三相异步电动机软启动器的设计

1、南京化工职业技术学院 毕业论文（设计）任务书 课课 题题 交流电机软启动器控制系统设计交流电机软启动器控制系统设计 20112011 年年 1010 月月 1818 日至日至 20122012 年年 1 1 月月 7 7 日共日共 8 8 周周 专业年级专业年级 电气化电气化 09420942 学号姓名学号姓名 万盼盼万盼盼 指指 导导 教教 师师 袁和平袁和平 20112011 年年 1010 月月 1818 日日 课 题 来 源 发达的工业化国家，三相感应电动机消耗了大约 70%的电能。电 机直接起动存在较大的冲击，消耗了大量电能。直接起动方式虽然起 动简单，但是电机在直接起动时会产生很大

2、的瞬间电流冲击，造成许 多危害，如过大的热应力极易导致绕组损坏，造成绕组绝缘提前老化， 从而降低电动机的使用寿命;过大的起动电流将使感应电动机的起动转 矩冲击很大;过大的起动电流还造成对电网的冲击，造成能源浪费，传 统降压起动方法无法从根本上解决这些问题。因此研究三相感应电动 机的软起动器，以此来克服上述电动机起动时的缺点，是很有现实意 义和经济效益的。 本文设计了三相交流电动机软起动器，主电路由三组反并联的晶 闸管构成。通过控制晶闸管的触发角，可降低三相感应电动机定子电 压，从而达到抑制起动电流冲击的目的。本设计采取开环控制系统利 用移相电路控制晶闸管导通角，控制电路由积分电路、加法电路、反

3、 向电路及限幅电路形成触发模块的控制电压，触发模快由 KC04、KC41 及功放电路组成。 课 题 的 目 的 、 意 义 软启动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能 于一体的新颖电机控制装置，国外称为 Soft Starter。它的主要构成 是串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管及其电子控制电路。 运用不同的方法，控制三相反并联闸管的导通角，使被控电机的输入 电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功能。 软启动器以体积小,转矩可以调节、启动平稳冲击小并具有软 停机功能等优点得到了越来越多的应用,大有取代传统的自耦减压、星 -角等启动器的趋势.由于软启动器是近年来新发展起来

4、的启动设备,在 设计、安装、调试和使用方面还缺少指导性的规范与规程.我们在软启 动器的安装、调试工作中也遇到了一些实际技术问题.例如:不同启动 负载软启动器的选型、软启动冲击电流与过流保护定值的配合、软启 动设备容量与变压器容量的关系等问题. （1）能使电机起动电压以恒定的斜率平稳上升，起动电流小，对电网 无冲击电流，减小负载的机械冲击。 （2）起动电压上升斜率可调，保证了起动过程的平滑性，起动电 压可依据不同的负载在 30%70%Ue(Ue 为额定电压)范围内连续可 调。 （3）可以根据不同的负载设定起动时间。 （4）起动器还具有可控硅短路保护、缺相保护、过热保护、欠压 保护。 要 求 （1

5、）软启动器发展 （2）电机软启动的发展； （3）进行方案选择，确定控制方案；熟悉 （4）建立交流异步电机软起动控制的控制模型； （5）设计主电路、驱动电路和接口电路，画出电路原理图和总 框图； （6）熟悉 KeilC 仿真调试环境； （7）画出软件流程图、软件编程及调试； （8）撰写毕业论文说 （9）毕业设计答辩。 课 题 主 要 内 容 及 进 度 三相交流电机广泛应用于拖动风机、皮带机、水泵、真空泵、潜水泵及压缩 机等，故电机的起动、控制、运行及安全可靠性显得十分重要，尤其是大功率电 机的起动及系统的保护。针对电机起动的优良性、控制的可靠性、保护功能的全 面性，设计一种软起动控制系统，从而

6、改善电机起动效果，提高系统保护与控制 功能的完善性与可靠性。系统设计原理图通常，当电机功率大于 7.skw 时，须采 用降压起动，故本文所设计的控制系统是针对广泛使用的大功率三相电机降压起 动进行设计。 2009 年 9 月 25 日 论文说明会 2011- 10-1 2011- 10-15 查阅文献，撰写开题报告 2011- 11- 10 2011- 11-25 初稿提交 2011- 12-10 2009-12-25 定稿提交 2009-12 -26 2009- 1-5 终稿提交 2010-1-6 准备答辩工作 目录目录 摘 要.1 1 三相异步电动机软启动器的设计.1 1.1 国内外研究现

7、状.2 1.2 本课题研究内容.2 2 三相异步电动机的起动控制的研究.4 2.1 三相异步电动机的起动过程的分析.4 2.2 三相异步电机的启动方法.6 2.2.1 直接起动.7 2.2.2 传统减压起动.8 2.2.3 软启动.10 2.3 软起动的原理及分析.11 2.3.1 晶闸管调压原理.11 2.3.2 软起动的起动方式.13 3 软启动器的硬件电路设计.16 3.1 主要器件的介绍.16 3.1.1 KJ004 功能介绍.16 3.1.2 KJ041 功能介绍.18 3.2 主电路的选择.19 3.2.2 晶闸管相控调压原理.20 3.3 主回路设计.21 3.3.1 主回路电路

8、.21 3.3.2 晶闸管参数选择.21 3.3.3 晶闸管触发电路.22 3.3.4 晶闸管保护电路.24 3.4 电压检测回路.25 3.4.1 同步信号检测.25 3.4.2 电压反馈回路.27 3.4.3 电压过欠保护电路.28 3.5 电流检测回路.28 3.5.1 电流反馈回路.28 3.5.2 过电流保护电路.29 4 基于单片机的软起动器的设计.30 4.1 触发脉冲控制的软件设计.30 结束语.38 参考文献.39 摘摘 要要 三相异步电动机因具有结构简单、制造方便、运行可靠、价格低廉等优点，而广 泛应用在工业、农业、交通运输业、国防工业以及其他各行各业中。但它也有明显的 缺

9、点，那就是起动转矩小，起动电流过大。这种情况对电机本身及周围电网都有非常 不利的影响。为了减小异步电动机起动过程中对电网的冲击、消除传统降压起动设备 的有级触点控制对异步电动机的冲击、改善异步电动机的起动特性，本文对基于单片 机控制的晶闸管调压软起动器进行讨论。 本文首先阐述了软起动器晶闸管调压电路(即主电路)的工作原理，主要是基于晶 闸管的三相异步电动机软启动器主电路设计和触发电路设计。然后是对电动机软启动 器模式的设计，但主要还是软起动器的硬件电路设计。 本文设计的软起动器操作方便简单，能够使电机顺利起动。使之能达到了改善三 相异步电动机起动性能的要求。在满足异步电动机起动转矩要求及降低起

10、动电流的前 提下，使电机能够平稳可靠起动。 关键词关键词：异步电动机；晶闸管；软起动 1 三相异步电动机软启动器的设计 1.1 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

11、，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

12、，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3。另一方面，随 着电力电子

13、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

14、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 PROTEL 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。 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

15、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 三相异步电动机的起动过程的分析 为了研究三相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。 对于电动机的软起动而言，多采用基于集中参数等效电路的数学模型。在不改变异步 电

16、动机定子绕组中的物理量和异步电机的电磁性能的前提下，经频率和绕组的计算， 把异步电动机转子绕组的频率、相数、每相有效串联匝数都归算成和定子绕组一样， 即可用归算过的基本方程式推导出异步电动机的等效电路。三相异步电动机的 T 形稳 态等效电路如图 2-1 所示：7 X2r2x1r1 xm rm i1i2 imu1 1-s s r2 图 2-1 异步电动机的等效电路 其中，r1为定子绕组的电阻，x1为定子绕组的漏电抗，r2为归算到定子方面的转子 绕组的电阻，x2为归算到定子方面的转子绕组的漏抗。rm代表与定子铁心损耗所对应 的励磁电阻，xm代表与主磁通相对应的铁心磁路的励磁电抗。U1为定子电压向量

17、，E1 为定子感应电动势向量，i1为定子电流向量，im为磁电流向量。基于 T 形等效电路的 数学模型为： (2-1) 11111111 uE ()Zi rjxEi (2-2) 2 222 r EIjx s （+） (2-3) 12m iii (2-4) 1 2 Emm mmm EIZIrjx 由以上四式可得： (2-5) 2 2 1 112 112 1 1 mm mm r jx s rjx IU rjxr rjxjx rjxs 在异步电动机里，因为 r1x1，rmxm，故可以省去 r1，rm，则式(2-5)可以表示为： (2-6) 1 12 112 ()1( ) m m U II xr rjx

18、jx xs 由等效电路可见，异步电动机输入的电功率 P1一部分消耗在钉子绕组的电阻而称 为定子铜耗 Pcu1，一部分消耗在定子铁心上而变成铁耗 PFe，剩余的通过气隙传递到转 子的功率成为电磁功耗 Pem。其中 Pem为： (2-7) 1222122 cos / em Pm EIm Irs 电磁转矩为： (2-8) 0 (1) 1 mecmecem em Ps PP T s 其中，为同步角速度；为转子机械角速度；Pem为机械功 11 0 2 2 60 nf p 2 60 n 率。由式(2-7)和式(2-8)可得： (2-9) 2 2 1 2 01 2 em em Prp Tm I fs 根据

19、T 形等效电路可得： (2-10) 1 2 22 2 112 ()() U I r rxx s 将式(2-10)代入(2-9)得： (2-11) 2 2 1 1 2 21 2 112 2 2 em r U pm T f r rxx s 刚起动时，转子 n=0，转差率 s=1，此时启动转矩为： (2-12) 2 112 22 1 1212 2 st pmU r T f rrxx 同时，由于激磁电流相对较小即，近似为 1，由式(2-6)的启动电流为： 0mI 1 1 m x x (2-13) 1 22 212 st U I rrxx 由式(2-12)和式(2-13)可知，起动转矩正比于定子端电压的

20、平方，起动电流正比于定 子电压。起动电压较低时，起动转矩较小，电流也较小；反之，如果电压较高，则起 动转矩较大，但同时起动时的冲击电流也很大。 而异步电动机的起动特性主要表现在起动电流和起动转矩两个方面：希望电动机 起动时能产生足够的起动转矩，以便带动负载快速地达到正常转速；同时，也希望起 动电流不要太大。因为在供电变压器的容量比较小的情况下，过大的起动电流将造成 较大的线路压降，从而影响接在同一电网上的其它电气设备的正常运行。 下面针对异步电动机的起动特性，分析起动方式的原理和应用。 2.2 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。

21、下面就分别做详细介绍。 2.2.12.2.1 直接起动直接起动 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 2-2 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

22、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。 1 1 1 1 3 4 st N kv AI K Ikw 电源总容量 起动电动总功率 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

23、。 M3 FU1FU2 FU3 KM 图 2-2 直接启动原理图 2.2.22.2.2 传统减压起动传统减压起动 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，

24、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 2-3 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。 KM M3 FU2 FU3 FU1 R FR Q UVW 图 2-3 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

25、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 2-4 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 3 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，

26、该 方法只适合于轻载起动的场合。 KM3KM1 M3 FU2 FU3 FU1 FR Q UVW KM2 图 2-4 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 2-5 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

27、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

28、-5 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。 2.2.32.2.3 软启动软启动 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

29、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。 2.3 软起动的原理及分析 2.3.12.3.1 晶闸管调压原理晶闸管调压原理 晶闸管的控制方式有两

30、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起动过程。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

31、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

32、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-E1(-15V)，V5又重新导通。使 V7、V8截 止，输出脉冲终止。脉冲前沿由 V4 导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数 R11C3有关。电路的触发脉冲由脉冲变压器 TP 二次侧输出，其一次绕组接在 V8集电极 电路中。 2、锯齿波的形成和脉冲移相环节 3、同步环节 4、双窄脉冲形成环节 内双脉冲电路由 V5、V6构成“或”门。当 V5、V6都导通时，V7、V8都截止，没有 脉冲输出，只要 V5、V6有一个截止，都会使 V7、V8导通，有脉冲输出。第一个脉冲 由本相触发单元的 uco对应的控制角 a

33、 产生。隔 60的第二个脉冲是由滞后 60相位的 后一相触发单元产生（通过 V6）。晶闸管触发电路总图如图 3-9 所示。 3.3.43.3.4 晶闸管保护电路晶闸管保护电路 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

34、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7。 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 直流电源 同 步 电 源 输 入 KJ004 产生单脉冲 KJ042 产 生脉冲调 制列 4066 模拟 开关 实现 宽窄 切换 脉冲 放大 驱动 SCR 宽脉冲列 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

35、升率。如图 3-7 中 所示。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

36、或欠压保护的信号。 3.4.13.4.1 同步信号检测同步信号检测 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 3-10 所示的电路作为电压同步信号 检测电路8。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

37、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

38、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9。 U V R11 R15 R13 VD5 D11 +5V TLP521 图 3-10 同步信号检测电路 同时，可以利用图 3-10 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

39、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

40、就相反)。同步信号示意图如下 t v 图 3-11 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。 3.4.23.4.2 电压反馈回路电压反馈回路

41、 电压反馈回路如图 3-12 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 3-12 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

42、、W 相。 R30 整流桥 BR1 2 3 +15 +15 R29 R28 R27 U3 6N139 图 3-12 电压反馈回路 3.4.3 电压过欠保护电路 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。 3.5.13.5.1 电流反馈回路电流反馈回路 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

43、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 3-14 所示。U15 为单片机芯片。 + - R84 R83 R85 R S T +5 R88 D11 D12 U15 图 3-14 电流检测电路 3.5.2 过电流保护电路过电流保护电路 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，

44、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 3-15 所示。 + - +5 +5 R83 R84 R89 R90 R92 R93 R91 TA1 TA2 TA3 图 3-15 过电流检测电路 4 基于单片机的软起动器的设计基于单片机的软起动器的设计 4.1 触发脉冲控制的软件设计 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

45、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 MCS51 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 4-3 所示。 a) 主程序 初始化，并设 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 c) 主程序 触发角调整计算，由此确定 第一个脉冲指