【文章內(nèi)容簡介】 圖 定子串電阻原理圖 啟動時，先閉合開關(guān) K K2，讓電機定子串入電阻，降低起動電流。待到電機起動完后，切斷 K2，閉合 K3，使電阻短路，電機進入正常工作狀態(tài) 。 啟動用電阻一般采用 ZXZX2系列鑄鐵電阻，其阻值小、功率大，可允許通過較大的電流。 軟啟動器的基本原理 軟啟動 軟起動器是一種用來控制交流異步電動機的新設(shè)備，它是集電機軟起動、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護功能于一體的新穎電機控制裝置，國外稱為 Soft Starter。軟起動器的主要構(gòu)成是串接于電源與被控電機之間的三相反并聯(lián)晶閘管及其電子控制電路。運用不同的方法，控制三相反并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通角，使被控電機的輸入電壓按不同的要求而變化，就可實現(xiàn)不同的功能。 軟起動的主要構(gòu)成是串接于電源與被控電機之間的三相反并聯(lián)閘管及其電子控制電路。運用不同的方法，控制三相反并聯(lián)閘管的導(dǎo)通角，使被控電機的輸入電壓按不同的要求而變化，就可實現(xiàn)不同的功能。電動機軟起動器是運用串接于電源與被控電機之間的軟起動器，控制其內(nèi)部晶閘管的導(dǎo)通角，使電機輸入電壓從零以預(yù)設(shè)函數(shù)關(guān)系逐漸上升，直至起動結(jié)束，賦予電機全電壓，即為軟起動，在軟起動過程中，電機起動轉(zhuǎn)矩逐漸增加，轉(zhuǎn)速也逐漸增加。當(dāng)然減小異步電動機起動電流大小可以通過降低定子電壓或者增大電阻和漏抗來實現(xiàn)。于是就有降壓起動，串電抗起動和電阻調(diào) 節(jié)等起動方法。其中鼠籠式異步電動機因轉(zhuǎn)子回路無法外接附加電阻，考慮到運行效率，也不宜設(shè)計成有較大的轉(zhuǎn)子電阻，所以對于不需要很大起動轉(zhuǎn)矩的機械負載，可用降壓起動方法。 軟啟動器按起動方式又分：限流起動、電壓斜坡起動、轉(zhuǎn)矩控制啟動、轉(zhuǎn)矩突跳控制起動。 限流起動 限流起動就是在電動機的起動過程中限制其起動電流不超過某一設(shè)定值 Im的軟起動方式，起動波形如圖 所示。主要用于輕載起動的降壓起動，其輸出電壓從零開始迅速增長，直到其輸出電流達到預(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。這種起動方式的優(yōu)點是起動電流小，且可按需要調(diào)整起動電流的限定值 Im。其缺點是在起動時難以知道起動壓降，不能充分利用壓降空間，損失起動轉(zhuǎn)矩，起動時間相對較長。該方法應(yīng)用較多，適用于風(fēng)機，泵類負載。 圖 限流起動波形 電壓斜坡起動 輸出 電壓由小到大斜坡線性上升，將傳統(tǒng)的有級降壓起動變?yōu)闊o級，主要用在重載起動。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。改進的方法是采用雙斜坡起動，如圖 所示。輸出電壓先迅速升至 U(U，為電動機起動所需的最小轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的電壓值 )，然后按設(shè)定的斜率逐漸升高電壓。直至達到額定電壓，初始電壓和電壓上升率可根據(jù)負載特性調(diào)整。在加速斜坡時同期聞，電動機電壓逐漸增加，加速斜坡時間在一定時間范圍內(nèi)可調(diào)整，加速斜坡時間一般在 2～ 60 秒之間。這種起動方式的特點是起動電流相對較 大，但起動時間相對較短，適用于重載起動的電動機。 圖 電壓斜坡起動 轉(zhuǎn)矩控制起動 主要用于重載起動，如圖 所示。它是按照電動機的起動轉(zhuǎn)矩線性上升的規(guī)律控制輸出電壓。其優(yōu)點是起動平滑、柔性好、對拖動系統(tǒng)有利，同時減少對電網(wǎng)的沖擊，使最優(yōu)的重載起動方式。其缺點就是起動時間較長。 圖 圖轉(zhuǎn)矩控制起動波形 轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動 轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動與轉(zhuǎn)矩控制起動一樣，也是用在重載起動的場合。所不同的是在起動的瞬 間用突跳轉(zhuǎn)矩，克服拖動系統(tǒng)的靜轉(zhuǎn)矩，然后轉(zhuǎn)矩平滑上升，可縮短起動時間。但是，突跳會給電網(wǎng)發(fā)送尖脈沖，干擾其他負荷。轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動如圖 所示。 圖 轉(zhuǎn)矩突跳起動波形圖 晶閘管簡介及其調(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 N2四個區(qū)。 P1區(qū)引出陽極 A， N2引出陰極 K， P2引出門極 G。四個區(qū)形成 J J J3三個 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。 晶閘管導(dǎo)通的工作原理可以用雙晶體管模型來解釋，如圖 ，將晶閘管看作由 PNP 和 NPN 構(gòu)成的兩個晶體管 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進入完全飽和狀態(tài)，即晶閘管導(dǎo)通。此時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仍然維持導(dǎo)通狀態(tài)。而若使晶閘管關(guān)斷，必須除掉陽 極所加的正向電壓，或者給陽極施加反向電壓，或者設(shè)法流過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，對晶閘管的驅(qū)動過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，即通過控制晶閘管的導(dǎo)通角來調(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周波的電源電壓 ，用改變接通時間與切斷時間之比來控制輸出電壓的有效值，從而達到調(diào)壓的目的。但周波控制用在異步電機定子上時，通斷交替的頻率不能太低，一方面會引起電動機轉(zhuǎn)速的波動，另一方面每次接通電流就相當(dāng)于一次異步電動機的重起動過程。當(dāng)電源切斷時，電動機氣隙中的磁場將由轉(zhuǎn)子中的瞬態(tài)電流來維持，并隨著轉(zhuǎn)子而旋轉(zhuǎn)，氣隙磁場在定子繞組中感應(yīng)的電動勢頻率將有所變化，當(dāng)斷流時問隔較長時，這個旋轉(zhuǎn)磁場在定子中感應(yīng)的電勢和重新接通時的電源電壓在相位上可能會有很大的差別，這樣就會出現(xiàn)較大的電流沖擊，可能危及晶閘管的安全。故在異步電動機的調(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，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。諧波在異步電機中會引起附加損耗，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動等不良影響。此外，由于異步電機是感性負載，從電力電子學(xué)中可以知道，當(dāng)晶閘管交流調(diào)壓回路帶有感性負載時，只有當(dāng)移相角大于負載的功率因數(shù)角時，才能起到調(diào)壓的作用。當(dāng) a?? 時，電流導(dǎo)通的時間將始終保持在 180176。其情況與 0a??時一樣，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)只有一個方向上的晶閘管工作，負載上出現(xiàn)直流分量，對晶閘管造成危害。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)軟起動器采用晶閘管調(diào)壓原理，通過調(diào)節(jié)電動機定子輸入端電壓的大小和相位實現(xiàn)軟起動的各種功能。本系統(tǒng)軟起動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)簡單、可靠。 晶閘管調(diào)壓單相等效電路如圖 所示，其中 ZL 為電機一相等效阻抗，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。晶閘管正負半周的觸發(fā)是對稱的，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， 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，通過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 單片機軟啟動器的硬件設(shè)計 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計方案 該方案中用 AT89C51 單片機作為軟起動器的控制核心，可實現(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， 在電源與被控電機之間的串聯(lián) 3 對反向并聯(lián)的大功率晶閘管， 通過觸發(fā)信號控制晶閘管觸發(fā)角的大小來改變其導(dǎo)通程度，由此控制電機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 個霍爾傳感器來完成三相定子的電流檢測。在起動過程中，電流檢測裝置檢測三相定子電流并送入單片機進行運算和判斷，當(dāng)起動電流超過設(shè)定值時， 軟件控制升壓停止，直到起動電流下降到低于設(shè)定值時，才使電機繼續(xù)升壓起動；若三相起動電流不平衡并超過規(guī)定范圍，則停止起動。由電機理論可知，當(dāng)電機的輸入電源頻率不變時，電機的輸出轉(zhuǎn)矩與輸入電壓的平方成正比。因此，軟起動不僅使電機定子電壓連續(xù)平滑地增加，實現(xiàn)了升壓限流起動，而且避免了電機起動轉(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 軟啟動控制電路電路設(shè)計 同步信號電路 軟起動器必須在一個電壓周期內(nèi)控制可控硅的導(dǎo)通角，即通過確定電壓波形的過零點，延時一段時間后輸出觸發(fā)信號來控制其導(dǎo)通角。電壓波形的過零點通過同步信號電路檢測獲得。所謂同步，就是通過供給各觸發(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)方式分絕對觸發(fā)方式和相對觸發(fā)方式。所謂絕對觸發(fā)方式是指每一觸發(fā)脈沖的形成時刻 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同步基準(zhǔn)交流電壓，需要一個專門的同步變壓器；而相對觸發(fā)方式僅需一個同步基準(zhǔn)，當(dāng)?shù)谝粋€脈沖由同步基準(zhǔn)產(chǎn)生后，再以第一個觸發(fā)脈沖作下一個觸發(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單化，使用的是相對觸發(fā)方式。 下圖是一種簡單 的單相同步信號電路，線電壓 Uab 作為交流同步電壓，通過變壓器降壓后，經(jīng)過零比較器形成方波信號，方波信號送入 AT89C51 單片機的 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二極管的電流。 D D2的作用是 限幅比較器的差模輸入信號以保護比較器。 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作同步電壓時就有 30176。的相位差，這在軟件設(shè)計中要予以考慮并進行調(diào)整。