基于单片机的电机软起动器设计

PAGEI摘要异步电机是电网中最主要的负荷，其起动过程中经常会产生较大的起动电流，对电网造成冲击，影响电网的安全运行。而软起动器是一种新颖的电机控制设备。与传统的电机起动方式相比，采用软起动器的电机软起动方式可以实现起动电压的连续无级调节，限制起动电流，从而有效地改善电机的起动性能。软起动器的应用十分广泛，市场前景非常广阔。目前，国外品牌占据了我国软起动器市场大部分的份额，而国内的自主品牌技术实力则相对较弱。国外品牌的产品，知名度高、质量可靠、种类齐全、技术先进、服务完善，但是往往价格高昂，不适合大规模推广使用。针对这一现状，本文以STM32为控制核心，研究一种经济实惠、性能良好的异步电机软起动器产品。关键词：软起动器；异步电机；晶闸管燕山大学本科生毕业设计（论文）燕山大学本科生毕业设计（论文）PAGEIVPAGEIAbstractTheasynchronousmotoristhemainloadinthepowernetwork,andthestartingcurrentoftheinductionmotorisoftengeneratedduringthestartingprocess,andtheimpactofthepowernetworkistheimpactonthesafeoperationofthenetwork..

Thesoftstarterisanovelmotorcontrolequipment..

Comparedwiththetraditionalmotorstartingmodebysoftstartermotorsoftstartingmethodcanrealizecontinuoussteplessregulationofthestartingvoltage,limitthestartingcurrent,andthuseffectivelyimprovethemotorstartingperformance.Theapplicationofthesoftstarterisveryextensive,andthemarketprospectisverybroad.Atpresent,foreignbrandsoccupymostofthemarketshareofChina'ssoftstartermarket,whilethedomesticindependentbrandoftechnologystrengthisrelativelyweak.Foreignbrandsofproducts,thehighvisibility,variety,advancedtechnology,serviceimprovement,butoftenexpensive,notsuitableforlarge-scaleuse.Inviewofthissituation,thispapertakesSTM32asthecore,andstudiesthesoftstarterofasynchronousmotorwitheconomicalbenefits,reliablequalityandgoodperformance.Keywords：Softstarter;Asynchronousmotor;ThyristorPAGEIII目录摘要 IAbstract II第1章绪论 11.1电机软起动器简介 11.2国内外研究现状 21.3本课题的目的及内容 5第2章异步电机软起动原理 62.1异步电机的起动过程 62.2异步电机的起动方式 92.2.1直接起动 92.2.2降压起动 92.3软起动器基本原理 112.4软起动器的控制方式 132.4.1电压斜坡控制方式 132.4.2电压突跳控制方式 142.4.3电流限幅控制方式 152.4.4转速闭环控制方式 162.4.5转矩控制方式 16第3章软起动器硬件设计 173.1系统简介 173.2系统主电路设计 183.2.1主电路方案的确定 183.2.2晶闸管选型 183.2.3晶闸管保护电路 193.2.4晶闸管驱动电路 203.3系统电压、电流检测电路设计 223.4单片机最小系统设计 243.5辅助电路设计 26第4章软起动器的仿真 294.1软起动仿真模型 294.2异步电机的直接起动 304.3异步电机的软起动 32结论 34参考文献 36致谢 38附录1 39附录2 40燕山大学本科生毕业设计（论文）第1章绪论PAGE4PAGE39第1章绪论1.1电机软起动器简介软起动器（SoftStarter）最早是在1970年由英国人发明的，并于90年代初引入国内，是一种实用的电机控制设备。电机的起动，是指电机接入电网后，电机转速从零开始逐渐升高到额定转速的过程。而软起动，则是通过软起动器装置，使电机端电压从零开始以预先设置好的函数关系逐渐上升，直到起动结束机端电压达到额定电压、电机转速达到额定转速，再将软起动器旁路的电机起动过程。其特点是起动过程平稳，起动曲线平缓，对电机没有冲击，起动电流较小。异步电机的起动性能的两个最重要的指标是起动电流和起动转矩[1]。软起动器的核心组成部分是三组反并联的晶闸管及相应的电力电子控制回路。使用时，只需将软起动器串联在三相电源和三相电机之间，通过微控制器（MCU）控制晶闸管的导通角，就能改变受控电机的机端电压，进而实现软起动、软停机等各种不同的功能；通过引入电流负反馈控制，使起动电流缓慢上升，电机平稳起动；通过调整起动参数，改变电机的起动时间以适应电机在不同负载下的起动要求。通常，软起动器还集成有多种电机保护功能。异步电机是电网中用电量最多的负荷，占电网负荷总量的60%以上。异步电机的起动电压、起动电流是其起动性能中最为关键的两个指标。对于异步电机来说，起动电压越大，电机的起动转矩越大。如果电机的起动转矩太小，则可能无法带动负载。此时流经电机的电能将完全以热能的形式消耗在电机绕组上，时间长了就会导致绕组过热而烧坏电机。而关于起动电流，起动电流越大，对电网的冲击也就越大，严重时会造成电网电压波动，危害电网中其它设备的正常运行。国家相关标准规定，电机起动时所引起的电网电压波动不允许超过10%[2]。同时，太大的起动电流会对电机自身造成强大的电磁力冲击，缩短电机的使用寿命。因此，在电机的起动过程中，总是希望起动电流较小，而起动转矩较大。传统的异步电机起动方式有直接起动和降压起动两大类，而后者又可细分为Y-△起动、定子回路串电抗起动、自耦变压器起动、延边三角形起动等起动方式。采用直接起动方式时，操作最简单且无需起动设备，起动转矩较大，但与此同时，起动电流却可达到电机额定电流的4～7倍，仅适用于小容量的电机；而采用降压起动方式，尽管在一定程度上能起到限流作用，但也没能解决问题的根本[3]。相比之下，新型的软起动方式既能控制机端电压，使电压按照设定的曲线逐渐上升，又能将起动电流限制在一定范围内，保证电机不会受到冲击，因此得到了广泛的应用[4]。从电力拖动和交流调速方面来区分，所有起动辅助装置可以分为两个大类：变频起动装置，即变频调速器和降压起动装置。软起动器有多种控制类型，一般可分为电压控制型、电流控制型和转矩控制型，而前者又可归为传统型。电压控制型软起动器控制的是电压，为开环控制方式，容易实现，价格低廉，但性能一般，存在起动电流过大、电机发热严重、起动速度曲线为二次曲线等缺陷。电流控制型软起动器控制的是电流，控制方式为闭环，通过限制电机起动中的定子电流实现软起动，实现较为容易，且性能良好。转矩控制型软起动器则以电机的电磁转矩为控制目标，转矩的加速度在起动过程中始终为恒定值，因此起动速度可以线性增加到额定转速，从而大幅减小机械冲击和机械应力，延长电机的使用寿命。但此种方法检测装置较为复杂，成本高。1.2国内外研究现状国外发达国家的软起动器产品，主要是固态软起动装置和兼作软起动的变频器。许多知名的电气公司都拥有各种不同型号、性能的软起动器系列产品或成套的电机软起动设备，如瑞士的ABB（AseaBrownBoveri）、德国的西门子（Siemens）、美国的通用电气（GeneralElectric）、丹麦的丹佛斯（Danfoss）、法国的施耐德（Schneider）等。其中，ABB和西门子处于领先地位，它们的销售额在国际软起动器市场中长期占据着前两名[5]。国内也有不少公司加入了同类的软起动器研发，如上海索肯和（Hapn）、上海雷诺尔（Renle）、长沙奥托（Ata）、浙江九康、山西科达（Keda）、深圳普传（Powtran）、西安西普（Westpow）等。目前，在我国软起动器的国内外品牌竞争格局中，国内自主品牌的市场占有率已达40%，并有逐年上升的趋势。国内自主品牌正逐步占据主导地位，尤其是在低压软起动器领域。特别地，在我国自主品牌的内部竞争中，仅索肯和平、雷诺尔、奥托等三家公司的市场份额就超过了其它国内自主品牌的总和，在国内全部品牌竞争中占有率超过了30%。从短期来看，由于国外电气设备供应商具有先进的技术、可靠的质量、完善的销售渠道、优秀的售后服务等优势，软起动器的市场竞争格局不会有大幅改变。但随着软起动器技术的不断发展，国内自主品牌的市场占有率逐步提高，国外品牌在我国的市场份额将有所下降。下面仅以ABB公司和索肯和平电气公司的软起动器为例分别介绍国内外软起动器产品的功能和特点。ABB公司是位居全球500强之列的电力和自动化技术领域的领导厂商，其主要软起动器产品为PST、PSTB系列。它们是针对鼠笼式异步电机的软起动/软停止而设计的，具有完善的电机保护功能。两者的区别在于后者内置了旁路继电器，可在紧急情况下直接起动电机。PST系列软起动器除了具有起动/停止功能外，还集成了多种保护功能，如过载保护、堵转保护、电机欠压保护、过电流保护、三相失衡保护、缺相保护、SCR过载保护、PTC输入电机温度保护等。该系列软起动器几乎能够检测、显示所有的故障类型，如频率故障、缺相故障、旁路继电器不分断/吸合故障、SCR短路故障、SCR不导通故障、冲击电流故障等。索肯和平公司是一家以数字智能电机软起动器为支柱的科技型企业，其主要的软起动器产品为HPISH、HPISD、HPISE、HPS2D/DH、HPS2DN及HPMV-DN系列软起动器。所有产品中，又以HPS2DN系列最为有名。HPS2DN系列调压、限流式智能电机软起动器是HPS2S、HPS2D/DH系列的升级产品，可适用于额定电压为230V、400V的低压电机，或额定电压为500V、690V的中压电机，最大控制功率为800kW；既可应用于常规负荷，又可应用于重负荷。对于重负荷应用，建议选择比电机额定功率大一个等级的软起动器。HPS2DN系列软起动器可以设定13个工作参数，包括起动器满负荷电流、电机满负荷电流、初始电压、电流限制参数、双重调节参数、节能参数、速度反馈和线性加速参数等。同时，该系列软起动器还具有18种电机保护功能，包括起停频繁度限制、失速保护、电子过载保护、欠流保护、欠压保护、过压保护、缺相保护、晶闸管短路保护、散热片过热保护等。随着国内软起动器技术的进步，一些优秀的国内自主品牌正不断向国际品牌靠拢；在核心器件、控制芯片、管理软件的采用方面，与国际先进水平的差异程度正逐渐降低。相比国外品牌，国内自主品牌在设计方面更加符合国人的习惯，如电压工作范围宽、温度适用范围广、界面汉化效果好、有中文提示功能等。在控制软件方面，国内自主品牌可以根据客户情况有针对性地开发和修改，对行业特殊需求能做到个性化处理、快速响应，满足不同用户的需求。与此同时，国内自主品牌与国外优势品牌之间仍存在着一定的差距，具体表现在：（1）技术实力有待增强这主要表现为产品线覆盖面不宽、可靠性较差，配套的电气控制设备很少[6]。国内自主品牌难以覆盖各电压等级、各功率段，缺乏产品协同优势。国外知名品牌的故障率大都在3%左右，而绝大部分国内自主品牌的故障率在7%以上，表现最好的也有4%～5%的故障率。另外，国外知名品牌如ABB和西门子还提供电力和冶金的全套电气设备及整体解决方案，这是国内自主品牌所无法企及的。（2）产品知名度有待提高国外品牌长期占据着我国软起动器市场的大部分份额，其可靠的质量、稳定的性能在客户中赢得了良好的口碑。而国内自主品牌的历史不长、综合实力较弱，加上其产品进入市场的时间较短，难以改变国外品牌先入为主的格局。想要得到客户的青睐，不仅需要企业自身的不断努力，还需要经得起时间的考验。1.3本课题的目的及内容异步电机的软起动器具有其它起动方式难以比拟的优越性，能够广泛应用在动力、能源、冶金、电力等诸多领域，市场前景十分广阔。目前，国内软起动器市场主要被国外知名品牌所占据。国外品牌虽然质量可靠，但价格昂贵，性价比不高；而国内品牌则虽技术相对落后，但成本低，且技术正不断向国际品牌靠拢。针对这一现状，本文以STM32为控制核心，研究一种经济实惠、质量可靠、性能优异的异步电机软起动器产品。本文研究和探讨的问题主要包括以下几个方面：（1）在软起动器概念的基础上，对比软起动器的国内外研究现状，研究异步电机的起动特性，了解异步电机常见起动方式/制动方式的原理，比较各种起动方式的优缺点，深入理解软起动器的调压原理以及软起动的优势。（2）进行软起动器的硬件设计，包括核心微控制器（MCU）的选择、MCU最小系统的设计、主电路的设计及关键器件晶闸管的选型与保护，研究一种具有同步信号检测、缺相保护、过欠压保护功能的电压检测电路，设计完善电流检测回路、辅助电源系统、晶闸管驱动电路和显示电路等。（3）进行软起动器的软件设计，包括主程序、同步信号中断服务子程序、增量式PI设计、限流起动程序、电压斜坡起动程序、触发脉冲延时子程序等，深入研究各程序的工作原理和流程图，以及程序设计过程中需要注意的地方。（4）运用仿真软件对软起动器交流调压系统进行仿真，建立软起动器直接起动和软起动方式的仿真模型，设计各仿真模块的内部结构，确定各项仿真参数，并对仿真结果进行分析比较。第2章异步电机软起动原理PAGE38第2章异步电机软起动原理2.1异步电机的起动过程为了研究异步电动机改变电压时的机械特性，进而分析异步电动机的起动电流、起动转矩和电机端电压的关系，就要研究电机的数学模型，对于电机的软起动而言，多采用基于集中参数等效电路的数学模型[7]。根据电机学知识，在下述三个假定条件下：1)忽略空间和时间谐波；2)忽略磁饱和；3)忽略铁损；异步电动机的稳态等效电路如图2-1所示：图2-1异步电机的稳态等效电路r1、r2＇为定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相的电阻；x1、x２＇为定子绕组每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感；ｒｍ为定子铁心损耗所对应的等效电阻；xｍ为定子绕组产生气隙主磁通的等效电感，即空载试验测得的励磁电感；Ｕ１为定子相向电压，I1为定子相电流。基于T等效电路的数学模型为：(2-1)(2-2)(2-3)(2-4)由T型等效电路可知，异步电机从电源输入的电功率P1，其中一部分消耗在定子绕组的电阻上而成为定子铜耗Pcu1；一部分消耗在定子铁心上而变成铁耗Pfe。剩余的大部分通过气隙旋转磁场传递到转子，成为电磁功率Pem。则Pem为：(2-5)电磁转矩可以表示为：(2-6)其中，为同步角速度，为转子机械角速度，Pem为机械功率。由式（2-5）和（2-6）得：(2-7)根据T型等效电路可知：(2-8)由式(2-7)与(2-8)，可得出：(2-9)刚起动时，转子转速n=0，转差率s=1，起动转矩为：(2-10)根据式(2-1)、式(2-2)、式(2-3)、式(2-4)可得：(2-11)在异步电动机里，因为rl<<xl，rm<<xm故可以省去rl和rm，则上式可表示为：(2-12)刚起动时，转子转速n=0，转差率s=1，由于激磁电流相对较小，近似为1，所以起动电流为：(2-13)由式(2-10)和式(2-13)可知，起动转矩正比于定子端电压的平方，而起动电流与定子电压成正比。起动电压较低时，起动转矩较小，电流也较小；反之，起动电压越高，则起动转矩越大，同时起动电流也越大。2.2异步电机的起动方式2.2.1直接起动直接起动，即全压起动，起动时通过继电器、接触器或刀闸直接将异步电机投入电网中，电源电压直接加到异步电机的定子绕组上，使异步电机在额定电压下进行起动。起动设备和操作都比较简单是直接起动最大的优点。然而，起动电流大是直接起动最大的问题，从上节中对异步电机模型的分析可知，当三相异步电机直接起动，电机刚接入电网时，转子尚未转动，转差率s=1，起动电流相当于是短路电流，此时会产生较大的电流冲击。下面分析电流冲击对系统的影响：（1）较大的起动电流对电机本身的影响。当异步电机定子中流过较大电流时，能量会以热量形式消耗在电机绕组上，使电机内部温度升高。对于不频繁起动的电机来说，短时的发热影响不大；但对于频繁起动的电机来说，频繁的过电流可能会使电机内部发热严重而损坏电机，但是只要对电机每小时的起动最大次数加以限制，也是可以进行直接起动的。（2）较大起动电流对供电网络的影响。整个供电网络的容量相对于一个三相异步电机来说是相当大的，但是对异步电机直接供电的子网络相对于异步电机来说容量却是有限的，因为这个子网络的容量是根据其负载的容量设计的。异步电机起动时会产生较大的起动电流，若子网络容量足够大，此较大的起动电流对子网络输出电压影响不大（子网络压降△U<5%），这时是允许电机直接起动的；若子网络容量相对较小，较大的起动电流会使子网络输出电压产生较大的降落，超过了规定值，这不仅将会对电机本身的起动产生不良影响，还可能会影响同一网络上其他用电设备的正常工作，因此此时直接起动异步电机是不允许的。对于电网容量足够大，当起动电流不至于引起显著的电压降落时，应优先采用直接起动的方式[8]。2.2.2传统降压起动常用的传统降压起动方式有：1.定子回路串电抗起动交流异步电机定子串电抗降压起动，适用于中等功率的电动机。这种起动方式是起动时，将三相电抗器串入交流电机的定子回路中，待起动完成后再用接触器或继电器将电抗旁路掉。由于起动时定子绕组串入的电抗器，起动时加在定子绕组上端电压降低，一般为额定电压的0.5倍左右，因此减小了起动电流。但此时起动转矩也下降为额定电压下起动转矩的1/4左右，所以，该种起动方式仅适用于对起动转矩要求不高的场合，如异步电机空载或轻载起动。除此以外，定子回路串电抗降压起动还存在着以下缺点：(1)起动特性很难优化。其原因是制造起动器时电抗值是固定的，以后很难调整；(2)频繁起动场合下起动特性欠佳。因为起动过程中电抗值会随着其温度的变化而变化，若要保持相同的起动特性需待电抗器冷却后方可进行下一次起动；(3)当串接电阻器时，由于电阻上有较大的有功功率损耗，对于系统来讲效率是比较低的；(4)对于经常变化负载的三相异步电机不能提供有效的软起动。2.星—三角起动星形—三角形起动只适用于正常运行时定子绕组接成三角形的电机。起动时定子绕组先接成星形，此时定子每相电压可降为电源电压1/，起动完毕后再换接成三角形，从而可以实现降压起动。星形—三角形接法起动设备和操作都非常方便，仅仅比直接起动方式多了一组接触器或继电器，因此Y形系列产品中4kW以上的电动机定子绕组都按三角形接法设计，以便采用星形—三角形起动方式。星—三角起动器也有以下的限制：(1)无法控制电流和转矩的下降。星—三角起动中每相绕组的相电压降为电源电压的1/，所以电机的起动电流和起动转矩均变为额定电压起动时的1/3；(2)星—三角起动只能分两级起动异步电机，当起动器从星形接法切换到三角形接法时，仍会出现二次电流和转矩冲击，且起动转矩较小，只适用于异步电机的空载或轻载起动。3.自藕变压器降压起动该起动方式是利用一台降压式的自藕变压器，起动时将自耦变压器串接在三相电源与异步电机之间，降低定子绕组上的电压，限制异步电机起动电流，等待起动完成后，再把自耦变压器旁路掉，将电机直接接到额定电源上。若自藕变压器原、副边电压之比为K，则自耦变压器起动时起动电流为额定电压下的1/K2，同时起动转矩也下降到额定时的1/K2。可见，自藕变压器起动和星形—三角形起动具有相同的性质，不过前者对运行时为星形接线或三角形接线的三相起步电机均适用，而且自藕变压器的变比K，在一定范围内可调，这是自耦变压器起动相对于星形—三角形起动的主要优点。但是这种起动方式也同样受到一定的限制：(1)与星—三角起动相同，分级起动方式会引起转矩二次波动；(2)自耦变压器体积大、重量大、成本高；(3)对于经常变化负载的三相异步电机不能提供有效的软起动。2.3软起动器基本原理晶闸管电机软起动器，也称之为可控硅电机软起动器，或固态电子式软起动器，它是一种集电动机软起动、软停车、轻载节能和多重保护功能于一体的新颖电动机控制装置，它的出现引起了人们的广泛关注，它不仅有效解决了电动机起动过程中电流冲击和转矩冲击问题，还可以根据应用条件的不同设置其工作状态，有很强的灵活性和适应性。随着我国经济快速增长，科学技术日新月异，智能控制系统得到了越来越广泛的应用，同时也提出了更高的要求。现代晶闸管电机软起动器通常由微型计算机作为其控制核心，因此可以方便的满足技术进步的要求，所以，电动机的软起动器正在中国得到越来越广泛的应用。在交流电源供电和电动机之间接入晶闸管调压电路，就可以通过改变晶闸管的导通角来达到改变电机端电压的目的。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，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，使用和维护方便。图2-2所示每两个晶闸管反并联连接再串联到一相当中，称之为一个桥臂，采用三个桥臂即六个晶闸管就组成了三相晶闸管交流调压电路。图2-2晶闸管交流调压电路根据异步电机的定子电流公式：（2-14）可以看出，异步电机的定子电流与定子电压成正比。因此，通过调节定子电压U1可以减小起动电流。交流调压调速是一种比较简单的调速方法，早在二十世纪50年代就有人在异步电动机定子回路中串入饱和电抗器，以及在定子侧加调压变压器以实现调压调速。电力电子技术的发展，使我们能应用工作在“交流开关”状态的晶闸管元件来实现交流调压调速。晶闸管软起动器正是应用了交流调压调速的原理，它的主电路结构形式同晶闸管三相交流调压电路完全一致，它利用晶闸管的可控导通特性，通过控制晶闸管的导通角α来改变实际加在电动机定子上的电压有效值，从而减小电动机的起动电流，从而实现软起动。晶闸管软起动器不同于一般交流调压调速装置之处在于晶闸管软起动器通常只在起动和停车过程中起作用，正常工作时处于全压状态或者浅调速状态，因此，可以说晶闸管软起动器就是交流晶闸管调压调速的一种特例。2.4软起动器的控制方式由于软起动器是一种集电力、电子、电气、电动机、控制和计算机技术于一体的新型电气产品，因此，其技术的发展无一不是伴随着电力电子技术、计算机技术、现代控制技术的发展。纵观软起动器控制技术的发展，大致经历了三个阶段。早起的软起动器由于采用的是分立器件来控制，因此功能比较单一，控制方式也比较少，一般都仅有开环电压斜坡控制方式。随着技术的发展，闭环电压、电流控制方式出现。比较具有代表性的是电流限幅控制方式，在此基础上又衍生出电流斜坡、突跳转矩、电压斜坡加电流限幅等控制方式。另外，在一些特殊场合转速闭环控制也有应用。第三阶段闭环转矩控制为代表，此外还有一种特例就是分级变频控制，这种控制方式将变频器的设计思想融合到了软起动器当中，虽然存在一些缺陷，但特点还是十分鲜明的。而目前，软起动器控制技术的发展正在经历第四个发展阶段，众多厂商和科技工作者正在不断研究，致力于将一些现代控制理论，如模糊控制、自适应控制、智能控制等技术逐步应用到软启动器上，使软起动器的性能得到进一步提高。下面就上述部分控制技术的原理和特性分别加以讨论。2.4.1电压斜坡控制方式电压斜坡控制方式是一种开环控制方式，是软起动器最早的起动方式。这种控制方式的系统中，没有闭环调节环节。电流采样环节只用来作晶闸管过电流保护用，电压采样环节仅采样电源电压过零点，以提供移相触发的同步基准。图2-3电压斜坡方式电压、电流图如图2-3电压斜坡控制方式中，它的电压按预先设定好的曲线变化，其斜率由斜坡上升时间t决定，另外，当起动之初电压低于一定值时，电动机转矩小于负载转矩，电动机并不能运转，反而会使电动机发热，因此，电压斜坡控制方式下软起动器输出电压不是从零开始上升，而是有一个初始电压U0，这个电压通常需要根据负载特性设定成能使电动机运转所需的最小电压值。电压斜坡方式也可以设置两个起动斜率，使电动机分段按不同的电压上升斜率起动，以使负载的适应性更强。电压斜坡控制方式作为一种开环控制方式，它的起动效果收到负载和电源变化的影响较大，因此无法准确的获得所希望的起动效果，往往需要反复调试才能达到比较满意的起动效果。电压斜坡方式适合风机和水泵类大惯性负载。2.4.2电压突跳控制方式电压突跳控制方式，也称为转矩突跳控制方式。这种控制方式只是其它控制方式的一种扩展或附加功能。它不能独立使用，必须同其他控制方式复合使用。例如，同电压斜坡起动方式复合使用，构成“电压斜坡加突跳转矩”控制方式。由于电压突跳控制方式的特点，决定了起动之初电流、转矩冲击是不可避免的，因此，这种模式只能在特定的场合使用，同时，对于突调电压和突调时间应加以限制，以避免过大的冲击。2.4.3电流限幅控制方式图2-4电流限幅方式电压、电流图由于电压斜坡是开环控制，因此斜坡上升率不能随系统自动调节，往往会使电流超出所希望的值，因此发展了电流限幅控制方式。在这种控制方式中，系统增加了一个闭环电流调节环节。电流采样环节不仅用来作晶闸管过电流保护用，而且参与了电流的闭环调节。电流限幅控制方式电压、电流曲线如图2-4所示。电流限幅起动控制方式作为一种闭环控制方式，起动过程可以不断的采样和调整软起动器的输出电流，电动机的起动电流和起动转矩由电流限幅值IMAX决定，受电网与负载变化影响小。这种起动方式，控制量只有一个Imax，这个控制量的设置与电网容量、负载轻重、负载工艺有关。电流限幅起动方式特别适用于恒转矩负载，它可以设置电流上限，在电网容量有限的场合使电机以最小的起动电流快速起动。2.4.4转速闭环控制方式转速闭环控制方式实际是转速-电流双闭环控制方式，这种控制方式已不是什么新鲜事物了，它早已被应用于晶闸管交流调压调速系统中，目的是为了提高晶闸管交流调压调速的调速精度与运行的稳定性。在交流调速系统中，晶闸管交流调压调速系统属于一种比较原始的调速形式，其主要缺点是在低速运行时电动机的转差损耗大，使电动机的发热严重，效率随之降低。所以仅仅适用于一些属短时与重复短时作深调速运行的负载。2.4.5转矩控制方式由于大型感应电机在起动过程后期，功率因数变化很快，转子转速常常超过同步转速，经过一个衰减振荡过程才能达到稳态运行点，电动机的负载力矩和转动惯量越小就越容易发生振荡，这种现象称为“超标”。对于采用电流闭环控制方式的软起动器，PI调节器的输出随电流的下降，反而会输出更大，控制触发角迅速推进至全压，使得电动机输出转矩过冲，造成系统振荡。于是研究者开发出一些新的控制方法来克服这个问题，这就出现了转矩控制和模糊控制等控制方式。转矩控制最典型的应用是在水泵控制上。采用转矩斜坡控制可以实现泵控制功能，泵控制功能能够抑制水泵起动和停止时造成的水锤，减轻管路系统的振动，降低流体对设备的冲击。第3章软起动器硬件设计第3章软起动器硬件设计3.1系统简介软起动器的硬件结构框图如图3—1所示，主要包括三相反并联晶闸管、单片机最小系统、电压检测电路、电流检测电路、晶闸管驱动电路、继电器控制电路、键盘输入电路、液晶显示模块、485通信电路等。图3-1软起动器系统结构框图该控制系统以高性能的32位stm32f103单片机作为控制核心,附以电压、电流检测电路、脉冲触发电路等。电源电压经过比例衰减直接送入MCU，MCU根据输入电压波形确定相电压过零点及输入电压有效值。电机电流采样电路把电动机工作电流进行调节和放大,使得输出信号满足stm32f103单片机内部自带的A/D转换的要求，通过电流反馈值确定触发脉冲移相角，进而发出触发命令，触发脉冲经过功率放大电路驱动晶闸管。键盘设置和液晶显示使本控制系统具有良好的人机交互界面,在电动机运行前或运行过程中，可以灵活地设置控制和运行参数。3.2系统主电路设计3.2.1主电路方案的确定软起动器主电路采用三相交流调压电路，如图3-2所示。采用6个晶闸管连接成三对反并联电路来实现。图3-2三相交流调压电路3.2.2晶闸管选型在选择晶闸管时,必须认真考虑其参数特性。近些年来我国电力电子技术突飞猛进，国产晶闸管质量可靠，价格低廉，为支持国货，选用国内自主品牌晶闸管。由于晶闸管工作时可能会遭受到一些难以预测的瞬时过电压,为了确保管子安全运行,在选用晶闸管时应使其额定电压为正常工作电压峰值的2-3倍[9]。电机为380v三相异步电机时,晶闸管的额定电压US的选择由式(3-1)决定:(3-1)晶闸管工作在交流电路时,其通态额定电流是电流指有效值。例如15kW的异步电机,额定电流IN为:(3-2)异步电机直接时起动电流可以高达额定电流的4-7倍,但在软启动器系统中起动电流将会被限制到额定电流的2-4倍，则晶闸管的额定通态电流为:(3-3)综上所述，本文最终选择了常州瑞华公司生产的MTC95-12型相控晶闸管，其额定重复峰值电压VDRM为1200V，额定通态平均电流IT(AV)为95A，满足系统要求。3.2.3晶闸管保护电路晶闸管三相交流调压电路在运行时可能会出现一些影响器件稳定运行的因素，这些因素主要有：1.晶闸管在开通时过高的di/dt会造成器件的损坏。2.在正向阻断状态下，晶闸管阳极和阴极承受的过高的du/dt，可能会引起器件误导通，使电路工作不正常。3.器件关断过程中载流子积蓄效应引起的反向过电压，会使器件反向击穿而损坏。4.过流及短路时过高的浪涌电流将造成器件过热失效。5.电器开关操作不当可能会导致器件击穿而永久失效。为使电路安全可靠运行，必须设置相应的保护措施[10]。1.系统硬件设计中,过电压保护采用RC阻容吸收回路。在每一个晶闸管的两端都需并联上RC阻容吸收回路，利用电容两端电压不能突变的特性，可以有效地抑制过电压；串联电阻能消耗部分过电压能量，同时能抑制L-C回路的振荡。阻容吸收电路参数可按表3－1提供的经验数据值选择，电容耐压一般选取晶闸管电压的1.1～1.5倍。电阻功率的选择按（3-4）式计算：（3-4）式中f为频率，单位Hz；P为功率，单位W；C为与电阻串联的电容，单位uF；UN为晶闸管工作峰值电压，单位V。表3-1晶闸管阻容电路经验数据额定电流（A）1020501002005001000电容C（uF）0.250.512电阻R（Ω）10080402010522.RC阻容吸收回路只能吸收短时间且电压不高的过电压，对于发生雷击或因电器开关操作等其它原因引起的能量较大且持续时间较长的过电压，RC回路不能抑制，这种过电压的抑制就要用压敏电阻了。压敏电阻标称电压的选择根据式（3-5）选择。其中V1为标称电压，VN为工作电压的有效值。（3-5）3.晶闸管串联快速熔断器保护短路故障。电路出现短路时，器件中可能流过很大的浪涌电流，其幅值越大，器件能承受的时间就越短。而且一旦短路，除用与晶闸管串联的快速熔断器迅速切断故障电流外，用任何其它办法都无法有效保护晶闸管。因此熔断器的特性必须与晶闸管配合：正常运行和轻微过载时，熔断器不能工作；但只要出现大的浪涌电流，它必须在晶闸管损坏前动作，以切断短路电流。快速熔断器的额定电流一般取为晶闸管额定电流的2～3倍，同时其热效应值i2t必须小于晶闸管的热效应值i2t。综上所述，本文中所选RC吸收回路中选择75Ω、功率15W的水泥电阻；选择0.15uF耐压1200V的陶瓷电容；选择压敏电阻型号为EPCOSS20K460；选择额定电流为100A的快速熔断器。3.2.4晶闸管驱动电路对晶闸管交流触发导通角的控制，过去通常采用模拟电路的移相触发方式，其缺点是：以分离元件为主，或用线性小规模集成电路，这样的电路元件多，体积大，不易调整，且移相角容易漂移，控制精度和可靠性差。所以本文采用的是一种以ARM系列stm32f103rbt6单片机为控制核心，构成数字触发器的数字触发方式。在整个软起动器系统中，触发电路的基本作用是在确定的时刻向对应的晶闸管提供门极电流使其导通。晶闸管对门极触发电路产生的脉冲应能满足一些基本要求：（1）触发信号可以是交流、直流或脉冲，但触发信号只能在它使控制极为正、阴极为负的时候起作用。由于晶闸管在触发导通后控制极就失去控制作用，为了减少控制极损耗，故一般触发信号常采用脉冲形式。使用脉冲信号，不仅便于控制脉冲出现时刻，降低晶闸管门极功耗；还可通过变压器的双绕组或多绕组输出，实现信号间的绝缘隔离和同步传输。（2）触发脉冲必须有足够的电压和电流。晶闸管属于电流控制器件，为保证足够的触发电流，考虑裕量，一般可取两倍左右门极触发电流。（3）触发脉冲宽度应要求触发脉冲消失前阳极电流已大于掣住电流，以保证晶闸管的导通。对于单相电阻负载，由于一般晶闸管开通时间为6us，应要求脉宽大于10us，最好有20～50us[11]。电感性负载脉宽不应小于100us，与负载功率因数有关，本次设计中触发脉宽为500us。（4）触发脉冲与主回路电源电压必须同步并有一定的移相范围[12]。为了使晶闸管在每一周波都能重复在相同的相位上触发，触发脉冲与主回路电源电压必须保持某种固定相位关系。同时，触发延迟角应能根据控制信号的要求改变，即控制角α应有一定的移相范围。在本设计中，脉冲的同步与脉冲的移相、形成和输出均是由stm32f103单片机完成的，这在后面软件设计中会详细介绍。由单片机3路通用I/O口输出的脉冲必须通过触发电路送至晶闸管的控制极。触发电路的功能是将控制器送来的控制信号转换成为晶闸管所需要的触发信号，该电路首先必须有隔离功能，把主控制器电路和主电路隔离开来，其次必须有较大的带负载能力，可以驱动晶闸管。考虑到触发信号的电压隔离问题，采用了绝缘强度高、隔离效果好的脉冲变压器。触发电路共有三路，一个周期内输出六路相角差为60°的驱动信号。图3-3就是本系统中使用的晶闸管驱动电路。图3-3晶闸管驱动电路脉冲变压器一方面传递脉冲，另一方面对强电和弱电起隔离作用，脉冲变压器具有比三极管更大的驱动能力。本次设计中使用单输入、双输入的脉冲变压器，即两个反并联晶闸管的脉冲信号是相同的。因为晶闸管的导通需要满足两个条件：（1）晶闸管承受正向压降；（2）晶闸管门阴极有触发脉冲。同一时刻，反并联的两个晶闸管只有一个承受正向压降，因此这种驱动方式是合理的。另外，这种驱动方式还可以省去检测相电压过零点是正向过零点还是负向过零点。三极管可将CPU输出的脉冲信号放大，其工作在开关状态。R44和D7起续流作用，防止脉冲变压器饱和，D8、D9、R45起整形作用，防止驱动电压过强损坏晶闸管。3.3系统电压、电流检测电路设计为保证三相交流调压器主回路中各个晶闸管的触发脉冲与其阳极电压保持严格的相位关系。在电机软起动器的设计过程中，同步信号检测是很重要的一个环节。只有准确的测量出电压的过零点，才能精确的控制晶闸管的导通角，否则将不能顺利、可靠地触发晶闸管[13]。在模拟系统中，一般使用三相同步电路，三相电源经过过零比较器后得到三个同步方波信号，然后在每个周期内产生6个同步脉冲信号，再读出电源状态，进而实现同步目的。这样组成的系统显得比较的复杂，使得维护和检修也变得很麻烦，另外价格不菲的三相同步变压器增加了软起动器的成本。本系统中，引入了数字式智能化单片机控制，内部自带高精度12位AD转换器，可以将线电压衰减一定倍数后送入单片机AD口，通过数字量过零点判断相电压过零点。图3-4电压、电流检测电路如图3-4所示，将三相进线中某相（1端）嵌位至1.65V（由3.3V通过电阻分压获得），之后将其他两相与该相间线电压通过电阻分压后电压值作为相电压过零点判断依据，三相电压与两个线电压波形如图3-5所示。图3-5检测电压波形在软起动器的系统中，异步电动机起动时，若起动电流太大，则对电网冲击大；若起动电流过小，则起动时间长。因此，在起动过程中，需要限流调节和过流保护。而在本次设计中，希望能控制电动机恒流起动。所以在软起动控制器中，应有电流检测环节。电流检测的方法多种多样，从精度和成本两方面综合考虑，本次选用0.5mΩ的精密检流电阻，通过对其压降进行差分放大来检测电机电流。3.4单片机最小系统设计本文以STM32F103R8T6为核心的最小系统，其内核为Cortex-M3,采用ARMV7构架，不仅支持Thumb-2指令集，而且拥有很多新特性。较之ARM7TDMI，Cortex-M3拥有更强劲的性能、更高的代码密度、位带操作、可嵌套中断、低成本、低功耗等众多优势[14]。国内Cortex-M3市场，ST（意法半导体）公司的STM32无疑是最大赢家，作为Cortex-M3内核最先尝蟹的两个公司（另一个是Luminary）之一，ST无论是在市场占有率，还是在技术支持方面，都是远超其他对手。在Cortex-M3芯片的选择上，STM32无疑是大家的首选。现在ST公司又推出了STM32F0系列Cortex-M0芯片以及STM32F4系列Coretx-M4芯片，STM32的优异性体现在如下几个方面：1.超低的价格。以8位机的价格，得到32位机，是STM32最大的优势。2.超多的外设。STM32拥有包括：FSMC、TIMER、SPI、IIC、USB、CAN、IIS、SDIO、ADC、DAC、RTC、DMA等众多外设及功能，具有极高的集成度。3.丰富的型号。STM32仅M3内核就拥有F100、F101、F102、F103、F105、F107、F207、F217等8个系列上百种型号，具有QFN、LQFP、BGA等封装可供选择。同时STM32还推出了STM32L和STM32W等超低功耗和无线应用型的M3芯片。4.优异的实时性能。84个中断，16级可编程优先级，并且所有的引脚都可以作为中断输入。5.杰出的功耗控制。STM32各个外设都有自己的独立时钟开关，可以通过关闭相应外设的时钟来降低功耗。6.极低的开发成本。STM32的开发不需要昂贵的仿真器，只需要一个串口即可下载代码，并且支持SWD和JTAG两种调试口。SWD调试可以为你的设计带来跟多的方便，只需要2个IO口，即可实现仿真调试。图3-6单片机最小系统STM32采用3.3V电源供电，有两个外部时钟信号。系统通过连接BOOT0、BOOT1引脚的两处跳线来选择起动模式：从主闪存、系统存储器或嵌入式SRAM启动。该最小系统主要包括以下组成部分：时钟电路、电源电路、复位电路以及SWD调试电路。（1）时钟电路高速外部时钟（HSE）采用8MHz晶振，低速外部时钟（LSE）采用32.768kHz晶振。石英晶体振荡器和负载电容，在连接时应尽可能靠近OSC引脚，以减小输出失真和启动稳定时间。负载电容的值分别与所选的振荡器相配合，并选择专门为高频应用而设计的陶瓷电容。高速时钟经过倍频与分频后为GPIO、ADC、TIMER、DMA等模块提供时钟基准。低速外部时钟能为实时时钟RTC及其它定时功能提供高精确度、低功耗的时钟源。（2）电源电路该电路采用了LM1117-3.3低压差线性调压器为STM32F103RBT6提供工作电压。LM1117压差在1.2V时输出负载电流为800mA。LM1117内含带隙参考电压，具有热保护和限流功能，能将输出电压误差控制在±1%以内。如图3-6所示，C4为输入旁路电容，C5为输出滤波电容，两者均采用陶瓷电容。发光二极管D5用于指示电源的工作状态。图3-7电源电路（3）复位电路如图3-7，采用手动复位电路。因为STM32是低电平复位的，所以我们设计的电路也是低电平复位的，这里的R32和C51构成了上电复位电路。图3-8复位电路3.5辅助电路设计为了丰富软起动器的操控功能，本设计中还附加液晶显示模块、485通信模块和EEPROM存储模块。（1）485通信模块485（一般称作RS485/EIA-485）是隶属于OSI模型物理层的电气特性规定为2线，半双工，多点通信的标准。它的电气特性和RS-232大不一样。用缆线两端的电压差值来表示传递信号。RS485仅仅规定了接受端和发送端的电气特性。它没有规定或推荐任何数据协议。RS485的特点包括：接口电平低，不易损坏芯片。RS485的电气特性：逻辑“1”以两线间的电压差为+(2~6)V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为-(2~6)V表示。接口信号电平比RS232降低了，不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，可方便与TTL电路连接；传输速率高。10米时，RS485的数据最高传输速率可达35Mbps，在1200m时，传输速度可达100Kbps。抗干扰能力强。RS485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干扰能力增强，即抗噪声干扰性好；传输距离远，支持节点多。RS485总线最长可以传输1200m以上（速率≤100Kbps），一般最大支持32个节点，如果使用特制的485芯片，可以达到128个或者256个节点，最大的可以支持到400个节点。图3-9485通信电路（2）EEPROM存储模块串行EEPROM是基于I2C-BUS的存储器件，遵循二线制协议，由于其具有接口方便，体积小，数据掉电不丢失等特点，在仪器仪表及工业自动化控制中得到大量的应用。本文存储芯片采用ATMEL公司的24C16芯片。24C16是16K字节的电可擦除可编程存储器，完全兼容I2C总线。如图3-8所示，STM32f103RBT6的SCL引脚连接至24C04的SCL引脚（串行时钟引脚），为24C16的读写操作提供时钟信号。STM32f103RBT6的SDA引脚连接至24C16的SDA引脚（串行数据引脚），作为24C16的双向数据传输线。在闲时，SCL、SDA引脚必须通过上拉电阻接VCC。图3-10EEPROM存储电路（3）液晶显示模块LPH7366是NOKIA公司生产的可用于其5110、6150，6100等系列移动电话的液晶显示模块，国内厂家也生产有类似的兼容产品。该产品除应用于移动电话外，也可广泛应用于各类便携式设备的显示系统。与其它类型的产品相比，该模块具有以下特点：●84x48的点阵LCD，可以显示4行汉字。●采用串行接口与主处理器进行通信，接口信号线数量大幅度减少，包括电源和地在内的信号线仅有9条。支持多种串行通信协议（如AVR单片机的SPI、MCS51的串口模式０等），传输速率高达4Mbps，可全速写入显示数据，无等待时间。●可通过导电胶连接模块与印制版，而不用连接电缆，用模块上的金属钩可将模块固定到印制板上，因而非常便于安装和更换。●LCD控制器／驱动器芯片已绑定到LCD晶片上，模块的体积很小。●采用低电压供电，正常显示时的工作电流在200μA以下，且具有掉电模式。

第4章软起动器的仿真第4章软起动器的仿真本文采用MATLAB作为异步电机软起动器交流调压调速系统的仿真软件。MATLAB是国际公认的准确可靠的科学计算标准软件，在许多国际一流的学术刊物上，都能看到MATLAB的应用，其SIMULINK工具箱下SimPowerSystems库是进行电力、电子系统建模和仿真的先进工具。它提供了类似电路建模的方式进行模型绘制，在仿真前自动将仿真系统图变化成状态方程描述的系统形式，然后在SIMULINK下进行仿真，为电路、电力电子系统、电机系统、发电、输变电系统和配电计算提供了强有力的解决方法，尤其是当设计内容设计控制系统设计时，优势更为突出[5]。4.1软起动仿真模型软起动仿真模型主要包含三相电源模块、晶闸管调压主回路模块、触发脉冲发生器模块、可变延时模块、PID调节器器模块、电机及测量显示模块等，如图4-1所示，起动时通过控制可变延时模块使晶闸管控制角从小到大变化，而电机端电压逐渐上升，通过仿真可以研究软起动器的控制曲线，电流限制效果和电磁转矩情况[15]。图4-1软起动仿真模型本次设计中，触发脉冲由PulseGenerator（脉冲发生器）模块发出，为70度宽脉冲，不同晶闸管对应的脉冲相位不同，依次相差60度。而移相功能由VariableTransportDelay（可变延时）模块实现。此次仿真模型为电流限幅起动方式，即将电机电流作为反馈量参与PI运算。PI调节器的输出送入可变延时模块中，实现三相交流调压电路的移相调压，进而控制起动电流。三相异步电机采用SimPowerSystems库中的AsynchronousMachineSIUnit，其参数设置为：额定电压U=400V、频率f=50Hz、定子电阻Rs=1.405欧、额定功率P=4KW、定子自感Ls=0.005859mH、转子电阻Rr=1.395欧、额定转n=1420rpm、转子自感lrL＝0.005839mH、级对数pn＝2、互感mL＝0.1722mH、转动惯量J=0.0131kg·m2。电机的输出经过MachineMeasurementDemux后输出三相起动电流、转速以及电机的电磁转矩。4.2异步电机的直接起动为了看出软起动器在电机起动时在起动电流、起动转矩以及转速方面比直接起动有明显的改善，在进行软起动器模型仿真的同时做电机在全压下直接起动的仿真，从而进行对比分析[16]。电机直接起动仿真模型如图4-2所示：图4-2异步电机直接起动模型电机直接起动时的定子电流、电磁转矩及转速波形如图4-3、4-4、4-5所示。从图上可以看出，异步电机在全压下直接起动时起动冲击电流较大，最大可达80A；起动时电磁转矩冲击较大，最大值为135N·m；电机经0.15s后转速上升至额定转速，系统达到稳定状态。图4-3异步电机直接起动定子电流波形图4-4异步电机直接起动转矩波形图4-5异步电机直接起动转速波形4.3异步电机的软起动电机软起动时的定子电流、电磁转矩及转速波形如图4-3、4-4、4-5所示。从图上可以看出，异步电机在全压下直接起动时起动冲击电流较大，最大约为30A；起动时电磁转矩冲击较大，最大值不超过20N·m；电机经0.4s后转速上升至额定转速，系统达到稳定状态。图4-6异步电机软起动电流波形图4-7异步电机软起动转矩波形图4-8异步电机软起动转速波形综上，将异步电机直接起动波形与软起动波形对比可看出，软起动可大大减小电机起动时的电流冲击和转矩冲击，印证了第二章中的理论分析，电机在软起动时的起动性能得到了明显改善。第5章软起动器实验调试前四章通过对软起动器原理的分析，并在MATLAB软件环境下对软起动器系统进行了建模仿真分析的基础上，设计了整个软起动器系统的软硬件实现方案，实现了该设计系统软起动异步电动机的功能。本章的工作就是对所设计的整个系统进行调试，通过对整个系统的测试，实现了对三相异步电动机的软起动功能。5.1软起动器实物装置(a)(b)图5-1软起动器装置图5.2调试过程整个系统的调试过程大体上分为三个部分：软件调试，控制电路的功能调试和软起动实验调试。1．软件调试软件的编写是脱离不开整个系统的硬件设计方案的，根据第三章所提出的系统设计方案，本系统的控制任务主要包括：检测输入电源的线电压的过零点；检测电机定子电流，进行数字整流和滤波处理后参与PI运算控制晶闸管移相角；GPIO高速输出通道发出三路双窄脉冲驱动信号。软件调试就是看对于以上的任务单片机是否能够正确地执行。同时由于本软件涉及到中断程序，其调试最终离不开控制电路输入给单片机的信号。所以该部分的后期调试要和控制电路相结合。2．控制电路的功能调试控制电路板做好之后，检测是否和设计的电路一致，将所选器件焊接到电路板上。焊接元件的时候要防止虚焊，因此，焊好各个元器件之后可以用数字表检测一下。控制电路的外围硬件电路实现的功能主要包括：电压、电流信号的检测和触发脉冲信号的形成。（1）线电压检测波形图5-2线电压检测波形（2）定子电流检测波形图5-3定子电流检测波形（3）触发脉冲信号图5-4触发脉冲波形软件设计是使1～6号晶闸管触发脉冲依次相隔相位角度60°，脉宽为9°，换算成时间约为500us。对每一号脉冲之后相隔60°时再发一补脉冲信号。图5-3是用示波器观测到的单片机相邻高速输出通道HSO输出的脉冲波形，从图中可看出与要求相同,单片机输出的脉冲只有通过隔离、放大之后才能成为可靠触发晶闸管的触发脉冲信号。3．软起动实验调试本系统设计的目的是能够通过使用本系统起动异步电动机，观测其改善异步电动机起动性能的优劣性。经过实验，异步电动机在接上该软起动系统之后能够实现软起动电动机的功能，基本达到预期的结果。下一节中将对本阶段调试的实验数据、波形进行分析。5.3实验结果鉴于实验室条件有限，本次试验选择异步电机为额定功率1.1kW鼠笼式异步电机，额定电压为380V，额定电流为2.75A。该电机同轴拖动一台额定220V的直流发电机作为负载，通过调节发电机输出侧负载电阻箱的阻值可以改变异步电机的负载。5.3.1直接起动时电机定子电流波形当异步电机直接接入电网时电机定子电流波形如图5-4所示。图5-4直接起动时电机定子电流波形从图5-4直接起动时的电流波形中,可以看出起动的瞬间电流非常大，电流峰值可达24A左右，约为额定电流峰值的7倍，电机起动时间约为200ms。这样的起动方式会给电网带来很大的冲击。5.3.2电流限幅软起动时电机定子电流波形电流限幅起动方式中有一个控制量，即电流限幅值IMAX，这个控制量的设置与电网容量、负载轻重、负载工艺有关。设置不同的电流限幅值可以获得不同的起动电流曲线。1．设置电流限幅值为7A时异步电机起动时定子电流波形如图所示：图5-5电流限幅值为7A时异步电机起动时定子电流波形从图5-4直接起动时的电流波形中,可以看出起动电流被限制到一定范围内，起动阶段定子电流是恒定的，峰值为7A左右，电机起动时间约为1200ms。2．设置电流限幅值为10A时异步电机起动时定子电流波形如图所示：图5-5电流限幅值为10A时异步电机起动时定子电流波形从图5-4直接起动时的电流波形中,可以看出起动电流被限制到一定范围内，起动阶段定子电流是恒定的，峰值为10A左右，电机起动时间约为600ms。5.3.3实验结果分析与总结从上一节中的起动电流波形可看出软起动比直接起动的起动电流大大降低了，也说明了所设计的软起动系统在一定程度上能改善电动机的起动性能，基本满足了设计的要求。将本章的试验结果与第四章的仿真结果相比较，可看出两者的起动电流波形总体变化趋势基本一致，说明了前面所建仿真模型的仿真可信度是较高的。结论结论交流电动机作为重要的动力装置，已经被广泛地应用到各行各业中，可以说，交流电动机对于我国的经济建设起着不可或缺的作用。但是由于其固有的起动性能较差，通常要求采用专门的起动设备来完成正常的起动工作，尤其当频繁起动时更是如此。采用电力半导体器件用于电动机起动控制的电力电子软起动器解决了传统降压起动方法存在的二次电流冲击问题，具有无触点、起动电流及起动时间可控、起动过程平滑等优点，并且维护工作量小，节能效果显著，具备完善的电机保护功能。本文针对这种新型的电动机起动控制装置（电子软起动器）完成如下几方面的研究工作：1．理论上分析影响异步电动机起动问题的各种因素，推导出了可以通过改变外施定子端电压而达到软起动电动机的原理，分析比较了目前电子软起动器常使用的几种软起动方法的优劣和软起动器常用的几种运行方式。2．用MATLAB软件中SIMULINK搭建了三相异步电动机在两相静止坐标系下的仿真模型，只要给该仿真模型输入不同的电机参数就可仿真不同的异步电动机。应用POWERSYSTEM工具箱按照软起动系统的拓扑电路图搭建了一个软起动电动机的仿真系统，这种仿真方式实现简单。通过对仿真结果的分析，证明了所搭建的仿真模型的仿真可信度还是较高的。3．设计了以单片机为控制核心的软起动器系统。本设计采用32位单片机STM32F103RBT6作为控制器，利用AD模拟输入检测过零点的时刻，并以此时刻为基准，通过GPIO配合定时器实现数字触发，大大减少了外围的硬件电路。为减少脉冲变压器的个数，采用双输入、单输出脉冲变压器，给反并联的两个晶闸管相同的触发信号。4．本软起动器设计制作完成后，通过调试实验对系统的硬件和软件方案加以改进，并将设计完成的软起动器带上实际的三相异步电动机负载进行起动，测得了实验数据和波形。所设计系统能够根据要求设置不同的起动电流完成电动机的软起动。所设计的软起动器系统还存在一些不完善的地方，有待于后续工作进行研究和解决。主要有以下几个方面：1.由于程序结构简单，考虑不够全面，在电机刚起动时刻和电机即将完成起动时刻，由于反馈电流变化较大，调节器输出振荡，可能会造成误触发或不触发。2.基于交流调压方式的软起动由于是相位控制方式，不可避免的会带来谐波影响，需要对谐波的影响进行分析和抑制。3.软起动方法使用的是限流起动方法，是基于电流、电压的控制。而任何调速系统实际上最后改变的都是电磁转矩，因此将原变频调速中的矢量控制和磁场定向控制引入，直接控制转矩将是软起动技术要解决的问题，有待进一步研究。参考文献参考文献[1]王毓东.电机学[M].杭州:浙江大学出版社,1990.[2]任致程,任国雄.电动机软起动器实用手册[M].中国电力出版社,2006.[3]EndrejatF,PillayP.Thesoftstarters[J].IndustryApplicationsMagazine,IEEE,2008,14(6):27-37.[4]刘利，王栋.电动机软起动器入门与应用实例[M].中国电力出版社，2012.[5]贝学威.异步电机软起动器设计与仿真[D].武汉数字工程研究所，2013。[6]郭永亮.达拉特发电厂330MW机组低加疏水调速系统应用研究[D].华北电力大学(河北),2010.[7]陈伯时.电力拖动自动控制系统(第三版)[M].机械工业出版社，2006.[8]刘锦波,张承慧.电机与拖动(第一版)[M].清华大学出版社，2006。[9]王兆安.电力电子技术(第五版)[M].机械工业出版社，2006。[10]翟晓烨.三相交流调压电路的仿真与研究[J].科技资讯,2008:33-212.[11]LiuH,TianJ,GaiY,etal.Designofcontrollingsystemaboutthehigh-powerPMSMbasedonSTM32[C].Computer,Mechatronics,ControlandElectronicEngineering(CMCE),2010InternationalConferenceon.IEEE2010,4:374-377.[12]YufangC,YouxinY,JingC,etal.ResearchandDesignofanIntelligentLiquid-StateSoftstarter[C].ElectricalandControlEngineering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