【正文】 12 軟起動(dòng)控制系統(tǒng)組成 14 電流檢測(cè)電路 15 轉(zhuǎn)速測(cè)量電路 15 脈沖觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路 18 晶閘管脈沖觸發(fā)程序 20 第 1 章 緒論 LCD 液晶顯示驅(qū)動(dòng)程序 21 第 5 章 軟起動(dòng)控制器控制算法 22 軟起動(dòng)控制策略 由此種種，交流異步電機(jī)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國(guó)防工業(yè)、醫(yī)療等各行各業(yè)都有著較為廣泛的應(yīng)用。如此巨大的電流加重了供電電網(wǎng)以及接在電動(dòng)機(jī)前面的開(kāi)關(guān) 電器的負(fù)荷，同時(shí) ,起動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的巨大轉(zhuǎn)矩也會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)輔助設(shè)備和做功機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生不可避免的機(jī)械沖擊。其優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)便 ,起動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單。大電流產(chǎn)生的大量焦耳熱，也會(huì)損傷繞組絕緣，降低電機(jī)壽命。采用軟起動(dòng)器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行軟起動(dòng)，可以降低電動(dòng)機(jī)能耗，提高設(shè)備利用率，延長(zhǎng)設(shè)備壽命。采用軟起動(dòng)裝置起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，能夠有效減少電能損耗，達(dá)到節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本，提升企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。軟起動(dòng)器不僅能夠解決電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中實(shí)際問(wèn)題，同時(shí)還可降低能源損耗，提高設(shè)備利用效率，減小設(shè)備投資和維護(hù)費(fèi)用，延長(zhǎng)設(shè)備壽命。另以單片機(jī)為 控制系統(tǒng)價(jià)格便宜，能有效降低設(shè)備生產(chǎn)成本。 國(guó)外軟起動(dòng)裝置以固態(tài)軟起動(dòng)為主，也就是晶閘管軟起動(dòng)和變頻軟起動(dòng)。變頻軟起動(dòng)能夠在恒流軟起停過(guò)程中維持不小于額定值的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。國(guó)外早在 1970 年便開(kāi)始了對(duì)晶閘管三相交流調(diào)壓技術(shù)研究。國(guó)內(nèi)的電機(jī)軟起動(dòng)器多是效仿國(guó)外產(chǎn)品，且中低壓產(chǎn)品占多，高壓軟起動(dòng)產(chǎn)品依然處在初步階段。在電機(jī)起動(dòng)電流基本不變的情況下，電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩將隨端電壓上升而逐步增大，達(dá)到平滑起動(dòng)。 上述軟啟動(dòng)方式各有千秋。本文以目前國(guó)內(nèi)外軟起動(dòng)技術(shù)的現(xiàn)狀為背景，在研究軟起動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用 89C52RC 單片機(jī)為微控單元構(gòu)建了晶閘管串聯(lián)軟起動(dòng)系統(tǒng)。但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電子軟起動(dòng)器因其電壓可無(wú)極調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)矩 /電流可閉環(huán)控制的特點(diǎn)得到深入而廣泛的發(fā)展，成為軟起動(dòng)市場(chǎng)中的主流。而電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)多采用基于集中參數(shù)等效數(shù)學(xué)模型。 為同步轉(zhuǎn)速， s 為轉(zhuǎn)差率。 但正如前文所述，直接起動(dòng)對(duì)電網(wǎng)、電機(jī)和其它用電設(shè)備的危害很大，如威脅設(shè)備和電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行等。由等效電路可知：起動(dòng)電流與定子端電壓成正比，因而該方法可以達(dá)到降低起動(dòng)電流的目的。 圖 定子串電阻或電抗起動(dòng)原理圖 第 2 章 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng) 6 (2) Y/△起動(dòng) Y/△ 起動(dòng)是定子繞組以 Y 接法起動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速升至接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，將繞組換為△接法，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)為正常運(yùn)行。 圖 星 三角形起動(dòng)原理圖 (3)自耦變壓器起動(dòng) 自耦變壓器起動(dòng)就是電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，電源經(jīng)自耦變壓器降壓后接到電動(dòng)機(jī)上，待轉(zhuǎn)速上升至接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，將自耦變壓器切除，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為正常運(yùn)行。變頻器作為軟起動(dòng)裝置時(shí)，它的電壓和頻率皆可從零連續(xù)調(diào)節(jié)，并保持較小的轉(zhuǎn)差率。利用晶閘管的相控調(diào)壓原理，通過(guò)改變其觸發(fā)角來(lái)控制電機(jī)輸入電壓的大小。 (3) 液態(tài)電阻軟起動(dòng)方式 液態(tài)電阻是一種由電解液形成的電阻，它導(dǎo)電的本質(zhì)是離子導(dǎo)電。另外，起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的操作過(guò)電壓會(huì)對(duì)電機(jī)的絕緣造成很大的傷害，較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩沖擊對(duì)電機(jī)和機(jī)械設(shè)備都會(huì)造成較大的傷害?？勺冸娍蛊魇降能浧饎?dòng)裝置由于采用了可變電抗技術(shù)，元器件不用串聯(lián)，因此相比其它軟起動(dòng)可靠性大大提高，也很方便維修。 第 2 章 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng) 8 綜上所述，可變電抗式固態(tài)軟起動(dòng)裝置與變頻軟起動(dòng)、晶閘管串聯(lián)軟起動(dòng)、液態(tài)軟 起動(dòng)方法相比具有明顯的技術(shù)和價(jià)格優(yōu)勢(shì)，其綜合性能如表 所示。 電流限定值 一 般設(shè)定為 e，故 這種起動(dòng)方式起動(dòng)電流小且電流限定值可調(diào)，對(duì)電網(wǎng)電壓影響小。它的缺點(diǎn)是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，且轉(zhuǎn)矩特性呈拋物線(xiàn)型上升，對(duì)起動(dòng)不利，起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)電動(dòng)機(jī)不利。這種起動(dòng)方式的特點(diǎn)是起動(dòng)電流相對(duì)較大，但起動(dòng)時(shí)間相對(duì)較短，適用于重載起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。由于它的最終控制目的就是為了得到線(xiàn)性轉(zhuǎn)矩，故這種方式下電機(jī)起動(dòng)平滑，柔性好、對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)有利，同時(shí)減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，保護(hù)了拖動(dòng)系統(tǒng)，延長(zhǎng)了其使用壽命。 （ 4）轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動(dòng) 轉(zhuǎn)矩加突跳控 制起動(dòng)方式和轉(zhuǎn)矩控制起動(dòng)方式類(lèi)似，也應(yīng)用在重載起動(dòng)場(chǎng)合。 第 2 章 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng) 10 圖 轉(zhuǎn)矩控制軟起動(dòng)示意圖 圖 轉(zhuǎn)矩加突跳控制軟起動(dòng)示意圖 晶閘管串聯(lián)軟起動(dòng)原理 軟起動(dòng)控制器的晶閘管調(diào)壓電路由 3 組反并聯(lián)晶閘管組成，串接于交流異步電機(jī)的三相供電線(xiàn)路之上 (圖 )。其中一相是正向晶閘管導(dǎo)通，另一相則是反向晶閘管導(dǎo)通。又 ，故可以通過(guò)改變 來(lái)實(shí)現(xiàn)晶閘管的調(diào)壓目的。在電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，隨著轉(zhuǎn)速逐漸變大，功率因數(shù)角 也在不斷變化。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)也是設(shè)計(jì)整個(gè)控制器的第一步。這些電路經(jīng)過(guò)單片機(jī)聯(lián)系在一起，通過(guò)高性能單片機(jī)來(lái)對(duì)電機(jī)軟起動(dòng)的起動(dòng)進(jìn)行分析和計(jì)算，通過(guò)各個(gè)功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)所需要的功能。另一方面，檢測(cè)電流的相位信號(hào)，同電壓檢測(cè)電路一同完成功率因數(shù)角 的檢測(cè)； (4)鍵盤(pán)輸入 /LCD 顯示電路：通過(guò)鍵盤(pán)完成軟起動(dòng)控制器參數(shù)的設(shè)置，并對(duì)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制。電機(jī)起動(dòng)結(jié)束后，閉合晶閘管旁路接觸器 K，電機(jī)正常運(yùn)行。VT VT VT2 觸發(fā)相序又分別滯后 VT VT VT5 180176。從而實(shí)現(xiàn)定子兩端電壓的無(wú)極調(diào)節(jié)，完成電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)。它以電源 A 相電壓為輸入，當(dāng) A 相電壓過(guò)零時(shí)光耦二極管導(dǎo)通，光耦三極管隨之導(dǎo)通， INT0 輸出低電平，引起單片機(jī)產(chǎn) 生中斷，單片機(jī)調(diào)用相應(yīng)的中斷處理程序，實(shí)現(xiàn)交流電的同步。電壓反饋回路如圖 所示： 圖 相 電壓反饋電路 圖中 是有電壓傳感器采集的單相電壓信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)降壓整流濾波后，分壓得到直流信號(hào)， OUT1 輸出的信號(hào)通過(guò)調(diào)理后轉(zhuǎn)化為 A/D 轉(zhuǎn)換器量程范圍內(nèi)的直流電壓。經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后，三相電流轉(zhuǎn)換成直流電流由 OUT2 接入 A/D 轉(zhuǎn)換器 TLC1543 模擬輸入端。當(dāng)電第 3 章 軟起動(dòng)器硬件設(shè)計(jì) 16 機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶連接在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的硅鋼片動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)硅鋼片霍爾傳感器時(shí)，感應(yīng)出一個(gè)脈沖信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后輸入單片機(jī)，通過(guò)中斷方式進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量。使用脈沖信號(hào)，不僅便于控制脈沖出現(xiàn)時(shí)刻，降低晶閘管門(mén)極功耗；還可通過(guò)變壓器的雙繞組或多繞組輸出，實(shí)現(xiàn)信號(hào)間的絕緣隔離和同步傳輸。對(duì)于單相電阻負(fù)載，由于一般晶閘管開(kāi)通時(shí)間為 6us，應(yīng)要求脈寬大于 10us，最好有 20～ 50us。同時(shí)，觸發(fā)延遲角應(yīng)能根據(jù)控制信號(hào)的要求改變，即控制角 應(yīng)有一定的移相范圍。根據(jù)需要設(shè)計(jì)了起動(dòng)鍵、停機(jī)鍵、增鍵、減鍵、設(shè)定鍵和確認(rèn)鍵。其中， 1602 字符型液晶顯示模塊是其中發(fā)展比較成熟的一種，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。 主程序 主程序主要完成系統(tǒng)的檢測(cè)，變量的初始化，參數(shù)的修改，故障的診斷，系統(tǒng)的保護(hù)等任務(wù)。采用T0 定時(shí)器檢測(cè)同步信號(hào)周期，用 T1 定時(shí)器實(shí)現(xiàn)相角的定時(shí)控制。 晶閘管觸發(fā)脈沖程序流程圖如圖 所示： 圖 晶閘管觸發(fā)脈沖程序流程圖 初始化充值 主程序 計(jì)算同步信號(hào)周期和 60176。電角度時(shí)間對(duì)應(yīng)時(shí)間，由定時(shí)器 0 完成 第 4 章 軟起動(dòng)器控制軟件設(shè)計(jì) 20 液晶屏初始化 E=1? 查詢(xún)要顯示的代碼 寫(xiě)入代碼 結(jié)束 RW=0? 按鍵輸入 /LCD液晶顯示程序 鍵盤(pán)輸入程序 鍵盤(pán)電路主要用于電機(jī)的啟?？刂埔约皡?shù)的設(shè)置。 LCD液晶顯示程序 液晶顯示部分采用 LCD1602，主要內(nèi)容是與鍵盤(pán)輸入相配合，使用戶(hù)能夠方便、直觀和形象地進(jìn)行控制操作。延時(shí)觸發(fā)定時(shí)器 0 中斷，進(jìn)入脈沖觸發(fā)程序。本文中擬采用電壓斜坡控制和恒流控制方式，采用增量式 PI 調(diào)節(jié)控制策略，通過(guò)調(diào)用 PI 子程序?qū)υO(shè)置量和反饋量進(jìn)行比較后進(jìn)行 PI 控制算法運(yùn)算，輸出晶閘管的觸發(fā)角。 軟起動(dòng)控制策略 PID 控制算法在工業(yè)控制領(lǐng)域中應(yīng)用最廣，其算法簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)，魯棒性好，能夠滿(mǎn)足一般生產(chǎn)過(guò)程的要求。 PID 調(diào)節(jié)器的性能主要取決于它的參數(shù)整定，如能在實(shí)際控制過(guò)程中實(shí)時(shí)改變 PID 的參數(shù)使其到更優(yōu)的控制效果。典型的 PID 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 所示。故微分作用的加入將有助于減小超調(diào)，克服振蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。由于單片機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的 偏差值計(jì)算控制量，因此式 (51)中的積分和微分項(xiàng)不能直接使用，需要進(jìn)行離散化處理。將式可得離散的PID 表達(dá)式為： (53) 式中 k 是采樣序號(hào)， k=0， l， 2?， 為第 k 次采樣時(shí)刻的單片機(jī)輸出值；第 k 次采樣時(shí)刻輸入的偏差值， 是第 k1 次采樣時(shí)刻輸入的偏差值； 是比例系數(shù)， 是積分系數(shù)， 是微分系數(shù)。 (2) 積分作用系數(shù)的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。但過(guò)大，會(huì)使響應(yīng)過(guò)程提前制動(dòng)，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，而且會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能。 Simulink是用于 MATLAB 下建立系統(tǒng)框圖進(jìn)行仿真的工具，可以用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析。仿真結(jié)構(gòu)主要環(huán)節(jié)模塊的處理包括：三相交流電壓源、同步脈沖發(fā)生模塊、三相交流調(diào)壓模塊、異步電機(jī)模塊、電流檢測(cè)模塊、 PID 調(diào)節(jié)模塊等環(huán)節(jié)。該模塊及其參數(shù)設(shè)置如圖 所示。輸入電壓經(jīng)過(guò) Relay 產(chǎn)生半周等寬方波，再經(jīng)過(guò)Rate Limiter 產(chǎn)生鋸齒波，鋸齒波與移相控制電壓疊加，調(diào)節(jié)鋸齒波的過(guò)零點(diǎn)，再經(jīng)過(guò)延遲產(chǎn)生前沿可調(diào)、后延固定的晶閘管觸發(fā)脈沖。從電氣系統(tǒng)模塊庫(kù)電力電子模塊庫(kù)中選取 6 個(gè)晶閘管模塊（ Thristor），連接構(gòu)成三對(duì)雙向發(fā)并聯(lián)晶閘管電路，由脈沖觸發(fā)模塊產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖按 VT1 到 VT6 順序觸發(fā)，觸發(fā)脈沖相隔 60176。其模型及參數(shù)設(shè)置如圖 所示。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示。 （ a）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩波形 （ b）起動(dòng)電流波形 第 6 章 軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的 Matlab/simulink 仿真 29 （ b）轉(zhuǎn)速波形 圖 直接起動(dòng)效果 從圖中可以看到，起動(dòng)瞬間轉(zhuǎn)矩起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和電流的震蕩非常大。在此電流的作用下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速逐漸上升。 第 7 章 結(jié)論與展望 31 第 7 章 總結(jié)與展望 廣泛應(yīng)用的三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)刻出現(xiàn)的起動(dòng)電流一般高出額定電流的 3～7 倍，會(huì)對(duì)進(jìn)線(xiàn)、供電電網(wǎng)、電動(dòng)機(jī)以及其他設(shè)備造成嚴(yán)重危害。 (1) 在分析了三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程和三相交流調(diào)壓電路的基礎(chǔ)上，研究設(shè)計(jì)了晶閘管調(diào)壓的觸發(fā)方案。 由于時(shí)間及實(shí)驗(yàn)條件的限制，仍還有許多問(wèn)題有待于進(jìn)一步研究和改進(jìn)，例如系統(tǒng)保護(hù)，軟件程序設(shè)計(jì)， PID 控制參數(shù)不夠合理的內(nèi)容不夠詳實(shí)等。這是因?yàn)樽冾l軟起動(dòng)可以在限流 (起動(dòng)電流不超過(guò)電機(jī)額定電流值 )的同時(shí)獲得大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，完成包括軟停車(chē)在內(nèi)的各種起動(dòng)功能。 這篇論文實(shí)在導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)下完成的，他在學(xué)習(xí)和工作方面給了我大量的指導(dǎo)，讓我學(xué)到了很多知識(shí)，也獲得了實(shí)踐鍛煉的機(jī)會(huì)。感謝老師們，謝謝他們這四年來(lái)對(duì)我的教育，每當(dāng)遇到自己無(wú)法解決的問(wèn)題的時(shí)候，總是向他們求教，他們也總是不吝賜教。能夠在前期調(diào)研的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用有關(guān)的基礎(chǔ)理論和專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)行課題設(shè)計(jì)，研究方法基本合理，基本上達(dá)到畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求。 3 稿（ 4 月份）： 30 學(xué)時(shí) 。