1、目 錄 摘 要 .i abstract.ii 1 緒 論.1 1.1 研究的目的、意義.1 1.2 國內外研究現狀.2 1.3 本課題研究內容.3 2 三相異步電動機的起動控制的研究.4 2.1 三相異步電動機的起動過程的分析.4 2.2 三相異步電動機的起動方法.6 2.2.1 直接起動.6 2.2.2 傳統減壓起動.7 2.2.3 軟啟動.10 2.3 軟起動的原理及分析.11 2.3.1 晶閘管調壓原理.11 2.3.2 軟起動的起動方式.13 3 軟啟動器的硬件電路設計.16 3.1 主要器件的介紹.16 3.1.1 kj004 功能介紹.16 3.1.2 kj041 功能介紹.18

2、3.1.3 kj042 功能介紹.19 3.2 主電路的選擇.20 3.2.1 調壓方式的選擇.20 3.2.2 晶閘管相控調壓原理.21 3.3 主回路設計.21 3.3.1 主回路電路.22 3.3.2 晶閘管參數選擇.23 3.3.3 晶閘管觸發電路.23 3.3.4 晶閘管保護電路.26 3.4 電壓檢測回路.26 3.4.1 同步信號檢測.27 3.4.2 電壓反饋回路.28 3.5 電流檢測回路.30 3.5.1 電流反饋回路.30 3.5.2 過電流保護電路.31 4 基于單片機的軟起動器的設計.31 4.1 單片機控制系統設計.32 4.2 控制軟件設計.34 4.3 觸發脈沖

3、控制的軟件設計.36 結束語.44 參考文獻.45 致 謝.46 三相異步電動機軟啟動器的設計 摘 要 三相異步電動機因具有結構簡單、制造方便、運行可靠、價格低廉等優點，而廣 泛應用在工業、農業、交通運輸業、國防工業以及其他各行各業中。但它也有明顯的 缺點，那就是起動轉矩小，起動電流過大。這種情況對電機本身及周圍電網都有非常 不利的影響。為了減小異步電動機起動過程中對電網的沖擊、消除傳統降壓起動設備 的有級觸點控制對異步電動機的沖擊、改善異步電動機的起動特性，本文對基于單片 機控制的晶閘管調壓軟起動器進行討論。 本文首先闡述了軟起動器晶閘管調壓電路(即主電路)的工作原理，主要是基于晶閘 管的三

4、相異步電動機軟啟動器主電路設計和觸發電路設計。然后是對電動機軟啟動器 模式的設計，但主要還是軟起動器的硬件電路設計。 本文設計的軟起動器操作方便簡單，能夠使電機順利起動。使之能達到了改善三 相異步電動機起動性能的要求。在滿足異步電動機起動轉矩要求及降低起動電流的前 提下，使電機能夠平穩可靠起動。 關鍵詞關鍵詞：異步電動機；晶閘管；軟起動 design of three-phase asynchronous motorsoft starter abstract three-phase asynchronous motor has a wide range of application in in

5、dustry,argriculture，transportation business，defense industry and other walks of lifebut it also has the obvious shortcomings that starting torque, starting current. this kind of situation of motor and power are very disadvantageous around. in order to reduce the asynchronous motor start-up process f

6、or grid, eliminate the impact of traditional step-down start equipment has control of contacts in the level of asynchronous motor, improve the impact of asynchronous motor starter characteristics, this article based on the single chip microcomputer control thyristor surge soft starter are discussed.

7、 this article elaborates the soft starter thyristor regulating circuit, which is based on thyristor three-phase asynchronous motor soft starter main circuit design and implement trigger circuit design. then the motor soft starter, but the pattern design of main or soft starter hardware circuit desig

8、n. this article designs the soft starter operation convenience simple, can make the motor starts smoothly.to achieve improved three-phase asynchronous motor starting performance requirements. in asynchronous motor starting torque requirements and reduce starting current, under the premise of the mot

9、or can be stable and reliable. keywords：asynchronous motor; thyristor; soft starter 1 緒 論 1.1 研究的目的、意義 三相異步電動機，由于其結構簡單、制造方便、價格低廉、堅固耐用、運行可靠、 很少需要維護及可用于惡劣環境等優點，在工業、農業、交通運輸、國防軍事和日常 生活中得到了廣泛的應用，當前大部分工業拖動都是以交流異步電動機作為動力，包 括風機、水泵、油泵、壓縮機等。 但是，由于其固有的啟動性能較差，直接起動又容易造成對周圍電網的影響。通 常要求采用專門的啟動設備完成正常的啟動工作，尤其頻繁啟動時更是如

10、此。然而， 它是以反電勢為主的負載，即以反電勢來平衡外加電壓。電動機的反電勢隨著轉子轉 速的增加而逐漸增大，電動機在起動開始時反電勢為零，所以起動電流很大。電動機 起動時刻出現的起動電流一般高出額定電流 37 倍，特殊情況下可達到 10 倍以上， 這樣大的起動電流不僅加重了進線供電電網以及接在電動機前面的開關電器的負荷， 而且對電網及其負載造成干擾，特別是當電動機容量較大時，沖擊電流會對電網及其 負載造成干擾，嚴重時，甚至危害電網的安全運行1。啟動電流過大時，將使電動機本 身受到過大電磁力的沖擊，如果經常啟動 ，還有使繞組過熱的危險。同時，由于啟動 應力較大，使得負載設備的使用壽命降低。還有，

11、由于起動應力較大，出現的巨大轉 矩又會使電動機發生劇烈的沖振，并且也給用作動力傳輸輔助設備和做功機械設備帶 來不可避免的機械沖擊。所以，這種“硬起動”不僅會縮短傳動單元和做功機械設備 的使用壽命，而且過高的起動電流還會引起供電電網的電壓驟然跌落，致使那些對電 壓敏感的用電設備產生負面影響。因此，對三相感應電動機軟起動情況進行研究是非 常有現實意義的。 為了降低起動電流，人們采用了各種降壓起動技術。比較傳統和應用較普遍的有 變壓器降壓起動，串電抗器起動和 y/轉換等等。采用這些傳統起動方式起動時降低 了加在定子繞組的電壓，起到了一定的限流作用，但仍存在著很多問題，例如靠接觸 器切換電壓來達到降壓

12、的目的，所以無法從根本上解決起動瞬時電流尖峰的沖擊；起 動轉矩不可調，存在二次沖擊電流；對負載產生沖擊轉矩，當電網電壓下降時，可能 造成電動機堵轉；容易造成接觸器觸點的拉弧損壞。 近幾年來隨著電力電子技術和微機控制技術的發展，國內外相繼開發出以晶閘管 為核心的電路元件、以單片機為控制核心的異步電動機軟啟動設備。該軟啟動設備平 滑了異步電動機加速過程，大大減緩了對電網及機械設備的沖擊。采用電力半導體器 件對電動機進行啟動控制的電力電子軟啟動器解決了傳統降壓啟動方法存在的二次電 流沖擊問題 ，具有無觸點、 啟動電流及啟動時間可控、 啟動過程平滑等優點，并且 維護工作量小，具備完善的電動機保護功能。

13、晶閘管軟啟動器是一種集軟啟動、軟停 車、輕載節能和多功能保護于一體的新穎電機控制裝備。它不僅實現在整個啟動過程 中實現無沖擊而平滑地啟動電機，而且可根據電動機負載的特性來調節啟動過程中的 參數，如限流值、啟動時間等。此外，它還具有多種對電機保護功能，這就從根本上 解決了傳統的降壓啟動設備的諸多弊端。本文詳細介紹三相異步電動機軟啟動器的設 計。 1.2 國內外研究現狀 我國軟起動技術起步于上世紀 80 年代早期，目前生產電機啟動器的廠家很多，先 后也推出了多種品牌的軟起動器。但由于國內自主開發和生產的能力相對較弱，對國 外產品的依賴還是很嚴重。在技術上和可靠性上與國外同類產品尚有一定的差距。所

14、以在整個軟起動器市場上，占據統治地位的還是國外產品，國內產品所占的份額還是 很低。 目前市場上生產的軟啟動器主要以機械式和三相反并聯晶閘管方式為主。機械式 啟動器是目前使用比較廣泛的啟動方式，但它是有級起動，會產生二次沖擊電流，啟 動電流仍然為標稱電流的 34 倍，且有體積大、噪音大、維護費用高、無法適應惡劣 環境等諸多弊端。 近三十年來，隨著電力電子技術的發展，使無電弧開關和連續調節電流成為可能。 電力半導體開關器件具有無磨損、壽命長、功耗小等特點，結合現代控制理論及微機 控制技術，為實現電機的軟起動提供了全新的思路。要突破傳統的啟動方式，是離不 開電力電子技術和微機控制技術的發展的。 隨著

15、這些技術的不斷進步，電力電子軟起動裝置也取得了長足的進步，采用這些 方法可以使三相異步電動機獲得很好的起動性能。近三十多年來，國外對晶閘管三相 交流調壓電路進行了廣泛的研究，在工業、農業領域得到廣泛的應用。如美國 ab 公 司、英國 ct 公司、法國 te 公司、德國 aeg 公司、瑞士 abb 公司等均推出了軟起動 器系列產品，如 ge 公司生產的最大功率達到 850kw，額定電壓 500v，額定電流 1180a，最大起動電流 5900a；abb 公司生產的最大功率達到 1200kw，額定電壓 690v，額定電流 1000a；意大利 siei 工公司生產的額定電壓 690v，額定電流 160

16、0a；美國 bs 公司還生產中壓 613.8kv 同步或異步電動機軟起動器，最大功率達 到 10000kw2。 目前在國外，發達國家的電動機軟起動產品主要是固態軟起動裝置晶閘管軟 起動和兼作軟起動的變頻器。在生產工藝兼有調速要求時，采用變頻裝置。在沒有調 速要求使用的場合下，起動負載較輕時一般采用晶閘管軟起動。在重載或負載功率特 別大的時候，才使用變頻軟起動。晶閘管軟起動裝置是發達國家軟起動的主流產品， 各知名電氣公司均有自己晶閘管軟起動的品牌，在其功能上又各具特色。例如 ge 公 司生產的 astat 智能電機軟起動器；abb 公司生產的 pst、pstb 系列電機軟起動器； 施耐德公司的

17、ats46 軟起動器；德國 siemens 公司的 3rw22 sikostart 軟起動器 等等。目前，國外對晶閘管三相交流調壓電路的研究己經從對控制電壓、控制電機電 流的開環、閉環方式，發展到通過建立比較準確實用的數學模型，找到適用于三相交 流調壓電路電機負載的控制方法，從而使三相交流調壓電路電機負載性能更優3。另一 方面，隨著電力電子技術的發展，異步電動機向更加可靠、方便性好、小型化方向發 展。 1.3 本課題研究內容 軟啟動器本質上是一種直流調壓裝置，用來實現軟啟動、軟停車、實時監測以及 各種保護功能。為了保證系統安全可靠地運行，可以充分發揮單片機的強大控制功能， 由主控制電路對系統的

18、關鍵器件和關鍵參數，例如過壓、欠壓、過流、過載、等進行 實時監控。隨著數字直流 pwm 調壓技術的應用，以及采用高性能的單片機作為系統 的控制核心，可以使軟啟動器具有控制快速準確、響應快、運行穩定、可靠等優點。 在三相交流異步電動機不宜采用直接啟動的時候，可以考慮采用定子串電阻或串 電抗器啟動、y-啟動、自耦變壓器降壓啟動、轉子串電阻啟動、晶閘管電子軟啟動、 分級變頻軟啟動、兩相變頻調壓軟啟動等方法。 結合各方面的因素及實際情況，本課題研究的內容主要有： (1)研究三相調壓軟起動的基本原理，對三相異步電動機的起動電流和起動轉矩進 行分析，對軟起動控制策略進行研究。 (2)對三相晶閘管軟起動系統

19、進行硬件設計。包括主電路，觸發電路，檢測電路， 控制電路，驅動電路等。 (3)實現三相異步電動機軟啟動器模式的設計和軟件的有關設計。 (4)用 protel 繪制系統的原理圖。 本課題的目標是實現三相異步電機的軟啟動，甚至使軟啟動器能夠根據電機負載 的實際情況改變。 2 三相異步電動機的起動控制的研究 交流三相異步電動機的傳統啟動技術，如定子串電阻/電抗器啟動、自耦變壓器降 壓啟動、星形-三角形降壓啟動、轉子串電阻或頻敏變阻器啟動等，在交流電動機啟動 技術發展過程中都有過重要應用。但隨著晶閘管技術的發展，三相交流調壓軟啟動器 因為具有性能良好、產品多樣、電壓可連續調節以及轉矩或電流可閉環控制等

20、優點， 使得電子軟啟動器得到了深入而廣泛的發展，成為軟啟動市場中的主流產品。 2.1 三相異步電動機的起動過程的分析 為了研究三相異步電動機的起動時的電壓、電流、轉矩等變量的關系，進而分析 異步電機起動時的電流、起動轉矩和所外加電壓的關系，就要研究電機的數學模型。 對于電動機的軟起動而言，多采用基于集中參數等效電路的數學模型。在不改變異步 電動機定子繞組中的物理量和異步電機的電磁性能的前提下，經頻率和繞組的計算， 把異步電動機轉子繞組的頻率、相數、每相有效串聯匝數都歸算成和定子繞組一樣， 即可用歸算過的基本方程式推導出異步電動機的等效電路。三相異步電動機的 t 形穩 態等效電路如圖 2-1 所

21、示： x2r2x1r1 xm rm i1i2 imu1 1-s s r2 圖 2-1 異步電動機的等效電路 其中，r1為定子繞組的電阻，x1為定子繞組的漏電抗，r2為歸算到定子方面的轉子 繞組的電阻，x2為歸算到定子方面的轉子繞組的漏抗。rm代表與定子鐵心損耗所對應 的勵磁電阻，xm代表與主磁通相對應的鐵心磁路的勵磁電抗。u1為定子電壓向量，e1 為定子感應電動勢向量，i1為定子電流向量，im為磁電流向量。基于 t 形等效電路的 數學模型為： (2-1) 11111111 ue ()zi rjxei (2-2) 2 222 r eijx s （+） (2-3) 12m iii (2-4) 1

22、2 emm mmm eizirjx 由以上四式可得： (2-5) 2 2 1 112 112 1 1 mm mm r jx s rjx iu rjxr rjxjx rjxs 在異步電動機里，因為 r1x1，rmxm，故可以省去 r1，rm，則式(2-5)可以表示為： (2-6) 1 12 112 ()1( ) m m u ii xr rjxjx xs 由等效電路可見，異步電動機輸入的電功率 p1一部分消耗在釘子繞組的電阻而稱 為定子銅耗 pcu1，一部分消耗在定子鐵心上而變成鐵耗 pfe，剩余的通過氣隙傳遞到轉 子的功率成為電磁功耗 pem。其中 pem為： (2-7) 1222122 cos

23、 / em pm eim irs 電磁轉矩為： (2-8) 0 (1) 1 mecmecem em ps pp t s 其中，為同步角速度；為轉子機械角速度；pem為機械功 11 0 2 2 60 nf p 2 60 n 率。由式(2-7)和式(2-8)可得： (2-9) 2 2 1 2 01 2 em em prp tm i fs 根據 t 形等效電路可得： (2-10) 1 2 22 2 112 ()() u i r rxx s 將式(2-10)代入(2-9)得： (2-11) 2 2 1 1 2 21 2 112 2 2 em r u pm t f r rxx s 剛起動時，轉子 n=0

24、，轉差率 s=1，此時啟動轉矩為： (2-12) 2 112 22 1 1212 2 st pmu r t f rrxx 同時，由于激磁電流相對較小即，近似為 1，由式(2-6)的啟動電流為： 0mi 1 1 m x x (2-13) 1 22 212 st u i rrxx 由式(2-12)和式(2-13)可知，起動轉矩正比于定子端電壓的平方，起動電流正比于定 子電壓。起動電壓較低時，起動轉矩較小，電流也較小；反之，如果電壓較高，則起 動轉矩較大，但同時起動時的沖擊電流也很大。 而異步電動機的起動特性主要表現在起動電流和起動轉矩兩個方面：希望電動機 起動時能產生足夠的起動轉矩，以便帶動負載快

25、速地達到正常轉速；同時，也希望起 動電流不要太大。因為在供電變壓器的容量比較小的情況下，過大的起動電流將造成 較大的線路壓降，從而影響接在同一電網上的其它電氣設備的正常運行。 下面針對異步電動機的起動特性，分析起動方式的原理和應用。 2.2 三相異步電機的啟動方法 三相異步電動機的起動方法主要有直接起動、傳統減壓啟動和軟啟動三種啟動方法。 下面就分別做詳細介紹。 2.2.1 直接起動 直接起動，也叫全壓起動。起動時通過一些直接起動設備，將全部電源電壓(即全 壓)直接加到異步電動機的定子繞組，使電動機在額定電壓下進行起動。一般情況下， 直接起動時起動電流為額定電流的 38 倍，起動轉矩為額定轉矩

26、的 12 倍。根據對 國產電動機實際測量，某些籠型異步電動機起動電流甚至可以達到 812 倍。 直接起動的起動線路是最簡單的，如圖 2-2 所示。然而這種起動方法有諸多不足。 對于需要頻繁起動的電動機，過大的起動電流會造成電動機的發熱，縮短電動機的使 用壽命；同時電動機繞組在電動力的作用下，會發生變形，可能引起短路進而燒毀電 動機；另外過大的起動電流，會使線路電壓降增大，造成電網電壓的顯著下降，從而 影響同一電網的其他設備的正常工作，有時甚至使它們停下來或無法帶負載起動。這 是因為 ts 及 tm 均與電網電壓的平方成正比，電網電壓的顯著下降，可使 ts 及 tm 均下降到低于 tz。 一般情

27、況下，異步電動機的功率小于 75kw 時允許直接起動。如果功率大于 75kw，而電源總容量較大，能符合下式要求的話，電動機也可允許直接起動。 1 1 1 1 3 4 st n kv ai k ikw 電源總容量 起動電動總功率 如果不能滿足上式的要求，則必須采用減壓啟動的方法，通過減壓，把啟動電流 ist 限制到允許的數值。 m3 fu1fu2 fu3 km 圖 2-2 直接啟動原理圖 2.2.2 傳統減壓起動 減壓起動是在起動時先降低定子繞組上的電壓，待起動后，再把電壓恢復到額定 值。減壓起動雖然可以減小起動電流，但是同時起動轉矩也會減小。因此，減壓起動 方法一般只適用于輕載或空載情況。傳統

28、減壓起動的具體方法很多，這里介紹以下三 種減壓起動的方法： (1)定子串接電阻或電抗起動 定子繞組串電阻或電抗相當于降低定子繞組的外加電壓。由三相異步電動機的等 效電路可知：起動電流正比于定子繞組的電壓，因而定子繞組串電阻或電抗可以達到 減小起動電流的目的。但考慮到起動轉矩與定子繞組電壓的平方成正比，起動轉矩會 降低的更多。因此，這種起動方法僅僅適用于空載或輕載起動場合。 對于容量較小的異步電動機，一般采用定子繞組串電阻降壓；但對于容量較大的 異步電動機，考慮到串接電阻會造成銅耗較大，故采用定子繞組串電抗降壓起動。 如圖 2-3 所示：當起動電機時，合上開關 q，交流接觸器 km 斷開，使電源

29、經電 阻或電抗 r 流進電機。當電機起動完成時 km 吸合，短接電阻或電抗 r。 km m3 fu2 fu3 fu1 r fr q uvw 圖 2-3 定子串電阻或電抗起動原理圖 (2)星-三角形(丫-)起動 星-三角形起動法是電動機起動時，定子繞組為星形(丫)接法，當轉速上升至接近 額定轉速時，將繞組切換為三角形()接法，使電動機轉為正常運行的一種起動方式。 星-三角形起動方法雖然簡單，但電動機定子繞組的六個出線端都要引出來，略顯麻煩。 圖 2-4 為星-三角形起動法的原理圖。接觸器 km2 和 km3 互鎖，即其中一個閉合 時，必須保證另一個斷開。km2 閉合時，定子繞組為星形(丫)接法，

30、使電動機起動。 切換至 km3 閉合，定子繞組改為三角形()接法，電動機轉為正常運行。由控制電路 中的時間繼電器 kt 確定星-三角切換的時間。 定子繞組接成星形連接后，每相繞組的相電壓為三角形連接(全壓)時的 l/，故 3 星-三角形起動時起動電流及起動轉矩均下降為直接起動的 13。由于起動轉矩小，該 方法只適合于輕載起動的場合。 km3km1 m3 fu2 fu3 fu1 fr q uvw km2 圖 2-4 星-三角形起動法的原理圖 (3)自耦變壓器起動 自耦變壓器起動法就是電動機起動時，電源通過自耦變壓器降壓后接到電動機上， 待轉速上升至接近額定轉速時，將自耦變壓器從電源切除，而使電動

31、機直接接到電網 上轉化為正常運行的一種起動方法。 圖 2-5 所示為自耦變壓器起動的自動控制主回路。控制過程如下：合上空氣開關 q 接通三相電源。按啟動按鈕后 km1 線圈通電吸合并自鎖，其主觸頭閉合，將自耦變 壓器線圈接成星形，與此同時由于 km1 輔助常開觸點閉合，使得接觸器 km2 線圈通 電吸合，km2 的主觸頭閉合由自耦變壓器的低壓抽頭(例如 65)將三相電壓的 65接 入電動。當時間繼電器 kt 延時完畢閉合后，km1 線圈斷電，使自耦變壓器線圈封星 端打開；同時 km2 線圈斷電，切斷自耦變壓器電源，使 km3 線圈得電吸合，km3 主 觸頭接通電動機在全壓下運行。自耦變壓器一般

32、有 65和 80額定電壓的兩組抽頭。 若自耦變壓器的變比為 k，與直接起動相比，采用自耦變壓器起動時，其一次側起 動線電流和起動轉矩都降低到直接起動的 lk2。 自耦變壓器起動法不受電動機繞組接線方式(丫接法或接法)的限制，允許的起動 電流和所需起動轉矩可通過改變抽頭進行選擇，但設備費用較高。 圖 2-5 異步電動機的自耦變壓器起動法 自耦變壓器起動適用于容量較大的低壓電動機作減壓起動用，應用非常廣泛，有 手動及自動控制線路。其優點是電壓抽頭可供不同負載起動時選擇；缺點是質量大、 體積大、價格高、維護檢修費用高。 2.2.3 軟啟動 軟起動可分為有級和無級兩類，前者的調節是分檔的，后者的調節是

33、連續的。在 電動機定子回路中，通過串入限流作用的電力器件實現軟起動，叫做降壓或者限流軟 起動。它是軟起動中的一個重要類別。按限流器件不同可分為：以電解液限流的液阻 軟起動；以磁飽和電抗器為限流器件的磁控軟起動；以晶閘管為限流器件的晶閘管軟 起動。 晶閘管軟起動產品問世不過 30 年左右的時間，它是當今電力電子器件長足進步的 結果。10 年前，電氣工程界就有人預言，晶閘管軟起動將引發軟起動行業的一場革命。 目前在低壓(380v)內，晶閘管軟起動產品價格已經下降到液阻軟起動的大約 2 倍，甚 至更低。而其主要性能卻優于液阻軟起動。與液阻軟起動相比，它的體積小、結構緊 湊，維護量小，功能齊全，菜單豐

34、富，起動重復性好，保護周全，這些都是液阻軟起 動無法比擬的。 但是晶閘管軟起動產品也有缺點。一是高壓產品的價格太高，是液阻軟起動產品 的 510 倍，二是晶閘管引起的高次諧波比較嚴重。 2.3 軟起動的原理及分析 2.3.1 晶閘管調壓原理 晶閘管的控制方式有兩種：一是相位控制，即通過控制晶閘管的導通角來調壓； 二是周波控制，即把晶閘管作為靜止接觸器，交替的接通與切斷幾個周波的電源電壓， 用改變接通時間與切斷時間之比來控制輸出電壓的有效值，從而達到調壓的目的。但 周波控制用在異步電機定子上時，通斷交替的頻率不能太低，一方面會引起電動機轉 速的波動，另一方面每次接通電流就相當于一次異步電動機的重

35、起動過程。當電源切 斷時，電動機氣隙中的磁場將由轉子中的瞬態電流來維持，并隨著轉子而旋轉，氣隙 磁場在定子繞組中感應的電動勢頻率將有所變化，當斷流時問隔較長時，這個旋轉磁 場在定子中感應的電勢和重新接通時的電源電壓在相位上可能會有很大的差別，這樣 就會出現較大的電流沖擊，可能危及晶閘管的安全。故在異步電動機的調壓控制中， 晶閘管調壓一般采用相位控制。采用相位控制時，輸出電壓波形已不是正弦波，經分 析可知，輸出電壓不含偶次諧波，奇次諧波中以三次諧波為主要成分。諧波在異步電 機中會引起附加損耗，產生轉矩脈動等不良影響。此外，由于異步電機是感性負載， 從電力電子學中可以知道，當晶閘管交流調壓回路帶有

36、感性負載時，只有當移相角大 于負載的功率因數角時，才能起到調壓的作用。當時，電流導通的時間將始終保 持在 180。其情況與=0 時一樣，相控不起任何調壓作用，甚至在晶閘管觸發脈沖不 夠寬的情況下，出現只有一個方向上的晶閘管工作，負載上出現直流分量，對晶閘管 造成危害。為了保證晶閘管的安全，在使用相控晶閘管電路時采用寬脈沖觸發，移相 范圍限制在-e1(-15v)，v5又重新導通。使 v7、v8截 止，輸出脈沖終止。脈沖前沿由 v4 導通時刻確定，脈沖寬度與反向充電回路時間常數 r11c3有關。電路的觸發脈沖由脈沖變壓器 tp 二次側輸出，其一次繞組接在 v8集電極 電路中。 2、鋸齒波的形成和脈

37、沖移相環節 鋸齒波電壓形成的方案較多，如采用自舉式電路、恒流源電路等。鋸齒波電路由 v1、v2、v3和 c2等元件組成，v1、vs、rp2和 r3為一恒流源電路。鋸齒波是由開關 v2管來控制的。 v2截止時，恒流源電流 i1c對電容 c2充電， 調節 rp2，即改變 c2的恒定充電電流 i1c，可見 rp2是用來調節鋸齒波斜率的。v2導通時，因 r4很小故 c2迅速放電，ub3電 位迅速降到零伏附近。v2周期性地通斷，ub3便形成一鋸齒波，同樣 ue3也是一個鋸齒 波。射極跟隨器 v3的作用是減小控制回路電流對鋸齒波電壓 ub3的影響。 v4基極電位由鋸齒波電壓、控制電壓 uco、直流偏移電壓

38、 up三者作用的疊加所定。 如果 uco=0，up為負值時，b4點的波形由 uh+up確定。當 uco為正值時，b4點的波形由 uh+up + uco確定。 m 點是 v4由截止到導通的轉折點，也就是脈沖的前沿。加 up的目的是為了確定 控制電壓 uco=0 時脈沖的初始相位。 在三相全控橋電路中，接感性負載電流連續時，脈沖初始相位應定在 a=90；如果 是可逆系統，需要在整流和逆變狀態下工作，要求脈沖的移相范圍理論上為 180（由 于考慮 amin和 min，實際一般為 120），由于鋸齒波波形兩端的非線性，因而要求鋸 齒波的寬度大于 180，例如 240，此時，令 uco=0，調節 up的

39、大小使產生脈沖的 m 點 移至鋸齒波 240的中央（120處），相應于 a=90的位置。 如 uco為正值，m 點就向前移，控制角 a90，晶閘管電路處于逆變狀態。 3、同步環節 同步指要求觸發脈沖的頻率與主電路電源的頻率相同且相位關系確定。 v2開關的頻率就是鋸齒波的頻率，由同步變壓器所接的交流電壓決定。v2由導通 變截止期間產生鋸齒波，鋸齒波起點基本就是同步電壓由正變負的過零點。v2截止狀 態持續的時間就是鋸齒波的寬度，其大小取決于充電時間常數 r1c1。 4、雙窄脈沖形成環節 內雙脈沖電路由 v5、v6構成“或”門。當 v5、v6都導通時，v7、v8都截止，沒有 脈沖輸出，只要 v5、v

40、6有一個截止，都會使 v7、v8導通，有脈沖輸出。第一個脈沖 由本相觸發單元的 uco對應的控制角 a 產生。隔 60的第二個脈沖是由滯后 60相位的 后一相觸發單元產生（通過 v6）。晶閘管觸發電路總圖如圖 3-9 所示。 直流電源 同 步 電 源 輸 入 kj004 產生單脈沖 kj042 產 生脈沖調 制列 4066 模擬 開關 實現 寬窄 切換 脈沖 放大 驅動 scr 寬脈沖列 圖 3-9 觸發電路框圖 3.3.4 晶閘管保護電路 晶閘管由于擊穿電壓接近工作電壓，熱容量又較小，所以承受過電壓、過電流能 力較差，短時間內的過電壓、過電流都可能造成元件損壞。為了使晶閘管能正常工作， 除了

41、合理的選擇元件外，還必須對過電流，過電壓的發生采取保護措施。 (1)過電流保護 晶閘管設備發生過電流有可能是晶閘管損毀、觸發電路或控制系統有故障等。針 對這些情況，除了用軟件來實現保護外，還可以在硬件電路中加入快速熔斷器來保護 晶閘管的過電流。 (2)過電壓保護 我們知道晶閘管有一個重要的特性參數，即斷態電壓臨界上升率 du/dt。它表明 晶閘管在額定結溫和門極斷路條件下，使晶閘管從斷態轉入通態的最低電壓上升率。 若電壓上升率過大，超過了晶閘管的電壓上升率的值，則會在無門極信號的情況下開 通。即使此時加于晶閘管的正向電壓低于其陽極峰值電壓，也可能出現這種情況7。 為了限制電路電壓上升率過大，確

42、保晶閘管安全運行，本設計在晶閘管兩端并聯 rc 阻容吸收網絡，利用電容兩端電壓不能突變的特性來限制電壓上升率。如圖 3-7 中 所示。因為電路總是存在電感的，所以與電容 c 串聯電阻 r 可起阻尼作用，它可以防 止 r、l、c 電路在過渡過程中，因振蕩在電容器兩端出現的過電壓損壞晶閘管。同時， 避免電容器通過晶閘管放電電流過大，造成過電流而損壞晶閘管。 3.4 電壓檢測回路 在電壓檢測回路中，盡量實現以下三個功能。其一是同步信號的檢測功能，采樣 三相電壓的自然換相點，它作為晶閘管脈沖觸發信號的同步信號；其二是通過檢測晶 閘管輸出端可以得到晶閘管導通時刻的檢測，以便做電壓反饋和缺相故障檢測；其三

43、 是將三相晶閘管輸出電壓信號通過電阻降壓后轉變成直流信號，再經 a/d 轉換后送入 到單片機中，作為過壓或欠壓保護的信號。 3.4.1 同步信號檢測 為了保證三相交流調壓器主回路中各個晶閘管的觸發脈沖與其陽極電壓保持嚴格 的相位關系。在電機軟起動器的設計過程中，同步信號檢測是很重要的一個環節。只 有準確的測量出電壓的過零點，才能精確的控制晶閘管的導通角，從而實現對電機兩 端電壓的無極加載，完成軟起動的功能。采用如圖 3-10 所示的電路作為電壓同步信號 檢測電路8。從圖中可以看出，這個電路的功能就是將由電源側來的線電壓正弦信號轉 為低壓方波信號來供單片機進行處理分析。由于這里的信號是從高壓轉為

44、低壓送入單 片機處理的，因此要利用一塊光耦對高低壓信號進行隔離，這樣保證了這兩種信號可 以互不干擾地分離處理。整個工作過程大體是這樣的：由電源側來的線電壓信號經過 2 個電阻和 1 個二極管，變成半波交流信號，這個交流信號在正半波時觸發光耦導通， 從而使得右側輸入到單片機的是高電平信號；而當光耦左側交流信號處于低電平時， 光耦則截止。那么右側輸入到單片機的信號也就是低電平。這樣周而復始，單片機所 得到的就是幅值為 5v 的方波信號，周期等同于電源的周期即工頻 50hz，而高低電平 持續的時間也基本與電源側正負交流信號所持續的時間大致相同，雖然其間存在著一 定的時延，但這可以通過軟件進行補償，從

45、而既簡化了外圍硬件電路的設計，又得到 了與電源電壓同步的信號，為下面給出晶閘管觸發信號提供了工作電壓零點的基準。 圖中右端接主控單片機芯片。這個電路的優點在于：一方面，在起動未開始或是開始 瞬間，這個電路就可以檢測到器件電壓零點；另外，由于輸入的交流信號是直接從電 源側獲取的，因此這就不需要像其他電路那樣需要先利用變壓器取得交流信號再進行 處理，這樣就既節省了線路板的空間，又節約了成本9。 u v r11 r15 r13 vd5 d11 +5v tlp521 圖 3-10 同步信號檢測電路 同時，可以利用圖 3-10 這個電路(以下稱為電路 i)和另一套與電路 i 基本相同的電 路(以下稱為電

46、路 ii)配合，進行電源的相序判斷和缺相檢測。簡要介紹一下工作原理。 電路 ii 和電路 i 結構基本相同，存在的區別就是，假設電路 i 的輸入側連接電源的 u、v 兩相，而電路 ii 輸入側連接的就是電源的 v、w 兩相，且輸出信號是分別送入 主控單片機芯片的外部中斷輸入口。 我們假設電路 i 接的是電源的 u、v 相，而電路 ii 接的是 v、w 相，這樣在三相 電源正常工作時，當 uv 線電壓發生正跳變(即從負半波轉為正半波)時，vw 線電壓為 負，那么電路 ii 送入 cpu 的信號就為低電平；當 uv 線電壓發生負跳變時，vw 線電 壓為正，那么電路 ii 送入 cpu 的信號是高電

47、平(如果電路 ii 接的是 w、v 相，那么兩 次送入 cpu 的信號高低電平情況就相反)。同步信號示意圖如下 t v 圖 3-11 同步信號示意圖 而當電源發生缺相故障時，uv 線電壓無論發生何種跳變時，vw 線電壓都同為正 或同為負，這樣電路 ii 送入單片機的信號將同為高電平或低電平。設置電路 i 接入單 片機的 p32 引腳在信號每次跳變時都產生中斷，并在每次跳變中斷時記錄下電路 ii 接入單片機的 p33 引腳的狀態，通過兩次對比 p32 引腳的電平情況，從而判斷出 所連入電路中三相電源的相序，為下一步產生正確的脈沖觸發信號序列奠定基礎。同 時在電源缺相時，也能判斷出故障狀況，并封鎖

48、脈沖信號及給出報警信號和顯示信息。 3.4.2 電壓反饋回路 電壓反饋回路如圖 3-12 所示。下面的電路可以得到與晶閘管導通與關斷時刻相匹 配的工頻 50hz 的矩形波。簡單介紹一下電路構成：u 為三相電源的一個輸入端(即一 組晶閘管輸入側)，r 是與之相應的電機輸入端(即相應晶閘管輸出側)。6n139 是一塊 高速達林頓光耦，既保證高壓側與單片機低壓部分的隔離，又能快速反應出晶閘管導 通/截止的時刻。通過計算單片機 i/o 口的高低維持時間，我們就可以計算出晶閘管的 導通角，作為輸出電壓反饋，同時可以檢測出電壓是否缺相，并發出報警信息，及時 通知操作人員出現故障的某一相電源。圖 3-12

49、顯示的是一路電壓反饋的檢測，還有兩 路與之相似的電路檢測 v、w 相。 r30 整流橋 br1 2 3 +15 +15 r29 r28 r27 u3 6n139 圖 3-12 電壓反饋回路 3.4.3 電壓過欠保護電路 當電機經常處于過壓運行時，鐵損增加，效率降低。同時鐵損的增加，帶來鐵芯 的溫升、電極的冷卻、絕緣層壽命的縮短以及金屬某些物理性質變壞等諸多問題，所 以電機不能長時間地運行在過電壓狀態，因此在系統中加入過壓及欠壓保護節很有必 要。在實際工作中，當輸入電壓超過 420v(即 l1 倍額定電壓)時則認是過電壓，起動 過電壓保護；而當輸入電壓低于 340v(即 09 倍額定電壓)時則認

50、為是欠電壓，起動欠 電壓保護11。具體保護電路如圖 3-6 所示。過壓和欠壓比較器先設定一個適當的值(該 值由過壓值 420v 和欠壓值 340v 轉換得來)，當采樣到的電壓一旦超過過壓值或者低于 欠壓值時，馬上產生一個下降沿的中斷送到輔助單片機)中的外部中斷口 p32，迅速 產生中斷使得程序立即封鎖晶閘管輸出脈沖，并發出過壓或欠壓報警信號。本設計采 用硬件模擬比較產生中斷的方式，雖然它的精度比不上軟件數字式，但是硬件模擬比 較具有響應速度快，反應靈敏的特點，這點在保護回路中具有很大的優勢。另有一個 缺點，本系統中由于單片機的外部中斷口僅有兩個，故過壓和欠壓都接到同一個外部 中斷口。在發生過欠

51、壓報警后，需要操作人員簡單測試一下電機輸入側的電壓，以 最終確定是過壓報警還是欠壓報警。 + - + - +5 +5 +5 +5 r71 r72 r73 r74 r76 r77 r78 r79 r80 r81 r82 r75 r s t 圖 3-13 電壓過欠保護電路 3.5 電流檢測回路 電流檢測回路包括了電流反饋回路和保護回路兩方面。通過霍爾傳感器將三相電 流信號轉換成電壓信號，再將這個電壓信號經過 ad 轉換后送入到單片機中作為電 流負反饋調節、故障檢測和過流保護的依據。 3.5.1 電流反饋回路 電流反饋信號取自電機的定子側，采樣器件為霍爾元件，采樣后得到三相電流信 號，將此電流信號經

52、過精密電阻得到相應的電壓信號。與電壓過/欠電路類似，該信號 經過三相全波整流、濾波和分壓后得到一個直流信號，并經過 a/d 轉換后送入到單片 機的 i/o 口中，作為系統執行軟起動時的電流反饋信號。電流反饋信號檢測電路如圖 3-14 所示。u15 為單片機芯片。 + - r84 r83 r85 r s t +5 r88 d11 d12 u15 圖 3-14 電流檢測電路 3.5.2 過電流保護電路 除了電流反饋信號檢測回路外，電流檢測回路還包括了過流保護。交流調壓裝置 的故障，例如晶閘管直通、開路和觸發脈沖丟失，換流失敗等等都表現為系統主回路 電流的增加，當電流過大時會對系統產生極大損害，因此

53、過流保護是系統中很重要的 保護環節。 一個優秀的過流保護環節應該是既能對過流反應迅速，又能夠準確動作。本設計 的過流保護和過壓保護環節相似。過流保護的信號取自電流反饋回路，整流、濾波電 路與電流反饋電路相同。它與設定值相比較，一旦超過設定值，則輸出一個低電平信 號送入輔助單片機 u2 的外部中斷口 p3.3，然后再由軟件處理，對過流的晶閘管實現 脈沖封鎖、故障報警和系統復位等。對過電流值的設定，一般選擇大小為 5.5 倍的額 定電流，這是因為一般的限流起動時，選擇的最大限流幅度為 5 倍，因此要留出一定 的余量來保證正常起動時不至于切斷電路。過流保護的具體回路如圖 3-15 所示。 + - +

54、5 +5 r83 r84 r89 r90 r92 r93 r91 ta1 ta2 ta3 圖 3-15 過電流檢測電路 4 基于單片機的軟起動器的設計 本課題設計的軟起動器是以單片機為控制芯片的三組反并聯晶閘管調壓電路成的。 該軟起動器的系統原理圖如圖 4-1 所示。 鍵鍵盤盤操操作作 控控制制器器 電電流流電電 壓壓檢檢測測 l le ed d 顯顯示示 同同步步電電路路 控控制制系系統統 狀狀態態輸輸出出 晶晶閘閘管管驅驅動動 圖 4-1 軟啟動系統原理圖 本軟起動器的設計主要包括主回路、控制回路和驅動保護回路。主回路主要由三 組反并聯晶閘管和接觸器組成，通過控制反并聯晶閘管組的導通改變加

55、載在電機兩端 的電壓；而接觸器的主要作用是在軟起動過程完成以后，把反并聯晶閘管組從三相電 源中旁路。在需要軟停車時，再把軟起動器裝置接入到電機回路中，完成軟停車的功 能。在控制回路和驅動保護回路中，電路包括了電壓檢測，電流檢測，晶閘管觸發電 路，接觸器驅動電路，人機界面，供電電源電路等。 軟起動器各部分電路的協調工作需要軟件的配合，因此軟件設計的好壞直接影響 到系統能否正常運行、能否滿足系統的設計功能要求。 4.1 單片機控制系統設計 軟啟動器的控制系統有兩部分組成，一個是單片機及其外圍電路組成的微機電路 系統，另一個是信號處理電路。信號處理電路負責主電路的電壓和電流信號的處理， 并將處理后的

56、電流送單片機進行 a/d 轉換，同時該電路監視三相電流的不平衡情況， 實現三相不平衡保護和短相保護，通過對三相電源電壓的監視，實現對過電壓和欠電 壓的保護；通過安裝在散熱器的熱敏開關，也能實現晶閘管的過熱保護，各種保護信 號經過邏輯與后， 送到單片機的外部中斷請求輸入腳，作為外部故障信號處理；單片 機控制系統主要負責參數設置與修改、電動機起訂過程的控制和觸發角的計算、運行 狀態的監視、故障的保護與處理等功能10。 單片機控制系統采用 avr 系列單片機的 at90s835 為主控制芯片，其封裝形式有 40 腳 pdi 部分 p、plcc 和 tqfp 封裝。該芯片有 8kb flash 程序存

57、儲器、 512bsram、8 通道 a/d 轉換器、內部發生器等組成。 由于 at90s8535 芯片的片內資源豐富，由它組成的控制系統硬件結果非常簡單， 軟啟動的 cpu 部分如圖 4-2 所示。根據軟啟動器設計的要求，控制系統的資源分配如 下：控制鍵的鍵盤輸入信號，通過鍵盤操作，完成啟動參數的設置、電動機起停控制、 默認參數的保存、外部故障的查詢和處理等，led 顯示由 pb 口和 pc 口組成，其中 pb0pb6 作為 led 的段碼輸出信號，pc0pc5 作為 led 位碼選擇信號，顯示部分由 4 位 led 數碼管和二級管組成，作為啟動參數設定、運行監控及故障處理等顯示，并 按動態方

58、式按時刷新各個顯示位；pa1 作為 a/d 采樣入口，由于采樣主電路電流信號， 供限流控制、過電流保護、過載保護等使用；由信號處理電路送來的故障檢測信號輸 入到 int0 引腳，當故障發生時，由向 cpu 提出中斷請求，cpu 響應中斷，在中段服 務程序中根據電路的運行狀態封鎖晶閘管的觸發脈沖、或斷開主路，并實現閉鎖。同 時信號處理電路送來的故障檢測信號也送到 pa1 輸入腳，作為故障輸入的檢測。在故 障發生并封鎖了觸發脈沖后，程序將不斷檢測 pa1 位的狀態，當該狀態位顯示故障已 經解除時，閉鎖解除，撤銷封鎖信號，是系統復位。pd5 初始化為 pwm 輸出工作方 式，作為晶閘管觸發脈沖的控制

59、命令輸出，單片機通過內部運算輸出一定比例的 pwm 波，此 pwm 波經過濾波后獲得 05v 直流電壓送觸發脈沖模塊，作為觸發脈沖的控制 命令， 7045 主主電電路路開開關關控控制制命命令令位位 主主電電路路開開關關控控制制命命令令位位 at90s8535 +5v vcc u1 10 pc7 pb7 pb2 pb1 pb0 pb3 pb4 pb5 pb6 pc0 pc1 pc2 pc3 pc4 pc5 pa7 pa2 pa3 pa4 pa5 pa6 pd5 xtal1 xtal2 reset agnd aref avcc pa0 pa1 pd2 pd4 txd/pd1 rxd/pd0gnd

60、3 2 1 +5v +5v led段段碼碼信信號號輸輸出出 led位位選選信信號號輸輸出出 鍵鍵盤盤輸輸入入引引腳腳 驅驅動動信信號號輸輸出出 故故障障封封鎖鎖信信號號 電電流流采采樣樣 外外部部中中斷斷輸輸入入 13 12 9 31 32 30 40 39 16 15 18 14 c1 c2 x2 c3 c4 r1 r2 29 8 7 6 5 4 3 2 1 27 26 25 24 23 22 19 33 34 35 36 37 38 圖 4-2 軟啟動器單片機控制系統的 cpu 電路部分 該電壓正比于 pwm 波的占空比。pb7 和 pc7 作為主電路控制命令輸出腳，在上 電自檢無故障后，