【正文】 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。V 2 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(nèi)雙脈沖電路由 VV 6 構成“或” 門。當 VV 6 都導通時， VV 8 都截止，沒有脈沖輸出，只要 VV 6 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(diào)制列4066模擬開關實現(xiàn)寬窄切換脈沖放大驅動SCR寬脈沖列圖 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(nèi)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(diào)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行處理，這樣就既節(jié)省了線路板的空間，又節(jié)約了成本 [9]。UVR 1 1R 1 5R 1 3V D 5D 1 1+ 5 VT L P 5 2 1圖 310 同步信號檢測電路同時，可以利用圖 310 這個電路(以下稱為電路 I)和另一套與電路 I 基本相同的電路(以下稱為電路 II)配合，進行電源的相序判斷和缺相檢測。簡要介紹一下工作原理。電路 II 和電路 I 結構基本相同，存在的區(qū)別就是，假設電路 I 的輸入側連接電源的U、V 兩相，而電路 II 輸入側連接的就是電源的 V、W 兩相，且輸出信號是分別送入主控單片機芯片的外部中斷輸入口。 我們假設電路 I 接的是電源的 U、V 相，而電路 II 接的是 V、W 相，這樣在三相電源正常工作時，當 UV 線電壓發(fā)生正跳變(即從負半波轉為正半波)時，VW 線電壓為負，那么電路 II 送入 CPU 的信號就為低電平；當 UV 線電壓發(fā)生負跳變時，VW 線電壓為正，那么電路 II 送入 CPU 的信號是高電平(如果電路 II 接的是 W、V 相，那么兩次送入 CPU 的信號高低電平情況就相反)。同步信號示意圖如下ωtv圖 311 同步信號示意圖而當電源發(fā)生缺相故障時，UV 線電壓無論發(fā)生何種跳變時，VW 線電壓都同為正或同為負，這樣電路 II 送入單片機的信號將同為高電平或低電平。設置電路 I 接入單片機的 P3．2 引腳在信號每次跳變時都產(chǎn)生中斷，并在每次跳變中斷時記錄下電路 II接入單片機的 P3．3 引腳的狀態(tài)，通過兩次對比 P3．2 引腳的電平情況，從而判斷出所連入電路中三相電源的相序，為下一步產(chǎn)生正確的脈沖觸發(fā)信號序列奠定基礎。同時在電源缺相時，也能判斷出故障狀況，并封鎖脈沖信號及給出報警信號和顯示信息。 電壓反饋回路電壓反饋回路如圖 312 所示。下面的電路可以得到與晶閘管導通與關斷時刻相匹配的工頻 50Hz 的矩形波。簡單介紹一下電路構成：U 為三相電源的一個輸入端(即一組晶閘管輸入側) ，R 是與之相應的電機輸入端(即相應晶閘管輸出側)。6N139 是一塊高速達林頓光耦，既保證高壓側與單片機低壓部分的隔離，又能快速反應出晶閘管導通/截止的時刻。通過計算單片機 I/O 口的高低維持時間，我們就可以計算出晶閘管的導通角，作為輸出電壓反饋，同時可以檢測出電壓是否缺相，并發(fā)出報警信息，及時通知操作人員出現(xiàn)故障的某一相電源。圖 312 顯示的是一路電壓反饋的檢測，還有兩路與之相似的電路檢測 V、W 相。R 3 0整流 橋B R 123+ 1 5+ 1 5R 2 9R 2 8R 2 7U 3 6 N 1 3 9圖 312 電壓反饋回路 電壓過／欠保護電路當電機經(jīng)常處于過壓運行時，鐵損增加，效率降低。同時鐵損的增加，帶來鐵芯的溫升、電極的冷卻、絕緣層壽命的縮短以及金屬某些物理性質變壞等諸多問題，所以電機不能長時間地運行在過電壓狀態(tài)，因此在系統(tǒng)中加入過壓及欠壓保護節(jié)很有必要。在實際工作中，當輸入電壓超過 420V(即 l．1 倍額定電壓)時則認是過電壓，起動過電壓保護；而當輸入電壓低于 340V(即 0．9 倍額定電壓)時則認為是欠電壓，起動欠電壓保護 [11]。具體保護電路如圖 36 所示。過壓和欠壓比較器先設定一個適當?shù)闹?該值由過壓值 420V 和欠壓值 340V 轉換得來)，當采樣到的電壓一旦超過過壓值或者低于欠壓值時，馬上產(chǎn)生一個下降沿的中斷送到輔助單片機)中的外部中斷口 P3．2，迅速產(chǎn)生中斷使得程序立即封鎖晶閘管輸出脈沖，并發(fā)出過壓或欠壓報警信號。本設計采用硬件模擬比較產(chǎn)生中斷的方式，雖然它的精度比不上軟件數(shù)字式，但是硬件模擬比較具有響應速度快，反應靈敏的特點，這點在保護回路中具有很大的優(yōu)勢。另有一個缺點，本系統(tǒng)中由于單片機的外部中斷口僅有兩個，故過壓和欠壓都接到同一個外部中斷口。在發(fā)生過／欠壓報警后，需要操作人員簡單測試一下電機輸入側的電壓，以最終確定是過壓報警還是欠壓報警。+++ 5+ 5+ 5+ 5R 7 1R 7 2R 7 3R 7 4R 7 6R 7 7R 7 8R 7 9R 8 0R 8 1R 8 2R 7 5RST圖 313 電壓過／欠保護電路 電流檢測回路電流檢測回路包括了電流反饋回路和保護回路兩方面。通過霍爾傳感器將三相電流信號轉換成電壓信號，再將這個電壓信號經(jīng)過 A／D 轉換后送入到單片機中作為電流負反饋調(diào)節(jié)、故障檢測和過流保護的依據(jù)。 電流反饋回路電流反饋信號取自電機的定子側，采樣器件為霍爾元件，采樣后得到三相電流信號，將此電流信號經(jīng)過精密電阻得到相應的電壓信號。與電壓過/欠電路類似，該信號經(jīng)過三相全波整流、濾波和分壓后得到一個直流信號，并經(jīng)過 A/D 轉換后送入到單片機的 I/O 口中，作為系統(tǒng)執(zhí)行軟起動時的電流反饋信號。電流反饋信號檢測電路如圖314 所示。 U15 為單片機芯片。 +R 8 4R 8 3R 8 5RST+ 5R 8 8D 1 1D 1 2U 1 5圖 314 電流檢測電路 過電流保護電路除了電流反饋信號檢測回路外，電流檢測回路還包括了過流保護。交流調(diào)壓裝置的故障，例如晶閘管直通、開路和觸發(fā)脈沖丟失，換流失敗等等都表現(xiàn)為系統(tǒng)主回路電流的增加，當電流過大時會對系統(tǒng)產(chǎn)生極大損害，因此過流保護是系統(tǒng)中很重要的保護環(huán)節(jié)。一個優(yōu)秀的過流保護環(huán)節(jié)應該是既能對過流反應迅速，又能夠準確動作。本設計的過流保護和過壓保護環(huán)節(jié)相似。過流保護的信號取自電流反饋回路，整流、濾波電路與電流反饋電路相同。它與設定值相比較，一旦超過設定值，則輸出一個低電平信號送入輔助單片機 U2 的外部中斷口 ，然后再由軟件處理，對過流的晶閘管實現(xiàn)脈沖封鎖、故障報警和系統(tǒng)復位等。對過電流值的設定，一般選擇大小為 倍的額定電流，這是因為一般的限流起動時，選擇的最大限流幅度為 5 倍，因此要留出一定的余量來保證正常起動時不至于切斷電路。過流保護的具體回路如圖 315 所示。++ 5+ 5R 8 3R 8 4R 8 9R 9 0R 9 2R 9 3R 9 1T A 1T A 2T A 3圖 315 過電流檢測電路 4 基于單片機的軟起動器的設計本課題設計的軟起動器是以單片機為控制芯片的三組反并聯(lián)晶閘管調(diào)壓電路成的。該軟起動器的系統(tǒng)原理圖如圖 41 所示。 鍵 盤 操 作控 制 器電 流 電壓 檢 測L E D顯 示同 步 電 路控 制 系 統(tǒng)狀 態(tài) 輸 出晶 閘 管 驅 動圖 41 軟啟動系統(tǒng)原理圖本軟起動器的設計主要包括主回路、控制回路和驅動保護回路。主回路主要由三組反并聯(lián)晶閘管和接觸器組成，通過控制反并聯(lián)晶閘管組的導通改變加載在電機兩端的電壓；而接觸器的主要作用是在軟起動過程完成以后，把反并聯(lián)晶閘管組從三相電源中旁路。在需要軟停車時，再把軟起動器裝置接入到電機回路中，完成軟停車的功能。在控制回路和驅動保護回路中，電路包括了電壓檢測，電流檢測，晶閘管觸發(fā)電路，接觸器驅動電路，人機界面，供電電源電路等。軟起動器各部分電路的協(xié)調(diào)工作需要軟件的配合，因此軟件設計的好壞直接影響到系統(tǒng)能否正常運行、能否滿足系統(tǒng)的設計功能要求。 單片機控制系統(tǒng)設計軟啟動器的控制系統(tǒng)有兩部分組成，一個是單片機及其外圍電路組成的微機電路系統(tǒng)，另一個是信號處理電路。信號處理電路負責主電路的電壓和電流信號的處理，并將處理后的電流送單片機進行 A/D 轉換，同時該電路監(jiān)視三相電流的不平衡情況，實現(xiàn)三相不平衡保護和短相保護，通過對三相電源電壓的監(jiān)視，實現(xiàn)對過電壓和欠電壓的保護；通過安裝在散熱器的熱敏開關，也能實現(xiàn)晶閘管的過熱保護，各種保護信號經(jīng)過邏輯與后， 送到單片機的外部中斷請求輸入腳，作為外部故障信號處理；單片機控制系統(tǒng)主要負責參數(shù)設置與修改、電動機起訂過程的控制和觸發(fā)角的計算、運行狀態(tài)的監(jiān)視、故障的保護與處理等功能 [10]。 單片機控制系統(tǒng)采用 AVR 系列單片機的 AT90S835 為主控制芯片，其封裝形式有40 腳 PDI 部分 P、PLCC 和 TQFP 封裝。該芯片有 8KB FLASH 程序存儲器、512BSRAM、 8 通道 A/D 轉換器、內(nèi)部發(fā)生器等組成。由于 AT90S8535 芯片的片內(nèi)資源豐富，由它組成的控制系統(tǒng)硬件結果非常簡單，軟啟動的 CPU 部分如圖 42 所示。根據(jù)軟啟動器設計的要求，控制系統(tǒng)的資源分配如下：控制鍵的鍵盤輸入信號，通過鍵盤操作，完成啟動參數(shù)的設置、電動機起停控制、默認參數(shù)的保存、外部故障的查詢和處理等，LED 顯示由 PB 口和 PC 口組成，其中PB0~PB6 作為 LED 的段碼輸出信號， PC0~PC5 作為 LED 位碼選擇信號，顯示部分由4 位 LED 數(shù)碼管和二級管組成，作為啟動參數(shù)設定、