電時軟啟動系統沒有觸發信號，晶閘管處于關斷狀態，因而不會有電流值，所以只有在管子擊穿時才會有電流。進入系統擊穿故障處理：顯示擊穿故障。電壓和電流檢測通過后進行溫升檢測。三種初始檢測都通過了才能進入下面初始參數設置程序。 系統運行部分設計內客包括：判斷是否要求啟動（判斷啟動鍵是否有效），啟動處理（按下啟動鍵，進入軟啟動程序），判斷啟動是否完畢，穩定運行（退出軟啟動，僅進行鍵盤掃描操作），判斷系統穩定運行時是否要求停機（判斷停機鍵是否有效），停機處理（按下停機鍵，進入停機子程序），進入下一循環。 4 系統仿真 為了驗證所設計的軟啟動裝置是否符合設計要求，下面應用Simulink中搭建TPAM軟啟動系統的仿真模型，如圖7所示。它主要由三相交流電壓源、三相交流調壓、TPAM測量、電流反饋和啟動控制等環節封裝模塊組成。該模型可用于斜坡啟動、限流啟動以及轉矩控制啟動等控制方式的仿真。 本章使用MATLAB Simulink分別建立TPAM全壓啟動及軟啟動的仿真模型，并對其進行了仿真試驗。從仿真結果上看，軟啟動相對全壓啟動具有啟動電流小等特點，驗證了該文設計的軟啟動控制策略的正確性。 參考文獻： [1] 任致程.電動機電子保護器與軟起動器應用指南[M].北京:機械工業出版社，2004 [2] 高越農.電動機軟起動學科[J].電氣傳動自動化，2005.1 [3] 王淑紅，朱玉紅.三相異步電動機的軟起動控制系統[J].機床電器，2000.4 [4] 王曉光.軟起動器及其應用設計和調試[J].機床電器，2004. 1 作者簡介：俞斌（1979-），男，江蘇揚州人，講師，主要研究方向：信息處理和DSP。 EMAIL：gliet_99021626@163.com 聯系電話：0734-7134306/13975433788 通信地址：湖南省衡陽市雷公塘14#電氣與信息工程系 郵政編碼：421008