基于MATLAB-SIMULINK三相感应电机软启动器的设计与仿真

1、 基于MATLAB/SIMULINK三相感应电机软启动器的设计与仿真摘 要 由于三相感应电动机直接起动时起动电流很大,为了限制其起动电流,本文提出了晶闸管交流调压软起动控制方案,并对三项感应电动机的晶闸管交流调压软起动的系统组成和工作原理进行了分析。重点对三项感应电动机的起动特性进行了讨论和分析,给出了限流软起动及斜坡升压软起动相结合的具体实现过程。 本文利用单片机系统,设计了三相感应电动机软起动器,给出了系统的硬件结构、软件设计思想,控制电路做了相关的介绍,具有较强的实用性。 此外,文中对三相感应电动机晶闸管交流调压软起动的主电路、控制系统硬件的设计进行了讨论,并建立了感应电动机晶闸管交流调

2、压软起动的 MATLABSIMULINK 仿真模型,对软起动的控制方式进行了仿真研究。仿真结果表明,本软起动的控制方法可以有效地减小异步电动机起动时对电网的冲击。 关键词：晶闸管;三相感应电动机;软起动;MATLAB/SIMULINK仿真目录一、项目背景 3二、项目目的 3三、整体设计思路3 3.1、系统结构3 3.2、硬件电路设计4四、模块电路设计5 4.1、晶闸管的驱动电路设计5 4.2、电压采样电路的设计7 4.3、电流采样电路的设计8 4.3.1 电流传感器电路8 4.3.2 绝对值电路9 4.3.4 保护电路的设计10五、器件的选型11 5.1 晶闸管11 5.2 缓冲吸收电路12

3、5.3 感应电机13六、软件流程图13 6.1 主程序流程图13 6.2 同步中断模块流程图14 6.3 电流电压闭环控制模块14 6.4脉冲延时模块15 6.5 脉冲延时模块16七、基于MATLAB/SIMULINK的仿真16 7.1 仿真电路图16 7.2 仿真结果16 7.3 结果分析20八、结语20九、参考文献22一、项目背景 感应电动机以其结构简单、运行可靠、维护方便、效率较高、价格低廉等优势得以在工业生产中广泛应用。但是感应电动机的启动性能较差，启动瞬时电流冲击很大，可高达额定电流的10倍以上，且启动冲击转矩也很大，加速了电机的老化及机械损坏，对电机本身及其拖动设备的使用寿命有很严

4、重的影响。同时也会对电网造成冲击，使供电电网产生较大的波动，从而影响同一电网中其他设备的正常工作。除此之外，如果发生缺相或欠压，则极易造成电动机烧毁。二、项目目的2.1、限制电机启动电流 Is2.2、在电源缺相、相序错乱、电机过载、轻载、堵转等的情况下对电机提供保护；三、整体设计思路3.1、系统结构 感应电机的电磁转矩跟电流平方成正比，跟电压的平方成正比，又因为感应电机的电流与电压成正比，所以，软启动就是通过降低启动电压来降低启动电流和电磁转矩，解决启动电流和启动电磁转矩瞬时冲击的问题。 电机启动的主电路采用有三组反并联晶闸管构成的三相交交变频电路，采用同步电压检测环节来检测相电压的过零点，检

5、测结果作用于单片机，以实现对加在感应电机上的电压进行控制。利用电流反馈检测环节，将启动电流反馈给单片机，单片机通过一定的算法改变输出电压的数字量，从而改变作用于驱动电路的模拟信号电压值，达到改变晶闸管触发角，实现调节作用于电机定子的电压，当反馈电流大于电流限定值时，触发角维持原值，不再改变直至电流减小到限定值后，继续升压直至全压。 三相感应电动机 晶闸管电路三相电源 三相感应电动机 晶闸管电路三相电源 反馈电压、电流检测 触发电路 同步信号 反馈电压、电流检测 触发电路 同步信号 PID给定启动数据 触发角计算 PID给定启动数据 触发角计算图3-1 软启动系统结构框图3.2、硬件电路设计硬件

6、主电路的设计如下图所示：图3-2 硬件主电路设计 电压同步/电压采样模块作为整个系统最重要的一环，是触发脉冲的基准，如果同步出现错误，将会造成严重后果。 系统启动后，三相交流电压通过电压同步/采样电路变成了方波信号，单片机对方波信号进行A/D采样,从而确定晶闸管的触发时间基准点。流经电机的电流经电流采样电路被送到单片机A/D转换口，经单片机自带的A/D转换器完成数模转换，从而获取电机电流大小，单片机根据反馈过来的电机电流按一定的规则，通过单片机的脉冲调制电路的PWM接口输出脉冲宽度不断变化的脉冲去触发晶闸管，控制加在电机上的平均电压，从而实现软启动的目的。四、模块电路设计4.1、晶闸管的驱动电

7、路设计驱动电路核心采用TCA785集成芯片控制。 图4-1 TCA785移相触发器工作原理框图 由上图可以看出，TCA785由零点鉴别器ZD检测出其过零点后同步寄存器SR寄存，SR的零点寄存信号 控制锯齿波发生器RG，在每个正弦信号的过零点锯齿波发生器迅速放电并从初始值开始充电，改变10脚的外接电容或9脚的外接电阻值即可改变锯齿波的斜率。锯齿波电压与11脚控制电压进行比较，当锯齿波电压达到V11幅度时产生一脉冲，生成控制信号送至输出逻辑网络LN，这是一个脉冲分配环节，由此可见，从这里可以看出控制角的大小由控制电压V 14脚和15脚分别为正负半周对应的脉冲输出端。该两端脉冲相位互差180，可用来

8、触发同一相中反并联的两个晶闸管。且输出脉冲宽度可调。 4脚和5脚分别为14脚和15脚的反向脉冲输出端。可以根据实际需要灵活选用，同时，所产生的脉冲宽度分别由12脚和13脚的外接电容决定，3脚和7脚为脉冲合成输出，每个电源周期翻转两次。 12脚输出脉冲宽度控制端。通过一个电容接地，电容C12的电容量范围为150至4700PF，当电容变化时，输出脉冲的宽度亦在变化，使输出脉冲的最窄宽度为100S,而输出宽脉冲的最宽宽度为2000S.脚3为非输出脉冲宽度控制端。当该端接地时，Q1、Q2为最宽脉冲输出，而当该端接电源电压时，14、15脚为最窄输出脉冲。 6脚位脉冲封锁端，由6脚电平控制。当V6为“1”

9、时，解除封锁，当V6为“0”时，开启封锁，它是为系统过流、过压或进行其他控制而设立的控制端，这里将它介质单片机的一个接口，通过端口实现对TCA785工作与否的脉冲输出封锁控制。 下图即为TCA785各管脚的波形图，从中可以看出，改变11脚电压输入值就可以改变14、15脚输出脉冲的移相角。图4-2 TCA785各管脚波形图4.2、电压采样电路的设计单片机产生的触发脉冲必须以三相交流电的时刻为基准，这样才能准确的对晶闸管进行触发，使加在电动机的电压按设定值变化。本方案通过检测三相电的过零点来获取三相电的同步信号。为了消除电源频率对触发脉冲对称度的影响，本方案采用三相同步电路，交流电经过该同步电路将

10、产生周期20ms、占空比为50%的方波，其电路图如下：+5V18K18K12V+5V18K18K12V+P11K220100F+P11K220100F-图4-3 同步信号提取电路4.3、电流采样电路的设计由于主要采用限流与斜坡升压软启动相结合的控制方案，软启动器工作时的主要任务是控制主回路的电流，因此要对电路进行监控控制。电路中须有电流检测电路实现电流反馈控制。这部分电路主要由电流传感器电路、绝对值电路、电压比较电路组成。4.3.1 电流传感器电路 +12V+12V输入主电路+12V+12V输入主电路TL084-送入绝对值电路TL084-送入绝对值电路+ +-12V-12V-12V输入主电路-

11、12V 图4-4 电流传感器电路 该电路主要由电流传感器和电压跟随其构成，电流传感器可以选用磁平衡式霍尔电流传感器，电压互感器可以选用TL084运放构成。霍尔电流传感器可以实现电流的“无电位”测量，即测量电路不接入被测电路即可实现电流的测量，他们通过磁场耦合。所以检测电路的输入输出是完全电隔离的，被测电路与检测电路二者也互不影响。4.3.2 绝对值电路20K20K-+12V+12V-+12V+12V-+TL084J+接电压比较器输入接电流传感器输出TL084JD-+TL084J+接电压比较器输入接电流传感器输出TL084JD-12V-12V-12V-12V图4-5 绝对值比较 绝对值电路用于将

12、电压跟随器输出端的正负交替电压转换为正电压，以便于后边与给定的电压相比较，从而实现限制电流不超过给定值的目的。 当输入为正时，运放反向作用，使其输出电压为负，二极管不导通，电压则通过电阻作用于电压跟随器。 反之，输入电压为负时，运放输出为正，二极管导通，电阻反馈支路不起作用，输出电压为正。4.3.3 电压比较电路+12这里采用一个带滞环的反向电压比较器滞回比较+123K3KLM399R1 10K+-电流反馈检测连接绝对值电路输出LM399R1 10K+-电流反馈检测连接绝对值电路输出R2 10KR2 10K250K250K图4-6 电压比较电路 其正向输入端参考电压为UR，反向电压为绝对值电路

13、的电压输出Ui,输出电压最大值UOH为VCC,其值为+5V，输出电压当电压由低升高到正向阈值电压UTH1时输出高电平+5V，当电压由高降至反向阈值电压UTH24.3.4 保护电路的设计三相异步电动机运转中电源的一相断线，使电动机在严重不对称电压下运行，称为断相运行。断相后其气隙磁场由原来的圆形旋转磁场变为幅值变动的非恒速旋转椭圆形磁场，在噪声很大的车间或井下难以辨别电动机是否正常运转，由于没有足够的重视，常常使电动机烧毁。因此，有必要设置断相保护装置。由于是交流供电系统，不能通过检测电流是否为零来检测是否断相。对于三相对称电源，相位互差120度，输出定子三相电流之间也存在相位差。所以可以检测是

14、否有两相电流同时为零来检测是否断相。如下图所示，为异步电动机运转时的断相保护电路。+5V+5V3K+12V3K+12VR1 10K+-链接逻辑门电路输入LM330-连接绝对值电路输出R1 10K+-链接逻辑门电路输入LM330-连接绝对值电路输出+R2 10K+R2 10KR3 5M-12VR3 5M-12V图4-7（a） 过零检测电路缺相保护出口C相电流检测B相电流检测A相电流检测 缺相保护出口C相电流检测B相电流检测A相电流检测 图4-7（b） 缺相检测电路为过零检测电路，按图中的参数设置可以确保其正向阀值电压约为0.01V,反向阀值电压为0V。由于实际应用中，一般当电流值小于额定值的5%

15、，我们就认为电流为零。因此，当过零检测输入电压小于0.01V时就可以认为输入电流为零。 (b)为缺相检测电路。这里通过检测是否有两相电流同时为零来检测是否缺相运行。用三个过零检测电路分别判断A、B、C相的电流情况，电流近似为零时，过零检测电路输出高电平，反之输出低电平。只要两相同时为零后，与门输出就为高电平。最后，经过一个或逻辑门输出，作用于单片机的P3.2口。由单片机控制晶闸管触发电路。五、器件的选型5.1 晶闸管选型计算：考虑到启动时的冲击电流可达到约10倍的额定电流，所以 故，晶闸管选型： 额定电压不小于1247V； 额定电流不小于550A。5.2 缓冲吸收电路 开关管开通和关断理论上都

16、是瞬间完成的，但实际情况开关管开关时刻下降的电流和上升的电压有重叠时间，所以会有较大的开关损耗。为了使晶闸管开关过程电压能够得到有效的抑制并减小功率损耗，通常都需要给晶闸管主电路设置缓冲电路。通常情况下,在设计关于晶闸管的缓冲电路时要综合考虑从晶闸管应用的主电路结构、器件容量以及要满足主电路各种技术指标所要求的晶闸管开通特性、关断特性等因素。 选用RCD缓冲电路，结构如图所示。图10 图10 缓冲吸收电路 Rs、Cs 抑制过大，防止晶闸管误触发； Ls抑制过大，防止损坏晶闸管。 该吸收电路可以减小晶闸管在开关过程中产生的过电压、过电流、过热、抑制、，把开关损耗从器件内部转移到吸收电路中去，然后

17、再消耗到吸收电路的电阻上去，以确保晶闸管安全可靠运行。 5.3 感应电机六、软件流程图 6.1 主程序流程图系统初始化系统初始化 系统自检Y初始化故障？Y初始化故障？输出故障输出故障N 同步终端模块N 同步终端模块启动完成启动完成？ 故障？软启动控制参数脉冲延时模块电流电压闭环控制启动完成启动完成？ 故障？软启动控制参数脉冲延时模块电流电压闭环控制YYNNNN图6-1 主程序流程图图6-1 主程序流程图Y6.2 同步中断模块流程图 中断初始化N正确同步信号？N正确同步信号？YY 启动A/DNA/D启动结束？NA/D启动结束？Y 调动相应启动子程序Y 调动相应启动子程序 启动延时触发中断 中断返

18、回 中断返回图6-2 同步中断模块流程图6.3 电流电压闭环控制模块开始开始产生触发脉冲进行下一次循环 PI调节 计算电流反馈值 计算启动电流曲线产生触发脉冲进行下一次循环 PI调节 计算电流反馈值 计算启动电流曲线图6-3 电流电压闭环控制流程图6.4 电流电压闭环控制模块开始开始产生触发脉冲进行下一次循环 PI调节 计算电流反馈值 计算启动电流曲线产生触发脉冲进行下一次循环 PI调节 计算电流反馈值 计算启动电流曲线图6-4 电流电压闭环控制流程图6.5 脉冲延时模块 进入中断 给 给VT1、VT2触发信号 滞后120给VT2、VT5出发信号 再 再滞后120给VT2、VT5出发信号 中断

19、返回 中断返回图6-5 脉冲延时模块流程图七、基于MATLAB/SIMULINK的仿真7.1 仿真电路图图7-1 电机软启动电路图图7-2 电机直接启动电路图7.2 仿真结果(1)、直接启动 = 1 * GB3 电路如下图图7-3 电机直接启动仿真模型 = 2 * GB3 定子三相电流如下图图7-4 定子三相电流 = 3 * GB3 电机转速如下图图7-5 电机转速波形 = 2 * GB2 软启动 = 1 * GB3 电路如下图 图7-6 电机软启动仿真模型 = 2 * GB3 设定启动电流为30A1定子三相电流如下图 图7-7 电机定子三相电流2电机转速如下图图7-8 电机转速波形 = 2

20、* GB3 限定电流为25A时1定子三相电流如下图图7-9 电机定子三相电流2电机转速如下图图7-10 电机转速波形7.3 结果分析 通过MATLAB仿真将直接起动方式与软起动方式进行对比，由仿真波形图很显然，直接启动的启动电流冲击较大，而软启动启动电流冲击较小，直接启动转子转速上升斜率很大，容易损坏其拖动得设备，而软启动实现了转速由0到额定转速的平滑上升，显然对其拖动的设备的冲击转矩远比直接启动小。 这里特别说明再启动初始阶段的2s左右，并没有电流流过转子，电机也没有启动，这是因为在这段时间里积分电路输出电压要与起始电压作比较（本次仿真设为110V），在积分电路输出值达到这个值之前所有的正向晶闸管都处于关断状态，只有很小的漏电流通过，所以看起来没有电流。 结果验证了以下结论：软起动器具有启动冲击电流较小，曲线平滑的特点，明显减弱了启动冲击。八、结语 异步电动机起动电流大，频繁起动易造成电机损坏，采用单片机控制的软起动器可实现电机的限流、限压。该异步电动机软起动器以单片机为核心，通过软件设计实现了电机的起动和保护，具有结构简单、稳定性好、抗干扰能力强的特点。 在主电路设计过程中，采用有三组反并联晶闸管构成的三相交交变频电路。采用同步电压检测环节来检测相电压的过零点，检测结果作用于单片机，以实现对加在感应电机上的电压