三相异步电动机软启动器的设计论文.docx

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三相异步电动机软启动器的设计论文

三相异步电动机软启动器的设计

［摘　要］介绍了以C8051单片机为核心的的交流异步电动机软启动器。

软启动器包括主电路和控制电路两部分。

控制电路利用晶闸管的导通角计算电机的功率因数；电机启动方式采用电压斜坡软启动；单片机控制晶闸管触发脉冲，通过对电机起动过程中的品闸管触发脉冲的控制，实现电机的平滑起动，减少了电机对电网的冲击，起到了节能作用。

该系统能够设置电机的起动参数，自动诊断故障，控制系统智能化。

［关键词］软启动器；异步电动机；单片机；晶闸管

DesignofSotf-starterinThree-phaseAsynchronousMotor

ElectricalEngineeringandAutomationSpecialtyMajor　WANGZeng-qiang

Abstract:

Thispaperintroduesasotf-startercontrolsystemwhichisbasedon8051singlechipinthree-phaseACasynchronousmotor.Thesystemincludesmaincircuitandcontrolcircuit.UsingSCRconductionangletocomprutethepowerofthemotorisadistinguishingfeatureofcontrolcircuit.thesolpevoltagestartingofstartingmodeisusedtostartthemotor,thecrystalthyratrontriggerpluseiscontroledbysinglechip.Bycontrolingthethyristortriggerpluse,themotorcanstartstably.Itprovesthatthesoft-startercanreducethecurrentimpactofmotorstartingandhavingenergy-savingeffect.Theadvantagesofthesystemissettingthestartingparameterofthemotor,faultdiagnosingdisplay,thenitelligencecontrolsystem.

Keywords:

Sotf-starter;asynchronousmotor;singlechip;thyristor

目　　录

1前言

1.1三相异步电动机软启动器的国内外研究现状

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［1］。

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315～2000KW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公司和欧洲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，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［2］。

目前，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。

1.2本文主要内容

本课题要求以8051单片机为控制核心，设计了一个三相异步电动机软启动器控制系统，本文介绍了以下主要内容：

（1）三相交流调压电路采用晶闸管调压，由单片机控制晶闸管的触发脉冲；

（2）软启动器的启动方式采用斜坡软启动；

（3）设计了同步电路以保证每个晶闸管的触发脉冲与其阳极电压保持严格的相位关系；

（4）可利用键盘实现各类启动参数的设定、电动机的启动和停止等命令的输入；

（5）显示电路要能够显示电路中的线电压、线电流、电机转速等运行参数；

（6）能够对电机启动过程中过压、欠压、过流、缺相、掉相等提供多种保护；

（7）设计了晶闸管驱动电路,保证晶闸管可靠导通。

2软启动器原理

2.1软启动器和其工作原理

软启动器是一种用来控制三相交流电动机的专用产品，它实现了交流电动机的软启动、软停车、轻载节能和多种保护，其功能完善，性能优越，能够满足工业电机控制的需要，是传统Y/△启动和自耦变压器启动控制方式的理想换代产品。

软启动器采用三相反并联晶闸管（SCR）作为调压器，将其接入电源和电机定子之间，这种电路如三相全控整流电路。

软启动器启动电机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机的转速逐渐加速，直到晶闸管全部导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免了启动时过流跳闸，待电动机达到额定转速时，启动过程结束。

软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命和提高其工作效率。

软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转速逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。

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）斜坡升压软启动输出电压由小到大斜坡线性上升，将传统的有级降压起动变为无级降压起动，主要用于重载起动。

它的缺点是起动转矩小，转矩特性呈抛物线形上升，对起动不利；起动时间长，对电机不利。

改进的方法是采用双斜坡起动:

输出电压先迅速升至U，为电机起动所需的最小转矩所对应的电压值。

然后按设定的速率逐渐升压，直至达到额定电压。

初始电压和电压上升率可根据负载特性调整。

这种起动方式的特点是起动电流相对较大，起动时间相对较短［3］。

斜坡升压软起动原理图如图1。

（2）斜坡恒流软启动这种启动方式是在电动启动的前阶段电流逐渐增加，当电流达到预先所设定的值后保持恒定，直到启动完毕。

启动过程中，电流上升变化速率是可以根据电动机负载调整设定。

电流上升速率大，则启动转矩大，启动时间短。

这种启动方式的优点是起动电流小，且可以按需要调整起动电流的限定值，缺点是由于在起动时难以知道起动压降，不能充分利用降压空间，会损失起动力矩。

该启动方式是应用最多的启动方式，尤其适用于风机、泵类负载的启动［4］。

斜坡恒流软起动原理图如图2。

（3）转矩控制启动这种启动方式主要用于重载启动，是按电动机的启动转矩线形上升的规律来控制输出电压。

它的优点是启动平滑、柔性好，对拖动系统有利，同时减少对电网冲击，是最优的重载启动方式之一，缺点是启动时间较长。

转距起动方式原理图如图3。

（4）转矩加突跳控制启动方式　这种启动与转矩控制启动相同，也使用在重载启动的场合，比如皮带传输机、挤压机、搅拌机等，由于其静阻力矩较大，必须施加一个短时的大启动力矩，克服大的静摩擦力，然后转矩平滑上升，缩短启动时间。

转矩突跳这种启动方式所提供的辅助突跳力矩所需电流可达到满载电流的500%，突跳启动时间可在0～2秒内选择，但是突跳会给电网发送尖脉冲，干扰其他负荷，使用时应特别注意［5］。

转矩加突跳控制启动方式原理图如图4。

图1　斜坡升压软启动原理图图2　斜坡恒流软启动原理图

图3　转矩控制启动方式原理图图4　转矩加突跳控制启动方式原理图

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。

（2）接触器旁路工作模式在电动机达到满速运行时，用旁路接触器来取代已完成启动任务的软启动器，这样可以降低晶闸管的热损耗，提高系统的效率。

这种工作模式下，有可能用一台软启动器去启动多台电动机。

（3）节能运行模式当电动机负荷较轻时，软启动器自动降低施加于电动机定子上的电压，减少电动机励磁分量，从而提高了电动机的功率因数。

（4）调压调速模式软启动器既然是用晶闸管凋原理来实现，它就可以进行调压调速运行，由于电动机转子内阻很小，要得到大范围的调速，就需在电动机转子中串入适当的电阻［4］。

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）自由停车直接切断电源，电机自由停车。

（2）软停机在有些场合，并不希望电动突然停止，如皮带运输机、升降机等，采用软停机方式，在接收停机信号后，电动机端电压逐渐减小。

转速下降斜破时间可调。

（3）泵停机或非线性软制动它适用于惯性力矩较小的泵的驱动。

泵停机功能是将离心泵的特性曲线事先存储在设备中，软启动器在启动和停止电机的过程中，实时检测电动机的负载电流，因此可根据泵的负载状况和速度调节其输出电压，使软启动器的输出转矩我与泵的我曲线最佳配合，从而消除“水锤效应”。

（4）直接制动可以向电动机输入直流电流，从而加快制动，直流制动时间可在0～99S间选择。

主要使用于惯性力矩大的负载或需快速停机的场合。

2.5软启动器的接线方案

软启动器的接线方案主要有带旁路接触器和不带旁路接触器2种：

（1）不带旁路接触器接线方案笼型异步电动机是感性负载，运行中，定子电流滞后于电压。

若电动机工作电压不变，电动机处于轻载时，功率因数低：

电动机处于重载时，功率因数高。

软启动器能在轻载时通过降低电动机端电压，提高功率因数，减少电动机的铜耗、铁耗，达到轻载节能的目的；负载重时，则提高端电压，确保电动机正常运行。

因此，对可变工况负载，电动机长期处于轻载运行，只有短时或瞬时处于重载的场合，应采用不带旁路接触器的接线方案。

（2）带旁路接触器接线方案对于电动机负载长期大于40%的场合，应采用带旁路接触器的接线方案。

这样可以延长软启动器的寿命，避免对电网的谐波污染，还能减少软启动器的晶闸管热损耗。

3软启动器硬件电路设计

3.1软启动器硬件电路总体框图

三相异步电动机软起动控制系统在硬件方面可以分为两个部分，即主电路和控制电路。

主电路包括三相电源、三相反并联的晶闸管、三相异步电动机。

在主电路中，晶闸管的容量要根据所控制的三相异步电动机的容量选择，主电路的结构是相同的。

而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。

控制电路部分一般由电流检测、晶闸管触发驱动电路、触发脉冲同步电路、相序检测电路、保护电路和CPU等组成。

该系统的总体框图如图5。

3.2软启动器主电路的设计

3.2.1软启动器主电路的设计

主电路部分结构比较简单，主要采用晶闸管调压原理完成软启动器的各项功能。

三相异步电动机的晶闸管调压系统主回路的接法有多种，最常用的控制方案是将六个反并联的晶闸管分别串接在电动机的三相线圈上，这种连接方法由于各相波形对称，输出电压不含偶次谐波，谐波比较少，因此功率可以做的较大，调速性能也比较优越。

本系统采用这种典型的调压电路，控制系统主回路电路图如图6。

图5软启动器硬件总体框图

图6软启动器主回路图

3.2.2电路元件参数的选择

晶闸管参数的选择主要考虑其电流容量和耐压[11]:

（1）晶闸管电流容量（通态平均电流

）的选择

是在环境温度为

和规定的冷却条件下，带电阻负载的单相工频正弦半波电路中，管子全导通（导通角

不小于

）而稳定结温不超过额定值时所允许的最大平均电流。

按照标准，取其整数作为该器件的额定电流。

根据实际电路考虑在软起动器工作时，晶闸管通态平均电流的选择应根据电动机的起动电流来选取。

若设限制起动电流倍数为K电动机额定电流为定值，同时考虑到波形系统

和留有一定的裕量，则晶闸管的通态平均电流

为：

（1）

（2）晶闸管耐压选择

精确设计晶闸管的耐压值比较困难，这是因为它不仅和回路的接法有关，同时还与电动机的容量、激磁电流等数值有关，为了安全起见，额定电压必须使用时的正常工作电压峰值有2～3倍的裕量，在考虑有过电压吸收回路的情况下，所选用的晶闸管额定电压为

（2）

在选择双向反并联的晶闸管时，应仔细考虑其参数的选择。

同时由于双向反并联晶闸管多用于交流电路，因而通态时额定电流是指有效值电流，也就是说在选择晶闸管时要加大安全裕量，此外为了使晶闸管能够正常工作而不受损坏，还必须对过电压、过电流以和过高的电流引起的器件或电动机温升等进行适当的保护和抑制［1］。

3.3软启动器控制电路的设计

3.3.1软启动器电机线电压检测电路设计

三相异步电动机定子侧的相电压、相（线）电流是分析异步电动机的两个重要参数，电子软起动器通过缓慢调节定子侧的相电压，使得定子侧电流在一定范围内缓慢上升并最终达到额定状态，电动机的电磁转矩与定子侧相电压的平方成正比，而定子侧相电流反映了电机和电网所承受的冲击程度，在提高电机电磁转矩的同时尽可能减小定子电流，是软起动器设计的首要目标。

在下图的电压检测电路中，电网电压经电压互感器缓冲转换成同比例的0-10V电压，再经有效值电路转换为相对应的有效直流分量0-200mV,最后经A/D转换器以数字信号的形式送到单片机处理显示。

软启动器电机线电压检测电路如图7。

图7软启动器电机线电压检测电路

3.3.2软启动器晶闸管触发驱动电路设计

晶闸管驱动电路的功能是将控制器送来的控制信号转化成为满足晶闸管所需要的触发信号。

软启动器晶闸管触发驱动电路如图8。

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、阴极为负时起作用。

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。

电感性负载脉宽不应小于100us，与负载功率因数有关，一般用到1ms，相当于50Hz正弦波18°。

（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。

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

应有一定的移相范围［1］。

3.3.3软启动器晶闸管导通角检测电路设计

在3.3.9中电机的功率因数是根据线电压和线电流进行计算的，另一种方法就是利用硬件电路测出晶闸管的导通角,再利用晶闸管的导通角计算出电机的功率因数，其中功率因数角的计算方法是

，cos

便是电机的功率因数。

晶闸管导通角检测电路如图9。

图8软起动器触发驱动电路

图9晶闸管导通角检测电路

3.3.4软启动器同步电路设计

要使三相交流调压主回路各个晶闸管的触发脉冲与其阳极电压保持严格的同步相位关系，软起动器必须在一个电压周期内控制晶闸管的导通，通过确定电压波形的过零点，延时一段时间输出触发信号来控制其导通角，故在系统中必须设置同步电路。

在本设计中，对于主回路中的晶闸管导通控制的同步信号采用1个同步变压器，输出电压经过过零比较器LM339后得到同步方波信号，方波跳变点对应于自然换流点。

同步信号检测电路图如图10。

3.3.5软启动器电机转速检测电路设计

电机转速的检测通过安装在异步电动机转子处霍尔元件产生的霍尔脉冲信号进行检测，霍尔元件和磁铁，即可构成基于磁电转换技术的传感器，安装于异步电动机转子上的永磁铁随转子转动，经过霍尔元件一次，可在信号端产生一个计量脉冲，单片机通过在一定时间内对霍尔脉冲次数的采集来得到异步电动机的转速［6］。

转速检测的原理图如图11。

图10同步信号检测电路图

图11软启动器电机转速检测电路

3.3.6软启动器相序检测电路设计

软起动装置中不可缺少相序检测的功能。

应用微机控制的软起动装置，同步信号通常只有一路，其它脉冲信号都以此信号为基准，因此只有确定相序，才能正确地发出脉冲来控制晶闸管的导通顺序，起到相序自适应的作用。

下图是相序检测电路。

在电路中先将三相电源电压分压，经RC滤波后送到差动过零比较器LM339，过零比较器将经过分压的三相正弦波整形成三相方波信号，经过光耦合隔离后送到单片机入口。

整形后的方波送入单片机的三个入口，直接循环采样相应接口的状态检测三相电源电压的相序和相位。

若检测到的数据顺序为1-2-3-4-5-6，同为下相序，若检测到的数据顺序1-6-5-4-3-2，则为负相序。

软启动器相序检测电路如图12。

3.3.7软启动器保护电路的设计

（1）三相异步电动机普遍运行在恶劣的工业环境中，由于环境温度、负载过大、电动机老化、电网波动等因素在成电动机损坏。

本系统通过控制继电器，进而控制接触器动作来对电动机提供过压、欠压、过流、缺相、掉相等电气保护，防止电动机因为过热而烧毁。

保护电路的原理图如图所示，通过二极管D2、D5、D8取得三相电中电压最高的一相，通过二极管D3、D6、D9取得三相电中电压最低的一相，当电网电压出现故障时，电压比较器ICI输出高电平，经过Rp2和C9组成的延时电路延时一小段时间后再经过比较器IC2控制继电器J，进而控制交流接触器，切断电网，保护电动机。

（2）同时由于在单片机对电动机定子侧线电压、线电流采样的过程中，AD转换和数据处理等环节需要耗费一定的时间，此后单片机才能做出相应动作，不能保证系统的实时性，软起动器在初始设定时会要求用户输入系统过流值，根据不同的电机容量输入的过流值不同，但是为防止用户的操作失误，过流保护硬件电路是必不可少的。

在系统出现异常导致主回路电流急剧增加的情况下，系统能够立即采取动作，为此设计了反应迅速、无软件延迟的过流保护硬件电路［6］。

软启动器相序检测电路如图13。

图12软启动器相序检测电路

图13三相异步电动机缺相、掉相、三相不平衡保护电路

3.3.8软启动器电流检测电路设计

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。

而且，在有的场合，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，用电流互感器测得交流电流值，含有脉动成分，可采用硬件或软件的方法减小脉动的影响。

硬件实现可利用整流滤波电路。

软件实现一般采用平均值滤波法即让采样周期T与电源的频率保持严格的比例关系，在工频周期内进行累加求积分而滤除交流成分。

其电流检测原理电路图15所示。

电机定子侧接入霍尔电流互感器ACS755，霍尔元件检测定子侧两相电流，定子侧第三相电流用软件来实现，以减少硬件系统的外围电路，最后输入A/D的转换器。

A/D将转换得到的数值输入单片机，由软件比较检测电流与给定电流的差值，按照PID调节算法完成限流调节和过流保护［1］。

软启动器电流检测电路如图14。

图14软启动器电流检测电路

3.3.9软启动器电机功率因数检测电路设计

功率因数角的定义:

在正弦电压作用下，负载的功率因数角等于电压与电流的相

位差。

由于晶闸管调压电路的工作特点是对正弦电压进行斩波。

这决定了晶闸管的输出

电压，即负载获得的电压是非正弦的，电流也是非正弦的，此时按定义测功率角已无实

际意义。

从对晶闸管导通状况的影响方面看，控制系统真正需要的是负载的续流角度，

有的文献称其为可测功率因数角。

电机功率因数是对电机节能控制的重要指标，功率因数低时说明电动机为轻载运行，通过降低电动机的端电压或在三相电的线电压之间投放电容可以提高功率因数，实现节电效果。

交流异步电动机的功率因数基本是和它的负载率成一一对应关系，适当调整功率因数，使其随负载的变化而变化，可以提高异步电机的节电率。

功率因数检测电路主要完成异步电动机定子侧相电流、相电压过零点的检测，单片机通过计算它们过零点的时间差，计算出电机的功率因数值。

三相异步电动机为感性负载，因此定子侧相电流滞后相电压一个角度，即电压与电流过零点相差的延迟角，该角度的余弦值即为功率因数。

对于晶闸管移相调压方式起动，由于电动机定子加载的线电压和电流己不是正弦波，因此此种方式下将检测起动后加载在电动机上的电网电压。

通过电压、电流互感器将定子侧相电压、相电流同比例缩小为可处理的交流电压弱信号，其次利用比较器将线电压、线电流对应的弱信号分别与一个设定的很小的基准电压进行比较，转换成两路矩形波送入单片机的INTO、INTI口，利用单片机定时器功能即可测定出电机的功率因数［6］。

功率因数检测电路原理图如图15。

图15软启动器电机功因数检测电路

3.3.10软启动器键盘和LCD显示电路的设计

键盘接口按不同标准可有不同分类方法，按键盘排布方式可分为独立方式和行列方式。

按读入键值的方式可分为直读方式和扫描方式;按是否进行硬件编码可分成非编码方式和硬件编码方式；按CPU响应方式可分成中断方式和查询方式。

将以上各种方式组合可构成很多不同的键盘接口方式。

键盘接口采用独立方式的键盘接口，采用查询的方式进行工作。

根据需要可设计起动键、停机键、增一键、减一键、设定键等。

显示电路部分采用显示器件LM016L，其核心组成部分为HD44780，基于HD44780的字符型液晶显示模块是一种常用的液晶显示器件，主控制驱动电路为HD44780（HITACHI），其他一些公司的电路与之全兼容。

由其控制的液晶显示器可以提供若干个5×7或5×10点阵块组成的显示字符群，每个点阵块为一个字符位，字符间距和行距都为一个点的宽度，具有64B的自定义字符RAM，可自定义8个5×8点阵字符或4个5×11点阵字符。

可以提供8×1～40×4（字符数×行数）各种显示屏规格，广泛应用于智能仪表、通讯、办公自动化和军工等领域。

其按键和显示电路如图16。

图16软启动器键盘和LCD显示电路

4软启动器软件设计

软启动器系统的软件控制着内核微处理器单片机的动作，其中中断比较多，软件结构复杂，故采用模块化设计。

程序模块包换：

系统初始化程序模块、斜坡电压电起动程序模块、电压检测程序模块、电流检测程序模块、功率因数计算模块、保护电路程序模块、键盘扫描程序模块、LCD显示程序模块、同步电路程序模块、晶闸管触发驱动电路、电机转速检测程序模块等。

电动机软起动器控制程序的设计应考虑以下问题:

（l）键盘扫描、外部输入信号的识别和电源、故障和起动完成后的指示；

（2）主回路电流的采样，数字滤波；

（3）脉冲触发的产生和控制；

（4）数据处理，包括定点数和浮点数的转换、加、减、乘、除等；

（5）故障报警和处理；

（6）