【正文】 76。 (3) 觸發(fā)脈沖寬度應(yīng)要求觸發(fā)脈沖消失前陽(yáng)極電流已大于掣住電流，以保證晶閘管的導(dǎo)通。 (2) 觸發(fā)脈沖必須有足夠的電壓和電流。由于晶閘管在觸發(fā)導(dǎo)通后控制極就失去控制作用，為了減少控制極損耗，故一般觸發(fā)信號(hào)常采用脈沖形式。 脈沖觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路 在整個(gè)軟起動(dòng)過(guò)程中，晶閘管驅(qū)動(dòng)電路的功能是將單片機(jī)在指定時(shí)刻送來(lái)的信號(hào)轉(zhuǎn)化成為滿足晶閘管所需要的觸發(fā)信號(hào)。霍爾器件作為一種轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)的傳感器，它有結(jié)構(gòu)牢固、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，因此這里選用霍爾傳感器檢測(cè)脈沖信號(hào)。 電流檢測(cè)電路如圖 所示： 圖 三相電流檢測(cè)電路原理圖 轉(zhuǎn)速測(cè)量電路 不管是何種類(lèi)型的軟啟動(dòng)器，使用何種啟動(dòng)方式，軟啟動(dòng)的最終目的都是為了使電機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)牧氵_(dá)到額定值。經(jīng)由二極管組成的三相全波整流電路后，濾波分壓得到一個(gè)穩(wěn)定的直流信號(hào)；電壓跟隨器起隔離作用，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，還能降低檢測(cè)電路內(nèi)阻，提高 A/D 轉(zhuǎn)換的精度，同時(shí)還能起到保護(hù) A/D 轉(zhuǎn)換器的作用。最后經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換器以數(shù)字信號(hào)的形式送到單片機(jī)處理顯示。電子軟起動(dòng)器通過(guò)調(diào)節(jié)定子側(cè)的相電壓，使得定子側(cè)電流逐漸上升，并最終達(dá)到額定值。同時(shí)，也可以利用 3個(gè)如圖 所示電路配合，進(jìn)行電源的相序判斷和缺相檢測(cè)。電壓同步信號(hào)檢測(cè)電路如圖 所示： 圖 同步信號(hào)檢測(cè)電路 圖中光耦起到同步變壓器的作用。第 3 章 軟起動(dòng)器硬件設(shè)計(jì) 14 本系統(tǒng)采用高速光耦設(shè)計(jì)同步電路。只有準(zhǔn)確的測(cè)得電壓過(guò)零點(diǎn)，才能實(shí)現(xiàn)控制晶閘管的導(dǎo)通角的精確控制。 VT1～ VT6 依次相差 60176。 VT VT VT5 觸發(fā)相序依次滯后 120176。由于晶閘管過(guò)流過(guò)壓能力很差，因此必須采取可靠的保護(hù)措施。電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，控制電路按設(shè)定的調(diào)壓模式對(duì)晶閘管觸發(fā)角 進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而改變電機(jī)定子端電壓，完成軟起動(dòng)。 LCD 完成對(duì)電機(jī)狀態(tài)的顯示。三組晶閘管串接于電源和電機(jī)之間，通過(guò)控制晶閘管的觸發(fā)角來(lái)控制電機(jī)輸入電壓，從而達(dá)到軟起動(dòng)目的； (2)電壓檢測(cè)電路：一方面將三相電源電壓的大小信號(hào)，送到單片機(jī)，經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換作為故障檢測(cè)、過(guò)壓 /欠壓保護(hù)、電壓顯示等依據(jù)；另一方面，將電源電壓轉(zhuǎn)變成方波信號(hào)，作為晶閘管觸發(fā)的同步信號(hào)； 第 3 章 軟起動(dòng)器硬件設(shè)計(jì) 13 (3)電流檢測(cè)電路：通過(guò)電流互感器檢測(cè)電機(jī)的三相電流，將電流信息送入單片機(jī)，作為過(guò)流保護(hù)、電流顯示等依據(jù)。 晶閘管軟起動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖 所示?？刂苹芈分饕ㄎ⑻幚砥髯钚∠到y(tǒng)、電流檢測(cè)電路、電壓檢測(cè)電路、同步信號(hào)檢測(cè)電路、轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路、晶閘管驅(qū)動(dòng)電路、鍵盤(pán)輸入 /LCD 顯示電路、電源電路。本章論述了控制器硬件電路設(shè)計(jì)中的芯片選型、功能電路的設(shè)計(jì)。 第 3 章 軟起動(dòng)器硬件設(shè)計(jì) 12 第 3 章 軟起動(dòng)器硬件設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)是整個(gè)軟起動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，任何控制器功能實(shí)現(xiàn)都需要以硬件為基礎(chǔ)。因此，改變晶閘管觸發(fā)角 的同時(shí)也要兼顧功率因數(shù)角的變化情況。但是對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)而言，功率因數(shù)角是個(gè)變量，并且是電機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù)。經(jīng)相控調(diào)壓后，電壓 有效值數(shù)學(xué)表達(dá)式為： (23) 其中， 為電網(wǎng)相電壓的有效值，經(jīng)推導(dǎo)后得： (24) 由式 (24)可以得知，電機(jī)輸入電壓 與觸發(fā)角 和功率因數(shù)角 有關(guān)。 圖 任意相晶閘管的工作波形 第 2 章 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng) 11 由圖 可知 角 決定了晶閘管的輸出電壓，故改變 角的大小就可以調(diào)節(jié)電機(jī)的輸入電壓 。為了保證在電路起始工作時(shí)能使兩 個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，以及在感性負(fù)載與控制角較小時(shí)仍能保證不同相的兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，要求采用能夠產(chǎn)生大于的寬脈沖或雙窄脈沖的觸發(fā)電路。 由于晶閘管調(diào)壓主電路沒(méi)有中線，因此在工作時(shí)若要負(fù)載電流流通，至少要有兩相構(gòu)成通路。晶閘管調(diào)壓的控制方式有兩種：一是相位控制，即通過(guò)控制晶閘管的導(dǎo)通角來(lái)調(diào)壓；二是周波控制，在一定的時(shí)間內(nèi)，控制晶閘管導(dǎo)通的工頻周期數(shù)來(lái)達(dá)到調(diào)壓的目的。轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動(dòng)曲線，如圖 所示。不同的是前者在電機(jī)起動(dòng)的瞬間轉(zhuǎn)矩多了突跳功能，目的就是為了克服電機(jī)起動(dòng)伊始由負(fù)載帶來(lái)的較大靜阻力矩，然后轉(zhuǎn)矩線性平滑上升，完成起動(dòng)。轉(zhuǎn)矩起動(dòng)控制曲線，如圖 所示。轉(zhuǎn)矩控制起動(dòng)方式主要用于重載起動(dòng)場(chǎng)合，是非常好的重載起動(dòng)方式之一。在此過(guò)程中，需要按照一定規(guī)律適時(shí)調(diào)整晶閘管的觸發(fā)角，使得起動(dòng)轉(zhuǎn)矩按照線性規(guī)律運(yùn)行。電壓斜坡軟起動(dòng)曲線，如圖 所示。在加速斜坡時(shí)同期聞，電動(dòng)機(jī)電壓逐漸增加，加速斜坡時(shí)間在一定時(shí)間范圍內(nèi)可調(diào)整，加速斜坡時(shí)間一般在 2~60 秒之 間。目前改進(jìn)的方法是采用雙斜坡起動(dòng)：輸出電壓先迅速升至 ( 為電動(dòng)機(jī)起動(dòng)所需的最小轉(zhuǎn)矩所對(duì)應(yīng)的電壓值 )，然后按設(shè)定的斜率逐漸升高電壓，直至達(dá)到額定電壓。 第 2 章 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng) 9 （ 2）電壓斜坡起動(dòng) 電機(jī)的輸出電壓由小到大斜坡線性上升，將傳統(tǒng)的有級(jí)降壓起動(dòng)變?yōu)闊o(wú)級(jí)，主要用在重載起動(dòng)。但這種起動(dòng)方式具有難以確定起動(dòng)壓降，不能充分利用壓降空間，損失起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，起動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)的缺點(diǎn)，主要是應(yīng)用于載起動(dòng)的場(chǎng)合。在此前提下，逐漸升高電機(jī)的輸入電 壓， 直到轉(zhuǎn)速到達(dá)額定轉(zhuǎn)速后電流自動(dòng)衰減下來(lái)，此時(shí)電壓達(dá)到額定電壓，起動(dòng)過(guò)程結(jié)束，軟起動(dòng)器旁路。 表 各種軟起動(dòng)方式比較 軟起動(dòng)控制方式 軟起動(dòng)器最主要的功能是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)，按起動(dòng)方式可分為限流起動(dòng)、電壓斜坡起動(dòng)、轉(zhuǎn)矩控制起動(dòng)、轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動(dòng)。所以可變電抗式軟起動(dòng)要比晶閘管串聯(lián)式軟起動(dòng)直接對(duì)電機(jī)的高次諧波傷害要小得多。可變電抗軟起動(dòng)和晶閘管串聯(lián)軟起動(dòng)兩者都是相控，都有產(chǎn)生諧波的情況。通過(guò)智能控制器與電力電子功率變換單元來(lái)控制可變電抗器的二次繞組 ,達(dá)到改變可變電抗器一次阻抗的目的 ,進(jìn)而改變交流電機(jī)的輸入電壓 ,使交流電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)。 (4) 可變電抗器軟起動(dòng) 可變電抗軟起動(dòng)技術(shù)是利用可變電抗器來(lái)實(shí)現(xiàn)高低壓隔離。其主要弱點(diǎn)有氣化電阻與環(huán)境溫度、極板等因素有關(guān)，起動(dòng)電流的控制精度較差，對(duì)連續(xù)起動(dòng)次數(shù)有限制。它的阻值正比于相對(duì)的二塊電極板的距離，反比于電解液的電導(dǎo)率，極板距離和電導(dǎo)率都便于控制。此外，元件特性參數(shù)還會(huì)隨著使用時(shí)間發(fā)生變化，致使均壓性能變差，極有可能造成整串元件的損壞，致使該裝置的可靠性比較低。這種裝置能做到全方位的軟起動(dòng)（即電壓、電流可從零起連 續(xù)調(diào)節(jié)），避免過(guò)電流對(duì)電網(wǎng)和電動(dòng)機(jī)及其它機(jī)械設(shè)備的沖擊。 (2) 晶閘管串聯(lián)式軟起動(dòng)裝置 晶閘管串聯(lián)式軟起動(dòng)裝置是由 3 組反并聯(lián)晶閘管組成，其實(shí)質(zhì)是三相交流調(diào)壓電路。所以無(wú)過(guò)電流現(xiàn)象，且起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也大，具倍極佳的起動(dòng)性能。特大型電動(dòng)機(jī)由于沒(méi)有合適的軟起動(dòng)裝置，因此采用變頻器作為軟起動(dòng)裝置。若自耦變壓器的變比為 k，自耦變壓器起動(dòng)一次側(cè)起動(dòng)線電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩都降至直接起動(dòng)的 。其原理圖圖 。定子繞組接成 Y 連接后，各相繞組的相電壓為 △連接時(shí)的 ，故 Y/△ 起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流及起動(dòng)轉(zhuǎn)矩均下降為直接起動(dòng)時(shí)的。其原理圖如圖 所示。而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與定子端電壓的平方成正比，降低起動(dòng)電壓會(huì)使起動(dòng)轉(zhuǎn)矩降低很多。 (1)定子回路串電阻 /電抗起動(dòng) 定子繞組串電阻 /電抗相當(dāng)于與定子繞組分電網(wǎng)電壓。因此 電動(dòng)機(jī)一般不允許直接起動(dòng)。 軟起動(dòng)方法簡(jiǎn)介 傳統(tǒng)軟起動(dòng)方法 傳統(tǒng)直接起動(dòng)操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便且起動(dòng)速度快。 由電機(jī)學(xué)知識(shí)可知，當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速 n=0,即轉(zhuǎn)差率 s=1，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 和起動(dòng)電流 ： 第 2 章 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng) 5 (21) (22) 當(dāng)電源頻率和電動(dòng)機(jī)的參數(shù)都不變時(shí)，在一定的轉(zhuǎn)差率下，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與定子端電壓平方成正比，起動(dòng)電流與定子端電壓成正比。三相異步電動(dòng)機(jī)的 T 形等效電路如圖 所示： 圖 異步電動(dòng)機(jī)的等效電路 圖中， ：定子繞組的電阻； ：定子繞組的漏電抗； ：歸算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子繞組的電阻； ：歸算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子繞組的漏電抗； ：與定子鐵耗相對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電阻； ：與主磁通相對(duì)應(yīng)的鐵心磁路的勵(lì)磁電抗； ：定子電壓向量； ：定子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)向量； ：定子電流向量； ：磁電流向量。 借助于等效電路的分析方法， 在分析電動(dòng)機(jī)內(nèi)部電磁關(guān)系和電動(dòng)勢(shì)的基礎(chǔ)上，對(duì)電機(jī)進(jìn)行繞組歸算和頻率歸算。就變頻調(diào)速而言，多采用基于狀態(tài)方程的數(shù)學(xué)模型。 三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性 為了研究三相異步電動(dòng)機(jī)起停時(shí)電壓、電流和轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，從而敲定啟停方案，就有必要了解電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。 論文研究的主要內(nèi)容： (1) 軟起動(dòng)控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； (2) 軟起動(dòng)控制器硬件設(shè)計(jì)； (3) 軟起動(dòng)控制器控制軟件設(shè)計(jì)； (4) 軟起動(dòng)器控制算法； (5) 軟起動(dòng)器的仿真調(diào)試； 第 2 章 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng) 4 第 2 章 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng) 在三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，傳統(tǒng)起動(dòng)技術(shù)（如自耦變壓器降壓起動(dòng)、定子串電阻電抗起動(dòng)、 Y/△降壓起動(dòng)等）有著舉足輕重的作用。本文詳細(xì)講述了軟起動(dòng)控制器的硬件電路結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用 PID 控制算法設(shè)計(jì)。 本論文主要研究?jī)?nèi)容 軟起動(dòng)器有著很輝煌的應(yīng)用前景。但從經(jīng)濟(jì)效益、特性功能、維護(hù)量、能耗、高次諧波和可靠性等方面來(lái)說(shuō)，固態(tài)軟起動(dòng)器的性價(jià)比要高。具體表現(xiàn)在固態(tài)軟起動(dòng)器所用半導(dǎo)體功率器件制造技術(shù)難題沒(méi)有攻克，特別是高電壓、大電流的電子器件仍未研制成功，如 GTO、 IGBT、 GCT 等。液阻式的軟起動(dòng)裝置易被環(huán)境溫度影響，使得起動(dòng)電流不能得到精確控制。因?yàn)橐簯B(tài)電阻器的電阻具有負(fù)溫升特性，當(dāng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，定子電流使得電阻器溫度的逐漸上升，電阻逐漸下降。目前國(guó)內(nèi)的軟起動(dòng)技術(shù)主要以液阻軟起動(dòng)為主。 第 1 章 緒論 3 我國(guó)于 90 年代起開(kāi)始晶閘管軟起動(dòng)技術(shù)的研究，且有了一定成果。該技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域已應(yīng)用廣泛 ,在某些領(lǐng)域應(yīng)用也顯示出獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。晶閘管軟起動(dòng)裝置在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó) 家比較普遍。而且電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流都限定于額定值之內(nèi)，固變頻軟起動(dòng)對(duì)電網(wǎng)和電動(dòng)機(jī)的沖擊很小，電磁轉(zhuǎn)矩較大，起動(dòng)時(shí)長(zhǎng)短。只有在重載或負(fù)載功率極大時(shí)，才用變頻軟起動(dòng)。在需兼?zhèn)湔{(diào)速要求時(shí)，通常采用變頻裝置?？蓪⒁陨掀饎?dòng)方式分為固態(tài)軟起動(dòng)和液態(tài)軟起動(dòng)兩種。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 軟起動(dòng)技術(shù)發(fā)展迅速，現(xiàn)如今已有諸多應(yīng)用。達(dá)到減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊，延長(zhǎng)設(shè)備壽命的目標(biāo)。 本文研究?jī)?nèi)容是基于單片機(jī)的軟起動(dòng)控制器。并以此為據(jù)，做出相應(yīng)的保護(hù)方案，保障電機(jī)的安全可靠運(yùn)行。軟起動(dòng)設(shè)備能通過(guò)降低電機(jī)輸入電壓，減小功率因素角， 降低電機(jī)的能耗，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的節(jié)能。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)電動(dòng)機(jī)所消耗的電能占整體工業(yè)用電量的 60％ ~68％ 。為此，軟起動(dòng)器的研究有特大的現(xiàn)實(shí)意義和突出的經(jīng)濟(jì)效益。因此如何 降低大功率電機(jī)的起動(dòng)電流已成為電力電子技術(shù)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究領(lǐng)域罩越來(lái)越關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。 電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)所產(chǎn)生的短時(shí)沖擊電流，包含短暫的諧波電流，使得電網(wǎng)有大量的諧波分量產(chǎn)生。同時(shí)，直接起動(dòng)時(shí)的大起動(dòng)電流會(huì)對(duì)電機(jī)定子線圈和轉(zhuǎn)子鼠籠條造成很大的沖擊，可能破壞繞組絕緣和造成鼠籠條斷裂，引發(fā)電機(jī)故障。但其起動(dòng)電流很大，一般為電機(jī)額定電流的 倍，嚴(yán)重時(shí)可能達(dá)到十倍以上。傳統(tǒng)的直接起動(dòng)是定子繞組直接與電網(wǎng)相接 ,由電網(wǎng)供應(yīng)額定電壓。因此交流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)已成為當(dāng)代電氣行業(yè)的一個(gè)重要課題。三相交流電動(dòng)機(jī)在全壓起動(dòng)時(shí)，其起動(dòng)電流高出額定電流 5~8 倍。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)耗電量占全國(guó)總