【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 圖 定子串電阻原理圖 啟動(dòng)時(shí)，先閉合開(kāi)關(guān) K K2，讓電機(jī)定子串入電阻，降低起動(dòng)電流。待到電機(jī)起動(dòng)完后，切斷 K2，閉合 K3，使電阻短路，電機(jī)進(jìn)入正常工作狀態(tài) 。 啟動(dòng)用電阻一般采用 ZXZX2系列鑄鐵電阻，其阻值小、功率大，可允許通過(guò)較大的電流。 軟啟動(dòng)器的基本原理 軟啟動(dòng) 軟起動(dòng)器是一種用來(lái)控制交流異步電動(dòng)機(jī)的新設(shè)備，它是集電機(jī)軟起動(dòng)、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護(hù)功能于一體的新穎電機(jī)控制裝置，國(guó)外稱為 Soft Starter。軟起動(dòng)器的主要構(gòu)成是串接于電源與被控電機(jī)之間的三相反并聯(lián)晶閘管及其電子控制電路。運(yùn)用不同的方法，控制三相反并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通角，使被控電機(jī)的輸入電壓按不同的要求而變化，就可實(shí)現(xiàn)不同的功能。 軟起動(dòng)的主要構(gòu)成是串接于電源與被控電機(jī)之間的三相反并聯(lián)閘管及其電子控制電路。運(yùn)用不同的方法，控制三相反并聯(lián)閘管的導(dǎo)通角，使被控電機(jī)的輸入電壓按不同的要求而變化，就可實(shí)現(xiàn)不同的功能。電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器是運(yùn)用串接于電源與被控電機(jī)之間的軟起動(dòng)器，控制其內(nèi)部晶閘管的導(dǎo)通角，使電機(jī)輸入電壓從零以預(yù)設(shè)函數(shù)關(guān)系逐漸上升，直至起動(dòng)結(jié)束，賦予電機(jī)全電壓，即為軟起動(dòng)，在軟起動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩逐漸增加，轉(zhuǎn)速也逐漸增加。當(dāng)然減小異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流大小可以通過(guò)降低定子電壓或者增大電阻和漏抗來(lái)實(shí)現(xiàn)。于是就有降壓起動(dòng)，串電抗起動(dòng)和電阻調(diào) 節(jié)等起動(dòng)方法。其中鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)因轉(zhuǎn)子回路無(wú)法外接附加電阻，考慮到運(yùn)行效率，也不宜設(shè)計(jì)成有較大的轉(zhuǎn)子電阻，所以對(duì)于不需要很大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的機(jī)械負(fù)載，可用降壓起動(dòng)方法。 軟啟動(dòng)器按起動(dòng)方式又分：限流起動(dòng)、電壓斜坡起動(dòng)、轉(zhuǎn)矩控制啟動(dòng)、轉(zhuǎn)矩突跳控制起動(dòng)。 限流起動(dòng) 限流起動(dòng)就是在電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程中限制其起動(dòng)電流不超過(guò)某一設(shè)定值 Im的軟起動(dòng)方式，起動(dòng)波形如圖 所示。主要用于輕載起動(dòng)的降壓起動(dòng)，其輸出電壓從零開(kāi)始迅速增長(zhǎng)，直到其輸出電流達(dá)到預(yù)先設(shè)定的電流限值 Im，然后保持輸出電流不大于該值的條件 下逐漸升高電壓，直到額定電壓。這種起動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)電流小，且可按需要調(diào)整起動(dòng)電流的限定值 Im。其缺點(diǎn)是在起動(dòng)時(shí)難以知道起動(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)間相對(duì)較長(zhǎng)。該方法應(yīng)用較多，適用于風(fēng)機(jī)，泵類負(fù)載。 圖 限流起動(dòng)波形 電壓斜坡起動(dòng) 輸出 電壓由小到大斜坡線性上升，將傳統(tǒng)的有級(jí)降壓起動(dòng)變?yōu)闊o(wú)級(jí)，主要用在重載起動(dòng)。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。改進(jìn)的方法是采用雙斜坡起動(dòng)，如圖 所示。輸出電壓先迅速升至 U(U，為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)所需的最小轉(zhuǎn)矩所對(duì)應(yīng)的電壓值 )，然后按設(shè)定的斜率逐漸升高電壓。直至達(dá)到額定電壓，初始電壓和電壓上升率可根據(jù)負(fù)載特性調(diào)整。在加速斜坡時(shí)同期聞，電動(dòng)機(jī)電壓逐漸增加，加速斜坡時(shí)間在一定時(shí)間范圍內(nèi)可調(diào)整，加速斜坡時(shí)間一般在 2～ 60 秒之間。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)。 圖 電壓斜坡起動(dòng) 轉(zhuǎn)矩控制起動(dòng) 主要用于重載起動(dòng)，如圖 所示。它是按照電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩線性上升的規(guī)律控制輸出電壓。其優(yōu)點(diǎn)是起動(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，使最優(yōu)的重載起動(dòng)方式。其缺點(diǎn)就是起動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。 圖 圖轉(zhuǎn)矩控制起動(dòng)波形 轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動(dòng) 轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動(dòng)與轉(zhuǎn)矩控制起動(dòng)一樣，也是用在重載起動(dòng)的場(chǎng)合。所不同的是在起動(dòng)的瞬 間用突跳轉(zhuǎn)矩，克服拖動(dòng)系統(tǒng)的靜轉(zhuǎn)矩，然后轉(zhuǎn)矩平滑上升，可縮短起動(dòng)時(shí)間。但是，突跳會(huì)給電網(wǎng)發(fā)送尖脈沖，干擾其他負(fù)荷。轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動(dòng)如圖 所示。 圖 轉(zhuǎn)矩突跳起動(dòng)波形圖 晶閘管簡(jiǎn)介及其調(diào)壓原理 晶閘管的結(jié)構(gòu) 晶閘管內(nèi)部是 PNPN 四層半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，分別命名為 P N P N2四個(gè)區(qū)。 P1區(qū)引出陽(yáng)極 A， N2引出陰極 K， P2引出門極 G。四個(gè)區(qū)形成 J J J3三個(gè) PN 結(jié)。 如果正向電壓加到器件上，則 J2 處于反向偏置狀態(tài)，器件 A、 K 兩端之間處于阻斷狀態(tài)，只能 流過(guò)很小的漏電流；如果反向電壓加到器件上， J1 和 J3 反偏，該器件也處于阻斷狀態(tài)，僅有極小的漏電流通過(guò)。 晶閘管導(dǎo)通的工作原理可以用雙晶體管模型來(lái)解釋，如圖 ，將晶閘管看作由 PNP 和 NPN 構(gòu)成的兩個(gè)晶體管 V V2組合而成。如果外界向門極注入電流 IG，也就是注入驅(qū)動(dòng)電流，則 IG流入晶體管 V2 的基極，即產(chǎn)生集電極電流IC2，它構(gòu)成晶體管 V1和 V2進(jìn)入完全飽和狀態(tài)，即晶閘管導(dǎo)通。此時(shí)如果撤掉外電路注入門極的電流 IG，晶閘管由于內(nèi)部已形成清冽的正反饋會(huì)仍然維持導(dǎo)通狀態(tài)。而若使晶閘管關(guān)斷，必須除掉陽(yáng) 極所加的正向電壓，或者給陽(yáng)極施加反向電壓，或者設(shè)法流過(guò)晶閘管的電流降低到接近于零的某一數(shù)值下，晶閘管才關(guān)斷。所以，對(duì)晶閘管的驅(qū)動(dòng)過(guò)程更多的是稱為觸發(fā)，產(chǎn)生注入門極的觸發(fā)電流 IG 的電路稱為門極觸發(fā)電路。也正是由于其門極只能控制其開(kāi)通，不能控制其關(guān)斷，晶閘管又稱半控型器件。 圖 晶閘管工作原理圖 晶閘管的調(diào)壓原理 晶閘管的控制方式有兩種：一是相位控制，即通過(guò)控制晶閘管的導(dǎo)通角來(lái)調(diào)壓；二是周波控制，即把晶閘管作為靜止接觸器，交替的接通與切斷幾個(gè)周波的電源電壓 ，用改變接通時(shí)間與切斷時(shí)間之比來(lái)控制輸出電壓的有效值，從而達(dá)到調(diào)壓的目的。但周波控制用在異步電機(jī)定子上時(shí)，通斷交替的頻率不能太低，一方面會(huì)引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，另一方面每次接通電流就相當(dāng)于一次異步電動(dòng)機(jī)的重起動(dòng)過(guò)程。當(dāng)電源切斷時(shí)，電動(dòng)機(jī)氣隙中的磁場(chǎng)將由轉(zhuǎn)子中的瞬態(tài)電流來(lái)維持，并隨著轉(zhuǎn)子而旋轉(zhuǎn)，氣隙磁場(chǎng)在定子繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)頻率將有所變化，當(dāng)斷流時(shí)問(wèn)隔較長(zhǎng)時(shí)，這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在定子中感應(yīng)的電勢(shì)和重新接通時(shí)的電源電壓在相位上可能會(huì)有很大的差別，這樣就會(huì)出現(xiàn)較大的電流沖擊，可能危及晶閘管的安全。故在異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓 控制中，晶閘管調(diào)壓一般采用相位控制。采用相位控制時(shí)，輸出電壓波形已不是正弦波，經(jīng)分析可知，輸出電壓不含偶次諧波，奇次諧波中以三次諧波為主要成分。諧波在異步電機(jī)中會(huì)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)中可以知道，當(dāng)晶閘管交流調(diào)壓回路帶有感性負(fù)載時(shí)，只有當(dāng)移相角大于負(fù)載的功率因數(shù)角時(shí)，才能起到調(diào)壓的作用。當(dāng) a?? 時(shí)，電流導(dǎo)通的時(shí)間將始終保持在 180176。其情況與 0a??時(shí)一樣，相控不起任何調(diào)壓作用，甚至在晶閘管觸發(fā)脈沖不夠?qū)挼那闆r下，出現(xiàn)只有一個(gè)方向上的晶閘管工作，負(fù)載上出現(xiàn)直流分量，對(duì)晶閘管造成危害。為了保證晶閘管的安全，在使用相控晶閘管電路時(shí)采用寬脈沖觸發(fā)，移相范圍限制在 180a?? ? ? 。 主電路的選擇 本系統(tǒng)軟起動(dòng)器采用晶閘管調(diào)壓原理，通過(guò)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)的各種功能。本系統(tǒng)軟起動(dòng)器采用了三組反并聯(lián)晶閘管分別串聯(lián)在星形接法的電機(jī)三相定子線圈上，這種連接方式諧波比較少，調(diào)壓性能最為優(yōu)越，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠。 晶閘管調(diào)壓?jiǎn)蜗嗟刃щ娐啡鐖D 所示，其中 ZL 為電機(jī)一相等效阻抗，Ui為電網(wǎng)相電壓， UL為晶閘管輸出電壓。設(shè) 2 siniU U wt? 。 圖 晶閘管單相調(diào)壓電路 圖 晶閘管輸出電壓波形 圖 為一路晶閘管輸出波形示意圖。晶閘管控制角 ? 和功率因數(shù)角 ? 決定了晶閘管的輸出電壓值。晶閘管正負(fù)半周的觸發(fā)是對(duì)稱的，晶閘管的輸出電壓有效值 UL： ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?2201 2 si n 2 si n11 si n 2 si n 2 , ,2LU U w t d w t U w t d w tU f U????? ? ? ? ? ? ??????????? ? ? ? ? ??? 可見(jiàn)， UL 是晶閘管控制角 ? 、功率因數(shù)角 ? 及供電電壓 U 的函數(shù)。當(dāng)供電電壓不變時(shí)，通過(guò)改變晶閘管的控制角，可以改變晶閘管的輸出電壓。 第三章 基于 AT89C51 單片機(jī)軟啟動(dòng)器的硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)方案 該方案中用 AT89C51 單片機(jī)作為軟起動(dòng)器的控制核心，可實(shí)現(xiàn)其較復(fù)雜的I/O 控制算法。主回路采用三相平衡調(diào)壓式， 在電源與被控電機(jī)之間的串聯(lián) 3 對(duì)反向并聯(lián)的大功率晶閘管， 通過(guò)觸發(fā)信號(hào)控制晶閘管觸發(fā)角的大小來(lái)改變其導(dǎo)通程度，由此控制電機(jī)三相定子繞組上的電壓從零逐漸平滑地升至額定電壓。另外，利用 3 個(gè)霍爾傳感器來(lái)完成三相定子的電流檢測(cè)。在起動(dòng)過(guò)程中，電流檢測(cè)裝置檢測(cè)三相定子電流并送入單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算和判斷，當(dāng)起動(dòng)電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)， 軟件控制升壓停止，直到起動(dòng)電流下降到低于設(shè)定值時(shí)，才使電機(jī)繼續(xù)升壓起動(dòng)；若三相起動(dòng)電流不平衡并超過(guò)規(guī)定范圍，則停止起動(dòng)。由電機(jī)理論可知，當(dāng)電機(jī)的輸入電源頻率不變時(shí)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與輸入電壓的平方成正比。因此，軟起動(dòng)不僅使電機(jī)定子電壓連續(xù)平滑地增加，實(shí)現(xiàn)了升壓限流起動(dòng)，而且避免了電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的沖擊和不平穩(wěn)的現(xiàn)象。其系統(tǒng)的控制模塊框圖下圖所示： 圖 系統(tǒng)控制模塊結(jié)構(gòu)框圖 軟啟動(dòng)控制電路電路設(shè)計(jì) 同步信號(hào)電路 軟起動(dòng)器必須在一個(gè)電壓周期內(nèi)控制可控硅的導(dǎo)通角，即通過(guò)確定電壓波形的過(guò)零點(diǎn)，延時(shí)一段時(shí)間后輸出觸發(fā)信號(hào)來(lái)控制其導(dǎo)通角。電壓波形的過(guò)零點(diǎn)通過(guò)同步信號(hào)電路檢測(cè)獲得。所謂同步，就是通過(guò)供給各觸發(fā)單元不同相位的交流電壓，使得各觸發(fā)器分別在各晶閘管需要觸發(fā)脈沖的時(shí)刻輸出觸發(fā)脈沖，從而保證各晶閘管可以按順序獲得觸發(fā)。根據(jù)同步基準(zhǔn)的不同觸發(fā)方式分絕對(duì)觸發(fā)方式和相對(duì)觸發(fā)方式。所謂絕對(duì)觸發(fā)方式是指每一觸發(fā)脈沖的形成時(shí)刻 均由同步基準(zhǔn)決定，這在三相交流調(diào)壓電路中就需要有六個(gè)同步基準(zhǔn)交流電壓，需要一個(gè)專門的同步變壓器；而相對(duì)觸發(fā)方式僅需一個(gè)同步基準(zhǔn)，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)脈沖由同步基準(zhǔn)產(chǎn)生后，再以第一個(gè)觸發(fā)脈沖作下一個(gè)觸發(fā)脈沖的基準(zhǔn)，以此類推。本系統(tǒng)中，為減少外圍電路和簡(jiǎn)單化，使用的是相對(duì)觸發(fā)方式。 下圖是一種簡(jiǎn)單 的單相同步信號(hào)電路，線電壓 Uab 作為交流同步電壓，通過(guò)變壓器降壓后，經(jīng)過(guò)零比較器形成方波信號(hào)，方波信號(hào)送入 AT89C51 單片機(jī)的 引腳正跳變產(chǎn)生外部中斷。 R R和 C1起濾波作用和限制流過(guò)二極管的電流。 D D2的作用是 限幅比較器的差模輸入信號(hào)以保護(hù)比較器。 R3 是上拉電阻， C2 是去耦電容。由于所形成的方波信號(hào)的上跳沿超前于的基準(zhǔn) 30176。，所以以線電壓 Uab作同步電壓時(shí)就有 30176。的相位差，這在軟件設(shè)計(jì)中要予以考慮并進(jìn)行調(diào)整。