（电力电子与电力传动专业论文）异步电机软起动器研究.pdf

声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果， 尽我所知， 在 本学位论文中， 除了 加以 标注和致谢的部分外， 不包含其他人己 经发 表或公布过的 研究成果， 也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。 与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名: 冲年 7 月 夕 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档， 可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容， 可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、 借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。 对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名: 卿 年 2 月 勿 日 南京理工大学硕士学位论文 异步电 机软起动器研究 第1 章 绪论 1 . 1 课题研究的目 的及背景 电 动机作为重要的动力装置，已 被广泛用于工业、农业、交通运输、国防军 事设施以及日 常生活中。 直流电 动机其调速在过去一直占 统治地位， 但由于本身 结构原因，例如换向 器的机械强度不高，电刷易于磨损等，远远不能适应现代生 产向高速大容量化发展的要求。而交流电动机， 特别是三相鼠笼式异步电动机， 由 于其结构简单、制造方便、价格低廉，而且坚固耐用，惯量小，运行可靠等优 势， 在工业生产中得到了 极广泛的 应用，也正在发挥着越来越重要的 作用。 交流电动机和直流电动机相比 存在许多优点，但当异步电机在起动过程中又 有许多弊病。所谓起动过程是在交流传动系统中，当异步电动机投入电网时，其 转速由 零开始上升，转速升到稳定转速的全过程。如不采用任何起动装置的情况 下， 直接加额定电压到定子绕组起动电动机时，电机的起动电流可达额定电流的 4 8倍，其转速也在很短时间内由零上升到额定转速。同时三相感应电动机起动 时的转矩冲击较大，一般可达额定转矩的两倍以上。起动时过高的电流一方面会 造成严重的电网冲击，给电网造成过大的电压降落，降低电网电能质量并影响其 他设备的正常运行。而过大的转矩冲击又将造成机械应力冲击，影响电动机本身 及其拖动设备的使用寿命。因此，通常总是力求在较小的起动起动电流下得到足 够大的起动转矩，为此就要选择合适的起动方法。在选择起动方法时可以根据具 体情况具体要求来选择。 对三相鼠笼式异步电动机的起动电流的限制，通常有定子串接电抗器起动、 卜起动、自 祸变压器将压起动、延边三角形起动。而对绕线式交流电动机，常 采用转子串接频敏变阻器起动、转子串电阻分级起动。但这些传统的 起动方法都 存在一些问题。 1)定子串接电阻起动:由于外串了电阻， 在电阻上有较大的有功损耗， 特别 对中型、大型异步电动机更不经济，因此在降低了起动电流的同时、却付出了较 大的代价起动转矩降低得更多，一般只能用于空载和轻载。 2) y-起动:丫 一 起动方法虽然简单，只需一个y 一 转换开关。但是y 一 起动的电动机定子绕组六个出线端都要引出来， 对于高电压的电 动机有一定的困 难，一般只用于接法3 8 0v 电 动机。 3 )自 祸变压器将压起动:自 祸变压器将压起动，比 起定子串 接电抗器起动， 当限定的起动电 流相同时， 起动转矩损失的较少;比 起卜起动， 有几种抽头供 选用比 较灵活， 并 且巩/ 峨较大时， 可以 拖动较大些的负 载起动。 但是自 祸变 压 l 绪论硕 卜 论文 器体积大，价格高，也不能拖动重负载起动。 4) 延边三角形起动: 采用延边三角形起动鼠笼式异步电动机， 除了 简单的绕 组接线切换装置之外，不需要其他专用起动设备。但是，电动机的定子绕组不但 为接，有抽头，而且需要专门设计，制成后抽头又不能随意变动。 随着电力技术 ( 尤其是集成电路、微处理器以及新一代电力电子器件)的不 断发展，异步电动机起动过程中的起动电流过高，起动转矩过小等问题得到了很 好的解决。 从20世纪70年代开始推广利用晶闸管交流调压技术制作的软起动器，以 及 采用微控制器代替模拟控制电路，发展成为现代的电子软起动器。 1 . 2电子软起动器的特点及研究现状 一、电子软起动器的特点 电子软起动器相对于传统的起动方式，其突出的优点体现在: 1)电力半导体开关是无电弧开关和电流连续的调节， 所以电子软起动器是无 级调节的，能够连续稳定调节电机的起动，而传统起动的调节是分档的，即属于 有级调节范围。 2)冲击转矩和冲击电流小。 软起动器在起动电机时， 是通过逐渐增大晶闸管 的导通角， 使电机起动电流限制在设定值以内， 因而冲击电流小 ， 也可控制转矩 平滑上升，保护传动机械、设备和人员。 3)软起动器可以引入电流闭环控制， 使电 机在起动过程中保持恒流， 确保电 机平稳起动。 4 ) 根据负载情况及电网继电保护特性选择， 可自由 地无级调整至最佳的 起动 电流，节省电能。 5 ) 由于采用微机控制， 可在起动前 对主回路进行故障诊断， 且数字化的控制 具有较稳定的静态特性，不易受温度、电源电压及时间变化等因素的影响，因此 提高了系统的可靠性，有助于系统维护. 同时，软起动器还能实现直接计算机通讯控制，为自动化控制打下良好的基 础。 二、电子软起动器的研究现状 电力电子软起动的出现是随着晶闸管的出现而发展起来的，最早采用晶闸管 三相交流调压电路对电动机的软起动应用是在 1970年由英国人发明的， 由于采用 这种方法可以获得很好的起动性能 所以曾引起人们广泛的注意。 近三十多年来， 国外对晶闸管三相交流调压电路进行了广泛的研究，在工业应用领域得到广泛应 用，在某些领域应用显示出独特的技术优势。 2 南京理工大学硕上学位论文异步电机软起动器研究 发达国家软起动行业现状:从进口软起动产品看，发达国家的电动机软起动 产品主要是固态软起动装置晶闸管软起动和兼作软起动的变频器。在生产工 艺兼有调速要求时， 采用变频装置。在没有调速要求的使用场合下， 起动负载较 轻时 ( 例如风机、水泵) 采用晶闸管软起动。 在重载或负载功率特别大的时候， 才用变频软起动。晶闸管软起动装置是发达国家软起动的主流产品，各知名电 气 公司均有自己晶闸管软起动的品牌， 在其功能上又各具特色. 如ge公司生产的最 大功率达到8 50kw，额定电压5 0 0v，额定电流1 1 8 0a，最大起动电流5 900a:abb 公司生产的最大功率达到 120 0kw ， 额定电压6 90v ， 额定电流 i 0 00a ; 意大利siei 公司生产的额定电 压6 9 0v， 额定电流1 6 00a ;目前，国外对晶闸管三相交流调压 电路的研究己从对控制电压，控制电机电流的开环、闭环方式，发展到通过建立 比较准确实用的数学模型，找到适于三相交流调压电路电机负载的控制方法，从 而使三相交流调压电路电 机负载性能更优。 国内的情况和国外有所不同。 我国软起动技术起步于80 年代初期， 先后也推 出了各种品牌的软起动器，但在技术上和可靠性上与国外同类产品尚有一定的差 距。 三、软起动的发展方向 1 ) 短期展望:软起动将仍然以各种形式的降压 ( 限流) 软起动为它的主要形 式。从理论上说，性能价格比高的产品将占有更大的市场份额.但是，在各种应 用场合，人们对于各种性能的侧重面不同，使各类起动产品 ( 包括传统的星三角 起动)都可能会赢得自己的市场。 2 )长期展望:变频软起动将成为软起动的主流。 各种形式的降压软起动将与 星三角起动等技术一起归并为传统的起动技术。随着变频器价格的逐渐下降，可 靠性的进一步提高，未来成为主流产品的软起动装置将是带有软切换功能的廉价 的变频器。 1 . 3 本文所做工作 在目 前，软起动器还有着很广泛的应用场合和重要的应用价值。本文根据目 前国内外软起动器的应用现状和技术背景，围绕晶闸管交流调压方式做了一些研 究工作，利用单片机控制晶闸管交流调压方式进行了电子软起动器设计。论文的 主要内容如下: 1)从理论上分析了 三相异步电 动机的起动过程， 分析得出异步电 机的起动性 能的改善可以通过改变所加电压来调节。结合三相交流调压电路的特点，分析了 各种调压方案的原理及利弊。 2) 通过分析三相调压电路的特点， 选择一种较为典型的调压电路作为三相异 绪论硕 卜 论文 步电动机软起动器的主电 路。在此基础上深入分析了三相调压电路软起动器的基 本原理。 3 ) 对软起动器的硬件组成进行了详细的分析和设计，同时介绍了控制系统的 软件设计思想和软件实现。 4)应用mat l ab软件中51刚link搭建了三相异步电动机在两相静止坐标系下 的仿真模型。 应用p o w ers y s t e m 工具箱按照软起动系统的 拓扑电 路图搭建了一个 软起动电动机的仿真系统。在该仿真系统下，对电动机在全压下直接起动和软起 动的起动过程进行了 仿真，验证了软起动方式电动机的起动性能明显优于直接起 动。 5 ) 论文最后对所设计的软起动器控制系统进行了部分调试实验， 给出了部分 调试结果和调试波形。 南京理工大学硕士学位论文异步电 机软起动器研究 第2 章 电机软起动原理及控制方案研究 2 . 1 异 步 电 动 机 的 起 动 过 程 分 析 i 为了研究异步电动机的起动时的电压、电流、转矩等变量的关系，进而分析 异步电机起动时的电 流、起动转矩和所外加电压的关系。就要研究电机的数学模 型，对于电机的软起动而言，多采用基于集中参数等效电路的数学模型。 采用集中参数等效电路的数学模型时首先需作一些假定，根据电机学知识， 可得: 1) 忽略空间和时间 谐波 2 )忽略磁饱和 3 )忽略铁损 异步电机的稳态等效电路如下图2 一 1 所示: 价林 1 气二二二一尸、 、 、 一l一1 三 r 2 ( 二 - 二) s 功 .了口且 r，. 一不 j.l月|十 e = e lesl，.1.寸 。u 图2-1 异步电机稳态等效电路 其中 等 效电 路中 元 件气 为 定 子 绕 组的 电 阻 ， xl 为 定 子 绕 组的 漏 电 抗 ， 弓 为 归 算到定 子 方 面的 转 子 绕组的电 阻 ， 石为 归 算 到 定 子方 面的 转子 绕组的 漏 抗。 为 定子 铁心 损耗 所对应的 等效电阻，、为 励磁电 抗。 认为 定子电 压向 量， 式为 定子感应电 动势向 量， 几 为定子电 流向 量， 几为 磁 化电流向量。 基于t 等效电路的数学模型为: 二 凡二 一 几几= 一 几( 孺十 .八 加 ) ( 2 一 1 ) .毕 人 十 几= 几 ( 2 一 2 ) 应 一 通 详 * jx; ) ( 2 一 3 ) 电机软起动原理及控制方案研究硕 十 论文 认= 一 月+ 1 ， ( 气 + jx，)( 2 一 ) 由 等效电 路可见， 异步电 机输入的电 功率君 一 部分消耗在定子 绕组的电 阻 而 成 为 定 子 铜 耗几1 ; 另 一 部 分 消 耗 在 定 子 铁 心 上 而 变 成 铁 耗外 。 剩 余 的 通 过 气 隙传递到 转子的功率 成为电 磁功率嗽。 其中嗽为: 息二 ml 十 尽 几 co s 又 = ， ， 舜 ( 2 一 5 ) 电磁转矩可表示为:息= 生 = ( 1 一 5 ) 息 ( 1 一 5 ) lz . = 压 q l ( 2 一 6 ) 其 中 ， q 一 镖= 2 二 五为 同 步 角 速 度 : 转 子 机 械 角 速 度 。 2 万 n_ = 花 了 孺刀 机械功率。 由 “ 2一5 和 式 2一6 ， ” : 孺 一 奇 一 却 藉 根 据 t 型 等 效 电 路 可 知 : : 二 一 产于些一一 ( 2 一 7 ) ( 2 一 8 ) ( 。 + 与， + ( xl + 城 ) ， 将式 ( 2 一 8 )代入式 ( 2 一 7 ) ，。、丰，二 1 . 。 ， _ 厂 1 卜 幼“ j洲 勺声 占牛ij、 t = “，于是有 码 p 几 =2 “ (。 + 兰 )2 + (xt + 城 ) 1 ( 2 一 9 ) 刚起动时，转子n 习，转差率5 =l，此时起动转矩为: 兀 “码 p 川rz 2 五 ( 。 + 几 ) ， + ( xl + 城 ) ， 式 ( 2 一 2 ) 、式 ( 2 一 3 ) 、式 ( 2 一 4 ) ( 2 一 1 0 ) 同时根据上式 ( 2 一 1 ) 、可得: 弓 卫十 jx; 1 1 5 ， -r 气+ 声. 六+ix. 、 r: 牡尹 石+t l +一) 一十少 凡 气 十少 艾 用 5 ( 2 一 1 1 ) 在异 步电 动机里， 因为rt x : ， 9 0 时，晶闸管每次导电都是断续的。如图2 一 10所示， 为a= 1 2 0时晶闸 管的工作状态。 图2 一 10 a二 120 时的晶闸管导通波形 电机软起动原理及控制方案研究 硕 l 论文 。 = 1 50 时，各相输出电压和电流为零。因。是根据相电压定的，线电压超 前相电 压30 ， 在a 到50 时， 虽可使两相的两个晶闸管都有触发脉冲，但此时线 电 压却 为 零 且即 将 变 负 值 ， 晶 闸 管 是 不 能 导 通的 ， 故 电 阻 负 载 时 ， “ 口 欲 = 1 5 了 。 2 . 4 软起动器起动方式131 以不同的参量作为控制目 标，可以得到多种起动方式，进而影响电机不同的 起动性能。电子软起动器以灵活多变的控制方式应用极为广泛，它一般有以下几 种起动方式: 1 、斜坡电压起动 晶闸管软起动器的基本控制对象是电动机的起动电压， 图2 一 11则为典型的斜 坡电压软起动电压特性。 ue 卜_一_ 图2 一 11斜坡电 压软 起动电 压特性图2 一 12限 流起动的电流 特性 刚起动时，电压迅速上升到初始转矩对应的电压， 然后依设定的起动时间逐 渐上升，直至达到电网额定电压。早期的软起动器不具备电流闭环控制，仅调整 晶闸管导通角，使之与时间成一定函数关系增加。对于无限流功能的电路，在电 动机起动过程中，还是会出现较大的冲击电流，容易损坏晶闸管，实际中用要非 常注意。 2 、限流起动 限流起动顾名思义就是在电动机的起动过程中限制其起动电流不超过某一设 定 值( 人 ) 。 如 上图2 一 12所示 为限 流 起动的电 流 特性。 这种起动方法主要用在轻载起动的负载降压起动， 其输出电压从零开始迅速 增长， 直到 其输出电 流 达到预先设定的电 流限 制( 人 ) ， 然 后在保 持输出电 流1 人 的条件下逐渐升高电压， 直到额定电压， 使电动机转速逐渐升高， 直到额定转速。 而由 异 步电 机等 效电 路 模型 可知， 起动时，5 =l， 虱 凡， 忽略 励 磁电 流 时，虱可 认为 是开 路。 则: 人= 一 人(2一 23) 南京理工大学硕十学位论文异步电机软起动器研究 由 式 ( 2 一 9) 可以 推导出 起动转矩几与定子每 相电 流几的关系为: 会 一 阁、 ( 2 一 2 4 ) 式中:凡、与、乙分别为异步电 机的 额定 转差率、每 相额定电 流 和额定电 磁转矩。 通常电 机的凡很小， 因 此若要获得较大的兀倍数， 必须 有较大的 起动电 流倍 数。 限 流 起 动时 ， 若限 流 值乙 较大， 则 此时电 机的 起动 转矩几也大， 因 此电 机达 到稳定转速时间就越短，起动就越迅速。所以限流起动方式，保证有一定的起动 转矩的同时又防止电流冲击，不过限流值的大小要合理选取。 3 、转矩控制起动 主要用在重载起动，它是按电动机的起动转矩由小到大线性上升控制输出电 压，它的优点是起动平滑、柔性好，对拖动系统有利，同时减少对电网的冲击， 是最优的重载起动方式，其缺点是起动时间较长。 如图2 一 13为异步电 机转矩控制的起动曲 线 eo/0呱 u-、-.、- m(t ) 卜帅ie m q 二 mqt - 一 一 t0 图2 一 13异步电 机转矩控制如图2 一 14电 压控制起动 4 、电压控制起动 是用在轻载起动的场合，在保证起动压降的前提下使电动机获得最大的起动 转矩，尽可能地缩短起动时间，是最优的轻载软起动方式。其起动电流曲线如上 图2 一 14所示。 2 . 5 本章小结 本章首先从异步电机起动过程开始分析，得出通过改变电机定子电压可以改 善电 机起动性能。 通过分析传统的将压起动方法，进而引出软起动技术。分析了 异步电机软起动原理以 及软起动方式， 为下面的系统设计奠定了理论基础。 软起动器控制系统硬件设计硕 1 : 论文 第3 章 软起动器控制系统硬件设计 控制系统的硬件设计是软起动器设计过程中最为重要的环节，是整个系统的 基础。本控制器是要实现三相鼠笼式异步电动机的软起动过程，根据完成软起动 过程，需要完成一些参数的检测和输出: 1) 同步电压信号的检测，判断电压的过零点和相序。 2 ) 检测电动机的电流，判断电动机的起动电流是否在控制范围内。 3) 控制系统所需的工作电源 4 )控制参数和运行参数的设置和显示 设计三相异步电动机软起动器首先要考虑它所要实现的这些功能， 然后根据 这些功能设计各个模块。 3 . 1 系统的硬件结构 三相异步电动机软起动控制系统在硬件方面可以分为两个部分，即主电路单 元和控制电路单元。主电路单元包括三相电源、三相反并联的晶闸管、三相异步 电动机。在主电路单元中，晶闸管的容量要根据所控制的三相异步电动机的容量 选择，主电路的结构是相同的。而控制单元的设计和所要控制的异步电动机的容 量无关， 可以设计成通用型的。 控制单元一般由一些检测、 控制电路及c pu组成。 根据以上思想，整个系统的框图入图3 一 1 所示: c 一二夕二了二二 卜d多 乡 ， 匕 ， 奋 蔽 今 众洲. 角 吧 九， 孟 一 ， 又 淤潇 内 匕 畜 乙 香 沈 沈 瑞 ， 匆 ! _ 竹 ; . 杠 蔑 泣 ， 翻 轰 泛 理交1 汤 史盘 刁 哨晚 月 翔 叫八招乡 ) 图3 一 1软起动器总体框图 该控制系统以高性能的16位s o c19 6 kc单片机作为控制核心，附以外围检测电 路、脉冲触发电路、电源电路。电源电压经过同步脉冲形成电路形成的同步脉冲 信号送入 c pu， c pu根据同步脉冲信号和管压降信号计算出触发 控制角，触发命令 经过触发脉冲形成电路驱动晶闸管。电机电流采集电 路把电 动机工作电流进行调 l 6 南京理工大学硕士学位论文异步电机软起动器研究 整和衰减，使得输出信号满足s oc1 9 6 kc单片机内部自 带的a /d转换的要求。 键盘设 置和数码管显示使本控制系统具有良 好的人机交互界面，在电动机运行前或运行 过程中，可以灵活地设置控制和运行参数。电源电路输出整个系统所需稳定不间 断直流电源。 3 . 2 系统主电路设计 主电路设计包括主电路的方案确定与元器件参数的选择，同时将主电路的驱 动电路也归于此处介绍。 3 . 2 . 1 主电路方案的确定 软起动器主电路采用三相交流调压电路， 在功率器件的选择上， 可以有两种 选择. 一是采用6 只普通的晶闸管，连接成三对反并联电路来实现。二是用三只 双向 晶 闸 管 电 路 。 这 两 种 选 择 各 有 优 劣 j : 1) 双向晶闸管由于只有一个门极，且正负脉冲均能触发，所以能使主电路 大大简化，触发电路设计也比较灵活。 2)双向晶闸管在交流电路中使用时， 必须承受正反两个半波电流和电压。 它 在一个方向导电虽己结束，但在管芯硅片各层中的载流子还没有恢复到阻断状态 的位置时，就立即承受反向电压，这些载流子电流有可能成为晶闸管反向 工作时 的触发电流而使之误导通。 3)双 向 晶 闸 管 门 极 电 路 灵 敏 度 比 较 低 ， 管 子 的 关 断 时 间 几 比 较 长 4 ) 选择单向晶闸管，则主电路需要 6只晶闸管，电路比较复杂。而单向晶 闸管可靠性更好些，关断问题则比较简单。 综合考虑，本设计中使用三对反并联普通晶闸管作为主电路中功率器件。 3 . 2 . 2 主电路元器件参数的选择 晶闸 管参数的 选择主要考虑其电流容量和耐压lj s 川 : 1) 晶 闸 管电 流 容 量( 通 态 平 均电 流气 二 ) ) 的 选 择 ir( 那 ) 是 在 环 境 温 度为 十 4 0 口 c 和 规 定 的 冷 却 条 件 下 ， 带电 阻 负 载 的 单 相 工 频 正 弦半波电路中，管子全导通 ( 导通角夕 不小于1700)而稳定结温不超过额定值时 所允许的最大平均电流。按照标准，取其整数作为该器件的额定电流。根据实际 电路考虑在软起动器工作时，晶闸管通态平均电流的选择应根据电动机的起动电 流来 选取。 若设限 制起动电 流 倍数为k ， 电 动机额定电 流为吞， 同时 考 虑到 波形 系 数凡和 留 有 一 定 的 裕 量 ， 则 晶 闸 管 的 通 态 平 均 电 流气 二 ) 为 : 软起动器控制系统硬件设计 硕 1 : 论文 寿 =( 1 5 一 2 )x k x 八( 3 一 1 ) 2 )晶闸管耐压选择 精确设计晶闸管的耐压值比较困难， 这是因为它不仅和回路的接法有关，同 时还与电动机的容量、激磁电流等数值有关。为了安全起见，额定电压必须比使 用时的正 常工作电 压峰值有2 3倍的储备。 一般在考虑有过电 压吸收回路的 情况 下，所选用的晶闸管的额定电压为: 叭一 ( 2 一 3 ) x 扼x 2 2 o( 3 一 2 ) 综合上述分析，同时参照本设计中所使用的三相鼠笼式异步电动机铭牌参 数: 凡= 1 . i k 平 ， u ， 二 3 8 0 犷 ， 今二 2 . 7 a ， p = 2 ， f 二 5 0 价， = 1 4 0 o rl j脚 / m i n 。 本设 计 中所使用的晶闸管为k p系列螺栓形普通晶闸管，kp 型普通晶闸管的主要参数: i t ( 朋= 2 0 a，v 介 0 . 9 5 v，v t =0 . 8 2 v，v d 阴/ v r rm= 1 2 0 0 v，i dr协r r m = 0 . 7 5 l l l a， 玩行3 4 们 i a ，v o 行1 . s v，i h =24 n 1 a 。 3 . 2 . 3 晶 闸 管 驱 动 电 路 4j 晶闸管驱动电路的功能是将控制器送来的控制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)触发信号只能在它使控制极为正、 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。 ( 2) 晶闸管属于电流型控制器件， 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。触发脉冲必须有足够的电压和电流。 ( 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。 图3 一 2为本设计中使用的晶闸管触发驱动电路。 图3 一 2品闸管驱动电路 驱动电路首先必须有隔离功能，把主控制器电路和主电路隔离开来，其次必 须有较大的带负载能力，可以驱动晶闸管。考虑到触发信号的电压隔离问题，采 l 8 南京理工大学硕士学位论文异步电机软起动器研究 用了绝缘强度高、隔离效果好的脉冲变压器k c b 0 2 一 ai和4 n 25光祸。因为主电路 中采用的是三对反并联单相晶闸管，所以触发电路共有六路. 3 . 3 控 制电 路 硬 件 设 计 142 】 本控制系统以 高性能的16位单片机i n t el 8 o c 1 9 6 kc单片机为核心，附以 外 围检测电路、脉冲触发电 路。系统电压经过同步脉冲形成部分形成的同步脉冲信 号送入c pu， c pu根据同步脉冲信号计算出触发控制角， 触发命令经过触发脉冲形 成部分驱动晶闸管。电机电流采集部分把电动机工作电流和系统电 压进行调整和 衰减满足a /d转换的要求。 根据上述思想，控制电路部分的设计主要包括主控芯 片的选择和设计、同步信号发生电路、电机电流检测电路、 键盘与显示电路等设 计，下面将分别予以介绍。 3 . 3 . 1 主 控制芯 片 的 选择 6 控制芯片是一个系统的核心，主要负责信号的检测，各种模拟、数字量的输 入与输出控制等等。 本设计若选择8 位单片机加上一些外围硬件也可以完成设计， 而如果选择d sp处理芯片也是可以完成。 而之所以 选择16位的8 0 c 1 96kc单片机， 主要是因为从价格、减少外围硬件速度、字长等综合因素来考虑。 s ocl 9 6 kc芯片是美国i ntel公司生产的%系列单片机之一， 其振荡频率可 高达20姗2 ， 且采用两相时钟输出，因而其运行速度比一般的96单片机高1 /3 倍 以上;另外，它内部含有4 88b y t e 片内r a m ，还含有外设处理器，高速输入输出 处理等硬件电路。寻址方式采用寄存器一寄存器结构，大大提高了工作效率。其 主要特点有: 1 ) s o c 1 9 6 k c 的外部时钟可达1 6 mhz ， 更高的可达20mhz ， 使其操作速度更快， 适合高速控制场合。而总线宽度可以控制为8 位或 16位: 2) 80c196kc除了片内的2 32字节寄存器空间外，增加了2 56字节的附加的 以m ，而且通过垂直窗口可得到灵活的应用; 3) 比8 0 c196kb增加了 两路p w m 输出，更适合电 机控制系统中的应用; 4) 对a/d 的控制增强，第一是因为有 10位或8 位a /d转换，第二是转换时 间可以预先设定; 5) 除了28个中断源18级中断外，又增加了巧级盯5 中断，专门处理外设 中断事务，提高了中断事务的实时处理能力，大大降低了c pu的开销; 6) 8 oc1 96kc有两个不可擦除的可编程只读存储器upr o m ， 增加了 加密手段; 因 为 8 0 c i %k c内 部无r o m，必须外扩程序存储器， 在本设计中，外扩了 软起动器控制系统硬件设计硕 1 丁 论文 一片3 2k的e pr0m2 7 c 2 56， 其扩展电路如下图3 一 3 所示: _ ， 厂 。 甘 刊刊 告 寸 ! 只1 曰 0】 . 护练 界 l口1 旧日_勿甲们叮i d 几卜 卜匕卜 口留a 蒸 卿qlqz中甲仍训印 0口卜 幼幻幻幻报肠胡幻胡协 山1-日-，落-，-4 目已卜 民卜 9口卜 一创卜 奋1 0 杏1 1 么1 2 奋， 3 盛! 4贯 ，1乃1翔1之1刀121书1刀 违介1噩赴， lq阅阅阂阅阅刀叹 众c场匆加4d习口兀即 。鑫攀比莽一 殊!雀 鼓 息 加川目幻从目肠幻 闭 o 月1 】 旧 二 】 勺j 阅 月 5 只 从1， 甘 妙 击1 0 几1 皿 舟1 2 1 ， 奋1 4 么胜 玉 刚哑，一-” .i t 口 目 伟1洲一刀1刀1上111盯1如 p 刁口 月1 p 匀j 】 月 j 刃 1 1 口j f z石 月 ， pi 刀 pll plz pi pi早 p注5 pl 巧 p17 4 ， ， 口 砂阳阳哪脚 里 连0见 旦 呈勇品 巴1翻1吧1艺 图3 一 3e p r o m 扩展电路 单片机复位信号电路采用复位信号专用芯片 3 一 4 所示。 _ 一_ 一 、u z! !:一; 以x 7 0 8 e p a ， 其复位电路如图 图3 一 4单片机复位电路 3 . 3 . 2 电压同步信号采集电路 要使三相交流调压主回路各个晶闸管的触发脉冲与其阳极电压保持严格的同 步相位关系，软起动器必须在一个电压周期内控制晶闸管的导通，通过确定电压 波形的过零点，延时一段时间输出触发信号来控制其导通角，故在系统中必须设 2 0 南京理工大学硕士学位论文异步电 机软起动器研究 置同步电路。在本设计中，对于主回路中的晶闸管导通控制的同步信号采用1 个 同步变压器，输出电压经过过零比较器以3 39后得到同步方波信号，方波跳变点 对应于自 然换流点。图3 一 5为同步信号检测电路，实物图如图6 一 4 所示。 图3 一 5同步信号电 路 设计中采用线电压作同步电压时就有 30“的相位差，这要在软件中予以处 理 。 3 . 3 . 3 电机电流检测电路 在限流起动方式中要采用电流闭环，所以在硬件设计中要有电流检测电路， 以电机定子电流作为反馈信号。本设计中的电流反馈信号取自异步电动机的定子 侧，如图3 一 6 为电流检测电路，实物图如图6 一 3 所示。 一 之 : ! - 一 “ 一 ! 一 - 马卜必 一 f - - 灼夕 峪甲d vo口1 一 专 - 湘一 f. 独 六 一 一 ， 侧竺 于 户 一 ! - 洲 、 ; - 一 汗 一 ( 图3 一 电流检测电 路 设计中采用两路电 流检测电路来检测电机定子电流，第三相定子电 流利用软 件来实现，这样就减少了系统的外围硬件电路，节省了 成本。 qi为c s 02o g t 霍尔电流传感器， 能在电 隔离条件下测量直流、 交流， 脉冲以 及各种不规则波形的电流。其器件参数为: i pn 原边额定输入电流20a ip 原边电流测量范围3 0a v s n副边额定输出电压2 . 5 士iv 2l 软起动器控制系统硬件设计硕 卜 论文 v c电源电压+ 5 或+ 1 2 ( 士5 % )d cv i c电流消耗20毗 v d绝缘电压2 . sk va c / s o h z / l m i n 线性度士1 % fs 失调电压士30mv 磁失调电压 ( i p no )士2 0 m v 温漂失调电压士l m v/ 响应时间毛3 p s 频带宽度 ( 一 3 d b )dc一2 0 k h z 工作环境温度一 25+85 贮存环境温度一 40一+l00 负载电阻)i o k 。 其特点是原边与副边之间的高 度绝缘，无插入损耗。满足电 机在起动过程中 的大电流的检测。 电流检测的a /d转换是采用int el80c 196kc 单片机的内部ad转换器， 它由一 个8 通道的模拟多路转换开关、一个采样/ 保持电路、 a /d命令寄存器、a /d结果 寄存器和控制逻辑等组成。 能完成 10位或8 位的高速的a /d转换， 而且采样保持 时间和转换时间是可以编程的。这样就减少了a / d 转换电路的设计，减少了系统 的外围硬件设计 3 . 3 . 4 电源相序检测电路 相序检测为软起动器装置不可缺少的功能。在上述同步信号电路的设计时， 同步信号只有一路，而要正确地发出触发脉冲来控制晶闸管的导通顺序，起到相 序自适应的作用，只有确定相序;硬件电路由分压电路和比较器构成。如图 3 一 7 所 示 为 相 序 检 测 电 路 9j 23j 。 电路先将三相电源电压经过分压，再经过 rc 滤波后送到差动过零比较器 lm339 。 过零比较器将经过分压的三相正弦波整形成三相方波信号， 经过光祸隔离 后送到单片机输入口，如图3 一 8 所示为三相电压与方波信号。 将整形后的方波送入单片 机的 低三位 pi. 0 、pi. 1 、pi. 2 ，直 接循环采样 pi 口的状态检测三相电 源电压的相序和相位。 若检测到的数据顺序为1 一 2 一 3 一 4 一 5 一 6 ， 则为正相序。若检测到的数据顺序为1 一 6 一 5 一 4 一 3 一 2 ，则为负相序。 南京理t大学硕上学位论文 异步电机软起动器研究 1一 1 一一1一 - 一分，一 . 一 一 宁 一 l ._。 - ) 日 弘。 ， 护 1 习 算对 气 1 ， _ 蕊 理 卜 一 曰 一匕 - 一一 寸一 - 一 于 l 一 1 -一一1二妥石 今仁白 l 片一 份生一衬宁 ) 一 扣一冬 斗、 一一 毒j 落 !1 1一一 二 一f 一 _ 一 1犷 一 丫 一 丁-一 日 日 “勿 j 二 i 卜 一1 言 一一粉一 一 二 ; 寸一 琶 全 七一 书 一二 广 一 ;于 四 ) 奋二石二 二 不补 : 一城三 不 若 一 飞 l月一了 卜一 一 1一 界 ， - 一 1 二 二 暮 一 福 一 止 千 女上_ 一 下 卞 洲 习卜 兀三菜 一 一 1 二 丁 犷- 竰 _ 一飞) 丫汀 月 一丁下 一 裂 口众。二;_ 苏: 今 ( 卞一 十 下 尸 二 、 牛 _ 一 汁 扮外 t 一 t 一 ， - 二 万 拜 _ 1一十 - 卜 - 一二 川 _ _ 一 ; 习丁 -一 下飞 门飞下】 1 图3 一相序检测电 路 a b c 关 关 幼去 b 八孙岛孩 口二户二口.! 一尸江 一攫; 川王一川口! 图3 一 8 三相电压与方波信号 3 . 3 . 5 人机接口电路 为了使控制器的操作方便，控制参数灵活设置，运行参数可以方便读出。本 2 3 软起动器控制系统硬件设计硕 卜 论文 设计运用了 键盘和显示电路，所完成的功能是要完成控制参数和运行参数的设定 与显示。 系统的 键盘和显示电路如图3 一 9 、 3 一 10所示， 与单片 机的 接口 芯片采用8 2 5 5 可编程并行接口芯片。显示部分采用三位共阴的l ed 数码管，3 只数码管的驱动 采用 2 片逻辑门驱动芯片 7 4 07 来驱动相应的位码和段码，同时采用一片反向器 74ls7404来选通数码管; 键盘设置了8 个按键， 采用非 编码键盘。 如果采用编码 键盘，则需要专门的硬件识别键盘按键的闭合，增加了系统的硬件电路。本设计 中采用的非编码键盘，利用扫描方式来查键值，在软件中利用相应的程序来识别 键盘按键的闭合。这种非编码键盘比较廉价、设置方便且实用性强。 口 : 士一 飞 图3 一 9键盘电路 图3 一 10 显示电路 南京理工大学硕 七 学位论文异步电机软起动器研究 3 . 3 . 6 工作电源设计 目前广泛使用的单片机普遍没有配备不间断电源。因此在使用过程中，一旦 发生断电等异常现象，信息就会丢失，使之无法继续进行。为了避免这种情况发 生， 有采用微电流对蓄电池充电或浮充的办法来防止微机断电的， 但存在着充不 满而使维持时间短的 弱点。 也有使用u ps交流不间断电 源的， 但成本太高。 在本 设计中采用的是一种结构简单、造价低廉、性能可靠、供电时间长、无转换时间 和逆变过程的单片机断电保护直流不间断电源。如图3 一 11所示。 1 、电 路简介 本设计的不间断电源由变压、整流滤波、充放电控制及稳压滤波器部分电路 构成。蓄能部件是锅镍蓄电池组，充电控制利用了锡镍蓄电池的充电电压陡升的 特性，通过晶体三极管对充满程度的比较和控制，使充电电流趋于恒流或关断状 态。无论是交流供电还是蓄电池都靠集成稳压块的调整使输出电压保持不变。 髻一 : 丁 . 夏 _ _ . 咔 宁一 小 一- - 一 奋 鑫 卜聋 沐 咨 笋 一 . 习 t 幼 压 : 宁 _ _三: 二 踌 - 一 一 一 一一一一 一一一 尸 一二 一 _ ， ， 蛛_ _ ， 今.卜骨 ， 十 一一 _州 扣 . _如_ : 令 于 * ， 言 一三 ，: 二 - ，; ” 图3 一 n 电 源电路 2 、工作原理 当交流供电正常时， 市电经变压器变压， 二极管v di4整流，电容cl滤波后 输出直流uz， uz一方面经二极管v d6 降压， 集成稳压块盯稳压，电容cz滤波后 输出稳定的直流供单片机和本设计中其它模块使用。另一方面供给偏置电阻ri， 可调电 阻尺， 稳压 二 极管v d w 和 三极管vt组成的充电电 路及由r3和发光二 极管 led 组成的充电指示电路。 稳压二极管v dw 的稳压值决定着蓄电池组dc充电的上 限电 压， 三极管vt的 基极电 流1 。 随 着蓄电 池oc充电 的上限电 压， 三 极管vt的 基极电 流1 ， 随 着 蓄电 池oc端电 压u dc而 变化。 蓄电 池的 不同 充 满 程 度 决定了 不 同的充电电流值， 但最大大饱和充电电流由rz确定。 2 5 软起动器控制系统硬件设计 硕 卜 论文 ( 1) 当三极管的基极电流大于饱和输入电流时，以恒流对蓄电池充电 (i、 ( u z 一 u d c ) / r z ) ，这时发光指示二极管最亮. ( 2) 当 基极输入电 流几 小于截止输入电 流时， 停止 对蓄电 池的充电。 ( 3) 当基极电流过渡在三极管的放大区时，充电电流随着充电电压u dc微小 上升而显著减小， 由于在rz上充电电流压降的减小， 使发光指示二极管l ed的亮 度也逐渐变暗。 当交流断电或异常时，蓄电池开始放电。即当d 点低于e 点电位时，二极管 vds正偏导通，再经稳压块 盯 稳压和电容 cz 滤波后，输出稳定的直流来维持 80c196kc单片机和其它外围硬件的正常不间断的工作。 电路中的v d6还起到了不 向其它电路放电的隔离作用。 3 、器件参数 器件参数:电 路中t 选用的2 2 0 v /l7a， 5 0w变压器 v d i v d 6 选用 i n 4 0 0 7 ，( 3 a ，5 0 v ) c l 选用1 0 0 0 产 f ，2 5 v ; c z 为4 7 0 产 f ，1 5 v v d w 选用 2 c w 2 0 r l 、r z 、r 3 选用z 1 0 q，1 /8w l e d 选用z e f 型 wy选用产 a 7 8 h 05稳压块 蓄电池dc选用 10节n r 一 sc 型福镍蓄电池组 开关k 选用双刀乒乓开关 三极管v t 选用s d 3 0 c ，夕= 1 0 0 4 、电源输出 该电路可以输出电压为sv，输出电流可达3a，ia放电可维持1 小时。 3 . 3 . 7 单片机管脚分配 本设计中8 0 ci%kc单片机共有管脚68个， 由于部分管脚可以实现功能复用， 在此对本设计中用到的单片机管脚作一些说明。如下表3 一 1 所示。 表 3 一 1单片机管脚分配表 管脚作用管脚作用管脚作用 1 一 v c c数字电源3 4一 h s o . 2 s c r 触发信号 输出 5 8 一ai) 2地址数据总线 1 3 一v r e f ad转换参考电 压 3 5一 h s o . 3 s c r 触发信号 输出 5 7 一ai) 3地址数据总线 3 7 一v p p e p r o m 编程电 压 1 2一 a m nd 模拟地输入 5 6一al) 4地址数据总线 南京理工大学硕士学位论文 异步电机软起动器研究 6 7 一x ta l i 外部时钟输入 3 6 一v s s数字电路地5 5 一八 1 】 5 地址数据总线 6 6 一x t a l z 晶振的逆输出 6 8 一 v s s数字电路地5 4 一a 既 地址数据总线 6 4 一/ bw高位字节使能1 4 一 v s s数字电路地5 3 一a d 7 地址数据总线 1 6一 / r e s et 复位信号输入 3 一朋 1非屏蔽中断5 2 一八 d s 地址数据总线 6 一p o . 0 电机定子电 流输入 2 一/ ea 外部允许输 入 5 1 一冉 朋 地址数据总线 5 一 po . 1 电机定子电流输入 4 3一 r e a d y 准备就绪输 入 5 0 一几 d 1 0 地址数据总线 2 4 一h i s . 0 电压同步信号输入 1 9 一 p l 。 0 相序检测信 号输入 4 9 一冉 d l l 地址数据总线 2 6 一hs o . 4 s cr触发信号输出 2 0 一p l . 1 相序检测信 号输入 4 8 一al) 1 2 地址数据总线 2 7 一hs05 s c r 触发信号输出 2 1 一p 12 相序检测信 号输入 4 7 一冉 d 1 3地址数据总线 2 8 一h s o . 0 s c r 触发信号输出 6 0 一冉 加地 址数 据 总 线 4 6 一月 d 1 4 地址数据总线 2 9 一hso 。 1 scr 触发信号输出 5 9 一九 d l地址 数 据 总 线 4 5 一/ e外部存储器使 能 图3 一 12 单片机管脚分配图 软起动器控制系统硬件设计硕 1: 论文 3 . 4 本章小结 本章主要在前几章的基础上全面的介绍了软起动器控制系统的硬件的设计 问题，从主电 路设计、同步信号的产生、触发方式的选择到相序检测电 路、电 流 检测电路、以及系统工作电源等。给出了各组成部分的具体电路，并对电路的原 理和作用进行了分析，为接下来的软件设计与系统仿真提供了基础。 南京理1大学硕士学位论文异步电机软起动器研究 第4 章 软起动器控制系统软件设计 在一个控制系统中， 硬件的设计是物理基础，而系统的正常较好的运行不能 只有硬件，还必须要有一个较好的软件来支持。要实现