基于单片机的电机软启动器设计

中北大学2014届毕业设计说明书1 绪论1.1 三相异步电动机国内外研究现状我国软起动技术起步于上世纪80年代早期，目前生产电机启动器的厂家很多，先后也推出了多种品牌的软起动器。但由于国内自主开发和生产的能力相对较弱，对国外产品的依赖还是很严重。在技术上和可靠性上与国外同类产品尚有一定的差距。所以在整个软起动器市场上，占据统治地位的还是国外产品，国内产品所占的份额还是很低。目前市场上生产的软启动器主要以机械式和三相反并联晶闸管方式为主。机械式启动器是目前使用比较广泛的启动方式，但它是有级起动，会产生二次冲击电流，启动电流仍然为标称电流的34倍，且有体积大、噪音大、维护费用高、无法适应恶劣环境等诸多弊端。近三十年来，随着电力电子技术的发展，使无电弧开关和连续调节电流成为可能。电力半导体开关器件具有无磨损、寿命长、功耗小等特点，结合现代控制理论及微机控制技术，为实现电机的软起动提供了全新的思路。要突破传统的启动方式，是离不开电力电子技术和微机控制技术的发展的。目前在国外，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。在没有调速要求使用的场合下，起动负载较轻时一般采用晶闸管软起动。在重载或负载功率特别大的时候，才使用变频软起动。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。例如GE公司生产的ASTAT智能电机软起动器；ABB公司生产的PST、PSTB系列电机软起动器；施耐德公司的ATS46软起动器；德国SIEMENS公司的3RW22 SIKOSTART软起动器等等。目前，国外对晶闸管三相交流调压电路的研究己经从对控制电压、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，找到适用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。另一方面，随着电力电子技术的发展，异步电动机向更加可靠、方便性好、小型化方向发展。1.2 本课题研究内容软启动器本质上是一种直流调压装置，用来实现软启动、软停车、实时监测以及各种保护功能。为了保证系统安全可靠地运行，可以充分发挥单片机的强大控制功能，由主控制电路对系统的关键器件和关键参数，例如过压、欠压、过流、过载、等进行实时监控。随着数字直流PWM调压技术的应用，以及采用高性能的单片机作为系统的控制核心，可以使软启动器具有控制快速准确、响应快、运行稳定、可靠等优点。在三相交流异步电动机不宜采用直接启动的时候，可以考虑采用定子串电阻或串电抗器启动、Y-启动、自耦变压器降压启动、转子串电阻启动、晶闸管电子软启动、分级变频软启动、两相变频调压软启动等方法。结合各方面的因素及实际情况，本课题研究的内容主要有：(1)研究三相调压软起动的基本原理，对三相异步电动机的起动电流和起动转矩进行分析，对软起动控制策略进行研究。(2)对三相晶闸管软起动系统进行硬件设计。包括主电路，触发电路，检测电路，控制电路，驱动电路等。(3)实现三相异步电动机软启动器模式的设计和软件的有关设计。(4)用protues绘制系统的原理图。本课题的目标是实现三相异步电机的软启动，甚至使软启动器能够根据电机负载的实际情况改变。中北大学2014届毕业设计说明书2 三相异步电动机的起动控制的研究交流三相异步电动机的传统启动技术，如定子串电阻/电抗器启动、自耦变压器降压启动、星形-三角形降压启动、转子串电阻或频敏变阻器启动等，在交流电动机启动技术发展过程中都有过重要应用。但随着晶闸管技术的发展，三相交流调压软启动器因为具有性能良好、产品多样、电压可连续调节以及转矩或电流可闭环控制等优点，使得电子软启动器得到了深入而广泛的发展，成为软启动市场中的主流产品。2.1 三相异步电机的启动方法三相异步电动机的起动方法主要有直接起动、传统减压启动和软启动三种启动方法。下面就分别做详细介绍。2.1.1 直接起动直接起动，也叫全压起动。起动时通过一些直接起动设备，将全部电源电压(即全压)直接加到异步电动机的定子绕组，使电动机在额定电压下进行起动。一般情况下，直接起动时起动电流为额定电流的38倍，起动转矩为额定转矩的12倍。根据对国产电动机实际测量，某些笼型异步电动机起动电流甚至可以达到812倍。直接起动的起动线路是最简单的，如图2.1所示。然而这种起动方法有诸多不足。对于需要频繁起动的电动机，过大的起动电流会造成电动机的发热，缩短电动机的使用寿命；同时电动机绕组在电动力的作用下，会发生变形，可能引起短路进而烧毁电动机；另外过大的起动电流，会使线路电压降增大，造成电网电压的显著下降，从而影响同一电网的其他设备的正常工作，有时甚至使它们停下来或无法带负载起动。这是因为Ts及Tm均与电网电压的平方成正比，电网电压的显著下降，可使Ts及Tm 均下降到低于Tz。一般情况下，异步电动机的功率小于75kW时允许直接起动。如果功率大于75kW，而电源总容量较大，能符合下式要求的话，电动机也可允许直接起动。 如果不能满足上式的要求，则必须采用减压启动的方法，通过减压，把启动电流Ist限制到允许的数值。图2.1 直接启动原理图2.1.2 传统减压起动减压起动是在起动时先降低定子绕组上的电压，待起动后，再把电压恢复到额定值。减压起动虽然可以减小起动电流，但是同时起动转矩也会减小。因此，减压起动方法一般只适用于轻载或空载情况。传统减压起动的具体方法很多，这里介绍以下三种减压起动的方法：(1)定子串接电阻或电抗起动定子绕组串电阻或电抗相当于降低定子绕组的外加电压。由三相异步电动机的等效电路可知：起动电流正比于定子绕组的电压，因而定子绕组串电阻或电抗可以达到减小起动电流的目的。但考虑到起动转矩与定子绕组电压的平方成正比，起动转矩会降低的更多。因此，这种起动方法仅仅适用于空载或轻载起动场合。 对于容量较小的异步电动机，一般采用定子绕组串电阻降压；但对于容量较大的异步电动机，考虑到串接电阻会造成铜耗较大，故采用定子绕组串电抗降压起动。如图2.2所示：当起动电机时，合上开关Q，交流接触器KM断开，使电源经电阻或电抗R流进电机。当电机起动完成时KM吸合，短接电阻或电抗R。图2.2 定子串电阻或电抗起动原理图(2)星-三角形(丫-)起动星-三角形起动法是电动机起动时，定子绕组为星形(丫)接法，当转速上升至接近额定转速时，将绕组切换为三角形()接法，使电动机转为正常运行的一种起动方式。星-三角形起动方法虽然简单，但电动机定子绕组的六个出线端都要引出来，略显麻烦。图2.3为星-三角形起动法的原理图。接触器KM2和KM3互锁，即其中一个闭合时，必须保证另一个断开。KM2闭合时，定子绕组为星形(丫)接法，使电动机起动。切换至KM3闭合，定子绕组改为三角形()接法，电动机转为正常运行。由控制电路中的时间继电器KT确定星-三角切换的时间。定子绕组接成星形连接后，每相绕组的相电压为三角形连接(全压)时的l/，故星-三角形起动时起动电流及起动转矩均下降为直接起动的13。由于起动转矩小，该方法只适合于轻载起动的场合。图2.3 星-三角形起动法的原理图(3)自耦变压器起动自耦变压器起动法就是电动机起动时，电源通过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，将自耦变压器从电源切除，而使电动机直接接到电网上转化为正常运行的一种起动方法。图2.4所示为自耦变压器起动的自动控制主回路。控制过程如下：合上空气开关Q接通三相电源。按启动按钮后KM1线圈通电吸合并自锁，其主触头闭合，将自耦变压器线圈接成星形，与此同时由于KM1辅助常开触点闭合，使得接触器KM2线圈通电吸合，KM2的主触头闭合由自耦变压器的低压抽头(例如65)将三相电压的65接入电动。当时间继电器KT延时完毕闭合后，KM1线圈断电，使自耦变压器线圈封星端打开；同时KM2线圈断电，切断自耦变压器电源，使KM3线圈得电吸合，KM3主触头接通电动机在全压下运行。自耦变压器一般有65和80额定电压的两组抽头。若自耦变压器的变比为k，与直接起动相比，采用自耦变压器起动时，其一次侧起动线电流和起动转矩都降低到直接起动的lk2。自耦变压器起动法不受电动机绕组接线方式(丫接法或接法)的限制，允许的起动电流和所需起动转矩可通过改变抽头进行选择，但设备费用较高。图2.4 异步电动机的自耦变压器起动法自耦变压器起动适用于容量较大的低压电动机作减压起动用，应用非常广泛，有手动及自动控制线路。其优点是电压抽头可供不同负载起动时选择；缺点是质量大、体积大、价格高、维护检修费用高。2.1.3 软启动软起动可分为有级和无级两类，前者的调节是分档的，后者的调节是连续的。在电动机定子回路中，通过串入限流作用的电力器件实现软起动，叫做降压或者限流软起动。它是软起动中的一个重要类别。按限流器件不同可分为：以电解液限流的液阻软起动；以磁饱和电抗器为限流器件的磁控软起动；以晶闸管为限流器件的晶闸管软起动。晶闸管软起动产品问世不过30年左右的时间，它是当今电力电子器件长足进步的结果。10年前，电气工程界就有人预言，晶闸管软起动将引发软起动行业的一场革命。目前在低压(380V)内，晶闸管软起动产品价格已经下降到液阻软起动的大约2倍，甚至更低。而其主要性能却优于液阻软起动。与液阻软起动相比，它的体积小、结构紧凑，维护量小，功能齐全，菜单丰富，起动重复性好，保护周全，这些都是液阻软起动无法比拟的。但是晶闸管软起动产品也有缺点。一是高压产品的价格太高，是液阻软起动产品的510倍，二是晶闸管引起的高次谐波比较严重。2.2软起动的原理及分析2.2.1 晶闸管调压原理晶闸管的控制方式有两种：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，即把晶闸管作为静止接触器，交替的接通与切断几个周波的电源电压，用改变接通时间与切断时间之比来控制输出电压的有效值，从而达到调压的目的。但周波控制用在异步电机定子上时，通断交替的频率不能太低，一方面会引起电动机转速的波动，另一方面每次接通电流就相当于一次异步电动机的重启动过程。当电源切断时，电动机气隙中的磁场将由转子中的瞬态电流来维持，并随着转子而旋转，气隙磁场在定子绕组中感应的电动势频率将有所变化，当断流时问隔较长时，这个旋转磁场在定子中感应的电势和重新接通时的电源电压在相位上可能会有很大的差别，这样就会出现较大的电流冲击，可能危及晶闸管的安全。故在异步电动机的调压控制中，晶闸管调压一般采用相位控制。采用相位控制时，输出电压波形已不是正弦波，经分析可知，输出电压不含偶次谐波，奇次谐波中以三次谐波为主要成分。谐波在异步电机中会引起附加损耗，产生转矩脉动等不良影响。此外，由于异步电机是感性负载，从电力电子学中可以知道，当晶闸管交流调压回路带有感性负载时，只有当移相角大于负载的功率因数角时，才能起到调压的作用。当时，电流导通的时间将始终保持在180。其情况与=0时一样，相控不起任何调压作用，甚至在晶闸管触发脉冲不够宽的情况下，出现只有一个方向上的晶闸管工作，负载上出现直流分量，对晶闸管造成危害。为了保证晶闸管的安全，在使用相控晶闸管电路时采用宽脉冲触发，移相范围限制在180。本系统软起动器采用晶闸管调压原理，通过调节电动机定子输入端电压的大小和相位实现软起动的各种功能。本系统软起动器采用了如图2.5所示的主电路。用三组反并联晶闸管分别串联在星形接法的电机三相定子线圈上，这种连接方式谐波比较少，调压性能最为优越，控制系统简单、可靠。图2.5软起动主回路原理图为了方便分析，做以下假定：(1)电源为三相对称的正弦电压源，内阻抗为零；(2)各晶闸管的特性一致，对称触发，关断状态时，其阻抗为无穷大；导通状时压降为零；(3)电机为理想电机，其定、转子绕组在空间产生正弦分布的磁通势；(4)稳态运行时，电机的转速为常数。由于主电路中没有中线，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有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，本系统采用了能够产生大于60的双窄脉冲的触发电路。要实现异步电动机的平稳起动，需要控制电机的输入电压，使其按照某种曲线由小到大逐渐上升。通过按照一定时序调整六个晶闸管的触发角就可以实现该目标。该电路的调压实质是对电源电压进行斩波。电机获得的电压是非正弦的，但是每相电压的正负半周是对称的。晶闸管任意一相的电压波形如图2.7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。由图2.6可以很容易地推导出触发角，功率因数角以及导通角之间的关系： 公式(2.1)图2.6 任意相晶闸管的工作波形其中晶闸管的输出电压是介于导通角之间的波形。通过改变导通角的大小，就可以改变晶闸管的输出电压，从而改变了电机的输入电压。由式(2.1)可以得知，导通角与触发角、功率因数角都有关。对于恒定的负载而言，功率因数角是常量，导通角仅仅与触发角有关。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。2.2.2 软起动的起动方式软起动器的功能主要是实现软起动和软停车，而软停车相当于是软起动的逆过程。三相异步电动机软起动器拥有多种起动模式，可以满足不同的起动要求。下面详细介绍：(1)限流起动限流起动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Im的软起动方式，起动波形如图2.7所示。主要用于轻载起动的降压起动，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值Im，然后保持输出电流不大于该值的条件下逐渐升高电压，直到额定电压。这种起动方式的优点是起动电流小，且可按需要调整起动电流的限定值Im。其缺点是在起动时难以知道起动压降，不能充分利用压降空间，损失起动转矩，起动时间相对较长。该方法应用较多，适用于风机，泵类负载。图2.7 限流启动波形(2)电压斜坡起动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。改进的方法是采用双斜坡起动，如图2.8所示。输出电压先迅速升至U(U，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。图2.8 电压斜坡启动波形(3)转矩控制起动主要用于重载起动，如图2.9所示。它是按照电动机的起动转矩线性上升的规律控制输出电压。其优点是起动平滑、柔性好、对拖动系统有利，同时减少对电网的冲击，使最优的重载起动方式。其缺点就是起动时间较长。图2.9转矩控制启动波形(4)转矩加突跳控制起动 转矩加突跳控制起动与转矩控制起动一样，也是用在重载起动的场合。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，干扰其他负荷。转矩加突跳控制起动如图2.10所示。图2.10 转矩加突跳控制起动波形(5)电压控制起动电压控制起动是在保证起动压降一定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，如图2.11所示。 图2.11 电压控制起动波形3 软启动器的硬件电路设计3.1 主要器件的介绍3.1.1 AT89C51介绍 高性能8位单片机AT89C51 是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机,片内含8k Bytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 AT89C51具有如下特点,40个引脚,8k Bytes Flash片内程序存储器,256 byte的随机存取数据存储器,RAM,32个外部双向输入/输出,I/O,口,5个中断优先级2层中断嵌套中断2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口门狗,WDT,电路,片内时钟振荡器。此外,AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下,CPU暂停工作,而RAM定时计数器,串行口,外中断系统可继续工作,掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据,停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。 3.1.2 AT89C51管脚功能介绍 VCC:供电电压。 GND:接地。 P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门流。当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时:P0 口作为原码输入口当FIASH进行校验时P0输出原码此时P0外部必须被拉高。 P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时其管脚被内部上拉电阻拉高且作为输入。并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平并用作输入。作为输入由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流,ILL,这是由于上拉的缘故。 P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG:地址锁存允许信号端。当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是,每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时, ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外,该引脚被略微拉高。如果微处理器在外执行状态ALE禁止,置位无效。 PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时这两次有效的/PSEN信号将不出现。 EA/VPP:当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器,0000H-FFFFH,不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET当/EA端保持高电平时此间内部程序存储器。在FLASH编程期间此引脚也用于施加12V编程电源VPP。 XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2:来自反向振荡器的输出。 表3.1 P3.0口引脚功能表 P3口引脚 第二功能 P3.0 RXD:串行口输入 P3.1 TXD:串行口输出P3.2 INT0:外部中断0输入 P3.3 INT1:外部中断1输入 P3.4 T0:定时器0外部脉冲输入 P3.5 T1:定时器1外部脉冲输入 P3.6 WR:外部数据存储器写脉冲输出 P3.7 RD:外部数据存储器读脉冲输出 3.1.3 AT89C51的最小系统电路构成 AT89C51单片机的最小系统由时钟电路、复位电路、电源电路及单片机构成。单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种操作的时间基准,复位操作则使单片机的片内电路初始化,使单片机从一种确定的初态开始运行。 单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到,内部振荡方式和外部振荡方式。在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器,就构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器,当外接晶振后,就构成了自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。当单片机的复位引脚RST出现2个机器周期以上的高电平时,单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平,单片机就处于循环复位状态。根据应用的要求,复位操作通常有两种基本形式,上电复位和上电或开关复位。上电复位要求接通电源后,自动实现复位操作。上电或开关复位要求电源接通后,单片机自动复位,并且在单片机运行期间,用开关操作也能使单片机复位。单片机的复位操作使单片机进入初始化状态,其中包括使程序计数器PC,0000H,这表明程序从0000H地址单元开始执行。 系统复位是任何微机系统执行的第一步,使整个控制芯片回到默认的硬件状态下。51单片机的复位是由RESET引脚来控制的,此引脚与高电平相接超过24个振荡周期后,51单片机即进入芯片内部复位状态,而且一直在此状态下等待,直到RESET引脚转为低电平后,才检查EA引脚是高电平或低电平,若为高电平则执行芯片内部的程序代码若为低电平便会执行外部程序。 3.2 主电路的选择在晶闸管交流调压系统中，晶闸管可以借负载电流波形过零而自行关断，不需另加换流电路，所以其主要优点是线路简单、调压装置体积小，价格低廉、使用及维修方便。本系统采用晶闸管相控调压的技术，采用图3.1所示的主电路，用六个两两反向并联的晶闸管串连在电机主供电回路中。图3.1 交流调压主电路晶闸管调压单相等效电路如图3.2所示，其中ZL为电机一相等效阻抗，Ui为电网相电压，UL为晶闸管输出电压。设。 图 3.2晶闸管单相调压电路 图3.3 晶闸管输出电压波形 图3.3为一路晶闸管输出波形示意图。晶闸管控制角和功率因数角决定了晶闸管的输出电压值。晶闸管正负半周的触发是对称的，晶闸管的输出电压有效值u。可由式（3.1)计算： 公式(3.1)可见，UL是晶闸管控制角、功率因数角及供电电压U的函数。当供电电压不变时，通过改变晶闸管的控制角，可以改变晶闸管的输出电压。3.3 主回路设计3.3.1 主回路电路软起动器主回路设计电路如图3.4所示。图3.4主回路电路采用三组反并联晶闸管组成调压电路。在三组晶闸管和三相供电电源之间接入接触器，软起动时，接触器断开，软起动完成后接触器闭合。软停车开始时，接触器再次打到双向晶闸管端，软起动器投入到停车运行，如此重复来完成软起动和软停车。在三相电源侧通过隔离电路得到软起动器同步信号；在晶闸管输出侧即R、S、T通过电阻分压而得到较低幅值的三相电压，再经过整流电路送入单片机做故障检测。而TAl，TA2年TA3表示为霍尔传感器电流输出，该电流信号通过整流电路后转变成电压信号输入到控制回路。3.3.2 晶闸管参数选择晶闸管的选择参数很多，但用于应用于软起动时，主要是额定电压、额定电流的计算与选择。晶闸管由于过电流过电压能力低，又常常工作在不同的电流波形情况下，给额定电流的选择带来一定的困难，如若额定值选择不当，会造成不必要的损失或浪费。根据实际工作条件，在满足需要的前提下，应尽量降低晶闸管的定额，以减少设备投资。需满足两个条件。首先，晶闸管的正、反向峰值电压UDRM和URRM应为晶闸管实际承受最大峰值电压UM的23倍，即UDRM/RRM=(23)UM。在本文设计中电机为220V的三步电动机，根据公式计算可得晶闸管耐压在622V933V范围内。其次，晶闸管的额定通态电流ITAV指的是工频正弦半波平均值，其对应的有效值应满足IRMS=1.57ITAV。为使晶闸管在工作过程中不因实际有效值应在乘以安全系数1.52后才能等于1.57 ITAV。本文中使用的异步电机功率4KW，额定电流0.55A。由于异步电机在直接起动时的电流为67倍的额定电流。因此晶闸管的ITAV范围在3.3A3.85A。3.3.3 晶闸管触发电路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。该方式是晶闸管在每个电源周期的选定时刻将负载与电源接通,根据选定时刻的不同可得到不同的输出负载电压从而起到调压作用。软起动器常采用的是三相交流调压电路每相在电源和异步电动机之间接,入双向反并联晶闸管。晶闸管调压的控制方式一般采用比较好控制的相位控制方式，即晶闸管在电源电压每一周期中在程序规定的时刻将晶闸管导通，使负载与晶闸管构成的三相交流调压。主电路由六个晶闸管VT1、VT2、VT3 、VT4、VT5、VT6两两反并联连接而成。一对反并联晶闸管接交流电源的一相,它们分别在交流电源的正、负半周起作用,主电路输出端接三相交流异步电机。电机软起动中通过合理控制晶闸管的触发角,使得晶闸管模块的输出电压(电机输入电压)按照预定的规律进行变化,从而实现电机的平滑起动。 由三相交流调压电路的原理图可以看出任何时刻至少有两只晶闸管同时保持导通,才能构成闭合回路,负载才能得电。下面以电阻性负载为例来进行分析三相交流调压电路的工作情况。三相电源相位关系互差120，晶闸管VT1、VT3、VT5工作在电源的正半周，VT2、VT4、VT6工作在电源的负半周。因此VT1、VT3、VT5或VT2、VT4、VT6的触发脉冲在相位上应依次相差120，同一相上的两个反并联晶闸管的触发脉冲相位应依次相差180。故六路晶闸管脉冲触发顺序为VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6相位依次相差60。电阻性负载下，随着触发角的不同，晶闸管的触发导通有三类工作情况：第一类情况是同一时刻下有三个晶闸管导通，三相电源经晶闸管模块输入到三相负载中，每相负载的电压就是此刻该相的相电压。第二类情况是同一时刻下有两个晶闸管导通，即导通的两相构成闭合回路，回路负载有电流流过。第三类情况是同一时刻下只有一个晶闸管导通，因无法形成闭合回路，三相负载中没有电流。3.3.4 晶闸管保护电路晶闸管由于击穿电压接近工作电压，热容量又较小，所以承受过电压、过电流能力较差，短时间内的过电压、过电流都可能造成元件损坏。为了使晶闸管能正常工作，除了合理的选择元件外，还必须对过电流，过电压的发生采取保护措施。(1)过电流保护晶闸管设备发生过电流有可能是晶闸管损毁、触发电路或控制系统有故障等。针对这些情况，除了用软件来实现保护外，还可以在硬件电路中加入快速熔断器来保护晶闸管的过电流。(2)过电压保护我们知道晶闸管有一个重要的特性参数，即断态电压临界上升率du/dt。它表明晶闸管在额定结温和门极断路条件下，使晶闸管从断态转入通态的最低电压上升率。若电压上升率过大，超过了晶闸管的电压上升率的值，则会在无门极信号的情况下开通。即使此时加于晶闸管的正向电压低于其阳极峰值电压，也可能出现这种情况。为了限制电路电压上升率过大，确保晶闸管安全运行，本设计在晶闸管两端并联RC阻容吸收网络，利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率。因为电路总是存在电感的，所以与电容C串联电阻R可起阻尼作用，它可以防止R、L、C电路在过渡过程中，因振荡在电容器两端出现的过电压损坏晶闸管。同时，避免电容器通过晶闸管放电电流过大，造成过电流而损坏晶闸管。3.4 电压检测回路在电压检测回路中，尽量实现以下三个功能。其一是同步信号的检测功能，采样三相电压的自然换相点，它作为晶闸管脉冲触发信号的同步信号；其二是通过检测晶闸管输出端可以得到晶闸管导通时刻的检测，以便做电压反馈和缺相故障检测；其三是将三相晶闸管输出电压信号通过电阻降压后转变成直流信号，再经A/D转换后送入到单片机中，作为过压或欠压保护的信号。3.4.1 同步信号检测为了保证三相交流调压器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。在电机软起动器的设计过程中，同步信号检测是很重要的一个环节。只有准确的测量出电压的过零点，才能精确的控制晶闸管的导通角，从而实现对电机两端电压的无极加载，完成软起动的功能。采用如图3.5所示的电路作为电压同步信号检测电路。从图中可以看出，这个电路的功能就是将由电源侧来的线电压正弦信号转为低压方波信号来供单片机进行处理分析。由于这里的信号是从高压转为低压送入单片机处理的，因此要利用一块光耦对高低压信号进行隔离，这样保证了这两种信号可以互不干扰地分离处理。整个工作过程大体是这样的：由电源侧来的线电压信号经过2个电阻和1个二极管，变成半波交流信号，这个交流信号在正半波时触发光耦导通，从而使得右侧输入到单片机的是高电平信号；而当光耦左侧交流信号处于低电平时，光耦则截止。那么右侧输入到单片机的信号也就是低电平。这样周而复始，单片机所得到的就是幅值为5V的方波信号，周期等同于电源的周期即工频50Hz，而高低电平持续的时间也基本与电源侧正负交流信号所持续的时间大致相同，虽然其间存在着一定的时延，但这可以通过软件进行补偿，从而既简化了外围硬件电路的设计，又得到了与电源电压同步的信号，为下面给出晶闸管触发信号提供了工作电压零点的基准。图中右端接主控单片机芯片。这个电路的优点在于：一方面，在起动未开始或是开始瞬间，这个电路就可以检测到器件电压零点；另外，由于输入的交流信号是直接从电源侧获取的，因此这就不需要像其他电路那样需要先利用变压器取得交流信号再进行处理，这样就既节省了线路板的空间，又节约了成本。图3.5同步信号检测电路同时，可以利用图3.5这个电路(以下称为电路I)和另一套与电路I基本相同的电路(以下称为电路II)配合，进行电源的相序判断和缺相检测。简要介绍一下工作原理。电路II和电路I结构基本相同，存在的区别就是，假设电路I的输入侧连接电源的U、V两相，而电路II输入侧连接的就是电源的V、W两相，且输出信号是分别送入主控单片机芯片的外部中断输入口。我们假设电路I接的是电源的U、V相，而电路II接的是V、W相，这样在三相电源正常工作时，当UV线电压发生正跳变(即从负半波转为正半波)时，VW线电压为负，那么电路II送入CPU的信号就为低电平；当UV线电压发生负跳变时，VW线电压为正，那么电路II送入CPU的信号是高电平(如果电路II接的是W、V相，那么两次送入CPU的信号高低电平情况就相反)。同步信号示意图如图3.6图3.6 同步信号示意图而当电源发生缺相故障时，UV线电压无论发生何种跳变时，VW线电压都同为正或同为负，这样电路II送入单片机的信号将同为高电平或低电平。设置电路I接入单片机的P32引脚在信号每次跳变时都产生中断，并在每次跳变中断时记录下电路II接入单片机的P33引脚的状态，通过两次对比P32引脚的电平情况，从而判断出所连入电路中三相电源的相序，为下一步产生正确的脉冲触发信号序列奠定基础。同时在电源缺相时，也能判断出故障状况，并封锁脉冲信号及给出报警信号和显示信息。3.4.2 电压反馈回路电压反馈回路如图3.7所示。下面的电路可以得到与晶闸管导通与关断时刻相匹配的工频50Hz的矩形波。简单介绍一下电路构成：U为三相电源的一个输入端(即一组晶闸管输入侧)，R是与之相应的电机输入端(即相应晶闸管输出侧)。6N139是一块高速达林顿光耦，既保证高压侧与单片机低压部分的隔离，又能快速反应出晶闸管导通/截止的时刻。通过计算单片机I/O口的高低维持时间，我们就可以计算出晶闸管的导通角，作为输出电压反馈，同时可以检测出电压是否缺相，并发出报警信息，及时通知操作人员出现故障的某一相电源。图3.7显示的是一路电压反馈的检测，还有两路与之相似的电路检测V、W相。图3.7电压反馈回路3.5 电流检测回路电流检测回路包括了电流反馈回路和保护回路两方面。通过霍尔传感器将三相电流信号转换成电压信号，再将这个电压信号经过AD转换后送入到单片机中作为电流负反馈调节、故障检测和过流保护的依据。3.5.1 电流反馈回路电流反馈信号取自电机的定子侧，采样器件为霍尔元件，采样后得到三相电流信号，将此电流信号经过精密电阻得到相应的电压信号。与电压过/欠电路类似，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，并经过A/D转换后送入到单片机的I/O口中，作为系统执行软起动时的电流反馈信号。电流反馈信号检测电路如图3.8所示。U15为单片机芯片。图3.8电流检测电路3.5.2 过电流保护电路一个优秀的过流保护环节应该是既能对过流反应迅速，又能够准确动作。本设计的过流保护和过压保护环节相似。过流保护的信号取自电流反馈回路，整流、滤波电路与电流反馈电路相同。它与设定值相比较，一旦超过设定值，则输出一个低电平信号送入辅助单片机U2的外部中断口P3.3，然后再由软件处理，对过流的晶闸管实现脉冲封锁、故障报警和系统复位等。对过电流值的设定，一般选择大小为5.5倍的额定电流，这是因为一般的限流起动时，选择的最大限流幅度为5倍，因此要留出一定的余量来保证正常起动时不至于切断电路。过流保护的具体回路如图3.9所示。图3.9 过电流检测电中北大学2014届毕业设计说明书4 基于单片机的软起动器的设计由单片机产生所需的晶闸管移向触发脉冲，必须包括同步电压检测环节、移相延迟角定时环节、触发脉冲时序分配环节等部分，它与模拟电路实现的方法是类似的。同步检测信号在发生正跳变时，经反相以终端的形式向CPU的INT0提供同步指令。采用CPU内部T0定时器检测同步信号的周期，用T1定时器实现移相角的定时控制，P1端口的P1.2P.7分别用于输出三相桥式整流电路的触发信号，而P1口的P1.0P1.1除法指令进行采样。而由于AT89S51单片机在CPU上电复位期间，所有输出为高电平，为避免复位期间所有晶闸管存在驱动信号，应采用低电平为有效触发信号。即当端口输出为低电平时，经外加反相器变为高电平后触发晶闸管导通，输出触发脉冲的宽度也通过定时器T1来控制。触发脉冲的控制软件框图如图4.1所示。 主程序初始化，并设置处置处置处置开放外中断计算脉宽定时处置并保存读入触发角指令看门狗处理a) 主程序图定时器T1中断程序STARTTT输出触发脉冲信号关T1清脉冲前沿标志START清IDT开T1计算下一个触发脉冲,并保存返回输出全T1关T1R5-1=0?置IDT,R5=6置START间隔时间初值置T1开T1 N Y N Yb) T1定时中断子程序主程序保护现场关定时器T0读入T0值并保存定时器T0清0，重新启动T0关断T1IDT=1？触发角调整计算，由此确定第一个脉冲指令初值并保存通过循环延时来完成未完成触发脉冲的输出输出全1计算触发角对应的定时初值，并送初值至T1定时器置脉冲前沿标准取第一个脉冲指令计算下一个脉冲时间隔得定时初值IDT=1?启动T1恢复现场返回 触发延时角定时值减去循环延迟角NYNYc) 外部中断程序流程4.1 移相触发脉冲产生的控制软件流程图中北大学2014届毕业设计说明 5 结 论广泛应用的三相异步电动机起动时刻出现的起动电流一般高出额定电流的37倍，会对进线、供电电网、电动机以及其他设备造成严重危害。传统的降压起动存在着降压效果不明显、耗能大、有机械触点或不能平滑调节电压等缺点。由高性能控制芯片技术与电力电子技术的紧密结合产生的软起动器可以实现更灵活的实现降压起动。本文在查阅有关中外文献的基础上对晶闸管移相交流调压感应电动机软起动系统的硬件设计方面进行了主要的研究，而对于软件方面由于实验条件等方面的原因未作深入探讨，总结本课题研究的内容如下。1）在分析了三相感应电动机的起动过程和三相交流调压电路的基础上，研究设计了晶闸管调压的触发方案。2）采用单片机作为主控单元，设计了软起动系统的硬件电路和软件程序。由于时间及实验条件等的限制，仍还有许多问题有待于进一步研究，例如软件设计方面阐述及论证的内容不够详实等。电机软起动器将来的发展方向是更加智能化和多功能化。目前来看，软起动仍以电压斜坡软起动和限流软起动为主要形式，以后转矩控制的起动方式将成为电机软起动的一种重要起动方式。从更长期来看，变频软起动将成为软起动的主流。这是因为变频软起动可以在限流(起动电流不超过电机额定电流值)的同时获得大的起动转矩，完成包括软停车在内的各种起动功能。中北大学2014届毕业设计说明书参考文献1 王颖中压电动机传统起动方式的危害性J大电机技术，2004，4(1)：42-45 2 陈翔宇，江和异步电机电子软起动器的现状和展望J电气开关，2003，6(2)：31-333 蒋家久中压交流电机软启动技术问题探讨C机车电传动，2004，3(3)：8-11 4 周文定，亢宝位缘栅双极晶体管(IGBT)的研究与设计J杭州：浙江大学电气工程学院，20055 许宏纲，徐方逸软起动器原理及其应用能源技术，2002，23(3)：121-125 6 余洪明，章克强软起动器实用手册M，北京：机械工业出版社，20067 高伟单片机原理及应用M，北京：国防工业出版社，2008，28 Lipo T A，Rowan T MA quantitative analysis of induction motor performance improvement by 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