交流异步电动机软起动器的硬件设计说明书.docx

1、交流异步电动机软起动器的硬件设计The Hardware Design ofACAsynchronousMotor Soft Starter1.2国内外研究现状软启动大概在七十年代创造。近些年来，由于微控电子技术的快速开展，工业中 也逐渐开场采用软启动技术来代替传统的起动方法。三对反并联的晶闸管是常用的软 起动技术。软启动的工作原理很简单。目前在国外，为了使三相交流调压电路的负载性能更好，好多专家都己经摒弃原 来旧的方法，如开环，闭环方式，改用完整的、准确的数学模型来控制晶闸管三相交 流调压起动，电机负载的控制方法，从而使三相交流调压电路电机负载性能更好。国外软启动器大概有两种，一种是晶闸管构

2、造，另一种是变频器。在生产工 艺兼有调速要求时，采用变频装置。晶闸管软启动一般用在起动负载较轻时和在没有 调速要求使用的场合下。变频软启动用在重载或负载功率特别大的情况下。品闸管软 启动装置不仅是兴旺国家软起动的主流产品，各知名电气公司都有自己的研发品牌, 但是在其功能上又各具特色。例如GE公司生产的ASTAT智能电机软起动器；ABB 公司产的PST、PSTB系列也有软起动;施耐德公司的ATS46软起动器;德国SIEMENS 公司的3RW22 SIKOSTART软起动器等等。我国的软启动大概在80年代兴起。现在我国自主研发的软启动设备有两种，一 种是JKB型软起动器，另一种是JQ, JQZ型固

3、态节能起动器。根据市场的调查报告 分析，以及客户的需求可知，结合国外的技术，再加上自主研制和不断的实验，我国 的软启动将会有一个质的飞越，这只是未来的一种假设。现实中尽管取得了一些成绩,技术方面和人才方面的缺乏，加上对国外产品的严重依赖，导致我国的软启动技 术一直处于相对较低水平。和国外的技术相比，我国的科学技术还不是很成熟，整体 的是差距是明显的。下面是一些明显的举例。(1) 国家整体技术落后，虽然投入很多金钱和物力，但是科技的差距，文化地域 的不同，导致国内到现在都没有形成产业规模。(2) 半导体功率器件在我国制造业规模较小，不能大规模生产。(3) 相关配套产业及行业落后于国外。(4) 销

4、售产量少，可靠性，耐用性等工艺水平均不高。因为软启动可以在很好的结合强弱电，又可以很好的和其它设备完美的结合在一 起。而且它是微控技术控制的设备，不仅可以控制电压，还可以根据它来采集信息等, 为测量提供了很好的根底。随着科技的开展，软启动有以下的开展方向：(1) 随着科技的开展，适应科技时代的要求，设计的时候可以提高起动转矩。(2) 实现高水平的控制，向智能化的方向开展。(3) 随着起动器广泛的应用，将向最合理的电压方向开展，变得更加完美。(4) 向小型化方向开展。1.3设计的内容和主要工作(1) 设计的内容利用单片机AT89C51控制晶闸管交流调压方式进展电子软启动器设计。主电路 比拟简单，

5、主要是调节电压的设备和一个接触器组成。调节电压的设备内部是一组晶 闸管反并联组成。接触器的作用相当于一个开关，它并联在软启动的两端，当起动完 毕后，合上接触器，短路软启动，使电机直接接入电源工作。(2) 主要工作 设计方案论证、比拟及确定，分析软启动器工作原理，选定主电路设计方案。 设计完整的硬件电路图，包含各个局部。 元器件选型及有关计算，晶闸管参数计算和型号选择。 软件仿真分析机相关的调试。第2章 三相异步电动机的起动控制的研究交流三相异步电动机的传统起动方法在很长的时间内，起着重要的作用。但是都 有一定的缺陷。当创造了以晶闸管控制的软启动器后，因为新型的起动方法优点众多, 不仅高效，省钱

6、而且节能，符合时代开展的规律。所以很快的取代了传统的起动方法。2. 1三相异步电机的启动方法目前异步电动机的起动方法有两大种，分为全压起动和减压起动。全压起动的道 理相对来说，很简单，就是直接通电，没有别的设备辅助，俗称直接起动。减压起动 又分为两个方面，一个是传统的减压起动，一种是现在特别流行的电子软启动。旧的 减压起动的方法也包含了很多，传统的有三种，比方有定子回路串电抗器减压起动， 星一三角减压起动和自耦变压器减压起动闾。每一个起动，都有自己的特点。虽然本 身的设计有一定的问题，但是不同的场合，需要不同的起动方法，并不是一个起动方 法，就适合所有的场合。本设计的任务书要求用单片机控制晶闸

7、管制成的电子软启动 器。所谓的这种电子软启动器，属于软启动的一种，原理也是降低电压起动。为了更 好的介绍本设计中设计的软启动器，以下选取了同样是减压起动原理的串电抗器减压 起动来做比照。下面就传统和新兴的起动方法分别做详细介绍。2.1.1传统的起动方法介绍为了更能清晰的，简洁的了解各个起动方法的优缺点。特此制作了一个表格。如 表2-1所示。为了能够更好的和新兴的软启动作比照，表达设计的软启动的优点，选 取一种方法，即详细的介绍了串电抗器减压起动。这是最简单的一种起动方法。原理 也是很简单，通俗的解释就是电路中串一个电阻。当然这个电抗器也要根据电机的参 数来选择型号。设备串一个类似于电阻的器件，

8、根据根本电路原理，电抗器是分压的 作用。电机两端的电压变小，起动的电流就变小，这就是串电抗的原理。当起动完毕 之后，再切除电抗器，这就是串电抗起动。这种方法起动时，优点是起动电流减小，但是也有很多缺点，比方起动转矩和电 压二次方关系降低，电流下降的会更多，所显示的起动特性也不是很好，所以这样方 法经济适用性比拟低，生产中很少使用。表2-1异步电动机传统启动方式启动方式 启动电流 启动转矩 优点 缺点应用场合直接启动11定子串电阻,.2启动UUY一启动1/31/3自藕变压器1 /心2降压启动1 / K1 / K直接启动11定子串电阻,.2启动UUY一启动1/31/3自藕变压器1 /心2降压启动1

9、 / K1 / K启动设备 简单启动冲击电中小功率电流大，冲击力动机轻载或矩大空载启动启动设备有级调速、启适用于空载简单动转矩小或轻载启动启动设备有极、有二次 冲击正常运行为简单，可接法，空载频繁启动或轻载启动启动转矩有极、设备体 积大、不能频较大容量电 机、较大负载不频繁启动较大繁启动、屡次 冲击2.1.2三相异步电动机的软起动近些年来，由于微控电子技术的快速开展，工业中也逐渐开场采用软启动技术来 代替传统的起动方法。三对反并联的晶闸管是常用的软起动技术。软启动的工作原 理很简单。在上一节的内容中，已经介绍了电机起动的好多方法。这些方法既然被创 造出来，肯定有它的优势，但是现代要求的越来越高

10、，传统的方法己经跟不上时代的 节奏。软起动的创造可以说是应时代而生。以下简单的来分析一下其工作原理。通俗 来讲，本身可以算作一种调节电压的设备。其中的晶闸管更是软启动的经典。首先， 晶闸管可以整流，其次晶闸管还是可控的器件。这种器件的搭配，将是最正确合理的 调节电压的设备。但是控制交流电源，输出的不是连续的。为了能够让设备更加合理 的工作，在此将晶闸管反并联起来，这样无论是正负脉冲，晶闸管都可以连续的工作, 输出稳定的电压。并不是所有的调压设备都是完美的，有的连接方式不是很合理，虽然也能导通， 也能控制电压。但是一些保护措施，一些滤波设计的并不是很好。就像有一些软启动 器，能产生谐波，自身没有

11、滤波的功能，这对电网和设备都有很大的影响。总体来说, 软启动的整体优势还是很明显的，比方减少起动过程因为电流的冲击，对其它设备的 影响；减小了起动电流，不会让电机因为长时间发热，损坏电动机，能延长电机电机 的寿命。软启动器不仅可以起动，还可以停车，特别方便，效率超级高，所以它能取 代传统的方法，被广泛应用。2.2软起动的原理及分析2.2.1软启动器介绍及原理软启动器是一种有具有多种功能的新型电机起动控制设备。因为它突出的实用特 性，所以在现代绝大多数的场合，都取代了传统的起动方法。软启动器工作原理很简单，通俗来讲，就是一种很常见的调节电压的设备，只不 过构造比拟特别。晶闸管因为特点突出，整流单

12、相整流和三相桥整流最常见)；可 控的开关，平时的开关就是一个比拟简单的构造，可控开关，从字面的意思理解也很 简单，可以控制，而且晶闸管可以准确到每一个细节。因为它是通过脉冲触发，来控 制输出电压的大小。现实中，交流是不连续的。所以产生的脉冲也是不连续的，为了 能一直连续，将两个晶闸管反并联，无论正半轴，还是负半轴，都可以进展工作，这 样的话，输出的电压和电流是连续的、稳定的值。本设计的任务书中，要求安装接触 器。这是一种很简单的设备，通俗来讲，就相当于一个简易开关。软启开工作的时候, 开关不用动作。软启动不工作了，开关动作，将软启动器短路。不要无视了这一个简 单的接触器，在软启动的设计中，这个

13、开关占据很重要的地位，不仅可以很好的保护 设备，延长其寿命，还能提高工作的效率。2.2.2软启动器启动方式软启动器一般有下面几种启动方式：(1) 斜坡升压软启动这种起动方式是软启动里面最简单的，没有复杂的闭环函数，仅仅是控制晶闸管 的导通，来控制输入电压的大小。很明显，它的缺点也是明显的。由于构造简单，没 有保护措施，导致电流过大，来损坏晶闸管，对电网和其它设备都有一定的影响，所 以平时很少使用。(2) 斜坡恒流软启动斜坡恒流，通过字面的意思，也可以很清楚的了解这种起动的意思。斜坡肯定是 比拟缓慢，斜率比拟小，说明电流增加的比拟慢。恒流是一直保持一个数值，这里的 意思是固定一个电流值，等到完全

14、起动后，再改变。这种方式是电机起动最常用的方 式。优点很多，主要是起动电流小，可以随时调整电压。但是缺点时因为电流较小， 会有相应的转矩损失。总体来说，这种方法在现实中是很受欢送的，风电机，泵机等 一类的经常用到。(3) 转矩控制启动方式这种方法结合了模糊控制理论，采用PID调节，解决了起动转矩超调和震荡，使 得这种起动方式让电机平滑的起动，由于控制各个条件不超调，所以也经常采用。但 是它的缺点是起动时间过长，对于要求短时间起动的场合，不适用。(4) 调压起动这是最常用的一种方法，其中晶闸管调压更是现在最流行的一种。原理是用某种 方式触发脉冲，让晶闸管按照一定的角度导通，通过不同的电压，从而改

15、变电机的输 入电压。本设计种采用第四种方法。2.2.3软启动器的四种运行状态软启动器有4种运行状态：(1) 跨越运行模式就是当晶闸管完全导通时，将电机完全接在电源下工作，晶闸管相当于导线。比 拟适合短时间重复起动的电机。(2) 接触器旁路工作模式这是一种很简单的工作方式，就是将接触器并联在器件的两端。接触器相当于一 个开关，软启动完毕，接触器就工作，相当于短路晶闸管。这样的方式虽然简单，但 是可以很好地保护器件，节约本钱。这种工作模式也可以控制多个设备的运行，就相 当于一个开关控制多个设备。(3) 节能运行模式节能的最终目的就是减少不必要的措施，一样的条件下，效率更高。我们可以根 据电机的不同

16、需求，尽可能的在保证电机运行的条件下，更合理的调节各局部。(4) 调压调速模式这种模式是用晶闸管完成，脉冲来控制晶闸管导通，从而来改变电机的输入电 压，到达调速的目的。为了能够更好的有一个调速的范I韦I，有时候需要在电机转子线 路中串接一个电阻来实现。2.2.4软启动器的四种停机方式软启动器有4种停机方式可供选择(1) 自由停车假设让电机自然状态下停车，可以采用直接切断电源，依靠自身的阻力来停车。(2) 软停机车软停车和软启动的原理一样，只是一个过程相反的表达。(3) 泵停机或非线性软制动这种方式适用于惯性力矩较小的泵的驱动。根据事先设定的曲线来检测电流的大 小，以此来调节相应的数值。(4)

17、直接制动这种制动就是强制制动，用非常规的方法致使电机停顿工作，某些场合能用到， 但是不怎么通用。方法就是给交流电动机直接接直流电源。第3章软启动器主电路设计3. 1软启动器电路总体框图本设计硬件控制主要包括两大局部，一个是主电路的仿真，另一个是硬件电路的 控制电路。主电路包括三相电源、三相反并联的晶闸管、三相交流异步电动机。在主 电路中，电动机的参数决定了主电路中晶闸管的参数和型号。控制的设计和所要控制 的异步电动机的容量无关，可以设计成通用型的。控制电路的各个局部均在以下框图 中明确的标出。系统的总体框图如图3-1所示。图3-1 软启动器硬件总体框图3.2软启动器主电路的设计3. 2.1主电

18、路设计主电路是本次毕业设计的重中之重，为了能很好的设计出完善的主电路，首先阅 读了众多的资料，从而确定了主电路的接线图。用一对晶闸管反并联。因为异步电动 机是三相交流电，所以本设计中，每一相都要进展控制，所以需要三组反并联。任 务书中要求用接触器来断开或者连接晶闸管。本设计为了操作简单，节约本钱，在符 合要求的条件下，直接并联在晶闸管的两端。下列图就是本次设计的主电路图，其余的一些器件做保护作用。本设计采用了软启动器最简单的接线方案，但是优点众多, 比方这种连接方法由于各相波形对称，输入电机的电压不含偶次谐波，谐波比拟少, 因此功率可以做的较大，调速性能也比拟优越回。图3-2主电路设计3.2.

19、2晶闸管参数选择晶闸管的选择参数很多，在本设计中，主要是根据电机的容量来确定晶闸管的参 数和型号。晶闸管容易坏，自保能力低，而且电压不稳定，用在很多场合不同的电流 波形下，选择正确的晶闸管显的尤为重要。如果选择的参数不对，不仅会造成晶闸管 的损坏。有可能对整个电网都会造成事故。本次设计中，在保证电路能够正确运行的 前提下，主动降低器件的电流和电压，这样不仅平安，而且还节省费用。以下是一些 详细的晶闸管参数。第一，超过晶闸管额定电压的23倍的电压时，晶闸管就会不同程度的损坏。在 本设计的任务书中，规定的电机额定电压为380V,由此可以算出晶闸管的耐压范闱 在 1075V 1612V。第二，晶闸管

20、的额定通态电流ITAV指的是工频正弦半波平均值，其对应的有效 值应满足IRMS =1.57ITAV°但是实际中满足(1.5 - 2)V = 1.57/L4 V 0本设计给出的异 步电机功率参数为4KW,额定电流0.82Ao由于异步电机直接起动时的电流为额定 电流的67倍。因此晶闸管的ITAV范围在4.92A5.74A。第4章控制电路设计4.1主要器件的介绍4.1.1控制电路软件介绍Proteus是一种英国的一个公司创造的电路和实物的仿真软件。它的功能强大， 绝大多数的的功能都可以实现，它收集了目前大局部主流的单片机，对电气专业的帮 助很大，可以通过这个软件，先进展电路的仿真和调试，在

21、不知道具体的参数的情况 下，可以通过不断地实验，调试，最终得到想要的参数，这样不仅可以保证在做实物 时的平安，而且还可以很好的节省本钱。本设计的控制电路的设计就是用proteus画 出来的，在初期的时候，对这个软件不是很熟悉，但是经过图书馆的查阅资料，网上 的学习，对这个软件有了出不多的学习，以下是简单的操作。(1) 首先翻开软件，图4-1是用户操作页面，上方是工具栏，左边一栏是快捷栏， 可以根据器件的型号和名称，在工具栏中搜寻，然后拖拽到右边的空白页面。图4-1用户操作页面(2) 将各个器件拖拽到空白处之后，按照预先设置的位置，将各个器件进展摆放 和连线，图形的位置和连线是很容易上手的，只要

22、多加练习，很快就可以上手。图 4-2是制作过程中控制电路设计的一局部。图4-2元器件连接图(3) 软件里也有很多实际中没有的器件，经过查阅资料，根据所学知识可以自行 绘制器件，再添加到库里，然后提取使用。图4-3就是在封装库里搜寻单片机196KC, 但是没有。这个时候，解决的方案有两种，一种是找功能类似的单片机，再有一种是 利用软件做一个196KC的封装库，然后添加进去，再使用。图4-3查找元件图毕业设计任务书题目交流异步电动机软起动器的硬件设计一、设计（论文）内容利用单片机AT89C51控制晶闸管交流调压方式进展电子软启动器设计。主回路主要由三组反并 联晶闸管和接触器组成，通过控制反并联晶闸

23、管组的导通改变加载在电机两端的电压；而接触器的 主要作用是在软启动过程完成以后，把反并联晶闸管组从三相电源中旁路。在需要软停车时，再把 软启动器装置接入到电机回路中，完成软停车的功能。根本要求1. 分析软启动器工作原理，选定主电路设计方案2. 系统主电路设计，晶闸管参数和型号选择3. 软启动器控制回路、过压保护、过流保护、电流检测电路设计，选择设计参数和器件型号 主要技术指标异步电动机参数：额定功率：Pn=AKM 额定电压：UN =380V：额定电流：IN = 8.2A :额定转速： = 1450/7 min ；效率： =86%；功率因数：cosq = 0.85；过载系数：2 = 2.2 ；电

24、压波动：±10%；极对数：P=2o应收集的资料及参考文献1 彭鸿才.2 陈伯时.31周德泽.进度方案第1-2周第3周第4-6周第7周第9T2周第11-13周第14-15周二、三、四、五、电机原理及拖动M.第二版.北京：机械工业出版社,2010. 自动控制系统M.北京：机械工业出版社，1981.电气传动控制系统的设计M.北京：机械工业出版社，1985.开题报告设定方案系统主电路设计中期辩论控制电路设计 撰写毕业设计说明书 辩论教研室主任签字4. 1.2 AT89C51 介绍本设计中，在硬件电路设计的时候，用的单片机AT89C51来做控制的核心，来 控制整个电路运行响。以前学过其它的单片

25、机，如80C5U某些方面是一样的，但是 有一些功能是不同的。AT89C51是一种在行业内广受应用的一种单片机，因为低功 耗，高性能。内部的各个器件都采用世界上高水平公司的产品，确保器件的质量。单 片机内部相比照拟复杂，所能完成的各个功能也特别多，此次设计的电路中，只用到 单片机的几个输入输出口，如图4-4就单片机的引脚做了一些简单的介绍。图4-4 AT89C51引脚图4. 1.3 AT89C51管脚功能介绍因为单片机的功能很多，管脚也特别多，这里就简单的介绍一些常用的引脚。VCC:供电电压。GND:接地。P0 口：P0 口也是通用10 口。但是不同的是P0 口没有上拉电阻，可以驱动8个 TTL

26、门。P0 口默认是高阻状态，是要加上拉电阻才能加强输出能力的，如果你接一 个上拉电阻至+5v它自然会变成红色，即高电平状态了。P1 口：是一个标准的输入输出口。如果想出高电平，也就是1的信号，需要写入 1的时候，上拉电阻变为高。如果想让P1 口输出为电流，需要下拉为低电平。它作 为地址接收口。P2 口：和P1 口功能一样，作输入输出I/OP3 口：输入输出口。还可以备用RST：它是单片机的复位输入ALE/PR0G：单片机的地址锁存允许信号端PSEN：选通信号。用于外部程序储存器的选通信号XTAL1：输入口的作用XTAL2： 一种输出口，振荡器的相反接口P3.0 口：引脚功能表P3 口引脚 第二

27、功能P3.0 RXD:串行口输入P3.1 TXD:串行口输出P3.2 INTO：外部中断()输入P3.3 INT1：外部中断1输入P3.4 TO：定时器0外部脉冲输入P3.5 T1：定时器1外部脉冲输入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在所有的的单片机电路中，无论设计多么的简单和复杂，都有必须的根本电路， 这是单片机工作的根本条件，也是能工作的根本前提。下面就本次设计，简单的介绍 了一下这些必须电路。晶振电路如图4-5所示，这就是晶振电路，可以看到，晶振电路非常简单，就是一个晶振, 两个电容。晶振的作用是提供晶振周期，就像人类的心脏的作用，没有晶振，单片机

28、 就不能工作。图4-5晶振电路图每一个单片机自身所配置的晶振管的参数都是固定的，本设计中的单片机 AT89C5I的晶振所用的是12M,这个晶振只要不超过12M就可以，为了计算简单， 这里取值12o电容的取值范围也是固定的，本设计中用到的C27, C28的范围是 20pF-40pF,这里按照一般的设计选取，取值为30pF。电容的作用可以储存电荷，也 可以隔断直流，滤波等。(2) 复位开关复位电路的作用就是用来把电路恢复到起始状态，功能类似于计算器的清零按 钮，方便系统回到初始状态，以便重新进展统计和计算。本设计中的复位电路由VCC、 按键SI、luF的电容C29以及10k的电阻R53组成。VCC

29、为单片机提供电源，工作 电压为4.755.25V；按键S1为单片机复位按钮；电容C29与电阻R53的值共同决 定着电容的充电时间，即电容的充电时间与RC的值成正比，而10k的电阻R53的作 用就是控制复位时间。本设计的单片机复位电路如图4-6所示。图4-6复位开关图4.2晶闸管保护电路设计平时所说的晶闸管，全名是半导体闸流管。它一般用硅材料做。这种器件本身易 损坏，过电压和过电流能力特别弱。本设计中尤其要注意对晶闸管器件的保护，如果 晶闸管损坏，整个仿真，整个电路都不会出正确的结果。所以，要设计保护器件的电 路，确保仿真的平安运行。(1)过电流保护晶闸管发生过流的原因有很多，比方晶闸管被击穿、

30、器件选择的参数错误或者是 线路有故障。解决过流的方法最直接，最容易的就是用快速熔断器，当然还有别的方 法，但是大多数情况下，都用熔断器。本设计中，就是采用的市场上常用的快速熔断器。在硬件电路中参加快速熔断器, 这是最常用的一种措施，目的就是为了来保护晶闸管的过电流。在晶闸管选择方面要全面的考虑，因为普通熔断器的反响动作太慢，一般情况下 普通的晶闸管还未动作，晶闸管就已经被被烧坏，所以本设计为了平安考虑，不予考 虑。本设计电路中用银制熔丝埋于石英沙内制成的的快速熔断器，它的反响动作快， 熔断时间极短，能够很好的保护设备。(2)过电压保护电压斜率上升的比器件本身的快，就会烧毁器件，这是最简单的一个

31、事故，也可 以称为过压。电压保护同样和电流保护一样重要。如果电压处理的不妥当，器件也会 被烧毁，整个的电路和仿真都有可能损坏。所以要特别严格的控制电压。本设计中为了节约本钱，并考虑到简单易解，用最常用的并联RC电路。这个电 路的构造是平时最常用的，图4-7中可以很清晰的看到，具体的原理就是：电容吸收 并转化多余的电压，电阻负责消耗。参数的计算：电路图4-7中的晶闸管是一种设计保护电路常见的。图4-7晶闸管保护电路选用IN4007型，这是一种铐二极管。它的参数范围比拟广泛，额定正向工作电 压为1A,反向耐压是1000V,具有单向导电性。DI, D2的阻值是1K,根据IN4007 的参数来确定的，

32、起到分流保护的作用。Cl, C2为电解电容，这种单位体积电容量 非常大，耐用，而且价格也比拟廉价。它的范围是l-47uF,此处为了平安考虑，都 选用47uF, R10是保护电阻，一般1K足以保护电容不被击穿。此处的作用是交流旁 路电路，作用是滤波。图4-7是主电路调压器局部的保护电路，因为设计中用到的是三相交流电源，这 里只研究一路，其余的两路和这个局部是一模一样的。4.3晶闸管触发电路设计在本次设计中，晶闸管能否导通，能否按照设定的角度导通，是整个设计的关键 ，0在本设计中，设计了触发电路，目的就是为了能够很好的辅助设备导通。晶闸管 对触发电路产的根本要求：(1) 触发信号需要功率。对触发的

33、设备和晶闸管的设备来说，前者要大于后者， 才能够驱动电路。否那么是不会导通的。(2) 脉冲需要宽度，本设计中，合理的脉冲宽度，是导通的前提，所以需要保证 一定的宽度。(3) 触发脉冲的移相范围要在驱动晶闸管的范围之内。移相范围过小或者过大， 都不能使晶闸管正确的工作，所以正确的范围是能都保证本设计出正确结果的关键。(4) 脉冲信号要和电源的电压信号同步。这是让晶闸管导通并流过电压的关键， 只有二者同步，晶闸管才可以控制电机的起动，晶闸管起到应有的作用。参数计算：图4-8中MOC3022是光可控硅，它的驱动电压为3V,电流为50mA,耐压为250V, 驱动电流范围5-10mA； R6, R7是上

34、拉电阻。光耦合器要合理的使用，它在5V工作 时，是有一定的限制，上拉电阻不应该小于5K,本设计中用的是通用值10Ko图中 的BC337为NPN型小功率三极管，作用是开关，它的发射极的基极电压为5V,集 电极电流800mA,集电极发射极饱和电流为0.7V。图4-8中的74LS04是6非门。原理很简单，就是输入正的，出来是相反的。比 方把1变为0。工作范围大小为5V。R9用的是碳膜电阻，本设计根据电阻的属性， 用作保护功能。一般这类电阻的范围是1Q到lOMQo因为它的价格廉价，品质稳定, 所以电路中经常用到，根据反相器的电压，这里设定为1K。在此需要注明的是，电路中的保护电路的电阻，用的均是碳膜电

35、阻，因为它连接 端都是5V,所以本设计中的阻值均设定为1K,以下的电路图中，就不在过多的解释。图4-8晶闸管触发电路4.4软启动器电流保护电路设计电路保护，在电路中起到至关重要的作用。本设计的电流保护，核心是一个电压 比拟器，设定一个合理的电流，5.5倍标准电流，设置这个数，是根据常规的限流值 规定。将电路连接在电机的进入端和单片机，当电流大或者过大，都可以通过比拟器 进展比照，如果不在范围之内，由控制芯片做出反响，进展信号处理，并将对的信号 输出，以此来保证电路的平安，和能出正确的仿真结果。以下是设计的过流保护的电 路如图4-9所示。参数的计算：图4-9中用的是LM393电压比拟器，它是高增

36、益，宽频器件，工 作范围2V至36Vo RV4, RV5都是50K,作用是调节电压。R50, R51都是上拉电阻, 阻值是IKo R51和RV5共同作用，调节比拟器电压。比拟器输出端有一个上拉电阻, 它的输出才能是高电平。C22, C23都是独石电容，此处的作用是滤高频。独石电容 是多层陶瓷电容器的别名。它的范围是(10pF-10uF),电容量大，占用空间小，耐用， 价格低廉。此处为了电路的能更好的滤拼，电容值均选取最大值。R48, R52在电路 中起到限流的作用，根据电压的值，一般选取的阻值为4.7K, C21为电解电容，作 用是虑低频。R49阻值为10K,它并联在比拟器的两端，起到保护的作

37、用。图4-9中D16, D17, D18, D19, D20, D21 组成整流电路。图4-9电流保护电路4.5电压保护电路设计铁损增加，效率降低是电机处于过压运行时的具体表达。铁损的增加，会引起铁 芯的温度升高、设备容易损坏，而且使用寿命比拟短。所以本设计中，电压电路的设 计，至关重要。经过查询资料可知，1.1倍的额定电压，可以认为是过电压。0.9倍的 额定电压，认为是欠电压。电压保护电路时根据电流保护的电路图的根底上设计出来的，所以大多数的参数 和电流保护设计的一样。电路的原理是设定一个平安的电压值范围，当电路运行的时 候，将电压和设定的范围比拟，如果超出这个范围，电路生成一个反响信号，经

38、过电 路反响给控制系统，再进展电压调节，以此来保证电路的平安和出正确的结果。在发 生报警后，我们需要及时的检测是否是过压还是欠压，及时的修改电压输入值，一个 是要确保设备的平安，另一个只有正确的电压和脉冲，才会得出正确的结果。4.6接触器控制电路设计接触器就相当于一个开关。它可以切除并联在它两端的设备，形成短路。这样做 的原因是节省本钱，增加使用寿命。接触器需要一定的功率才可以动作，但是单片机 输出的功率不能到达这个值，所以在实际设计的电路中，设计了一个控制电路，它可 以完美的承受信号利电流，并进展功率的转变，致使接触器能正确的动作。接触器控 制电路如图4-10所示。本设计中使用一个I/O 口

39、即控制三个接触器线圈，图4-10只 是演示了一路接触器的控制线路。本设计设定的“1为高电平，就是有效信号，当 设备承受这个信号时，接触器开场动作，完成指定的指令。相反的，当收到低电平的 时候，电器就会做相反的动作。参数计算：图4-10中的BC337为NPN型小功率三极管，有放大作用，此处的 作用是开关，它的发射极的基极电压为5V,集电极电流800mA,集电极发射极饱和 电流为0.7Vo R35是保护三极管电阻，由于是单片机接口，电流比拟小，为了方便 计算，阻值设定为0.01K。R36是反响的作用，阻值为10K。电容C10起滤波作用， 它的阻值是4pF。根据公式RLC2牛5)T/2,求出的CIO

40、的阻值大小。其中T为电 网交流电压的周期，我国的一般为50HZ。RL的阻值取值IKo D9防止三极管截止时 的反峰电压损坏设备和单片机的I/O 口。4.7模数转换电路设计该设计选用ADC0809作为模数转换芯片。该芯片具有8路模拟信号输入，8位 数字量输出信号。它的转换原理是逐次逼近式的，输出的数字信号可直接送进单片机 内。ADC0809引脚功能见表4.1。图4.11可知ALE信号线用来控制地址锁存器,地 址线共有A、B、C三条。当ALE=1时，那么进展地址锁存，此时输入信号的通道为 地址线所选择的通道。地址线与信号通道的对应关系见表4-2oST与CLK共同控制模数转换器，CLK为时钟输入信号

41、线。由于ADC0809的本 身并没有时钟电路，所以时钟信号要由单片机内的定时器来产生脉冲信号，它工作的 频率一般为500kHzo ADC0809的内部逻辑构造如图4-11所示。表4-1 ADC0809引脚功能图4-11 ADC0809内部构造图 表4-2通道选择引 脚D7-D0IN0-IN7STALEEOCOECLK功8位数8位模拟A/D转换地址锁存转换完输出允许时钟信号能字量输量输入启动信号允许信号毕信号控制端输入端出输入端输入端输出CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4110IN6111IN7ADC0809的工作过程：首先将ALE置为高电平，进展信号通

42、道选择，然后将ST 和OE置为低电平，开场进展转换。转换完毕时单片机判断EOC引脚是否为高电平, 当为高电平时那么表示模数转换已经完成，将转换完的数字量通过D7-D0输出通道 送单片机内进展数据处理。转换芯片采用逐次逼近式计算方法为将模拟数值减去 27x0.0I96假设大于等于零那么D7位为1,否那么为（）。然后再用剩余的值减去 26x0.0196假设大于等于零那么D6位为1,否那么为0。一直到D0,可得出转换结 果。模拟量与数字量的对应关系见表4-3。表4-3模拟量数字量对应表模拟量 0VIV2V3V4V5V数字量 OOH36H66H ADH CCHFFH第5章 交流电机软启动系统仿真设计5

43、. 1 Mat lab/Simul i nk工具箱的简介Matlab是墨西哥的一位计算机教授，为了减轻学生的编程负担创造的一种软件。 大概在1992年，推出了 Matlab的1.0版本，之后迅速的开展，作为一种商业化的软 件后，更加受到大家的欢送，因为它所能完成的功能很多很多，它可以进展矩阵运算、 绘图、画曲线等。它还可以在各个行业工程中应用，比方控制工程、电气工程、通信 工程等。这个软件是当代大学生学习必备的一种软件。根据资料查询，Matlab主要有 两种方法来进展数值计算和模型仿真,分别是编写仿真程序和基于Matlab的Simulink 仿真平台。编写程序需要用到Matlab特有的M语言，

44、M语言有强大的矩阵运算能力， 可以根据所要建立的模型进展程序的编写；Simulink是-种仿真平台，里面有一个很 强大的元器件封装库，我们可以根据要求，直接拖拽器件，然后按照设定的线路，进 展连接仿真。Simulink可以和M语言可以相结合，两者可以互相转化。本设计采用 第二种方法进展仿真，基于Matlab的Simulink仿真。Simulink和其它的动态仿真软件一样。它本身是采用分层构造仿真的，就是有几 个大的系统联系在一起，但是大的系统里面还嵌套着许多子系统，复杂的仿真中，可 能子系统中还包含子系统I。但是Simulink也可以应对复杂的仿.真图，它可以将一 些器件进展封装，建立一个大的

45、系统。此工具的操作相对于简单，按照设定的电路图， 可以直接从封装库中选取相应的模型，进展建模、仿真和分析。本设计是异步电动机软启动的仿真，因为是电气专业，所以用到的器件一般都在 电力系统仿真模块库。这个系统库是加拿大的一个公司研发的。现在社会上，各个学 术方面，各个领域都用到这个万能的平台。仿真的器件：本设计中有一局部模块可以直接拖拽，直接就可以使用。但是有的 模块需要自己选型，连接在一起，并进展封装。简单的模块一般包括阶跃信号(Step) 模块、传递函数模块、终止信号模块和示波器(Scope)模块等。以上都是可以直接使用 的模块。但是本设计中好多模块需要从新设计。比方要用到三相电源，但是Si

46、mulink 的封装库中，没直接的三相电源模块，所以采用单相电源，修改了相应的角度，来替 代三相电源。软启动器需要进展封装，设计的是三组晶闸管，每组晶闸管的构造都是 两对晶闸管反并联构成。仿真的操作下面进展详细的解释：第一步，先翻开Matlab软件。本设计中用的Matlab的版本是7.1版本的，这是 最新的版本，功能较多，如图51所示，可以完成很多操作。图5-1 Mat I ab用户界面第二步，翻开Simulink仿真的平台，创立新的仿真文件。可以看到图5-2中， Simulink有很多封装库，本设计中的好多模型，都是从这些封装库中直接拖拽出来， 直接使用。但是有的不能直接使用，需要从新拼装和

47、封装，形成新的子系统，来完成 仿真。图5-2 Simul ink用户界面第三步，将各个器件拖拽到新建的文档后，按照设计的电路，进展合理的连接， 下列图就是设计的一张半成品，如图5-3所示。里面的器件有单相电源，有三个。这 样模拟的是三相电源。图5-3中还有调压系统，里面是晶闸管组成的。电机模块，这 个是系统里可以直接搜寻到了，在器件出，搜寻AC Asynchronous motor,就可以出 来相应的电机模型。在设计中学到一个比拟常用的东西，那就是但凡电气的仿真模块 里面，都有一个Powergui模块，它是电力系统分析工具。图5-3仿真用户界面5.2交流电机软启动系统仿真建模本设计仿真的是三相

48、交流异步电动机的软启动，为了能够更好的表达出设计的优 点，又用Simulink仿真平台仿真了电机直接起动的模型。图5-4是直接起动的仿真， 它的仿真比拟简单，只有电源模块，电机模块，还有测量模块。图5-5为应用Simulink 建立的异步交流电机软启动系统的仿真模型。这个模块的仿真是比拟复杂的，不仅仅 是单独的连接各个模块的问题，设计到这个调压的模块，需要正确的脉冲。在Simulink 中，真正的开环和闭环函数是相当复杂的知识，本设计因为比拟简单，所以用的是闭 环的函数。它大概有以下几种模块，有电源模块，但是封装库中没有直接的三相电源 模块。晶闸管模块，它是由三组反并联晶闸管构成的主回路；脉冲

49、触发模块；电机模 块，测量模块等。图5-4直接起动的仿真模型图5-5软启动器系统仿真模型因为软启动仿真的局部模型不是仿真封装库里直接拥有的，需要从新的组合和封 装，以下进展详细的介绍各个子系统。(1)调压主电路模块此处的晶闸管采用反并联的的方式，它的导通方式都是根据脉冲来工作。一个导 通，另一个不导通。模块构成如图5-6所示。Ini和In2分别是两个晶闸管的触发端。 因为是三对晶闸管反并联，所以本模型中有3个这样的功能模块。其中晶闸管选用 Detailde Thyristor , a是电压输入端，k是电压输出端，g是脉冲信号输入，m端口一 般不做用途。Terminator是信号终止端，作用是不

50、用做信号输出。Detailed ThyristoM图5-6调压主电路设计(2)触发器模块交流调压晶闸管触发角。的移相范围是180°, a = 0的位置定在电源电压过零时。 在阻感负载时，按触发角与负载阻抗角a = arctan (L/?)的关系，电路有两种工作 状态。<<180°可以根据晶闸管的工作原理可知，因为触发角度的不同，输出的波形不是连续的, 通过这个环节，正好可以通过调节触发角，以此来控制输出电压和电流的输出。®0<a < (p当角度在这个范围内时，软启动是处在不工作状态的，因为无论触发角怎么改变, 输出电压是不会变得，因为它没有

51、到达触发的条件。经过无数次的调试可知，如果调 整不好触发的角度，会出现好多情况，比方反并联晶闸管中有一个晶闸管导通，而另 一个是处于关闭状态，这样不能很好的完成调节作用，这根本就没有起到设计的要求。 要想让晶闸管正常的工作，能够起到应该有的作用，必须采用后沿固定在180°的宽脉 冲触发方式，采用这种方式，才可以来保证晶闸管能正常触发。触发器模块如图5-7所示，本设计参考了众多的触发模块方式，并综合众多的优 点，设计出了同步模块，相位控制模块，波形产生模块等。图5-7是整个仿真模块的 一个小的子系统模块，它的根本工作原理简介：从Ini输入电压，进展同步电压检测, 之后是Relay环节产

52、生与同步电压正半周等宽的方波，(relay是滞环比拟器，它的意 义是让信号有一个足够的范围宽度，而不至于每个周期都进展调节)。Rate Limiter能 限制变化率。此模块的最终目的就是让产生的波和电压很好的结合在一起，再经过延 时等处理，形成固定的脉冲，然后再送到晶闸管，完成以后的一系列的工作。毕业设计开题报告题 目交流异步电动机软启动器的硬件设计一、研究背景由于交流异步电动机，特别是三相鼠笼式异步电动机，具有构造简单、制造容易、性价比高、 巩固耐用、工作性能好等诸多优点，己经被广泛地应用于农业生产、厂矿企业、交通运输业、国防 工业以及人们日常生活的各个领域。但是在启动过程中乂存在着不少问题

53、。电动机的启动过程是指 当交流异步电动机投入电网时，从静止状态一直加速到稳定状态的过程。启动电源和启动转矩是衡 量电动机启动性能好坏的两个指标。在研究启动的过程时，要求起动转矩要足够大，以保证电动机 能够正常地起动，同时在保证一定大小起动转矩的前提下要求起动电流越小越好。目前异步电动机普遍采用的起动方式是全压直接起动，但是这种方法优缺点各存在。优点是起 动设备和操作简单，而且起动的转矩要比降压起动的方法大。缺点是起动时产生的冲击电流是其额 定电流的2到7倍，这会造成好多影响，例如产生的机械冲击力会加速机械传动部件的磨损；电网 电压值瞬间的改变，会影响电气设备及其他装置的运行；冲击电流会造成电动

54、机局部温度上升，降 低电动机的寿命等等。如今，随着电力电子技术和微机控制技术的蓬勃开展，现代控制理论与电力电子技术的严密结 合，出现了以微处理器为控制核心的电动机软启动器。它是-种集电动机软启动、软停车、轻载节 能和多种保护功能于一体的电动机控制装置。相对于传统的降压起动方式，软启动的优点主要有： 1.实现了电动机起动电压的无极调节，冲击转矩和冲击电流；2.通过电流闭环控制可以实现电动机 的恒流起动，不但限制了起动电流，还确保了电动机的平稳起动；3.采用微机处理器控制，人机界 面友好，控制简便，可以实现多种软启动模式和保护功能，可靠性高；4.可以实现直接计算机通讯 控制，为自动化控制打下良好的

55、根底。综上所述，软启动器拥有良好的控制性能，具有很好的研究价值和应用前景。二、国内外研究现状1.国外研究现状电力电了软起动的出现是随着晶闸管的出现而开展起来的。最早采用晶闸管三相交流调压电路 对电动机软起动的应用出现在1970年，采用这种方法可以获得很好的起动性能，所以一开场就引 起人们广泛的注意。三十多年来，国外对晶闸管三相交流调压电路进展了广泛的研究，在工业应用 领域得到广泛的应用。在某些领域应用显示出独特的技术优势。如美国AB公司、英国CT公司、 法国TE公司、德国AEG公司、瑞士 ABB公司等均推出了软起动器系列产品。目前在国外，品闸管三相交流调压起动技术的研究己从对通过控制电机电流的

56、开环，闭环方式, 开展到通过建立比拟准确实用的数学模型，找到适于三相交流调压电路电机负载的控制方法，从而 便三相交流调压电路电机负载性能更好。如降压变频调速中的矢量控制和磁场定向控制的引入，创 立软起动技术的转矩控制等等。在国外，兴旺国家的三相异步电动机软起动产品主要是晶闸管软起动和兼作软起动的变频器起 动。在生产工艺兼有调速要求时，采用变频装置。在没有调速要求使用的场合下，起动负载较轻时 一般采用晶闸管软起动。在重载或负载功率特别大的时候，使用变频软起动。兴旺国家软起动的主 流产品是晶闸管软起动装置，各知名电气公司都有自己的晶闸管软起动品牌，在其功能上又各具 特色。例如GE公司生产的ASTA

57、T智能电机软起动器；ABB公司生产的PST、PSTB系列电机软起图5-7触发器模块 触发模块中的参数设置如表5-1所示。表5-1触发器模块参数设置(3)异步电动机模块模块Relay、Relay2Rate Limiter、Rate Li miter 1Relay 1 > Relay3Switch On pointepsRising slew rate1000Switch On pointeps参数Switch Off pointepsFallingslew rate-le8Switch Off pointeps设置Output when on10Output when on1Output when off0Output when off0异步电动机中的参数按照任务书里的设置，只需要把额定电压和额定频率改为 380V