基于MATLAB-SIMULINK三相感應(yīng)電機軟啟動器的設(shè)計與仿真

1、 基于MATLAB/SIMULINK三相感應(yīng)電機軟啟動器的設(shè)計與仿真摘 要 由于三相感應(yīng)電動機直接起動時起動電流很大,為了限制其起動電流,本文提出了晶閘管交流調(diào)壓軟起動控制方案,并對三項感應(yīng)電動機的晶閘管交流調(diào)壓軟起動的系統(tǒng)組成和工作原理進行了分析。重點對三項感應(yīng)電動機的起動特性進行了討論和分析,給出了限流軟起動及斜坡升壓軟起動相結(jié)合的具體實現(xiàn)過程。 本文利用單片機系統(tǒng),設(shè)計了三相感應(yīng)電動機軟起動器,給出了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、軟件設(shè)計思想,控制電路做了相關(guān)的介紹,具有較強的實用性。 此外,文中對三相感應(yīng)電動機晶閘管交流調(diào)壓軟起動的主電路、控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計進行了討論,并建立了感應(yīng)電動機晶閘管交流調(diào)

2、壓軟起動的 MATLABSIMULINK 仿真模型,對軟起動的控制方式進行了仿真研究。仿真結(jié)果表明,本軟起動的控制方法可以有效地減小異步電動機起動時對電網(wǎng)的沖擊。 關(guān)鍵詞：晶閘管;三相感應(yīng)電動機;軟起動;MATLAB/SIMULINK仿真目錄一、項目背景 3二、項目目的 3三、整體設(shè)計思路3 3.1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3 3.2、硬件電路設(shè)計4四、模塊電路設(shè)計5 4.1、晶閘管的驅(qū)動電路設(shè)計5 4.2、電壓采樣電路的設(shè)計7 4.3、電流采樣電路的設(shè)計8 4.3.1 電流傳感器電路8 4.3.2 絕對值電路9 4.3.4 保護電路的設(shè)計10五、器件的選型11 5.1 晶閘管11 5.2 緩沖吸收電路12

3、5.3 感應(yīng)電機13六、軟件流程圖13 6.1 主程序流程圖13 6.2 同步中斷模塊流程圖14 6.3 電流電壓閉環(huán)控制模塊14 6.4脈沖延時模塊15 6.5 脈沖延時模塊16七、基于MATLAB/SIMULINK的仿真16 7.1 仿真電路圖16 7.2 仿真結(jié)果16 7.3 結(jié)果分析20八、結(jié)語20九、參考文獻22一、項目背景 感應(yīng)電動機以其結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便、效率較高、價格低廉等優(yōu)勢得以在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。但是感應(yīng)電動機的啟動性能較差，啟動瞬時電流沖擊很大，可高達額定電流的10倍以上，且啟動沖擊轉(zhuǎn)矩也很大，加速了電機的老化及機械損壞，對電機本身及其拖動設(shè)備的使用壽命有很嚴

4、重的影響。同時也會對電網(wǎng)造成沖擊，使供電電網(wǎng)產(chǎn)生較大的波動，從而影響同一電網(wǎng)中其他設(shè)備的正常工作。除此之外，如果發(fā)生缺相或欠壓，則極易造成電動機燒毀。二、項目目的2.1、限制電機啟動電流 Is2.2、在電源缺相、相序錯亂、電機過載、輕載、堵轉(zhuǎn)等的情況下對電機提供保護；三、整體設(shè)計思路3.1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 感應(yīng)電機的電磁轉(zhuǎn)矩跟電流平方成正比，跟電壓的平方成正比，又因為感應(yīng)電機的電流與電壓成正比，所以，軟啟動就是通過降低啟動電壓來降低啟動電流和電磁轉(zhuǎn)矩，解決啟動電流和啟動電磁轉(zhuǎn)矩瞬時沖擊的問題。 電機啟動的主電路采用有三組反并聯(lián)晶閘管構(gòu)成的三相交交變頻電路，采用同步電壓檢測環(huán)節(jié)來檢測相電壓的過零點，檢

5、測結(jié)果作用于單片機，以實現(xiàn)對加在感應(yīng)電機上的電壓進行控制。利用電流反饋檢測環(huán)節(jié)，將啟動電流反饋給單片機，單片機通過一定的算法改變輸出電壓的數(shù)字量，從而改變作用于驅(qū)動電路的模擬信號電壓值，達到改變晶閘管觸發(fā)角，實現(xiàn)調(diào)節(jié)作用于電機定子的電壓，當(dāng)反饋電流大于電流限定值時，觸發(fā)角維持原值，不再改變直至電流減小到限定值后，繼續(xù)升壓直至全壓。 三相感應(yīng)電動機 晶閘管電路三相電源 三相感應(yīng)電動機 晶閘管電路三相電源 反饋電壓、電流檢測 觸發(fā)電路 同步信號 反饋電壓、電流檢測 觸發(fā)電路 同步信號 PID給定啟動數(shù)據(jù) 觸發(fā)角計算 PID給定啟動數(shù)據(jù) 觸發(fā)角計算圖3-1 軟啟動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3.2、硬件電路設(shè)計硬件

6、主電路的設(shè)計如下圖所示：圖3-2 硬件主電路設(shè)計 電壓同步/電壓采樣模塊作為整個系統(tǒng)最重要的一環(huán)，是觸發(fā)脈沖的基準，如果同步出現(xiàn)錯誤，將會造成嚴重后果。 系統(tǒng)啟動后，三相交流電壓通過電壓同步/采樣電路變成了方波信號，單片機對方波信號進行A/D采樣,從而確定晶閘管的觸發(fā)時間基準點。流經(jīng)電機的電流經(jīng)電流采樣電路被送到單片機A/D轉(zhuǎn)換口，經(jīng)單片機自帶的A/D轉(zhuǎn)換器完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，從而獲取電機電流大小，單片機根據(jù)反饋過來的電機電流按一定的規(guī)則，通過單片機的脈沖調(diào)制電路的PWM接口輸出脈沖寬度不斷變化的脈沖去觸發(fā)晶閘管，控制加在電機上的平均電壓，從而實現(xiàn)軟啟動的目的。四、模塊電路設(shè)計4.1、晶閘管的驅(qū)動電

7、路設(shè)計驅(qū)動電路核心采用TCA785集成芯片控制。 圖4-1 TCA785移相觸發(fā)器工作原理框圖 由上圖可以看出，TCA785由零點鑒別器ZD檢測出其過零點后同步寄存器SR寄存，SR的零點寄存信號 控制鋸齒波發(fā)生器RG，在每個正弦信號的過零點鋸齒波發(fā)生器迅速放電并從初始值開始充電，改變10腳的外接電容或9腳的外接電阻值即可改變鋸齒波的斜率。鋸齒波電壓與11腳控制電壓進行比較，當(dāng)鋸齒波電壓達到V11幅度時產(chǎn)生一脈沖，生成控制信號送至輸出邏輯網(wǎng)絡(luò)LN，這是一個脈沖分配環(huán)節(jié)，由此可見，從這里可以看出控制角的大小由控制電壓V 14腳和15腳分別為正負半周對應(yīng)的脈沖輸出端。該兩端脈沖相位互差180，可用來

8、觸發(fā)同一相中反并聯(lián)的兩個晶閘管。且輸出脈沖寬度可調(diào)。 4腳和5腳分別為14腳和15腳的反向脈沖輸出端?？梢愿鶕?jù)實際需要靈活選用，同時，所產(chǎn)生的脈沖寬度分別由12腳和13腳的外接電容決定，3腳和7腳為脈沖合成輸出，每個電源周期翻轉(zhuǎn)兩次。 12腳輸出脈沖寬度控制端。通過一個電容接地，電容C12的電容量范圍為150至4700PF，當(dāng)電容變化時，輸出脈沖的寬度亦在變化，使輸出脈沖的最窄寬度為100S,而輸出寬脈沖的最寬寬度為2000S.腳3為非輸出脈沖寬度控制端。當(dāng)該端接地時，Q1、Q2為最寬脈沖輸出，而當(dāng)該端接電源電壓時，14、15腳為最窄輸出脈沖。 6腳位脈沖封鎖端，由6腳電平控制。當(dāng)V6為“1”

9、時，解除封鎖，當(dāng)V6為“0”時，開啟封鎖，它是為系統(tǒng)過流、過壓或進行其他控制而設(shè)立的控制端，這里將它介質(zhì)單片機的一個接口，通過端口實現(xiàn)對TCA785工作與否的脈沖輸出封鎖控制。 下圖即為TCA785各管腳的波形圖，從中可以看出，改變11腳電壓輸入值就可以改變14、15腳輸出脈沖的移相角。圖4-2 TCA785各管腳波形圖4.2、電壓采樣電路的設(shè)計單片機產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖必須以三相交流電的時刻為基準，這樣才能準確的對晶閘管進行觸發(fā)，使加在電動機的電壓按設(shè)定值變化。本方案通過檢測三相電的過零點來獲取三相電的同步信號。為了消除電源頻率對觸發(fā)脈沖對稱度的影響，本方案采用三相同步電路，交流電經(jīng)過該同步電路將

10、產(chǎn)生周期20ms、占空比為50%的方波，其電路圖如下：+5V18K18K12V+5V18K18K12V+P11K220100F+P11K220100F-圖4-3 同步信號提取電路4.3、電流采樣電路的設(shè)計由于主要采用限流與斜坡升壓軟啟動相結(jié)合的控制方案，軟啟動器工作時的主要任務(wù)是控制主回路的電流，因此要對電路進行監(jiān)控控制。電路中須有電流檢測電路實現(xiàn)電流反饋控制。這部分電路主要由電流傳感器電路、絕對值電路、電壓比較電路組成。4.3.1 電流傳感器電路 +12V+12V輸入主電路+12V+12V輸入主電路TL084-送入絕對值電路TL084-送入絕對值電路+ +-12V-12V-12V輸入主電路-

11、12V 圖4-4 電流傳感器電路 該電路主要由電流傳感器和電壓跟隨其構(gòu)成，電流傳感器可以選用磁平衡式霍爾電流傳感器，電壓互感器可以選用TL084運放構(gòu)成。霍爾電流傳感器可以實現(xiàn)電流的“無電位”測量，即測量電路不接入被測電路即可實現(xiàn)電流的測量，他們通過磁場耦合。所以檢測電路的輸入輸出是完全電隔離的，被測電路與檢測電路二者也互不影響。4.3.2 絕對值電路20K20K-+12V+12V-+12V+12V-+TL084J+接電壓比較器輸入接電流傳感器輸出TL084JD-+TL084J+接電壓比較器輸入接電流傳感器輸出TL084JD-12V-12V-12V-12V圖4-5 絕對值比較 絕對值電路用于將

12、電壓跟隨器輸出端的正負交替電壓轉(zhuǎn)換為正電壓，以便于后邊與給定的電壓相比較，從而實現(xiàn)限制電流不超過給定值的目的。 當(dāng)輸入為正時，運放反向作用，使其輸出電壓為負，二極管不導(dǎo)通，電壓則通過電阻作用于電壓跟隨器。 反之，輸入電壓為負時，運放輸出為正，二極管導(dǎo)通，電阻反饋支路不起作用，輸出電壓為正。4.3.3 電壓比較電路+12這里采用一個帶滯環(huán)的反向電壓比較器滯回比較+123K3KLM399R1 10K+-電流反饋檢測連接絕對值電路輸出LM399R1 10K+-電流反饋檢測連接絕對值電路輸出R2 10KR2 10K250K250K圖4-6 電壓比較電路 其正向輸入端參考電壓為UR，反向電壓為絕對值電路

13、的電壓輸出Ui,輸出電壓最大值UOH為VCC,其值為+5V，輸出電壓當(dāng)電壓由低升高到正向閾值電壓UTH1時輸出高電平+5V，當(dāng)電壓由高降至反向閾值電壓UTH24.3.4 保護電路的設(shè)計三相異步電動機運轉(zhuǎn)中電源的一相斷線，使電動機在嚴重不對稱電壓下運行，稱為斷相運行。斷相后其氣隙磁場由原來的圓形旋轉(zhuǎn)磁場變?yōu)榉底儎拥姆呛闼傩D(zhuǎn)橢圓形磁場，在噪聲很大的車間或井下難以辨別電動機是否正常運轉(zhuǎn)，由于沒有足夠的重視，常常使電動機燒毀。因此，有必要設(shè)置斷相保護裝置。由于是交流供電系統(tǒng)，不能通過檢測電流是否為零來檢測是否斷相。對于三相對稱電源，相位互差120度，輸出定子三相電流之間也存在相位差。所以可以檢測是

14、否有兩相電流同時為零來檢測是否斷相。如下圖所示，為異步電動機運轉(zhuǎn)時的斷相保護電路。+5V+5V3K+12V3K+12VR1 10K+-鏈接邏輯門電路輸入LM330-連接絕對值電路輸出R1 10K+-鏈接邏輯門電路輸入LM330-連接絕對值電路輸出+R2 10K+R2 10KR3 5M-12VR3 5M-12V圖4-7（a） 過零檢測電路缺相保護出口C相電流檢測B相電流檢測A相電流檢測 缺相保護出口C相電流檢測B相電流檢測A相電流檢測 圖4-7（b） 缺相檢測電路為過零檢測電路，按圖中的參數(shù)設(shè)置可以確保其正向閥值電壓約為0.01V,反向閥值電壓為0V。由于實際應(yīng)用中，一般當(dāng)電流值小于額定值的5%

15、，我們就認為電流為零。因此，當(dāng)過零檢測輸入電壓小于0.01V時就可以認為輸入電流為零。 (b)為缺相檢測電路。這里通過檢測是否有兩相電流同時為零來檢測是否缺相運行。用三個過零檢測電路分別判斷A、B、C相的電流情況，電流近似為零時，過零檢測電路輸出高電平，反之輸出低電平。只要兩相同時為零后，與門輸出就為高電平。最后，經(jīng)過一個或邏輯門輸出，作用于單片機的P3.2口。由單片機控制晶閘管觸發(fā)電路。五、器件的選型5.1 晶閘管選型計算：考慮到啟動時的沖擊電流可達到約10倍的額定電流，所以 故，晶閘管選型： 額定電壓不小于1247V； 額定電流不小于550A。5.2 緩沖吸收電路 開關(guān)管開通和關(guān)斷理論上都

16、是瞬間完成的，但實際情況開關(guān)管開關(guān)時刻下降的電流和上升的電壓有重疊時間，所以會有較大的開關(guān)損耗。為了使晶閘管開關(guān)過程電壓能夠得到有效的抑制并減小功率損耗，通常都需要給晶閘管主電路設(shè)置緩沖電路。通常情況下,在設(shè)計關(guān)于晶閘管的緩沖電路時要綜合考慮從晶閘管應(yīng)用的主電路結(jié)構(gòu)、器件容量以及要滿足主電路各種技術(shù)指標所要求的晶閘管開通特性、關(guān)斷特性等因素。 選用RCD緩沖電路，結(jié)構(gòu)如圖所示。圖10 圖10 緩沖吸收電路 Rs、Cs 抑制過大，防止晶閘管誤觸發(fā)； Ls抑制過大，防止損壞晶閘管。 該吸收電路可以減小晶閘管在開關(guān)過程中產(chǎn)生的過電壓、過電流、過熱、抑制、，把開關(guān)損耗從器件內(nèi)部轉(zhuǎn)移到吸收電路中去，然后

17、再消耗到吸收電路的電阻上去，以確保晶閘管安全可靠運行。 5.3 感應(yīng)電機六、軟件流程圖 6.1 主程序流程圖系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化 系統(tǒng)自檢Y初始化故障？Y初始化故障？輸出故障輸出故障N 同步終端模塊N 同步終端模塊啟動完成啟動完成？ 故障？軟啟動控制參數(shù)脈沖延時模塊電流電壓閉環(huán)控制啟動完成啟動完成？ 故障？軟啟動控制參數(shù)脈沖延時模塊電流電壓閉環(huán)控制YYNNNN圖6-1 主程序流程圖圖6-1 主程序流程圖Y6.2 同步中斷模塊流程圖 中斷初始化N正確同步信號？N正確同步信號？YY 啟動A/DNA/D啟動結(jié)束？NA/D啟動結(jié)束？Y 調(diào)動相應(yīng)啟動子程序Y 調(diào)動相應(yīng)啟動子程序 啟動延時觸發(fā)中斷 中斷返

18、回 中斷返回圖6-2 同步中斷模塊流程圖6.3 電流電壓閉環(huán)控制模塊開始開始產(chǎn)生觸發(fā)脈沖進行下一次循環(huán) PI調(diào)節(jié) 計算電流反饋值 計算啟動電流曲線產(chǎn)生觸發(fā)脈沖進行下一次循環(huán) PI調(diào)節(jié) 計算電流反饋值 計算啟動電流曲線圖6-3 電流電壓閉環(huán)控制流程圖6.4 電流電壓閉環(huán)控制模塊開始開始產(chǎn)生觸發(fā)脈沖進行下一次循環(huán) PI調(diào)節(jié) 計算電流反饋值 計算啟動電流曲線產(chǎn)生觸發(fā)脈沖進行下一次循環(huán) PI調(diào)節(jié) 計算電流反饋值 計算啟動電流曲線圖6-4 電流電壓閉環(huán)控制流程圖6.5 脈沖延時模塊 進入中斷 給 給VT1、VT2觸發(fā)信號 滯后120給VT2、VT5出發(fā)信號 再 再滯后120給VT2、VT5出發(fā)信號 中斷

19、返回 中斷返回圖6-5 脈沖延時模塊流程圖七、基于MATLAB/SIMULINK的仿真7.1 仿真電路圖圖7-1 電機軟啟動電路圖圖7-2 電機直接啟動電路圖7.2 仿真結(jié)果(1)、直接啟動 = 1 * GB3 電路如下圖圖7-3 電機直接啟動仿真模型 = 2 * GB3 定子三相電流如下圖圖7-4 定子三相電流 = 3 * GB3 電機轉(zhuǎn)速如下圖圖7-5 電機轉(zhuǎn)速波形 = 2 * GB2 軟啟動 = 1 * GB3 電路如下圖 圖7-6 電機軟啟動仿真模型 = 2 * GB3 設(shè)定啟動電流為30A1定子三相電流如下圖 圖7-7 電機定子三相電流2電機轉(zhuǎn)速如下圖圖7-8 電機轉(zhuǎn)速波形 = 2

20、* GB3 限定電流為25A時1定子三相電流如下圖圖7-9 電機定子三相電流2電機轉(zhuǎn)速如下圖圖7-10 電機轉(zhuǎn)速波形7.3 結(jié)果分析 通過MATLAB仿真將直接起動方式與軟起動方式進行對比，由仿真波形圖很顯然，直接啟動的啟動電流沖擊較大，而軟啟動啟動電流沖擊較小，直接啟動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升斜率很大，容易損壞其拖動得設(shè)備，而軟啟動實現(xiàn)了轉(zhuǎn)速由0到額定轉(zhuǎn)速的平滑上升，顯然對其拖動的設(shè)備的沖擊轉(zhuǎn)矩遠比直接啟動小。 這里特別說明再啟動初始階段的2s左右，并沒有電流流過轉(zhuǎn)子，電機也沒有啟動，這是因為在這段時間里積分電路輸出電壓要與起始電壓作比較（本次仿真設(shè)為110V），在積分電路輸出值達到這個值之前所有的正向晶閘管都處于關(guān)斷狀態(tài)，只有很小的漏電流通過，所以看起來沒有電流。 結(jié)果驗證了以下結(jié)論：軟起動器具有啟動沖擊電流較小，曲線平滑的特點，明顯減弱了啟動沖擊。八、結(jié)語 異步電動機起動電流大，頻繁起動易造成電機損壞，采用單片機控制的軟起動器可實現(xiàn)電機的限流、限壓。該異步電動機軟起動器以單片機為核心，通過軟件設(shè)計實現(xiàn)了電機的起動和保護，具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強的特點。 在主電路設(shè)計過程中，采用有三組反并聯(lián)晶閘管構(gòu)成的三相交交變頻電路。采用同步電壓檢測環(huán)節(jié)來檢測相電壓的過零點，檢測結(jié)果作用于單片機，以實現(xiàn)對加在感應(yīng)電機上的電壓