电动机的研发设计分析

1、摘要世界上大多数国家对于电动机消耗大约 70% 的电能总量感到十分苦恼。 到我们开始起动 电动机时如若不采取任何措施，则会在刚起动的极短的时间内，生成极大的的电流，其 电流的大小将会比额定的电流大很多 ,这并不是一种好的情况， 它会消耗很多电能。 同样 的这种情况下，将会影响系统的正常工作，更严重时，将会产生更严重的后果，甚至影 响其它系统的工作，不采取任何措施的启动方式还会产生极大的转矩，这种极大的转矩 产生的冲击力会产生极大的危害，无论是对电机，还是对电机所关联的设备都会造成很 大的危害与影响。这是世界各国所不愿意看到的同样的不采用任何措施就将电机起动，导致很多能量的损失。因此，起动电机时

2、使 用一定的手段，会减少很多能量的浪费，同样的用这种手段也会减少起动机产生的极大 的转矩，减少冲击，这样也就会对其它系统进行保护并对安全性进行一定的提高，是非 常重要的步骤。所以，起动电动机使用一定的手段是必须的。本设计考虑到的软起动技术是具有极高现实意义的,因此对交流电动机软起动系统进行了深入研究。 并且通过分析和比较， 我们确定了以晶闸管组串联结构构成主电路,以磁环变压器驱动二级晶闸管，借此来实现隔离和同步触发，以AT89S52 型号的单片机为主控芯片，这样我们就实现了对系统的控制，并设计了静态和动态均压之路。其次我们也 对其它具有检测功能及电等辅助电路进行了具体详细的构建 最后，以 MA

3、 TLA B 这一仿真工具作为平台 ,通过全面对所设计的整体的系统进行分析， 得到仿真的总体结构的设计框图，并应用所需要的仿真模块，然后逐步搭建出所需要的 整体结构，在整体结构中，还进行了所需的包括触发部分的子系统的完成，运用仿真手 段，获得了没有采取任何手段的方式下对电机起动以及在软起动状态下测得的能反映电 机运行状态的数据进行对比， 得到了通过软起动的手段起动电机， 将会大大改善其性能， 减小其对系统的危害的结论。关键词 ：交流电动机 A T 8 9 S单5片机 软起动AbstractFor many countries, an electric motor consumes about

4、the total amount of electrical energy. While starting a motor if it does not take any measures, will start in the extreme time, current generation greatly, the size of the current will be much larger than the rated current, in this case, the system will affect the normal work, more serious, and even

5、 affect other systems the work, will produce great torque, this impact will produce great harm, not only of the motor, causing great harm and influence will be related to the motor of the equipment.In the same way, starting the motor without any action will cause a lot of damage to the energy. and d

6、o not use any measures to reduce, the maximum torque, reduce the impact, for the protection of other systems and enhance the safety, is a very important step.This design takes into account the soft starter technology has very high practical significance, determine the thyristor series structure of t

7、he main circuit, the magnetic transformer driving two thyristor, isolation and synchronization trigger, with models of the main control chip to control the system. Secondly, in the system are also other important parts of the design, including the system for power supply, for simultaneous detection

8、of on line voltage angle difference measurement part.Finally, use the simulation tools as a platform, through the comprehensive analysis of the overall system design, design diagram of the overall structure simulation, simulation module application needs, and gradually build a whole structure of nee

9、d, in the whole structure, also were required including the trigger subsystem part of the simulation has been completed, do not take any measures under the motor starting, and the soft start state measured by comparing can reflect the running status of the motor data can be obtained by means of soft

10、 start motor, will greatly improve the performance and reduce the harm to the system.Key words: AC motor singlechip soft startII目录Abstract I第 1 章 绪论 51.1 课题研究的背景 61.2 课题研究的目的及意义 61.3 国内外发展现状 71.4 论文主要研究内容 7第 2 章 软起动基本原理及系统总体设计2.3.1 斜坡电压起动的控制策2.1 三相交流电动机的起动过程的分析 82.2 常见起动方式102.2.1 斜坡电压起动 102.2.2 限流软起

11、动 102.2.2 转矩控制软起动 11122.2.4 转矩加突跳起动 112.2 电动机软启动系统电路的总体结构分析2.3 电动机软起动控制策略 12 略 122.3.2 转矩控制的策略 122.4 晶闸管参数选择 132.4.1 晶闸管的电流容量的选择 132.4.2 晶闸管的耐压选择 13第 3 章 晶闸管软起动技术装置硬件电路设计 143.1 系统的总体框图 143.2 晶闸管均压电路的设计 143.2.1 电路电压分配不均的分析 141515151. 晶闸管自身静态特性及其自身数值所产生的电压不均2. 晶闸管自身动态特性及其自身数值所产生的电压不均3.2.2 晶闸管在串联使用时解决电

12、压分配不均的方法3.3 主控芯片的选择 173.4 晶闸管的触发电路 173.4.1 触发电路的分析 173.4.3 触发电路的工作过程 181.前级主电路 183. Buck 变换器的恒流控制电路 194. 全桥控制电路 193.5 同步信号电路 203.6 电流检测及反馈电路 213.7 电压检测电路213.8 A/D 转换电路223.9 通信部分电路223.10 电源部分电路233.10.1 5V 电源电路233.10.2 3.3V 电源电路 233.10.3 15V 电源电路 24第 4 章 控制系统的软件设计 244.1 系统流程图 244.2 系统初始化与自检程序 254.3 同步

13、中断模块 264.4 电流闭环控制模块 264.5 脉冲延时模块 27第 5 章 MATLAB 仿真与分析 2727285.1 建立交流电机软起动的仿真模型5.1.1 仿真工具的介绍 275.1.2 仿真模型的基本单元参数设定5.1.3 主电路模块 285.1.4 反并联晶闸管模块 285.1.5 触发电路 295.1.6 软起动控制环节 295.2 仿真结果及分析 29结 论 31致 谢 错误！未定义书签。参考文献 32附 录 34第 1 章 绪论1.1 课题研究的背景 电机的出现让社会得到极大的进步，通过不断的以实际为基础的应用的革新发 展，使得电机不论是在性能上还是在功能上都产生了让人惊

14、叹的改善， 这些改善 满足了急速发展的社会不断提高到需求。 人们运用这些多种多样的电动机， 将电 能转换为机械能， 把这样的功能， 使我们的生活得到了极大的改善， 这样的改善 不仅使我们的生活水平得到了提高， 而且还促进了人类的发展进程。 目前电动机 在生活中有着举足轻重的地位， 是因为电动机的性能和它不可替代的作用。 在曾 经技术和需求还不算很高的时候， 占据主导的位置还是直流机的应用， 但是由于 其内部结构的问题，会有许多无法用人为手段弥补的问题 ,所以人们把研究的重 点放在了交流电动机上 ,这是因为交流电动机着直流机无法媲美的诸多优点而其中优点最为突出的便是三相鼠笼式异步电动机， 它的结

15、构相对简单， 制作工艺 也不复杂，而且易于生产，价格也较为低廉 ,并且惯量小 ,运行可靠 ,它能够满足工 厂苛刻条件下的需求。 所以在工业和日常生活中交流电动机得到了越来越多的人 的认可，因此得到了广泛的发展和应用， 在当今的时代交流电动机有着不可替代 的作用。在现在社会中，运用最为广泛的电机便是交流电动机 ,这些都是因为交流电动机 在结构和性能的方面有着极其明显的优势， 交流电动机相比直流电动机来说， 交 流电机更受现代社会的青睐， 但是任何事物都有其两面性， 虽然交流电动机比起 直流电动机有着诸多优点，但是其在起动方面就需要进行一定手段来进行改善， 否则就会造成很多能量损失， 因为其结构与

16、直流的电机有着极大的不同， 如果其 不采取一定的方法进行起动的话， 在其转速从最开始提升到转速稳定的时候， 其 电流将会变化的非常大， 远超电动机的可接受范围， 这种起动方式同样也会产生 极大的冲击， 这种冲击对电机的危害是十分巨大的， 严重时不仅仅对电机的自身 的产生影响。 还会对其相关联的系统造成很大的危害， 这样的情况是被人们所不 能接受的， 所以交流电机不能在不采取任何措施的情况下起动， 要通过一定的手 段来克服其结构特性中所可能产生的存在问题的情况。 以此来减少那些不必要的 损失，从而获得利益最大化。1.2 课题研究的目的及意义现如今，人类社会飞速发展， 科学的技术也在日新月异， 这

17、也就造成了电动机也 起着越来越不可或缺的重要作用， 而在各种各样的电动机最重要的就是交流电动 机。因为交流电机有着其他电机所无法比拟的诸多优点， 因为交流电机的整体结 构比较简单， 所以这就方便了人们对它进行改造和修理， 并且因为它简单的结构 特性，也就导致了他在大小和质量方面占领着极大的优势， 这让他大大的符合现 代社会的需求和标准， 成为现代社会正常运行的极其重要的一环， 虽然其有着如 此多的优点， 但是这不是意味着它就是完美的。 他最大的缺点就是如果不采取任 何措施或者手段直接将其进行起动，电机在起动过程的瞬间将会产生极大电流， 这些电流会对电机运行产生影响的大小的电流，同时转矩也将会产

18、生极大的冲 击，这些影响的因素将会使电机产生异常的情况， 极大的损害电机， 并且损失很 多能量。并可能对其它的系统产生极大的损害， 所以交流电机是不应被允许直接 起动的，要采取一定的手段来减少这些损害， 让其在实际应用中得到最大的优化。 针对电动机存在的这一起动问题， 人们对其起动方式进行了改进， 人们针对这次 改进，提出了许多传统的起动方式， 而其中最为典型的传统启动方式包括定子串 电阻或电抗启动方式、 Y/ 的起动方式等，这些传统的方式被人们运用了很久， 虽然有着诸多优点并且能够起到一定的改善作用， 但他们在实质上是有级的降压 起动方式， 仍然还存在许多缺点， 例如这样起动方式是无法避免冲

19、击电流和转矩 的产生，而且对于连续调节瞬间电流和转矩也是无法实现的； 工作时都是利用接 触器来转换电压，这种方式回导致在切换的时候将会在极短的时间内产生电流冲 击；并且接触器的存在也会大幅增加机械故障发生概率， 这也就增加了检修的工 作量。通过对交流电机进行全面的分析， 研究其结构特性， 为了实现在整个起动的短时 间的过程中， 能够拥有满足要求的转矩， 并且在这个前提下还要保证这个过程中 的电流不会很大而不满足要求， 我们在经过了不断的通过实际的应用， 研究以及 实验后，发明了通过一定的手段来起动电机， 就可以避免其可能产生的危害的软 起动的方法， 而在进行了实际的操作后， 与我们发现运用这种

20、方式所产生的实际 效果表明，这一方法可以有效解决，不采用任何手段所产生的危害与问题。1.3 国内外发展现 状 人们在二十世纪七十年代的时候发明了用晶闸管为基础的改善电机的起动技术， 并被不断的推广和应用， 已达到避免所不期望的情况发生， 也减小了危害的作用。 经过不断地摸索和研发， 国外已经掌握了成型的技术应用， 也正是因为这个原因， 他们形成了其独特的技术优势， 在国外也开始有了许多著名的软启动器产品生产 厂商，例如美国 AB公司、英国 CT公司、法国 TE公司、德国的 AEG 公司以及 欧洲的 ABB 公司等。为了更好地对电机进行控制以减少其可能产生的危害，国 外已经开始通过先进的技术和手

21、段来研究新的方式方法， 实现更好的可靠与安全 的性能。虽然国外在这一领域方面已经逐渐开始处于领先位置， 并掌握着先进的 技术和理论， 但是还要对现实的情况进行考虑， 结合可行性和资金性价比等方面 的考虑，现在应用最广泛的且实用的起动技术仍然是晶闸管为基础的起动技术。 由于技术和资金限制， 低压产品仍然是现在的主流。 现在的产品最高电压等级为 12KV ，最大容量为 5000KW 。上世纪 90 年代,软起动器由国外开始引入到了中国，但是因其价格较贵，未能得 到较高的认知度而受到国内的忽视。 但是随着社会的快速发展， 对于电机的更高 要求，使得起动时进行一定的手段进行调节变得十分具有现实的意义。

22、 对于国内 来说，这一技术的发展已经初具规模， 但是技术的能力仍然存在一些不足的地方， 对于很多产品， 还要依赖对国外的成品进行一定的模仿， 所以国内的软起动领域 的发展与国外所达到的高度还有一定的差距。 国内也开始形成了一些逐渐具有规 模的软启动企业， 如雷诺尔和奥托等企业， 但是这些企业与国外品牌竞争难度较 大。因为其结构的复杂性高压电机的软起动较难以实现较好的性能， 虽然它的数 量并不是占有较大的比例， 但是对于这样电动机， 软起动的需求性是并不亚于低 压电动机的。所以我国软起动技术尤其是高压软起动方面还是比起国外有一定的 差距，还需要进一步的发展和提高。1.4 论文主要研究内容 随着时

23、代的发展和科学技术水平的提高以及人类社会对于电动机的要求越来越 高，电动机的结构和性能得到了巨大的改善和发展， 人们的生活水平的提高和工 业水平的提高也会随着提高， 人们需要电动机能够具有更高的性能来适应在新的 时代环境下对其提出的更加严格的性能指标 ,通过对现在的工业发展形势以及交流电机在各个不同领域的具体应用， 对晶闸管软启动装置也开始进行了深入的研 究和改革，本文设计的系统，是晶闸管调压技术的 10KV 交流电机起动系统的基 础之上，对于其主控制芯片，并且考虑到它的性价比和性能等综合因素，选用 AT89S52 单片机作为主控芯片，并且结合人们对它们的实际要求，进行设计了 它的主电路和外围

24、具有不同功能的其他的电路。本文中，根据 7555与 IR2110芯片的作用与功能的特性，通过具体的组合构成来 实现具有触发功能的电路， 进而控制开关管实现不同情况下的导通， 接着我们运 用了磁环变压器这一器件， 通过它的结构特性， 来实现我们需要的同步触发以及 高效隔离的作用，进而改变电机的起动的性能达到减少直接起动所产生的危害的 作用，并减少它的能量损失，实现电动机有效的软起动。第 2 章 软起动基本原理及系统总体设计2.1 三相交流电动机的起动过程的分析图 2-1 为三相交流电动机的等效电路图 2-1 异步电动机的简化等效电路xm图中， r1、r2 定子及转子的电阻值 x1、x 定子及转子

25、的漏抗 rm 铁耗的等效电阻 激磁电抗s 转差率U1、 I1 定子的电压以及定子电流 通过分析和整理，可以得到电动机的具体关系式2r2r12 x1 x2 x1 x2r1 sm1U12 r 2s12-3)M CM mI 2cos 2(2-2)当忽略 I0时，则 I1I 2(2-3)2-4)(2-5)r2cos 2cos 22-6)r2x2当交流电动机在最开始进行起动的时候，电动机并不会开始立刻运行，此时n=0，s=1，根据分析可得到此时的转矩 Mst 和电流 Ist 的具体关系式：2-7)Ist I12-8)机械特性 n=f(M)及电流特性 n=f(I1)的曲线如图 2.2 所示nn1n=f(I

26、 1)n=f(M)M0MaI图 2- 2 电动机的机械和电流特性在电动机运行的瞬间， n = 0并且 s = 1。从以上 r2 的等效模拟电路来看，在刚起动时不输 出机械功率，则（ 1-s）r2 。所以，这时的起动电流将会非常大，对于电动机来说，起动电 流将会超过额定电流数倍。 这些电流严重超过电动机的承受能力， 导致它们对电动机造成极 大的损害，会有大量的能量流失，并且还会对与之相关联的系统造成损害。 通过具体的计算以及关系式可知， 在一定的前提条件下， 电动机的起动时的转矩大小以及电 流的大小是和定子上的电压是成正比的关系， 所以通过电压来控制其它电机特性从而改变其 性能是可行的方式， 通

27、过这种方式， 也减小了电动机受到的机械冲击力， 延长电机各部件的 使用寿命。是可以看出这种起动方式是可以被运用的。2.2 常见起动方式2.2.1 斜坡电压起动 因为其极高的可行性与良好的性能，斜坡电压的起动方式在各个领域都有极其广泛的应用， 并因为电动机的各个参数特性互不影响。图2-1-1所示为该种起动方法的函数描述。刚开始起动时， 给电动机加压使电动机的端电压在短时间内上升到初始电压， 以达到电动机 拥有足够的转矩拖动负载的目的， 当电动机刚刚开始运行之后， 其速度将会被限制， 并且开 始慢慢的升高，最后达到所限定的转速 ,其起动期间所持续的时间大约是在 2 60秒左右， 并且在一定的条件下

28、之内， 其速度升高所用的时间是可以进行人为调节的。 这大大增加了电 动机的应用性。图 2-1-1 电压斜坡起动2.2.2 限流软起动限流软起动是一种运用较为普遍的软起方法，起动过程中曲线变化规律如图10 2 -1- 2所示。在最开始的时候，根据具体的负载的参数特性规律，人们会对其进 行一个限制参数的设置， 通过限制参数的设置， 就会达到对电流的波动产生有效 的抑制作用的目的，通常情况下其大小在额定的电流的 1 5倍左右。并且在限 定电流值下， 对电机的起动转矩和负载的转矩也有一定的限定， 电动机的起动转 矩需要大于负载转矩。当电动机刚刚开运行之后， 电流也将会渐渐的增大， 渐渐向初始时设置的限

29、制数 值接近，并最后到达初始时设置的这一个限制数值， 而在这个过程中， 电压不断 地升高， 但是电流会维持这一数值不变， 直到最后转速会达到所期望的大小， 这 种起动方式因为对电流有所限制， 所以这也让它有着其它的起动方式无法比拟的 优点，但是这种起动方式的缺点也是非常明显的， 如运行后反应的速度不够快等， 因此方式在轻载运行时能发挥其最大的长处， 但是不适合重载起动。 这就导致了 在重载起动中是无法运用这种方式来达到人们所需要的目的。IOt图 2-1-2 限流起动2.2.2 转矩控制软起动 转拒控制软起动也是生活中很常见的一种起动方式。 这种控制方式的特性曲线如 图 2-1-3所示，通过应用

30、电动机的转矩特性，其增加是一种线性的方式，这种限 行方式是直接运用在电压上的， 应用这一特性而对电动机的电压进行调节， 实现 具体的控制方式以达到所预期的效果， 转矩控制软起动有着以下的几个显著特点 起动曲线相对平滑， 系统的起动性能好， 并且解决了转矩波动与冲击的问题， 同 样的，这种启动方式也并不是十全十美的， 它要求对转矩值进行大量的计算， 且 闭环控制算法复杂，所以起动时间会比其他的起动方式长。M(t)MqMq1OT图 2-1-3 转矩控制起动2.2.4 转矩加突跳起动转矩加突跳起动并不是生活中常用的起动方式。 转矩加突跳起动在开始起动的瞬11 间用突跳转矩 ,以达到避免系统的静转矩的

31、目的 ,使转矩平滑稳定的提高 ,以减少 起动所用的时间。这一起动方式的最大的优点就是尽可能的减少了所需的时间， 但是实现这一效果 的代价是十分明显的， 这种起动方式将会产生脉冲波动的危害， 影响关联系统的 运行，其在重载的领域会有一些应用， 但是他的这些缺点会对电网系统产生一些 威胁，也会影响其它用电设备的运行。所以应用并不是很广泛。OT图 2-1-4 转矩控制加突跳起动2.2 电动机软启动系统电路的总体结构分析软起动系统设计是一个较为复杂的控制系统的构建， 在设计的过程中我们需 要考虑很多的因素， 并通过计算来设计各个部分的基本结构来实现它们所能达到 的预期的效果， 然后对各个部分进行组合来

32、实现具体的功能。 具体的部分设计功 能如下： (1)检测系统的电压，以判定与电源电压是否同步，并且检测过压、逆序、欠压 等故障。 (2)检测电动机的电流，用来计算其功率的因数大小，并且检测过流、过载和堵 转等故障。 (4)对运行的参数进行控制，并且实现运行参数的显示与参数的设置。2.3 电动机软起动控制策略 2.3.1 斜坡电压起动的控制策略 此种控制方式是对系统中的电机在刚运行时候的电流进行连续的检测， 当其电流 值比最初设定的最大的电流值大时， 此时调节环节开始对系统进行调节， 调节时 的对象是晶闸管的触发角 ，对其触发角 进行人为的控制， 进而达到使其电流 减小的目的， 当其大小减小到预

33、期的数值的时候， 则停止对系统的干预作用， 当 必要时继续进行干预控制电流的大小， 在此过程中我们需要往复的进行调解， 直 到达到预期的目的完成整个起动过程。2.3.2 转矩控制的策略 对电动机的电磁转矩进行控制调整是这种方法能够实现的核心， 使其能够按预期 的控制规律升高，并且我们通过 PI 调节的方式对系统进行干预而调节上升的性 能等， PI 调节环节的输入的数值，是依据初始值通过计算后，得到的转矩的数 值，另外依据电动机的电压反馈与电流反馈值进行运算，其作用是为了PI 环节提供依据的参数。通过各个不同功能的作用相结合，生成所需要的预期的脉冲， 去驱动晶闸管的符合要求的触发，以达到转距控制

34、起动的目的。122.4 晶闸管参数选择在本次设计中起到至关重要作用的是晶闸管， 所以完成系统设计的关键一步是晶 闸管的选择， 主要分析两点问题是决定晶闸管的选择方向， 第一点是在具有良好 的安全性能与可靠性能的前提下确保设计能够顺利完成， 尽可能多的使用我国生 产的电子器件， 以达到节约成本的目的， 以提高其性价比。 第二点是要对元器件 的散热器的形状以及尺寸进行合理计算与选择。2.4.1 晶闸管的电流容量的选择 在本设计中所采用的原件及结构都是根据实际情况下考虑选择的， 所以考虑到实 际应用的要求，在所设计的电路中反并联晶闸管要实现其导通角在0 180 内变化。所以晶闸管在导通角为 180

35、时，电流平均值最大，电流的容量可由下式 来确定：In 23I K f（2-9）在式子中, I n为晶闸管流过各相的回路时电流的有效值； K f则为波形的系数；2.4.2 晶闸管的耐压选择能够影响晶闸管耐压值的因素有很多， 电路中各部分的不同的结构或者是励磁的 电流的影响都会对其产生极大的影响。 所以在选择方面我们必须小心谨慎。 因此 选择需要进行全面而仔细的计算与考虑， 但是根据工作经验和理论分析， 一般对 晶闸管额定电压的限制为：Un 2 3 2 Um（2-10）U n 代表的是晶闸管的最大的耐压值。13第 3 章 晶闸管软起动技术装置硬件电路设计 3.1 系统的总体框图 本文所设计的软起动

36、基本结构如图 3-1 所示，先对所需要的各个部分进行设计和 计算，在进行总体的组合， 以此实现所需要的功能， 由晶闸管组成的部分一端联 接在电动机上， 而另一端联接在所选电网上， 通过改变此部分中晶闸管的的导通 角来实现控制加到电动机端电压大小的目的。 通过控制部分的调节来具体准确实 现符合要求的改变来控制触发角的大小， 而控制部分输入的信息是通过具体的检 测部分输送的， 根据具体的信号控制部分来检测系统的运行状态， 从而做出具体 的反应实现控制作用， 各个部分协调运行来实现所预期的对电机的具体性能的改 变，当检测到电动机已经达到预期的状态时， 系统中的旁路接触器进行工作， 电 机则开始旁路运

37、行而不受其它部分的影响。以此来达到电动机的最大效能化。 对于单个晶闸管来说， 其电压容量是有限的， 虽然其耐压值已发展到 6000V ，但 考虑到电网的波动以及耐压余量等因素， 采取把晶闸管进行串联连接的结构是为 了能够实现具体的实际的应用的要求，进而极大的提高系统的承受电压的能力。 在控制的过程中还要考虑晶闸管导通的角度是否能够满足要求， 并且要求触发的 部分能够生成大于 60 的脉冲，以实现两个反并联的晶闸管可以实现同时出发的 要求。并且为了使晶闸管部分起到调压的作用， 就必须保证其晶闸管的移相角 足够的 大；而当 150时，触发部分将会无法正常的工作。因此为了保证晶闸管的可 靠运行，则移

38、相的范围应该在 150。AB 电供流交旁路接触器UVWPT CT电动机图 3-1 软启动器控制框图3.2 晶闸管均压电路的设计3.2.1 电路电压分配不均的分析从工程实践和具体分析中得出， 晶闸管在串联时引起电压不均问题的主要因 素有以下的三点：141. 晶闸管自身静态特性及其自身数值所产生的电压不均 如果将两个相同规格的晶闸管通过串联的方式连接到一起使用工作时， 由于 晶闸管有自身的静态特性的特点，将会使器件的耐压值会存在着非常明显的差 异，因而会产生电压值的分配不均的现象产生。2. 晶闸管自身动态特性及其自身数值所产生的电压不均 晶闸管不仅有静态特性， 还会有自身的动态特性， 不仅是静态特

39、性会导致电压不 均动态特性同样会对电压的分配产生很大的影响， 其动态的特性包括开通的特性 和关断的特性。（1）由于导通的时间不同所产生的电压分配不均 从器件的结构和原理可以分析得到， 导通是先发生于门极附近的阴极内， 被称为 “局部导通”，随后才能横向的扩展，直到阴极面完成全部导通。器件所导通的 快慢是由开通的时间 tgt ，其中包含“局部导通”时横向的扩展所用的时间来体现。 晶闸管的导通是需要占用一部分时间的， 将会在极短的时间内， 器件所流过的电 流值将会增加非常的大，不同的器件对于承受电流的增加率的能力也会有所不 同。电压的分配不均有可能会因为导通的时间存在的间隔而产生， 如果两个器件的

40、导 通存在一定的不可忽略的时间间隔，那么就会发生瞬间产生极高的电压的情况， 并且会随着晶闸管的先后顺序逐级承受更高的电压， 那么最后导通的器件承受的 电压将会是最大的。那么对于最后导通的器件而言无疑是损坏最大的。（2）反向恢复的时间的不同所产生的电压分配不均 晶闸管是一种典型的通过电流进行制约以实现功能的器件， 所以电流的变化将会 对晶闸管产生很大的影响，而当其电流非常小以至于小于维持所用的最小电流 时，晶闸管的所处的状态也会因此发生改变。其特性可以用 tq关断的时间 tq 和关 断时电压临界的增加率 du dt 体现。由于晶闸管状态的改变，它所产生的效果也 会发生改变。根据分析和计算， 由于

41、结构的特性， 将会有器件承受相当于整个系 统所承受电压数值的电压，显然这将会对系统和器件造成极其严重的影响。3.2.2 晶闸管在串联使用时解决电压分配不均的方法 通过分析可以知道，直接串联使用将会产生诸多问题， 如果电压不能够平均分配， 则有可能导致元器件的损坏， 所以为了解决这一问题， 我们采取了合理的均压的 措施，确保其工作电路的安全性能，使系统能够安全并可靠的工作。 在一般的应用之中， 在晶闸管导通时和关断时的特性都会对系统的电压的分配产 生很大的影响， 但是通过能实现均压吸收的电路调整之后， 电压分配不均的问题 也就变得迎刃而解了，同样的触发的脉冲也将会电压的分配问题产生极大的作 用，

42、所以脉冲要应用强触发方式， 通过强触发方式以及带有均压吸收功能的电路 结合应用，就会较好的解决触发脉冲所产生的分配电压不均的问题。图 3-2 所示为反并联结构的晶闸管装置，并且在电路中具有能够实现均压功能 部分的设计， A_V1 ， A_V2 ，A_V3 ，A_V4 为四只具有相同规格的晶闸管器件， 电路分别由两个均压部分组成， 分别位于电路的右侧和左侧， 这个实现动态和静 态的均压功能的部分分别由电阻或者是由电阻以及电容的组合构成的。1、静态均压支路：15 当晶闸管在特定的状况下， 要实现其组合结构的对电压均匀分配的功能， 就要在 目标的结构旁通过电阻等原件设计具体的能够实现均压功能的部分电

43、路， 并且对 电阻的阻值有着具体的要求， 要通过将其与具体晶闸管的参数进行对比， 以此来 选取合适阻值的电阻， 以实现其能够在电压分配的过程中占据主导作用， 进而实 现调节电压分配的作用。电路中 A_RD1 , A_RD2 的具体数值可以通过以下式子得到：并联使用的静态均压的电阻值 0.1 0.25 UNT（3.1）IR并联使用的静态均压的电阻的功率KR UTm n 2 1 RD（3.2）D在式子中， U NT代表晶闸管的额定电压值；I R 代表晶闸管处于断态时的重复的平均电流；IR 代表晶闸管的漏电流处于峰值时的近似值；n代表晶闸管串联使用时的个数；K RD为已知系数。2、动态均压支路：A_

44、R1 ，A_R2 为并联使用的动态均压的电阻， A_C1 ，A_C2 为并联使用的动态 均压的电容。电容与电阻数值的确定可按下面的式子计算：并联使用的动态均压的电容值 = 2 4 I TA 10 3 uF（3.3）使用的电容的承受电压的数值应高于 U Tm n。并联使用的调节电压分配的电阻选取数值为 10- 30 。并联使用的动态均压的电阻的功率为： P fC UTm n 2 10 6 W（3.4）在式子中， f 代表电源的频率；U Tm 代表所选晶闸管上的电压的极值；n代表晶闸管串联使用时的个数；I Ta代表晶闸管的额定电流值；16图 3-2 均压吸收电路3.3 主控芯片的选择 在这个设计的

45、控制系统中， 其控制核心是 AT89S52 型号的单片机， 其最小系统如图 3-3 所 示，其中包括复位电路、 存储器的模式选择以及震荡电路。 这个型号的单片机主控的芯片是 51系列单片机的强化芯片，该芯片是 8位的 CPU 结构，并且具有灵活的可编程性 Flash， 因为这一结构上的特点，其能够使用不同控制方式的需求，该型号单片机有着比51系列单片机更加优越的性能而且它具有更为丰富的功能， 它共有 32 位 I/O 口线， 256字节 RAM ， 并且片内含 8k 字节 Flash工艺的程序存储器。所以根据这次设计的具体要求，以及从性价 比等方面的综合考虑， AT89S52 型号的单片机是这

46、次设计的最佳选择。图 3-3 单片机最小系统3.4 晶闸管的触发电路3.4.1 触发电路的分析在这次设计之中，我们运用了电流型磁环变压器这一装置来作为实现同步触发和 隔离作用的核心器件， 因为它优越的性能和结构特性， 导致这一装置在众多场合 都有着较多的应用。 磁环变压器这一结构的应用， 可以帮助我们实现非常好良好 的隔离保护的效果。它可以让整个系统的供电电流能够保持基本特性恒定不变，17将所选用的符合规格的电缆按照要求放在变压器的感应线圈之中， 因此所连接的 变压器的初始端相同， 并且该结构可以并联使用， 这样，根据其良好的性能和结 构特性，从而调整脉冲的输出的路数， 以完成触发的系统的总体

47、设计。 也就因为 这些原因电流变压器成为了这个装置的核心器件由于各个变压器的初始端是通过同样的电缆来进行感应的，所以感应到的信 号的强度和数值及特性是相同的， 并且变压器的规格和参数都是一样的， 所以产 生的脉冲也是相同的， 这个脉冲可以用来对相应的器件进行控制， 这样就能保证 各个器件的同时触发。 也就避免了不同时间出发所导致的不同器件承受不同的电 压。磁环变压器的运用是本系统的一个非常显著的优点和长处， 在设计的时候通过对 方案的筛选和比较， 通多大量的对比发现， 运用这一装置进行系统的设计是最为 合理的，这一结构的应用不仅仅简化了方案实行的难度， 更让人感到庆幸的是它 在性价比和可行性的

48、方面有着很大的长处。 根据系统性能的分析， 通过磁环进行 感应的方式来进行控制， 可以保证极高的隔离安全性， 并且也能保证器件的同时 刻性。并且根据其对交变电流感应的特性， 通过这一特性对其进行控制和保护是 实际可行的。3.4.3 触发电路的工作过程1.前级主电路其结构电路如图 3 - 4所示，开始时对 Buck 电路进行具体应用，组合成为能 通过电缆为磁环变压器提供信号的电路结构， 其能够传输直流， 并通过其它的电 路结构对其进行控制。图 3-4 前级主电路2.后级次级触发电路其结构电路如图 3-5 所示，当检测系统检测到系统的电机的参数不符合要求的时 候，需要晶闸管部分进行调节， 此时的控

49、制电路对电流源进行控制， 产生的交流 通过变压器结构进行感应， 从而产生具体的信号， 这一信号在经过之后的电路进 行处理后， 再将信号的非正信号进行过滤， 过滤之后的信号将作为晶闸管器件的 触发信号使用。18图 3-5 后级次级触发电路当系统中电机的各项指标都达到要求之后， 此时将不需要晶闸管部分进行调节， 则电流源的控制电路中的器件进行导通和关断的处理， 实现整个系统处于一直导 通的状态。 通过这样的设计和处理， 将能够实现电流源输出的是直流， 电流的性 质将会改变，并且系统中的变压器只能对交流信号感应， 变为直流信号后， 则没 有信号对晶闸管进行控制，所以器件将停止工作。而当接触发指令发出

50、的时候， Buck 电路所发出的直流电流将会通过系统中的全桥的变换器处理转变为磁环能 感应到的交变电流， 且不需要电流的建立过程， 从而满足了强触发的要求。 是的， 整个系统具有更好的灵活性和多变性。3. Buck 变换器的恒流控制电路 其结构电路如图 3- 6所示，这一部分主要运用 SG3525芯片对 PWM 进行调节，并 用IR2110来对MOSFET进行控制。接收到电压信号之后， 对其进行处理和过滤， 之后将其送入到具体的控制部分，进而调节前级主电路中Q5 的占空比，而IR2110 芯片能将 SG3525的输出信号进行放大，从而加强对 MOSFET 的驱动能 力。而当主电路中得电流的值比

51、设定值大时， 采样电阻上的电压将会增大， 之后 经过控制电路进行调节，前级主电路中 Q5 的占空比将会减少，电流也会进一步 的减小。反之则进行逆过程，实现一系列的动态调节。图 3-6 Buck 变换器恒流控制电路4. 全桥控制电路其结构电路如图 3-7 所示，当系统中的参数和运行状态不符合要求的时候，将会 送入控制电路中一个信号，使其对器件进行控制。信号将会被传送入到7555芯片之中，这时 7555 芯片将会对其进行处理，进而通过其内部结构产生所需的信 号，并通过反向变化之后得到两路相互补充的信号。 获得的这两路信号分别送到 两IR2110芯片中，以对全桥中的的 4个开关管进行驱动。 IR21

52、10的5引脚 S1和719 引脚 G1提供驱动 IR2110 信号，以对前级主电路中的 Q1进行驱动，而 IR2110的G4和GND引脚提供驱动信号，驱动前级主电路中的 Q4，同样的道理， IR2110 的5引脚S2和7引脚 G2提供驱动 IR2110信号，以对前级主电路中的 Q2进行驱 动，而 IR2110的G3和GND 引脚提供驱动信号，驱动前级主电路中的 Q3。 当系统中的参数和运行状态不符合要求的时候，将会送入控制电路中一个信号， 使其对器件进行控制。信号传送入到 7555芯片之中，这时 7555芯片将会对其进 行处理，进而通过其内部结构产生所需的信号，前级主电路中的 Q1、Q4 和Q

53、2 、Q3 是按照控制规律依次往复导通的，因此会停止产生直流而产生交流，并且变 压器通过磁环进行感应， 从而能够做出具体的反应实现对器件的控制， 对电机的 参数实现具体的控制。 而当电机能够达到要求运行不需要进行调节的时候， 会向 IR2110 芯片中送入和之前相反的信号，则前级主电路中的 Q1与Q4 的驱动信号 发生改变，变为高电平信号，且为 100%的占空比，从而由 Q1与 Q4组成的对角 臂直通，而 Q2和Q3组成的对角臂关断。 从而输出将变为直流， 系统中的变压器只能对交流信号感应，从而失去控制作用图 3-7 全桥控制电路3.5 同步信号电路其结构电路如图 3-8 所示，这一部分的作用

54、是对系统接入的电源进行检测，得到 其通过零点时的时间， 进而进行参照以便对器件的运行状态和触发的程度进行控 制，并且保证电压控制部分的器件能够实现相当严格的同步性， 以便于更好完成 对电机两端电压的控制调整 ,以此实现电动机的软起动。其 A、 B 、 C的三相电 压信号的获取是通过变压器结构完成的， 并且对电压进行处理， 确保控制部分能 够准确实现对送入信号的运算，从而做出调整。20图 3-8 同步信号电路3.6 电流检测及反馈电路其结构电路如图 3-9 所示，设计实现检测电流功能电路的方案有很多，但是比较 方便的是用互感的方式所设计的电路， 用这种方式对电流进行检测时， 在测得的 信号中会存

55、在脉冲的成分， 针对这一问题， 系统会迅速做出反应， 系统可通过硬 件或者软件的方法，去削弱脉冲所产生的影响。电路整体的工作过程是：通过互感的方式对系统进行检测，并在二次侧产生所 用的具体信号， 接下来对这个信号进行处理后送入到控制核心， 并开始对其进行 比较，对比所得的电流值与最初给定得电流值的差值， 并且遵循 PID 调节器的算 法进行计算，从而进行调节，以完成限流调控与过流保护的功能。图 3-9 电流检测电路3.7 电压检测电路其结构电路如图 3-10所示，其 A 、 B 、 C的三相电压信号的获取是通过变压器 结构完成的 ,检测到的电压信号经过桥式电路结构的处理，最后得到一个符合要 求

56、的直流信号， 并将这个信号转换之后送入到控制核心之中， 从而作为系统的反 馈信号。21图 3-10 电压检测电路3.8 A/D 转换电路在本系统之中，实现 A/D 转换功能的芯片为 ADC0809 ， ADC0809芯片会对采集部分送 进来的信号进行模 /数的具体变换，系统的控制核心AT89S52单片机与 ADC0809 转换器的连接如图 3-11所示。 ADC0809 芯片性能是非常优越的，可以实现灵活的转换，因为芯 片的优越性导致该芯片在电子领域中有着非常多的应用。图 3-11 单片机与 ADC0809 的接口电路3.9 通信部分电路其结构电路如图 3-12所示，此电路是通过 MAX232

57、 芯片、 RS - 232 结构中 的 CON 以及电容组合而成的。 MAX232 芯片的具体的作用是实现单片机 AT89S52的串口通讯，将其同 PC 的串口信号连接起来，从而进行电平的变换。本次设计中所使用的 MAX232 芯片中包含了一个串口通讯的接口模块。并 且计算机可以通过电路实现对下位机的参数的设定以及结果显示等操作。 该芯片 具有许多优点，比如用途广泛、工作可靠，并且有着低耗能、高集成度等优点。22图 3-12 通讯电路3.10 电源部分电路3.10.1 5V 电源电路其结构电路如图 3-13 所示，该电路起始端是通过变压器进行电压伏值的转换的， 将 220V 输入电压的伏值进行调节从而转化成为符合要求的电压值。 随后的是由整流器件组合而成的桥式结构部分。 经过变压器流出的电流开始流过 整流器件 D1，最后再经过 D4形成回流，所以 D1和D4是正向的导通的， 而D2和 D3 的状态是截止的，并且会生成极性上下相反的电压。通过使这些二极管进行 交替的导通，则负载上