【正文】 的，就必然要求導(dǎo)通和切斷的周期數(shù)較多，就使得晶閘管的工作頻率較低，斷流時(shí)間間隔較長(zhǎng)；由于晶閘管不能自關(guān)斷，如果采用斬波技術(shù)時(shí)，還需要附加斬波電路或用自關(guān)斷器件來替代晶閘管，這樣就帶來裝置的復(fù)雜性以及價(jià)格上升等問題，因此在異步電機(jī)調(diào)壓控制中，晶閘管電路調(diào)壓一般采用相控技術(shù)。移相調(diào)壓時(shí)，輸出電壓波形己不是完整地正弦波，但輸出電壓不含偶次諧波，而奇次諧波中則以三次諧波為主要成分。當(dāng)然，采用相控技術(shù)產(chǎn)生的諧波，會(huì)在異步電機(jī)中引起附加損耗，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等不良影響。此外，由于異步電機(jī)是感性負(fù)載，從電力電子學(xué)相關(guān)知識(shí)中可以知道，在晶閘管交流調(diào)壓電路帶感性負(fù)載時(shí)，只有當(dāng)移相角于感性負(fù)載的功率因數(shù)時(shí)，才會(huì)起到調(diào)壓作用。當(dāng)時(shí)，電流導(dǎo)通的時(shí)間將始終為180o,其情況與時(shí)一樣，相控不起任何作用，甚至在晶閘管觸發(fā)脈沖不夠?qū)挼那闆r下，會(huì)出現(xiàn)只有一個(gè)方向的晶閘管在工作的情況，使負(fù)載上可能出現(xiàn)直流分量，危害到晶閘管的安全。所以的下限幅值取為額定運(yùn)行時(shí)的值，而上 限幅值取為180o。在晶閘管交流調(diào)壓系統(tǒng)中，晶閘管可以采用負(fù)載電流波形過零而自關(guān)斷的換流方式（阻性負(fù)載和感性負(fù)載均如此），不需要附加額外的換流電路，所以其主要優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，調(diào)壓裝置體積小，價(jià)格低廉，使用和維修方便。本軟起動(dòng)系統(tǒng)采用晶閘管調(diào)壓原理，通過調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)定子輸入端電壓的大小和相位實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)器的各種功能。其電路在見緒論圖1。在此電路中因?yàn)闆]有中線，所以在工作時(shí)若要負(fù)載電流流通，至少要有兩相構(gòu)成通路。為此（1）在三相電路中至少要有一相的正向晶閘管與另一相的反向晶閘管同時(shí)導(dǎo)通；（2）為保證輸出電壓三相對(duì)稱并有一定的調(diào)節(jié)范圍，要求晶閘管的觸發(fā)脈沖除了必須與相應(yīng)的交流電源有一致的相序外，各觸發(fā)脈沖之間還必須嚴(yán)格地保持一定的相位關(guān)系。（3）為了保證在電路起始工作時(shí)能使兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，以及在感性負(fù)載與控制角稍大時(shí)仍能保證不同相的正、反向兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，所以同三相全控橋式整流電路一樣，要求采用大于60o的寬脈沖或雙窄脈沖的觸發(fā)電路。 電子軟起動(dòng)器的工作原理所謂軟起動(dòng)，是將交流電動(dòng)機(jī)接入由晶閘管組成的三相交流調(diào)壓電路，在電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程中，由控制電路調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角，使加在電動(dòng)機(jī)定子繞組上的端電壓由某一初始值開始逐步爬升至全電壓，電動(dòng)機(jī)將在較小的起到電流條件下由零速開始平穩(wěn)上升到額定轉(zhuǎn)速。由于輸入至電動(dòng)機(jī)定子繞組上的電壓受控于三相交流電壓電路的觸發(fā)脈沖角，因此改變觸發(fā)角的變化規(guī)律，可以改變電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方式，使電動(dòng)機(jī)具有不同起動(dòng)特性以適應(yīng)不同的工況要求。電子軟啟動(dòng)器的主電路一般為三相交流調(diào)壓電路，如圖12所示。圖12 軟起動(dòng)器主電路圖 The main circuit diagram of soft starter 主電路每相采用兩個(gè)晶閘管反并聯(lián)或一個(gè)雙向晶閘管器件，一般當(dāng)軟起動(dòng)器的功率很大時(shí)，采用兩個(gè)獨(dú)立的晶閘管反并聯(lián)，當(dāng)功率不大時(shí)，為減小體積，可以采用雙向晶閘管；與晶閘管并聯(lián)的RC網(wǎng)絡(luò)和非線性壓敏電阻（QK）是用來做晶閘管的過電壓吸收和保護(hù)的；交流接觸器KM作為晶閘管的旁路開關(guān)，在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)完成后，可以將晶閘管旁路，避免由晶閘管接通電源而產(chǎn)生的通態(tài)損耗；JR為熱繼電器，為電動(dòng)機(jī)提供過載或缺相保護(hù)；TV為線路電源電壓互感器，此信號(hào)送到控制檢測(cè)，以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的過電壓和欠電壓保護(hù)；TA為電流互感器，經(jīng)TA衰減并隔離的電動(dòng)機(jī)繞組電流信號(hào)送到控制電流處理，便于控制電路對(duì)起動(dòng)電流的監(jiān)視，并實(shí)現(xiàn)限電流起動(dòng)、過電流保護(hù)等功能；三相同步變壓器通過不同的連接方式，可以按照三相交流調(diào)壓電路的控制規(guī)律要求，為晶閘管的移相觸發(fā)電路提供同步信號(hào)；移相觸發(fā)模塊根據(jù)觸發(fā)角指令的要求，結(jié)合同步信號(hào)，給主電路各晶閘管實(shí)時(shí)發(fā)出觸發(fā)脈沖，控制晶閘管的導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)主電路的正常調(diào)壓工作。觸發(fā)角指令是用0～5V模擬電壓信號(hào)給定的，當(dāng)模擬電壓信號(hào)為0V時(shí)，晶閘管的移相觸發(fā)角對(duì)應(yīng)為180176。，此時(shí)輸出電壓最低；而當(dāng)模擬電壓指令為5V時(shí)，晶閘管的移相觸發(fā)角為0176。，此時(shí)輸出電壓最大。 常用的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式為了適應(yīng)各種運(yùn)行工況和負(fù)載性質(zhì)的要求，電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有不同的起動(dòng)方式。常用的起動(dòng)方式有：電壓斜坡起動(dòng)、斜坡限流起動(dòng)、帶突跳的電壓斜坡起動(dòng)、帶突跳的斜坡限流起動(dòng)、限圧起動(dòng)、帶突跳的限圧起動(dòng)等[9]，各種起動(dòng)方式的電壓變化曲線如圖13所示。（1）電壓斜坡起動(dòng) 如圖13（a）所示，交流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生較大起動(dòng)電流的原因是因?yàn)橥饧拥诫妱?dòng)機(jī)的端電壓與電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)之差大，如果讓施加到電動(dòng)機(jī)上的電壓隨著電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的變化而改變，并保持一定的壓差以維持必要的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，則電動(dòng)機(jī)將在外加電壓的作用下平穩(wěn)起動(dòng)且起動(dòng)電流較小。由于電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)正比于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，它將隨電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的平穩(wěn)增加而線性增加，因此斜坡電壓起動(dòng)方式能很好地適應(yīng)這種變化。在這種起動(dòng)方式下，控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的起動(dòng)時(shí)間，控制晶閘管的導(dǎo)通角由初始值逐漸下降到零，從而使電動(dòng)機(jī)端電壓從給定初始值平滑爬升到全壓。（2）斜坡限流起動(dòng) 如圖13（b）所示，按照電壓斜坡起動(dòng)方式控制電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，如果起動(dòng)時(shí)間和初始起動(dòng)電壓參數(shù)設(shè)置不合理，或電動(dòng)機(jī)負(fù)載的變化，可能會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升緩慢而外加到電動(dòng)機(jī)上的電壓增加較快，這時(shí)將導(dǎo)致兩者之差增大，使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流增加。為了限制起動(dòng)電流的繼續(xù)增大，可以采用限流起動(dòng)方式。在這種方式下起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流未達(dá)到設(shè)定的限流值時(shí)，電動(dòng)機(jī)仍然按電壓斜坡方式起動(dòng)，一旦電流達(dá)到設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)將停止觸發(fā)角的進(jìn)一步減小，從而使電動(dòng)機(jī)端電壓維持不變，此時(shí)由于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速仍在上升，使反電動(dòng)勢(shì)繼續(xù)增加，因而電動(dòng)機(jī)電流將會(huì)減小。當(dāng)電流下降到一定的下限值時(shí)，才允許觸發(fā)脈沖進(jìn)一步減小，使電動(dòng)機(jī)端電壓繼續(xù)按斜坡上升，這種方式可以有效的限制電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中出現(xiàn)的電流最大值。（3）帶突跳的電壓斜坡起動(dòng) 如圖13（c）所示，當(dāng)電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)開始時(shí)刻，由于其靜摩擦很大（遠(yuǎn)大于動(dòng)摩擦力），電動(dòng)機(jī)需要較大的初始轉(zhuǎn)矩才能克服靜摩擦力及負(fù)載等阻力轉(zhuǎn)矩才能轉(zhuǎn)動(dòng)起來，一旦電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后，靜摩擦變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦，其阻力轉(zhuǎn)矩反而減小了。為了使電動(dòng)機(jī)在初始起動(dòng)時(shí)能夠得到較大的轉(zhuǎn)矩，往往需要較高的電壓，因此帶突跳的電壓斜坡起動(dòng)方式就是在起動(dòng)初始時(shí)刻，在電動(dòng)機(jī)施加一個(gè)較高的電壓脈沖，使電動(dòng)機(jī)輸出足夠的轉(zhuǎn)矩能夠轉(zhuǎn)動(dòng)起來，然后電動(dòng)機(jī)端電壓再從一個(gè)設(shè)定的基值電壓開始逐漸上升，以減小電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流。這種起動(dòng)方式可以有效克服電動(dòng)機(jī)初始起動(dòng)時(shí)因轉(zhuǎn)矩過小而不能轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象，同時(shí)也可以有效減小電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流。（4）帶突跳的斜坡限流起動(dòng) 如圖13（d）所示，這種起動(dòng)方式是在帶突跳的電壓斜坡起動(dòng)方式的基礎(chǔ)上，增加電流限制環(huán)節(jié)。其作用是為了防止電動(dòng)機(jī)在斜坡起動(dòng)過程中，電流超過設(shè)定值。其原理與斜坡限流起動(dòng)方式相同。（5）限壓起動(dòng) 如圖13（e）所示，電動(dòng)機(jī)在空載或輕載條件下起動(dòng)時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)阻力轉(zhuǎn)矩較小，電動(dòng)機(jī)比較容易起動(dòng)和加速，電動(dòng)機(jī)在一個(gè)比較合適的恒定電壓方式下起動(dòng)，也不會(huì)產(chǎn)生很大的起動(dòng)電流，此時(shí)可以采用限壓起動(dòng)方式。在這種起動(dòng)方式下，控制系統(tǒng)給定一個(gè)恒定的觸發(fā)脈沖角，使電動(dòng)機(jī)在一個(gè)給定電壓(20%～90%可選)下起動(dòng)。（6）帶突跳的限壓 如圖13（f）所示，這種起動(dòng)方式是在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)初始時(shí)刻施加一個(gè)較高的電壓脈沖，使電動(dòng)機(jī)能夠克服靜摩擦和負(fù)載阻力轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)起來，然后再按照限壓起動(dòng)方式完成電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)。圖13 各種軟起動(dòng)方式下相應(yīng)的起動(dòng)曲線 The curves of various kinds of soft starting methods 電動(dòng)機(jī)停車方式與電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方式一樣，為了適應(yīng)各種運(yùn)行場(chǎng)所和負(fù)載性質(zhì)的要求，電動(dòng)機(jī)也要具備不同的停車方式。常用的停車方式有：自由停車、軟停車、快速制動(dòng)等方式。自由停車是指在停車指令下達(dá)時(shí)，關(guān)斷電動(dòng)機(jī)的供電回路，使電動(dòng)機(jī)在端電壓為零的條件下，依靠電動(dòng)機(jī)的摩擦轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩作用使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降到零；軟停車是指控制系統(tǒng)在接到停車指令后，控制觸發(fā)脈沖角由輸出值逐漸上升到150176。從而使電動(dòng)機(jī)電壓逐漸下降，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸減小到零的過程。這種停車方式在泵類場(chǎng)合時(shí)可以防止水錘效應(yīng)發(fā)生，在傳輸帶負(fù)載時(shí)，可以防止傳輸帶上物件發(fā)生倒落事故；快速制動(dòng)停車方式常用于一些需要緊急停車或快速停車的場(chǎng)合，其制動(dòng)方式有能耗制動(dòng)，反接制動(dòng)等。一般在軟起動(dòng)器中常設(shè)置的停車方式有自由停車和軟停車兩種，其電壓變化曲線如圖14所示。 a）自由停車 b）軟停車圖14 電動(dòng)機(jī)的停車方式a）Free stop b）Soft stop Manner of parking motor 軟起動(dòng)器的運(yùn)行模式軟起動(dòng)器完成起動(dòng)電動(dòng)機(jī)任務(wù)之后，可以有以下四種運(yùn)行狀態(tài)[10]：（1）跨越運(yùn)行模式晶閘管處于全導(dǎo)通狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)工作于全壓方式，電壓諧波分量可以完全忽略，這種方式常用于短時(shí)重復(fù)工作的電動(dòng)機(jī)。對(duì)于要求實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟起動(dòng)、軟停止、節(jié)能、故障保護(hù)、報(bào)警等功能的較完整的電機(jī)控制系統(tǒng)，則采用這種運(yùn)行狀態(tài)。（2）接觸器旁路工作模式在電動(dòng)機(jī)達(dá)到滿速運(yùn)行時(shí)，用旁路接觸器取代已完成起動(dòng)任務(wù)的軟起動(dòng)器，這樣可以降低晶閘管的熱損耗，提高系統(tǒng)的效率。在這種工作模式下，便有可能用一臺(tái)軟起動(dòng)器起動(dòng)多臺(tái)電動(dòng)機(jī)。（3）節(jié)能運(yùn)行模式當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷較輕時(shí)，軟起動(dòng)器自動(dòng)降低施加于電動(dòng)機(jī)定子上的電壓，減少了電機(jī)電流的勵(lì)磁分量，從而提高了電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)。（4）調(diào)壓調(diào)速模式軟起動(dòng)器既然是用晶閘管調(diào)壓原理來實(shí)現(xiàn)的，因此也可以作調(diào)壓調(diào)速運(yùn)行。通過改變導(dǎo)通角控制電機(jī)電壓，達(dá)到改變電機(jī)速度的目的。由于頻率不變，電壓降低時(shí)會(huì)引起電機(jī)中磁場(chǎng)飽和，因此這種方式調(diào)速效果有限。本設(shè)計(jì)采用跨越運(yùn)行模式2 硬件設(shè)計(jì) 總體硬件框圖軟起動(dòng)器的控制系統(tǒng)由兩個(gè)部分組成，一個(gè)是單片機(jī)及其外圍電路組成的微機(jī)控制系統(tǒng)，另一個(gè)是信號(hào)處理電路。信號(hào)處理電路負(fù)責(zé)主電路電壓和電流信號(hào)的處理，并將處理后的電流送單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，同時(shí)該電路監(jiān)視三相電流的不平衡情況，實(shí)現(xiàn)三相不平衡保護(hù)和斷相保護(hù)，通過對(duì)三相電源電壓的監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)過電壓和欠電壓保護(hù)；通過安裝在散熱器上的熱敏開關(guān)，也實(shí)現(xiàn)晶閘管的過熱保護(hù)，各種保護(hù)信號(hào)、經(jīng)過邏輯與后，送到單片機(jī)的外部中斷請(qǐng)求輸入腳，作為外部故障信號(hào)處理；單片機(jī)控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)參數(shù)設(shè)置與修改、電動(dòng)機(jī)起停過程的控制和觸發(fā)脈沖角的計(jì)算、運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視、故障的保護(hù)與處理等功能，整個(gè)電路如圖21所示。圖21 軟起動(dòng)器總體硬件框圖 The hardware surtcutre of sotf starter 主要元器件選擇及介紹 CPU的選擇本設(shè)計(jì)分析的單片機(jī)控制系統(tǒng)采用AVR系列單片機(jī)的AT90S8535為主控制芯片，其內(nèi)部接口豐富、功能齊全、性價(jià)比比較高[11]。具有如下特點(diǎn)：1) AVR RISC 結(jié)構(gòu)AVR采用高性能、低功耗的RISC結(jié)構(gòu)；118條指令構(gòu)成的精簡(jiǎn)指令集，大多數(shù)為單指令周期；32個(gè)8位通用寄存器；工作在8MHz時(shí)具有8MIPS的性能。2）數(shù)據(jù)和非易失性程序存儲(chǔ)器8KB的在線可編程FLASH存儲(chǔ)器，可擦寫1000次以上；512B的SRAM。512B在線可編程EEPROM,可擦寫100000次。3）外圍器件特點(diǎn)兩個(gè)可預(yù)分頻的8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器（T/C0、T/C2）,其中T/C2具有輸出比較和PWM功能；一個(gè)可預(yù)分頻16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器（T/C1），T/C1具有輸入捕獲、輸出比較和PWM功能，片內(nèi)模擬比較器；可編程的看門狗定時(shí)器；8通道10位ADC。2通道10位和1通道8位PWM脈寬調(diào)制輸出，可做D/A轉(zhuǎn)換器；SPI同步接口；全雙工UART。4)MCU特點(diǎn)上電復(fù)位電路；具有記數(shù)功能、有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC；低功耗空閑省電和掉電模式；16種中斷源，每種中斷源具有一個(gè)獨(dú)立的中斷向量作為相應(yīng)的中斷入口地址。5）4MHz 3V 20176。條件下的功耗工作模式：。空閑模式： mA。掉電模式：1A。6)I/O接口和封裝32個(gè)可編程的I/O腳，每個(gè)腳都可以指定工作模式；40腳PDIP/PLCC/TQFP封裝。7）工作電壓和時(shí)鐘~。0~8MHz。其引進(jìn)圖如下：圖22 AT90S8535引腳圖 The pin of AT90S8535 由于AT90S8535芯片的片內(nèi)資源豐富，由他組成的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，軟起動(dòng)器的CPU部分如圖23所示。根據(jù)軟起動(dòng)器的設(shè)計(jì)要求，控制系統(tǒng)的資源分配如下：控制系統(tǒng)的界面采用鍵盤輸入、LED數(shù)碼管和發(fā)光二極管顯示構(gòu)成，其中PA2～PA7作為六個(gè)按鍵的鍵盤輸入信號(hào)，通過鍵盤操作，完成起動(dòng)參數(shù)的設(shè)置、電動(dòng)機(jī)起停的控制、默認(rèn)參數(shù)的保存、外部故障的查詢和處理等；LED顯示由PB口和PC口組成，其中PB0～PB6作為L(zhǎng)ED的段碼輸出信號(hào)，PC0～PC5作為L(zhǎng)ED位碼選擇信號(hào)，顯示部分由4位LED數(shù)碼管和按LED引腳形式結(jié)成的9位發(fā)光二極管組成，作為起動(dòng)參數(shù)設(shè)定、運(yùn)行監(jiān)控及故障等顯示，并按動(dòng)態(tài)方式定時(shí)刷新各個(gè)顯示位；PA1口作為A/D采樣輸入口，用于采樣主電路工作電流信號(hào)，供限流控制、過電流保護(hù)、過載保護(hù)等使用；由信號(hào)處理電路送來的故障檢測(cè)信號(hào)輸入到INTO引腳，作為主電路外部故障（如三相不平衡運(yùn)行、缺相、散熱器過熱等）的中斷請(qǐng)求輸入，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，由向CPU提出中斷請(qǐng)求，CPU響應(yīng)中斷，在終端服務(wù)程序中根據(jù)電路的運(yùn)行狀態(tài)封鎖晶閘管觸發(fā)脈沖、或斷開主電路，并且實(shí)現(xiàn)閉鎖。同時(shí)信號(hào)處理電路送來的故障檢測(cè)信號(hào)也送到PA1輸入腳，作為故障狀態(tài)的檢測(cè)。在故障發(fā)生并封鎖了觸發(fā)脈沖后，程序?qū)⒉粩鄼z測(cè)PA1位的狀態(tài)，當(dāng)該狀態(tài)為顯示故障已經(jīng)解除時(shí)，閉鎖解除，撤銷封鎖信號(hào)，使系統(tǒng)復(fù)位。PD5初始化為成PWM輸出工作方式，作為晶閘管觸發(fā)脈沖的控制命令輸出，單片機(jī)通過內(nèi)部運(yùn)算輸出一定占空比的PWM波，此PWM波經(jīng)過濾波后獲得0～5V直流電壓送觸發(fā)脈沖模塊，作為觸發(fā)脈沖腳的控制命令，該電壓正比于PWM波的占