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毕业设计（论文）报毕业设计（论文）报 告告 题目基于单片机的交流异步电动机软起动研究 机电工程院（系）电气工程及其自动化专业 学号 学生姓名 指导教师 起讫日期 2013.122014.5 设计地点 学位论文独创性声明学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得井冈山大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 论文作者签名：日期：年 月 日 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 井冈山大学有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包 括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权井冈山大学教 务处办理。 论文作者签名：导师签名： 日期：年 月 日日期：年月日 摘要 摘要摘要 三相交流异步电动机因其结构简单、制造方便、运行可靠、维护容易等特 点，被广泛应用于电力拖动系统中。但电机直接启动时的电流过大，会引起较 大的电网压降，影响电网供电和其他设备的运行，启动瞬间转矩造成的机械冲 击也会影响电机本身及拖动设备的使用寿命。电机软起动控制器是专门为中高 压三相交流电机降低启动电流而设计的。它在大功率电机起动过程中，通过控 制电机的电流，避免直接起动中起动电流和冲击力对电机自身、电机负载、电 网以及同电网其他设备造成的影响和损害，提高电网的工作效率，从而达到起 动和保护设备的作用。 本文首先分析了交流电机的起动特性、对比了多种传统的软起动方式的特 点，阐述了交流异步电机软启动器的工作原理。结合实际应用，选择了晶闸管 串联式软起动的设计方案，并在此基础上，构建了软起动控制器设计方案并进 行了相关的仿真实验。 本文以 STC89C52RC 单片机为控制核心，设计了软起动控制器的硬件电路， 包括电源电路、微处理器系统、状态监测电路、LCD 人机界面等；在软件设计 上，进行了软起动控制软件设计，包括控制流程和各重要部分程序设计；在控 制算法上采用 PID 控制作为智能控制器的控制策略。 关键词关键词：异步电动机；晶闸管软起动；PID 控制；单片机 ABSTRACT ABSTRACT The three-phase asynchronous motors are nowadays widely used in electric drive system due to their simple construction, easy manufacture, high reliability and easy maintenance, etc. However, the direct start of asynchronous motor can generate much high current, which will cause a lager power grid voltage drop and affecting the operation of the power grid and other equipment. And the mechanical shock caused by starting torque can also affect the service life of motor itself and dragging equipment. Intelligent Solid Soft Starter is designed for large and medium electromotor in order to decline the maximum current during the starting. Through controlling the current, It can avoid the impact for electric net other equipments and motor, improving the efficiency of net and decreasing impair of motor. All of these can start the motor and protect the equipments. This paper analyzes the starting characteristics of asynchronous motor, comparing the characteristics of a variety of soft-starter mode and describes the working principle of asynchronous motor starter. Combining with the actual application, this article choose thyristor soft starter. And build the soft start controller design scheme and the relevant simulation experiments. In this thesis, hardware circuit based on the 89C52RC MCU, including the DC power, the system of microprocessor, condition monitoring circuit, LCD man- machine Interface, etc. Every part of the circuit is analyzed in detail. The software of the controller is discussed. PID ale applied in the controlling strategy of starting electromotor. Key Words: Asynchronous motors; Thyristor soft start; PID control algorithm; SCM 第 1 章绪论 目录目录 摘要 ABSTRACT 第 1 章绪论1 1.1 课题概述1 1.1.1 课题研究背景1 1.1.2 课题研究的目的及意义2 1.2 国内外研究现状2 1.3 本论文主要研究内容3 第 2 章三相异步电动机的起动4 2.1 三相异步电动机的起动特性4 2.2 三相异步电动机的启动方法5 2.2.1 传统软起动方法5 2.2.2 新型电子式软起动方法7 2.3 软起动控制方式8 2.4 晶闸管串联软起动工作原理10 第 3 章软起动控制器硬件设计12 3.1 软起动控制系统组成12 3.2 晶闸管调压主回路13 3.3 电压检测电路13 3.3.1 同步信号检测电路13 第 1 章绪论 3.3.2 电压反馈电路14 3.4 电流检测电路15 3.5 转速测量电路15 3.6 脉冲触发驱动电路16 3.7 键盘/LCD 显示电路17 第 4 章软起动控制器控制软件设计18 4.1 主程序18 4.2 晶闸管脉冲触发程序19 4.3 按键输入/LCD 液晶显示程序20 4.3.1 键盘输入程序20 4.3.2 LCD 液晶显示驱动程序20 4.4 同步信号中断程序21 4.5 软起动过程控制程序21 第 5 章软起动控制器控制算法22 5.1 软起动控制策略22 5.2 PID 控制理论22 第 6 章软起动控制系统的 Matlab/Simulink 仿真 24 6.1 软起动主要环节仿真模型24 6.2 软起动系统仿真结果27 第 7 章结论与展望30 致谢31 参考文献32 第 1 章绪论 1 第第 1 1 章章绪论绪论 交流异步电机是电力拖动系统中一个极为重要的元件。它兼备结构简单，制 造容易，维护方便，运行可靠等优点。此外，它运行效率高和工作特性特性好， 能满足大多数机械的传动要求。由此种种，交流异步电机在工农业生产、交通运 输、国防工业、医疗等各行各业都有着较为广泛的应用。据调查统计，三相感应 电动机耗电量占全国总发电量的 30%以上，而在西方发达的工业化国家，其消耗 量更是多达约 70%。然而，电动机的起动特性并非理想。三相交流电动机在全压 起动时，其起动电流高出额定电流 58 倍。如此巨大的电流加重了供电电网以及 接在电动机前面的开关电器的负荷，同时,起动时出现的巨大转矩也会对电动机及 传动辅助设备和做功机械设备产生不可避免的机械冲击。因此交流电动机的起动 已成为当代电气行业的一个重要课题。 1.1课题概述 1.1.1课题研究背景 起动电流和起动转矩是交流电动机起动性能最重要的两个指标。传统的直接 起动是定子绕组直接与电网相接,由电网供应额定电压。其优点是操作简便,起动 设备简单。但其起动电流很大，一般为电机额定电流的 5.7 倍，严重时可能达到 十倍以上。在不采用任何启动装置的情况下，过大电流会引起较大的电网电压骤 降，从而影响电网中其它用电设备的正常运行。同时，直接起动时的大起动电流 会对电机定子线圈和转子鼠笼条造成很大的冲击，可能破坏绕组绝缘和造成鼠笼 条断裂，引发电机故障。大电流产生的大量焦耳热，也会损伤绕组绝缘，降低电 机寿命。 电动机直接起动所产生的短时冲击电流，包含短暂的谐波电流，使得电网有 大量的谐波分量产生。而谐波含量的增加，将导致电气设备的损伤，电网发生谐 振的可能性增加，继电保护和自动装置误动，干扰通信等诸多问题。因此如何降 低大功率电机的起动电流已成为电力电子技术和运动控制系统研究领域罩越来越 关注的一个问题。采用软起动器对电动机进行软起动，可以降低电动机能耗，提 高设备利用率，延长设备寿命。为此，软起动器的研究有特大的现实意义和突出 的经济效益。 第 1 章绪论 2 1.1.2课题研究的目的及意义 电动机是大多工业企业的重要用电装置。据数据统计，我国电动机所消耗的 电能占整体工业用电量的 6068。采用软起动装置起动电动机，能够有效减 少电能损耗，达到节约能源，降低生产成本，提升企业经济效益。软起动设备能 通过降低电机输入电压，减小功率因素角，降低电机的能耗，实现电机的节能。 此外，软起动装置还可于电机起动过程中，透过对电机运行参数的监测，判定电 机是否处于过载、缺相等故障状态。并以此为据，做出相应的保护方案，保障电 机的安全可靠运行。软起动器不仅能够解决电动机运行过程中实际问题，同时还 可降低能源损耗，提高设备利用效率，减小设备投资和维护费用，延长设备寿命。 本文研究内容是基于单片机的软起动控制器。使用配套的功率转换元件，于 电机起动中，有效限制电动机起动电流，以免过大的起动电流对电机及负载造成 损伤。达到减小对电网的冲击，延长设备寿命的目标。另以单片机为控制系统价 格便宜，能有效降低设备生产成本。 1.2国内外研究现状 软起动技术发展迅速，现如今已有诸多应用。比较常见的有变频软起动、反 并联晶闸管串联软起动、可变电抗器软起动、液阻软起动、自耦变压器降压起动 等。可将以上起动方式分为固态软起动和液态软起动两种。 国外软起动装置以固态软起动为主，也就是晶闸管软起动和变频软起动。在 需兼备调速要求时，通常采用变频装置。在没有调速要求的情况下，起动轻载荷 时运用晶闸管软起动。只有在重载或负载功率极大时，才用变频软起动。变频软 起动能够在恒流软起停过程中维持不小于额定值的起动转矩。而且电动机的起动 电流都限定于额定值之内，固变频软起动对电网和电动机的冲击很小，电磁转矩 较大，起动时长短。变频器起动电机，其起动性能很好，同时高压变频器价格也 比较昂贵，技术难度高，维护技术跟不上要求，所以目前主要用于电机调速。晶 闸管软起动装置在国外发达国家比较普遍。国外早在 1970 年便开始了对晶闸管三 相交流调压技术研究。该技术在工业领域已应用广泛,在某些领域应用也显示出独 特的技术优势。诸如美国 AB 公司推出的 315-2000KW 交流调压式电子软起动装 第 1 章绪论 3 置，美国摩托托尼公司、德国 AEG 公司及欧洲 ABB 公司均推出了软起动器系列 产品。 我国于 90 年代起开始晶闸管软起动技术的研究，且有了一定成果。国内的电 机软起动器多是效仿国外产品，且中低压产品占多，高压软起动产品依然处在初 步阶段。目前国内的软起动技术主要以液阻软起动为主。液态软起动装置串接于 电动机的定子回路中，完成降压起动。因为液态电阻器的电阻具有负温升特性， 当电动机起动时，定子电流使得电阻器温度的逐渐上升，电阻逐渐下降。在电机 起动电流基本不变的情况下，电机起动转矩将随端电压上升而逐步增大，达到平 滑起动。液阻式的软起动装置易被环境温度影响，使得起动电流不能得到精确控 制。 综上所述，国内软起动技术与国外技术相比还存在很大差距。具体表现在固 态软起动器所用半导体功率器件制造技术难题没有攻克，特别是高电压、大电流 的电子器件仍未研制成功，如 GTO、IGBT、GCT 等。 上述软启动方式各有千秋。但从经济效益、特性功能、维护量、能耗、高次 谐波和可靠性等方面来说，固态软起动器的性价比要高。固态软起动器的研制是 大功率电机软起动技术发展的必然趋势。 1.3本论文主要研究内容 软起动器有着很辉煌的应用前景。本文以目前国内外软起动技术的现状为背 景，在研究软起动技术的基础上，采用 89C52RC 单片机为微控单元构建了晶闸管 串联软起动系统。本文详细讲述了软起动控制器的硬件电路结构，并应用 PID 控 制算法设计。最后对软起动控制系统进行了仿真调试，对仿真效果做了简要分析。 论文研究的主要内容： (1) 软起动控制器结构设计； (2) 软起动控制器硬件设计； (3) 软起动控制器控制软件设计； (4) 软起动器控制算法； (5) 软起动器的仿真调试； 第 2 章三相异步电动机的起动 4 第第 2 章三相异步电动机的起动章三相异步电动机的起动 在三相异步电动机起动技术发展过程中，传统起动技术（如自耦变压器降压 起动、定子串电阻电抗起动、Y/降压起动等）有着举足轻重的作用。但随着电 力电子技术的发展，电子软起动器因其电压可无极调节、转矩/电流可闭环控制的 特点得到深入而广泛的发展，成为软起动市场中的主流。 2.1三相异步电动机的启动特性 为了研究三相异步电动机起停时电压、电流和转矩之间的关系，从而敲定启 停方案，就有必要了解电动机的数学模型。三相异步电动机有两种基本数学模型， 即基于状态方程的数学模型和基于集中参数的等效数学模型。就变频调速而言， 多采用基于状态方程的数学模型。而电动机软起动多采用基于集中参数等效数学 模型。 借助于等效电路的分析方法，在分析电动机内部电磁关系和电动势的基础上， 对电机进行绕组归算和频率归算。将异步电动机转子侧绕组的频率、相数以及各 相有效串联匝数归算到定子侧，从而推导出异步电动机的等效电路。三相异步电 动机的 T 形等效电路如图 2.1 所示： 图 2.1 异步电动机的等效电路 图中，：定子绕组的电阻；：定子绕组的漏电抗；：归算到定子侧 的转子绕组的电阻；：归算到定子侧的转子绕组的漏电抗；：与定子铁耗 相对应的励磁电阻；：与主磁通相对应的铁心磁路的励磁电抗；：定子电 压向量；：定子感应电动势向量；：定子电流向量；：磁电流向量。 为同步转速， s 为转差率。 第 2 章三相异步电动机的起动 5 由电机学知识可知，当异步电动机开始启动时，转速 n=0,即转差率 s=1，电 动机的起动转矩和起动电流： (2-1) (2-2) 当电源频率和电动机的参数都不变时，在一定的转差率下，起动转矩与定子 端电压平方成正比，起动电流与定子端电压成正比。由此可知控制定子电压便可 实现对电动机起动转矩和起动电流的控制，从而有效避免起动电流过大。 2.2软起动方法简介 2.2.1传统软起动方法 传统直接起动操作简单、维护方便且起动速度快。但正如前文所述，直接起 动对电网、电机和其它用电设备的危害很大，如威胁设备和电网的安全可靠运行 等。因此电动机一般不允许直接起动。为解决直接起动存在的问题，常采用各种 降压起动技术，较普遍的有 Y/起动、自耦变压器降压动、定子回路串电阻/电 抗起动。 (1)定子回路串电阻/电抗起动 定子绕组串电阻/电抗相当于与定子绕组分电网电压。由等效电路可知：起动 电流与定子端电压成正比，因而该方法可以达到降低起动电流的目的。而起动转 矩与定子端电压的平方成正比，降低起动电压会使起动转矩降低很多。因此，这 种起动方法仅仅适用于空载或轻载起动场合。其原理图如图 2.2 所示。 第 2 章三相异步电动机的起动 6 图 2.2 定子串电阻或电抗起动原理图 (2) Y/起动 Y/起动是定子绕组以 Y 接法起动，当转速升至接近额定转速时，将绕组换 为接法，电动机转为正常运行。定子绕组接成 Y 连接后，各相绕组的相电压为 连接时的，故 Y/起动时起动电流及起动转矩均下降为直接起动时 的。由于起动转矩小，该方法只适合于轻载起动的场合。其原理图图 2.3。 图 2.3 星-三角形起动原理图 (3)自耦变压器起动 自耦变压器起动就是电动机起动时，电源经自耦变压器降压后接到电动机上， 待转速上升至接近额定转速时，将自耦变压器切除，电动机转化为正常运行。若 自耦变压器的变比为 k，自耦变压器起动一次侧起动线电流和起动转矩都降至直 接起动的。自耦变压器起动的自动控制主回路如图 2.4 所示为 第 2 章三相异步电动机的起动 7 图 2.4 自耦变压器降压起动原理图 2.2.2新型电子式软起动方法 (1) 变频器作为软起动装置 变频器主要用于交流电动机调速。特大型电动机由于没有合适的软起动装置， 因此采用变频器作为软起动装置。变频器作为软起动装置时，它的电压和频率皆 可从零连续调节，并保持较小的转差率。所以无过电流现象，且起动转矩也大， 具倍极佳的起动性能。同时它也存在不足，如开关损耗较大，结构复杂，价格昂 贵等。 (2) 晶闸管串联式软起动装置 晶闸管串联式软起动装置是由 3 组反并联晶闸管组成，其实质是三相交流调 压电路。利用晶闸管的相控调压原理，通过改变其触发角来控制电机输入电压的 大小。这种装置能做到全方位的软起动（即电压、电流可从零起连续调节），避 免过电流对电网和电动机及其它机械设备的冲击。但由于使用到晶闸管，因此对 元件特性参数的一致性有很高的要求，且很难得到保证。此外，元件特性参数还 会随着使用时间发生变化，致使均压性能变差，极有可能造成整串元件的损坏， 致使该装置的可靠性比较低。 (3) 液态电阻软起动方式 液态电阻是一种由电解液形成的电阻，它导电的本质是离子导电。它的阻值 正比于相对的二块电极板的距离，反比于电解液的电导率，极板距离和电导率都 便于控制。此方式为能量损耗型降压起动，启动时大量的能量消耗在水电阻上， 然后逐渐向电动机转移能量，是电动机提速。其主要弱点有气化电阻与环境温度、 极板等因素有关，起动电流的控制精度较差，对连续起动次数有限制。另外，起 动时产生的操作过电压会对电机的绝缘造成很大的伤害，较大的起动转矩冲击对 电机和机械设备都会造成较大的伤害。 (4) 可变电抗器软起动 可变电抗软起动技术是利用可变电抗器来实现高低压隔离。其基本设计思想 是将可变电抗器的一次绕组直接与电机定子(或转子)串接,在电抗器中增加二次线 圈,将二次线圈与功率变换器以及智能控制器连接。通过智能控制器与电力电子功 率变换单元来控制可变电抗器的二次绕组,达到改变可变电抗器一次阻抗的目的, 进而改变交流电机的输入电压,使交流电机实现软起动。可变电抗器式的软起动装 置由于采用了可变电抗技术，元器件不用串联，因此相比其它软起动可靠性大大 第 2 章三相异步电动机的起动 8 提高，也很方便维修。可变电抗软起动和晶闸管串联软起动两者都是相控，都有 产生谐波的情况。但可变电抗器具有很大的电感量，谐波电压大部分加在可变电 抗器上面，而加到电网和电机上的谐波电压则较小。所以可变电抗式软起动要比 晶闸管串联式软起动直接对电机的高次谐波伤害要小得多。 综上所述，可变电抗式固态软起动装置与变频软起动、晶闸管串联软起动、 液态软起动方法相比具有明显的技术和价格优势，其综合性能如表 2.1 所示。 表 2.1 各种软起动方式比较 2.3软起动控制方式 软起动器最主要的功能是实现电动机的软启动，按起动方式可分为限流起动、 电压斜坡起动、转矩控制起动、转矩加突跳控制起动。 （1）限流起动 限流起动方式就是电机在起动过程中采用电流闭环设计，以限制起动电流不 超过预先的设定值(图2.5中为或)并进行。在此前提下，逐渐升高电机的输 入电压，直到转速到达额定转速后电流自动衰减下来，此时电压达到额定电压， 第 2 章三相异步电动机的起动 9 起动过程结束，软起动器旁路。电流限定值一般设定为 e，故这种起动方式起动 电流小且电流限定值可调，对电网电压影响小。但这种起动方式具有难以确定起 动压降，不能充分利用压降空间，损失起动转矩，起动时间较长的缺点，主要是 应用于载起动的场合。电机恒流软起动电流曲线，如图 2.5 所示。 （2）电压斜坡起动 电机的输出电压由小到大斜坡线性上升，将传统的有级降压起动变为无级， 主要用在重载起动。它的缺点是起动转矩小，且转矩特性呈抛物线型上升，对起 动不利，起动时间长，对电动机不利。目前改进的方法是采用双斜坡起动：输出 电压先迅速升至(为电动机起动所需的最小转矩所对应的电压值)，然后按设 定的斜率逐渐升高电压，直至达到额定电压。初始电压和电压上升率可根据负载 特性调整。在加速斜坡时同期闻，电动机电压逐渐增加，加速斜坡时间在一定时 间范围内可调整，加速斜坡时间一般在 260 秒之间。这种起动方式的特点是起动 电流相对较大，但起动时间相对较短，适用于重载起动的电动机。电压斜坡软起 动曲线，如图 2.6 所示。 图 2.5 电机恒流软起动示意图图 2.6 电压斜坡软起动示意图 （3）转矩控制起动 转矩起动控制方式是指在电机的起动过程中，保持电机的起动转矩按照线性 上升的规律进行起动。在此过程中，需要按照一定规律适时调整晶闸管的触发角， 使得起动转矩按照线性规律运行。由于它的最终控制目的就是为了得到线性转矩， 故这种方式下电机起动平滑，柔性好、对拖动系统有利，同时减少对电网的冲击， 保护了拖动系统，延长了其使用寿命。转矩控制起动方式主要用于重载起动场合， 是非常好的重载起动方式之一。它的缺点是起动时间较长，同时控制规律比较复 杂，不易获得。转矩起动控制曲线，如图 2.7 所示。 （4）转矩加突跳控制起动 转矩加突跳控制起动方式和转矩控制起动方式类似，也应用在重载起动场合。 不同的是前者在电机起动的瞬间转矩多了突跳功能，目的就是为了克服电机起动 第 2 章三相异步电动机的起动 10 伊始由负载带来的较大静阻力矩，然后转矩线性平滑上升，完成起动。这种起动 方式很好地克服了负载静阻力矩，缩短了起动时间，但是突跳的存在会给电网和 周围设备造成影响，这也是本方式的一个缺憾。转矩加突跳控制起动曲线，如图 2.8 所示。 图 2.7 转矩控制软起动示意图图 2.8 转矩加突跳控制软起动示意图 2.4晶闸管串联软起动原理 软起动控制器的晶闸管调压电路由 3 组反并联晶闸管组成，串接于交流异步 电机的三相供电线路之上(图 3.2)。晶闸管调压的控制方式有两种：一是相位控 制，即通过控制晶闸管的导通角来调压；二是周波控制，在一定的时间内，控制 晶闸管导通的工频周期数来达到调压的目的。周波控制方式有难以实现连续调压， 不易找到合适的调压比等缺点，所以交流调压大多以相位控制方式为主。 由于晶闸管调压主电路没有中线，因此在工作时若要负载电流流通，至少要 有两相构成通路。其中一相是正向晶闸管导通，另一相则是反向晶闸管导通。为 了保证在电路起始工作时能使两个晶闸管同时导通，以及在感性负载与控制角较 小时仍能保证不同相的两个晶闸管同时导通，要求采用能够产生大于的宽脉冲或 双窄脉冲的触发电路。 晶闸管任意一相的电压波形如图 2.9 所示，其中电网电压的波形是完整的正 弦波，是晶闸管的触发角，是负载的功率因数角(也叫晶闸管的续流角)， 是晶闸管的导通角。 第 2 章三相异步电动机的起动 11 图 2.9 任意相晶闸管的工作波形 由图 2.9 可知角决定了晶闸管的输出电压，故改变角的大小就可以调节 电机的输入电压。又，故可以通过改变来实现晶闸管的调压目 的。经相控调压后，电压有效值数学表达式为： (2- 3) 其中，为电网相电压的有效值，经推导后得： (2-4) 由式(2-4)可以得知，电机输入电压与触发角和功率因数角有关。对于 恒定的负载而言，功率因数角是常量，仅仅与有关，此时，只要改变晶闸 管触发角就可以改变晶闸管的输出电压。但是对于异步电动机而言，功率因数角 是个变量，并且是电机转速的函数。在电机起动过程中，随着转速逐渐变大， 功率因数角也在不断变化。因此，改变晶闸管触发角的同时也要兼顾功率因 数角的变化情况。只有这样，才能实现异步电动机的输入电压按照预定规律变 化的要求。 第 3 章软起动器硬件设计 12 第第 3 章软起动器硬件设计章软起动器硬件设计 硬件设计是整个软起动控制器的设计基础，任何控制器功能实现都需要以硬 件为基础。系统的硬件设计也是设计整个控制器的第一步。本章论述了控制器硬 件电路设计中的芯片选型、功能电路的设计。 3.1软起动控制器系统组成 根据软起动控制器设计的需要，本设计中的软起动控制系统包括两部分：主 回路和控制回路。控制回路主要包括微处理器最小系统、电流检测电路、电压检 测电路、同步信号检测电路、转速检测电路、晶闸管驱动电路、键盘输入/LCD 显 示电路、电源电路。这些电路经过单片机联系在一起，通过高性能单片机来对电 机软起动的起动进行分析和计算，通过各个功能模块来实现软起动所需要的功能。 晶闸管软起动控制系统结构框图，如图 3.1 所示。 图 3.1 软起动控制系统结构框图 框图中各主要部分功能简述如下： (1)SCR 调压电路：该电路是由三组反并联晶闸管构成，并含有阻容吸收电路。 三组晶闸管串接于电源和电机之间，通过控制晶闸管的触发角来控制电机输入电 压，从而达到软起动目的； 第 3 章软起动器硬件设计 13 (2)电压检测电路：一方面将三相电源电压的大小信号，送到单片机，经 A/D 转换作为故障检测、过压/欠压保护、电压显示等依据；另一方面，将电源电压转 变成方波信号，作为晶闸管触发的同步信号； (3)电流检测电路：通过电流互感器检测电机的三相电流，将电流信息送入单 片机，作为过流保护、电流显示等依据。另一方面，检测电流的相位信号，同电 压检测电路一同完成功率因数角的检测； (4)键盘输入/LCD 显示电路：通过键盘完成软起动控制器参数的设置，并对电 机的运行状态进行控制。LCD 完成对电机状态的显示。 3.2主回路设计 电机软起动控制器主回路如图 3.2 所示，采用带旁路的晶闸管三相交流调压 电路，由三组反并联的双晶闸管支路组成，串接在电机三相电路。电机起动过程 中，控制电路按设定的调压模式对晶闸管触发角进行调节，进而改变电机定子 端电压，完成软起动。电机起动结束后，闭合晶闸管旁路接触器 K，电机正常运 行。由于晶闸管过流过压能力很差，因此必须采取可靠的保护措施。图中晶闸管 两端并联 RC 阻容吸收回路用于限制电压上升率，防止因正向电压上升率过大导致 晶闸管误导通，产生较大的浪涌电路而导致损坏。VT1、VT3、VT5 触发相序依 次滞后 120，VT4、VT6、VT2 触发相序又分别滞后 VT1、VT3、VT5 180， VT1VT6 依次相差 60。 图 3.2 可变电抗软起动控制器主回路 第 3 章软起动器硬件设计 14 3.3电压检测电路 3.3.1同步信号检测电路 为保证主回路中各个晶闸管的触发脉冲与其阳极电压保持严格的相位关系， 同步信号检测是很不可缺少的环节。只有准确的测得电压过零点，才能实现控制 晶闸管的导通角的精确控制。从而实现定子两端电压的无极调节，完成电动机的 软起动。本系统采用高速光耦设计同步电路。光耦具有体积小、电气隔离、抗干 扰性能好等优点。电压同步信号检测电路如图 3.3 所示： 图 3.3 同步信号检测电路 图中光耦起到同步变压器的作用。它以电源 A 相电压为输入，当 A 相电压过 零时光耦二极管导通，光耦三极管随之导通，INT0 输出低电平，引起单片机产生 中断，单片机调用相应的中断处理程序，实现交流电的同步。同时，也可以利用 3 个如图 3.3 所示电路配合，进行电源的相序判断和缺相检测。 3.3.2电压反馈电路 三相异步电动机定子侧相电压、相(线)电流是异步电动机运行的两个重要参数。 电子软起动器通过调节定子侧的相电压，使得定子侧电流逐渐上升，并最终达到 额定值。电压反馈回路如图 3.4 所示： 第 3 章软起动器硬件设计 15 图 3.4 相电压反馈电路 图中是有电压传感器采集的单相电压信号，该信号经降压整流滤波后， 分压得到直流信号，OUT1 输出的信号通过调理后转化为 A/D 转换器量程范围内 的直流电压。最后经 A/D 转换器以数字信号的形式送到单片机处理显示。 3.4电流检测电路 电流检测的方法很多，本设计中采用电流互感器，利用其检测出交流电流。 经由二极管组成的三相全波整流电路后，滤波分压得到一个稳定的直流信号；电 压跟随器起隔离作用，提高系统的抗干扰能力，还能降低检测电路内阻，提高 A/D 转换的精度，同时还能起到保护 A/D 转换器的作用。经过信号调理后，三相 电流转换成直流电流由 OUT2 接入 A/D 转换器 TLC1543 模拟输入端。 电流检测电路如图 3.5 所示： 图 3.5 三相电流检测电路原理图 3.5转速测量电路 不管是何种类型的软启动器，使用何种启动方式，软启动的最终目的都是为 了使电机的转速从零达到额定值。 本设计选用霍尔传感器测速，测量电路如图 3.6 所示： 第 3 章软起动器硬件设计 16 图 3.6 霍尔测速电路 测量电机转速首先要将电机的转速表示为单片机可以识别的脉冲信号，从而 进行脉冲计数。霍尔器件作为一种转速测量系统的传感器，它有结构牢固、体积 小、重量轻、寿命长、安装方便等优点，因此这里选用霍尔传感器检测脉冲信号。 当电机转动时，带连接在电机转子上的硅钢片动转动，当硅钢片霍尔传感器时， 感应出一个脉冲信号，该信号经过处理后输入单片机，通过中断方式进行转速测 量。 3.6脉冲触发驱动电路 在整个软起动过程中，晶闸管驱动电路的功能是将单片机在指定时刻送来的 信号转化成为满足晶闸管所需要的触发信号。晶闸管对门极触发电路产生的脉冲 应能满足一些基本要求: (1) 触发信号可以是交流、直流或脉冲，但触发信号只能在控制极为正、阴极 为负时起作用。由于晶闸管在触发导通后控制极就失去控制作用，为了减少控制 极损耗，故一般触发信号常采用脉冲形式。使用脉冲信号，不仅便于控制脉冲出 现时刻，降低晶闸管门极功耗；还可通过变压器的双绕组或多绕组输出，实现信 号间的绝缘隔离和同步传输。 (2) 触发脉冲必须有足够的电压和电流。晶闸管属于电流控制器件，为保证足 够的触发电流，考虑裕量，一般可取两倍左右门极触发电流。 (3) 触发脉冲宽度应要求触发脉冲消失前阳极电流已大于掣住电流，以保证晶 闸管的导通。对于单相电阻负载，由于一般晶闸管开通时间为 6us，应要求脉宽大 于 10us，最好有 2050us。电感性负载脉宽不应小于 100us，与负载功率因数有 关，一般用到 1ms，相当于 50Hz 正弦波 18。 (4) 触发脉冲与主回路电源电压必须同步并有一定的移相范围。为了使晶闸管 在每一周波都能重复在相同的相位上触发，触发脉冲与主回路电源电压必须保持 某种固定相位关系，这正好由电压同步电路实现。同时，触发延迟角应能根据控 制信号的要求改变，即控制角应有一定的移相范围。 单个晶闸管触发驱动电路如图 3.7 所示： 第 3 章软起动器硬件设计 17 图 3.7 单个晶闸管驱动电路 触发电路工作原理为：当单片机输出口根据控制规律计算出的指定时刻有触 发脉冲信号输出时，相应端口置 1，光电隔离 TLP524 截止，+5V 电源加在三极管 Q 的基极，因此三极管导通，此时脉冲变压器 T 原边和电源构成回路，其副边向 有脉冲输出，在晶闸管门极形成满足晶闸管门极触发条件的触发脉冲。而当输出 口没有置 1，即为低电平时，由于脉冲变压器副边的两个二极管的作用，脉冲变 压器无脉冲输出，晶闸管门极无触发脉冲。 3.7键盘输入/LCD显示电路 键盘输入采用独立方式的键盘接口，采用查询的方式进行工作。根据需要设 计了起动键、停机键、增键、减键、设定键和确认键。 显示电路采用 LCD 液晶显示器，其具有体积小、外形薄、重量轻、耗能小、 工作电压低、无辐射，特别是视域宽、显示信息量大等优点。液晶显示器已被广 泛应用于各种仪器仪表、电子显示装置等场合，成为测量结果显示和人机对话的 重要工具。液晶显示器按功能分为段位式 LCD、字符式 LCD 和点阵式 LCD，前 两者只能显示有限字符，而点阵式 LCD 不仅能显示字符，还可以显示汉字及各种 图形。其中，1602 字符型液晶显示模块是其中发展比较成熟的一种，应用相当广 泛。它是一类专用于显示字母、数字、符号等的点阵液晶显示模块，可显示两行， 每行可以显示 16 个字符。 键盘输入/LCD 显示电路如图 3.8 所示： 第 3 章软起动器硬件设计 18 图 3.7 单个晶闸管驱动电路 第 4 章软起动器控制软件设计 19 第第 4 章软起动器控制软件设计章软起动器控制软件设计 根据软启动器结构进行了分析，控制系统应该具备参数的设置，在启停过程 中根据预设参数输出触发角以及过压、过流等故障保护的功能。根据以上的要 求设计软件，软件有主程序、脉冲触发程序、键盘输入程序。 4.1主程序 主程序主要完成系统的检测，变量的初始化，参数的修改，故障的诊断，系 统的保护等任务。 主程序流程图如图 4.1 所示： 图 4.1 控制系统的主流程图 系统检测 故障？ 参数的输入域显示 启动？ 开相应中断 故障？ 发触发脉冲 启动完成 吸合旁路接触器 结束 输出故障信息 Y N Y N 初始化 第 4 章软起动器控制软件设计 20 4.2脉冲触发程序 用单片机产生晶闸管触发脉冲后经晶闸管驱