洪穎佳，王浩然，王藎悅，羅海軍

(溫州大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，浙江 溫州 325035)

三相(單相)交流異步電機(jī)由于機(jī)械制造工藝簡(jiǎn)單、維修檢修方便、電能轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)等特點(diǎn)，有著廣泛的應(yīng)用。目前大多數(shù)交流異步電機(jī)的控制電路主要是通過(guò)接觸器、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、電容等器件，利用“強(qiáng)-強(qiáng)”控制的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)其啟停和正反轉(zhuǎn)[1-3]。圖1(a)是電容分相式異步電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制電路[3]。該電機(jī)通過(guò)改變電容器C的串聯(lián)位置，便可改變旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)向，使單相異步電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。將開(kāi)關(guān)S合在位置1，電容器C與B繞組串聯(lián)，電流IB較IA超前近90°，將開(kāi)關(guān)切換位置2時(shí)，電容器C與A繞組串聯(lián)，IA較IB超前近90°。這樣就改變了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)。圖1(b)是常見(jiàn)的三相交流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)自鎖控制電路[3]。

圖1 常見(jiàn)的單相式異步電機(jī)和三相異步電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制電路

在定子繞組中通入三相電源時(shí)，定子繞組會(huì)產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)使得電機(jī)中的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生感應(yīng)電流，此電流在磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向與繞組中電流的相序有關(guān)。相序U、V、W順時(shí)針排列，磁場(chǎng)順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，三相電機(jī)正轉(zhuǎn)。若把三根電源線中的任意兩根對(duì)調(diào)，則相序會(huì)改變，磁場(chǎng)必然逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，使三相電機(jī)反轉(zhuǎn)。此控制電路圖中，可以確保當(dāng)一個(gè)接觸器(如KM1常開(kāi)觸頭)得電，則其輔助常閉觸頭斷開(kāi)，使另一個(gè)接觸器(KM2，圖(b)最左方)不能得電。這樣消除了三根火線之間的短路隱患。

(a)正面圖

由于采取“強(qiáng)-強(qiáng)”控制，因此存在較高的安全隱患，導(dǎo)致用戶在操作時(shí)需要小心謹(jǐn)慎。針對(duì)上述不足，本文利用繼電器、電容等器件，設(shè)計(jì)了一種基于弱電(3～12 V)控制強(qiáng)電(220 V)的交流異步電機(jī)控制電路，該控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)略，性能穩(wěn)定，不僅可以用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。更由于物理原理清晰、設(shè)計(jì)巧妙，可廣泛用于大中專院校的電工學(xué)實(shí)驗(yàn)、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)和科普演示實(shí)驗(yàn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 設(shè)計(jì)原理

本設(shè)計(jì)采用大功率JQX-30F-2Z型繼電器。圖2是其外觀和觸點(diǎn)示意圖。

圖2(c)中，1和2是靜觸點(diǎn)，3和4是動(dòng)觸點(diǎn)，5和6為銜鐵，7、8兩腳為控制電路接線點(diǎn)，可以和單片機(jī)或外電路相連。當(dāng)7(或8)未加工作電壓時(shí)，5(6)和1(2)相連，當(dāng)輸入電壓達(dá)到工作電壓時(shí)銜鐵自動(dòng)吸合。5(6)則和3(4)相連。

1.1 單相交流異步電機(jī)的啟停和電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路

圖3是實(shí)現(xiàn)單相電機(jī)啟停的控制電路。對(duì)繼電器輸入工作電壓，觸點(diǎn)4和6相連，輸入交流電壓，電機(jī)啟動(dòng)；若斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，繼電器則未輸入電壓，2和6相連，電機(jī)無(wú)電壓輸入，電機(jī)停止。這樣只需連接單個(gè)繼電器。通過(guò)弱電控制繼電器的開(kāi)合狀態(tài)，進(jìn)而控制與靜、動(dòng)觸點(diǎn)相連電路的通斷狀態(tài)。這樣，便可實(shí)現(xiàn)單相異步電機(jī)啟停的控制。也可以利用單片機(jī)輸出信號(hào)，通過(guò)三極管放大電路將信號(hào)放大至繼電器工作電壓，改變其閉合狀態(tài)，即可啟動(dòng)或停止電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖3 單相電機(jī)啟停電機(jī)電路設(shè)計(jì)圖

兩個(gè)繼電器便可實(shí)現(xiàn)單相電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制，如圖4所示，一個(gè)繼電器的動(dòng)觸點(diǎn)與位置1和單相電火線相連，另一個(gè)繼電器的動(dòng)觸點(diǎn)與位置2和單相電火線相連。利用轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，切換兩個(gè)繼電器的閉合狀態(tài)，可轉(zhuǎn)換火線是從A點(diǎn)還是B點(diǎn)接入電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。為了保證安全，可以通過(guò)單片機(jī)設(shè)置代碼和外部開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)互鎖，防止火線和零線短路。

圖4 弱電控制下的單相交流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制電路圖

1.2 三相交流異步電機(jī)的啟停和正反轉(zhuǎn)控制電路

由于功率大、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，三相交流異步電機(jī)有著廣泛的應(yīng)用。為滿足更高電壓的設(shè)備工作需求，設(shè)計(jì)了弱電控制強(qiáng)電的三相交流異步電機(jī)的啟停和正反轉(zhuǎn)控制電路。

如圖5所示，U、V、W表示三相火線。當(dāng)繼電器1和繼電器2同時(shí)輸入低壓信號(hào)時(shí)，繼電器1、2都閉合，電機(jī)得電，三盞指示燈同時(shí)亮起，此時(shí)接入三相電的電機(jī)啟動(dòng)。當(dāng)切斷開(kāi)關(guān)，使得繼電器2沒(méi)有低壓信號(hào)輸入時(shí)，繼電器2不閉合、只有繼電器1閉合，此時(shí)指示燈1亮起，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖5 三相交流異步電機(jī)的啟?？刂齐娐?/p>

圖6是三相交流異步電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制電路示意圖。

圖6 三相交流異步電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制電路

圖6中，燈4為三相電機(jī)工作停止指示燈，燈5為三相電機(jī)正轉(zhuǎn)指示燈，燈6為三相電機(jī)反轉(zhuǎn)指示燈，其余器件和圖5相同。由于三相電機(jī)任意交換兩相相序即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)反轉(zhuǎn)，所以通過(guò)改變?nèi)嚯姍C(jī)連入繼電器4和繼電器5的相序?qū)崿F(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向改變。保證在繼電器3正常工作情況下，通過(guò)改變繼電器4和5的通斷就可以實(shí)現(xiàn)三相電機(jī)正反轉(zhuǎn)。當(dāng)系統(tǒng)總電源接通時(shí)，指示燈4亮起，指示燈5和6熄滅，此時(shí)表示電機(jī)不工作；當(dāng)繼電器4閉合繼電器5斷開(kāi)時(shí)，指示燈5亮起，指示燈6熄滅時(shí)，表示正轉(zhuǎn)；當(dāng)繼電器5閉合而繼電器4斷開(kāi)時(shí)，指示燈6亮起，指示燈5熄滅時(shí)，表示電機(jī)反轉(zhuǎn)。

2 設(shè)計(jì)應(yīng)用

基于這種繼電器控制下的交流異步電機(jī)電路，通過(guò)單片機(jī)輸出信號(hào)或機(jī)械控制，結(jié)合各功能不同的傳感器，可設(shè)計(jì)出一套智能控制系統(tǒng)，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，實(shí)用性強(qiáng)，應(yīng)用前景廣闊?，F(xiàn)結(jié)合智慧菜籃子系統(tǒng)和智慧家禽養(yǎng)殖系統(tǒng)做具體介紹。

2.1 智慧菜籃子控制系統(tǒng)

基于上述設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)控制的智慧菜籃子控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)具有人工機(jī)械控制、智能自動(dòng)控制兩種模式，這些模式均可通過(guò)弱電控制強(qiáng)電，實(shí)現(xiàn)單項(xiàng)電機(jī)啟停和正反轉(zhuǎn)、三相電機(jī)啟停和正反轉(zhuǎn)。同時(shí)，該系統(tǒng)結(jié)合不同傳感器，實(shí)現(xiàn)菜籃子大棚智能灌溉、智能采光、智能通風(fēng)和智能控溫等功能，采取模塊化設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。

這里主要介紹智能控制模式，圖7是該智能控制模式流程圖。

圖7 智慧菜籃子智能控制模式框圖

單片機(jī)將傳感器采集到的溫度、土壤濕度、光強(qiáng)等環(huán)境參數(shù)與設(shè)定的限值比較，當(dāng)參數(shù)值超出限定值時(shí)，開(kāi)啟相應(yīng)的工作電路，例如當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)高時(shí)，自動(dòng)打開(kāi)排風(fēng)扇進(jìn)行降溫。

通過(guò)單片機(jī)控制繼電器的開(kāi)合狀態(tài)，進(jìn)而控制交流電機(jī)的啟停和正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)灌溉、采光、通風(fēng)和控溫等功能，這里以實(shí)現(xiàn)智能采光為例進(jìn)行具體說(shuō)明。

如圖8所示，電機(jī)M與直線導(dǎo)軌相連，導(dǎo)軌兩端裝有限位器。

圖8 智能采光控制電路圖

窗簾的一端與滑塊連接，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)控制滑塊在導(dǎo)軌上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而控制窗簾的開(kāi)與合。當(dāng)溫度或光強(qiáng)高于設(shè)定閾值時(shí)，單片機(jī)從1(或3)輸出信號(hào)，繼電器1銜鐵吸合，被控制電路接通，電機(jī)開(kāi)始正轉(zhuǎn)，拉上窗簾，當(dāng)窗簾到行程開(kāi)關(guān)的滾輪位置時(shí)電機(jī)停止工作。當(dāng)光強(qiáng)低于設(shè)定閾值時(shí)，單片機(jī)控制繼電器2工作，使被控制電路接通，電機(jī)開(kāi)始反轉(zhuǎn)，打開(kāi)窗簾，當(dāng)窗簾到行程開(kāi)關(guān)的滾輪位置時(shí)電機(jī)停止工作。

2.2 智慧家禽養(yǎng)殖控制系統(tǒng)

智慧菜籃子控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)優(yōu)化改進(jìn)后也可應(yīng)用于家禽養(yǎng)殖。通過(guò)弱電控制強(qiáng)電，實(shí)現(xiàn)單相、三相電機(jī)的啟停與正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)抽水、采光、排氣等功能。結(jié)合各傳感器，利用單片機(jī)對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行判斷分析，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)的智能通風(fēng)、智能傳輸、智能采光、智能供暖、智能供水供食等功能。通過(guò)此系統(tǒng)，能更好地對(duì)家禽養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)科學(xué)合理的家禽養(yǎng)殖方式，推動(dòng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)社會(huì)下的家禽養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。

如圖9，由環(huán)境CO2氣體檢測(cè)傳感器、光照傳感器、稱重傳感器、測(cè)溫傳感器四種傳感器進(jìn)行環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)。通過(guò)傳感器以及對(duì)STM32單片機(jī)進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體的閉環(huán)控制，將養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境控制在理想的范圍內(nèi)。

圖9 智慧家禽養(yǎng)殖系統(tǒng)智能控制模式框圖

如圖10，利用稱重傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)雞飼料、雞群排泄物、雞蛋等的安全自動(dòng)化運(yùn)輸。劃定養(yǎng)殖人員啟動(dòng)傳送帶站立區(qū)，當(dāng)養(yǎng)殖人員立于養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)該區(qū)域，傳感器輸出電信號(hào)，單片機(jī)接受信號(hào)后，通過(guò)運(yùn)算輸出信號(hào)，自動(dòng)閉合繼電器1，傳送帶正轉(zhuǎn)啟動(dòng)，將物品運(yùn)輸至養(yǎng)殖場(chǎng)外。當(dāng)室外養(yǎng)殖人員位于室外區(qū)域時(shí)，通過(guò)同樣的方式，自動(dòng)閉合繼電器2，傳送帶反轉(zhuǎn)啟動(dòng)，將物品運(yùn)輸至養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)輸。

圖10 智慧家禽養(yǎng)殖系統(tǒng)的智能傳送電路設(shè)計(jì)圖

養(yǎng)殖廠內(nèi)智能供暖、供水、通風(fēng)等設(shè)計(jì)如圖11所示。具體設(shè)計(jì)如下：

智能供暖：采用測(cè)溫傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。當(dāng)溫度低于設(shè)定閾值時(shí)，傳感器輸出電信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)輸出電信號(hào)，自動(dòng)閉合繼電器，使被控制電路接通，供暖片開(kāi)始工作。當(dāng)溫度高于設(shè)定閾值的時(shí)候，被控制電路斷開(kāi)，供暖片停止工作。

智能通風(fēng)：采用CO2氣體檢測(cè)傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)室內(nèi)CO2含量超過(guò)一定范圍，傳感器輸出電信號(hào)，單片機(jī)接受信號(hào)后，通過(guò)運(yùn)算輸出信號(hào)，自動(dòng)閉合繼電器，打開(kāi)風(fēng)扇，進(jìn)行通風(fēng)。

智能供水：采用稱重傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)水量的監(jiān)測(cè)。當(dāng)水量低于設(shè)定閾值時(shí)，傳感器輸出電信號(hào)，單片機(jī)接受信號(hào)后，通過(guò)運(yùn)算輸出信號(hào)，自動(dòng)閉合繼電器，使被控制電路接通，抽水泵開(kāi)始工作，從水槽中抽水。當(dāng)水量高于設(shè)定閾值時(shí)，經(jīng)單片機(jī)處理，斷開(kāi)繼電器的控制電路，被控制的電路斷開(kāi)，抽水泵停止工作。

圖11 智慧家禽養(yǎng)殖系統(tǒng)的智能供暖、供水、通風(fēng)電路設(shè)計(jì)圖

2.3 配電箱電路的設(shè)計(jì)

為使本設(shè)計(jì)的控制電路可更具推廣性，可將控制系統(tǒng)置于配電箱中集中管理，圖12為電箱的設(shè)計(jì)電路。系統(tǒng)PCB板如圖13所示。隱藏絕大多數(shù)走線，使整個(gè)配電箱更美觀，使用者僅需要簡(jiǎn)單接線便可正常使用。

圖12 設(shè)計(jì)電箱電路

圖13 模塊化PCB板示意圖

3 結(jié) 語(yǔ)

本研究利用繼電器、12 V直流可調(diào)電源等器件，設(shè)計(jì)了一項(xiàng)基于弱電控制強(qiáng)電的交流異步電機(jī)的控制電路，該控制電路可以控制單相電機(jī)和三相電機(jī)的啟停和正反轉(zhuǎn)?；谶@些設(shè)計(jì)，結(jié)合單片機(jī)和傳感器等器件，本研究將此控制電路應(yīng)用到智慧菜籃子和智慧農(nóng)場(chǎng)控制系統(tǒng)中。該系統(tǒng)結(jié)合不同傳感器，實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)場(chǎng)的大棚種植和家禽養(yǎng)殖中的智能灌溉、智能采光、智能通風(fēng)和智能控溫等功能，應(yīng)用前景廣闊。