三相异步电机软启动控制器设计

1、三相异步电机软启动控制器设计摘 要三相异步电动机因具有结构简单、制造方便、运行可靠、价格低廉等优点，而广泛应用在工业、农业、交通运输业、国防工业以及其他各行各业中。但三相异步电机存在明显的缺点，偏小的起动转矩，过大的起动电流，对电网冲击大。并由此会造成电网电流瞬间增加,导致电压下降,对其他运行中的电设备造成影响,还可能使低电压保护动作，威胁相关设备的安全运行,使电机本身及系统的继电保护的整定和配合增加难度,降低了保护的灵敏度 。本文讨论了基于双单片机at89c51控制的晶闸管软启动控制器的设计。本次设计原模型为上海雷诺尔科技股份有限公司生产的jjr2000型软起动器，通过借鉴其相关部分，结合自

2、己的设计理念，设计出集软起动、软停车、过流、缺相等保护功能于一身的软起动器。并可通过人机界面，可以根据负载特性设置起动参数，有较强的负载适应性。并且对基于限流软起动方式的三相异步电机软起动控制器进行了仿真，通过分析仿真波形得出最佳触发角。 关键词：三相异步电机 晶闸管 软起动 at89c51the design of three-phase asynchronous motor soft starterabstractbecause of the three-phase asynchronous motors simple structure, convenient manufacture,

3、reliable operation, low price and other advantages, it is widely applied in industry, agriculture, transportation, defense industry and other industries. but the three-phase asynchronous motor has obvious disadvantages, small starting torque, large starting current and large impact on power grid. th

4、ese will cause the grid current instantaneous increasing, a drop in voltage, and influencing other electrical equipment. it may also make the low voltage protection action, threating the safe operation of the equipment related, so increases the difficulty to the cooperation of motor itself and the s

5、ystems relay protection , reducing the sensitivity of the protection.this passage researches the design of the thyristor soft starter based on the control of double at89c51 cpu. the design of the original model is jjr2000 soft starter produced by shanghai renle technologies inc. through drawing less

6、ons from the relevant circuit, coupled with my own design concepts, design a soft starter with the protections of soft starting, soft stop, overcurrent, overvoltage and so on. through the man-machine interface, we can set the starting parameters according to load characteristics , having relatively

7、strong load adaptability. and we simulate the three-phase asynchronous motor soft starter based on the current limit soft starting, by analyzing the simulation waveform to obtain the best trigger angle.key words: three phase asynchronous motor; thyristor; soft start; at89c51目录摘 要iabstractii第一章 绪论11.

8、1 本课题研究背景11.2 本课题的目的和意义21.3 国内外研究现状21.4 本课题研究内容3第二章 三相异步电机起动过程的研究42.1 三相异步电机起动过程的数学模型分析42.2 三相异步电机传统起动分析72.2.1 全压起动82.2.2 传统降压起动92.2.3 自耦变压器起动102.3 无极软起动的介绍与比较112.4 基于晶闸管软起动的原理与分析122.4.1 晶闸管调压原理122.4.2 软起动的起动方式13第三章 软起动器的硬件电路设计163.1 主要器件的介绍173.1.1 单片机at89c51173.1.2 同步变压器193.1.3 开关变压器203.2 晶闸管相控调压原理2

9、03.3 主回路的设计223.3.1 主回路电路223.3.2 晶闸管参数的选择233.3.3 晶闸管触发电路233.4 电压检测回路243.4.1 同步信号检测电路253.4.2 电压反馈回路263.4.3 电压过/欠保护电路263.5 电流检测电路273.5.1 电流反馈电路273.5.2 过电流保护电路293.6 芯片电源电路293.7 hmi电路303.7.1 键盘电路303.7.2 显示电路32第四章 移相触发脉冲控制的软件设计334.1 keil uvision4介绍334.2 移相触发脉冲控制的流程框图334.3 移相触发脉冲控制程序35第五章 软起动控制装置的仿真415.1 m

10、atlab7.1介绍415.2 仿真模型的建立425.2.1 三相电源模块425.2.2 触发脉冲模块425.2.3 晶闸管调压模块435.2.4 其他模块445.2.5 软起动总仿真模型455.3 仿真波形处理与分析45总结与展望55参考文献56致谢58第一章 绪论1.1 本课题研究背景由文献12可知，三相异步电动机以其优良的性能在工矿企业得到了广泛的应用, 但三相交流电机的最大缺点是起动性能较差。一台普通的三相交流异步电动机接至电网时, 如果不采取任何措施, 它的起动电流(指线电流) 通常可达额定电流的57倍, 因此, 直接起动电机, 将产生较大的冲击电流并会造成多方面的危害。据文献3可知

11、，直接起动主要存在以下几点危害：(1) 起动电流很大对电网冲击大,由此造成电网电流瞬间增加,导致电压下降,影响其他运行中的电设备,还可能触发低电压保护，威胁配套设备运行的安全,增加了电机本身及系统的继电保护整定和配合的难度,降低了保护的灵敏度。(2) 过大的起动电流会增加电机绕组热耗,加速绝缘老化,缩短电机使用寿命,此外机械冲击过大从而会造成电动机定子端部绕组绝缘磨损、转子笼条和端环断裂,导致电机击穿烧毁,联轴节损伤、转轴扭曲、传动齿轮损伤和皮带撕裂等。(3) 直接起动时,电机机械系统容易受到电气系统的突变而对其内部造成冲击,如:风机、水泵等受到电机起动过程中压力的突变通常造成泵系统管道及阀门

12、的损伤,缩短使用寿命；降低传动精度,甚至影响过程控制的正常运行。为了克服电机直接起动的诸多弊端，出现了一些有极调压措施，下面作简要的阐述，在第三章将全面描述。(1) 全压起动：最常用的起动方式，也称为直接起动。(2) 星三角y-起动：在起动过程中，通过改变定子绕组的三角接法为星形接法，从而起到降压作用。(3) 自耦变压器降压起动：通过接入自耦变压器来降低定子端电压以达到降压的目的。由于有极调压方式存在的缺点，人们开发出了无极调压模式。其中随着电力电子技术的发展，晶闸管调压电路发展迅速，它以优良的软起动特性广泛应用于工业。由文献4它主要由以下几种软起动方法，第三章将详细阐述。(1) 斜坡升压软起

13、动：起动时，使起动电压以一定斜率不断上升，直至起动完毕。(2) 阶跃起动：起动一开始在极短的时间内，使晶闸管接近全导通，然后恢复到较小(3) 导通角进行正常恒流软起动。(4) 小斜率软起动：这种起动特点是电流上升速率缓慢，适应于对电机转矩、速度敏感的场合。(5) 恒流软起动：起动时，电流以一定斜率上升至设定值，其后维持恒定，直至起动完毕。1.2 本课题的目的和意义本课题通过比较全压直接起动、星三角y- 起动、自耦变压器降压启动和软起动的优缺点，总结出软起动较其他方式的突出特点。并结合文献中的jjr2000型软起动器的设计原理和思想，用自己的设计理念来实现其中部分主要功能。主要体现在实现电机的软

14、起动、软停车、并可以通过人机界面根据负载特性设置相关起动参数，对过流、过压、欠压、缺相进行监控，保护电机的稳定运行。文献5中指出了此次设计的意义，具体阐述如下：(1) 能够使电机起动电流以一定的斜率上升至设定值，大大降低对电网的冲击。(2) 在起动过程中引入电流负反馈，当起动电流上升至设定值后，电机平稳运行。(3) 不受电网电压的影响，通过设定起动电流值，当电网电压上下波动时，只要增减晶闸管的导通角，调节电机的端电压，从而可使起动电流保持恒值，保证电机正常起动。(4) 针对电机的不同负载特性，可以通过人机界面无级调整电流设定值，改变电机起动时间，实现最佳起动时间控制。1.3 国内外研究现状软起

15、动技术是随着晶闸管的诞生而发展起来的，在1970年英国人首先尝试采用晶闸管三相调压原理对电机进行软起动。我国软起动应用起步于上世纪80年代早期，目前生产软起动器的厂家众多，先后推出了多种品牌。但由于国内自主研发和生产的能力相对较弱，对国外产品的依赖性还是很严重，在技术和可靠性上与国外同类产品仍有一定的差距。所以在国内软起动器市场上，占据统治地位的仍是国外产品，国内产品所占的份额还是很低。近三十年来，随着电力电子技术的发展，使无电弧开关和电流连续调节成为可能。电力半导体开关器件具有无磨损、寿命长、功耗小等特点，结合现代控制理论及微机控制技术，为实现电机的软起动提供了全新的思路。要突破传统的起动方

16、式，需要电力电子技术和微机控制技术的不断发展与提高。另外，据文献6中所述，目前在国外，工业强国的软起动器主要以晶闸管软起动器和变频软起动器为主的固态软起动仪器。当工业生产中要求调速时，选择变频软起动。在其他对调速要求不高的场合，且电机所带负载较轻，一般选择晶闸管软起动。如果所处场合电机负载过大，才会考虑变频起动装置。工业强国以晶闸管软起动装置为主要产品，很多大型电气公司都有自己的主打软起动器，它们具备各自的特性与功能。例如abb公司研发的pstb、pst系列软起动控制器；ge公司开发的astat智能型电软起动控制器；施耐德公司的ats46软起动装置； siemens公司的3rw22 sikos

17、tart软起动装置等。目前，国外研究晶闸管三相交流调压电路的方法从减小定子电流、改变电压的闭环和开环方式，提升到通过建立比较准确实用的数学模型，从而找出适用于晶闸管交流调压电路的电机的控制方法，进而优化晶闸管交流调压电路的电机负载特性。随着电力电子技术的不断发展，软起动器向着易操作，多功能，更可靠，小型化方向发展。1.4 本课题研究内容由于直接起动的诸多弊端，产生了一系列更优的起动方法：定子串电阻或串电抗起动、y-起动、自耦变压器降压起动、转子串电阻起动、晶闸管电子软起动、分级变频软起动、两相变频调压软起动等方法。软起动器本质上是一种斩波调压装置，用来实现软起动、软停车、实时监测以及各种保护功

18、能。为了充分发挥单片机的强大控制功能，同时兼顾系统的稳定性及偏多的接口数量，沿用jjr2000的控制思想并自主创新，采用双单片机at89c51作为整个系统的控制核心。通过人机界面设置关键参数来满足相应负载特性，增强了软起动器对负载的适应性，同时还可以对过压、欠压、过流、过载等进行实时监控。结合各方面的因素和实际情况，本课题研究的主要内容如下：(1) 通过建立三相异步电机的数学模型，分析其起动过程中电压、电流、转矩等变量的关系。在比较各种起动方式优缺点的基础上，并结合原模型jjr2000部分设计理念，提出初步软起动控制策略。(2) 分析晶闸管调压原理，熟悉at89c51各引脚功能，在文献中对单片

19、机做了详细的描述。对软起动器硬件部分进行设计，包括主电路、触发电路、检测电路、保护电路、芯片电源电路、hmi电路等。(3) 建立部分软件框图。利用keilc软件对移相触发脉冲控制程序进行编程。(4) 利用matlab/simulink软件建立三相反并联晶闸管组控制异步电机的模型，在不同触发角下对电机两端电压及定子的电流进行仿真，打印出仿真图。(5) 用protel绘制系统原理图。第二章 三相异步电机起动过程的研究国外对晶闸管三相交流调压技术的研究已经发展到通过建立比较准确实用的数学模型，找到适用于三相交流调压电路电机负载的控制方法，从而优化电机负载特性。接下来将对三相异步电机起动过程的数学模型

20、进行分析。 2.1 三相异步电机起动过程的数学模型分析为了研究三相异步电动机起动时的电流、电压、转矩等变量的关系，进而分析三相异步电机起动时的电流、起动转矩和所外加电压的关系，就要研究电机的数学模型。由文献78可知，对于电动机的软起动而言，多采用基于集中参数等效电路的数学模型。采用集中参数等效电路的数学模型时通常给出合理假设，由电机拖动可知，如下:(1) 对时间谐波和空间谐波的干扰进行忽略；(2) 不考虑磁饱和的情况；(3) 不计铁损 ； 在不改变异步电动机定子绕组中的相关量和三相电机的电磁性能的前提下，通过严格归算频率和相数，把异步电动机的转子相数、频率和每一相的有效串联匝数都换算为和定子绕

21、组一样。基于t型的异步电机稳态等效电路如图2-1所示：图2-1 异步电机等效电路其中，是定子绕组总电阻，是定子绕组总漏电抗，是换算到定子侧的转子绕组总漏电抗，是换算到定子侧的转子绕组总电阻。为与主磁通相对应的铁心磁路的励磁电抗，是与定子铁心损耗所对应的励磁电阻。为定子电压向量，为定子电流向量，为磁化电流向量，为定子感应电动势向量。基于t形等效电路的数学分析如下： （2-1） （2-2） （2-3） （2-4）由以上四式可得： （2-5）而在异步电机中，由于，所以可以省去，则式(2-5)可以表示为： （2-6）由t型电路可知，异步电动机输入电功率一部分消耗在定子铁心上称为铁耗，另一部分消耗在定子

22、绕组的电阻上称为定子铜耗，剩余其他的通过间隙传递到转子侧的功率称作电磁功耗。其中为： (2-7)磁性转矩可表示为： （2-8）由式（2-7）和（2-8）可得： （2-9）根据等效稳态电路得到： （2-10）将（2-10）代入式（2-9）得： （2-11）在刚起动时，由于转子n=0，转差率s=1，所以起动时转矩为： （2-12）由于电磁电流相对较小即接近零，近似为1，所以由式（2-6）得起动时电流: (2-13)从算式(2-13)和式(2-12)得出，起动时转矩正比于定子侧电压值的平方，起动时电流正比于定子侧电压值。起动时电压降低时，起动转矩相对较小，电流也较小；相反，如果起动电压升高，此时起动

23、转矩偏大，但同时起动时的冲击电流也很大。由于三相异步电机的起动性能主要体现在起动电流和起动转矩两个方面。在起动时我们既希望起动转矩足够大，能够使负载电机快速达到正常转速；同时，应尽可能减小起动电流。因为供电变压器的容量较小，过大的起动电流会造成整个线路的压降，从而影响同一电网上的其他设备正常工作。针对三相异步电机的起动特性，接下去将分析传统起动方式的原理及应用。2.2 三相异步电机传统起动分析三相异步电机传统起动方式有全压起动、传统降压起动、自耦变压器起动。根据文献910所述，下面将逐一介绍。2.2.1 全压起动全压起动是最常用的起动方式，也称为直接起动。它是将电动机定子绕组直接接入电源，在额

24、定电压下起动，具有起动转矩大，起动时间短的特点，是最简单，最经济的起动方式。但这种起动方式的起动电流可达到额定电流的48倍，对电网冲击大。而且会导致整个电网的压降，影响同一电网上的其他设备的正常工作。其原理图如下：图2-2 三相异步电机的直接起动图中包含元器件空气开关q、接触器km、热继电器fr和三相异步电机。在设计规范中，对起动电机而造成电力系统的降压作了明确规定。jgj/t1692民用建筑电气设计规范第10.2.1.1条规定：“起动交流电动机时，其定子上的有效电压应满足以下要求：(1) 如果频繁起动电机，起动电压不能低于90%的额定电压；反之，不频繁起动时，不能低于85%的额定电压。(2)

25、 不能与对电压波动敏感和照明的负载共用变压器，且起动不频繁时，不可低于80%的额定电压。(3) 当有单独的变压器给电机供电时，应按机械性能确定其起动转矩。通常规定，当三相异步电机的额定功率低于7.5kw时允许直接起动；反之，当其额定功率大于7.5kw，且电源容量较大情况下，满足下面公式时，电机也允许直接起动： （2-14）如果电机无法满足上述两种情况，则必须采用降压起动，把起动电流限制在允许的范围内。2.2.2 传统降压起动所谓降压起动是指在起动时降低定子绕组上的电压，等起动完成后，再把电压恢复到额定电压。由于降压起动在减小起动电流的同时，起动转矩也降低了。所以，降压起动适合轻载或空载的情况。

26、下面介绍两种传统降压起动方法：（1） 定子串接电阻或电抗起动定子绕组串接电阻或电抗从而降低定子绕组两端电压。由上述三相异步电机的等效数学模型可知：起动电流正比于定子绕组电压，通过降压可以减小起动电流。但起动转矩与定子绕组电压的二次方成正比，也就是说起动转矩会下降的更多。总结来看，这种方法适合空载或轻载的情况。其原理图如下所示：图2-3 定子串电阻或电抗起动原理图从原理图可以看出当电机起动时，闭合空气开关q，电机定子绕组串接电阻或电抗r，电机降压起动。当电机起动结束后，接触器线圈km闭合，电机电压恢复到额定电压正常运行。（2）星-三角形(丫-)起动星-三角形起动方法是在起动时将电机定子绕组接成星

27、形，每相绕组承受的电压为电源的相电压（220v）,减小了起动电流对电网的冲击。在起动后期按预设的时间转换成三角形连接，每相绕组承受电压变为电源线电压（380v），电机进入正常运行状态。星-三角形起动虽然简单，但由于定子绕组六端都要引出来，所以硬件上面比较麻烦。星-三角起动时，起动电流和起动转矩均变为全压起动时的。因此，这种方法适合空载或轻载。除此之外，当负载较轻时，可以让电机在星形接法下运行。其原理图如下：图2-4 星-三角形起动原理图图中接触器km2和km3形成互锁，任意时刻两者之间只能有一个闭合。当空气开关q和接触器km1闭合的情况下，闭合km2时，电机星形接入；当转换为km3闭合时，电机

28、变为三角形接法。其中，通过控制回路时间继电器kt的设置，来确定星-三角形转换的时间。2.2.3 自耦变压器起动所谓自耦变压器起动是串接自耦式变压器降压来减小加在电机定子绕组上的起动电压，待电机完成起动后，使自耦式变压器与电动机分离，从而使电机在全压下运行。自耦式变压器起动原理图见图2-5：图2-5 自耦式变压器起动原理图其控制过程为：闭合开关q后接入三相交流电源，然后按下起动按钮，使km1线圈通电吸合并自锁，随后主触头闭合，自耦变压器以星形接入。与此同时因为其辅助常开触点闭合，从而使得接触器km2线圈通电并吸合，其主触头闭合。通过自耦变压器的低压抽头将三相电压的60接入电机。当时间继电器kt延

29、时完毕后，线圈km1断开，使自耦变压器的线圈断电；同时km2线圈断开，切断自耦变压器电源，使km3线圈得电吸合，km3主触头接通电动机在全压下运行。自耦变压器起动的优点在于起动电压降为额定电压的，但起动转矩减小的更多；且自耦变压器不允许频繁起动，设备费用较高。2.3 无极软起动的介绍与比较基于传统起动方式及有级调压存在的问题，发展出现在的无极软起动，包括液阻软起动，磁控软起动和晶闸管软起动，由文献11分别简要介绍它们的特点。(1) 液阻软起动：液阻是一种由电解液形成的电阻，它导电的本质是离子导电。它的热容量大，且阻值正比于二块电极板的相对距离，反比于电解液的电导率，其极板距离和电导率都便于控制

30、。但其存在诸多缺点：液阻箱容积大，若减小容积，电解液温升将增加，使软起动重复性差；移动极板需要一套伺服系统，且移动速度较慢，难以实现起动方式的多样化；液箱中的水需要定期补充，且电极板长期浸泡于电解液中，表面会有一定的锈蚀，需要做表面处理(2、3年一次)。(2) 磁控软起动：通过控制直流励磁电流，改变铁心的饱和度实现限流作用的强弱变化。在起动开始时限流作用较强，在软起动过程中限流作用逐渐减弱，电抗器在起动完成后被旁路。由于磁控式软起动器体积大，耗电量多，故障率较高及较高维修费用的问题，不适合频繁起动。(3) 晶闸管软起动:随着电力电子技术的快速发展，晶闸管软起动技术已取得长足进步的结果。利用晶闸

31、管相控调压原理，通过控制电机定子绕组端的电压，实现电机的软起动。晶闸管调压装置具有体积小、结构紧凑，维护量小，功能齐全，菜单丰富，起动重复性好，保护周全等特点。下面对三种软起动方式列表比较：表2-1 三种软起动方式比较技术指标液阻式软起动晶闸管软起动磁控式软起动软起动的基本性能通过改变电极板距离实现无级降压起动，调节快速性差，1秒级的惯性，属于开环控制，有一定的维护量。通过微电子和晶闸管实现软起动，调节快速性好，0.01秒级的速率，闭环控制，可实现起动方式的菜单化。通过微电和子磁饱和实现软起动，调节速率是0.1秒级的，闭环控制，可实现起动方式菜单化。实现软停止的难易程度难易较易电动机保护功能初

32、级保护功能完善完善高次谐波小大较大价格比151012体积比10.20.30.5噪音小较小较大维护工作量较大小小软起动完成后是否旁路是不一定，可以继续参加节电运行是电力器件对环境温度的要求较高较高较低2.4 基于晶闸管软起动的原理与分析2.4.1 晶闸管调压原理由文献11 有两种晶闸管控制方式：一是控制相位，即通过控制晶闸管的导通顺序来调压；其次是周波控制，是把晶闸管作为静止接触器，交替的接通与断开几个周期的电源电压，通过变换接通与断开时间的比来控制输出电压的有效值，进而达到降压的目的。在对电机定子进行周波控制时，交替通断的频率不可太低，一方面容易造成电机转速波动，另一方面会使得每次接通就相当于

33、异步电机的一次重起。当切断电源时，转子中的瞬态电流将维持一段时间电机气隙中的磁场，并会随着转子旋转，从而改变气隙磁场在定子绕组中感应的电动势频率。当较长时间断流时，这个旋转磁场在定子中感应的电势和重新接通时的电源电压，在相位上会有很大的差别，这样就会引起电流冲击过大，危及晶闸管的安全运行。所以，在晶闸管的调压控制电路中，晶闸管通常控制相位。进行相位控制时，输出的电压波形非正弦波。波形中没有偶次谐波，奇次谐波中主要含三次谐波。但谐波会干扰异步电机的正常工作，引起转矩波动等不良影响。另外，由于异步电机属于感性负载，从电力电子学可以得出，当晶闸管交流调压回路带带感性负载时，必须使移相角大于负载的功率

34、因数角，才可起到调压的作用。当时，晶闸管导通时间将始终是180。其情况和=0时一样，相控调压不起任何作用，甚至在较窄的触发脉冲的情况下，会引起只有一个相位上的晶闸管工作，负载上出现直流分量，危害每相的晶闸管。为了确保晶闸管可靠触发，本次采用晶闸管调压电路时采用宽脉冲触发，移相范围控制在180。本系统采用晶闸管调压原理，基于jjr2000主回路设计，每相采用反并联晶闸管组分别串联在星形连接的电机定子绕组上。这是种谐波比较少的连接方式，调压性能非常优越，控制系统简单、可靠。为了方便处理分析，现做以下假定：(1) 采用三相对称正弦电压源，其内阻抗为零；(2) 相同性能的各晶闸管，对称触发，断开状态时

35、，认为开路且阻值无穷大；导通状时两端电压为零；(3) 电机为理想电机，其定子、转子绕组在空间产生正弦分布的磁通势；(4) 稳态运行时，电机的转速为常数。由于主电路中没有中性线，若要负载电流在工作时流通，至少要有两相构成通路。其中一相为正向晶闸管导通，另一相则是反向晶闸管导通。为了保证电路在起始工作时有两个晶闸管同时导通，并考虑到在感性负载与控制角较小时仍能保证不同相的两个晶闸管同时导通，本系统采用了能够产生大于60的宽脉冲触发电路。2.4.2 软起动的起动方式三相异步电机软起动器具有多种起动模式，可以满足不同需求，用在不同负载特性中。由文献12下面做详细介绍：（1）限流起动限流起动就是在电动机

36、的起动过程中限制其起动电流不超过某一设定值的软起动方式，其原理图如图2-6。电动机起动时，其输出电压从零迅速增加，直至电流到达限定值，然后在输出电流不大于该值的情况下，逐渐升高电压，转速逐渐增加，完成起动过程。此方法优点是起动电流小，并可以根据需要调整电流的限定值。缺点在于难以判断起动压降，无法充分利用压降空间，导致起动力矩损失。主要用于风机、泵类等负载。图2-6 限流起动(2)电压双斜坡起动在电压斜坡起动的基础上，克服其缺点，让输出电压迅速升至异步电机所需的最小转矩对应的电压，然后按设定斜率逐渐升高电压，直至额定电压。在加速斜坡时间期间，电机电压逐渐升高，斜坡加速时间可在一定范围内可调整，斜

37、坡加速时间一般维持在秒之间。这种起动方式的特点是起动电流较大，但起动时间相对较短，适用于电动机带重型负载时起动。图2-7 电压双斜坡起动（3）转矩控制起动转矩控制起动主要适合重载起动，它按照电机起动转矩线性上升的规律来控制输出电压。具有起动平滑、柔性好、有利于拖动系统，同时减少对电网的冲击的特点，是最优的重载起动方式，然而起动时间较长。其原理图如下：图2-8 转矩控制起动原理图（4）脉冲突跳起动脉冲突跳起动是在起动开始阶段让晶闸管在极短的时间内全导通后回落，再按原设定的值线性上升，进入恒流起动。该起动方法适用于重载并需克服摩擦的起动场合，可减少起动时的振动。但是，突跳会给电网发送尖脉冲，干扰其

38、它负荷，应用时要特别注意。图2-9 脉冲突跳起动原理图（5）电压控制起动电压控制起动是在保证起动压降一定的前提下使电动机获得最大的起动转矩，尽可能地缩短起动时间，是最优的轻载软起动方式，其原理图如图2-10所示：图2-10 电压起动控制原理图第三章 软起动器的硬件电路设计三相异步电机软起动控制器硬件电路主要包括三个部分：主回路、控制电路、保护电路。其中主回路单元有：三相电源、三组反并联的晶闸管，三相异步电机；控制回路单元有：同步检测电路、触发信号电路，电流/电压反馈回路；保护回路单元有：过流保护电路，过/欠压保护电路等。此外还有键盘电路和显示电路，下面给出硬件系统的总方框图：图3-1 三相异步

39、电机软起动控制器硬件部分总框图3.1 主要器件的介绍3.1.1 单片机at89c51据文献13at89c51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器（fperomflash programmable and erasable read only memory）的低电压，高性能cmos8位微处理器，俗称单片机。该器件采用atmel高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的mcs-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位cpu和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel的at89c51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。图3-2和图3-3分别表示at89c5

40、1的内部结构和外部引脚图：图3-2 at89c51单片机内部结构图图3-3 at89c51单片机外部引脚图（1）主要特性 89c51 cpu与mcs-51 兼容 全静态工作：0hz-24khz 4k字节可编程flash存储器(寿命：1000写/擦循环) 三级程序存储器保密锁定 128*8位内部ram 32条可编程i/o线 两个16位定时器/计数器 6个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路（2）管脚说明 vcc：供电电压。 gnd：接地。p0口：为一个8位漏极开路双向i/o口，每脚可吸收8ttl门电流。当p1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。p0能够用于外部

41、程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在flash编程时，p0口作为原码输入口，当flash进行校验时，p0输出原码，此时p0外部必须被拉高。p1口：p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能接收输出4ttl门电流。p1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，p1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在flash编程和校验时，p1口作为第八位地址接收。p2口：p2口为一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p2口缓冲器可接收，输出4个ttl门电流，当p2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，p2口的管脚

42、被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。p2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，p2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2口输出其特殊功能寄存器的内容。p2口在flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。p3口：p3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向i/o口，可接收输出4个ttl门电流。当p3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，p3口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。p3口也可作为at89c51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能

43、p3.0 rxd（串行输入口）p3.1 txd（串行输出口）p3.2 /int0（外部中断0）p3.3 /int1（外部中断1）p3.4 t0（记时器0外部输入）p3.5 t1（记时器1外部输入）p3.6 /wr（外部数据存储器写选通）p3.7 /rd（外部数据存储器读选通）p3口同时能为闪烁编程和编程校验接收控制信号。3.1.2 同步变压器 同步变压器是用来为晶闸管提供同步信号，然后来控制其电压。 在晶闸管整流电路中，晶闸管需要一个触发脉冲来控制其导通，而在什么时刻给可控硅发触发脉冲是要有时间基准的，而这个时间基准通常便是晶闸管的阳极电压。即要使触发脉冲与阳极电压同步，最直接的做法便是引阳极

44、电压来作为触发脉冲。但是这其中出现一个问题：一般整流桥阳极电压都比较高，不能直接引入控制装置，因此需要利用一个变压器来降压，并同时起到一定的隔离作用，这个变压器就是同步变压器。 简言之：同步变压器的功能是将晶闸管阳极电压变压来作为此晶闸管的控制信号，有此作用的变压器就叫做同步变压器。此次所用型号为tbk1a-869/7.13型。图3-4 各种同步变压器3.1.3 开关变压器开关变压器和开关管一起构成一个自激（或他激）式的间歇震荡器，从而把输入直流电压调制成一个高频脉冲电压，此次设计用到的为ec型开关变压器。(1) 起到能量传递和转换作用：在反激式电路中，当开关管导通时，变压器把电能转换成磁场能

45、量储存起来，当开关管截止时则释放出来。在正激式电路中，当开关管导通时，输入电压直接向负载供给并把能量储存在储能电感中。当开关管截止时，再由储能电感进行续流向负载传递。(2) 把输入的直流电压转换成所需的各种低压特性参数:电压比：指变压器的初级电压与次级电压折比值。直流电阻：即铜阻。效率：即输出功率/输入功率*100%。绝缘电阻：变压器各绕阻之间及对铁心之间的绝缘能力。抗电强度：对于电源变压器，安全规程要求初级对次级（外壳）耐压为ac3.75kv 1mim 1ma。3.2 晶闸管相控调压原理晶闸管单相调压等效电路如图3-5所示，其中是电机定子一相等效阻抗，是电网的相电压，是电机定子端输入电压。设

46、。 图3-6 晶闸管输出电压波形 3-5 晶闸管单相调压电路 图3-6是一相晶闸管输出波形示意图。控制角和功率因素角决定了晶闸管的输出电压值。晶闸管是正负半周对称触发，晶闸管的有效输出电压值可由式（3-1）算出：（3-1） 由公式可知，是晶闸管控制角、功率因数角及供电电压u的函数。当供电电压不变时，通过改变晶闸管的控制角，可以改变晶闸管的输出电压。在文献23中，给出了触发角，导通角和功率因数角之间的关系，见公式3-2： （3-2）在三相异步电机中，功率因数角是随着电机转速改变而改变的，所以在改变触发角时也要兼顾到功率因数角，这样才能使三相异步电机的电压按照预定的规律变化。3.3 主回路的设计3

47、.3.1 主回路电路图4-7 三相异步电机软起动器的主回路电路根据文献141516描述，结合此系统要求，主回路采用三组反并联的晶闸管构成调压电路。在三相电源侧接入熔断器，当出现过流情况时对整个电路起到保护作用。此外，在三相电源和三组晶闸管之间接入接触器。当软起动开始时，接触器处于断开状态；当进入软起动末期时，接触器闭合，使得电机直接接入三相电源。当软停车开始时，接触器再次闭合，软停车开始。每相晶闸管组并联的rc网络主要起两种作用：(1)利用电容两端电压不会突变来抑制电路电压的上升率。(2)由电阻r和电容c起到阻尼作用，防止r、l、c在转换过渡期间，因振荡在电容两端产生的过电压对晶闸管造成损坏。

48、每相接地的电容起到滤除残留交流信号和高次谐波，接地采用星形接地时为了减少谐波分量。晶闸管输出侧的电流互感器用来采集输出电流，通过整流，滤波，光耦隔离后送入单片分析。3.3.2 晶闸管参数的选择晶闸管的参数选择很多，而应用于软起动时，主要是额定电压、额定电流的计算与选择。晶闸管由于较低的过电流过电压能力，并常常工作在不同的电流波形情况下，给额定电流的选择带来一定的困难，如果不当地选择额定值，会造成不必要的损失或浪费。根据实际工作状况，在满足要求的前提下，应尽量降低晶闸管的额定值，从而减少设备投资。由文献1718所述，这就需要满足下面两个条件： 首先，晶闸管的正、反向峰值电压udrm和urrm应为

49、晶闸管实际承受最大峰值电压um的23倍，一般在考虑有过电压吸收回路的情况下，所选晶闸管耐压值为： （3-3）在本次课题中电机为380v的三相异步电动机，根据公式计算可得晶闸管耐压在1075v1612v范围内。 其次，是在环境温度为和规定的冷却条件下，带电阻负载时的单相工频正弦半波电路中，管子全导通(导通角不小于170)并且稳定结温不超过额定值时所允许的最大平均电流。为使晶闸管在工作过程中不因过热损坏，实际有效值应在乘以安全系数152后才能等于。公式如下： （3-4）本文中使用的异步电机功率2.2kw，额定电流4.8a。所以的值27.5a42.8a。3.3.3 晶闸管触发电路 晶闸管触发电路是整

50、个硬件很重要的部分，能否及时、准确的触发晶闸管决定着软起动的实现与否。而晶闸管的导通是由门极触发脉冲来实现的，对于门极触发脉冲有以下几点要求：(1) 由于晶闸管在触发导通后，门极控制就失去作用，为了减少门极损耗，所以触发信号采用宽脉冲形式。(2) 为了保证晶闸管的触发，脉冲宽度必须满足在其消失前阳极电流不小于晶闸管的门坎电流。(3) 应有良好的抗干扰性能，温度稳定性及与主电路的电器隔离。(4) 由于门极参数的分散性以及其触发电压，电流随温度变化的特性，为了能可靠触发，晶闸管触发电压和电流必须大于门极触发电压和电流。由于单片机给定的触发信号其幅值和功率都偏小满足不了要求，所以要对其进行足够的放大

51、来满足要求。晶闸管触发电路如图3-8所示： 图3-8 晶闸管触发电路根据文献13所述并结合自己设计思想，上述电路图是一相晶闸管组的触发电路。主要有光耦tl817、npn型三极管、脉冲变压器tf1及相关附属电路构成。其工作过程为：当单片机中有一引脚产生脉冲信号，就会经过光耦tl817进行隔离和放大，信号电压经分压后被三极管q11采样，采样信号经过三极管放大后送入脉冲变压器，由脉冲变压器产生晶闸管所需的脉冲。通过合理取定r82和r83的值，可以使信号放大更多。电路中的r84、vd81和r85、vd83是给脉冲变压器释放其储存能量所用。3.4 电压检测回路在电压检测部分，共有三部分组成。一是同步信号

52、检测部分，检测三相电压的自然换相点；二是电压反馈回路，通过采样晶闸管输出端电压信号，来作电压反馈和缺相故障诊断；三是过/欠压保护电路，通过采样晶闸管输出端电压，经整流、降压、滤波后，由a/d转换器送至at89c51分析，下面具体阐述。3.4.1 同步信号检测电路由文献1920可知，为了确保软起动器主回路中各个晶闸管的触发脉冲与阳极电压保持严格的相位关系，在系统中必须设置同步信号检测电路。只有精确的测量出电压的过零点，才能精确控制晶闸管的导通角。而导通角又由触发角来控制，也就是测出电压过零点后，可以通过控制触发角的大小，来实现电机两端的无极加载。电路图如图3-9所示，从图中我们可以看出该电路的功

53、能是把线电压正弦信号转换成低压方波信号，通过光耦tl817隔离高低压信号后，送至单片机分析处理。图3-9 同步信号检测电路i该电路大致工作过程为：线电压经过同步变压器隔离降压，然后由r71、r72和vd36降压，整流，并经过光耦隔离后，产生5v的方波信号，频率为50hz。由于光耦在电源负半周期截止，所以此方波信号的负半周期为零。该电路在起动瞬间就开始检测电压零点，并且直接从电源侧引入电压，节省了硬件成本。下面给出与图3-9很相似的电路，来检测电压源的缺相故障。其电路图如图3-10所示：图3-10 同步电压信号检测电路ii由图3-9和图3-10可知，在正常工作情况下，当uv线电压发生正跳变时（即负半波变为正半波），vw线电压为负，送入单片机引脚的为低电平；当uv线电压发生负跳变时，vw线电压为正，单片机相应引脚为高电平。当发生缺相故障时，uv线电压无论怎样跳变，vw线电