基于可变电抗的软起动器设计毕业论文.doc

武汉理工大学毕业设计（论文）基于可变电抗的软起动器设计毕业论文目录摘要IABSTRACTII绪论11 软起动器方案设计51.1 软起动原理51.2 软起动方法61.2.1 变频器软起动61.2.2 晶闸器串联软起动61.2.3 水电阻和液态电阻软起动71.2.4 基于可变电抗的软起动71.3 软起动方法选择91.4 软起动控制方式111.4.1 电压斜坡式软起动111.4.2 脉冲突跳式软起动121.4.3 恒流式软起动122 软起动器硬件设计132.1 主电路原理设计132.1.1 功率变换器原理设计132.1.2 可变电抗变换器原理设计142.2 控制电路原理设计152.2.1 键盘和显示电路设计162.2.2 信号检测电路设计172.2.3 A/D和D/A转换电路设计182.2.4 开关量输入/输出电路设计202.2.5 触发电路设计222.2.6 辅助电源电路设计223 软起动器软件设计243.1 系统软件结构设计243.2 软件功能模块设计243.2.1 初始化程序设计253.2.2 看门狗程序设计253.2.3 人机交互程序设计263.2.4 软起动程序设计273.3 软起动器控制算法303.3.1 单神经元PID控制303.3.2 单神经元PID控制的学习算法323.3.3 单神经元PID控制软件流程374 系统仿真与试验384.1 系统仿真384.1.1 主要环节的仿真384.1.2 软起动系统的仿真414.1.3 仿真结果414.2 系统试验434.2.1 系统调试444.2.2 电机起动试验45结束语48致谢49参考文献50附录152附录253附录354附录455附录556绪论软起动器设计的目的和意义三相异步电动机广泛用于工矿企业、交通运输和国防工业等国民经济各个领域的机械设备中，使用量大、范围广，其用电量占全国发电总量的60%以上。应用交流异步电动机的行业十分广泛，如冶金、钢铁、石油、化工、水厂、电厂、机械加工等，几乎遍及所有的行业。而电机的直接起动会产生很大的起动电流，一般为额定电流的57倍，这样大的电流会在电机的定子线圈和转子的鼠笼条上产生很大的冲击力，会破坏绕组的绝缘和造成鼠笼条的断裂，引起电机的故障，大电流还会产生大量的焦耳热，损伤绕组的绝缘，缩短电机的使用寿命；同时电机直接起动时的起动转矩约为额定转矩的2倍，对齿轮传动设备来说，很大的冲击力会使齿轮磨损加快甚至破碎，而对于皮带传动设备来说，加大了皮带磨损甚至拉断皮带1。对异步电动机起动电流的限制，一般通过降低定子输入电压的方式来实现，过去人们采取的降压措施有定子串电抗降压、自耦变压器降压、Y-降压、延边三角形降压等方法，对于绕线式异步电动机，还可以采取在转子回路串接频敏电阻、水电阻的方法。这些方法虽然可以限制电动机的起动电流，但它们对于电机的定子电压的调节是非连续的，导致电机在起动过程中存在一定的冲击电流。从相关资料可以看出，通过降压来降低电机起动电流的应用由来已久。1967年，英国首先提出电动机的软起动问题，并率先用半导体分离元件制造了第一台电动机软起动器。从20世纪80年代开始推广利用晶闸管交流调压技术制作的软起动器。由于从1973年开始世界性的能源危机，世界各国开始注重节能问题，而电动机消耗的电能占发电量的很大部分，因此，电动机的能源问题被视为节能工作的主要课题之一，除通过优化设计来提高电动机本身的效率和其它的运行性能，同时还致力于探索如何使现有的电动机节能运行。1975年NASA(美国航天航空管理局)在研究太阳能加热和冷却系统时，为了降低驱动水泵和风机所用的电动机功率损耗，NASA的工程师Frank Nola发明了一种功率因数控制器，它能起到控制和改进功率因数的作用，更重要的是它还能降低损耗，使原有的电动机效率提高，1977年申请了美国专利，还向其它国家申请了专利。进而研究人员将功率因数控制技术结合到软起动技术中，制造出最初的节能软起动器。自此，国外的众多学者、专家对电子式电机调压装置进行了大量的研究。90年代初期，随着电力电子器件和电力电子技术的发展，出现了以SCR、MOSFET、GTO、GTR、IGBT等作为功率器件且电压连续可调的电子式的调压方式。常用的交流电机控制设备有通用变频器、电机软起动器，其中通用变频器功能最为完善，若仅仅为了起动电机而使用变频器，其性价比太低，致使用户无法接受。而电机软起动器是专门为电机的起动而设计的控制设备，其主电路一般都采用廉价的晶闸管作为功率器件，整套设备造价低，并具有许多辅助的功能，因此近年来受到关注。国外的一些大公司如ROCKWELL、GE、ABB、SIMENS等公司都开发出相应的产品，如GE公司生产的软起动器最大功率850kw，额定电压500V，额定电流1180A，最大电流5900A；ABB公司最大功率1200kw，额定电压690V，额定电流1600A；德国SIEMINS公司生产的3RW22系列软起动器，额定电压6900V，额定电流1200A；法国Schneider Electric公司生产的Altistart软起动器，最大功率达到800kw；美国A-B公司生产的SMC系列软起动器，最大功率达1200kw；美国的BS公司还生产中压613.8kV的软起动器，最大功率可达l0mw，采用晶闸管串联技术。迄今为止，国内外对晶闸管控制的软起动器进行了大量研究，而且开发了相关的产品。随着研究的不断深入，其重点由最初的分析其结构原理、建立数学模型逐渐发展到为获得更好的起动特性以及轻载时节能控制策略的研究，其控制方法也由开始的PID控制过渡到更为适合于非线性系统的模糊控制。根据不同的控制目标，相应的控制变量也不同，在诸多方法中，主要应用的控制变量有定子电流、定子电压、功率因数、输入功率等。在最近的文献中，关注的热点是如何减小电磁转矩的脉动和提高起动转矩的问题，但是所采用的控制策略因为晶闸管的半控性都比较复杂；另一个被广泛关注的问题是电机的轻载节能问题，研究表明，在电机轻载运行时，通过降低定子上的电压能够减小电机的内部损耗，如铜耗、铁耗和杂散损耗等，从而实现节能。但是在众多文献中，对于软起动的谐波问题并没有给予足够的重视，由于在实现轻载节能的过程中，电流的断续不可避免的产生谐波，而谐波的存在不仅影响电机的工作特性而且还增加了损耗，这势必削弱节能的效果，特别在大型电机的起动控制中，谐波还会对电网造成很大的影响，由于晶闸管相控软起动器本身的特点所限，电机在起动的过程中不可避免产生大量的谐波，因此如何消除谐波的问题、更好的实现节能意义重大。近年来出现了利用新的半导体器件来克服传统软起动器的缺点。软起动器作为一个完整的控制系统，除了具有限制冲击电流、改善电机起动特性和实现节能的功能外，还应具有配套的监控和保护系统。国内在这个领域还处于起步阶段，且基本集中在低压电机的软起动器的研究上，特别是在中压电机的软起动器几乎为空白，近两年出现中压磁控软起动器由天津先导公司在2002年5月研制成功，电压等级为6kV和10kV，现在做到最大容量为7000kw，国内中压电机起动基本采用传统的起动方法和水电阻起动。电动机软起动器由于受到晶闸管耐压的限制一直解决不好，近几年来市场上出现了国外少数厂家采用晶闸管串联技术的中压电动机的软起动装置。由于中压异步电动机的应用越来越多且向大型化的方向发展，其起动问题摆在我们的面前，近年来也有其它的起动方法的出现，但都有一定的缺点而没有被普遍的采用。软起动器国内外研究现状国外研究现状国外的一些学者及大公司都在致力于开发适合普通三相异步电机的专用软起动控制器，很多学者在这方面做了大量工作。国外软起动的产品主要是固态软起动装置，即晶闸管软起动和兼做软起动的变频器。在生产工艺有调速需求时，采用变频装置，无调速要求的场合，轻载起动采用晶闸管软起动，负载功率比较大或重载起动的场合采用变频软起动，晶闸管软起动装置是发达国家的主流产品。自1970年以来，国外对晶闸管三相交流调压技术进行了广泛研究，在工业领域得到了广泛应用，在某些领域应用显示出独特的技术优势。如美国AB公司生产的3152000kw的交流调压式电力电子软起动器，英国的CT公司，法国的TE公司，德国的AEG公司以及欧洲的ABB公司等均推出了软起动器系列产品2。国外软起动技术高速发展的原因如下3:市场需求量大随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺，变频器和软起动器越来越广泛的应用于机械、纺织、化工、造纸、冶金、食品等各行各业，以及水泵、风机类节能场合，并取得了显著经济效益。功率器件的发展各种高电压大电流的SCR、GTO、IGBT、IGCT等器件的生产及功率器件并联、串联技术的发展应用，使高压、大功率软起动产品的生产及应用成为现实。控制理论和微电子技术的发展，矢量控制、磁通控制、转矩控制、模糊控制等新的控制理论为高性能的变频器和软起动器提供了理论基础，16位、32位高速微处理器，信号处理器DSP，专用集成电路ASIC的快速发展为实现软起动器高精度多功能化提供了途径。国内研究现状我国对晶闸管软起动器的研究始于90年代，一些研究机构对此技术有一定研究成果。国内全数字晶闸管软起动产品的生产厂家，其产品均是对国外产品一定程度的仿制，而且多为低压产品，自己研制生产的高压软起动装置基本上处于起步阶段。技术状况如下24：(1)软起动器的整机技术落后；(2)软起动产品所用半导体功率器件的制造业几乎是空白，尤其是高电压、大电流的电力电子器件诸如门级可关断(GTO)晶闸管、绝缘栅双级晶体管(IGBT )、门极换流晶闸管(GCT)等尚未研制成功；(3)相关配套产业及行业落后；(4)可靠性及工业水平低。软起动技术是强弱电混合，机电一体化的综合技术，既要处理巨大电能的转换，又要处理信息的收集变换和传输。因此它的共性技术必定是分成功率和控制两大部分，前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的应用技术问题，后者要解决(基于现代控制理论的控制策略和基于智能控制策略问题)硬软件开发问题。主要研究内容本文结合国内外最新研究成果，比较几种常用的电机软起动方法。讨论了基于可变电抗技术的软起动器的结构和系统构建。详细描述了电机软起动控制系统的硬件结构、电路设计，并应用单神经元PID控制算法进行了控制算法设计，最后对系统进行了仿真和调试，并对试验结构进行了分析。论文研究的主要内容：(1)可变电抗式软起动控制器结构设计；(2)软起动控制器硬件设计；(3)软起动软件和控制算法设计；(4)软起动控制的仿真和试验。541 软起动器方案设计1.1 软起动原理电动机起动时，降低加到电动机定子绕组的电压，可以减小电动机的起动电流。一般降压起动是电动机在起动过程中，加在电动机定子绕组的电压的变化是瞬间突变的，主要有降压起动和自耦变压器降压起动等。而软起动是使用调压装置在规定的起动时间内，自动地将起动电压连续平滑地上升，达到额定电压，也就是本文介绍的软起动器所要完成的功能4。 异步电动机的机械特性可用n=f(M)来表示，其特性曲线如图1-1所示。图1-1 异步电动机的机械特性 图1-1中n表示电动机转速；n0表示电动机空载转速；M表示电动机转矩；Ue表示电动机额定电压；Mm表示电动机最大转矩；Sm表示电动机在最大转矩时的转差率。从图1-1可以看出若采用一般降压起动，假若起动电压U=0.5Ue，则电动机起动时的转矩为0.25Mm，即起动时的转矩只有电动机最大转矩的1/4，如果在此时将电压U加大到电动机额定电压Ue，则电动机的转矩一下子就从1/4跳到Um，这样的起动过程是跳跃的、不平滑的，所以又叫作硬起动，对生产工艺要求稳定起动的场合就不宜采用。 而软起动从初始电压开始电压连续平稳的增大，从图中的0.5Ue的那根曲线连续平滑的不断向右平行移动，一直平稳到与额定电压Ue那根曲线重合时为止，那么电动机的转矩就会平滑地增大，一直到转矩为最大值Mm时为止，起动过程也就结束，这样在起动过程中电动机的转矩是平滑的而不是跳跃的，起动过程是平稳的，所以被称为软起动。1.2 软起动方法低压电机软起动装置现在已有很多应用，它通过调节反并联可控硅导通角的办法来调节电动机的端电压，使电动机端电压逐渐上升，达到软起动的作用，它限制了电动机的起动电流(一般3倍额定电流以下)，减小了对电网的冲击，提高了供电质量，提高了电机及机械设备的寿命，减少了停工台时，提高了生产效率。高压电机的软起动装置由于受可控硅器件耐压的限制一直不好解决，但由于高压电机的应用越来越多且向大型化发展，其软起动问题便是必须解决的问题而摆在人们的面前，经过不断地努力，已有几种软起动方法出现，下面是几种被采用的软起动方法1。1.2.1 变频器软起动变频软起停是以变频器实现交流电动机的软起动和软停止，变频器在其中的作用不是调速，而是软起停。它仅仅在电动机起动或停止时投运，而在结束时退出。变频软起停相对于一切形式的降压软起停的优点是在限流软起停的过程中保持不小于电动机额定值的起动转矩，由于可以将电动机起动电流始终限制在额定值以下，所以对电网和电动机的冲击很小，电磁转矩大，起动时间短。变频软起动是交流电机最理想的起动方式，由于变频器采用电压频率按比例平滑上升的VVVF控制方式，能提供1.11.2倍的低频起动转矩，有利于电动机平稳起动。由于频率、电压按比例平滑上升，在起动过程中不存在大的转差功率，因此可实现额定电流起动，消除了起动冲击，避免了起动功耗，且可控制起动速度，是一种真正平滑的软起动方式。电动机的变频软起动方案主要有高低高变频方式和直接中压变频方式两种，两种控制方式的起动性能相差无几，但高低高变频方式效率低，中间低压环节电流大，结构复杂，可靠性差，但其价格便宜。用变频器来起动电机，其起动性能很好，但由于中压变频器价格昂贵，并且变频技术还处于发展阶段，其可靠性还不是很好，用户的维护技术还跟不上，所以还没有得到广泛的使用，一般都在进口设备上采用。用变频器起动电动机，可以做到无操作过电压，但变频器的输出电压中含有大量的高次谐波，这些高次谐波会对电机造成伤害。1.2.2 晶闸器串联软起动采用晶闸管串联技术的中压异步电动机的软起动器，这种软起动方式对元器件参数的一致性要求比较高，元器件的筛选率比较低，而且筛选仪器的价格比较昂贵，另外使用一段时间后，元器件的参数发生变化，使元器件的均压性能降低，一旦元器件损坏，用户很难修复，另外价格也很高，所以现在应用还很少，只有少数国外大公司生产这种装置，如ROCKWELL、SIEMENS、ABB等大公司，如美国的BS公司采用晶闸管串联技术生产的中压613.8kV的软起动器，最大功率可达l0mw。1.2.3 水电阻和液态电阻软起动 水电阻和液变电阻软起动器电路，起动时将水电阻或液变电阻接入，电机起动，起动完备开关闭合，水电阻或液变电阻被切除。水电阻是靠极板移动和大电流使水气化(极板表面)形成的高电阻来控制电机的起动电流。液阻是一种由电解液形成的电阻，它导电的本质是离子导电，液阻是靠掺入杂质的多少、极板的大小及大电流使极板附近的水气化产生的高电阻来控制起动电流，它的阻值正比于电极板距离和电解液电阻率，极板距离可实时控制，液阻的热容量大，成本低，二者都是串在定子电路中。水电阻和液变电阻式的软起动装置受环境温度的影响比较大，因此起动电流控制不准确，另外二者在起动时会产生很大的能量损耗，使水温迅速升高，所以对连续起动的次数是有限制的。液阻软起动装置可串在绕线型转子中实现重载软起动，这也是它的独到之处。液变电阻软起动装置以电流调节为变量，由于液变电阻受环境温度的影响比较大，有时会发生汽化电阻太大，起动电流不能达到所需的起动电流，这时电机会长时间达不到额定转速，造成起动失败。如果第二次起动则必须等待降温，可能需要几个小时，这种情况对连续生产的工厂是不允许的。水电阻式的软起动装置由于极板是移动的，不会产生上述问题，但水的汽化压力会使极板剧烈振动，使其寿命缩短，在大功率的情况下，这个问题将变得非常严重。1.2.4 基于可变电抗的软起动基于可变电抗器技术的软起动器是利用可变电抗器来隔离高压和低压，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控制器连接。通过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2。图1-2 基于可变电抗的软起动器系统结构图其系统结构如图1-2所示。将电抗器LB的一次线圈与高压电机M串接，在电抗器LB中增加二次线圈，将其二次线圈与功率变换单元以及控制器连接。系统工作过程为：首先，闭合Kl，三相交流电经可变电抗器一次侧与电机相连。运用电磁理论、电力电子变流技术和控制算法，通过控制器与电力电子功率变换单元改变电抗器LB二次线圈的电压或电流，从而改变电抗器LB的一次电抗值(即可变电抗器)，进而改变交流电机的输入电压，使高压电机按控制要求实现软起动。起动完成后，K2闭合，K1断开，电机处于运行状态，软起动设备部分处于非工作状态。可变电抗器是可控晶闸管和电抗器的结合，是利用现代电力电子技术控制触发三组独立的反并联晶闸管组件的延时导通电角度，使晶闸管在开通与关断间变化，因晶闸管与电抗器低压控制绕组组成了闭合回路，所以低压侧绕组处于开路与短路状态间变化。电抗器的两个绕组是通过磁路发生耦合的，高压绕组串在电动机绕组中，软起动装置在起动前，高压绕组上就施加了交流电压，并有交流电流流动，从而形成磁动势，因此铁心中出现交变磁通，这种交变磁通通过两个绕组，使其分别感应出一个电动势，当晶闸管处于关断状态，可变电抗器为空载，高压绕组自身只有很微弱的励磁电流流过，这种励磁电流是漏电抗产生的，由于高压交流工作绕组的交流阻抗远大于电动机绕组的交流阻抗，此时高压电源电压大部分施加在电磁调压器的高压交流工作绕组侧，电动机的端电压很小，当晶闸管从关断到开通中变化时，中低压控制绕组便有二次电流流过，而此电流则产生一个消磁磁动势，从而破坏了施加给高压侧的电压和反电动势间的平衡，为了恢复平衡，就必须从电源吸取更大的电流来提供一个完全相等的磁动势，当高压侧增加的电流使高压侧与低压侧达到安匝平衡时，电动势达到平衡，既I1/N2=I2/N1由此式便可看出，高压侧N1与中低压侧N2的匝数是不变的，只要改变了低压侧的短路电流I2，也就改变了高压侧绕组的电流I1，因而可变电抗器的高压绕组与电动机绕组串联，即改变了电动机绕组的工作电流，使软起动成为现实。从而达到恒流起动或者按一定斜率变化曲线起动(或停车)的目的。1.3 软起动方法选择本文拟采用可变电抗器软起动方案，调查研究表明，该技术处于国内领先水平。可变电抗器软起动装置可使高低压电机软起动装置成为一种可靠性非常高的设备，原则上讲最大容量可以做到50000kw，该装置的起动性能远远优于传统起动方法，在此不作性能比较。以下主要从高压电机的软起动方法进行比较，其综合性能如表1-1所示2。表1-1 各种软起动方式比较软起动装置变频器软起动装置晶闸管串联软起动装置液态软起动装置可变电抗式软起动装置起动电机最大容量50000kw小于10000kw18000kw50000kw能量损耗较小最小最大小可靠性较低最低低最高检修周期短短短较短操作过电压小小大小高次谐波大小小小环境温度040040040-3040安装倾斜度无要求无要求小于5无要求耐振动能力适中适中差强起动电流控制精度准确准确受环境影响准确使用寿命较短短短长体积小小大较小价格最高高低适中起动电流小较小一般较小起动时间较短较短一般较短起动重复性连续(长时间)连续(长时间)间隙连续(长时间)起动过程闭环/恒转矩或变转矩闭环/恒流闭环/恒流斜坡/恒流突跳脉冲软停效果很好很好一般很好可变电抗式软起动器与变频器软起动装置比较： 变频装置主要是用在交流电机的调速上，具有明显的节能效果。若把变频装置用来做软起动，则在整个起动过程中电机不会有过流现象，具有很好的起动性能。但它也存在一些不足，诸如价格昂贵，高次谐波大等。 与变频装置相比，本装置的不足之处仅仅是在起动过程中有过流现象，但时间并不长，仅1020s；过电流倍数也不大，空载起动不超过额定电流的2倍，负载起动(风机、泵类负荷)不超过额定电流的3倍。 可变电抗式软起动器与晶闸管串联软起动器比较： 二者都是相位控制调压软起动装置，主要性能有许多相近之处。二者比较尚有如下差别：在可靠性方面，晶闸管串联式软起动装置由于采用晶闸管串联，对元器件特性参数的一致性要求很高，易出现整串元器件的损坏的现象，且难修复。而可变电抗器式的软起动装置由于采用了可变电抗器技术，元器件不用串联(一般仅用单只反并联即可)，因此可靠性大大提高。在高次谐波方面，二者都是相控，产生谐波的情况是一样的。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。所以可变电抗器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。 可变电抗式软起动器与液态软起动器比较： a 控制的灵活性与控制精度方面 装置为纯电气装置，控制参数及曲线的调整范围大、灵活性强。液态软起动装置用控制电机带动水电阻的极板运动，电阻只能单方向变化，灵活性较差。装置的控制精度非常高，且不受环境条件的影响，每次起动都能按设定的方式工作，而液态软起动装置的水电阻受环境条件的影响很大，起动电流控制不准确，这很容易产生意想不到的后果。 b 能量损耗方面 装置采用可变电抗器分压，只有很小的铜损和铁损。而液态软起动装置采用水电阻分压，起动时会产生很大的焦耳热，为有损耗起动。 c 起动瞬间的电流尖峰问题 液态软起动装置的起动电流是靠汽化电阻来限制的，在水汽化之前的很短时间内，水电阻很小，这时的电流会远大于设定值。在电网容量不是很大的情况下，此大电流会使电网电压急剧下降，还很有可能导致起动失败。 d 起动电流调节范围方面 液态软起动装置，对于大容量电机其起动电流不可能较小，否则将使水箱体积更大、尖峰电流冲击更大，增加了控制的难度。而可变电抗器软起动装置不存在这样的问题，电机再大也不影响起动电流的调节范围。 e 过电流时间问题 装置在起动时，开始电机电流很小，随着电机的加速度增加电流，达到设定电流的时间很短，对电机的伤害小。而液态软起动装置在起动过程中使电机始终保持较大的设定电流，直至起动结束，过电流时间长，对电机的伤害大。 f 关于起动失败与连续起动问题 装置损耗很小，可连续起动。液态软起动装置有起动失败的情况，且不能连续起动。由于热变电阻受外界温度变化的影响较大，有时会发生汽化电阻太大，起动电流不能跨过门坎值，造成起动失败，要再次起动，可能要等23个小时降温。另外起动时会产生很大的热量损耗，对连续起动次数是有限制的。 g 操作过电压 装置使电机端电压由小缓慢上升，消除了操作过电压。而用水电阻起动，开关闭合时，全压加在电机绕组的首端，产生操作过电压的情况与直接全压起动的情况是一样的。 h 其他方面 装置的软起动开关投入时主电路电流很小，运行开关投入时两端电压很小，有利于延长主开关寿命。而液态软起动装置的合闸电流很大，对开关寿命不利。装置无可移动部件，检修周期长、使用寿命也较长。液态软起动器装置要周期性换水，另外其电极驱动部份有可移动部件要经常检查其工作状况。装置的体积远比液态软起动装置小，安装方便、土建投资少、总造价低。 综上所述，基于可变电抗器技术的软起动器的起动方法与变频器软起动方法、晶闸管串联交流调压软起动方法以及液态软起动方法相比，具有明显技术优势与价格优势。所以，综合来讲，可变电抗器高低压电机软起动装置应该是高低压电机软起动装置中很有前途的产品。1.4 软起动控制方式所谓“软起动”就是按照预先设定的控制模式进行的降压起动过程，降压起动的目的是减少起动电流。目前的软起动有以下的几种起动方式。1.4.1 电压斜坡式软起动电压斜坡软起动时，起动电压由小到大缓慢上升，所以起动转矩也缓慢上升。在此起动过程中，一般设置一个整定电压值U1，当电机一起动时就把电压加至U1的大小，这样做的目的是让电机在起动时就具有一定的驱动转矩，避免了电机起动时的冲击转矩。随后电机两端电压根据起动的时间设定逐渐上升，直至达到电网额定电压为止。这种起动方式的起动冲击电流主要在电压由0跳到U1时产生。在起动转矩要求不是很高的场合，可以减小起动电压整定值U1的大小，从而减小起动冲击电流。这种起动方法虽然只是通过控制电压来完成软起动，但是起动的冲击电流不大5。 根据国家标准：异步电机转矩过载能力为Mmax /MN 1.8，那么当电机在拖动额定转矩的负载时，在不致停转的前提下，假设电压为额定电压的百分比是X，则： (1-1)当电机驱动恒转矩负载，且U 74.5 %UN时，如果电机仍未能起动，此时，流过电机的电流会非常大，因此这种起动方式不适合恒转矩负载的起动。1.4.2 脉冲突跳式软起动在起动的瞬间加以突跳，使电压迅速上升，然后即刻回落，让晶闸管在极短的时间内大角度导通用以克服拖动系统的最大静摩擦力，然后回落，再按原设定得知线性上升，进入电压斜坡起动过程。与转矩控制起动一样也是适用于重载起动的场合，所不同的是在起动的瞬间用突跳转矩，克服拖动系统的静转矩，然后转矩平滑上升，可缩短起动时间。但是，突跳会给电网发送尖脉冲，干扰其它负荷，使用时应特别注意67。1.4.3 恒流式软起动恒流软起动顾名思义就是异步电动机的起动过程中限制其起动电流不超过某一设定值Im的软起动方式。通常感应电机的额定转差率SN很小，SN为0.010.05，因此若要获得较大的起动转矩，必须有较大的起动电流。恒流起动时，若电流较大，则此时电机的起动转矩Tst也大，因此电机达到稳定转速的时间就越短，起动也就越迅速。恒流起动方式保证了一定的起动转矩，同时防止了电流的冲击1。2 软起动器硬件设计2.1 主电路原理设计可变电抗式软起动方法利用可变电抗器来隔离高压和低压，其研究思路是将电抗器的一次线圈与电机相串接，在电抗器中增加二次线圈，将二次线圈与功率变换及控制器连接。通过控制器与功率变换器改变电抗器二次线圈的电压或电流，从而改变电抗器一次电抗值，进而改变交流电机的输入电压，使交流电机实现软起动。本设计中电压为380V。电机软起动系统主电路由电机、功率变换器和电抗器组成，如图2-1所示。图2-1 主电路框图2.1.1 功率变换器原理设计功率变换器主要由三组独立的反并联晶闸管组件构成，如图2-2所示。晶闸管在开通与关断间变化，因晶闸管与电抗器低压控制绕组组成了闭合回路，所以低压侧绕组处于开路与短路状态间变化。当晶闸管处于关断状态，可变电抗器为空载，高压绕组自身只有很微弱的励磁电流流过，当晶闸管从关断到开通中变化时，低压控制绕组便有二次电流流过。 图2-2 功率变换器2.1.2 可变电抗变换器原理设计如图2-3所示为交流可变电抗器原理图，其特点是在传统电抗器的基础上进行结构变换，将传统电抗器设计成可变电抗变换器和电力电子功率变换器两部分，并构成可变电抗器。可变电抗器分设原边和副边，原边主线圈与负载串(或并)接，构成交流串(并)联电路，副边控制线圈与电力电子功率变换器相连。图2-3 交流可变电抗器原理图可变电抗器的拓扑结构图如图2-4所示。图2-4 a)是传统电抗器的拓扑结构，这是电抗器的最基本的形式；图2-4 b)为可变电抗变换器的拓扑结构，它由主线圈和控制线圈构成；图2-4 c)是基于单相功率变换器的可变电抗器，其原边与图2-4 b)一致，而副边由单相功率变换器构成；图2-4 d)为基于三相功率变换器的可变电抗器拓扑结构，其副边由三相功率变换器构成。由图2-4可知，当主线圈中有电流通过时，就会在铁心中产生主磁通，根据电磁感应原理，此磁通在控制线圈上产生感应电动势。 a) b) c) d) 图2-4 可变电抗器拓扑结构图 a)传统电抗器 b)可变电抗变换器拓扑结构图 c)基于单相功率变换器的拓扑结构图 d)基于三相功率变换器的拓扑结构图通过控制功率变换器的导通条件就可以改变控制线圈的电流大小，控制线圈上的电流产生相对主磁通的反向磁通并改变电抗器铁芯磁阻，从而改变电抗器的电感值。当控制线圈上的功率变换器完全导通时，控制线圈上的电流即达到最大值，这时主线圈上的电流同时达到最大，使电抗器的一次电抗减小；当功率变换器关断时，控制线圈上无电流，主线圈上的电流也降到最小，此时电抗器的一次电抗增大,因此，在一个电源周期内可以通过调节功率变换器的导通角来改变电抗器的电抗值，对于三相电路来说，若将可变电抗器接入电路,则可以平滑地调节电抗值。2.2 控制电路原理设计根据系统需求，采用Atmel的AT89S52作为软起动的微处理器。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8k在系统可编程 Flash 存储器。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。AT89S52还具有256字节RAM，32位 I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止9。电路中还包括进行A/D和D/A转换的模拟量输入通道和模拟量输出通道，以配合微处理器完成数据采集和给定信号输出。可以利用8279来实现显示和键盘的功能。另外还有一个控制电路专用的电源，保证控制电路的可靠性。控制电路的框图如图2-5所示。图2-5 控制电路框图2.2.1 键盘和显示电路设计8279是一种功能较强的键盘/显示接口电路，可直接与Intel公司的各个系列的单片机接口，可以外接多种规格的键盘和显示器。图2-6是AT89S52与8279的一般接口框图。图中，8279外接44键盘，16位显示器，由SL0SL1译出键扫描线，由4-16译码器对SL0SL3译出显示器的位扫描线。图2-6 键盘和显示电路2.2.2 信号检测电路设计2.2.2.1 电流检测电路本文研究的电压软起系统中，电网电压380V，电机工作电流较大。这些电压与电流是起动过程的重要参数，必须将其转换成A/D转换器所能接受的量程范围内，才能将相应数字量送到微处理器，进行运算和处理。所以设计了信号检测模块。图2-7 电流检测电路三相电流检测电路如图2-7所示。软起动电流信号取自软起动器起动回路中，采用三个相同型号的电流互感器TA1、TA2、TA3，得到三相电流信号，该信号经过三相全波整流、滤波和分压后得到一个直流信号，经过一个电压跟随器，由AI端接入A/D转换器ADC0809模拟量输入端。因为ADC0809量程最大为5V，所以在输出端添加了限幅环节，以保证A/D转换器的安全。2.2.2.2 电压检测电路图2-8 输入端子图三相电压信号也要变换成A/D转换器允许的量程范围。电压的测量采用电压互感器，它是一次电气系统与二次电气系统之间实现互相联络的重要一次设备，其主要作用为：供给测量仪表、继电器等，正确地反映电气系统的各种运行情况；使测量仪表、继电器等二次系统与一次系统的高电压隔离，保证工作人员和二次设备安全；将一次电气系统的高电压变换为统一标准的低电压值(100伏，100/1.732伏，100/3伏)，以利于仪表和继电器的标准化。其接线方式有：单台接线，三台单相三绕组的接线，两台单相按V/V接线，还有三相五柱三绕组接线。在这里，电压互感器PT采用三相五柱三绕组接线方式，380V三相电压经该PT后输出五个端子，如图2-8所示，A000、B000、C000为三相端子，N000为中性点，L000为和端子，当高压电网绝缘正常时，由于电网中的三相电压是对称的，其相量和为零，所以和端上的电压为零。当高压电网发生接地故障时，在和端上出现零序电压，从而起动接地堡装置或接地故障信号回路。图中，A000与N000之间，B000与N000之间，C000与N000之间均为100V。图2-9 电压检测电路在软起动中，只需将100V电压信号进行进一步转换即可。三相电压检测电路与三相电流检测电路类似，如图2-9所示(只画出A相电路图，B、C相类似)，电压传感器所得信号经降压整流滤波后，分压得直流信号，通过调理后转化为A/D转换器量程范围内直流电压。2.2.3 A/D和D/A转换电路设计2.2.3.1 A/D转换电路单片机只能识别和处理数字量，因此信号检测模块输出的模拟信号必须经过模/数转换成为数字量，才能完成软起动信号的采集，所以设计中采用A/D转换电路完成这一信号转换。A/D转换器是A/D转换电路的核心，本设计中采用的是8位逐次逼近型A/D转换器ADC0809，它带8个模拟量输入通道，芯片内带通道地址译码锁存器，输出带三态数据锁存器，启动信号为脉冲启动方式，第一通道转换大约100s。ADC的0809的启动信号ST由片选线P3.0与写信号的“或非”产生。这要求一条向ADC0809写操作指令来启动转换。ALT与ST相连，即按打入的通道地址按通模拟量并启动转换。输出允许信号OE由读信号与片选P3.0“或非”产生，即一条ADC0809的读操作使数据输出。A、B、C分别接地址锁存器提供的低三位地址，只要把三位地址写入0809中的地址锁存器，就实现了模拟通道选择。对系统来说，地址锁存器是一个输出口，为了把三位地址写入，还要提供口地址。图2-10中使用的是线选法，口地址由P3.0确定，同时和相或取反后作为开始转换的选通信号。A/D转换后得到的是数字量的数据，这些数据应传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换完成，因为只有确认数据转换完成后，才能进行传送。为此，可采用下述三种方式。1)定时传送方式对于一种A/D转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如，ADC0809转换时间为128s，相当于6 MHz的MCS-51单片机的 64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用这个延时子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。2)查询方式A/D转换芯片有表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此，可以用查询方式，软件测试EOC的状态，即可确知转换是否完成，然后进行数据传送。3)中断方式把表明转换完成的状态信号(EOC)作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。在图2-10中，EOC信号经过反相器后送到单片机的UMDJ，因此可以采用查询该引脚或中断的方式进行转换后数据的传送。不管使用上述哪种方式，一旦确认转换完成，即可通过指令进行数据传送。 图2-10 A/D转换电路2.2.3.2 D/A转换电路本设计中，需要由微处理器系统提供控制信号给功率变换单元，该信号为010V直流电压信号。为了把控制信号由数字量转换成符合触发控制模块需要的模拟电压信号，设计了D/A转换电路，采用典型D/A转换器芯片DAC0832，DAC0832是一个8位D/A转换器。单电源供电，从+5 V+15 V均可正常工作。基准电压的范围为10 V，电流建立时间为1s，CMOS工艺，低功耗20 mw。DAC0832由8位输入寄存器、8位DAC寄存器和8位D/A转换器构成。DAC0809中有两级锁存器，第一级即输入寄在器，第二级即DAC寄存器。因为有两级锁存器，故DAC0832可以工作在双缓冲方式下，在输出模拟信号的同时可以采集下一个数字量。这样能够有效地提高转换速度。另外，有了两级锁存器，可以在多个D/A转换器同时工作时，利用第二级锁存信号实现多路D/A的同时输出。单缓冲方式就是使DAC 0832的两个输入寄存器中有一个处于直通方式，而另一个处于受控的锁存方式，或者说两个输入寄存器同时受控的方式。在实际应用中，如果只有一路模拟量输出，或虽有几路模拟量但并不要求同步输出时，就可采用单缓冲方式。双缓冲方式，就是把DAC0832的两个锁存器都接成受控锁存方式。为了实现寄存器的可控，应当给寄存器分配一个地址，以便能按地址进行操作。可采用地址译码输出分别接和来实现，然后再给和提供写选通信号，这样就完成了两个锁存器都可控的双缓冲接口方式。 双缓冲方式用于多路D/A转换系统，以实现多路模拟信号同步输出的目的。本系统只有一路模拟量输出，采用单缓冲方式，如图2-11所示。图2-11 D/A转换电路2.2.4 开关量输入/输出电路设计2.2.4.1 开关量输入电路开关量输入电路主要用于接受各设备状态信号和工作人员的操作命令，包括：电机起动、警报接触、急停、故障报警、开关和断路器的反馈信号等。开关量输入电路原理图如图2-12所示。图2-12 开关量输入电路原理图开关量输入电源由+24V直流电源提供。输入的开关量IN1通过光耦TLP521隔离后由DI端输送到微处理器，微处理器根据输入开关量进行相应的操作。图中R35为限流电阻，取值为2k。2.2.4.2 开关量输出电路开关量输出信号主要用于控制微型继电器，微型继电器用于控制指示灯、蜂鸣器和中间继电器的状态，以完成对应开关设备的动作。开关量输出电路原理图如图2-13所示，开关信号由DO端输入，继电器提供O1A-O1B常开输出节点。图2-13 开关量输出电路原理图电路中的I/O并不足以直接驱动继电器，因此需要经过驱动电路进行转换，使输出的驱动电压、电流能够适应继电器要求。还需要解决在负载动作时，对电源的干扰以及断开电流时线圈电感在线圈两端产生的极高的感应电压等问题8。所以，设计使用了光电耦合器TLP521进行了光电隔离，输出信号通过控制三级管的开关来控制继电器的状态。当控制引脚为低电平时，PNP三极管基极为低电平，三极管导通，继电器线圈得电，继电器吸合。同理当控制引脚为高电平时，继电器处于断开状态。在继电器线圈两端并联了续流二极管，使继电器线圈产生的感应电流由二极管流过，从而使三极管得到保护。在继电器的触点加入阻容消弧电路，用以消除继电器触点断开使产生的电弧。2.2.5 触发电路设计集成触发器具有可靠性高，技术性能好，体积小，功耗低，调试方便等特点。晶闸管触发电路的集成化已逐渐普及，已逐步取代分立式电路。目前国内常用的有KJ系列和KC系列，本系统以KJ系列设计触发电路10。KJ004集成触发器与分立元件的锯齿波移相触发电路相似，分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。图2-14为三相全控桥整流电路的集成触发电路，由3个KJ004集成块和1个KJ041集成块构成，可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大即可。KJ041内部是由12个二极管构成的6个或门。本系统是由单片机控制的数字触发电路，其脉冲对称度很好，触发器精度可达0.71.5。图2-14 触发电路2.2.6 辅助电源电路设计硬件电路工作离不开电源。在整个弱电部分，辅助电源电路为其它电路提供工作电源，如触发电路需要的+15V和-15V直流电源。电源电路将18V交流电经过整流电路、滤波环节，再经过三端稳压器变成稳定的直流电。辅助电源电路原理如图2-15所示。其中，PU1为7815三端稳压器、PU2为7805三端稳压器、PU3为7915三端稳压器，对应输出的稳定直流电压值分别为+15V、+5V、-15V 。图2-15 辅助电源电路电路工作原理：两组交流18V电分别经PBl-PB2， PB3-PB4输入。PB1-PB2路经整流、滤波后再经PU1稳压输出+15V直流电；再经PU2后输出稳压+5 V直流电压。PB3-PB4路经整流、滤波后再经PU3稳压输出-15V直流电。L1,L2,L3为三个发光二极管，分别组成三路电源的指示信号。电源电路开始工作时，可以看到三个发光二极管发光，这表明得到了所需的直流电压。若三个发光二极管有任何一个或多个没有发光则要进行检查硬件电路。3 软起动器软件设计硬件设计是系统的物理基础，然而要使系统能够正常较好的运行更要求有软件这一灵魂来支持。系统软件的设计在控制系统中有着举足轻重的地位，它直接关系到系统能否正常运行、能否较好的满足系统的设计要求。在本软起动系统中，为了简化硬件、提高系统的可靠性，提高软起动性能，很多功能由软件来实现，因此软件设计是整个系统的重点。3.1 系统软件结构设计该软件的任务是负责系统的管理、控制硬件系统采集信号、对数据输入进行判断和处理、按要求输出所需要的控制信号等。 主程序流程图如图3-1所示。图3-1 软起动控制流程图3.2 软件功能模块设计本系统软件部分采用模块化结构，主要功能模块为初始化程序、人机交互子程序、软起动子程序。3.2.1 初始化程序设计软起动控制器进入运行状态时，将进入初始化程序。该程序对整个软起动程序进行初