【正文】 的控制角，可以改變晶閘管的輸出電壓。 主回路設(shè)計(jì) XX 大學(xué) XX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 主回路電路 軟起動(dòng)器主回路設(shè)計(jì)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(diào)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(dòng)時(shí)，接觸器斷開(kāi)，軟起動(dòng)完成后接觸器閉合。軟停車(chē)開(kāi)始時(shí)，接觸器再次打到雙 向晶閘管端，軟起動(dòng)器投入到停車(chē)運(yùn)行，如此重復(fù)來(lái)完成軟起動(dòng)和軟停車(chē)。在三相電源側(cè)通過(guò)隔離電路得到軟起動(dòng)器同步信號(hào)；在晶閘管輸出側(cè)即 R、 S、 T 通過(guò)電阻分壓而得到較低幅值的三相電壓，再經(jīng)過(guò)整流電路送入單片機(jī)做故障檢測(cè)。而 TAl， TA2年 TA3 表示為霍爾傳感器電流輸出，該電流信號(hào)通過(guò)整流電路后轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)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(yīng)用于軟起動(dòng)時(shí)，主要是額定電壓、額定電流的計(jì)算與選擇。晶閘管由于過(guò)電流過(guò)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(lái)一定的困難，如若額定值選擇不當(dāng)，會(huì)造成不必要的損失或浪費(fèi)。根據(jù)實(shí)際工作條件，在滿足需要的前提下，應(yīng)盡量降低晶閘管的定額，以減少設(shè)備投資。需滿足兩個(gè)條件。 首先，晶閘管的正、反向峰值電壓 UDRM 和 URRM 應(yīng)為晶閘管實(shí)際承受最大峰值電壓UM 的 2～ 3 倍，即 UDRM/RRM=(2～ 3)UM。在本文設(shè)計(jì)中電機(jī)為 220V 的三步電動(dòng)機(jī)，根據(jù)公式計(jì)算可得晶閘管耐壓在 622V~ 933V范圍內(nèi)。 XX 大學(xué) XX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(duì)應(yīng)的有效值 應(yīng)滿足 IRMS=1． 57ITAV。為使晶閘管在工作過(guò)程中不因?qū)嶋H有效值應(yīng)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(jī)功率 4KW， 額 定電流 0． 55A。由于異步電機(jī)在直接起動(dòng)時(shí)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(shè)計(jì)觸發(fā)電路原理是首先用同步變壓器對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行采樣并降壓，之后輸入KJ004 用來(lái)產(chǎn)生單脈沖，通過(guò)調(diào)節(jié)分壓電阻可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單脈沖占空比的調(diào)節(jié)，通過(guò)模擬開(kāi)關(guān) 4066來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì) 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(diào)制波對(duì) KJ004 輸出的寬脈沖或窄脈沖進(jìn)行高頻調(diào)制，使其輸出寬窄脈沖列，當(dāng) KJ004 處于寬脈沖方式時(shí)， KJ004 輸出直接加到驅(qū)動(dòng)電路，而 KJ004 處于窄脈沖方式時(shí)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(hào)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(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通的電路），也可為單窄脈沖。電路結(jié)包括三個(gè)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(qiáng)觸發(fā)和雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)。 XX 大學(xué) XX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(shí)， V4截止。 V5飽和導(dǎo)通。 V V8處于截止?fàn)顟B(tài)，無(wú)脈沖輸出。電容 C3充電，充滿后電容兩端電壓接近 2E1(30V)時(shí)， V4導(dǎo)通， A點(diǎn)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(dǎo)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(dǎo)通。使 V V8截止，輸出脈沖終止。脈沖前沿由 V4 導(dǎo)通時(shí)刻確定，脈沖寬度與反向充電回路時(shí)間常數(shù) R11C3有關(guān)。電路的觸發(fā)脈沖由脈沖變壓器 TP 二次側(cè)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(xué) XX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(kāi)關(guān)V2管來(lái)控制的。 V2截止時(shí)，恒流源電流 I1c 對(duì)電容 C2充電， 調(diào)節(jié) RP2，即改變 C2的恒定充電電流I1c，可見(jiàn) RP2是用來(lái)調(diào)節(jié)鋸齒波斜率的。 V2導(dǎo)通時(shí)，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(gè)鋸齒波。射極跟隨器 V3的作用是減小控制回路電流對(duì)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(fù)值時(shí)， b4點(diǎn)的波形由 uh+up 確定。當(dāng) uco為正值時(shí)， b4點(diǎn)的波形由 uh+up + uco確定。 M 點(diǎn)是 V4由截止到導(dǎo)通的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，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(shí)脈沖的初始相位。 在三相全控橋電路中，接感性負(fù)載電流連續(xù)時(shí)，脈沖初始相位應(yīng)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(shí)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(shí)，令 uco=0，調(diào)節(jié) up 的大小使產(chǎn)生脈沖的 M 點(diǎn)移至鋸齒波 240176。的中央（ 120176。處），相應(yīng)于 a=90176。的位置。 如 uco為正值， M 點(diǎn)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(fù)值， M 點(diǎn)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(guān)系確定。 V2開(kāi)關(guān)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(dǎo)通變截止期間產(chǎn)生鋸齒波，鋸齒波起點(diǎn)基本就是同步電壓由正變負(fù)的過(guò)零點(diǎn)。 V2截止?fàn)顟B(tài)持續(xù)的時(shí)間就是鋸齒波的寬度，其大小取決于充電時(shí)間常數(shù) R1C1。 雙窄脈沖形成 環(huán)節(jié) 內(nèi)雙脈沖電路由 V V6構(gòu)成 “或 ”門(mén)。當(dāng) V V6都導(dǎo)通時(shí)， V V8都截止，沒(méi)有脈沖輸出，只要 V V6有一個(gè)截止，都會(huì)使 V V8導(dǎo)通，有脈沖輸出。第一個(gè)脈沖由本相觸發(fā)單元的 uco對(duì)應(yīng)的控制角 a 產(chǎn)生。隔 60176。的第二個(gè)脈沖是由滯后 60176。相位的后一相觸發(fā)單元產(chǎn)生（通過(guò) 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) 4066 模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)寬窄切換 脈沖放大驅(qū)動(dòng) 寬脈沖列 XX 大學(xué) XX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 圖 39 觸發(fā)電路 框 圖 晶 閘管保護(hù)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(guò)電壓、過(guò)電流能力較差，短時(shí)間內(nèi)的過(guò)電壓、過(guò)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(duì)過(guò)電流，過(guò)電壓的發(fā)生采取保護(hù)措施。 (1)過(guò)電流保護(hù) 晶閘管設(shè)備發(fā)生過(guò)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(duì)這些 情況，除了 用 軟件 來(lái)實(shí)現(xiàn) 保護(hù)外， 還可以在硬件電路中 加入快速熔斷器來(lái)保護(hù)晶閘管的過(guò)電流。 (2)過(guò)電壓保護(hù) 我們知道晶閘管有一個(gè)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(jié)溫和門(mén)極斷路條件下，使晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)的最低電壓上升率。若電壓上升 率 過(guò)大，超過(guò)了晶閘管的電壓上升率的值，則會(huì)在無(wú)門(mén)極信號(hào)的情 況下開(kāi)通。即使此時(shí)加于晶閘管的正向電壓低于其陽(yáng)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(guò)大，確保晶閘管安全運(yùn)行，本 設(shè)計(jì) 在晶閘管兩端并聯(lián)RC 阻容吸收網(wǎng)絡(luò)，利用電容兩端電壓不能突變的特性來(lái)限制電壓上升率。如圖 37 中所示。因?yàn)殡娐房偸谴嬖陔姼械?，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(guò)渡過(guò)程中，因振蕩在電容器兩端出現(xiàn)的過(guò)電壓損壞晶閘管。同時(shí)，避免電容器通過(guò)晶閘管放電電流過(guò)大，造成過(guò)電流而損壞晶閘管。 電壓檢測(cè)回路 在電壓檢測(cè)回路中， 盡量 實(shí)現(xiàn) 以下 三個(gè)功能。其一 是同步信號(hào)的檢測(cè)功能，采樣三相電壓的自然換相點(diǎn)，它作為晶閘管脈沖觸發(fā)信號(hào)的同步信號(hào)；其二是通過(guò)檢測(cè)晶 閘管輸出端可以得到晶閘管導(dǎo)通時(shí)刻的檢測(cè)，以便做電壓反饋和缺相故障檢測(cè)；其三是將三XX 大學(xué) XX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 相晶閘管輸出電壓信號(hào)通過(guò)電阻降壓后轉(zhuǎn)變成直流信號(hào)，再經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后送入到單片機(jī)中，作為過(guò)壓或欠壓保護(hù) 的 信號(hào)。 同步信號(hào)檢測(cè) 為 了 保證三相交流調(diào)壓器主回路中各個(gè)晶閘管的觸發(fā)脈沖與其陽(yáng)極電壓保持嚴(yán)格的相位關(guān)系。在電機(jī)軟起動(dòng)器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，同步信號(hào)檢測(cè)是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。只有準(zhǔn)確的測(cè)量出電壓的過(guò)零點(diǎn)，才能精確的控制晶閘管的導(dǎo) 通角，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)兩端電壓的無(wú)極加載，完成軟起動(dòng)的功能。采用如圖 310 所示的電路作為電壓同步信號(hào)檢測(cè)電路 [8]。從圖中可以看出，這個(gè)電路的功能就是將由電源側(cè)來(lái)的線電壓正弦信號(hào)轉(zhuǎn)為低壓方波信號(hào) 來(lái) 供單片機(jī)進(jìn)行處理分析。由于這里的信號(hào)是從高壓轉(zhuǎn)為低壓送入單片機(jī)處理的，因此要利用一塊光耦對(duì)高低壓信號(hào)進(jìn)行隔離，這樣保證了這兩種信號(hào)可以互不干擾地分離處理。整個(gè)工作過(guò)程大 體 是這樣的：由電源側(cè)來(lái)的線電壓信號(hào)經(jīng)過(guò) 2 個(gè)電阻和1 個(gè)二極管，變成半波交流信號(hào)，這個(gè)交流信號(hào)在 正半波時(shí)觸發(fā)光耦導(dǎo)通，從而使得右側(cè)輸入到單片機(jī)的是高電平 信號(hào)；而當(dāng)光耦左側(cè)交流信號(hào)處于低電平時(shí)，光耦則截止。那么右側(cè)輸入到單片機(jī)的信號(hào)也就是低電平。這樣周而復(fù)始，單片機(jī)所得到的就是幅值為 5V 的方波信號(hào)，周期等同于電源的周期即工頻 50Hz，而高低電平持續(xù)的時(shí)間也基本與電源側(cè) 正 負(fù)交流信號(hào)所持續(xù)的時(shí)間大致相同，雖然其 間 存在著一定的時(shí)延，但 這 可以通過(guò)軟件進(jìn)行補(bǔ)償，從而既簡(jiǎn)化了外圍硬件電路的設(shè)計(jì)，又得到了與電源電壓同步的信號(hào)，為下面給出晶閘管觸發(fā)信號(hào)提供了工作電壓零點(diǎn)的基準(zhǔn)。圖中 右端接 主控單片機(jī)芯片 。這個(gè)電路的優(yōu)點(diǎn)在于：一方面，在起動(dòng)未開(kāi)始或是開(kāi)始瞬間，這個(gè)電路就可以檢測(cè) 到器件電壓零點(diǎn)；另外，由于輸入的交流信號(hào)是直接從電源側(cè)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(hào)再進(jìn)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(hào)檢測(cè)電路 XX 大學(xué) XX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 同時(shí)，可以利用圖 310 這個(gè)電路 (以下稱(chēng)為電路 I)和另一套與電路 I 基本相同的電路 (以下稱(chēng)為電路 II)配合，進(jìn)行電源的相序判斷和缺相檢測(cè)。簡(jiǎn)要介紹一下工作原理。電路 II 和電路 I 結(jié)構(gòu)基本相同，存在的區(qū)別就是，假設(shè)電路 I 的輸入側(cè)連接電源的 U、V 兩相，而 電路 II 輸入側(cè)連接的就是電源的 V、 W 兩相，且輸出信號(hào)是分別送入主控單片機(jī) 芯片 的外部中斷輸入口。 我們假設(shè)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(shí)，當(dāng) UV 線電壓發(fā)生正跳變 (即從負(fù)半波轉(zhuǎn)為正半波 )時(shí)， VW 線電壓為負(fù)，那么電路 II 送入 CPU 的信號(hào)就為低電平；當(dāng) UV 線電壓發(fā)生負(fù)跳變時(shí)， VW 線電壓為正，那么電路 II 送 入 CPU 的信號(hào)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(hào)高低電平情況就相反 )。同步信號(hào)示意圖 如下 ω tv 圖 3