【導(dǎo)讀】三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流高達(dá)額定電流的5～8倍，對(duì)電網(wǎng)造成較大干擾，尤其在工業(yè)領(lǐng)域中的重載起動(dòng)，有時(shí)可能對(duì)設(shè)備安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。軟啟動(dòng)技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)在整個(gè)起動(dòng)過程中無沖擊而平滑地起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，而且。達(dá)到最佳的起停狀態(tài)。我們從三相異步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用控制出發(fā),介紹了基于單。用該方法控制電機(jī)的軟啟動(dòng)系統(tǒng)具有控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

　　

【正文】 ，故選用 Altcra 公司的 MAX 7000 系列器件EPM7128SLC84— 15，封裝為 PLCC． 84針。 EPM7128sLc8 禾 15是 Altera 公司生產(chǎn)的第二代產(chǎn)品，以多陣列矩陣 (MAX)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，高性能 CMOSEEPROM 可電擦除。該型號(hào)的芯片主要特征簡(jiǎn)單描述如下： (1)系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率可達(dá) 178MHz； (2)采用 CMOS E2PROM 工藝，傳輸延遲僅為 5ns； (3)內(nèi)部具有豐富的 資源一 128 個(gè)觸發(fā)器、 2500 個(gè)用戶可編程 I39。J； (4)而且具有 68 個(gè)用戶可編程的 I／ O口，為系統(tǒng)定義輸入、輸出和雙向口提供了極大的方便； (5)為了比較適合混合電壓系統(tǒng)，通過配置，輸入引腳可以兼容 3． 3V／ 5V邏輯電平，輸出可以配置為 3． 3V／ 5V 邏輯電平輸出。 (6)100％功能可測(cè)，全兼容 PCI 接口標(biāo)準(zhǔn) 。 (7)EPM7128 同時(shí)還提供了 JTAG 接口，可進(jìn)行 ISP 編程，極大地方便了用戶。凡 Altera公司生產(chǎn)的 CPLD 可編程邏輯器件名稱后帶 s的芯片，均支持在線現(xiàn)場(chǎng)可編程操作，只要用一根專用電纜接到 芯片的特定引腳上，無需拆下芯片，不需要編程器及芯片適配器，通過上位機(jī)打印口就可對(duì)芯片編程。這對(duì)教學(xué)、科研樣機(jī)研制、產(chǎn)品維修、產(chǎn)品升級(jí)帶來極大的方便。設(shè)計(jì)工具選擇 Altera 公司的第三代軟件丌發(fā)環(huán)境 MAX+plus 11，設(shè)汁輸入 采用 VHDL 輸入方式。 軟起動(dòng)控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 軟起動(dòng)控制系統(tǒng)框圖 軟起動(dòng)控制系統(tǒng)框圖如圖 所示。整個(gè)系統(tǒng)主要由三相晶閘管主電路、電壓、電流檢測(cè)電路，同步電壓采集電路、單片機(jī)控制電路，觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路、脈沖隔離整形電路、人機(jī)接口等組成。根據(jù)系統(tǒng)需求，采 用 Atmel 的 AT89S51 作為控制器， 89S51 內(nèi)含有 8kB 的存儲(chǔ)空間，可以實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)的輸出算法。外圍電路主要包括鍵盤控制和顯示、 A／ D轉(zhuǎn)換等模塊。用戶在按下功能鍵后，通過自增和自減鍵設(shè)置起動(dòng)時(shí)間和起動(dòng)參數(shù)并保存，以備系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)調(diào)用。在發(fā)出起動(dòng)命令后，單片機(jī)調(diào)用 E2PROM 中的運(yùn)行參數(shù)并進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，確定觸發(fā)脈沖產(chǎn)生模塊的控制數(shù)字值，通過單片機(jī)總線送到 CPLD 觸發(fā)器，觸發(fā)器發(fā)出脈沖經(jīng)隔離整形電路來觸發(fā)可控硅。起動(dòng)結(jié)束后，由控制器發(fā)出信號(hào)，使交流接觸器吸合，反并聯(lián)晶閘管暫停工作，由電源直接供電，使 電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行．軟起動(dòng)器在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)結(jié)束后，可以對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)繼續(xù)監(jiān)視，對(duì)各種故障進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)需要停車時(shí)，由控制器發(fā)出停車信號(hào)后，反并聯(lián)晶閘管迅速投入工作，真空接觸器斷開。軟起動(dòng)器按預(yù)先設(shè)定的停止時(shí)間和停止方式實(shí)現(xiàn)停車。這種做法既能保證電機(jī)的軟起動(dòng)／軟停車，又能在電機(jī)正常運(yùn)行使用接觸天津理工中環(huán)信息學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 20 器短接可控硅裝置，從而去除了可控硅裝置的附加能耗，減少散熱器的體積，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 Figure system structure diagram 軟起動(dòng)主電路 及觸發(fā) 電路 晶閘管降壓軟起動(dòng)主電路如圖 示，其中 M是異步電動(dòng)機(jī)，晶閘管 KPl～ KP6 組成移相控制的三相交流調(diào)壓電路，利用品閘管進(jìn)行調(diào)壓，其輸出電壓大小由晶閘管的導(dǎo)通角決定，而晶閘管的導(dǎo)通角又與其觸發(fā)角有關(guān)。觸發(fā)角越小，輸出越大。因此，只需在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中通過控制晶閘管觸發(fā)角的大小，不斷改變晶閘管的導(dǎo)通角來改變輸出電壓波形，從而改變輸出電壓的有效值。隨著輸出電壓的增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷上升。而電機(jī)定子電流的大小 J下比于定子端電壓，起動(dòng)仞期，電機(jī)端電壓較小，沖擊電流電小，隨著電機(jī)定子端電壓的不斷增加，定子電流也不斷 增加，最終達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟起動(dòng)。在每一瞬間，在三相交流調(diào)壓電路中，至少要有兩個(gè)器件導(dǎo)通，它們應(yīng)處于不同的相，其中至少有一個(gè)是流天津理工中環(huán)信息學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 21 向負(fù)載端，同時(shí)有另一個(gè)流向電源。在電路的正常工作狀態(tài)下， 6 個(gè)晶閘管按照 KPI、 K_PKP KP KP5 和 KP6 的順序循環(huán)觸發(fā)導(dǎo)通，而且相鄰的兩個(gè)晶閘管觸發(fā)時(shí)刻之間相差 600電角度。三相調(diào)壓起動(dòng)其實(shí)質(zhì)是降壓起動(dòng)，與傳統(tǒng)降壓起動(dòng)不同之處是無機(jī)械觸點(diǎn)，起動(dòng)電壓和起動(dòng)電流任意可調(diào)。圖中 F為快速熔斷器， RZ為壓敏電阻， KP 為晶閘管，另外還有并聯(lián)于晶閘管兩端的 RC保護(hù)電路。理 論上講，本起動(dòng)器可起動(dòng)各種容量的三相異步電動(dòng)機(jī)，針對(duì)不同的容量， CPLD 實(shí)現(xiàn)的電路 (包括軟件控制思想 )均可不變，只要重新設(shè)計(jì)一下主電路即可，其中各元件的選擇取決于被控電動(dòng)機(jī)的容量。 圖 主電路圖 Figure main circuit diagram 本系統(tǒng)的 總 電路圖如圖 。 天津理工中環(huán)信息學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 22 圖 軟啟動(dòng)系統(tǒng)總 電路 Figure soft start the system total circuit 觸發(fā)電路如圖 。 天津理工中環(huán)信息學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 23 圖 觸發(fā)電路圖 Figures trigger circuit diagram 1．晶閘管主要參數(shù)的選擇 ： (1)通態(tài)平均電流 Ita 通常，晶閘管的額定電流定義為在環(huán)境溫度為177。 40C 和規(guī)定的冷卻條件下，帶電阻性負(fù)載的單相工頻正弦半波電路中，管子全導(dǎo)通 f導(dǎo)通角不小于 1706)而穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定值時(shí)所允許的最大平均電流。根據(jù)實(shí)際電路考慮，在軟起動(dòng)器工作時(shí)，每相回路中兩個(gè)反并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通角范圍分別為 O?！?180。，故晶閘管所允許的最大電流平均值發(fā)生在導(dǎo)通角為180。時(shí)，電流容量 ITa由下式確定： ITa=(2～ 3)I／ Kf 其中， ITa 為 晶閘管流過每相回路的電流有效值； Kf 為波形系數(shù)，此時(shí)等于 1． 57；電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的最大電流為 7IN，而系統(tǒng)可限制啟動(dòng)電流在 2． 5～ 3． 6 IN，即 I=2． 5～ 3． 6 IN (2)晶閘管的耐壓選擇 精確設(shè)計(jì)晶閘管的耐壓值比較困難，這是因?yàn)樗粌H和回路的接法有關(guān)，同時(shí)還與電動(dòng)機(jī)的容量、勵(lì)磁電流等數(shù)值有關(guān)。一般在考慮有過電壓吸收回路的情況下，所選用的晶閘管的額定電壓為： UN=(2～ 3)xV2U． 其中， UN為晶閘管在實(shí)際工作中可能承受的最大電壓。 2．晶閘管的保護(hù)電路 晶閘管承受過電壓和過電流的能力較差，很短時(shí)間的過 電壓和過電流就能把器件損壞。為了使器件能夠可靠地長(zhǎng)期運(yùn)行，除了充分留有余地的合理選擇晶閘管外，必須對(duì)其進(jìn)行恰天津理工中環(huán)信息學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 24 當(dāng)?shù)倪^電壓和過電流保護(hù)。 (1)過電壓保護(hù) 凡是超過晶閘管在正常工作時(shí)承受的最大峰值電壓 uN 的都算過電壓。一種是由于晶閘管裝置的拉閘、合閘和器件關(guān)斷等電磁過程引起的過電壓，叫操作過電壓；另一種是由于雷擊等原因從電網(wǎng)侵入的偶然性的浪涌電壓；它可能比操作過電壓還要高。針對(duì)以上兩種過電壓采用不同的保護(hù)措施。 壓敏電阻保護(hù)主要是針對(duì)浪涌過電壓進(jìn)行保護(hù)，其在起作用時(shí)相當(dāng)于一個(gè)雙 向穩(wěn)壓二極管，它的工作曲線如圖 。 圖 壓敏電阻工具曲線 Figure thermistors tools curve 由圖 ，它對(duì)晶閘管的保護(hù)作用在于：當(dāng)壓敏電阻兩端的電壓由于任何原 N： fI高到稍大于標(biāo)稱電 )壓 UlmA 時(shí)， ZRI 作于 A～ B或 C～ D段，工作狀態(tài)近似于穩(wěn)壓二極管的擊穿，此時(shí)流過很大的放電電流，從而限制電壓在某一安全值的范圍內(nèi)，保護(hù)晶閘管不因過電壓而損壞。選擇壓敏電阻的主要參數(shù)是標(biāo)稱電壓 UlmA 和通流容量，并且保證其殘壓較小。器件側(cè)阻容保護(hù)主要是針對(duì)操作過電壓。晶閘管在承受反向電壓關(guān) 斷時(shí)，由于電流很快被截止，就在負(fù)載電感 L_E 感應(yīng)出高電壓，并且使流過晶閘管的 di／ dt增大。在器件側(cè)并聯(lián)上 RC 串聯(lián)回路，可顯著減 dxdi／ dt，從而抑制過電壓，同時(shí)電阻 R 可限制關(guān)斷的晶閘管再次導(dǎo)通時(shí)電容 c向晶閘管放電。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇 R、 C、 PR，及 Uc 的值。 (2)過電流保護(hù) 快速熔斷器是晶閘管裝置中應(yīng)用最廣泛的過電流保護(hù)措旃，它的熔斷時(shí)間在 lOms 以內(nèi)。在選擇時(shí)，快熔的額定電壓大于線路的正常工作電壓，熔體的額定電流 Ikp按經(jīng)驗(yàn)應(yīng)滿足 1． 57ITaIkpIT，其中 IT是晶閘管的實(shí)際工作電流的有效值。 單片機(jī)控制電路 AT89S51主要用于讀取按鍵信號(hào)，并能進(jìn)行電流及故障的顯示，接收經(jīng) A／ D轉(zhuǎn)換的電流反饋量，根據(jù)不同的觸發(fā)方式，能對(duì)觸發(fā)脈沖產(chǎn)生模塊傳輸不同的觸發(fā)角信號(hào)，并且可根據(jù)檢天津理工中環(huán)信息學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 25 測(cè)到的電壓、電流信號(hào)進(jìn)行故障檢測(cè)。同時(shí)，當(dāng)軟起動(dòng)結(jié)束，對(duì)交流接觸器發(fā)出控制信號(hào)，使交流接觸器吸合，三相反并聯(lián)可控硅裝置停止工作。 AT89S51主要完成觸發(fā)角數(shù)字信號(hào)的傳輸、信息的讀取及故障檢測(cè)，單片機(jī)控制系統(tǒng)框圖如圖 。 Po口工作于地址和數(shù)據(jù)總線狀態(tài)； P1口工作于鍵盤輸入和工作狀態(tài)輸出； P2口工作地址和數(shù)據(jù) 總線狀態(tài)，可接收經(jīng)模／數(shù)轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)。 INT0外部中斷作為電路外部故障信號(hào)的輸入腳。當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，由外部中斷輸入引腳的信號(hào)變化向 CPU提出中斷請(qǐng)求， CPU相應(yīng)中斷，并作一定的算法處理； P1． 7作為品閘管觸發(fā)脈沖的控制命令輸出。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，輸出低電平，通過與非門后，連接到 CPLD的 EN引腳，釋放脈沖 ； P1． 6與／ WR信號(hào)經(jīng)邏輯運(yùn)算后接 CPLD的片選信號(hào) ； 圖 單片機(jī)控制電路 Figure singlechip microputer control circuit 單片機(jī) 通過數(shù)據(jù)總線向 CPLD觸發(fā)角產(chǎn)生單元送數(shù)據(jù)信號(hào)，觸發(fā)角產(chǎn)生信號(hào)根據(jù)此值大小控制晶閘管導(dǎo)通角。其中 E2PROM2864起到掉電數(shù)據(jù)保護(hù)的作用。用戶起動(dòng)電機(jī)時(shí)設(shè)定了起動(dòng)參數(shù)，希望掉電后重新上電使能恢復(fù)掉電前的狀態(tài)。本系統(tǒng)采用 E2PROM2864作為掉電保護(hù)芯片，存儲(chǔ)用戶設(shè)置的起動(dòng)參數(shù)。 2864擦寫時(shí)問不超過 10ms，而讀取時(shí)間只有 150ns，擦寫次數(shù)達(dá) 10萬次，滿足本系統(tǒng)參數(shù)存儲(chǔ)的要求。當(dāng)每次設(shè)定結(jié)束后，就將設(shè)定值存入 2864中，下次開機(jī)時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)讀取，這樣可減少每次開機(jī)都要重新設(shè)定的麻煩。 三相同 步信號(hào)采集電路 三相同步信號(hào)作為觸發(fā)脈沖計(jì)數(shù)的起始點(diǎn)，其精確性決定了觸發(fā)脈沖的精確性，本系采用了以光耦為中心的同步電路，由光耦隔離傳輸?shù)酱渭?jí)，形成觸發(fā)電路所需的同步信號(hào)。其天津理工中環(huán)信息學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 26 工作原理如圖 。 圖 三相同步信號(hào)產(chǎn)生電路 Figure threephase sync signal circuit 脈沖放大整形電路 為保證觸發(fā)電路的工作安全，應(yīng)使觸發(fā)電路與主電路隔離。電氣隔離可減少主電路對(duì)觸發(fā)電路及控制電路的干擾，提高電路的可靠性。如圖 ，圖中 v1為輸出級(jí)功率 放大晶體管，電阻 R2和電容 C構(gòu)成一個(gè)微分電路，用來提高脈沖前沿的陡度；電阻 R1和二極管 Dl起保護(hù)作用，防止在晶體管 V1關(guān)斷的瞬間在脈沖變壓器的原邊感應(yīng)出的高壓擊穿三極管 V1，提供放電回路；二極管 D2用于防止三極管 V1關(guān)斷時(shí)在脈沖變壓器的副邊感應(yīng)出的高壓加在晶閘管的門極；發(fā)光二極管 D4電阻 R3用于燈光指示，在脈沖回路正常工作時(shí)，該路發(fā)光管將點(diǎn)亮：脈沖變壓器 T起電氣隔離作用，防止由于晶閘管的損壞而將高電壓串至脈沖回路； P端接脈沖控制信號(hào)。 天津理工中環(huán)信息學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 27 圖 脈沖放大整形電路 Figure pulse amplification plastic circuit 檢測(cè)電路 電壓電流的采集主要用于實(shí)現(xiàn)起動(dòng)算法和各種保護(hù)，包括電壓、電流的采樣及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。 電壓檢測(cè)是為了得到感應(yīng)式異步電動(dòng)機(jī)軸端的交流電壓。用電壓互感器測(cè)出電壓，然后將所得的交流小電壓信號(hào)經(jīng)整流橋整流，變成直流電壓，經(jīng)過濾波電路后送到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 。 電流檢測(cè)為控制部分提供一個(gè)與主電路工作電流大小成比例的取樣值，一是為限電流起動(dòng)提供反饋信號(hào)；二是為過電流保護(hù)、缺相保護(hù)、過載保護(hù)等提供反饋信號(hào)；三是用 于運(yùn)行狀態(tài)的指示。電流檢測(cè)采用兩級(jí)電流互感器來實(shí)現(xiàn)，第一級(jí)瓦感器將主電路的大電流轉(zhuǎn)換成最大值為 5A的二次電流，第二級(jí)將 5A的電流轉(zhuǎn)換成最大值為 100mA的電流信號(hào)，小電流信號(hào)經(jīng)過整流濾波后送到模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。 天津理工中環(huán)信息學(xué)院 2021 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 28 圖 電流檢測(cè)電路 Figure current detection circuit A／ D 轉(zhuǎn)換電路 P2口作為 A／ D采樣輸入口，采樣主電路中的工作電流信號(hào)，用于限流控制、過流保護(hù)、過載保護(hù)。本系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換采用 ADC0809， ADC0809足帶有 8位 A／ D轉(zhuǎn)換器、 8路多路開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的 CMOS組件。它是逐次逼近式 A／ D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。其主要特性： (1)8路 8位 A／ D轉(zhuǎn)換器，即分辨率 8位 ； (2)具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?； (3)轉(zhuǎn)換時(shí)間位 100u