【導讀】導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致。含我為獲得及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。明并表示了謝意。以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績热?。

　　

【正文】 便。本系統(tǒng)采用晶閘管相控調壓的技術，采用圖 31 所示的主電路， 用六個兩兩反向并聯(lián)的晶閘管串連在電機主供電回路中。 XX 大學 XX 學院畢 業(yè)設計（論文） 21 圖 34 交流調壓主電路 晶閘管相控調壓原理 晶閘管調壓單相等效電路如圖 35 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 2 siniU U wt? 。 圖 35 晶閘管單相調壓電路 圖 晶閘管輸出電壓波形 圖 35 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 u?？捎墒剑?31)計算： ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?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????? ? ? ? ? ? ??????????? ? ? ? ? ??? 公式 (31) 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。 主回路設計 XX 大學 XX 學院畢 業(yè)設計（論文） 22 主回路電路 軟起動器主回路設計電路如圖 37 所示。 M3~UVWRTS 圖 37 主回路電路 采用三組反并聯(lián)晶閘管組成調壓電路。在三 組晶閘管和三相供電電源之間接入接觸器，軟起動時，接觸器斷開，軟起動完成后接觸器閉合。軟停車開始時，接觸器再次打到雙向晶閘管端，軟起動器投入到停車運行，如此重復來完成軟起動和軟停車。在三相電源側通過隔離電路得到軟起動器同步信號；在晶閘管輸出側即 R、 S、 T 通過電阻分壓而得到較低幅值的三相電壓，再經(jīng)過整流電路送入單片機做故障檢測。而 TAl， TA2年 TA3 表示為霍爾傳感器電流輸出，該電流信號通過整流電路后轉變成電壓信號輸入到控制回路 [5]。 晶閘管參數(shù)選擇 晶閘管的選擇參數(shù)很多，但用于應用于軟起動時，主 要是額定電壓、額定電流的計算與選擇。晶閘管由于過電流過電壓能力低，又常常工作在不同的電流波形情況下，給額定電流的選擇帶來一定的困難，如若額定值選擇不當，會造成不必要的損失或浪費。根據(jù)實際工作條件，在滿足需要的前提下，應盡量降低晶閘管的定額，以減少設備投資。需滿足兩個條件。 首先，晶閘管的正、反向峰值電壓 UDRM 和 URRM 應為晶閘管實際承受最大峰值電壓UM 的 2～ 3 倍，即 UDRM/RRM=(2～ 3)UM。在本文設計中電機為 220V 的三步電動機，根據(jù)公式計算可得晶閘管耐壓在 622V~ 933V范圍內。 XX 大學 XX 學院畢 業(yè)設計（論文） 23 其次，晶閘管的額定通態(tài)電流 ITAV指的是工頻正弦半波平均值，其對應的有效值應滿足 IRMS=1． 57ITAV。為使晶閘管在工作過程中不因實際有效值應在乘以安全系數(shù) 1． 5～2 后才能等于 ITAV。 本文中使用的異步電機功率 4KW， 額 定電流 0． 55A。由于異步電機在直接起動時的電流為 6～ 7 倍的額定電流。因此晶閘管的 ITAV范圍在 3． 3A～3． 85A。 晶閘管觸發(fā)電路 本設計觸發(fā)電路原理是首先用同步變壓器對電網(wǎng)電壓進行采樣并降壓，之后輸入KJ004 用來產(chǎn)生單 脈沖，通過調節(jié)分壓電阻可以實現(xiàn)對單脈沖占空比的調節(jié)，通過模擬開關 4066來實現(xiàn)對 KJ004寬窄脈沖模式的 變 換，使 KJ004輸出寬脈沖或者窄脈沖， KJ042則產(chǎn)生高頻調制波對 KJ004 輸出的寬脈沖或窄脈沖進行高頻調制，使其輸出寬窄脈沖列，當 KJ004 處于寬脈沖方式時， KJ004 輸出直接加到驅動電路，而 KJ004 處于窄脈沖方式時單脈沖 (3 片 KJ004 產(chǎn)生 6 路 )輸入到 KJ041 合成雙脈沖，每組雙脈沖相位相差60176。 ，用于觸發(fā)整流橋電路。 如 圖 38 為同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路，其輸出可為雙窄脈沖（適用于有兩個晶閘管 同時導通的電路），也可為單窄脈沖。電路結包括三個基本環(huán)節(jié)：脈沖的形成與放大、鋸齒波的形成和脈沖移相、同步環(huán)節(jié) [6]。此外，還有強觸發(fā)和雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)。 XX 大學 XX 學院畢 業(yè)設計（論文） 24 1 6163。 171。 1 5 VR1R2V D1R3AV D2BR4V4V5V D3R6V D4V6R71 1 1 2C2R2 6V7V1V287RuVV35C3R5V DW 1R8V D6V D8R9V8V D7V DW 2V DW 3R1 2V9V1 0V1 11R1 0V1 51 5V1 4R1 1V1 3V D5V D9V DW 5V1 2R1 3V DW 41 41 3943163。 1 5 VC1R2 2R2 4R2 5R2 3C4RWR移 相 電 壓（ + ）偏 移 電 壓 （ ） 圖 38 脈沖發(fā)生電路 圖 脈沖形成環(huán)節(jié) V V5 —— 脈沖形成 V V8 —— 脈沖放大 控制電壓 uco加在 V4基極上。 uco=0 時， V4截止。 V5飽和導通。 V V8處于截止狀態(tài)，無脈沖輸出。電容 C3充電，充滿后電容兩端電壓接近 2E1(30V)時， V4導通， A點電位由 +E1(+15V) 下降到 左右， V5基極電位下降約 2E1(30V)， V5立即截止。V5集電極電壓由 E1(15V) 上升為 +， V V8導通，輸出觸發(fā)脈沖。電容 C3放電和反向充電，使 V5基極電位上升，直到 ub5E1(15V)， V5又重新導通。使 V V8截止，輸出脈沖終止。脈沖前沿由 V4 導通時刻確定，脈沖寬度與反向充電回路時間常數(shù) R11C3有關。電路的觸發(fā)脈沖由脈沖變壓器 TP 二次側輸出，其一次繞組接在 V8集電極電路中。 鋸齒波的形成和脈沖移相環(huán)節(jié) XX 大學 XX 學院畢 業(yè)設計（論文） 25 鋸齒波電壓形成 的方案較多，如采用自舉式電路、恒流源電路等。鋸齒波電路由V V V3和 C2等元件組成， V VS、 RP2和 R3為一恒流源電路。鋸齒波是由開關V2管來控制的。 V2截止時，恒流源電流 I1c 對電容 C2充電， 調節(jié) RP2，即改變 C2的恒定充電電流I1c，可見 RP2是用來調節(jié)鋸齒波斜率的。 V2導通時，因 R4很小故 C2迅速放電， ub3電位迅速降到零伏附近。 V2周期性地通斷， ub3便形成一鋸齒波，同樣 ue3也是一個鋸齒波。射極跟隨器 V3的作用是減小控制回路電流對鋸齒波電壓 ub3的影響。 V4基極電位由鋸齒波電壓、控 制電壓 uco、直流偏移電壓 up 三者作用的疊加所定。如果 uco=0， up 為負值時， b4點的波形由 uh+up 確定。當 uco為正值時， b4點的波形由 uh+up + uco確定。 M 點是 V4由截止到導通的轉折點，也就是脈沖的前沿。加 up 的目的是為了確定控制電壓 uco=0 時脈沖的初始相位。 在三相全控橋電路中，接感性負載電流連續(xù)時，脈沖初始相位應定在 a=90176。；如果是可逆系統(tǒng)，需要在整流和逆變狀態(tài)下工作，要求脈沖的移相范圍理論上為 180176。（由于考慮 amin 和 βmin，實際一般為 120176。），由于鋸齒波波形兩端的非線性， 因而要求鋸齒波的寬度大于 180176。，例如 240176。，此時，令 uco=0，調節(jié) up 的大小使產(chǎn)生脈沖的 M 點移至鋸齒波 240176。的中央（ 120176。處），相應于 a=90176。的位置。 如 uco為正值， M 點就向前移，控制角 a90176。，晶閘管電路處于整流工作狀態(tài)。 如 uco為負值， M 點就向后移，控制角 a90176。，晶閘管電路處于逆變狀態(tài)。 同步環(huán)節(jié) 同步指要求觸發(fā)脈沖的頻率與主電路電源的頻率相同且相位關系確定。 V2開關的頻率就是鋸齒波的頻率，由同步變壓器所接的交流電壓決定。 V2由導通變截止期間產(chǎn)生鋸齒波，鋸齒波起點基本就是同步 電壓由正變負的過零點。 V2截止狀態(tài)持續(xù)的時間就是鋸齒波的寬度，其大小取決于充電時間常數(shù) R1C1。 雙窄脈沖形成環(huán)節(jié) 內雙脈沖電路由 V V6構成 “或 ”門。當 V V6都導通時， V V8都截止，沒有脈沖輸出，只要 V V6有一個截止，都會使 V V8導通，有脈沖輸出。第一個脈沖由本相觸發(fā)單元的 uco對應的控制角 a 產(chǎn)生。隔 60176。的第二個脈沖是由滯后 60176。相位的后一相觸發(fā)單元產(chǎn)生（通過 V6） 。 晶閘管觸發(fā)電路總圖如圖 39 所示 。 直流電源 同步電源輸入 KJ004 產(chǎn)生單脈沖 KJ042 產(chǎn)生脈沖調 4066 模擬開關實現(xiàn)寬窄切換 脈沖放大驅動 寬脈沖列 XX 大學 XX 學院畢 業(yè)設計（論文） 26 圖 39 觸發(fā)電路 框 圖 晶 閘管保護電路 晶閘管由于擊穿電壓接近工作電壓，熱容量又較小，所以承受過電壓、過電流能力較差，短時間內的過電壓、過電流都可能造成元件損壞。為了使晶閘管能正常工作，除了合理的選擇元件外，還必須對過電流，過電壓的發(fā)生采取保護措施。 (1)過電流保護 晶閘管設備發(fā)生過電流有可能 是 晶閘管損毀、觸發(fā)電路或控制系統(tǒng)有故障等。針對這些 情況，除了 用 軟件 來實現(xiàn) 保護外， 還可以在硬件電路中 加入快速熔斷器來保護晶閘管的過電流。 (2)過電壓保護 我們知道晶閘管有一個重要的特性參數(shù)，即斷態(tài)電壓臨界上升率 du/dt。它表明晶閘管在額定結溫和門極斷路條 件下，使晶閘管從斷態(tài)轉入通態(tài)的最低電壓上升率。若電壓上升 率 過大，超過了晶閘管的電壓上升率的值，則會在無門極信號的情況下開通。即使此時加于晶閘管的正向電壓低于其陽極峰值電壓，也可能 出現(xiàn) 這種情況 [7]。 為了限制電路電壓上升率過大，確保晶閘管安全運行，本 設計 在晶閘管兩端并聯(lián)RC 阻容吸收網(wǎng)絡，利用電容兩端電壓不能突變的特性來限制電壓上升率。如圖 37 中所示。因為電路總是存在電感的，所以與電容 C 串聯(lián)電阻 R 可起阻尼作用，它可以防止 R、 L、 C 電路在過渡過程中，因振蕩在電容器兩端出現(xiàn)的過電壓損壞晶閘管。同時，避免電容器通 過晶閘管放電電流過大，造成過電流而損壞晶閘管。 電壓檢測回路 在電壓檢測回路中， 盡量 實現(xiàn) 以下 三個功能。其一是同步信號的檢測功能，采樣三相電壓的自然換相點，它作為晶閘管脈沖觸發(fā)信號的同步信號；其二是通過檢測晶 閘管輸出端可以得到晶閘管導通時刻的檢測，以便做電壓反饋和缺相故障檢測；其三是將三XX 大學 XX 學院畢 業(yè)設計（論文） 27 相晶閘管輸出電壓信號通過電阻降壓后轉變成直流信號，再經(jīng) A/D 轉換后送入到單片機中，作為過壓或欠壓保護 的 信號。 同步信號檢測 為 了 保證三相交流調壓器主回路中各個晶閘管的觸發(fā)脈沖與其陽極電壓保持嚴格的相位關系。 在電機軟起動器的設計過程中，同步信號檢測是很重要的一個環(huán)節(jié)。只有準確的測量出電壓的過零點，才能精確的控制晶閘管的導通角，從而實現(xiàn)對電機兩端電壓的無極加載，完成軟起動的功能。采用如圖 310 所示的電路作為電壓同步信號檢測電路 [8]。從圖中可以看出，這個電路的功能就是將由電源側來的線電壓正弦信號轉為低壓方波信號 來 供單片機進行處理分析。由于這里的信號是從高壓轉為低壓送入單片機處理的，因此要利用一塊光耦對高低壓信號進行隔離，這樣保證了這兩種信號可以互不干擾地分離處理。整個工作過程大 體 是這樣的：由電源側來的線電壓信號 經(jīng)過 2 個電阻和1 個二極管，變成半波交流信號，這個交流信號在 正半波時觸發(fā)光耦導通，從而使得右側輸入到單片機的是高電平信號；而當光耦左側交流信號處于低電平時，光耦則截止。那么右側輸入到單片機的信號也就是低電平。這樣周而復始，單片機所得到的就是幅值為 5V 的方波信號，周期等同于電源的周期即工頻 50Hz，而高低電平持續(xù)的時間也基本與電源側 正 負交流信號所持續(xù)的時間大致相同，雖然其 間 存在著一定的時延，但 這 可以通過軟件進行補償，從而既簡化了外圍硬件電路的設計，又得到了與電源電壓同步的信號，為下面給出晶閘管觸發(fā)信號提供了工作 電壓零點的基準。圖中 右端接 主控單片機芯片 。這個電路的優(yōu)點在于：一方面，在起動未開始或是開始瞬間，這個電路就可以檢測到器件電壓零點；另外，由于輸入的交流信號是直接從電源側獲取的，因此這就不需要像其他電路那樣需要先利用變壓器取得交流信號再進