【正文】 3 稿（ 4 月份）： 30 學(xué)時(shí) 。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。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，完成包括軟停車在內(nèi)的各種起動(dòng)功能。 (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。在此電流的作用下，電動(dòng)機(jī)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(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。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(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。 (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(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。典型的 PID 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 所示。 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，能夠滿足一般生產(chǎn)過(guò)程的要求。延時(shí)觸發(fā)定時(shí)器 0 中斷，進(jìn)入脈沖觸發(fā)程序。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。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。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(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。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。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。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。VT VT VT2 觸發(fā)相序又分別滯后 VT VT VT5 180176。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。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。又 ，故可以通過(guò)改變 來(lái)實(shí)現(xiàn)晶閘管的調(diào)壓目的。 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(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。它的缺點(diǎn)是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，且轉(zhuǎn)矩特性呈拋物線型上升，對(duì)起動(dòng)不利，起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)電動(dòng)機(jī)不利。 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。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。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。 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。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。 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(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。 上述軟啟動(dòng)方式各有千秋。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。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。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。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。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。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。 22 軟起動(dòng)控制策略 21 第 5 章 軟起動(dòng)控制器控制算法 20 第 1 章 緒論 LCD 液晶顯示驅(qū)動(dòng)程序 18 晶閘管脈沖觸發(fā)程序 15 脈沖觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路 14 電流檢測(cè)電路 1 課題概述 Ⅱ 第 1 章 緒 論 本文以 STC89C52RC 單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)了軟起動(dòng)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(cè)電路、 LCD 人機(jī)界面等；在軟件設(shè)計(jì)上，進(jìn)行了軟起動(dòng)控制軟件設(shè)計(jì)，包括控制流程和各重要部分程序設(shè)計(jì)；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(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。它在大功率電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)控制電機(jī)的電流，避免直接起動(dòng)中起動(dòng)電流和沖擊力對(duì)電機(jī)自身、電機(jī)負(fù)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(dá)到起動(dòng)和保護(hù)設(shè)備的作用。 1 課題研究背景 13 電壓檢測(cè)電路 13 電壓反饋電路 21 軟起動(dòng)過(guò)程控制程序 據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)耗電量占全國(guó)總發(fā)電量的 30%以上，而在西方發(fā)達(dá)的工業(yè)化國(guó)家，其消耗量更是多達(dá)約 70%。但其起動(dòng)電流很大，一般為電機(jī)額定電流的 倍，嚴(yán)重時(shí)可能達(dá)到十倍以上。為此，軟起動(dòng)器的研究有特大的現(xiàn)實(shí)意義和突出的經(jīng)濟(jì)效益。 本文研究?jī)?nèi)容是基于單片機(jī)的軟起動(dòng)控制器。在需兼?zhèn)湔{(diào)速要求時(shí)，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(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。液阻式的軟起動(dòng)裝置易被環(huán)境溫度影響，使得起動(dòng)電流不能得到精確控制。本文詳細(xì)講述了軟起動(dòng)控制器的硬件電路結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用 PID 控制算法設(shè)計(jì)。 借助于等效電路的分析方法， 在分析電動(dòng)機(jī)內(nèi)部電磁關(guān)系和電動(dòng)勢(shì)的基礎(chǔ)上，對(duì)電機(jī)進(jìn)行繞組歸算和頻率歸算。因此 電動(dòng)機(jī)一般不允許直接起動(dòng)。定子繞組接成 Y 連接后，各相繞組的相電壓為 △連接時(shí)的 ，故 Y/△ 起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流及起動(dòng)轉(zhuǎn)矩均下降為直接起動(dòng)時(shí)的。所以無(wú)過(guò)電流現(xiàn)象，且起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也大，具倍極佳的起動(dòng)性能。它的阻值正比于相對(duì)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?？勺冸娍管浧饎?dòng)和晶閘管串聯(lián)軟起動(dòng)兩者都是相控，都有產(chǎn)生諧波的情況。但這種起動(dòng)方式具有難以確定起動(dòng)壓降，不能充分利用壓降空間，損失起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，起動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)的缺點(diǎn)，主要是應(yīng)用于載起動(dòng)的場(chǎng)合。電壓斜坡軟起動(dòng)曲線，如圖 所示。不同的是前者在電機(jī)起動(dòng)的瞬間轉(zhuǎn)矩多了突跳功能，目的就是為了克服電機(jī)起動(dòng)伊始由負(fù)載帶來(lái)的較大靜阻力矩，然后轉(zhuǎn)矩線性平滑上升，完成起動(dòng)。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)載與控制角較小時(shí)仍能保證不同相的兩個(gè)晶閘管同時(shí)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(shí)也要兼顧功率因數(shù)角的變化情況。 晶閘管軟起動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖 所示。由于晶閘管過(guò)流過(guò)壓能力很差，因此必須采取可靠的保護(hù)措施。第 3 章 軟起動(dòng)器硬件設(shè)計(jì) 14 本系統(tǒng)采用高速光耦設(shè)計(jì)同步電路。最后經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換器以數(shù)字信號(hào)的形式送到單片機(jī)處理顯示。 脈沖觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路 在整個(gè)軟起動(dòng)過(guò)程中，晶閘管驅(qū)動(dòng)電路的功能是將單片機(jī)在指定時(shí)刻送來(lái)的信號(hào)轉(zhuǎn)化成為滿足晶閘管所需要的觸發(fā)信號(hào)。電感性負(fù)載脈寬不應(yīng)小于 100us，與負(fù)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(wú)輻射，特別是視域?qū)?、顯示信息量大等優(yōu)點(diǎn)。 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(cè) 故 障？ 參數(shù)的輸入域顯示 啟動(dòng)？ 開(kāi)相應(yīng)中斷 故障？ 發(fā)觸發(fā)脈沖 啟動(dòng)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(dòng)器控制軟件設(shè)計(jì) 19 脈沖觸發(fā)程序 用單片機(jī)產(chǎn)生晶閘管觸發(fā)脈沖后經(jīng)晶閘管驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到晶閘管驅(qū)動(dòng)電流后，晶閘管開(kāi)通。電角度對(duì)應(yīng)時(shí)間，關(guān)定時(shí)器 1 中斷 計(jì)算觸發(fā)角 依次發(fā)觸發(fā)脈沖信號(hào)，同時(shí)向前補(bǔ)發(fā)一個(gè)脈沖，即g1(g6)， g2(g1)， g3(g2)，g4(g3)， g5(g4)， g6(g5)，每發(fā)一個(gè)觸發(fā)信號(hào)延時(shí)60176。字符型 LCD1602 通常有 14 條引腳線或 16 條引腳線，多出來(lái)的 2 條線是背光電源線 VCC(15 腳 )和 GND(16 腳 )。其起動(dòng)過(guò)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(dòng)作速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善了系統(tǒng)的動(dòng)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(lái)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(dòng)控制系統(tǒng)的 Matlab/simulink 仿真 25 第 6 章 軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的 Matlab/simulink 仿真 軟起動(dòng)主要環(huán)節(jié)仿真模型 系統(tǒng)試驗(yàn)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，試驗(yàn)成功與否意味著系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功與否，試驗(yàn)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(dòng)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(gè)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(jī)模塊及其參數(shù)設(shè)置 第 6 章 軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的 Matlab/simulink 仿真 28 (5)