单片机软起动控制器的设计（附外文翻译）

PAGE680前言1异步电机的起动问题电动机是工业、农业和交通运输的重要设备，而且，随着社会生产的日益发展，电动机的应用将会越来越广，与电机配套的控制设备的性能也必将成为用户关注的焦点。电动机的控制主要包括电机的起动、调速和制动。三相交流鼠笼式异步电动机因其结构简单，运行可靠和价格便宜而被广泛采用。异步电动机的起动是指电机从静止状态加速到工作转速的整个过程。评定电动机的起动性能主要有两个指标：起动电流倍数和起动转矩倍数。希望在起动时有较大的起动转矩以带动负载快速达到正常转速，但不希望有较大的起动电流。一台普通的鼠笼式的异步电动机，如不采取任何施在额定电压下直接起动，它的起动电流较大而起动转矩并不相应增大。因为三相异步电动机是一种反电势负载，即以反电势来平衡外加电压。电动机的反电势随着转子转速的增加而逐渐增大，电动机在起动开始时反电势为零，所以起动时的冲击电流很大。当电动机容量较大时，冲击电流会对电网及其负载造成干扰，严重时甚至危害电网的安全运行；起动电流过大时，将使电动机本身受到过大电磁力的冲击，如果经常起动，还有绕组过热的危险。同时，由于起动应力较大，使得负载设备使用寿命降低[1]。传统的直接起动是用闸刀开关或接触器把电动机的定子绕组直接接到额定电压的电网上。直接起动的优点是操作和起动设备最简单，缺点是起动电流很大。一般鼠笼式异步电动机直接起动电流倍数，严重情况下，可能达到十倍以上，起动转矩倍数。按国家标准GB755-65规定，三相感应电动机的最大转矩至少不低于1.6倍额定转矩，当电网电压降低15％时，仍有，不会导致接在同一电网上的其它感应电动机的停转。因此，直接起动通常只限于起动时，在电网中引起的电压降落不超过10～15％（对于经常起动的电机取10％，对于不经常起动的电动机取15％）的场合。同时，直接起动方法的应用还受到电网容量的限制。若电网容量不够大，则电动机的起动电流可能使电网电压显著下降，影响接在同一电网上的其它电动机和电气设备的正常工作.为了解决这个问题（直接起动问题），人们采用了各种降压起动技术，比较传统和应用较普遍的有自耦变压器降压起动、串电抗起动和Y－△转换、延边三角形起动、电阻调节等等。其中自耦降压起动设备复杂，Y－△转换起动附加设备少，操作简单，但起动电流仍较大，只适合小型电机起动，延边三角形起动电流亦较大[2]。采用这些起动方式起动时降低了加在定子绕组的电压，起到了一定的限流作用，但仍存着以下问题。（1）它们通常是靠接触器来切换电压达到降压目的，所以无法从根本上解决起动瞬时电流尖峰的冲击；（2）起动转矩不可调，起动中存在二次冲击电流，对负载产生冲击转矩，当电网电压下降太低时，可能造成电动机堵转；（3）起动过程中，由于接触器是带载切换，因而容易造成接触器触点拉弧损坏。为了使电动机能够转动起来，并很快达到额定转速正常工作，要求电动机具有足够大的起动转矩且起动电流不能太大。因此，总是希望在起动电流比较小的情况下，能获得较大的起动转矩。随着电力电子技术的发展，电力半导体开关使无电弧开关和连续调节电流成为可能，以上所提及的直接起动的缺点都可以得到解决。本文即研究这种基于电力电子器件和电力电子技术的起动方法，通常称之为软起动。2电力电子软起动方法传统的降压起动方法能在一定程度上解决鼠笼式异步电动机的起动电流较大的问题，但是由于传统的起动设备都是有切换触点的，控制不连续，这样就难免在起动过程中给电动机造成冲击，且传统的方法起动电流仍较大。所以传统的起动方法仅适用于中小型电机的起动控制，而对大功率的电动机来说，并不是理想的方案。近三十多年来，随着电力电子技术的发展，电力半导体开关使无电弧开关和电流连续的调节成为可能。电力半导体器件的开关具有无磨损、寿命长、功耗小的特点。加之微机控制技术与电力电子技术的紧密结合，为电动机的起动节能提供了全新的思路，这样，就出现了采用电力半导体器件用于电动机起动控制的新型起动方式。目前有两种电动机起动新方式：变频器和软起动器。变频器是目前应用较为广泛的节能型电气传动设备，通过改变电机电源的频率和电压，可实现多种功能。具有电动机软起动功能和电机调速功能，在电机起动上是理想的设备。如在西方、日本等国家，就广泛采用变频器于起动控制。这种变频起动方式的优点是性能可靠，可同时用于电动机调速控制，不足之处是目前变频器的造价仍较高、维护保养较困难，而且在不需要调速控制的场合，不能充分发挥其变频调速功能，因此不适合在我国大量推广应用。八十年代初一些欧美国家则成功研制了以微处理器控制大功率晶闸管组件的软起（制）动产品（也称SoftStarter），它不仅解决了传统降压起动方法存在的问题，也克服了变频调速带起动方法存在的不足，现已大量投放市场。软起动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置。[3]这种软起动器（调压式）主回路采用晶闸管三相交流调压电路（在功率较小时可采用三只双向晶闸管，而功率较大时用三对反并联的晶闸管即可），其等效电路如图1所示。利用晶闸管进行调压，其输出电压大小由晶闸管的导通角决定，而晶闸管的导通角又与其控制角有关[4]。控制角越小，输出越大。因此，只需在电动机起动过程中通过控制晶闸管控制角的大小，可使电动机的定子端电压和起动电流根据工作要求设定的规律进行变化。这样，电动机的起动方式和起动电流均可任意调整和设置，使之处于最佳的起动过程。软起动器其实质是降压起动，与传统降压起动不同之处在于无机械触点，起动电压和起动电流任意可调。图1晶闸管三相交流调压电路Fig.13-PhaseACadjustingvoltagecircuitofSCR这种软起动控制器具有以下特点和优越性：（1）提高公用电网质量。软起动装置成功地解决了传统起动设备在起动过程中产生的尖峰电流冲击、电压瞬间降落等问题，势必明显改善电网质量，达到有效节省电能的目的。（2）控制无触点。由于软起动装置使电机能按预先设定的起动方式和参数进行平滑加速起动，既能满足不同用户的起动需要，又能大大降低机械振动冲击，可延长电机及传动系统的使用寿命。（3）系统的通用型强、灵活性大以及功能便于扩展和修改。如增设RS-232接口，可与其它单片机或PC机通讯，实现远程控制和多台电机集中控制。除用于起动外，还可实现软停车控制。（4）由于采用单片机控制，可在起动前对主回路进行故障诊断，且数字化的控制具有较稳定的静态特性，不易受温度、电源电压及时间变化等因素的影响，因此提高了系统的可靠性，有助于系统维护。表1详细列举了软起动方式与传统方式的优劣比较[5]，可见软起动方式是比传统方式更优的起动方式。表1各种起动方式基本性能对比表Table.1Thebasicpropertiesofavarietyofstart-upmodecomparisontable起动方式电气性能全压起动星-角起动电阻调节自耦变压器软起动堵转转矩1.5~2.80.5~0.90.5~0.750.4~0.850.06~2.8起动电流4~81.8~2.51.5~61.6~41.5~6需要的接线端子数3个最小6个3个3个3个3国内外研究现状电力电子软起动的出现是随着晶闸管的出现而发展起来的，最早采用晶闸管三相交流调压电路对电动机的软起动应用是在1970年由英国人发明的，由于采用这种方法可以获得很好的起动性能，所以曾引起人们广泛的注意。近二十多年来，国外对晶闸管三相交流调压电路进行了广泛的研究，在工业应用领域得到应用，在某些领域应用显示出独特的技术优势。90年代以后，国外一些著名厂商推出了软起动系列产品，技术已趋于成熟。如美国的AB公司生产的315～2021KW的交流调压式电力电子软起动器，英国的CT公司，法国的TE公司，德国AEG公司及欧洲ABB公司等均推出了软起动产品；德国的西门子公司推出一系列产品：SIRIUS3RW30/31适用于55KW以下电机，SIKOSTART3RW22适用于710KW以下电机，SIKOSTART2RW34适用于1050KW以下电机。从软起动出现在世界（1970年），就伴随着研究软起动器能否实现节约能源的问题。英国人曾在八十年代初就对不同控制原理的软起动产品做过对比试验，并得出在40％～50％的额定负载下，软起动器有明显的节能效果的结论，从而使得这种控制器在轻载情况下大大被采用。目前，国外对晶闸管三相交流调压电路的研究已从对控制电压控制电机电流的开环、闭环方式，发展到通过建立比较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，从而使三相交流调压电路电机负载性能更优。如将原变频调速中的矢量控制和磁场定向控制引入，创立软起动技术的转矩控制。国内在软起动器方面也有研究。我国软起动技术起步于80年代初期，以后也推出了各种品牌的软起动器，但在技术上和可靠性上与国外同类产品尚有一定的差距。已推出JKR、NJR1、STR、JKB型软起动器和JQ、JQZ型固态节能软起动器等产品。JQ型用于轻负载起动，JQZ型用于重负载起动，最大控制功率达800KW，并已在上海、广东、新疆、湖南等省市一些工程中应用10年[6]。有一些大专院校对于软起动器技术也有一定研究，如浙江大学对此技术的节能控制策略的研究已进入实用化阶段。近年来，随着技术的相互渗透发展，国内外软起动器产品在控制原理技术及主要回路设计上已经都日趋成熟了，差距也在不断拉近。今后，软起动器将着力于向以下几个方向发展[7]：(1)采用集成移相调控晶闸管模块，将复杂的移相控制电路与晶闸管管芯集成为一体，组成一个完整的电力移相调控开环系统。用它组成软起动器，不但使体积大大缩小，而且增加了设备的可靠性和抗干扰能力。(2)提高起动转矩的方法——离散频率控制法。现有大多数软起动器仅适用于起动转矩小于额定转矩50%的拖动系统。将离散频率控制法用于软起动过程中，不需要对软起动器硬件电路做什么改动，即可像变频器一样实现变频起动，使电动机低速起动时，起动电流小，起动转矩大，可以在满负荷的情况下实现软起动。(3)软起动器将向中压电动机软起动方向发展。采用多个晶闸管串联成一个晶闸管串，再将两个晶闸管串反并联后串接于电源与被控电机之间，配上相应的分压电路，使每个晶闸管在动态和稳态过程中所承受的电压在其耐压水平之内，即可实现中压大型感应电动机的软起动。(4)软起动器将向智能化方向发展。所谓智能化应包括“判断、推论、理解、识别、规划、学习”，即软起动器应对以往的起动过程进行判断和评价，根据评价结果自动修改起动曲线，实现自学习。为此，软起动器必须能对电网、电动机、负载作至少是离线的辨识，能通过经验的积累，辨识它们的数学模型，包括电网、电动机的基本参数。1软起动器的工作原理1.1异步电动机的数学模型为了研究异步电机的起动和停机时的电压、电流、转矩等变量的关系，就要研究电机的数学模型，异步电动机的数学模型基本有两种:基于状态方程的数学模型和基于集中参数等效电路的数学模型。对于变频调速而言，多采用前者，对软起动而言，一般采用后者。基于等效电路的数学模型如下图1-1所示:图1-1异步电动机的简化等效电路Fig.1-1Theequivalentcircuitofasynchronousmotor图2-1中各符号意义:为无穷大电网相电压有效值，、分别为励磁电流和励磁电抗，、分别是定子的电阻和漏抗，、分别为电动机转子电阻和漏抗的折算值，为转差率。由电机学知道，三相异步电动机机械特性方程表达式为:（1-1）刚起动时，转子转速为，转差率，此时的机械特性方程式为:（1-2）因为要比小得多，因此起动时:(1-3)(1-4)且电机定转子漏抗在电机起动时，由于定转子电流比额定电流大的多，使得漏磁路中的铁磁部分发生饱和，引起漏磁磁阻变大，因而和变小，则变得更小，电流更大。由式(1-2)和(1-4)得，起动电流正比于定子端电压，起动转矩正比于定子端电压的平方。起动电压较低时，起动转矩较小，电流也较小，如果电压较高，则起动转矩较大，同时冲击电流也很大。1.2晶闸管的调压原理1.2.1晶闸管的工作条件晶闸管的工作原理通常是用串级的双晶体管模型来解释的，晶闸管的工作条件：①晶闸管承受反向阳极电压时，不管门极承受何种电压，晶闸管都处于关断状态。②晶闸管承受正向阳极电压时，仅在门极承受正向电压的情况下晶闸管才导通，即晶闸管具有正向阻断能力。③晶闸管在导通情况下，只要有一定的正向阳极电压，不论门极电压如何，晶闸管保持导通，即晶闸管导通后，门极失去作用。④晶闸管在导通情况下，当主回路电压电流小到接近于零时，晶闸管关断。晶闸管工作过程中，它的阳极A和阴极K电源和负载连接，组成晶闸管的主电路，晶闸管的门极G和阴极K控制晶闸管的装置连接，组成晶闸管的控制电路。1.2.2晶闸管调压方式在交流供电电源和电机之间接入晶闸管，能通过改变晶闸管的导通角来达到改变电机定子输入端电压的目的。采用晶闸管电路调压有两种方式【8】：一种是相控调压，即利用加到晶闸管的门极脉冲相位的改变来调整输出电压；一种是斩波调压，即相当于把双向晶闸管当作静止接触器，改变接通的周期数和切断的周期数来改变输出电压的有效值。当斩波调压用在异步电机定子上时，通断交替的频率不能太低，否则一方面会引起电机转速的波动另一方面每次接通电机就相当于一次异步电机重新合闸过程。当电源切断时，电机气隙中的磁场将由转子中的瞬态电流来维持，且随着转子而旋转，气隙磁场在定子绕组中感应的电动势频率将有所变化，当断流时间间隔较长时，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有可能会有较大的差别，这样就会引起较大的电流冲击，将会危及晶闸管的安全。而为了实现软起动的功能，达到加载在电机定子输入端的电压缓慢的上升的目的，就必然要求导通和切断的周期数较多，就使得晶闸管的工作频率较低，断流时间间隔较长；由于晶闸管不能自关断，如果采用斩波技术时，还需要附加斩波电路或用自关断器件来替代晶闸管，这样就带来装置的复杂性以及价格上升等问题，因此在异步电机调压控制中，晶闸管电路调压一般采用相控技术。移相调压时，输出电压波形己不是完整地正弦波，但输出电压不含偶次谐波，而奇次谐波中则以三次谐波为主要成分。当然，采用相控技术产生的谐波，会在异步电机中引起附加损耗，产生转矩脉动等不良影响。此外，由于异步电机是感性负载，从电力电子学相关知识中可以知道，在晶闸管交流调压电路带感性负载时，只有当移相角于感性负载的功率因数时，才会起到调压作用。当时，电流导通的时间将始终为180o,其情况与时一样，相控不起任何作用，甚至在晶闸管触发脉冲不够宽的情况下，会出现只有一个方向的晶闸管在工作的情况，使负载上可能出现直流分量，危害到晶闸管的安全。所以的下限幅值取为额定运行时的值，而上限幅值取为180o。在晶闸管交流调压系统中，晶闸管可以采用负载电流波形过零而自关断的换流方式（阻性负载和感性负载均如此），不需要附加额外的换流电路，所以其主要优点是电路简单，调压装置体积小，价格低廉，使用和维修方便。本软起动系统采用晶闸管调压原理，通过调节电动机定子输入端电压的大小和相位实现软起动器的各种功能。其电路在见绪论图1。在此电路中因为没有中线，所以在工作时若要负载电流流通，至少要有两相构成通路。为此（1）在三相电路中至少要有一相的正向晶闸管与另一相的反向晶闸管同时导通；（2）为保证输出电压三相对称并有一定的调节范围，要求晶闸管的触发脉冲除了必须与相应的交流电源有一致的相序外，各触发脉冲之间还必须严格地保持一定的相位关系。（3）为了保证在电路起始工作时能使两个晶闸管同时导通，以及在感性负载与控制角稍大时仍能保证不同相的正、反向两个晶闸管同时导通，所以同三相全控桥式整流电路一样，要求采用大于60o的宽脉冲或双窄脉冲的触发电路。1.3电子软起动器的工作原理所谓软起动，是将交流电动机接入由晶闸管组成的三相交流调压电路，在电动机的起动过程中，由控制电路调节晶闸管的触发角，使加在电动机定子绕组上的端电压由某一初始值开始逐步爬升至全电压，电动机将在较小的起到电流条件下由零速开始平稳上升到额定转速。由于输入至电动机定子绕组上的电压受控于三相交流电压电路的触发脉冲角，因此改变触发角的变化规律，可以改变电动机的起动方式，使电动机具有不同起动特性以适应不同的工况要求。1.3.1电子软起动器的主电路电子软启动器的主电路一般为三相交流调压电路，如图1-2所示。图1-2软起动器主电路图Fig.1-2Themaincircuitdiagramofsoftstarter主电路每相采用两个晶闸管反并联或一个双向晶闸管器件，一般当软起动器的功率很大时，采用两个独立的晶闸管反并联，当功率不大时，为减小体积，可以采用双向晶闸管；与晶闸管并联的RC网络和非线性压敏电阻（QK）是用来做晶闸管的过电压吸收和保护的；交流接触器KM作为晶闸管的旁路开关，在电动机起动完成后，可以将晶闸管旁路，避免由晶闸管接通电源而产生的通态损耗；JR为热继电器，为电动机提供过载或缺相保护；TV为线路电源电压互感器，此信号送到控制检测，以实现电动机的过电压和欠电压保护；TA为电流互感器，经TA衰减并隔离的电动机绕组电流信号送到控制电流处理，便于控制电路对起动电流的监视，并实现限电流起动、过电流保护等功能；三相同步变压器通过不同的连接方式，可以按照三相交流调压电路的控制规律要求，为晶闸管的移相触发电路提供同步信号；移相触发模块根据触发角指令的要求，结合同步信号，给主电路各晶闸管实时发出触发脉冲，控制晶闸管的导通，实现主电路的正常调压工作。触发角指令是用0～5V模拟电压信号给定的，当模拟电压信号为0V时，晶闸管的移相触发角对应为180°，此时输出电压最低；而当模拟电压指令为5V时，晶闸管的移相触发角为0°，此时输出电压最大。1.3.2常用的电动机起动方式为了适应各种运行工况和负载性质的要求，电动机应具有不同的起动方式。常用的起动方式有：电压斜坡起动、斜坡限流起动、带突跳的电压斜坡起动、带突跳的斜坡限流起动、限圧起动、带突跳的限圧起动等[9]，各种起动方式的电压变化曲线如图1-3所示。（1）电压斜坡起动如图1-3（a）所示，交流电动机在起动时，产生较大起动电流的原因是因为外加到电动机的端电压与电动机的反电动势之差大，如果让施加到电动机上的电压随着电动机反电动势的变化而改变，并保持一定的压差以维持必要的起动转矩，则电动机将在外加电压的作用下平稳起动且起动电流较小。由于电动机反电动势正比于电动机转速，它将随电动机转速的平稳增加而线性增加，因此斜坡电压起动方式能很好地适应这种变化。在这种起动方式下，控制系统根据设定的起动时间，控制晶闸管的导通角由初始值逐渐下降到零，从而使电动机端电压从给定初始值平滑爬升到全压。（2）斜坡限流起动如图1-3（b）所示，按照电压斜坡起动方式控制电动机起动时，如果起动时间和初始起动电压参数设置不合理，或电动机负载的变化，可能会导致电动机转速上升缓慢而外加到电动机上的电压增加较快，这时将导致两者之差增大，使电动机起动电流增加。为了限制起动电流的继续增大，可以采用限流起动方式。在这种方式下起动电动机，当电动机的起动电流未达到设定的限流值时，电动机仍然按电压斜坡方式起动，一旦电流达到设定值时，控制系统将停止触发角的进一步减小，从而使电动机端电压维持不变，此时由于电动机转速仍在上升，使反电动势继续增加，因而电动机电流将会减小。当电流下降到一定的下限值时，才允许触发脉冲进一步减小，使电动机端电压继续按斜坡上升，这种方式可以有效的限制电动机在起动过程中出现的电流最大值。（3）带突跳的电压斜坡起动如图1-3（c）所示，当电动机在起动开始时刻，由于其静摩擦很大（远大于动摩擦力），电动机需要较大的初始转矩才能克服静摩擦力及负载等阻力转矩才能转动起来，一旦电动机转动后，静摩擦变为滑动摩擦，其阻力转矩反而减小了。为了使电动机在初始起动时能够得到较大的转矩，往往需要较高的电压，因此带突跳的电压斜坡起动方式就是在起动初始时刻，在电动机施加一个较高的电压脉冲，使电动机输出足够的转矩能够转动起来，然后电动机端电压再从一个设定的基值电压开始逐渐上升，以减小电动机的起动电流。这种起动方式可以有效克服电动机初始起动时因转矩过小而不能转动的现象，同时也可以有效减小电动机起动电流。（4）带突跳的斜坡限流起动如图1-3（d）所示，这种起动方式是在带突跳的电压斜坡起动方式的基础上，增加电流限制环节。其作用是为了防止电动机在斜坡起动过程中，电流超过设定值。其原理与斜坡限流起动方式相同。（5）限压起动如图1-3（e）所示，电动机在空载或轻载条件下起动时，由于电动机阻力转矩较小，电动机比较容易起动和加速，电动机在一个比较合适的恒定电压方式下起动，也不会产生很大的起动电流，此时可以采用限压起动方式。在这种起动方式下，控制系统给定一个恒定的触发脉冲角，使电动机在一个给定电压(20%～90%可选)下起动。（6）带突跳的限压如图1-3（f）所示，这种起动方式是在电动机起动初始时刻施加一个较高的电压脉冲，使电动机能够克服静摩擦和负载阻力转矩转动起来，然后再按照限压起动方式完成电动机的起动。图1-3各种软起动方式下相应的起动曲线Fig.1-3Thecurvesofvariouskindsofsoftstartingmethods1.3.3电动机停车方式与电动机的起动方式一样，为了适应各种运行场所和负载性质的要求，电动机也要具备不同的停车方式。常用的停车方式有：自由停车、软停车、快速制动等方式。自由停车是指在停车指令下达时，关断电动机的供电回路，使电动机在端电压为零的条件下，依靠电动机的摩擦转矩和负载转矩作用使电动机转速下降到零；软停车是指控制系统在接到停车指令后，控制触发脉冲角由输出值逐渐上升到150°从而使电动机电压逐渐下降，电动机转速逐渐减小到零的过程。这种停车方式在泵类场合时可以防止水锤效应发生，在传输带负载时，可以防止传输带上物件发生倒落事故；快速制动停车方式常用于一些需要紧急停车或快速停车的场合，其制动方式有能耗制动，反接制动等。一般在软起动器中常设置的停车方式有自由停车和软停车两种，其电压变化曲线如图1-4所示。a）自由停车b）软停车图1-4电动机的停车方式a）Freestopb）SoftstopFig.1-4Mannerofparkingmotor1.3.4软起动器的运行模式软起动器完成起动电动机任务之后，可以有以下四种运行状态[10]：（1）跨越运行模式晶闸管处于全导通状态，电动机工作于全压方式，电压谐波分量可以完全忽略，这种方式常用于短时重复工作的电动机。对于要求实现电机软起动、软停止、节能、故障保护、报警等功能的较完整的电机控制系统，则采用这种运行状态。（2）接触器旁路工作模式在电动机达到满速运行时，用旁路接触器取代已完成起动任务的软起动器，这样可以降低晶闸管的热损耗，提高系统的效率。在这种工作模式下，便有可能用一台软起动器起动多台电动机。（3）节能运行模式当电动机负荷较轻时，软起动器自动降低施加于电动机定子上的电压，减少了电机电流的励磁分量，从而提高了电动机的功率因数。（4）调压调速模式软起动器既然是用晶闸管调压原理来实现的，因此也可以作调压调速运行。通过改变导通角控制电机电压，达到改变电机速度的目的。由于频率不变，电压降低时会引起电机中磁场饱和，因此这种方式调速效果有限。本设计采用跨越运行模式2硬件设计2.1总体硬件框图软起动器的控制系统由两个部分组成，一个是单片机及其外围电路组成的微机控制系统，另一个是信号处理电路。信号处理电路负责主电路电压和电流信号的处理，并将处理后的电流送单片机进行A/D转换，同时该电路监视三相电流的不平衡情况，实现三相不平衡保护和断相保护，通过对三相电源电压的监视，实现过电压和欠电压保护；通过安装在散热器上的热敏开关，也实现晶闸管的过热保护，各种保护信号、经过逻辑与后，送到单片机的外部中断请求输入脚，作为外部故障信号处理；单片机控制系统主要负责参数设置与修改、电动机起停过程的控制和触发脉冲角的计算、运行状态的监视、故障的保护与处理等功能，整个电路如图2-1所示。图2-1软起动器总体硬件框图Fig.2-1Thehardwaresurtcutreofsotfstarter2.2主要元器件选择及介绍2.2.1CPU的选择本设计分析的单片机控制系统采用AVR系列单片机的AT90S8535为主控制芯片，其内部接口丰富、功能齐全、性价比比较高[11]。具有如下特点：1)AVRRISC结构AVR采用高性能、低功耗的RISC结构；118条指令构成的精简指令集，大多数为单指令周期；32个8位通用寄存器；工作在8MHz时具有8MIPS的性能。2）数据和非易失性程序存储器8KB的在线可编程FLASH存储器，可擦写1000次以上；512B的SRAM;512B在线可编程EEPROM,可擦写100000次。3）外围器件特点两个可预分频的8位定时/计数器（T/C0、T/C2）,其中T/C2具有输出比较和PWM功能；一个可预分频16位定时/计数器（T/C1），T/C1具有输入捕获、输出比较和PWM功能，片内模拟比较器；可编程的看门狗定时器；8通道10位ADC;2通道10位和1通道8位PWM脉宽调制输出，可做D/A转换器；SPI同步接口；全双工UART。4)MCU特点上电复位电路；具有记数功能、有独立振荡器的实时时钟RTC；低功耗空闲省电和掉电模式；16种中断源，每种中断源具有一个独立的中断向量作为相应的中断入口地址。5）4MHz3V20°条件下的功耗工作模式：6.4mA;空闲模式：1.9mA;掉电模式：<1A。6)I/O接口和封装32个可编程的I/O脚，每个脚都可以指定工作模式；40脚PDIP/PLCC/TQFP封装。7）工作电压和时钟4.0V~6.0V;0~8MHz。其引进图如下：图2-2AT90S8535引脚图Fig.2-2ThepinofAT90S8535由于AT90S8535芯片的片内资源丰富，由他组成的控制系统硬件结构十分简单，软起动器的CPU部分如图2-3所示。根据软起动器的设计要求，控制系统的资源分配如下：控制系统的界面采用键盘输入、LED数码管和发光二极管显示构成，其中PA2～PA7作为六个按键的键盘输入信号，通过键盘操作，完成起动参数的设置、电动机起停的控制、默认参数的保存、外部故障的查询和处理等；LED显示由PB口和PC口组成，其中PB0～PB6作为LED的段码输出信号，PC0～PC5作为LED位码选择信号，显示部分由4位LED数码管和按LED引脚形式结成的9位发光二极管组成，作为起动参数设定、运行监控及故障等显示，并按动态方式定时刷新各个显示位；PA1口作为A/D采样输入口，用于采样主电路工作电流信号，供限流控制、过电流保护、过载保护等使用；由信号处理电路送来的故障检测信号输入到INTO引脚，作为主电路外部故障（如三相不平衡运行、缺相、散热器过热等）的中断请求输入，当故障发生时，由向CPU提出中断请求，CPU响应中断，在终端服务程序中根据电路的运行状态封锁晶闸管触发脉冲、或断开主电路，并且实现闭锁。同时信号处理电路送来的故障检测信号也送到PA1输入脚，作为故障状态的检测。在故障发生并封锁了触发脉冲后，程序将不断检测PA1位的状态，当该状态为显示故障已经解除时，闭锁解除，撤销封锁信号，使系统复位。PD5初始化为成PWM输出工作方式，作为晶闸管触发脉冲的控制命令输出，单片机通过内部运算输出一定占空比的PWM波，此PWM波经过滤波后获得0～5V直流电压送触发脉冲模块，作为触发脉冲脚的控制命令，该电压正比于PWM波的占空比。PB7和PC7作为主电路开关的控制命令输出脚，在上电自检无故障后，使该位变1，让控制继电器动作，控制住电路开关闭合通电。RXD(PD0)引脚和TXD(PD1)引脚作为串行通信用。图2-3软起动器单片机控制系统的CPU电路部分Fig.2-3Softstartercontrolsystemforsingle-chipCPUcircuitpart2.2.2通信部分芯片的选择通信部分电路采用MAX232芯片。MAX232是一种双组驱动器/接收器，片内含有一个电容性电压发生器以便在单5V电源供电时提供EIA/TIA-232-E电平。每个接收器将EIA/TIA-232-E电平输入转换为5VTTL/CMOS电平。这些接收器具有1.3V的典型门限值及0.5V的典型迟滞，而且可以接收±30V的输入。每个驱动器将TTL/CMOS输入电平转换为EIA/TIA-232-E电平。所有驱动器、接收器及电压发生器都可以在德州仪器公司的LinASICTM元件库中得到标准单元。MAX232的工作温度范围为0～70℃，MAX232的工作温度范围为-40～85℃。MAX232的特点包括：1）5V电源工作。2）两个驱动器及两个接收器。3）±30V输入电平。4）低电源电流：典型值是8mA。5）符合甚至优于ANSI标准EIA/TIA-232-E及ITU推荐标准V.28。6）可与Maxim公司的MAX232互换。7）ESD保护大于MIL-STD-883标准的2021Va)封装引脚图b)典型电路图2-4MAX232的封装引脚和典型工作电路图Fig.2-4PackagepinandtypicalcircuitofMAX2322.2.3驱动电路芯片的选择TC787是采用独有的先进IC工艺技术，并参照国外最新集成移相触发集成电路而设计的单片集成电路。它可单电源工作，也可双电源工作，主要适用于三相晶闸管移相触发和三相功率晶体管脉宽调制电路，以构成多种交流调速和变流装置。它们是目前国内市场上广泛流行的TCA785及KJ(或KC)系列移相触发集成电路的换代产品，与TCA785及KJ(或KC)系列集成电路相比，具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点，而且装调简便、使用可靠，只需一个这样的集成电路，就可完成3只TCA785与1只KJ041、1只KJ042或5只KJ(3只KJ004、1只KJ041、1只KJ042)(或KC)系列器件组合才能具有的三相移相功能。因此，TC787可广泛应用于三相半控、三相全控、三相过零等电力电子、机电一体化产品的移相触发系统，从而取代TCA785、KJ004、KJ009、KJ041、KJ042等同类电路，为提高整机寿命、缩小体积、降低成本提供了一种新的、更加有效的途径。引脚如图2-5所示。电动机在启动时需要随着电机转速的升高而不断地调整晶闸管的触发角,从而调整加在电机定子上的电压(由低到高).而晶闸管的触发角需要脉冲触发器TC787所发出的脉冲来控制.通过AVR单片机控制TC787的移相输入电压,即可控制TC787发出所需要的脉冲.晶闸管的触发角从150°每隔一定时间递减1°到电机启动结束。如果有故障现象，单片机发出信号，从PB7发出信号到TC787的输出脉冲禁止端，禁止输出脉冲，直到故障接触。图2-5TC787引脚图Fig.2-5PinofTC787各引脚的名称、功能及用法如下：1）同步电压输入端：引脚1()、引脚2()及引脚18()为三相同步输入电压连接端。应用中，分别接经输入滤波后的同步电压，同步电压的峰值应不超过TC787/TC788的工作电源电压VDD。2）脉冲输出端：在半控单脉冲工作模式下，引脚8(C)、引脚10(B)、引脚12(A)分别为与三相同步电压正半周对应的同相触发脉冲输出端，而引脚7(-B)、引脚9(-A)、引脚11(-C)分别为与三相同步电压负半周对应的反相触发脉冲输出端。当TC787或TC788被设置为全控双窄脉冲工作方式时，引脚8为与三相同步电压中C相正半周及B相负半周对应的两个脉冲输出端；引脚12为与三相同步电压中A相正半周及C相负半周对应的两个脉冲输出端；引脚11为与三相同步电压中C相负半周及B相正半周对应的两个脉冲输出端；引脚9为与三相同步电压中A相同步电压负半周及C相电压正半周对应的两个脉冲输出端；引脚7为与三相同步电压中B相电压负半周及A相电压正半周对应的两个脉冲输出端；引脚10为与三相同步电压中B相正半周及A相负半周对应的两个脉冲输出端。应用中，均接脉冲功率放大环节的输入或脉冲变压器所驱动开关管的控制极。3）控制端a）引脚4()：移相控制电压输入端。该端输入电压的高低，直接决定着TC787/TC788输出脉冲的移相范围，应用中接给定环节输出，其电压幅值最大为TC787/TC788的工作电源电压VDD。(b）引脚5()：输出脉冲禁止端。该端用来进行故障状态下封锁TC787/TC788的输出，高电平有效，应用中，接保护电路的输出。(c）引脚6()：TC787/TC788工作方式设置端。当该端接高电平时，TC787/TC788输出双脉冲列；而当该端接低电平时，输出单脉冲列。(d）引脚13()：该端连接的电容的容量决定着TC787或TC788输出脉冲的宽度，电容的容量越大，则脉冲宽度越宽。(e）引脚14()、引脚15()、引脚16()：对应三相同步电压的锯齿波电容连接端。该端连接的电容值大小决定了移相锯齿波的斜率和幅值，应用中分别通过一个相同容量的电容接地。4）电源端。TC787/TC788可单电源工作，亦可双电源工作。单电源工作时引脚3(VSS)地，而引脚17(VDD)允许施加的电压为8～18V。双电源工作时，引脚3(VSS)接负电源，其允许施加的电压幅值为-4～-9V，引脚17(VDD)接正电源，允许施加的电压为+4～+9V。主要电参数和限制：工作电源电压VDD：8～18V或±5V～±9V；输入同步电压有效值：≤(1/2√2)VDD；输入控制信号电压范围：0～VDD；输出脉冲电流最大值：20mA；锯齿波电容取值范围：0.1～0.15；脉宽电容取值范围：3300pF～0.01μF；移相范围：0～177°；工作温度范围：0～+55℃2.3输入电路2.3.1电源电压测量图中，二极管～构成了桥式整流器，把由UA、UB、UC三个端子引入的三相交流电压转变成直流电源，此直流电压经电阻、、、分压后输入比例调节器；比例调节器由电阻～和运放LM324(U5A)组成。电源电压测量电路如图2-6所示。图2-6电源测量Fig.2-6Powermeasurement在这部分电路中，LM324为运放集成电路，一个芯片里集成了4个运算放大器，分别用后缀A、B、C、D表示，LM324的引脚和内部接线以及典型原理图如图2-7所示。图2-7LM324的管脚连接图和典型原理图Fig.2-4TypicalpinconnectiondiagramandschematicdiagramofLM324经比例调节后的信号再由两个无缘滤波器、和、（均见附录图）滤波得到稳定的直流电压信号。运放LM324(U5D)连接成电压跟随器，是跟随器输出信号尽量免收输入信号的干扰，并降低输出阻抗。电压跟随器输出的直流电压信号与三相电源电压大小成正比，经电阻输出到窗口比较电路。正常情况下窗口比较电路输出-15V电压，以示正常，否测输出+15V电压，表明有过电压或欠电压异常。2.3.2窗口比较电路该电路主要由可调电阻、，运放LM324（包括U5B、U5C、U5D）组成。可调电阻和用于获取设定的上限和下限电压值，由AC／DC电路得到的直流电压信号与该上限制和下限值比较后可实现过电压和欠电压保护。过电压保护信号经二极管、发光二极管输出，而欠电压保护信号则经二极管、发光二极管输出，具体电路如图2-8所示。图2-8窗口比较电路Fig.2-8Comparisonofthecircuitwindow2.3.3电流测量通道电流测量通道共三个，分别测量、、，各由端子和，和，和引入。其中通道的电路如图2-6所示。电流经电流互感器转化为相应比例的电压信号，电阻和则为电流互感器的输出电阻，用于稳定经转变的电压信号。该电压信号经电阻和分压后，由比例调节器进行调节。比例调节器由电阻、和运放LM324（）组成。经两个无缘低通滤波器滤波后得稳定的直流平均电压信号，这两个无缘低通滤波器分别由、和、组成。滤波后的直流电压信号与电动机绕组电流成正比，经电压跟随器LM324（U1B）后输入到另一个比例调节器，该比例调节器由电阻～和运放LM324(U3A)组成，而比例调节器的输入则分别为和经同样转换得到的电压信号，以进行该两组信号的比较，比较结果输出到该测量通道的最后一块：一个窗口比较器。该窗口比较器由电阻～，可调电阻POT2和运放LM324（U3C、U3D）组成，其中电阻～和可调电阻POT2是、、三个电流测量通道的窗口比较器共用的。若电流超出设定的限定范围则经窗口比较器输出三相不平衡信号：正常情况下窗口比较电路输出-15V电压，以示正常，否测输出+15V电压。由于三个通道电路设计一样，、通道电路可由附录图和图2-9容易得到。此外，三相电流通道后部经电阻～后连接在一起，得到与三相电流平均值成正比的直流电压信号。该电压信号经运放LM324(U2B)构成的电压跟随器输入到单片机的PA0端口，以进行数据采集。图2-9电流测量通道（通道）Fig.2-9Currentmeasurementchannel（Channel）2.3.4键盘部分键盘电路由键盘～，发光二极管～和电阻～组成。键盘信号连接到单片机的PA3～PA7端口，以判断哪个键盘按下；而发光二极管～和电阻～则用于指示哪个键盘按下了，如键盘按下，则发光二极管发亮。具体电路如图2-11所示。2.3.5通信部分该部分电路由电容～、、集成芯片U8(MAX232)和RS-232接口端子CON组成。集成芯片U8用于将单片机的串口信号与PC的串口信号连接起来，进行电平转换。接口端子CON则是通用的9针RS-232物理接口。具体电路如图2-10所示。图2-10通信部分电路Fig.2-10Communicationpartofthecircuit2.4输出电路2.4.1显示部分显示部分电路包括LED数码管（共4个8段LED数码管），以及其内的发光二极管组成，这其中发光二极管按LED引脚形式连接而成。这部分作为起动参数设定、运行监控及故障等显示，并按动态方式定时刷新各个显示位。图2-11键盘和显示电路Fig.2-11Keyboardanddisplaycircuit2.4.2继电器控制驱动部分这部分主要用于驱动输出，使继电器吸合或释放来达到控制目的。电路由电阻、、、，晶体管V1、V2，二极管～，发光二极管、，继电器、，开关S1、S2等组成。其中发光二极管用作动作指示，当单片机发出高电平的驱动信号时，晶体管V1或V2导通，从而驱动继电器或吸合动作，利用其触点控制主电路合闸，同时发光二极管或也会随之亮；当单片机发出低电平的闭锁信号，或则会随之灭，或继电器释放，利用其触点信号控制主电路接触器分闸。具体电路如图2-12所示。图2-12驱动电路Fig.2-12Drivecircuit2.5电源指示这部分电路包括，～，发光二极管～见附录图。分别用于指示+24V,、+15V、+5V、-15V电源是否正常，当灯亮表示电源工作正常，灯灭为故障。图2-13电源指示Fig.2-13Powerdirection3软件设计3.1软起动器控制软件设计单片机控制系统的软件设计必须完成电动机软起动器应具有的参数设定、状态显示、起停控制、故障检测和保护等任务。根据上述要求，控制系统软件由主程序和4个中断服务程序组成。3.1.1主程序流程框图图3-1主程序流程框图Fig.3-1Flowchartofmaincontrolprocedures主程序完成系统自检、变量的初始化、键盘扫描、参数修改等任务。程序运行经过自建无故障后，将EEPROM中的所有数据都读入SRAM中暂存，用户可以通过键盘修改运行参数，若需要将修改后的数据作为默认值保存，则可以将数据重新写入EEPROM中，如果不修改运行参数，程序将按照EEPROM提供的默认数据工作。3.1.2中断程序流程框图a)定时显示中断服务程序流程图b)外中断服务程序流程图c)A/D转换中断服务程序流程图d)定时触发脉冲角计算和控制命令图3-2各中断控制程序流程框图Fig.3-1Flowchartoftheinterruptionofcontrolprocedures具体功能如下：a）T0中断服务程序完成动态显示任务。让T0工作在定时器方式，并且每2.5ms溢出并产生一次中断，在中断程序中，完成一个显示位的动态刷新。12ms将完成6个位的循环显示。b）INTO中断服务程序实现对外部故障处理任务，当外部故障发生时，由信号处理电路送来的故障信号产生负跳变，向CPU发出中断请求信号，CPU响应中断并执行INTO中断服务程序，封锁晶闸管触发脉冲，并根据故障的类别输出相应的故障报警代码。c）A/D中断服务程序负责电动机电流信号的采样，并于系统设定的限流、过载、过电流等阈值比较，判断是否出现限流、过载、或过电流等现象，给出相应的状态标志。实现电动机的起停控制d）T2中断服务程序实现电动机的起停控制、过载保护、故障闭锁的复位等任务。T2每10ms发生一次中断，在中断服务程序完成晶闸管触发脉冲角的计算与控制命令输出。3.2触发脉冲控制软件设计图3-3触发脉冲主程序流程图Fig.3-3Flowchartoftriggerpulseofthemainprogram4抗干扰设计工业生产现场的干扰可以沿线路侵入微机系统，也可以以场的形式从空间侵入。供电线路是电网中各种浪涌电压入侵的主要途径。系统的接地装置不良或不合理，也是引入干扰的重要途径。各种传感器、输入输出线路的绝缘不良，均有可能引入干扰。以场的形式入侵的干扰主要发生在高电压、大电流、高频电磁场(包括电火花激发的电磁辐射)附近。它们通过静电感应、电磁感应等方式在微机系统中形成干扰。干扰一般以脉冲的形式进入微机系统。干扰对微机系统的作用可以分为三部分。第一部分是空间干扰，通过电磁波辐射串入系统;第二部分是过程通道干扰，前向输入通道干扰使模拟信号失真，数字信号出错，微机系统根据这些错误信号做出的反应必然是错误的。后向通道干扰使各种输出信号混乱，不能正确反应微机系统的真实输出量。第三部分是微机系统内部，即处理器CPU，由于CPU是低电压供电，容易被干扰窜入，使总线上的数字信号混乱，引发一系列后果。因此抗干扰措施对微机控制系统的稳定运行具有重要意义。4.1硬件抗干扰一个抗干扰性能良好的微机系统，必须具有相应的硬件抗干扰措施或软件抗干扰措施，常常需要两者结合起来使用。硬件抗干扰处理得当，可以将大多数干扰拒之门外，对余下少数窜入微机系统的干扰，用软件的方法加以消除。硬件措施必须处于主要地位，否则，CPU将为抗干扰而花费大量时间，主要工作却不能及时执行，严重影响系统的工作效率和实时性。随着工业的发展，电源的污染问题日益严重，许多在工业现场中运行的计算机系统失灵，大都是由于电源干扰所引起的。电源及输电线路都存在内阻，正是这些内阻引起了电源的噪声干扰。若无内阻存在，任何干扰噪声都会被电源短路吸收，在线路中无法建立干扰电压。此干扰可从系统主回路进入控制回路部分，影响系统的功能甚至使系统瘫痪，危害非常大。洲门可以根据自己微机系统的要求，选用下面的一些抗干扰措施:4.1.1电源抗干扰1)使用交流稳压器，可用来保持供电电源的稳定。2)使用隔离变压器。考虑到高频噪声通过变压器不是靠初、次级线圈的相互藕合，而是靠初、次级间寄生电容藕合的。因此隔离变压器的初级和次级之间用屏蔽层隔离，减小其分布电容，以提高抗共模干扰的能力。3)采用低通滤波器。由谐波频谱分析可以知道电源的干扰大都是高次i皆波，因此采用低通滤波器让50Hz市电基波通过，滤去高频谐波，改善电源波形。在低压下，当滤波电路载有大电流时，宜用小电感和大电容构成滤波网络;当滤波电路处于高电压工作时，则宜采用小电容和允许的最大电感构成滤波网络。4.1.2抗空间干扰措施空间干扰主要指电磁场在线路、导线及壳体上的辐射、吸收与调制。一般情况下，空间干扰强度远小于其它渠道串入的干扰。采用良好的屏蔽线与正确的接地，高频滤波等方法加以解决。4.1.3过程通道抗干扰在过程通道中长线传输是干扰的主要原因，为了保证传输的可靠性，主要措施有光藕隔离、双绞线传输。1.光藕隔离措施采用光藕隔离可以使微机与主电路间切断电路的联系，能有效防止干扰从过程通道进入微机。光藕的主要优点是能有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰，从而使过程通道上的信噪比大大提高。光藕隔离具有很强的抗干扰能力是由于:l)光藕输入阻抗很小，一般为100~lK之间，而干扰源内阻很大，通常为100~100。因而能分到光藕输入端的噪声很小。2)干扰噪声虽有较大的电压幅值，但它的能量很小，只能形成微弱的电流，而光藕输入部分的发光二极管是在电流状态下工作的，使具有很高电压幅值的干扰，由于不能提供足够的电流而被抑制掉。3)输入输出回路之间的分布电容很小，一般仅为0.5~2PF，，而且绝缘电阻很大，因此回路一端的干扰很难藕合到另一边去。2.双绞线传输双绞线与同轴电缆相比，虽然频率特性差，但阻抗高，抗共模噪声能力强。双绞线能使各个小环节的电磁感应干扰相互抵消;其分布电容为几十PF，距离信号源近时，可起到积分作用，故双绞线对电磁场具有一定的抑制作用。4.2软件抗干扰上述的硬件抗干扰措施是十分重要的，它为单片机系统创造一个基本无干扰的工作环境。但是，硬件抗干扰还不能将所有的干扰都清除干净，因此，必须配合适当的软件抗干扰措施，使系统工作更加可靠。4.2.1看门狗在单片机应用系统中，由于干扰的因素，常常会出现程序“跑飞”或“死机”现象，使系统不能正常工作。为了解决这个问题，在单片机系统中采用看门狗是一个很好的办法。看门狗实际上就是一个定时器，它独立地运行，一旦定时器溢出就会复位系统。因此，在应用程序的各个分支上，要按时“喂狗”，即将看门狗的计数器清零，不让它发生溢出，这样就可以保证，只要应用系统是按照程序设计的路径走，看门狗就不会强行复位系统。但若程序“跑飞”或“死机”，就不可能按时“喂狗”，从而看门狗就会产生溢出强行复位系统，将应用程序重新纳入正轨。4.2.2现场保护现场保护就是指如果在中断服务子程序或调用子程序中使用了主程序用到的累加器、乘法器以及内存单元，而且这些数据不允许子程序对其进行修改，那么在子程序的最前面要将这些数据保存。保存的方法主要有两种:通过传送指令将要保护的数据放到一个保护区里:或者通过PUSH，PSHD指令将要保护的数据压入到硬件堆栈(此时，中断或子程序的嵌套将少于8级)。当子程序退出前，需要将保护的数据按序恢复，以保证主程序的正常运行。4.2.3指令冗余在重要的操作运行指令，如开、关闭中断，返回，跳转指令后，再写上同样的指令，当前面的指令在解释执行时，遇上干扰而被淹没时，则大多数情况下，后面同样的指令执行可使程序运行不受干扰的影响。4.2.4数字滤波当同步脉冲信号作为单片机的中断输入信号时，由于供电电源的污染，虽然己经过硬件的抗干扰处理，但是不可避免的还是会在上跳沿或者下眉瞬的时候出现抖动，造成单片机多次进入中断子程序，使得程序不能正常运行，为了解决这个问题，就应该在软件上进行数字滤波，即在中断入口处进行延时判断，如果过了一段时间还是高电平的话，就认为是上跳沿有效，程序继续往下运行，否则，就不进入中断，继续等待下一个中断到来。5技术经济分析与传统的起动方法相比，可用较小容量的变压器来起动相应的电动机，从而大大提高用户电力变压器的利用率或减少电力增容的费用。根据经验，如采用自耦降压起动，必须配备2.5倍于被起动电机容量的变压器才能正常起动。软起动装置由于大大降低了起动电流，只需采用1.25倍于被起动电机容量的变压器即可，如按企业年产1200台、平均每台按110KW计算，则配电系统所需变压器容量，可比采用传统起动设备时候减少16万千伏安，如按其中20％是靠电力增容解决，可以节约3.2万千伏安的电力增容费用约人民币3000万元。成本比原有降压起动设备有所降低。与同等容量的自耦降压起动设备相比，每千瓦容量可节约钢片0.7公斤，铜线0.1公斤，如按企业年产1200台、平均规格为110KW计算，则可节约钢片92吨，铜线13吨，约合人民币200万元左右。本论文设计的软起动器是一种可实现电机软起动、软停止、节能、故障保护、报警等功能的较完整的电机控制系统，同时具有较好的耐用性和良好的性价比。6总结大功率感应电动机由于转动惯量大，即使在空载起动时，其时间也较长，因此如果直接起动的话，其起动电流往往很高，会对电网产生电流冲击，影响电网其他设备的正常运行；或因为起动电流超过电网过电流保护整定值而动作，造成电动机无法启动运行等现象，为此，大功率感应电动机一般需要采取一定的起动措施，如：Y/Δ起动、自耦变压器减压起动、定子串电抗器减压起动、电子软启动等方式，在众多的起动方式中，电子软启动作为一种利用电力电子技术实现的减压起动方式，由于具有起动方式灵活、起动功能完善、参数易于调整、并能利用微机控制系统对起动过程进行控制、监视和保护等，因此利用电子软启动器控制大电动机的起动过程已经成为当今的主流方式。本文从异步电动机软起动技术的历史以及现状，明确了研究开发一种新型的异步电动机软起动器的现实意义。通过分析电动机的起动过程及对晶闸管原理的阐明，在此基础上提出了一套设计方案，即基于AT90S8535芯片为主要单片机的软启动控制系统，实现了所期望的各项基本功能，基本完成此次设计的目标。同时，对于异步电机软起动器还有许多值得研究的地方，如采用其他系列的单片机及各种新型器件是否能够更好的实现我们的预期性能指标等方面，还有待于我们在日后的工作和学习中完成。致谢本论文是在导师李博高级工程师的悉心指导和殷切关怀下完成的。在完成毕业论文期间，在学习上得到了导师无微不至的关怀。导师亲切的态度和渊博的知识给予了我许多的启发导师严肃的治学态度、追求新知和不断进取的精神也是我今后学习和工作的榜样，在此表示我最衷心的谢意！同时非常感谢姜玉东老师，在做论文的过程中得到姜老师的指导和热情帮助，在此表示感谢！衷心向几年来辛勤培养我的辽宁工程技术大学的老师们致以崇高的敬意和深深的谢意！同时感谢父母和亲人们对我的培养与大力支持，这是我能够完成学业的前提和保障。最后，对评审论文的各位专家、学者表示衷心的感谢！参考文献[1]戴广农，基于CAN总线的智能多功能交流电机软起动器系统[D]：[硕士学位论文]，上海：上海交通大学，2021.1[2]A-R.A.Makky,GammlM.Abdel-RahinandNabilAbdEL-Latif,ANovelDCChopperDriveforasingle-phaseInductionMotor[J],IEEETrans.OnIndustrialElectronics,1995,Vol.42(1),33-38[3]湖南开利科技股份，交流笼式电动机软起动应用技术手册，2021.4[4]黄俊等，电力电子变流技术[M]，机械工业出版社，1993[5]天津天传电子，交流笼型电动机软起动技术及应用手册，2021.3[6]赵相宾，刘国林，变频调速和软起动技术的现状和发展[J]，自动化博览，2021.6[7]陈翔宇，江和，浅析异步电机电子软起动器的现状和展望[J]，电气开关，2021.6 [8]陈伯时主编，电力拖动自动控制系统，机械工业出版社，2021.2[9]谢运祥，欧阳森，电力电子单片机控制技术，机械工业出版社，2021.3[10]厉无咎，智能化软起动器[J]，低压电器，2021.1[11]张军，AVR单片机应用系统开发典型实例[M]，中国电力出版社，2021.8附录A译文脉宽调制技术前面讨论的三相6阶梯逆变器既有其优点也有其局限性。由于在基波频率的每个周期仅开关六次，因此逆变器的控制简单而且开关损耗低。但是6阶梯波电压中的低次谐波会导致电流波形产生极大的畸变，除非使用笨重庞大的不经济的低通滤波器滤波。另外，输出电压靠整流器控制，也不可避免的带有整流器所具有的通常的缺点[16]。脉宽调制（PWM）工作原理由于逆变器中电子开关的存在，在恒定的直流输入电压作用下，逆变器可以通过自身的多次开关控制输出电压并优化输出谐波。图5-18解释了通过PWM控制输出电压的工作原理。基波电压在方波工作模式下具有最大的幅值（4）。如图示，通过产生俩个凹口，的幅值可以被减小，随着凹口宽度的增加，基波电压将随之减小。图5-18PWM控制输出电压的工作原理PWM分类在过去的文献中已提出了很多的PWM技术，下面是对这些PWM技术的分类。正弦PWM（SPWM）；特定谐波消除PWM（SHEPWM）；最小纹波电流PWM；空间矢量PWM（SVW）；随机PWM；滞环电流控制PWM；瞬时电流控制正弦PWM；Delta调制PWM；SigmaDelta调制PWM通常PWM技术可以按电压控制或电流控制来分类，或按前馈方式或反馈方式来分类，也可以按基于斩波或不基于斩波来分类。注意，前面讨论的移相控制PWM也是一种PWM技术。在这一节中，将对主要的PWM技术做一简单的回顾。5.5.1正弦PWM正弦PWM技术在实际的工业变流器的应用中非常普及。这项技术在文献中已经得到了广泛的讨论。图5-19解释了SPWM的基本工作原理。图中频率为的等腰三角载波与频率f的正弦调制波相比较，两者的焦点确定了电力电子器件的开关时刻。例如，图中给出了开关半桥逆变器中的构成的波形，为防止的同时导通而设计的之间的死区时间在图中被忽略了。上述方法也被称为三角波法，次谐波法或次震荡法。波形的脉冲及凹口宽度按正弦规律变化，从而使其基波成分的频率等于f且幅值正比于指令调制电压。如图5-20给出了负载无中线连接的典型的线电压的相电压波形。波形的傅立叶分析可以由下式给出:(5-33)图5-19三相桥式逆变器正弦PWM的工作原理式中，m为调制指数；w为基波频率（rad/s），（与调制频率相同）；为输出相位移，取决于调制波的实际位置。图5-20PWM逆变器的线电压和相电压的波形a）线电压b）相电压调制指数m被定义(5-34)式中，为调制波的峰值；为载波的峰值。理想情况下，m可以从0变化到1，并且调制波与输出波形之间将保持着线性关系。逆变器基本上可以被看作是一个线性放大器，根据（5-33）和式（5-34）可以得出这个放大器的增益G为：(5-35)当m=1时，可以得到最大的基波电压峰值0.5，这个数值是方波电压输出时基波电压峰值（4）的78.55%。事实上，通过将某些三次谐波成分加入到调制波中，线性工作范围的最大输出基波电压峰值可以增加到方波输出时的90.7%。当m=0时，是一个频率与载波频率相同，脉冲和凹口宽度上下对称的方波。PWM输出波形中，含有与载波频率相关且边（频）带与调制波频率相关的谐波成分。这些频率成分可以表示为，如式（5-33）所示。式中，M和N均为整数；M+N为一个奇整数。表5-1给出了当载波频率与调制波频率的比值时的输出谐波。表5-1SPWM在时的输出谐波m谐波成分115w15w2w15w4w230w30w3w30w5w345w45w2w45w4w由上述的输出谐波成分可以推导出，其幅值与载波比P无关，并将随着M和N的增大而减小。随着载波比的P的增大，逆变器输出线电流谐波将通过电机的漏电感得到更好的滤波，并接近于正弦波。选择载波频率需要折中考虑逆变器损耗和点击损耗。高的载波频率（与开关频率相同）将使逆变的开关损耗增加，但会减少电机的谐波损耗。最有的载波频率选择应使系统的总损耗减小。PWM开关频率的一个重要影响是当逆变器向电机提供功率时由磁滞效应产生的噪声（也称为磁噪声）。这种噪声可以通过随机的改变PWM开关频率而减轻（随机SPWM）,通过吧开关频率增加到高于音频范围，也可以把这种噪声完全消除。现代高速IGBT可以很容易的实现这种无音频噪声的变频传动。逆变器输出端的低通滤波器也可以消除这种噪声。1.过调制区操作当调制指数m接近于1时，在正，负半周期中间位置附近的凹口和脉冲将趋于消失。为了使器件能有一个完整的开关操作，应保持一个最小的凹口和脉冲宽度。当这个最小脉宽的凹口和脉冲消失时，负载电流会有一个瞬态跳变。对IGBT逆变器，这个跳变可能是比较小的；但对于电力GTO晶闸管逆变器，由于器件变速的开关，这个跳变会很大。m的数值可以增加到大于1进入准PWM区域，图5-21所示为正半周期操作。图中在正半周期中间附近脉冲向下的凹口不见了，从而给出了一个具有较高的基波成分的准方波输出。如图5-22所示，在过调区，传递特性是非线性的，波形中重新出现了5次和7次谐波成分。随着m数值的增加，即调制信号的增大，最终逆变器将给出一个方波输出，器件在方波的上升沿开关一次，在下降沿开关一次。在这种情况下，输出基波相电压峰值达到4（0.5）/，即达到100%的输出，如图5-22所示。图5-21过调制区的波形图5-22SPWM过调制输出传递特性2.载波与调制波频率的关系对于变速传动，逆变器输出电压和频率应按图2-14所示关系变化。在恒功率区，逆变器以方波模式工作从而可以获得最大电压。在恒转矩区，逆变器输出电压可以采用PWM控制。通常希望逆变器工作时载波与调制波频率比P为一整数，即在整个工作范围内调制波与载波保持同步。但当P保持为一定值，在基波频率下降时，会使载波频率也随之变得很低，就电机的谐波损耗而言，这通常是不希望的。图5-23给出了一个GTO晶闸管逆变器实际的载波与基波频率的关系。当基波频率很低时，载波频率保持恒定。逆变器以自由运行方式或称一部模式工作。在这个区域，载波比P可以是一个非整数，相位可能连续的移动，这将会产生谐波问题以及变化的直流偏移（差拍效应）。随着数值的下降，这个问题会变得越发的严重。在这里应该提及的是，与基波频率变化范围相比，现代IGBT器件的开关频率是非常高的，这使得PWM逆变器可以在整个异步范围内得到满意的操作。如图5-23所示，在异步运行区后是同步区，在这个区，P以一种阶梯的方式变化，这使得最大和最小频率保持在设定边界值内的一个特定区域。P的数值总是保持为三的倍数，这是因为对无中线连接的负载，三的倍数次谐波是不需要考虑的。当调制波频率接近于额定频率（f/f=1）时，逆变器转换到方波模式工作，这里假设这是载波频率与基波频率相等。在整个工作范围，控制策略应该仔细的设计，使在载波频率跳变的时刻，不产生电压的跳变，并且为了避免相邻P值之间的抖动，在跳变点应设置一个窄的滞环带。5-23载波频率f/f的关系3.死区时间效应及补偿由于死区（或封锁）效应，实际的PWM逆变器的相电压（）波形会在某种程度上偏离5-19所示的理想波形。这种效应可以用图5-24中三相逆变桥中的a相桥臂来解释。电压源型逆变器的一个基本控制原则是要导通的器件应滞后于要关断的器件一个死区时间t（典型值为几微妙）以防止峭壁的直通。这是因为器件的导通是非常快的，而相对来说关断是比较慢的。死区效应会导致输出电压的畸变并减小其幅值。考虑图5-24所示PWM操作，如图示，a相电流i的方向为正。初始状态Q为导通，的幅值为+0.5V。Q在理想的开关点关断后，在Q导通前有一个时间间隔t，在这个间隔，Q和Q都处于关断状态，但+i的流通使得在理想开关点自然的切换到-0.5V。现在考虑在理想开关点从Q到Q的带有延迟时间t的开关转换。当QQ两个器件都关断时，+i继续通过D流通，从而造成了如图所示阴影面积的脉冲伏-秒（Vt）面积损失。下面再考虑电流i的极性为负时的情况。仔细的观察图示波形可以看到Q导通的前沿有一个类似的伏-秒面积的增加。注意，上述伏-秒面积的损失或增加仅仅取决于电流的极性，而与电流的幅值无关。图5-25给出了在每一个载波周期T分别对应于+i和-i的伏-秒面图5-24半桥逆变器死区效应的波形积（Vt）损失和增加的积累效应对基波电压波形的影响。图中基波电流i滞后于基波电压一个相位角。图5-25中最下面的图解释了死区效应。把由Vt构成的这些面积累加起来并在基波频率的半周期内加以平均可得出方波偏移电压V为（5-36）式中，P=，f为基波频率，图5-25中最上端的波形给出了V波对理想波的影响。在较低的基波频率下，这种基波电压的损失以及低频谐波畸变会变得很严重。死区效应可以很容易的通过电流反馈或电压反馈方法进行补偿。对于点一种方法，通过对相电流极性的检测，将一个固定量的补偿偏移电压加到调制波上；对后一种方法，将检测的输出相电压与PWM电压参数信号相对比，延后把偏差用于补偿PWM参考调制波。5.5.2特定谐波消除PWM（SHEPWM）应用特定谐波消除PWM（SHEPWM）可以将方波中不希望有的低次谐波消除，并控制输出基波电压的大小，如图5-26所示。在这种方法中，要在方波电压中开出一些预先确图5-25输出相电压波形的死区效应定好角度的凹槽。图中所示为四分之一波对称的正半周波形，可以通过控制图中四个凹槽角，，和消除三个特定的谐波成分，同时控制输出基波电压。如果图示波形中有更多的凹槽角，责可以消除更多的谐波成分。图5-26特定谐波消除PWM的相电压波形任何波形均可用如下傅立叶级数展开形似表示：v（t）=（5-37）式中（5-38）（5-39）对于四分之一周期对称的波形，波形中将只含有正弦项，并且只含有几次谐波成分。因此有a=0（5-40）v（t）=（5-41）式中（5-42）假设图示波形具有单位幅值，即v（t）=，则b可以求出如下：（5-43）根据表达式（5-44）可以得出式（5-43）中的第一项和最后一项为（5-45）（5-46）将式（5-45），式（5-46）代入式（5-43）并求出式中其它的积分项