【正文】 機(jī)的定子回路中，完成降 壓起動(dòng)。在電機(jī)起動(dòng)電流基本不變的情況下，電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩將隨端電壓上升而逐步增大，達(dá)到平滑起動(dòng)。 綜上所述，國(guó)內(nèi)軟起動(dòng)技術(shù)與國(guó)外技術(shù)相比還存在很大差距。 上述軟啟動(dòng)方式各有千秋。固態(tài)軟起動(dòng)器的研制是大功率電機(jī)軟起動(dòng)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文以目前國(guó)內(nèi)外軟起動(dòng)技術(shù)的現(xiàn)狀為背景，在研究軟起動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用 89C52RC 單片機(jī)為微控單元構(gòu)建了晶閘管串聯(lián)軟起動(dòng)系統(tǒng)。最后對(duì)軟起動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真調(diào)試，對(duì)仿真效果做了簡(jiǎn)要分析。但隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電子軟起動(dòng)器因其電壓可無(wú)極調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)矩 /電流可閉環(huán)控制的特點(diǎn)得到深入而廣泛的發(fā)展，成為軟起動(dòng)市場(chǎng)中的主流。三相異步電動(dòng)機(jī)有兩種基本數(shù)學(xué)模型，即基于狀態(tài)方程的數(shù)學(xué)模型和基于集中參數(shù)的等效數(shù)學(xué)模型。而電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)多采用基于集中參數(shù)等效數(shù)學(xué)模型。將異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)繞組的頻率、相數(shù)以及各相有效串聯(lián)匝數(shù)歸算到定子側(cè)，從而推導(dǎo)出異步電動(dòng)機(jī)的等效電路。 為同步轉(zhuǎn)速， s 為轉(zhuǎn)差率。由此可知控制定子電壓便可實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)電流的控制，從而有效避免起動(dòng)電流過(guò)大。 但正如前文所述，直接起動(dòng)對(duì)電網(wǎng)、電機(jī)和其它用電設(shè)備的危害很大，如威脅設(shè)備和電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行等。為解決直接起動(dòng)存在的問(wèn)題，常采用各種降壓起動(dòng)技術(shù)，較普遍的有 Y/△起動(dòng)、自耦變壓器降壓動(dòng)、定子回路串電阻 /電抗起動(dòng)。由等效電路可知：起動(dòng)電流與定子端電壓成正比，因而該方法可以達(dá)到降低起動(dòng)電流的目的。因此，這種起動(dòng)方法僅僅適用于空載或輕載起動(dòng)場(chǎng)合。 圖 定子串電阻或電抗起動(dòng)原理圖 第 2 章 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng) 6 (2) Y/△起動(dòng) Y/△ 起動(dòng)是定子繞組以 Y 接法起動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速升至接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，將繞組換為△接法，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)為正常運(yùn)行。由于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，該方法只適合于輕載起動(dòng)的場(chǎng)合。 圖 星 三角形起動(dòng)原理圖 (3)自耦變壓器起動(dòng) 自耦變壓器起動(dòng)就是電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，電源經(jīng)自耦變壓器降壓后接到電動(dòng)機(jī)上，待轉(zhuǎn)速上升至接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，將自耦變壓器切除，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化為正常運(yùn)行。自耦變壓器起動(dòng)的自動(dòng)控制主回路如圖 所示為 圖 自耦變壓器降壓起動(dòng)原理圖 第 2 章 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng) 7 新型電子式軟起動(dòng)方法 (1) 變頻器作為軟起動(dòng)裝置 變頻器主要用于交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速。變頻器作為軟起動(dòng)裝置時(shí)，它的電壓和頻率皆可從零連續(xù)調(diào)節(jié)，并保持較小的轉(zhuǎn)差率。同時(shí)它也存在不足，如開(kāi)關(guān)損耗較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴等。利用晶閘管的相控調(diào)壓原理，通過(guò)改變其觸發(fā)角來(lái)控制電機(jī)輸入電壓的大小。但由于使用到晶閘管，因此對(duì)元件特性參數(shù)的一致性有很高的要求，且很難得到保證。 (3) 液態(tài)電阻軟起動(dòng)方式 液態(tài)電阻是一種由電解液形成的電阻，它導(dǎo)電的本質(zhì)是離子導(dǎo)電。此方式為能量損耗型降壓起動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)大量的能量消耗在水電阻上，然后逐漸向電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)移能量，是 電動(dòng)機(jī)提速。另外，起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的操作過(guò)電壓會(huì)對(duì)電機(jī)的絕緣造成很大的傷害，較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩沖擊對(duì)電機(jī)和機(jī)械設(shè)備都會(huì)造成較大的傷害。其基本設(shè)計(jì)思想是將可變電抗器的一次繞組直接與電機(jī)定子 (或轉(zhuǎn)子 )串接 ,在電抗器中增加二次線圈 ,將二次線圈與功率變換器以及智能控制器連接?？勺冸娍蛊魇降能浧饎?dòng)裝置由于采用了可變電抗技術(shù)，元器件不用串聯(lián)，因此相比其它軟起動(dòng)可靠性大大提高，也很方便維修。但可變電抗器具有很大的電感量，諧波電壓大部分加在可變電抗器上面，而加到電網(wǎng)和電機(jī)上的諧波電壓則較小。 第 2 章 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng) 8 綜上所述，可變電抗式固態(tài)軟起動(dòng)裝置與變頻軟起動(dòng)、晶閘管串聯(lián)軟起動(dòng)、液態(tài)軟 起動(dòng)方法相比具有明顯的技術(shù)和價(jià)格優(yōu)勢(shì)，其綜合性能如表 所示。 （ 1）限流起動(dòng) 限流起動(dòng)方式就是電機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中采用電流閉環(huán)設(shè)計(jì)，以限制起動(dòng)電流不超過(guò)預(yù)先的設(shè)定值 (圖 中為 或 )并進(jìn)行。 電流限定值 一 般設(shè)定為 e，故 這種起動(dòng)方式起動(dòng)電流小且電流限定值可調(diào)，對(duì)電網(wǎng)電壓影響小。電機(jī)恒流軟起動(dòng)電流曲線，如圖 所示。它的缺點(diǎn)是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，且轉(zhuǎn)矩特性呈拋物線型上升，對(duì)起動(dòng)不利，起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)電動(dòng)機(jī)不利。初始電壓和電壓上升率可根據(jù)負(fù)載特性調(diào)整。這種起動(dòng)方式的特點(diǎn)是起動(dòng)電流相對(duì)較大，但起動(dòng)時(shí)間相對(duì)較短，適用于重載起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。 圖 電機(jī)恒流軟起動(dòng)示意圖 圖 電壓斜坡軟起動(dòng)示意圖 （ 3）轉(zhuǎn)矩控制起動(dòng) 轉(zhuǎn)矩起動(dòng)控制方式是指在電機(jī)的起動(dòng)過(guò)程中，保持電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩按照線性上升的規(guī)律進(jìn)行起動(dòng)。由于它的最終控制目的就是為了得到線性轉(zhuǎn)矩，故這種方式下電機(jī)起動(dòng)平滑，柔性好、對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)有利，同時(shí)減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，保護(hù)了拖動(dòng)系統(tǒng)，延長(zhǎng)了其使用壽命。它的缺點(diǎn)是起動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)控制規(guī)律比較復(fù)雜，不易獲得。 （ 4）轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動(dòng) 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)備造成影響，這也是本方式的一個(gè)缺憾。 第 2 章 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng) 10 圖 轉(zhuǎn)矩控制軟起動(dòng)示意圖 圖 轉(zhuǎn)矩加突跳控制軟起動(dòng)示意圖 晶閘管串聯(lián)軟起動(dòng)原理 軟起動(dòng)控制器的晶閘管調(diào)壓電路由 3 組反并聯(lián)晶閘管組成，串接于交流異步電機(jī)的三相供電線路之上 (圖 )。周波控制方式有難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)壓，不易找到合適的調(diào)壓比等缺點(diǎn)，所以交流調(diào)壓大多以相位控制方式為主。其中一相是正向晶閘管導(dǎo)通，另一相則是反向晶閘管導(dǎo)通。 晶閘管任意一相的電壓波形如圖 所示，其中電網(wǎng)電壓的波形是完整的正弦波， 是晶閘管的觸發(fā)角， 是負(fù)載的功率因數(shù)角 (也叫晶閘管的續(xù)流角 )， 是晶閘管的導(dǎo)通角。又 ，故可以通過(guò)改變 來(lái)實(shí)現(xiàn)晶閘管的調(diào)壓目的。對(duì)于恒定的負(fù)載而言，功率因數(shù)角 是常量， 僅僅與 有關(guān)，此時(shí)，只要改變晶閘管觸發(fā)角就可以改變晶閘管的輸出電壓。在電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，隨著轉(zhuǎn)速逐漸變大，功率因數(shù)角 也在不斷變化。只有這樣，才能實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的輸入電 壓按照預(yù)定規(guī)律變化的要求。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)也是設(shè)計(jì)整個(gè)控制器的第一步。 軟起動(dòng)控制器系統(tǒng)組成 根據(jù)軟起動(dòng)控制器設(shè)計(jì)的需要，本設(shè)計(jì)中的軟起動(dòng)控制系統(tǒng)包括兩部分：主回路和控制回路。這些電路經(jīng)過(guò)單片機(jī)聯(lián)系在一起，通過(guò)高性能單片機(jī)來(lái)對(duì)電機(jī)軟起動(dòng)的起動(dòng)進(jìn)行分析和計(jì)算，通過(guò)各個(gè)功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)所需要的功能。 圖 軟起動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 框圖中各主要部分功能簡(jiǎn)述如下： (1)SCR 調(diào)壓電路：該電路是由三組反并聯(lián)晶閘管構(gòu)成，并含有阻容吸收電路。另一方面，檢測(cè)電流的相位信號(hào)，同電壓檢測(cè)電路一同完成功率因數(shù)角 的檢測(cè)； (4)鍵盤(pán)輸入 /LCD 顯示電路：通過(guò)鍵盤(pán)完成軟起動(dòng)控制器參數(shù)的設(shè)置，并對(duì)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制。 主回路設(shè)計(jì) 電機(jī)軟起動(dòng)控制器主回路如圖 所示，采用帶旁路的晶閘管三相交流調(diào)壓電路，由三組反并聯(lián)的雙晶閘管支路組成，串接在電機(jī)三相電路。電機(jī)起動(dòng)結(jié)束后，閉合晶閘管旁路接觸器 K，電機(jī)正常運(yùn)行。圖中晶閘管兩端并聯(lián)RC 阻容吸收回路用于限制電壓上升率，防止因正向電壓上升率過(guò)大導(dǎo)致晶閘管誤導(dǎo)通，產(chǎn)生較大的浪涌電路而導(dǎo)致?lián)p壞。VT VT VT2 觸發(fā)相序又分別滯后 VT VT VT5 180176。 圖 可變電抗軟起動(dòng)控制器主回路 電壓檢測(cè)電路 同步信號(hào)檢測(cè)電路 為保證主回路中各個(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，同步信號(hào)檢測(cè)是很不可缺少的環(huán)節(jié)。從而實(shí)現(xiàn)定子兩端電壓的無(wú)極調(diào)節(jié)，完成電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)。光耦具有體積小、電氣隔離、抗干擾性能好等優(yōu)點(diǎn)。它以電源 A 相電壓為輸入，當(dāng) A 相電壓過(guò)零時(shí)光耦二極管導(dǎo)通，光耦三極管隨之導(dǎo)通， INT0 輸出低電平，引起單片機(jī)產(chǎn) 生中斷，單片機(jī)調(diào)用相應(yīng)的中斷處理程序，實(shí)現(xiàn)交流電的同步。 電壓反饋電路 三相異步電動(dòng)機(jī)定子側(cè)相電壓、相 (線 )電流是異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的兩個(gè)重要參數(shù)。電壓反饋回路如圖 所示： 圖 相 電壓反饋電路 圖中 是有電壓傳感器采集的單相電壓信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)降壓整流濾波后，分壓得到直流信號(hào)， OUT1 輸出的信號(hào)通過(guò)調(diào)理后轉(zhuǎn)化為 A/D 轉(zhuǎn)換器量程范圍內(nèi)的直流電壓。 第 3 章 軟起動(dòng)器硬件設(shè)計(jì) 15 電流檢測(cè)電路 電流檢測(cè)的方法很多，本設(shè)計(jì)中采用電流互感器，利用其檢測(cè)出交流電流。經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后，三相電流轉(zhuǎn)換成直流電流由 OUT2 接入 A/D 轉(zhuǎn)換器 TLC1543 模擬輸入端。 本設(shè)計(jì)選用霍爾傳感器測(cè)速，測(cè)量電路如圖 所示： 圖 霍爾測(cè)速電路 測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速首先要將電機(jī)的轉(zhuǎn)速表示為單片機(jī)可以識(shí)別的脈沖信號(hào)，從而進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。當(dāng)電第 3 章 軟起動(dòng)器硬件設(shè)計(jì) 16 機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶連接在電機(jī)轉(zhuǎn)子上的硅鋼片動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)硅鋼片霍爾傳感器時(shí)，感應(yīng)出一個(gè)脈沖信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后輸入單片機(jī)，通過(guò)中斷方式進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量。晶閘管對(duì)門(mén)極觸發(fā)電路產(chǎn)生的脈沖應(yīng)能滿足一些基本要求 : (1) 觸發(fā)信號(hào)可以是交流、直流或脈沖，但觸發(fā)信號(hào)只能在控制極為正、陰極為負(fù)時(shí)起作用。使用脈沖信號(hào)，不僅便于控制脈沖出現(xiàn)時(shí)刻，降低晶閘管門(mén)極功耗；還可通過(guò)變壓器的雙繞組或多繞組輸出，實(shí)現(xiàn)信號(hào)間的絕緣隔離和同步傳輸。晶 閘管屬于電流控制器件，為保證足夠的觸發(fā)電流，考慮裕量，一般可取兩倍左右門(mén)極觸發(fā)電流。對(duì)于單相電阻負(fù)載，由于一般晶閘管開(kāi)通時(shí)間為 6us，應(yīng)要求脈寬大于 10us，最好有 20～ 50us。 (4) 觸發(fā)脈沖與主回路電源電壓必須同步并有一定的移相范圍。同時(shí)，觸發(fā)延遲角應(yīng)能根據(jù)控制信號(hào)的要求改變，即控制角 應(yīng)有一定的移相范圍。而當(dāng)輸出口沒(méi)有置 1，即為低電平時(shí)，由于脈沖變壓器副邊的兩個(gè)二極管的作用，脈沖變壓器無(wú)脈沖輸出，晶閘管門(mén)極無(wú)觸發(fā)脈沖。根據(jù)需要設(shè)計(jì)了起動(dòng)鍵、停機(jī)鍵、增鍵、減鍵、設(shè)定鍵和確認(rèn)鍵。液晶顯示器已被廣泛應(yīng)用于各種儀器 儀表、電子顯示裝置等場(chǎng)合，成為測(cè)量結(jié)果顯示和人機(jī)對(duì)話的重要工具。其中， 1602 字符型液晶顯示模塊是其中發(fā)展比較成熟的一種，應(yīng)用相當(dāng)廣泛。 鍵盤(pán)輸入 /LCD 顯示電路如圖 所示： 圖 單個(gè)晶閘管驅(qū)動(dòng)電路 第 4 章 軟起動(dòng)器控制軟件設(shè)計(jì) 18 第 4 章 軟起動(dòng)器控制軟件設(shè)計(jì) 根據(jù)軟啟動(dòng)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，控制系統(tǒng)應(yīng)該具備參數(shù)的設(shè)置，在啟停過(guò)程中根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)輸出觸發(fā)角 以及過(guò)壓、過(guò)流等故障保護(hù)的功能。 主程序 主程序主要完成系統(tǒng)的檢測(cè)，變量的初始化，參數(shù)的修改，故障的診斷，系統(tǒng)的保護(hù)等任務(wù)。 根據(jù)三相市電固定時(shí)序，微控制器依次發(fā)六個(gè)彼此間隔60 度的觸發(fā)脈沖給相應(yīng)的六個(gè)晶閘管，為可靠形成電流回路，在發(fā)某個(gè)脈沖時(shí)，同時(shí)向前補(bǔ)發(fā)一個(gè)脈沖。采用T0 定時(shí)器檢測(cè)同步信號(hào)周期，用 T1 定時(shí)器實(shí)現(xiàn)相角的定時(shí)控制。由于單片機(jī)在上電復(fù)位期間，所有輸出為高電平，為避復(fù)位期間所有晶閘管存在驅(qū)動(dòng)信號(hào)，應(yīng)采用低電平為有效觸發(fā)信號(hào)。 晶閘管觸發(fā)脈沖程序流程圖如圖 所示：