基于单片机的电机软启动器设计

1、引言国内外1.1三相刘涛电动机研究现状我国的软启动技术始于20世纪80年代初，目前生产电动机起动器的工厂很多，先后推出了多种品牌的软起动器。但是，由于国内自行开发和生产能力相对薄弱，对外国产品的依赖仍然很严重。在技术和可靠性上与国外同类产品有一定的差异。因此，在整个软起动器市场中占据支配地位的是外国产品，国内产品的份额仍然很低。目前市场上生产的软起动器主要以机械式和3相反的并行晶闸管方式为主。机械启动器是目前使用比较广泛的启动方式，但产生二次冲击电流，启动电流仍然是公称电流的34倍，体积大、噪音大、裴珉姬维修成本高、不适应恶劣环境等多种弊端。(David aser，Northern Expos

2、ure)机器。近30年来随着电力电子技术的发展，无弧开关和连续电流调节成为可能。电力半导体开关设备具有无磨损、寿命长、功耗低的特点，结合现代控制理论及微机控制技术，提供了实现电机软起动的新思路。要突破传统的启动方式，电力电子技术和微机控制技术的发展必不可少。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软起动兼用逆变器。生产过程中有速度调节要求时采用变频装置。在没有速度调节要求的情况下，在启动负载较小的情况下，通常使用晶闸管软启动。只有在过载或负载功率特别大的情况下，才使用变频软启动。晶闸管软起动装置是发达国家软起动的主流产品，各著名电气公司都有自己的晶闸管软起动品牌

3、，具有功能特色。例如，GE生产的ASTAT智能电动机软起动器，ABB生产的PST，PSTB系列电动机软起动器施耐德公司的ATS46软起动器；德国西门子的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，在电压控制、电机电流控制的开环、闭环方式上建立了更准确、更实用的数学模型，为三相交流调压电路电机负载找到了相应的控制方法。从而提高了三相交流调压电路电动机的负载性能。另一方面，随着电力电子技术的发展，异步电动机向更加稳定、方便、小型化的方向发展。1.2本课题研究内容软起动器本质上是一种直流电压调节装置，提供软起动、软停车、实时监控和多种保护功能。为了安全可靠

4、地运行系统，可以充分利用单片机的强大控制功能。主控制电路实时监控系统的关键部件和关键参数，如超压、低压、过电流、过载等。利用数字直流PWM电压调节技术的应用和高性能单片机作为系统的控制核心，软起动器具有快速准确的控制、快速响应、稳定运行、可靠性等优点。如果渡边杏直接启动三相交流异步电动机，可以考虑启动定子串联电阻或串联电抗器、启动Y-、启动自动变压器压降、启动转子串联电阻、启动晶闸管电子软启动、分级变频软启动、二相变频调压软启动等。结合各方面的因素和实际情况，本课题研究的内容主要如下。(1)研究三相调压软起动的基本原理，分析三相异步电动机的起动电流和起动转矩，研究软起动控制策略。(2)包括三相

5、晶闸管软起动系统的硬件设计主电路、触发电路、传感电路、控制电路、驱动电路等。(3)实现了三相异步电动机软起动器模式设计和软件相关设计。(4)使用protues绘制系统的原理图。本主题的目标是实现三相异步电动机的软起动，使软起动器根据电动机负荷的实际情况而变化。两三相刘涛电动机启动控制研究交流三相异步电动机的传统启动技术(例如定子串联电阻/电抗器启动、自动变压器压降启动、星形三角形压降启动、转子串联电阻或频率感应可变电阻器启动等)在交流电动机启动技术开发过程中使用了重要的应用。但是随着晶闸管技术的发展，三相交流调压软起动器由于其性能、产品多样性、电压连续调节、转矩或电流闭环控制等优点，电子软起动

6、器得到了深入和广泛的发展，成为软启动市场的主流产品。2.1三相刘涛电动机的启动方法三相异步电动机的启动方法主要有直接启动、常规减压启动和软启动三种。下面另作详细介绍。2.1.1直接启动直接启动也称为电压启动。在启动时，通过一些直接启动装置将所有电源电压(即全电压)直接添加到异步电动机的定子绕组上，以使电动机在额定电压下启动。通常，直接启动时，启动电流是额定电流的3 8倍，启动扭矩是额定扭矩的1 2倍。根据国产电动机的实际测量，部分黑木启司异步电动机启动电流可能达到8 12倍。直接启动的启动线最简单，如图2.1所示。但是这种启动方法有很多缺陷。对于需要频繁启动的电动机，如果启动电流太大，电动机就

7、会发热，缩短电动机的寿命。同时，电动机绕组因电动力的作用而变形，产生短路，可以燃烧电动机。另外，过大的启动电流会增加线路电压降，使电网电压明显下降，影响同一电网中其他设备的正常运行，有时还会阻止停止或以负载开始。这是因为Ts和Tm都与电网电压的平方成正比，电网电压的显着下降会使Ts和Tm都降到Tz以下。一般来说，异步电动机的功率小于7.5kW，可以直接启动。功率大于7.5千瓦，电源总容量大，如果能满足以下要求，电动机也可以直接启动。如果不能满足常识的要求，则应使用减压启动方法通过减压将启动电流Ist限制在允许的数值范围内。图2.1原理图直接启动2.1.2传统减压开始减压启动是在启动时首先降低定

8、子绕组的电压，启动后将电压恢复到额定。减压启动可以减少启动电流，但启动扭矩也减少了。因此，减压启动方法通常仅适用于轻负载或空载情况。传统减压启动的具体方法有多种，这里介绍了以下三种减压启动方法。(1)定子串联电阻或电抗启动定子绕组串联电阻或电抗等于降低定子绕组的附加电压。三相异步电动机的等效电路显示，启动电流与定子绕组的电压成正比，因此定子绕组串联电阻或电抗可以减少启动电流。但是，启动扭矩与定子绕组电压的平方成正比，因此启动扭矩进一步减少。因此，此启动方法仅适用于空载或轻负荷启动情况。对于容量小的异步电动机，通常使用定子绕组串电阻降。但是，对于大容量异步电动机，串行电阻会导致铜消耗大，因此采用

9、定子绕组串联电抗降压起动。如图2.2所示：启动马达时，关闭开关Q，断开交流接触器KM，使电源通过电阻或电抗R通过马达。马达启动完成后，KM吸气、断续电阻或电抗R完成。图2.2定子串联电阻或电抗启动电路图(2)开始星形-三角形(女-)星形-三角形启动法是电动机启动时定子绕组为星形(丫头)连接法，是在转速接近额定速度时，将绕组切换为三角形()连接法，将电机转换为正常运行的启动方法。星形三角形启动方法很简单，但要引出电动机定子绕组的所有6个出口，有一些麻烦。图2.3是星形-三角形启动方法的结构图。接触器KM2和KM3徐璐锁定。也就是说，如果其中一个闭合，另一个必须断开。KM2关闭后，定子绕组成为星形

10、连接法，电动机启动。切换到KM3闭合，将定子绕组改为三角形()连接法，电动机将转换为正常运行。控制电路的时间继电器KT确定星-三角转换时间。定子绕组连接到星形连接时，每个相绕组的相位电压在三角形连接(全压)时为l/，因此，启动电流和启动力矩下降到启动转矩直接开始时的三分之一。因为启动扭矩小，所以此方法仅适用于从轻负载开始。图2.3星形-三角形启动方法的电路图(3)自动变压器启动自动变压器启动法是电动机启动时，电源通过自动变压器降压，然后连接到电动机，旋转速度接近额定速度时，自动变压器从电源中移除，电机直接连接到电网，切换到正常运行的启动方法。图2.4显示了由自动变压器启动的自动控制主电路。控制

11、过程如下：关闭空气开关Q以打开三相电源。按下启动按钮后，KM1线圈将通电，自动锁定组合，主触点关闭，自动变压器线圈连接到星形，同时，KM1辅助常开触点关闭，接触器KM2线圈开机和吸收。KM2的主触点由自动变压器的低压卡舌(例如65%)将三相电压的65%连接到电气。时间继电器KT延迟关闭时，KM1线圈断电，自动变压器线圈密封端打开。同时，KM2线圈断电，自动变压器断电，KM3线圈被电吸收，KM3主接触连接电动机在全压力下运行。自动变压器通常有两组抽头，额定电压为65%和80%。如果自动变压器的比率为K，则与直接启动相比，使用自动变压器启动时，侧启动线电流和启动转矩将下降到直接启动的L/K2。自动

12、变压器启动方法不受电动机绕组接线方式(泡妞法或连接方式)的限制，允许的启动电流和必要的启动转矩可以通过分接变更来选择，但设备成本高。图2.4刘涛电动机的自动变压器启动方法自动变压器起动适用于大容量低压电动机，广泛用作手动和自动控制电路。优点是，在不同负荷下启动电压卡舌时可以选择。缺点是质量、体积、价格、裴珉姬报酬费用高。2.1.3软启动软起动可以分为等级和无等级，前者的调节是分裂的，后者的调节是连续的。电机定子电路中连接起电流限制作用的电力装置，实现软起动。这称为压降或电流限制软启动。是软启动中的重要类别。可根据限流装置进行划分。以向电解质流动的液体电阻平稳开始。磁控软起动，使用磁饱和电抗器作

13、为限流装置；使用晶闸管作为限流装置的晶闸管软起动晶闸管软起动产品上市仅30年，是当今电力电子设备大发展的结果。10年前，电气工程界预言，晶闸管软起动将引起软启动行业的革命。目前，在低压(380V)内，晶闸管软起动产品价格下降到液体电阻软起动的2倍以下。主要性能优于液体电阻软启动。与液体电阻软起动相比，体积小，结构小，维护量小，功能完善，菜单丰富，启动重复性好，保护性好，都比不上液体电阻软起动。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，液体电阻软启动产品的5-10倍，二是晶闸管引起的谐波严重。2.2软启动的原理与分析2.2.1晶闸管调压原理可以通过两种方式控制晶闸管。一个是拓扑控制。

14、也就是说，可以通过控制晶闸管的传导角度来控制。第二，利用主波控制，即晶闸管作为静止接触器，交替打开和关闭几个主波的电源电压，改变连接时间和切断时间的比率，控制输出电压的有效值，达到电压调节目的。但是，主波控制用于异步电动机精子时，通断更换的频率太低，会渡边杏，一方面会引起电动机速度的波动，另一方面每次打开电流，就相当于异步电动机的重启过程。断电后，电机气隙的磁场由转子的瞬态电流维持，并随转子一起旋转，气隙磁场在定子绕组中检测的电动势频率发生了变化。短流时间隔长，该旋转磁场与定子检测的电位重新连接时，电源电压可能在相位上有很大差异，从而产生大电流冲击，危及晶闸管的安全。因此，在异步电动机的电压调

15、节控制中，晶闸管电压调节通常使用相位控制。使用相位控制时，输出电压波形不再是正弦波。分析表明，输出电压不包括偶数波形，奇数波形使用三次波形作为主要成分。谐波会在异步电动机上造成额外的损失，引起转矩脉动等不好的影响。此外，异步电动机是感性负载，因此从电力电子学中可以看出，如果晶闸管交流电压调节电路有感性负载，则只有相位变化角度大于负载的功率因数角度时，才能起到电压调节的作用。当时电流通过的时间将保持在石重贵180。和零点一样，不能控制任何电压调节作用。即使晶闸管触发脉冲不够宽，晶闸管只在一个方向工作，负载出现直流分量，对晶闸管造成危害。为了确保晶闸管的安全，在使用相位控制晶闸管电路时，使用宽脉冲

16、触发器，相移范围限制为180。该系统软起动器采用晶闸管调压原理，调整电机定子输入端电压的大小和相位，实现了软起动的各种功能。此系统软起动器使用主电路，如图2.5所示。三套半并联晶闸管，分别连接到星形连接法的电机三相定子线圈，这种连接方式谐波比较少，调节性能最好，控制系统简单可靠。图2.5软起动主电路原理图为了便于分析，请做出以下假设：(1)电源是三相对称正弦电压源，内部阻抗为0。(2)每个晶闸管的特性一致，对称触发，关闭时阻抗无限。传导状态的压力降为零。(3)马达是理想的马达，转子绕组在空间中产生正弦分布的磁通量。(4)稳态运行时，电机的转速是常数。主电路没有中央线，因此必须至少具有两相配置路

17、径，才能在工作时加载电流流。其中一种是正向晶闸管传导，另一种是反向晶闸管传导。为了确保在电路开始时两个晶闸管同时通过，感性负载和控制角度小的时候徐璐另外两个晶闸管同时通过，该系统使用了能够产生大于60的双窄脉冲的触发电路。为了实现异步电动机的平稳启动，必须控制电动机的输入电压，根据特定的曲线从小到大逐步上升。根据特定时间调整6个晶闸管的触发角度，可以实现这一目标。这个电路的电压调节实质上是斩波电源电压。马达获得的电压不是正弦，但每个相电压的正负伴奏是对称的。晶闸管的任意相位电压波形如图2.7所示，是总正弦波、晶闸管的触发角度、负载的功率因数角度(也称为晶闸管的速流角度)、晶闸管的传导角度。在图2.6中，容易推导触发角度、功率因数角度和传导角度之间的关系(公式(2.1)图2.6任意相位晶闸管的工作波形其中晶闸管的输出电压是传导角度之间的波形。您可以变更传导角度的大小，变更晶闸管的输出电压，来变更马达的输入电压。如表达式(2.1)所示，传导角度与触发角度、功率因数角度相关。对于恒定载荷，功率因数角度是恒定的，传导角度仅与触发角度相关。此时，只要变更晶闸管触发角度，就可以变更晶闸管的输出电压。但是，对于异步电动机，功率因数角度是变量，是电动机速度的函数。在电动机启动过程中，