【正文】 夠滿足工業(yè)電機(jī)控制的廣泛需要，是傳統(tǒng)Y／△啟動(dòng)和自耦變壓器啟動(dòng)控制方式的理想換代產(chǎn)品。在傳輸功率較大的輸送機(jī)上用軟啟動(dòng)器來控制系統(tǒng)的啟動(dòng)和運(yùn)行具有以下作用：，膠帶無振動(dòng)和跳帶，消除了膠帶機(jī)致命的動(dòng)載沖擊，有效防止撒煤到底帶造成的跑偏、刷邊、斷卡子等生產(chǎn)事故。，明顯減少打卡次數(shù)。，提高生產(chǎn)效率。 軟啟動(dòng)器工作原理軟啟動(dòng)器采用三相反并聯(lián)晶閘管(SCR)作為調(diào)壓器，將其接入電源和電機(jī)定子之間，這種電路如三相全控橋整流電路。軟啟動(dòng)器同時(shí)還提供軟停車功能，軟停車與軟啟動(dòng)過程相反，電壓逐漸降低，轉(zhuǎn)逐漸下降到零，避免自由停車引啟的轉(zhuǎn)矩沖擊。 晶閘管調(diào)壓原理晶閘管(Thyristor)又稱作可控硅整流器(SCR)，晶閘管是一種半控型器件，自發(fā)明以來，便以其優(yōu)異的性能開辟了電力電子技術(shù)迅速發(fā)展和應(yīng)用的新時(shí)代。三相交流異步電機(jī)軟起動(dòng)理論是基于晶閘管的三相交流調(diào)壓原理。晶閘管調(diào)壓的控制方式有兩種：一是相位控制，即通過控制晶閘管的導(dǎo)通角來調(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)來達(dá)到調(diào)壓的目的。這種調(diào)壓方式在實(shí)際應(yīng)用中受到一定的限制，所以交流調(diào)壓大多以相位控制方式為主。圖21為三相交流調(diào)壓電路典型原理圖。一對(duì)反并聯(lián)晶閘管接交流電源的一相，它們分別在交流電源的正、負(fù)半周起作用，主電路輸出端接三相交流異步電機(jī)。由三相交流調(diào)壓電路的原理可以看出，任何時(shí)刻至少有兩只晶閘管同時(shí)保持導(dǎo)通，才能構(gòu)成閉合回路，負(fù)載才能得電。三相電源相位關(guān)系互差120176。因此，VTVTVT5（或VTVTVT6）的觸發(fā)脈沖在相位上應(yīng)依次相差120176。故六路晶閘管脈沖觸發(fā)順序?yàn)閂TVTVTVTVTVT6，相位依次相差60176。晶閘管三相交流調(diào)壓電路中，隨著觸發(fā)角α的變化，相電壓輸出波形亦發(fā)生變化，特別是當(dāng)觸發(fā)角超過90176。但輸出波形始終保持嚴(yán)格的相位和正負(fù)半周對(duì)稱關(guān)系。此刻晶閘管工作于第一類工作情況下，同一時(shí)刻都有三個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，三相電源直接全壓接入了負(fù)載中，晶閘管相控調(diào)壓電路的輸出電壓也就是三相電源電壓。α60176。如圖22所示。和30176。周期T1內(nèi)為α=15176。時(shí)的觸發(fā)規(guī)律。在周期T1內(nèi)，t1時(shí)刻對(duì)應(yīng)晶閘管啊觸發(fā)角為15176。的時(shí)刻，VT2開始觸發(fā)導(dǎo)通(對(duì)應(yīng)圖中起始點(diǎn)f點(diǎn))，相電壓W經(jīng)VT2加到負(fù)載上；t3時(shí)刻對(duì)應(yīng)晶閘管VT3觸發(fā)角為15176。T4時(shí)刻(對(duì)應(yīng)圖中c點(diǎn))，晶閘管VT2和VT3都處于導(dǎo)通狀態(tài)，則晶閘管VT1會(huì)因承受反相電壓而關(guān)斷。同理類推，隅的工作區(qū)為電源V相的be段；嘎的工作區(qū)為電源W相的fi段。時(shí)，晶閘管VTVT2和VT4的工作區(qū)分別為U相的jk段、W相的ns段和V相的km段。時(shí)，在時(shí)間段t3～t4內(nèi)有VT VT2和VT3三個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通；在時(shí)間段t4～t5內(nèi)有VT2和VT3兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通；α=30176。故隨著晶閘管觸發(fā)角的變化，晶閘管工作于兩類情況的交替狀態(tài)。為例，晶閘管相控調(diào)壓電路的輸出電壓如圖23所示。時(shí)的電壓輸出波形3．60176。此范圍內(nèi)晶閘管只工作于第二類工作情況下，同一時(shí)刻有兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通。觸發(fā)角為例。任一時(shí)刻，總有兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通。時(shí)晶閘管導(dǎo)通情況4．90176。此范圍內(nèi)晶閘管工作于第二類工作情況和第三類工作情況的交替狀態(tài)下。圖25 電阻性負(fù)載下，α=120176。觸發(fā)角為例。時(shí)間段t1～t2內(nèi)只有晶閘管VT1導(dǎo)通，時(shí)間段t2～t3內(nèi)卻沒有晶閘管導(dǎo)通，這也正是為何相控調(diào)壓電路的輸出電壓波形出現(xiàn)斷續(xù)的原因所在。和α=120176。圖26 電阻性負(fù)載下，α=90176。時(shí)的電壓輸出波形5．α=150176。由上面的分析，可見在電阻性負(fù)載下，晶閘管觸發(fā)角α的移相范圍為0176。電阻性負(fù)載下，負(fù)載電流波形與負(fù)載相電壓波形是一致的。 軟啟動(dòng)方式 異步電機(jī)傳統(tǒng)啟動(dòng)方法　三相交流異步電動(dòng)機(jī)是應(yīng)用最為廣泛的電氣設(shè)備。直接起動(dòng)即將電源直接接到電動(dòng)機(jī)的定子繞組上完成起動(dòng)，是一種最簡(jiǎn)單的起動(dòng)方法。過大的起動(dòng)電流一方面會(huì)造成電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，影響電動(dòng)機(jī)壽命，嚴(yán)重時(shí)可能造成短路而燒壞電動(dòng)機(jī)；另一方面會(huì)使線路壓降增大，造成電網(wǎng)電壓顯著下降而影響同一電網(wǎng)內(nèi)其它電氣設(shè)備的正常工作。為將起動(dòng)電流限制在允許的范圍內(nèi)，人們采用減壓起動(dòng)方式。減壓起動(dòng)方式可以限制起動(dòng)電流在一定范圍內(nèi)，但電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，起動(dòng)的平滑性不高，無法真正消除電機(jī)起動(dòng)過程中的電流沖擊。軟起動(dòng)一般有下面幾種起動(dòng)方式。然后電壓按所設(shè)定的斜率上升，直至達(dá)到額定電壓。整個(gè)過程中，起動(dòng)時(shí)間（t1或t2）可調(diào)，一般設(shè)置為1~100s。斜坡電壓起動(dòng)曲線如圖28所示。 （2） 斜坡恒流軟起動(dòng)限流起動(dòng)方式就是電機(jī)在起動(dòng)過程中采用電流，閉環(huán)設(shè)計(jì)，以限制起動(dòng)電流不超過預(yù)先的設(shè)定值Im(圖中為I1或I2)并保持恒定。圖29 斜坡電壓?jiǎn)?dòng)曲線電流限定值Im一般設(shè)定為(2～4) Ie，故這種起動(dòng)方式起動(dòng)電流小且電流限定值可調(diào)。限流起動(dòng)波形示意圖如29所示。在此過程中，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。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。（4）轉(zhuǎn)矩加突跳起動(dòng)方法圖211 斜坡電壓?jiǎn)?dòng)曲線轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動(dòng)方式和轉(zhuǎn)矩控制起動(dòng)方式類似，也應(yīng)用在重載起動(dòng)場(chǎng)合。這種起動(dòng)方式很好地克服了負(fù)載靜阻力矩，縮短了起動(dòng)時(shí)間，但是突跳的存在會(huì)給電網(wǎng)和周圍設(shè)備造成圖211 斜坡電壓?jiǎn)?dòng)曲線影響，這也是本方式的一個(gè)缺憾。綜上所述，由于膠帶輸送機(jī)在啟動(dòng)開始階段，膠帶與托輥之間有較大的靜摩擦力，電機(jī)要克服摩擦力需要很大的轉(zhuǎn)矩，當(dāng)膠帶機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)之后摩擦力會(huì)大幅減小，轉(zhuǎn)矩需求也減小。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 膠帶輸送機(jī)軟啟動(dòng)器系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)膠帶輸送機(jī)的電機(jī)軟起動(dòng)器硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖31所示，系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以Intel 16位單片機(jī)80C196KC為主控芯片，采用晶閘管為主控功率器件來實(shí)現(xiàn)的。硬件系統(tǒng)基本工作原理如下：軟起動(dòng)器的各項(xiàng)控制參數(shù)(起動(dòng)電流、起動(dòng)方式及時(shí)間等)經(jīng)鍵盤進(jìn)行設(shè)置，同步信號(hào)檢測(cè)電路將檢測(cè)到的同步脈沖信號(hào)送入單片機(jī)80C196KC ，80C196KC主控制器通過運(yùn)算后按照設(shè)定的模式發(fā)出觸發(fā)脈沖以驅(qū)動(dòng)晶閘管模塊的導(dǎo)通，單片機(jī)通過控制觸發(fā)脈沖的寬度來改變晶閘管的觸發(fā)角的大小，電機(jī)軟起動(dòng)開始。同時(shí)，80C196KC將電機(jī)起動(dòng)期間的各項(xiàng)參數(shù)的運(yùn)算結(jié)果在LCD顯示器上顯示出來。在運(yùn)行中通過對(duì)電機(jī)的工作電壓和電流的采樣值與保護(hù)閥值相比較，判斷是否發(fā)生過壓、過流等情況。 系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)主電路的設(shè)計(jì)采用晶閘管三相交流調(diào)壓原理，通過相控調(diào)壓的方式調(diào)節(jié)電機(jī)定子端電壓的大小來實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟起動(dòng)。用三組雙向反并聯(lián)晶閘管分別串聯(lián)在Y接法的電機(jī)三相定子線圈上，這種接法各相波形對(duì)稱，輸出波形中諧波較少且不含偶次諧波，調(diào)速性能優(yōu)越，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠。因此對(duì)電壓上升率也必須予以限制，使之小于晶閘管的斷態(tài)電壓臨界上升率。由于系統(tǒng)的檢測(cè)電路在電機(jī)側(cè)，因此短接后電動(dòng)機(jī)運(yùn)行回路仍有過載等保護(hù)功能。CPU通過調(diào)節(jié)晶閘管觸發(fā)角逐漸將電壓升至電機(jī)的額定電壓后，發(fā)出旁路控制信號(hào)，旁路接觸器常開觸點(diǎn)閉合，將晶閘管三相調(diào)壓模塊旁路短接掉，電機(jī)進(jìn)入額定運(yùn)行狀態(tài)，至此，電機(jī)整個(gè)軟起動(dòng)過程結(jié)束。 微處理器的選擇及其基本外圍電路由于膠帶輸送機(jī)控制系統(tǒng)比較大，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性要求高，輸送機(jī)的軟啟動(dòng)、故障檢測(cè)、實(shí)時(shí)保護(hù)等環(huán)節(jié)都要求CPU要有較高的運(yùn)算速度和比較完善的中斷及I/O口資源，并能夠及時(shí)地處理一些緊急突發(fā)事件。MCS96系列16位單片機(jī)是一種在工業(yè)界應(yīng)用廣泛的嵌入式控制器，由于它的高性能的寄存器——寄存器結(jié)構(gòu)，使其非常適用于以實(shí)時(shí)控制為主的應(yīng)用，如工業(yè)自動(dòng)化控制、車輛控制、電機(jī)控制等。同時(shí)80C196KC還集成了更為豐富的外設(shè)裝置，如：PTS(外設(shè)事務(wù)服務(wù)器)、EPA(事件處理器陣列)、HSIO(高速輸入／輸出器)、ADC等，具有速度快，可靠性高，功能強(qiáng)大，硬件資源資源豐富等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中，、B、C三相線電壓的過零點(diǎn)發(fā)生的時(shí)間，時(shí)間基準(zhǔn)由定時(shí)器提供形成同步信號(hào)。另外，80C196KC單片機(jī)還具有外設(shè)事件服務(wù)器PTS，對(duì)中斷提供了一種類似于DMA的響應(yīng)，更有效地處理中斷事務(wù)，使CPU的開銷比一般的中斷響應(yīng)要小得多，增加了單片機(jī)的實(shí)時(shí)性。為提高運(yùn)算速度，單片機(jī)振蕩電路采用16MHz的晶振，因此其狀態(tài)周期為167ns；復(fù)位電路采用上電復(fù)位加按鈕手動(dòng)復(fù)位方式；EA端口為存儲(chǔ)器選擇信號(hào)，由于本系統(tǒng)擴(kuò)展了ROM和RAM存儲(chǔ)器，因此EA端口接低電平。這就要求其觸發(fā)脈沖要與其陽極電壓必須保持嚴(yán)格的相位關(guān)系，才能實(shí)現(xiàn)晶閘管的相控調(diào)壓。本設(shè)計(jì)中采用同步變壓器作為同步測(cè)量器件，同步變壓器具有體積小，價(jià)格低廉，相位關(guān)系確定等優(yōu)點(diǎn)。同步電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)如圖34所示。而S1⊕S2⊕S3的邊沿正好與自然換相點(diǎn)重合，因此可以利用它作為同步電壓信號(hào)向80C196KC申請(qǐng)中斷，進(jìn)行同步認(rèn)相判斷。需要注意的是本電路檢測(cè)到的為自然換相點(diǎn)，各相電壓的過零點(diǎn)滯后于自然換相點(diǎn)30176。圖35 同步電壓信號(hào)波形⊕S2⊕S3的狀態(tài)，當(dāng)有跳變時(shí)發(fā)生中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序，并通過進(jìn)一步查詢SSS3的狀態(tài)來判斷此時(shí)HSO的輸出的位置，其邏輯關(guān)系如表31所示，可依據(jù)此進(jìn)行編程。為確保電路的正常工作，同時(shí)導(dǎo)通的兩個(gè)晶閘管需保證均有觸發(fā)脈沖，目前主要采用以下兩種脈沖觸發(fā)形式：一種是寬脈沖觸發(fā)，脈沖寬度大于60176。~100176。另一種是雙窄脈沖觸發(fā)，在觸發(fā)某個(gè)晶閘管的同時(shí)，給序號(hào)緊前的一個(gè)晶閘管補(bǔ)發(fā)脈沖。脈寬為20176。雙脈沖電路復(fù)雜，但要求的觸發(fā)電路輸出功率小。為不使脈沖變壓器飽且減少不必要的功率消耗，本設(shè)計(jì)中采用雙窄脈沖觸發(fā)方式，如圖36所示。脈沖觸發(fā)信號(hào)由單片機(jī)直接輸出，其幅值和功率都不能滿足要求，必須經(jīng)過功率放大器件才能可靠的觸發(fā)晶閘管。前面所述的精確同步電路檢測(cè)到的同步脈沖信號(hào)通過單片機(jī)80C196KC的 ，經(jīng)過單片機(jī)的運(yùn)算后，～。圖37 觸發(fā)脈沖驅(qū)動(dòng)電路觸發(fā)電路工作原理為：~，其輸出為“1”，光電隔離TIL117截止，則三極管Q基極為高電平，因此三極管導(dǎo)通，此時(shí)脈沖變壓器T原邊和電源構(gòu)成回路，其副邊向有脈沖輸出，在晶閘管門極形成滿足晶閘管門極觸發(fā)條件的觸發(fā)脈沖。 反饋采樣電路 電流采樣電路本系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制調(diào)速方法，電流采樣作為雙閉環(huán)控制設(shè)計(jì)中的電流反饋部分，地位至關(guān)重要，是軟起動(dòng)器電路設(shè)計(jì)中不可或缺的一環(huán)。如圖48所示，本設(shè)計(jì)中采用三個(gè)電流互感器(型號(hào)為TBC50BA/BR)作為檢測(cè)元件，電流的反饋信號(hào)取自電動(dòng)機(jī)的定子側(cè)，其三相電流輸出端UKW1經(jīng)二極管(D1~D6)三相全波整流、電阻分壓、電容濾波后得到一直流電壓信號(hào)，再經(jīng)過由運(yùn)算放大器LM324構(gòu)成的電壓跟隨器后，再經(jīng)RC濾波后送入CPU的A/D口進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換就得到了我們需要的電流信號(hào)。圖38 電流檢測(cè)電路 電壓采樣電路軟啟動(dòng)器在運(yùn)行過程中需要不斷對(duì)調(diào)壓后輸出的電壓進(jìn)行采樣，一方面作為調(diào)壓效果的反饋，另一方面通過對(duì)電壓信號(hào)采樣也可以確定電路是否正常工作，以及電機(jī)是否工作在過壓欠壓等不良狀態(tài)，從而及時(shí)作出保護(hù)響應(yīng)，是保護(hù)電路的一部分。處理后的信號(hào)也輸入80C196KC的A/D口，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后得到電壓的反饋值，再根據(jù)值的大小進(jìn)行判斷和處理。圖39 電壓檢測(cè)電路 轉(zhuǎn)速采樣電路電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)是雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的速度反饋環(huán)節(jié)。測(cè)速發(fā)電機(jī)的工作原理是將轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，它運(yùn)行可靠，但體積大，精度低，且由于測(cè)量值是模擬量，必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后讀入計(jì)算機(jī)。按要求選擇或設(shè)計(jì)脈沖發(fā)生器，能夠?qū)崿F(xiàn)高性能檢測(cè)。圖310 霍爾傳感器測(cè)速原理圖如圖310所示，在與電機(jī)連接的驅(qū)動(dòng)滾筒的周邊均勻地安裝幾塊磁鋼片，將霍爾傳感器固定在合適的位置，隨著滾筒的滾動(dòng)，當(dāng)磁鋼片經(jīng)過霍爾傳感器時(shí)將感應(yīng)出一個(gè)脈沖信號(hào)，此脈沖信號(hào)經(jīng)過處理后輸入單片機(jī)，通過單片機(jī)的HIS口進(jìn)脈沖計(jì)數(shù)，經(jīng)過運(yùn)算后便可輸出轉(zhuǎn)速結(jié)果，并可通過轉(zhuǎn)速對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行分析。圖311 電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路 若滾筒周圍安裝了m1個(gè)磁鋼片，在被測(cè)信號(hào)m2個(gè)周期內(nèi)，單片機(jī)收到的脈沖數(shù)為m3，假設(shè)內(nèi)部時(shí)鐘為16MHz，則電機(jī)轉(zhuǎn)速為：（r/min） （31） 保護(hù)系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì) 過壓欠壓保護(hù)當(dāng)電機(jī)經(jīng)常處于過壓運(yùn)行時(shí)，鐵損增加，效率降低。在本系統(tǒng)中，電壓反饋信號(hào)除了作為調(diào)壓結(jié)果反饋信號(hào)外還作為過壓和欠壓的信號(hào)。 欠壓保護(hù)電壓： （32）過壓保護(hù)電壓： （33）過壓和欠壓比較器先設(shè)定一個(gè)適當(dāng)?shù)闹?，采樣到的電壓?jīng)CPU進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后，通過與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，一旦超過過壓值或者低于欠壓值時(shí)，CPU發(fā)出命令立即封鎖晶閘管輸出脈沖，并由控制器發(fā)出過壓或欠壓保護(hù)動(dòng)作信號(hào)。系統(tǒng)的過流檢測(cè)仍然是通過電流反饋電路檢測(cè)的，檢測(cè)到的電流經(jīng)過CPU運(yùn)算處理后，通過與設(shè)定值大小進(jìn)行比較，從而實(shí)現(xiàn)過流故障的及時(shí)發(fā)現(xiàn)，CPU及時(shí)作出保護(hù)響應(yīng)。