三相異步電機(jī)軟啟動(dòng)控制器設(shè)計(jì)

1、三相異步電機(jī)軟啟動(dòng)控制器設(shè)計(jì)摘 要三相異步電動(dòng)機(jī)因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、運(yùn)行可靠、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、國(guó)防工業(yè)以及其他各行各業(yè)中。但三相異步電機(jī)存在明顯的缺點(diǎn)，偏小的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，過(guò)大的起動(dòng)電流，對(duì)電網(wǎng)沖擊大。并由此會(huì)造成電網(wǎng)電流瞬間增加,導(dǎo)致電壓下降,對(duì)其他運(yùn)行中的電設(shè)備造成影響,還可能使低電壓保護(hù)動(dòng)作，威脅相關(guān)設(shè)備的安全運(yùn)行,使電機(jī)本身及系統(tǒng)的繼電保護(hù)的整定和配合增加難度,降低了保護(hù)的靈敏度 。本文討論了基于雙單片機(jī)at89c51控制的晶閘管軟啟動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)原模型為上海雷諾爾科技股份有限公司生產(chǎn)的jjr2000型軟起動(dòng)器，通過(guò)借鑒其相關(guān)部分，結(jié)合自

2、己的設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)出集軟起動(dòng)、軟停車(chē)、過(guò)流、缺相等保護(hù)功能于一身的軟起動(dòng)器。并可通過(guò)人機(jī)界面，可以根據(jù)負(fù)載特性設(shè)置起動(dòng)參數(shù)，有較強(qiáng)的負(fù)載適應(yīng)性。并且對(duì)基于限流軟起動(dòng)方式的三相異步電機(jī)軟起動(dòng)控制器進(jìn)行了仿真，通過(guò)分析仿真波形得出最佳觸發(fā)角。 關(guān)鍵詞：三相異步電機(jī) 晶閘管 軟起動(dòng) 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; at89c51ii目錄摘 要iabstractii第一章 緒論1

8、1.1 本課題研究背景11.2 本課題的目的和意義21.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.4 本課題研究?jī)?nèi)容3第二章 三相異步電機(jī)起動(dòng)過(guò)程的研究42.1 三相異步電機(jī)起動(dòng)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型分析42.2 三相異步電機(jī)傳統(tǒng)起動(dòng)分析72.2.1 全壓起動(dòng)82.2.2 傳統(tǒng)降壓起動(dòng)92.2.3 自耦變壓器起動(dòng)102.3 無(wú)極軟起動(dòng)的介紹與比較112.4 基于晶閘管軟起動(dòng)的原理與分析122.4.1 晶閘管調(diào)壓原理122.4.2 軟起動(dòng)的起動(dòng)方式13第三章 軟起動(dòng)器的硬件電路設(shè)計(jì)163.1 主要器件的介紹173.1.1 單片機(jī)at89c51173.1.2 同步變壓器193.1.3 開(kāi)關(guān)變壓器203.2 晶閘管相控調(diào)壓原

9、理203.3 主回路的設(shè)計(jì)223.3.1 主回路電路223.3.2 晶閘管參數(shù)的選擇233.3.3 晶閘管觸發(fā)電路233.4 電壓檢測(cè)回路243.4.1 同步信號(hào)檢測(cè)電路253.4.2 電壓反饋回路263.4.3 電壓過(guò)/欠保護(hù)電路263.5 電流檢測(cè)電路273.5.1 電流反饋電路273.5.2 過(guò)電流保護(hù)電路293.6 芯片電源電路293.7 hmi電路303.7.1 鍵盤(pán)電路303.7.2 顯示電路32第四章 移相觸發(fā)脈沖控制的軟件設(shè)計(jì)334.1 keil uvision4介紹334.2 移相觸發(fā)脈沖控制的流程框圖334.3 移相觸發(fā)脈沖控制程序35第五章 軟起動(dòng)控制裝置的仿真415.1

10、 matlab7.1介紹415.2 仿真模型的建立425.2.1 三相電源模塊425.2.2 觸發(fā)脈沖模塊425.2.3 晶閘管調(diào)壓模塊435.2.4 其他模塊445.2.5 軟起動(dòng)總仿真模型455.3 仿真波形處理與分析45總結(jié)與展望55參考文獻(xiàn)56致謝58南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)第一章 緒論1.1 本課題研究背景由文獻(xiàn)12可知，三相異步電動(dòng)機(jī)以其優(yōu)良的性能在工礦企業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用, 但三相交流電機(jī)的最大缺點(diǎn)是起動(dòng)性能較差。一臺(tái)普通的三相交流異步電動(dòng)機(jī)接至電網(wǎng)時(shí), 如果不采取任何措施, 它的起動(dòng)電流(指線電流) 通?？蛇_(dá)額定電流的57倍, 因此, 直接起動(dòng)電機(jī), 將產(chǎn)生較大的沖擊

11、電流并會(huì)造成多方面的危害。據(jù)文獻(xiàn)3可知，直接起動(dòng)主要存在以下幾點(diǎn)危害：(1) 起動(dòng)電流很大對(duì)電網(wǎng)沖擊大,由此造成電網(wǎng)電流瞬間增加,導(dǎo)致電壓下降,影響其他運(yùn)行中的電設(shè)備,還可能觸發(fā)低電壓保護(hù)，威脅配套設(shè)備運(yùn)行的安全,增加了電機(jī)本身及系統(tǒng)的繼電保護(hù)整定和配合的難度,降低了保護(hù)的靈敏度。(2) 過(guò)大的起動(dòng)電流會(huì)增加電機(jī)繞組熱耗,加速絕緣老化,縮短電機(jī)使用壽命,此外機(jī)械沖擊過(guò)大從而會(huì)造成電動(dòng)機(jī)定子端部繞組絕緣磨損、轉(zhuǎn)子籠條和端環(huán)斷裂,導(dǎo)致電機(jī)擊穿燒毀,聯(lián)軸節(jié)損傷、轉(zhuǎn)軸扭曲、傳動(dòng)齒輪損傷和皮帶撕裂等。(3) 直接起動(dòng)時(shí),電機(jī)機(jī)械系統(tǒng)容易受到電氣系統(tǒng)的突變而對(duì)其內(nèi)部造成沖擊,如:風(fēng)機(jī)、水泵等受到電機(jī)起動(dòng)過(guò)

12、程中壓力的突變通常造成泵系統(tǒng)管道及閥門(mén)的損傷,縮短使用壽命；降低傳動(dòng)精度,甚至影響過(guò)程控制的正常運(yùn)行。為了克服電機(jī)直接起動(dòng)的諸多弊端，出現(xiàn)了一些有極調(diào)壓措施，下面作簡(jiǎn)要的闡述，在第三章將全面描述。(1) 全壓起動(dòng)：最常用的起動(dòng)方式，也稱為直接起動(dòng)。(2) 星三角y-起動(dòng)：在起動(dòng)過(guò)程中，通過(guò)改變定子繞組的三角接法為星形接法，從而起到降壓作用。(3) 自耦變壓器降壓起動(dòng)：通過(guò)接入自耦變壓器來(lái)降低定子端電壓以達(dá)到降壓的目的。由于有極調(diào)壓方式存在的缺點(diǎn)，人們開(kāi)發(fā)出了無(wú)極調(diào)壓模式。其中隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，晶閘管調(diào)壓電路發(fā)展迅速，它以優(yōu)良的軟起動(dòng)特性廣泛應(yīng)用于工業(yè)。由文獻(xiàn)4它主要由以下幾種軟起動(dòng)方法，

13、第三章將詳細(xì)闡述。(1) 斜坡升壓軟起動(dòng)：起動(dòng)時(shí)，使起動(dòng)電壓以一定斜率不斷上升，直至起動(dòng)完畢。(2) 階躍起動(dòng)：起動(dòng)一開(kāi)始在極短的時(shí)間內(nèi)，使晶閘管接近全導(dǎo)通，然后恢復(fù)到較小(3) 導(dǎo)通角進(jìn)行正常恒流軟起動(dòng)。(4) 小斜率軟起動(dòng)：這種起動(dòng)特點(diǎn)是電流上升速率緩慢，適應(yīng)于對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩、速度敏感的場(chǎng)合。(5) 恒流軟起動(dòng)：起動(dòng)時(shí)，電流以一定斜率上升至設(shè)定值，其后維持恒定，直至起動(dòng)完畢。1.2 本課題的目的和意義本課題通過(guò)比較全壓直接起動(dòng)、星三角y- 起動(dòng)、自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)和軟起動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)出軟起動(dòng)較其他方式的突出特點(diǎn)。并結(jié)合文獻(xiàn)中的jjr2000型軟起動(dòng)器的設(shè)計(jì)原理和思想，用自己的設(shè)計(jì)理念來(lái)實(shí)現(xiàn)其

14、中部分主要功能。主要體現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟起動(dòng)、軟停車(chē)、并可以通過(guò)人機(jī)界面根據(jù)負(fù)載特性設(shè)置相關(guān)起動(dòng)參數(shù)，對(duì)過(guò)流、過(guò)壓、欠壓、缺相進(jìn)行監(jiān)控，保護(hù)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)5中指出了此次設(shè)計(jì)的意義，具體闡述如下：(1) 能夠使電機(jī)起動(dòng)電流以一定的斜率上升至設(shè)定值，大大降低對(duì)電網(wǎng)的沖擊。(2) 在起動(dòng)過(guò)程中引入電流負(fù)反饋，當(dāng)起動(dòng)電流上升至設(shè)定值后，電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。(3) 不受電網(wǎng)電壓的影響，通過(guò)設(shè)定起動(dòng)電流值，當(dāng)電網(wǎng)電壓上下波動(dòng)時(shí)，只要增減晶閘管的導(dǎo)通角，調(diào)節(jié)電機(jī)的端電壓，從而可使起動(dòng)電流保持恒值，保證電機(jī)正常起動(dòng)。(4) 針對(duì)電機(jī)的不同負(fù)載特性，可以通過(guò)人機(jī)界面無(wú)級(jí)調(diào)整電流設(shè)定值，改變電機(jī)起動(dòng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)最佳起

15、動(dòng)時(shí)間控制。1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀軟起動(dòng)技術(shù)是隨著晶閘管的誕生而發(fā)展起來(lái)的，在1970年英國(guó)人首先嘗試采用晶閘管三相調(diào)壓原理對(duì)電機(jī)進(jìn)行軟起動(dòng)。我國(guó)軟起動(dòng)應(yīng)用起步于上世紀(jì)80年代早期，目前生產(chǎn)軟起動(dòng)器的廠家眾多，先后推出了多種品牌。但由于國(guó)內(nèi)自主研發(fā)和生產(chǎn)的能力相對(duì)較弱，對(duì)國(guó)外產(chǎn)品的依賴性還是很?chē)?yán)重，在技術(shù)和可靠性上與國(guó)外同類產(chǎn)品仍有一定的差距。所以在國(guó)內(nèi)軟起動(dòng)器市場(chǎng)上，占據(jù)統(tǒng)治地位的仍是國(guó)外產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品所占的份額還是很低。近三十年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，使無(wú)電弧開(kāi)關(guān)和電流連續(xù)調(diào)節(jié)成為可能。電力半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件具有無(wú)磨損、壽命長(zhǎng)、功耗小等特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)代控制理論及微機(jī)控制技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟起

16、動(dòng)提供了全新的思路。要突破傳統(tǒng)的起動(dòng)方式，需要電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展與提高。另外，據(jù)文獻(xiàn)6中所述，目前在國(guó)外，工業(yè)強(qiáng)國(guó)的軟起動(dòng)器主要以晶閘管軟起動(dòng)器和變頻軟起動(dòng)器為主的固態(tài)軟起動(dòng)儀器。當(dāng)工業(yè)生產(chǎn)中要求調(diào)速時(shí)，選擇變頻軟起動(dòng)。在其他對(duì)調(diào)速要求不高的場(chǎng)合，且電機(jī)所帶負(fù)載較輕，一般選擇晶閘管軟起動(dòng)。如果所處場(chǎng)合電機(jī)負(fù)載過(guò)大，才會(huì)考慮變頻起動(dòng)裝置。工業(yè)強(qiáng)國(guó)以晶閘管軟起動(dòng)裝置為主要產(chǎn)品，很多大型電氣公司都有自己的主打軟起動(dòng)器，它們具備各自的特性與功能。例如abb公司研發(fā)的pstb、pst系列軟起動(dòng)控制器；ge公司開(kāi)發(fā)的astat智能型電軟起動(dòng)控制器；施耐德公司的ats46軟起動(dòng)裝置； si

17、emens公司的3rw22 sikostart軟起動(dòng)裝置等。目前，國(guó)外研究晶閘管三相交流調(diào)壓電路的方法從減小定子電流、改變電壓的閉環(huán)和開(kāi)環(huán)方式，提升到通過(guò)建立比較準(zhǔn)確實(shí)用的數(shù)學(xué)模型，從而找出適用于晶閘管交流調(diào)壓電路的電機(jī)的控制方法，進(jìn)而優(yōu)化晶閘管交流調(diào)壓電路的電機(jī)負(fù)載特性。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，軟起動(dòng)器向著易操作，多功能，更可靠，小型化方向發(fā)展。1.4 本課題研究?jī)?nèi)容由于直接起動(dòng)的諸多弊端，產(chǎn)生了一系列更優(yōu)的起動(dòng)方法：定子串電阻或串電抗起動(dòng)、y-起動(dòng)、自耦變壓器降壓起動(dòng)、轉(zhuǎn)子串電阻起動(dòng)、晶閘管電子軟起動(dòng)、分級(jí)變頻軟起動(dòng)、兩相變頻調(diào)壓軟起動(dòng)等方法。軟起動(dòng)器本質(zhì)上是一種斬波調(diào)壓裝置，用來(lái)實(shí)現(xiàn)

18、軟起動(dòng)、軟停車(chē)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及各種保護(hù)功能。為了充分發(fā)揮單片機(jī)的強(qiáng)大控制功能，同時(shí)兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定性及偏多的接口數(shù)量，沿用jjr2000的控制思想并自主創(chuàng)新，采用雙單片機(jī)at89c51作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。通過(guò)人機(jī)界面設(shè)置關(guān)鍵參數(shù)來(lái)滿足相應(yīng)負(fù)載特性，增強(qiáng)了軟起動(dòng)器對(duì)負(fù)載的適應(yīng)性，同時(shí)還可以對(duì)過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)載等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。結(jié)合各方面的因素和實(shí)際情況，本課題研究的主要內(nèi)容如下：(1) 通過(guò)建立三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，分析其起動(dòng)過(guò)程中電壓、電流、轉(zhuǎn)矩等變量的關(guān)系。在比較各種起動(dòng)方式優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，并結(jié)合原模型jjr2000部分設(shè)計(jì)理念，提出初步軟起動(dòng)控制策略。(2) 分析晶閘管調(diào)壓原理，熟悉a

19、t89c51各引腳功能，在文獻(xiàn)中對(duì)單片機(jī)做了詳細(xì)的描述。對(duì)軟起動(dòng)器硬件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括主電路、觸發(fā)電路、檢測(cè)電路、保護(hù)2電路、芯片電源電路、hmi電路等。(3) 建立部分軟件框圖。利用keilc軟件對(duì)移相觸發(fā)脈沖控制程序進(jìn)行編程。(4) 利用matlab/simulink軟件建立三相反并聯(lián)晶閘管組控制異步電機(jī)的模型，在不同觸發(fā)角下對(duì)電機(jī)兩端電壓及定子的電流進(jìn)行仿真，打印出仿真圖。(5) 用protel繪制系統(tǒng)原理圖。4第二章 三相異步電機(jī)起動(dòng)過(guò)程的研究第二章 三相異步電機(jī)起動(dòng)過(guò)程的研究國(guó)外對(duì)晶閘管三相交流調(diào)壓技術(shù)的研究已經(jīng)發(fā)展到通過(guò)建立比較準(zhǔn)確實(shí)用的數(shù)學(xué)模型，找到適用于三相交流調(diào)壓電路電機(jī)負(fù)

20、載的控制方法，從而優(yōu)化電機(jī)負(fù)載特性。接下來(lái)將對(duì)三相異步電機(jī)起動(dòng)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析。 2.1 三相異步電機(jī)起動(dòng)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型分析為了研究三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的電流、電壓、轉(zhuǎn)矩等變量的關(guān)系，進(jìn)而分析三相異步電機(jī)起動(dòng)時(shí)的電流、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和所外加電壓的關(guān)系，就要研究電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。由文獻(xiàn)78可知，對(duì)于電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)而言，多采用基于集中參數(shù)等效電路的數(shù)學(xué)模型。采用集中參數(shù)等效電路的數(shù)學(xué)模型時(shí)通常給出合理假設(shè)，由電機(jī)拖動(dòng)可知，如下:(1) 對(duì)時(shí)間諧波和空間諧波的干擾進(jìn)行忽略；(2) 不考慮磁飽和的情況；(3) 不計(jì)鐵損 ； 在不改變異步電動(dòng)機(jī)定子繞組中的相關(guān)量和三相電機(jī)的電磁性能的前提下，通過(guò)嚴(yán)格歸算頻

21、率和相數(shù)，把異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子相數(shù)、頻率和每一相的有效串聯(lián)匝數(shù)都換算為和定子繞組一樣。基于t型的異步電機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路如圖2-1所示：圖2-1 異步電機(jī)等效電路其中，是定子繞組總電阻，是定子繞組總漏電抗，是換算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子繞組總漏電抗，是換算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子繞組總電阻。為與主磁通相對(duì)應(yīng)的鐵心磁路的勵(lì)磁電抗，是與定子鐵心損耗所對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電阻。第二章 三相異步電機(jī)起動(dòng)過(guò)程的研究南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)為定子電壓向量，為定子電流向量，為磁化電流向量，為定子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)向量?；趖形等效電路的數(shù)學(xué)分析如下： （2-1） （2-2） （2-3） （2-4）由以上四式可得： （2-5）而在異步電機(jī)中，

22、由于，所以可以省去，則式(2-5)可以表示為： （2-6）由t型電路可知，異步電動(dòng)機(jī)輸入電功率一部分消耗在定子鐵心上稱為鐵耗，另一部分消耗在定子繞組的電阻上稱為定子銅耗，剩余其他的通過(guò)間隙傳遞到轉(zhuǎn)子側(cè)的功率稱作電磁功耗。其中為： (2-7)磁性轉(zhuǎn)矩可表示為： （2-8）由式（2-7）和（2-8）可得： （2-9）6根據(jù)等效穩(wěn)態(tài)電路得到： （2-10）將（2-10）代入式（2-9）得： （2-11）在剛起動(dòng)時(shí)，由于轉(zhuǎn)子n=0，轉(zhuǎn)差率s=1，所以起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩為： （2-12）由于電磁電流相對(duì)較小即接近零，近似為1，所以由式（2-6）得起動(dòng)時(shí)電流: (2-13)從算式(2-13)和式(2-12)得出，

23、起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩正比于定子側(cè)電壓值的平方，起動(dòng)時(shí)電流正比于定子側(cè)電壓值。起動(dòng)時(shí)電壓降低時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩相對(duì)較小，電流也較?。幌喾矗绻饎?dòng)電壓升高，此時(shí)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩偏大，但同時(shí)起動(dòng)時(shí)的沖擊電流也很大。由于三相異步電機(jī)的起動(dòng)性能主要體現(xiàn)在起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩兩個(gè)方面。在起動(dòng)時(shí)我們既希望起動(dòng)轉(zhuǎn)矩足夠大，能夠使負(fù)載電機(jī)快速達(dá)到正常轉(zhuǎn)速；同時(shí)，應(yīng)盡可能減小起動(dòng)電流。因?yàn)楣╇娮儔浩鞯娜萘枯^小，過(guò)大的起動(dòng)電流會(huì)造成整個(gè)線路的壓降，從而影響同一電網(wǎng)上的其他設(shè)備正常工作。針對(duì)三相異步電機(jī)的起動(dòng)特性，接下去將分析傳統(tǒng)起動(dòng)方式的原理及應(yīng)用。2.2 三相異步電機(jī)傳統(tǒng)起動(dòng)分析三相異步電機(jī)傳統(tǒng)起動(dòng)方式有全壓起動(dòng)、傳統(tǒng)降壓起動(dòng)、自耦變壓

24、器起動(dòng)。根據(jù)文獻(xiàn)910所述，下面將逐一介紹。2.2.1 全壓起動(dòng)全壓起動(dòng)是最常用的起動(dòng)方式，也稱為直接起動(dòng)。它是將電動(dòng)機(jī)定子繞組直接接入電源，在額定電壓下起動(dòng)，具有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)時(shí)間短的特點(diǎn)，是最簡(jiǎn)單，最經(jīng)濟(jì)的起動(dòng)方式。但這種起動(dòng)方式的起動(dòng)電流可達(dá)到額定電流的48倍，對(duì)電網(wǎng)沖擊大。而且會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)的壓降，影響同一電網(wǎng)上的其他設(shè)備的正常工作。其原理圖如下：圖2-2 三相異步電機(jī)的直接起動(dòng)圖中包含元器件空氣開(kāi)關(guān)q、接觸器km、熱繼電器fr和三相異步電機(jī)。在設(shè)計(jì)規(guī)范中，對(duì)起動(dòng)電機(jī)而造成電力系統(tǒng)的降壓作了明確規(guī)定。jgj/t1692民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范第10.2.1.1條規(guī)定：“起動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)時(shí)，

25、其定子上的有效電壓應(yīng)滿足以下要求：(1) 如果頻繁起動(dòng)電機(jī)，起動(dòng)電壓不能低于90%的額定電壓；反之，不頻繁起動(dòng)時(shí)，不能低于85%的額定電壓。(2) 不能與對(duì)電壓波動(dòng)敏感和照明的負(fù)載共用變壓器，且起動(dòng)不頻繁時(shí)，不可低于80%的額定電壓。(3) 當(dāng)有單獨(dú)的變壓器給電機(jī)供電時(shí)，應(yīng)按機(jī)械性能確定其起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。通常規(guī)定，當(dāng)三相異步電機(jī)的額定功率低于7.5kw時(shí)允許直接起動(dòng)；反之，當(dāng)其額定功率大于7.5kw，且電源容量較大情況下，滿足下面公式時(shí)，電機(jī)也允許直接起動(dòng)： （2-14）如果電機(jī)無(wú)法滿足上述兩種情況，則必須采用降壓起動(dòng)，把起動(dòng)電流限制在允許的范圍內(nèi)。2.2.2 傳統(tǒng)降壓起動(dòng)所謂降壓起動(dòng)是指在起動(dòng)時(shí)降

26、低定子繞組上的電壓，等起動(dòng)完成后，再把電壓恢復(fù)到額定電壓。由于降壓起動(dòng)在減小起動(dòng)電流的同時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也降低了。所以，降壓起動(dòng)適合輕載或空載的情況。下面介紹兩種傳統(tǒng)降壓起動(dòng)方法：（1） 定子串接電阻或電抗起動(dòng)定子繞組串接電阻或電抗從而降低定子繞組兩端電壓。由上述三相異步電機(jī)的等效數(shù)學(xué)模型可知：起動(dòng)電流正比于定子繞組電壓，通過(guò)降壓可以減小起動(dòng)電流。但起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與定子繞組電壓的二次方成正比，也就是說(shuō)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)下降的更多?？偨Y(jié)來(lái)看，這種方法適合空載或輕載的情況。其原理圖如下所示：圖2-3 定子串電阻或電抗起動(dòng)原理圖從原理圖可以看出當(dāng)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，閉合空氣開(kāi)關(guān)q，電機(jī)定子繞組串接電阻或電抗r，電機(jī)降壓起動(dòng)。

27、當(dāng)電機(jī)起動(dòng)結(jié)束后，接觸器線圈km閉合，電機(jī)電壓恢復(fù)到額定電壓正常運(yùn)行。（2）星-三角形(丫-)起動(dòng)星-三角形起動(dòng)方法是在起動(dòng)時(shí)將電機(jī)定子繞組接成星形，每相繞組承受的電壓為電源的相電壓（220v）,減小了起動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊。在起動(dòng)后期按預(yù)設(shè)的時(shí)間轉(zhuǎn)換成三角形連接，每相繞組承受電壓變?yōu)殡娫淳€電壓（380v），電機(jī)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。星-三角形起動(dòng)雖然簡(jiǎn)單，但由于定子繞組六端都要引出來(lái)，所以硬件上面比較麻煩。星-三角起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩均變?yōu)槿珘浩饎?dòng)時(shí)的。因此，這種方法適合空載或輕載。除此之外，當(dāng)負(fù)載較輕時(shí)，可以讓電機(jī)在星形接法下運(yùn)行。其原理圖如下：圖2-4 星-三角形起動(dòng)原理圖圖中接觸器km

28、2和km3形成互鎖，任意時(shí)刻兩者之間只能有一個(gè)閉合。當(dāng)空氣開(kāi)關(guān)q和接觸器km1閉合的情況下，閉合km2時(shí)，電機(jī)星形接入；當(dāng)轉(zhuǎn)換為km3閉合時(shí)，電機(jī)變?yōu)槿切谓臃?。其中，通過(guò)控制回路時(shí)間繼電器kt的設(shè)置，來(lái)確定星-三角形轉(zhuǎn)換的時(shí)間。2.2.3 自耦變壓器起動(dòng)所謂自耦變壓器起動(dòng)是串接自耦式變壓器降壓來(lái)減小加在電機(jī)定子繞組上的起動(dòng)電壓，待電機(jī)完成起動(dòng)后，使自耦式變壓器與電動(dòng)機(jī)分離，從而使電機(jī)在全壓下運(yùn)行。自耦式變壓器起動(dòng)原理圖見(jiàn)圖2-5：圖2-5 自耦式變壓器起動(dòng)原理圖其控制過(guò)程為：閉合開(kāi)關(guān)q后接入三相交流電源，然后按下起動(dòng)按鈕，使km1線圈通電吸合并自鎖，隨后主觸頭閉合，自耦變壓器以星形接入。與此

29、同時(shí)因?yàn)槠漭o助常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，從而使得接觸器km2線圈通電并吸合，其主觸頭閉合。通過(guò)自耦變壓器的低壓抽頭將三相電壓的60接入電機(jī)。當(dāng)時(shí)間繼電器kt延時(shí)完畢后，線圈km1斷開(kāi)，使自耦變壓器的線圈斷電；同時(shí)km2線圈斷開(kāi)，切斷自耦變壓器電源，使km3線圈得電吸合，km3主觸頭接通電動(dòng)機(jī)在全壓下運(yùn)行。自耦變壓器起動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)在于起動(dòng)電壓降為額定電壓的，但起動(dòng)轉(zhuǎn)矩減小的更多；且自耦變壓器不允許頻繁起動(dòng)，設(shè)備費(fèi)用較高。2.3 無(wú)極軟起動(dòng)的介紹與比較基于傳統(tǒng)起動(dòng)方式及有級(jí)調(diào)壓存在的問(wèn)題，發(fā)展出現(xiàn)在的無(wú)極軟起動(dòng)，包括液阻軟起動(dòng)，磁控軟起動(dòng)和晶閘管軟起動(dòng)，由文獻(xiàn)11分別簡(jiǎn)要介紹它們的特點(diǎn)。(1) 液阻軟起動(dòng)：液阻是

30、一種由電解液形成的電阻，它導(dǎo)電的本質(zhì)是離子導(dǎo)電。它的熱容量大，且阻值正比于二塊電極板的相對(duì)距離，反比于電解液的電導(dǎo)率，其極板距離和電導(dǎo)率都便于控制。但其存在諸多缺點(diǎn)：液阻箱容積大，若減小容積，電解液溫升將增加，使軟起動(dòng)重復(fù)性差；移動(dòng)極板需要一套伺服系統(tǒng)，且移動(dòng)速度較慢，難以實(shí)現(xiàn)起動(dòng)方式的多樣化；液箱中的水需要定期補(bǔ)充，且電極板長(zhǎng)期浸泡于電解液中，表面會(huì)有一定的銹蝕，需要做表面處理(2、3年一次)。(2) 磁控軟起動(dòng)：通過(guò)控制直流勵(lì)磁電流，改變鐵心的飽和度實(shí)現(xiàn)限流作用的強(qiáng)弱變化。在起動(dòng)開(kāi)始時(shí)限流作用較強(qiáng)，在軟起動(dòng)過(guò)程中限流作用逐漸減弱，電抗器在起動(dòng)完成后被旁路。由于磁控式軟起動(dòng)器體積大，耗電量多

31、，故障率較高及較高維修費(fèi)用的問(wèn)題，不適合頻繁起動(dòng)。(3) 晶閘管軟起動(dòng):隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，晶閘管軟起動(dòng)技術(shù)已取得長(zhǎng)足進(jìn)步的結(jié)果。利用晶閘管相控調(diào)壓原理，通過(guò)控制電機(jī)定子繞組端的電壓，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟起動(dòng)。晶閘管調(diào)壓裝置具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，維護(hù)量小，功能齊全，菜單豐富，起動(dòng)重復(fù)性好，保護(hù)周全等特點(diǎn)。下面對(duì)三種軟起動(dòng)方式列表比較：表2-1 三種軟起動(dòng)方式比較技術(shù)指標(biāo)液阻式軟起動(dòng)晶閘管軟起動(dòng)磁控式軟起動(dòng)軟起動(dòng)的基本性能通過(guò)改變電極板距離實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)降壓起動(dòng)，調(diào)節(jié)快速性差，1秒級(jí)的慣性，屬于開(kāi)環(huán)控制，有一定的維護(hù)量。通過(guò)微電子和晶閘管實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，調(diào)節(jié)快速性好，0.01秒級(jí)的速率，閉環(huán)控制，可實(shí)現(xiàn)起

32、動(dòng)方式的菜單化。通過(guò)微電和子磁飽和實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，調(diào)節(jié)速率是0.1秒級(jí)的，閉環(huán)控制，可實(shí)現(xiàn)起動(dòng)方式菜單化。實(shí)現(xiàn)軟停止的難易程度難易較易電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能初級(jí)保護(hù)功能完善完善高次諧波小大較大價(jià)格比151012體積比10.20.30.5噪音小較小較大維護(hù)工作量較大小小軟起動(dòng)完成后是否旁路是不一定，可以繼續(xù)參加節(jié)電運(yùn)行是電力器件對(duì)環(huán)境溫度的要求較高較高較低2.4 基于晶閘管軟起動(dòng)的原理與分析2.4.1 晶閘管調(diào)壓原理由文獻(xiàn)11 有兩種晶閘管控制方式：一是控制相位，即通過(guò)控制晶閘管的導(dǎo)通順序來(lái)調(diào)壓；其次是周波控制，是把晶閘管作為靜止接觸器，交替的接通與斷開(kāi)幾個(gè)周期的電源電壓，通過(guò)變換接通與斷開(kāi)時(shí)間的比來(lái)控制輸

33、出電壓的有效值，進(jìn)而達(dá)到降壓的目的。在對(duì)電機(jī)定子進(jìn)行周波控制時(shí)，交替通斷的頻率不可太低，一方面容易造成電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)，另一方面會(huì)使得每次接通就相當(dāng)于異步電機(jī)的一次重起。當(dāng)切斷電源時(shí)，轉(zhuǎn)子中的瞬態(tài)電流將維持一段時(shí)間電機(jī)氣隙中的磁場(chǎng)，并會(huì)隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而改變氣隙磁場(chǎng)在定子繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)頻率。當(dāng)較長(zhǎng)時(shí)間斷流時(shí)，這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在定子中感應(yīng)的電勢(shì)和重新接通時(shí)的電源電壓，在相位上會(huì)有很大的差別，這樣就會(huì)引起電流沖擊過(guò)大，危及晶閘管的安全運(yùn)行。所以，在晶閘管的調(diào)壓控制電路中，晶閘管通?？刂葡辔?。進(jìn)行相位控制時(shí)，輸出的電壓波形非正弦波。波形中沒(méi)有偶次諧波，奇次諧波中主要含三次諧波。但諧波會(huì)干擾異步電機(jī)的正常

34、工作，引起轉(zhuǎn)矩波動(dòng)等不良影響。另外，由于異步電機(jī)屬于感性負(fù)載，從電力電子學(xué)可以得出，當(dāng)晶閘管交流調(diào)壓回路帶帶感性負(fù)載時(shí)，必須使移相角大于負(fù)載的功率因數(shù)角，才可起到調(diào)壓的作用。當(dāng)時(shí)，晶閘管導(dǎo)通時(shí)間將始終是180。其情況和=0時(shí)一樣，相控調(diào)壓不起任何作用，甚至在較窄的觸發(fā)脈沖的情況下，會(huì)引起只有一個(gè)相位上的晶閘管工作，負(fù)載上出現(xiàn)直流分量，危害每相的晶閘管。為了確保晶閘管可靠觸發(fā)，本次采用晶閘管調(diào)壓電路時(shí)采用寬脈沖觸發(fā)，移相范圍控制在180。本系統(tǒng)采用晶閘管調(diào)壓原理，基于jjr2000主回路設(shè)計(jì)，每相采用反并聯(lián)晶閘管組分別串聯(lián)在星形連接的電機(jī)定子繞組上。這是種諧波比較少的連接方式，調(diào)壓性能非常優(yōu)越，

35、控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠。為了方便處理分析，現(xiàn)做以下假定：(1) 采用三相對(duì)稱正弦電壓源，其內(nèi)阻抗為零；(2) 相同性能的各晶閘管，對(duì)稱觸發(fā)，斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)，認(rèn)為開(kāi)路且阻值無(wú)窮大；導(dǎo)通狀時(shí)兩端電壓為零；(3) 電機(jī)為理想電機(jī)，其定子、轉(zhuǎn)子繞組在空間產(chǎn)生正弦分布的磁通勢(shì)；(4) 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為常數(shù)。由于主電路中沒(méi)有中性線，若要負(fù)載電流在工作時(shí)流通，至少要有兩相構(gòu)成通路。其中一相為正向晶閘管導(dǎo)通，另一相則是反向晶閘管導(dǎo)通。為了保證電路在起始工作時(shí)有兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，并考慮到在感性負(fù)載與控制角較小時(shí)仍能保證不同相的兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，本系統(tǒng)采用了能夠產(chǎn)生大于60的寬脈沖觸發(fā)電路。2.4.2 軟起動(dòng)

36、的起動(dòng)方式三相異步電機(jī)軟起動(dòng)器具有多種起動(dòng)模式，可以滿足不同需求，用在不同負(fù)載特性中。由文獻(xiàn)12下面做詳細(xì)介紹：（1）限流起動(dòng)限流起動(dòng)就是在電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程中限制其起動(dòng)電流不超過(guò)某一設(shè)定值的軟起動(dòng)方式，其原理圖如圖2-6。電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，其輸出電壓從零迅速增加，直至電流到達(dá)限定值，然后在輸出電流不大于該值的情況下，逐漸升高電壓，轉(zhuǎn)速逐漸增加，完成起動(dòng)過(guò)程。此方法優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)電流小，并可以根據(jù)需要調(diào)整電流的限定值。缺點(diǎn)在于難以判斷起動(dòng)壓降，無(wú)法充分利用壓降空間，導(dǎo)致起動(dòng)力矩?fù)p失。主要用于風(fēng)機(jī)、泵類等負(fù)載。圖2-6 限流起動(dòng)(2)電壓雙斜坡起動(dòng)在電壓斜坡起動(dòng)的基礎(chǔ)上，克服其缺點(diǎn)，讓輸出電壓迅速升至異步

37、電機(jī)所需的最小轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的電壓，然后按設(shè)定斜率逐漸升高電壓，直至額定電壓。在加速斜坡時(shí)間期間，電機(jī)電壓逐漸升高，斜坡加速時(shí)間可在一定范圍內(nèi)可調(diào)整，斜坡加速時(shí)間一般維持在秒之間。這種起動(dòng)方式的特點(diǎn)是起動(dòng)電流較大，但起動(dòng)時(shí)間相對(duì)較短，適用于電動(dòng)機(jī)帶重型負(fù)載時(shí)起動(dòng)。圖2-7 電壓雙斜坡起動(dòng)（3）轉(zhuǎn)矩控制起動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制起動(dòng)主要適合重載起動(dòng)，它按照電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩線性上升的規(guī)律來(lái)控制輸出電壓。具有起動(dòng)平滑、柔性好、有利于拖動(dòng)系統(tǒng)，同時(shí)減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊的特點(diǎn)，是最優(yōu)的重載起動(dòng)方式，然而起動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。其原理圖如下：圖2-8 轉(zhuǎn)矩控制起動(dòng)原理圖（4）脈沖突跳起動(dòng)脈沖突跳起動(dòng)是在起動(dòng)開(kāi)始階段讓晶閘管在極短的時(shí)間內(nèi)全導(dǎo)通

38、后回落，再按原設(shè)定的值線性上升，進(jìn)入恒流起動(dòng)。該起動(dòng)方法適用于重載并需克服摩擦的起動(dòng)場(chǎng)合，可減少起動(dòng)時(shí)的振動(dòng)。但是，突跳會(huì)給電網(wǎng)發(fā)送尖脈沖，干擾其它負(fù)荷，應(yīng)用時(shí)要特別注意。圖2-9 脈沖突跳起動(dòng)原理圖（5）電壓控制起動(dòng)電壓控制起動(dòng)是在保證起動(dòng)壓降一定的前提下使電動(dòng)機(jī)獲得最大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，盡可能地縮短起動(dòng)時(shí)間，是最優(yōu)的輕載軟起動(dòng)方式，其原理圖如圖2-10所示：圖2-10 電壓起動(dòng)控制原理圖59第三章 軟起動(dòng)器的硬件電路設(shè)計(jì)南京工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)第三章 軟起動(dòng)器的硬件電路設(shè)計(jì)三相異步電機(jī)軟起動(dòng)控制器硬件電路主要包括三個(gè)部分：主回路、控制電路、保護(hù)電路。其中主回路單元有：三相電源、三組反并

39、聯(lián)的晶閘管，三相異步電機(jī)；控制回路單元有：同步檢測(cè)電路、觸發(fā)信號(hào)電路，電流/電壓反饋回路；保護(hù)回路單元有：過(guò)流保護(hù)電路，過(guò)/欠壓保護(hù)電路等。此外還有鍵盤(pán)電路和顯示電路，下面給出硬件系統(tǒng)的總方框圖：圖3-1 三相異步電機(jī)軟起動(dòng)控制器硬件部分總框圖3.1 主要器件的介紹3.1.1 單片機(jī)at89c51據(jù)文獻(xiàn)13at89c51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（fperomflash programmable and erasable read only memory）的低電壓，高性能cmos8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用atmel高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的mcs-5

40、1指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位cpu和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，atmel的at89c51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。圖3-2和圖3-3分別表示at89c51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部引腳圖：圖3-2 at89c51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖3-3 at89c51單片機(jī)外部引腳圖（1）主要特性 89c51 cpu與mcs-51 兼容 全靜態(tài)工作：0hz-24khz 4k字節(jié)可編程flash存儲(chǔ)器(壽命：1000寫(xiě)/擦循環(huán)) 三級(jí)程序存儲(chǔ)器保密鎖定 128*8位內(nèi)部ram 32條可編程i/o線 兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 6個(gè)中斷源 可編程串行通道 低功耗的

41、閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路（2）管腳說(shuō)明 vcc：供電電壓。 gnd：接地。p0口：為一個(gè)8位漏極開(kāi)路雙向i/o口，每腳可吸收8ttl門(mén)電流。當(dāng)p1口的管腳第一次寫(xiě)1時(shí)，被定義為高阻輸入。p0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在flash編程時(shí)，p0口作為原碼輸入口，當(dāng)flash進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，p0輸出原碼，此時(shí)p0外部必須被拉高。p1口：p1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向i/o口，p1口緩沖器能接收輸出4ttl門(mén)電流。p1口管腳寫(xiě)入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，p1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，

42、p1口作為第八位地址接收。p2口：p2口為一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向i/o口，p2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)ttl門(mén)電流，當(dāng)p2口被寫(xiě)“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，p2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。p2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，p2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，p2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。p2口在flash編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。p3口：p3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向i/o口，可接收輸出4個(gè)ttl門(mén)電

43、流。當(dāng)p3口寫(xiě)入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，p3口將輸出電流（ill）這是由于上拉的緣故。p3口也可作為at89c51的一些特殊功能口，如下表所示：口管腳 備選功能p3.0 rxd（串行輸入口）p3.1 txd（串行輸出口）p3.2 /int0（外部中斷0）p3.3 /int1（外部中斷1）p3.4 t0（記時(shí)器0外部輸入）p3.5 t1（記時(shí)器1外部輸入）p3.6 /wr（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通）p3.7 /rd（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）p3口同時(shí)能為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收控制信號(hào)。3.1.2 同步變壓器 同步變壓器是用來(lái)為晶閘管提供同步信號(hào)，然

44、后來(lái)控制其電壓。 在晶閘管整流電路中，晶閘管需要一個(gè)觸發(fā)脈沖來(lái)控制其導(dǎo)通，而在什么時(shí)刻給可控硅發(fā)觸發(fā)脈沖是要有時(shí)間基準(zhǔn)的，而這個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)通常便是晶閘管的陽(yáng)極電壓。即要使觸發(fā)脈沖與陽(yáng)極電壓同步，最直接的做法便是引陽(yáng)極電壓來(lái)作為觸發(fā)脈沖。但是這其中出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題：一般整流橋陽(yáng)極電壓都比較高，不能直接引入控制裝置，因此需要利用一個(gè)變壓器來(lái)降壓，并同時(shí)起到一定的隔離作用，這個(gè)變壓器就是同步變壓器。 簡(jiǎn)言之：同步變壓器的功能是將晶閘管陽(yáng)極電壓變壓來(lái)作為此晶閘管的控制信號(hào)，有此作用的變壓器就叫做同步變壓器。此次所用型號(hào)為tbk1a-869/7.13型。圖3-4 各種同步變壓器3.1.3 開(kāi)關(guān)變壓器開(kāi)關(guān)變壓器

45、和開(kāi)關(guān)管一起構(gòu)成一個(gè)自激（或他激）式的間歇震蕩器，從而把輸入直流電壓調(diào)制成一個(gè)高頻脈沖電壓，此次設(shè)計(jì)用到的為ec型開(kāi)關(guān)變壓器。(1) 起到能量傳遞和轉(zhuǎn)換作用：在反激式電路中，當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，變壓器把電能轉(zhuǎn)換成磁場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，當(dāng)開(kāi)關(guān)管截止時(shí)則釋放出來(lái)。在正激式電路中，當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓直接向負(fù)載供給并把能量?jī)?chǔ)存在儲(chǔ)能電感中。當(dāng)開(kāi)關(guān)管截止時(shí)，再由儲(chǔ)能電感進(jìn)行續(xù)流向負(fù)載傳遞。(2) 把輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換成所需的各種低壓特性參數(shù):電壓比：指變壓器的初級(jí)電壓與次級(jí)電壓折比值。直流電阻：即銅阻。效率：即輸出功率/輸入功率*100%。絕緣電阻：變壓器各繞阻之間及對(duì)鐵心之間的絕緣能力?？闺姀?qiáng)度：對(duì)于電

46、源變壓器，安全規(guī)程要求初級(jí)對(duì)次級(jí)（外殼）耐壓為ac3.75kv 1mim 1ma。3.2 晶閘管相控調(diào)壓原理晶閘管單相調(diào)壓等效電路如圖3-5所示，其中是電機(jī)定子一相等效阻抗，是電網(wǎng)的相電壓，是電機(jī)定子端輸入電壓。設(shè)。 圖3-6 晶閘管輸出電壓波形 3-5 晶閘管單相調(diào)壓電路 圖3-6是一相晶閘管輸出波形示意圖?？刂平呛凸β室蛩亟菦Q定了晶閘管的輸出電壓值。晶閘管是正負(fù)半周對(duì)稱觸發(fā)，晶閘管的有效輸出電壓值可由式（3-1）算出：（3-1） 由公式可知，是晶閘管控制角、功率因數(shù)角及供電電壓u的函數(shù)。當(dāng)供電電壓不變時(shí)，通過(guò)改變晶閘管的控制角，可以改變晶閘管的輸出電壓。在文獻(xiàn)23中，給出了觸發(fā)角，導(dǎo)通角和

47、功率因數(shù)角之間的關(guān)系，見(jiàn)公式3-2： （3-2）在三相異步電機(jī)中，功率因數(shù)角是隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速改變而改變的，所以在改變觸發(fā)角時(shí)也要兼顧到功率因數(shù)角，這樣才能使三相異步電機(jī)的電壓按照預(yù)定的規(guī)律變化。3.3 主回路的設(shè)計(jì)3.3.1 主回路電路圖4-7 三相異步電機(jī)軟起動(dòng)器的主回路電路根據(jù)文獻(xiàn)141516描述，結(jié)合此系統(tǒng)要求，主回路采用三組反并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成調(diào)壓電路。在三相電源側(cè)接入熔斷器，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流情況時(shí)對(duì)整個(gè)電路起到保護(hù)作用。此外，在三相電源和三組晶閘管之間接入接觸器。當(dāng)軟起動(dòng)開(kāi)始時(shí)，接觸器處于斷開(kāi)狀態(tài)；當(dāng)進(jìn)入軟起動(dòng)末期時(shí)，接觸器閉合，使得電機(jī)直接接入三相電源。當(dāng)軟停車(chē)開(kāi)始時(shí)，接觸器再次閉合，軟停車(chē)

48、開(kāi)始。每相晶閘管組并聯(lián)的rc網(wǎng)絡(luò)主要起兩種作用：(1)利用電容兩端電壓不會(huì)突變來(lái)抑制電路電壓的上升率。(2)由電阻r和電容c起到阻尼作用，防止r、l、c在轉(zhuǎn)換過(guò)渡期間，因振蕩在電容兩端產(chǎn)生的過(guò)電壓對(duì)晶閘管造成損壞。每相接地的電容起到濾除殘留交流信號(hào)和高次諧波，接地采用星形接地時(shí)為了減少諧波分量。晶閘管輸出側(cè)的電流互感器用來(lái)采集輸出電流，通過(guò)整流，濾波，光耦隔離后送入單片分析。3.3.2 晶閘管參數(shù)的選擇晶閘管的參數(shù)選擇很多，而應(yīng)用于軟起動(dòng)時(shí)，主要是額定電壓、額定電流的計(jì)算與選擇。晶閘管由于較低的過(guò)電流過(guò)電壓能力，并常常工作在不同的電流波形情況下，給額定電流的選擇帶來(lái)一定的困難，如果不當(dāng)?shù)剡x擇額

49、定值，會(huì)造成不必要的損失或浪費(fèi)。根據(jù)實(shí)際工作狀況，在滿足要求的前提下，應(yīng)盡量降低晶閘管的額定值，從而減少設(shè)備投資。由文獻(xiàn)1718所述，這就需要滿足下面兩個(gè)條件： 首先，晶閘管的正、反向峰值電壓udrm和urrm應(yīng)為晶閘管實(shí)際承受最大峰值電壓um的23倍，一般在考慮有過(guò)電壓吸收回路的情況下，所選晶閘管耐壓值為： （3-3）在本次課題中電機(jī)為380v的三相異步電動(dòng)機(jī)，根據(jù)公式計(jì)算可得晶閘管耐壓在1075v1612v范圍內(nèi)。 其次，是在環(huán)境溫度為和規(guī)定的冷卻條件下，帶電阻負(fù)載時(shí)的單相工頻正弦半波電路中，管子全導(dǎo)通(導(dǎo)通角不小于170)并且穩(wěn)定結(jié)溫不超過(guò)額定值時(shí)所允許的最大平均電流。為使晶閘管在工作過(guò)

50、程中不因過(guò)熱損壞，實(shí)際有效值應(yīng)在乘以安全系數(shù)152后才能等于。公式如下： （3-4）本文中使用的異步電機(jī)功率2.2kw，額定電流4.8a。所以的值27.5a42.8a。3.3.3 晶閘管觸發(fā)電路 晶閘管觸發(fā)電路是整個(gè)硬件很重要的部分，能否及時(shí)、準(zhǔn)確的觸發(fā)晶閘管決定著軟起動(dòng)的實(shí)現(xiàn)與否。而晶閘管的導(dǎo)通是由門(mén)極觸發(fā)脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)的，對(duì)于門(mén)極觸發(fā)脈沖有以下幾點(diǎn)要求：(1) 由于晶閘管在觸發(fā)導(dǎo)通后，門(mén)極控制就失去作用，為了減少門(mén)極損耗，所以觸發(fā)信號(hào)采用寬脈沖形式。(2) 為了保證晶閘管的觸發(fā)，脈沖寬度必須滿足在其消失前陽(yáng)極電流不小于晶閘管的門(mén)坎電流。(3) 應(yīng)有良好的抗干擾性能，溫度穩(wěn)定性及與主電路的電器隔

51、離。(4) 由于門(mén)極參數(shù)的分散性以及其觸發(fā)電壓，電流隨溫度變化的特性，為了能可靠觸發(fā)，晶閘管觸發(fā)電壓和電流必須大于門(mén)極觸發(fā)電壓和電流。由于單片機(jī)給定的觸發(fā)信號(hào)其幅值和功率都偏小滿足不了要求，所以要對(duì)其進(jìn)行足夠的放大來(lái)滿足要求。晶閘管觸發(fā)電路如圖3-8所示： 圖3-8 晶閘管觸發(fā)電路根據(jù)文獻(xiàn)13所述并結(jié)合自己設(shè)計(jì)思想，上述電路圖是一相晶閘管組的觸發(fā)電路。主要有光耦tl817、npn型三極管、脈沖變壓器tf1及相關(guān)附屬電路構(gòu)成。其工作過(guò)程為：當(dāng)單片機(jī)中有一引腳產(chǎn)生脈沖信號(hào)，就會(huì)經(jīng)過(guò)光耦tl817進(jìn)行隔離和放大，信號(hào)電壓經(jīng)分壓后被三極管q11采樣，采樣信號(hào)經(jīng)過(guò)三極管放大后送入脈沖變壓器，由脈沖變壓器

52、產(chǎn)生晶閘管所需的脈沖。通過(guò)合理取定r82和r83的值，可以使信號(hào)放大更多。電路中的r84、vd81和r85、vd83是給脈沖變壓器釋放其儲(chǔ)存能量所用。3.4 電壓檢測(cè)回路在電壓檢測(cè)部分，共有三部分組成。一是同步信號(hào)檢測(cè)部分，檢測(cè)三相電壓的自然換相點(diǎn)；二是電壓反饋回路，通過(guò)采樣晶閘管輸出端電壓信號(hào)，來(lái)作電壓反饋和缺相故障診斷；三是過(guò)/欠壓保護(hù)電路，通過(guò)采樣晶閘管輸出端電壓，經(jīng)整流、降壓、濾波后，由a/d轉(zhuǎn)換器送至at89c51分析，下面具體闡述。3.4.1 同步信號(hào)檢測(cè)電路由文獻(xiàn)1920可知，為了確保軟起動(dòng)器主回路中各個(gè)晶閘管的觸發(fā)脈沖與陽(yáng)極電壓保持嚴(yán)格的相位關(guān)系，在系統(tǒng)中必須設(shè)置同步信號(hào)檢測(cè)電

53、路。只有精確的測(cè)量出電壓的過(guò)零點(diǎn)，才能精確控制晶閘管的導(dǎo)通角。而導(dǎo)通角又由觸發(fā)角來(lái)控制，也就是測(cè)出電壓過(guò)零點(diǎn)后，可以通過(guò)控制觸發(fā)角的大小，來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)兩端的無(wú)極加載。電路圖如圖3-9所示，從圖中我們可以看出該電路的功能是把線電壓正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成低壓方波信號(hào)，通過(guò)光耦tl817隔離高低壓信號(hào)后，送至單片機(jī)分析處理。圖3-9 同步信號(hào)檢測(cè)電路i該電路大致工作過(guò)程為：線電壓經(jīng)過(guò)同步變壓器隔離降壓，然后由r71、r72和vd36降壓，整流，并經(jīng)過(guò)光耦隔離后，產(chǎn)生5v的方波信號(hào)，頻率為50hz。由于光耦在電源負(fù)半周期截止，所以此方波信號(hào)的負(fù)半周期為零。該電路在起動(dòng)瞬間就開(kāi)始檢測(cè)電壓零點(diǎn)，并且直接從電源側(cè)引入電壓，節(jié)省了硬件成本。下面給出與圖3-9很相似的電路，來(lái)檢測(cè)電壓源的缺相故障。其電路圖如圖3-10所