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三相異步電機啟動方式由其功率決定，一般規定，電動機功率在10KW以下，可直接啟動(即電機全壓啟動，直接開啟開關，將三相接入電源)。10KW以上，要根據電動機容量和電源變壓器容量比值來確定，對于給定電動機功率，一般最大功率不大于變壓器容量的20％--30％則可以直接啟動，否則需降壓啟動以防止過大的起動電流會在線路上產生較大的壓降，使電網電壓波動很大，影響并聯在電網上的其它設備的正常運行。 針對小功率三相異步電機的啟停，當前國內外還較多地采用繼電器、接觸器等控制電器來實現自動控制。由于繼電接觸器控制系統是通過觸點的機械運動來通斷主、控回路，然而觸點因為電、機械和化學的原因易于磨損，并且在高沖擊、振蕩的工作環境下，觸點容易發生誤動作。若主回路有感性負載，則易于產生觸點燃弧及回跳，對外界的電磁干擾較大，并且控制系統中間環節多，必須確保每部分工作準確，系統才能正確工作，所以它存在不少缺陷，必須改進。本文介紹以三相交流固態繼電器作為單片機和三相電機接口器件，使用PC上位機軟件直接啟動或停止三相異步電機，減少中間環節，確保控制系統穩定工作，同時可視化的電機控制系統應用前景廣闊。 1 系統設計思想 1．1 系統概述： 該系統是一種基于PC機與AT89S51單片機串口通信的三相異步電機啟停系統，PC機以VC6.0為開發環境，實現了上位機軟件的編制。上位機軟件通過串口通信發送控制命令給單片機AT89S51，AT89S51以交流固態繼電器為接口器件，通過控制交流固態繼電器輸入端電平的高低來控制三相異步電機的三相是否接入電源，從而啟動或停止電機。 1．2 系統硬件設計 1．2．1 單片機與PC機串口通信電路 AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內含4k Bytes可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS-51指令系統及80C51引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元。芯片可以在系統編程，大大縮短單片機應用系統的開發周期，此外，AT89S51設計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數器，串行口，外中斷系統可繼續工作，掉電模式凍結振蕩器而保存RAM的數據，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。功能強大的AT89S51可為許多嵌入式控制應用系統和工業控制系統提供高性價比的解決方案。 鑒于以上優點，并結合設計目標，特選用此款單片機。AT89S51單片機與PC機串口通信使用RS-232C串行通信標準接口，RS-232C總線接口芯片有很多，本系統使用MAXIM公司的MAX232芯片完成TTL和EIA之間的雙向電平的轉換，從而使PC機可以與AT89S51單片機通信。AT89S51單片機和PC機的串行通信連接電路如圖1所示：該工作電路對電源噪聲比較敏感，在電路設計中，要注意提高器件的抗干擾能力。應使用0.1uF或則1.OuF電容連接+5V電源去耦，選擇1.0uF／16V鉭電容作外接極性電容C1、C2、C3、C4，且讓電容盡可能靠近芯片。 1．2．2 AT89S51和三相異步電機的接口器件： 當前國內外使用的電機控制系統電路如圖2所示，這種控制系統稱為繼電接觸器控制系統，它是一種有觸點的斷續控制，因為其中控制電器是斷續動作的。 本系統采用三相交流固態繼電器作作為AT89S51和三相異步電機的接口器件。 SSR(Solid state Relay)固態繼電器是用分離的電子元器件、集成電路(或芯片)及混合微電路技術結合發展起來的一種具有繼電特性的無觸點式電子開關。具有壽命長、可靠性高、開關速度快、電磁干擾小、無噪聲、無火花等特點。固態繼電器按輸出負載電源分，有交流固態繼電器和直流固態繼電器。交流固態繼電器按開關方式分有電壓過零導通型和隨機導通型。過零導通型SSR是當負載電源電壓過零區時才能導通，負載電流過零時才關斷，這是為了避免使負載受到峰值電壓的沖擊和干擾；隨機導通型SSR是只要輸入端加入信號，便導通。本系統使用過零導通型SSR。 過零導通型SSR原理圖和應用簡圖如圖3所示：應用簡圖中1、2為控制端，加上一定大小的直流電壓，輸出端3、4便導通，負載便接入電源工作；當控制端電壓低于一定大小時，輸出端3、4立刻斷開，負載停止工作。其小信號控制端和主回路在電氣上是隔離絕緣的，所需控制功率極小，開關速度很快。 圖3所示的交流固態繼電器稱為單相交流固態繼電器，三相交流固態繼電器是集三只單相交流固態繼電器為一體，并以單一輸入端對三相負載進行直接開關切換的固態繼電器，它可方便地控制三相交流電機、加熱器等三相負載。 本系統受控的三相異步電機功率為3KW，額定電流為* A，故選擇山東淄博其特電子公司生產的型號為3SSR30的三相固態繼電器。該產品過零觸發，無火花，介質耐壓2500V AC，每相輸出最大交流電流有效值為30A(電機直接啟動瞬間電流為額定電流幾倍)，每相最大相電壓有效值為450V，工作頻率為50HZ，控制端信號必須滿足電壓達到4-24V DC，電流達到50mA輸出端才導通。則本系統AT89S51控制電機電路圖如4所示：圖4中線性光耦器件OPTOISO1工作在飽和和截止狀態，其性能指標CTR范圍為50％-200％。晶體管9013工作在放大區，為3SSR30的導通提供足夠大的輸入電流。由于電機是感性負載，所以在輸出回路中必須附加過流、過壓抑制元件RY820V壓敏電阻，用于保護SSR，它的選用原則是220V選用500V-600V壓敏電阻，380V時可選用800V-900V壓敏電阻。 1．3 系統軟件設計 1．3．1 PC機上位機軟件設計 目前國內外大多通過使用單片機按鍵或則開關按鈕來輸入控制命令，而本系統卻是在PC機上用VC6.0開發環境，使用微軟公司提供的Windows操作系統串口編程Activex控件MSComm對PC的串行接口進行編程，編制出電機控制系統可視化軟件，通過軟件輸入控制命令。PC機上位機軟件界面如圖5所示： 重要函數介紹:函數OnInitDialog()負責PC機串口的初始化和打開，函數OnMotoron()，OnMotoroff()是電機啟動，電機停止按鈕代碼。函數OnComm()負責串口事件捕獲和處理程。 1．3．2 PC機和AT89S51單片機串口通信軟件設計 PC機和AT89S51單片機串口通信程序按它們之間的通信協議編寫，協議如下： PC：點擊軟件按鈕，則將對應按鈕值發給單片機，等待單片機回復。若單片機發來的數據與按鈕值相同，PC向單片機發送0x00，指示其完成按鈕值對應的任務；否則，PC向單片機發送0xff，指示單片機不進行任何操作，PC重新發送此按鈕值。單片機：等待PC發來數據，接收后馬上將其回發給PC，等待PC指示。若PC發來0x00，單片機完成先前接收的數據所對應的任務：若PC發來0xff，單片機不進行任何操作，等待PC重新發送數據。 2 結論 由于本系統使用組件模塊化的三相交流固態繼電器直接控制三相電機，因此使歷來困難復雜的三相異步電機啟停問題變得簡單且實用，實踐證明本系統性能穩定可靠。整個系統結構簡單，實用性強，應用前景廣闊。本文作者創新點：1．使用軟件平臺控制電機啟停，對電機控制系統的可視化開發有參考意義。2．使用三相交流固態繼電器直接控制電機啟停，簡化電機控制系統。 |
