【正文】 3 稿（ 4 月份）： 30 學(xué)時 。感謝老師們，謝謝他們這四年來對我的教育，每當(dāng)遇到自己無法解決的問題的時候，總是向他們求教，他們也總是不吝賜教。這是因為變頻軟起動可以在限流 (起動電流不超過電機額定電流值 )的同時獲得大的起動轉(zhuǎn)矩，完成包括軟停車在內(nèi)的各種起動功能。 (1) 在分析了三相感應(yīng)電動機的起動過程和三相交流調(diào)壓電路的基礎(chǔ)上，研究設(shè)計了晶閘管調(diào)壓的觸發(fā)方案。在此電流的作用下，電動機的轉(zhuǎn)速逐漸上升。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示。從電氣系統(tǒng)模塊庫電力電子模塊庫中選取 6 個晶閘管模塊（ Thristor），連接構(gòu)成三對雙向發(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。該模塊及其參數(shù)設(shè)置如圖 所示。 Simulink是用于 MATLAB 下建立系統(tǒng)框圖進行仿真的工具，可以用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析。 (2) 積分作用系數(shù)的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。由于單片機控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的 偏差值計算控制量，因此式 (51)中的積分和微分項不能直接使用，需要進行離散化處理。典型的 PID 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 所示。 軟起動控制策略 PID 控制算法在工業(yè)控制領(lǐng)域中應(yīng)用最廣，其算法簡單，適應(yīng)性強，魯棒性好，能夠滿足一般生產(chǎn)過程的要求。延時觸發(fā)定時器 0 中斷，進入脈沖觸發(fā)程序。電角度時間對應(yīng)時間，由定時器 0 完成 第 4 章 軟起動器控制軟件設(shè)計 20 液晶屏初始化 E=1? 查詢要顯示的代碼 寫入代碼 結(jié)束 RW=0? 按鍵輸入 /LCD液晶顯示程序 鍵盤輸入程序 鍵盤電路主要用于電機的啟停控制以及參數(shù)的設(shè)置。采用T0 定時器檢測同步信號周期，用 T1 定時器實現(xiàn)相角的定時控制。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。同時，觸發(fā)延遲角應(yīng)能根據(jù)控制信號的要求改變，即控制角 應(yīng)有一定的移相范圍。使用脈沖信號，不僅便于控制脈沖出現(xiàn)時刻，降低晶閘管門極功耗；還可通過變壓器的雙繞組或多繞組輸出，實現(xiàn)信號間的絕緣隔離和同步傳輸。經(jīng)過信號調(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。它以電源 A 相電壓為輸入，當(dāng) A 相電壓過零時光耦二極管導(dǎo)通，光耦三極管隨之導(dǎo)通， INT0 輸出低電平，引起單片機產(chǎn) 生中斷，單片機調(diào)用相應(yīng)的中斷處理程序，實現(xiàn)交流電的同步。VT VT VT2 觸發(fā)相序又分別滯后 VT VT VT5 180176。另一方面，檢測電流的相位信號，同電壓檢測電路一同完成功率因數(shù)角 的檢測； (4)鍵盤輸入 /LCD 顯示電路：通過鍵盤完成軟起動控制器參數(shù)的設(shè)置，并對電機的運行狀態(tài)進行控制。系統(tǒng)的硬件設(shè)計也是設(shè)計整個控制器的第一步。又 ，故可以通過改變 來實現(xiàn)晶閘管的調(diào)壓目的。 第 2 章 三相異步電動機的起動 10 圖 轉(zhuǎn)矩控制軟起動示意圖 圖 轉(zhuǎn)矩加突跳控制軟起動示意圖 晶閘管串聯(lián)軟起動原理 軟起動控制器的晶閘管調(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的三相供電線路之上 (圖 )。由于它的最終控制目的就是為了得到線性轉(zhuǎn)矩，故這種方式下電機起動平滑，柔性好、對拖動系統(tǒng)有利，同時減少對電網(wǎng)的沖擊，保護了拖動系統(tǒng)，延長了其使用壽命。它的缺點是起動轉(zhuǎn)矩小，且轉(zhuǎn)矩特性呈拋物線型上升，對起動不利，起動時間長，對電動機不利。 第 2 章 三相異步電動機的起動 8 綜上所述，可變電抗式固態(tài)軟起動裝置與變頻軟起動、晶閘管串聯(lián)軟起動、液態(tài)軟 起動方法相比具有明顯的技術(shù)和價格優(yōu)勢，其綜合性能如表 所示。另外，起動時產(chǎn)生的操作過電壓會對電機的絕緣造成很大的傷害，較大的起動轉(zhuǎn)矩沖擊對電機和機械設(shè)備都會造成較大的傷害。利用晶閘管的相控調(diào)壓原理，通過改變其觸發(fā)角來控制電機輸入電壓的大小。 圖 星 三角形起動原理圖 (3)自耦變壓器起動 自耦變壓器起動就是電動機起動時，電源經(jīng)自耦變壓器降壓后接到電動機上，待轉(zhuǎn)速上升至接近額定轉(zhuǎn)速時，將自耦變壓器切除，電動機轉(zhuǎn)化為正常運行。由等效電路可知：起動電流與定子端電壓成正比，因而該方法可以達到降低起動電流的目的。 為同步轉(zhuǎn)速， s 為轉(zhuǎn)差率。但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電子軟起動器因其電壓可無極調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)矩 /電流可閉環(huán)控制的特點得到深入而廣泛的發(fā)展，成為軟起動市場中的主流。 上述軟啟動方式各有千秋。國內(nèi)的電機軟起動器多是效仿國外產(chǎn)品，且中低壓產(chǎn)品占多，高壓軟起動產(chǎn)品依然處在初步階段。變頻軟起動能夠在恒流軟起停過程中維持不小于額定值的起動轉(zhuǎn)矩。另以單片機為 控制系統(tǒng)價格便宜，能有效降低設(shè)備生產(chǎn)成本。采用軟起動裝置起動電動機，能夠有效減少電能損耗，達到節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本，提升企業(yè)經(jīng)濟效益。大電流產(chǎn)生的大量焦耳熱，也會損傷繞組絕緣，降低電機壽命。如此巨大的電流加重了供電電網(wǎng)以及接在電動機前面的開關(guān) 電器的負荷，同時 ,起動時出現(xiàn)的巨大轉(zhuǎn)矩也會對電動機及傳動輔助設(shè)備和做功機械設(shè)備產(chǎn)生不可避免的機械沖擊。 22 軟起動控制策略 21 第 5 章 軟起動控制器控制算法 20 第 1 章 緒論 LCD 液晶顯示驅(qū)動程序 18 晶閘管脈沖觸發(fā)程序 15 脈沖觸發(fā)驅(qū)動電路 14 電流檢測電路 1 課題概述 Ⅱ 第 1 章 緒 論 本文以 STC89C52RC 單片機為控制核心，設(shè)計了軟起動控制器的硬件電路，包括電源電路、微處理器系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)測電路、 LCD 人機界面等；在軟件設(shè)計上，進行了軟起動控制軟件設(shè)計，包括控制流程和各重要部分程序設(shè)計；在控制算法上采用 PID 控制作為智能控制器的控制策略。除在保密期內(nèi)的保密論文外，允許論文被查閱和借閱，可以公布（包括刊登）論文的全部或部分內(nèi)容。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。它在大功率電機起動過程中，通過控制電機的電流，避免直接起動中起動電流和沖擊力對電機自身、電機負載、電網(wǎng)以及同電網(wǎng)其他設(shè)備造成的影響和損害，提高電網(wǎng)的工作效率，從而達到起動和保護設(shè)備的作用。 1 課題研究背景 13 電壓檢測電路 13 電壓反饋電路 21 軟起動過程控制程序 據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，三相感應(yīng)電動機耗電量占全國總發(fā)電量的 30%以上，而在西方發(fā)達的工業(yè)化國家，其消耗量更是多達約 70%。但其起動電流很大，一般為電機額定電流的 倍，嚴重時可能達到十倍以上。為此，軟起動器的研究有特大的現(xiàn)實意義和突出的經(jīng)濟效益。 本文研究內(nèi)容是基于單片機的軟起動控制器。在需兼?zhèn)湔{(diào)速要求時，通常采用變頻裝置。該技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域已應(yīng)用廣泛 ,在某些領(lǐng)域應(yīng)用也顯示出獨特的技術(shù)優(yōu)勢。液阻式的軟起動裝置易被環(huán)境溫度影響，使得起動電流不能得到精確控制。本文詳細講述了軟起動控制器的硬件電路結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用 PID 控制算法設(shè)計。 借助于等效電路的分析方法， 在分析電動機內(nèi)部電磁關(guān)系和電動勢的基礎(chǔ)上，對電機進行繞組歸算和頻率歸算。因此 電動機一般不允許直接起動。定子繞組接成 Y 連接后，各相繞組的相電壓為 △連接時的 ，故 Y/△ 起動時起動電流及起動轉(zhuǎn)矩均下降為直接起動時的。所以無過電流現(xiàn)象，且起動轉(zhuǎn)矩也大，具倍極佳的起動性能。它的阻值正比于相對的二塊電極板的距離，反比于電解液的電導(dǎo)率，極板距離和電導(dǎo)率都便于控制。可變電抗軟起動和晶閘管串聯(lián)軟起動兩者都是相控，都有產(chǎn)生諧波的情況。但這種起動方式具有難以確定起動壓降，不能充分利用壓降空間，損失起動轉(zhuǎn)矩，起動時間較長的缺點，主要是應(yīng)用于載起動的場合。電壓斜坡軟起動曲線，如圖 所示。不同的是前者在電機起動的瞬間轉(zhuǎn)矩多了突跳功能，目的就是為了克服電機起動伊始由負載帶來的較大靜阻力矩，然后轉(zhuǎn)矩線性平滑上升，完成起動。為了保證在電路起始工作時能使兩 個晶閘管同時導(dǎo)通，以及在感性負載與控制角較小時仍能保證不同相的兩個晶閘管同時導(dǎo)通，要求采用能夠產(chǎn)生大于的寬脈沖或雙窄脈沖的觸發(fā)電路。因此，改變晶閘管觸發(fā)角 的同時也要兼顧功率因數(shù)角的變化情況。 晶閘管軟起動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖 所示。由于晶閘管過流過壓能力很差，因此必須采取可靠的保護措施。第 3 章 軟起動器硬件設(shè)計 14 本系統(tǒng)采用高速光耦設(shè)計同步電路。最后經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換器以數(shù)字信號的形式送到單片機處理顯示。 脈沖觸發(fā)驅(qū)動電路 在整個軟起動過程中，晶閘管驅(qū)動電路的功能是將單片機在指定時刻送來的信號轉(zhuǎn)化成為滿足晶閘管所需要的觸發(fā)信號。電感性負載脈寬不應(yīng)小于 100us，與負載功率因數(shù)有關(guān)，一般用到 1ms，相當(dāng)于 50Hz正弦波 18176。 顯示電路采用 LCD 液晶顯示器，其具有體積小、外形薄、重量輕、耗能小、工作電壓低、無輻射，特別是視域?qū)?、顯示信息量大等優(yōu)點。 主程序流程圖如圖 所示： 圖 控制系統(tǒng)的主流程圖 系統(tǒng)檢 測 故 障？ 參數(shù)的輸入域顯示 啟動？ 開相應(yīng)中斷 故障？ 發(fā)觸發(fā)脈沖 啟動完成 吸合旁路接觸器 結(jié)束 輸出故障信息 Y N Y N 初始化 第 4 章 軟起動器控制軟件設(shè)計 19 脈沖觸發(fā)程序 用單片機產(chǎn)生晶閘管觸發(fā)脈沖后經(jīng)晶閘管驅(qū)動電路，當(dāng)驅(qū)動電流達到晶閘管驅(qū)動電流后，晶閘管開通。電角度對應(yīng)時間，關(guān)定時器 1 中斷 計算觸發(fā)角 依次發(fā)觸發(fā)脈沖信號，同時向前補發(fā)一個脈沖，即g1(g6)， g2(g1)， g3(g2)，g4(g3)， g5(g4)， g6(g5)，每發(fā)一個觸發(fā)信號延時60176。字符型 LCD1602 通常有 14 條引腳線或 16 條引腳線，多出來的 2 條線是背光電源線 VCC(15 腳 )和 GND(16 腳 )。其起動過程控制程序流程圖如圖 所示。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展， PID 控制技術(shù)也在不斷的完善。它加快了系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)整時間，從而改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。 從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來考慮， P、 I、 D 參數(shù)的作用如下： (1) 比例系數(shù)的作用是加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。 第 6 章 軟起動控制系統(tǒng)的 Matlab/simulink 仿真 25 第 6 章 軟起動控制系統(tǒng)的 Matlab/simulink 仿真 軟起動主要環(huán)節(jié)仿真模型 系統(tǒng)試驗是系統(tǒng)設(shè)計中一個重要的環(huán)節(jié)，試驗成功與否意味著系統(tǒng)設(shè)計成功與否，試驗效果體現(xiàn)著系統(tǒng)性能 系統(tǒng)仿真采用 Matlab 及其工具箱 simulink。 圖 三相交流電源模塊及其參數(shù)設(shè)置 第 6 章 軟起動控制系統(tǒng)的 Matlab/simulink 仿真 26 (1) 三相交流電壓源 三相交流電源模塊 由三個單相交流電壓源按星形鏈接構(gòu)成，雙擊模塊即可設(shè)置各相電壓的幅值、頻率和相位等量。該模塊及脈沖觸發(fā)模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 異步電機模塊及其參數(shù)設(shè)置 第 6 章 軟起動控制系統(tǒng)的 Matlab/simulink 仿真 28 (5)