畢業(yè)設(shè)計（論文）基于單片機的三相異步電動機軟啟動器的設(shè)計1

1、三相異步電動機軟啟動器的設(shè)計三相異步電動機軟啟動器的設(shè)計摘要介紹了以 c8051 單片機為核心的的交流異步電動機軟啟動器。軟啟動器包括主電路和控制電路兩部分?？刂齐娐防镁чl管的導(dǎo)通角計算電機的功率因數(shù)；電機啟動方式采用電壓斜坡軟啟動；單片機控制晶閘管觸發(fā)脈沖，通過對電機起動過程中的品閘管觸發(fā)脈沖的控制，實現(xiàn)電機的平滑起動，減少了電機對電網(wǎng)的沖擊，起到了節(jié)能作用。該系統(tǒng)能夠設(shè)置電機的起動參數(shù)，自動診斷故障，控制系統(tǒng)智能化。關(guān)鍵詞軟啟動器；異步電動機；單片機；晶閘管design of sotf-starter in three-phase asynchronous motorelectrical

2、 engineering and automation specialty majorwang zeng-qiangabstract: this paper introdues a sotf-starter control system which is based on 8051 single chip in three-phase ac asynchronous motor.the system includes main circuit and control circuit.using scr conduction angle to comprute the power of the

3、motor is a distinguishing feature of control circuit. the solpe voltage starting of starting mode is used to start the motor,the crystal thyratron trigger pluse is controled by single chip. by controling the thyristor trigger pluse,the motor can start stably.it proves that the soft-starter can reduc

4、e the current impact of motor starting and having energy-saving effect.the advantages of the system is setting the starting parameter of the motor,fault diagnosing display,the nitelligence control system.key words: sotf-starter; asynchronous motor; single chip ;thyristor目目錄錄1 前言 .11.1 三相異步電動機軟啟動器的國內(nèi)

5、外研究現(xiàn)狀 .11.2 本文主要內(nèi)容 .12 軟啟動器原理 .22.1 軟啟動器及其工作原理 .22.2 軟啟動器啟動方式 .22.4 軟啟動器的四種停機方式 .42.5 軟啟動器的接線方案 .43 軟啟動器硬件電路設(shè)計 .43.1 軟啟動器硬件電路總體框圖 .43.2 軟啟動器主電路的設(shè)計 .53.2.1 軟啟動器主電路的設(shè)計.53.2.2 電路元件參數(shù)的選擇.53.3 軟啟動器控制電路的設(shè)計 .63.3.1 軟啟動器電機線電壓檢測電路設(shè)計.63.3.2 軟啟動器晶閘管觸發(fā)驅(qū)動電路設(shè)計.73.3.3 軟啟動器晶閘管導(dǎo)通角檢測電路設(shè)計.73.3.4 軟啟動器同步電路設(shè)計.83.3.5 軟啟動器

6、電機轉(zhuǎn)速檢測電路設(shè)計.83.3.6 軟啟動器相序檢測電路設(shè)計.93.3.7 軟啟動器保護電路的設(shè)計.103.3.8 軟啟動器電流檢測電路設(shè)計.113.3.9 軟啟動器電機功率因數(shù)檢測電路設(shè)計.123.3.10 軟啟動器鍵盤及 lcd 顯示電路的設(shè)計.124 軟啟動器軟件設(shè)計 .134.1 系統(tǒng)主程序流程圖 .144.2 軟啟動器晶閘管觸發(fā)脈沖產(chǎn)生程序設(shè)計 .144.3 軟啟動器觸發(fā)脈沖延時程序設(shè)計 .154.3.1 對晶閘管門極觸發(fā)的要求.164.3.2 觸發(fā)脈沖延時觸發(fā)的次序.164.4 軟啟動器電壓斜坡啟動程序設(shè)計 .164.5 軟啟動相序檢測程序設(shè)計 .174.6 軟啟動器同步信號程序設(shè)

7、計 .174.7 軟啟動器鍵盤程序設(shè)計 .184.8 軟啟動器 lcd 顯示程序設(shè)計 .18結(jié)束語 .19參考文獻 .20致謝 .201 前言1.1 三相異步電動機軟啟動器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀電力電子軟起動的出現(xiàn)是隨著晶閘管的出現(xiàn)而發(fā)展起來的，最早采用晶閘管三相交流調(diào)壓電路對電動機的軟起動應(yīng)用是在 1970 年由英國人發(fā)明的，由于采用這種方法可以獲得很好的起動性能，所以曾引起人們廣泛的注意。近二十多年來，國外對晶閘管三相交流調(diào)壓電路進行了廣泛的研究，在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域得到應(yīng)用，在某些領(lǐng)域應(yīng)用顯示出獨特的技術(shù)優(yōu)勢1。90 年代以后，國外一些著名廠商推出了軟起動系列產(chǎn)品，技術(shù)已趨于成熟。如美國的 ab 公

8、司生產(chǎn)的 3152000kw 的交流調(diào)壓式電力電子軟起動器，英國的 ct 公司，法國的 te 公司，德國 aeg 公司及歐洲 abb 公司等均推出了軟起動產(chǎn)品；德國的西門子公司推出一系列產(chǎn)品：sirius 3rw30/31 適用于 55kw 以下電機，sikostart 3rw22 適用于 710kw 以下電機，sikostart 2rw34 適用于 1050kw 以下電機。從軟起動出現(xiàn)在世界，就伴隨著研究軟起動器能否實現(xiàn)節(jié)約能源的問題。英國人曾在八十年代初就對不同控制原理的軟起動產(chǎn)品做過對比試驗，并得出在 4050的額定負載下，軟起動器有明顯的節(jié)能效果的結(jié)論，從而使得這種控制器在輕載情況下大

9、大被采用2。目前，對晶閘管三相交流調(diào)壓電路的研究已從對控制電壓控制電機電流的開環(huán)、閉環(huán)方式，發(fā)展到通過建立比較準確實用的數(shù)學模型，找到適于三相交流調(diào)壓電路電機負載的控制方法，從而使三相交流調(diào)壓電路電機負載性能更優(yōu)。1.2 本文主要內(nèi)容本課題要求以 8051 單片機為控制核心，設(shè)計了一個三相異步電動機軟啟動器控制系統(tǒng)，本文介紹了以下主要內(nèi)容：(1) 三相交流調(diào)壓電路采用晶閘管調(diào)壓，由單片機控制晶閘管的觸發(fā)脈沖；(2) 軟啟動器的啟動方式采用斜坡軟啟動；(3) 設(shè)計了同步電路以保證每個晶閘管的觸發(fā)脈沖與其陽極電壓保持嚴格的相位關(guān)系；(4) 可利用鍵盤實現(xiàn)各類啟動參數(shù)的設(shè)定、電動機的啟動和停止等命令

10、的輸入；(5) 顯示電路要能夠顯示電路中的線電壓、線電流、電機轉(zhuǎn)速等運行參數(shù)；(6) 能夠?qū)﹄姍C啟動過程中過壓、欠壓、過流、缺相、掉相等提供多種保護；(7) 設(shè)計了晶閘管驅(qū)動電路,保證晶閘管可靠導(dǎo)通。2 軟啟動器原理2.1 軟啟動器及其工作原理軟啟動器是一種用來控制三相交流電動機的專用產(chǎn)品，它實現(xiàn)了交流電動機的軟啟動、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護，其功能完善，性能優(yōu)越，能夠滿足工業(yè)電機控制的需要，是傳統(tǒng) y/啟動和自耦變壓器啟動控制方式的理想換代產(chǎn)品。軟啟動器采用三相反并聯(lián)晶閘管（scr）作為調(diào)壓器，將其接入電源和電機定子之間，這種電路如三相全控整流電路。軟啟動器啟動電機時，晶閘管的輸出電壓逐漸

11、增加，電動機的轉(zhuǎn)速逐漸加速，直到晶閘管全部導(dǎo)通，電動機工作在額定電壓的機械特性上，實現(xiàn)平滑啟動，降低啟動電流，避免了啟動時過流跳閘，待電動機達到額定轉(zhuǎn)速時，啟動過程結(jié)束。軟啟動器自動用旁路接觸器取代已完成任務(wù)的晶閘管，為電動機正常運轉(zhuǎn)提供額定電壓，以降低晶閘管的熱損耗，延長軟啟動器的使用壽命及提高其工作效率。軟啟動器同時還提供軟停車功能，軟停車與軟啟動過程相反，電壓逐漸降低，轉(zhuǎn)速逐漸下降到零，避免自由停車引起的轉(zhuǎn)矩沖擊。2.2 軟啟動器啟動方式軟啟動器一般有下面幾種啟動方式：(1) 斜坡升壓軟啟動 輸出電壓由小到大斜坡線性上升，將傳統(tǒng)的有級降壓起動變?yōu)闊o級降壓起動，主要用于重載起動。它的缺點是

12、起動轉(zhuǎn)矩小，轉(zhuǎn)矩特性呈拋物線形上升，對起動不利； 起動時間長，對電機不利。改進的方法是采用雙斜坡起動:輸出電壓先迅速升至 u，為電機起動所需的最小轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的電壓值。然后按設(shè)定的速率逐漸升壓，直至達到額定電壓。初始電壓及電壓上升率可根據(jù)負載特性調(diào)整。這種起動方式的特點是起動電流相對較大，起動時間相對較短3。斜坡升壓軟起動原理圖如圖 1。(2) 斜坡恒流軟啟動 這種啟動方式是在電動啟動的前階段電流逐漸增加，當電流達到預(yù)先所設(shè)定的值后保持恒定，直到啟動完畢。啟動過程中，電流上升變化速率是可以根據(jù)電動機負載調(diào)整設(shè)定。電流上升速率大，則啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動時間短。這種啟動方式的優(yōu)點是起動電流小，且可以按需

13、要調(diào)整起動電流的限定值，缺點是由于在起動時難以知道起動壓降，不能充分利用降壓空間，會損失起動力矩。該啟動方式是應(yīng)用最多的啟動方式，尤其適用于風機、泵類負載的啟動4。斜坡恒流軟起動原理圖如圖 2。(3) 轉(zhuǎn)矩控制啟動 這種啟動方式主要用于重載啟動，是按電動機的啟動轉(zhuǎn)矩線形上升的規(guī)律來控制輸出電壓。它的優(yōu)點是啟動平滑、柔性好，對拖動系統(tǒng)有利，同時減少對電網(wǎng)沖擊，是最優(yōu)的重載啟動方式之一，缺點是啟動時間較長。轉(zhuǎn)距起動方式原理圖如圖 3。(4) 轉(zhuǎn)矩加突跳控制啟動方式這種啟動與轉(zhuǎn)矩控制啟動相同，也使用在重載啟動的場合，比如皮帶傳輸機、擠壓機、攪拌機等，由于其靜阻力矩較大，必須施加一個短時的大啟動力矩，

14、克服大的靜摩擦力，然后轉(zhuǎn)矩平滑上升，縮短啟動時間。轉(zhuǎn)矩突跳這種啟動方式所提供的輔助突跳力矩所需電流可達到滿載電流的 500%，突跳啟動時間可在 02 秒內(nèi)選擇，但是突跳會給電網(wǎng)發(fā)送尖脈沖，干擾其他負荷，使用時應(yīng)特別注意5。轉(zhuǎn)矩加突跳控制啟動方式原理圖如圖 4。inimi(t)tu1ust圖 1斜坡升壓軟啟動原理圖 圖 2斜坡恒流軟啟動原理圖mq1mqm(t)mq1mqm(t)ttmfmf 圖 3轉(zhuǎn)矩控制啟動方式原理圖 圖 4轉(zhuǎn)矩加突跳控制啟動方式原理圖2.3 軟啟動器的四種運行狀態(tài)軟啟動器有 4 種運行狀態(tài)：(1) 跨越運行模式 晶閘管處于全導(dǎo)通狀態(tài)，電動機工作于全壓方式，電壓諧波分量可以完全

15、忽略，這種方式常用于短時重復(fù)工作的電動機。(2) 接觸器旁路工作模式 在電動機達到滿速運行時，用旁路接觸器來取代已完成啟動任務(wù)的軟啟動器，這樣可以降低晶閘管的熱損耗，提高系統(tǒng)的效率。這種工作模式下，有可能用一臺軟啟動器去啟動多臺電動機。(3) 節(jié)能運行模式 當電動機負荷較輕時，軟啟動器自動降低施加于電動機定子上的電壓，減少電動機勵磁分量，從而提高了電動機的功率因數(shù)。(4) 調(diào)壓調(diào)速模式 軟啟動器既然是用晶閘管凋原理來實現(xiàn)，它就可以進行調(diào)壓調(diào)速運行，由于電動機轉(zhuǎn)子內(nèi)阻很小，要得到大范圍的調(diào)速，就需在電動機轉(zhuǎn)子中串入適當?shù)碾娮?。2.4 軟啟動器的四種停機方式軟啟動器有 4 種停機方式可供選擇：(

16、1) 自由停車 直接切斷電源，電機自由停車。(2) 軟停機 在有些場合，并不希望電動突然停止，如皮帶運輸機、升降機等，采用軟停機方式，在接收停機信號后，電動機端電壓逐漸減小。轉(zhuǎn)速下降斜破時間可調(diào)。(3) 泵停機或非線性軟制動 它適用于慣性力矩較小的泵的驅(qū)動。泵停機功能是將離心泵的特性曲線事先存儲在設(shè)備中，軟啟動器在啟動和停止電機的過程中，實時檢測電動機的負載電流，因此可根據(jù)泵的負載狀況及速度調(diào)節(jié)其輸出電壓，使軟啟動器的輸出轉(zhuǎn)矩我與泵的我曲線最佳配合，從而消除“水錘效應(yīng)” 。(4) 直接制動 可以向電動機輸入直流電流，從而加快制動，直流制動時間可在099s 間選擇。主要使用于慣性力矩大的負載或需

17、快速停機的場合。2.5 軟啟動器的接線方案軟啟動器的接線方案主要有帶旁路接觸器和不帶旁路接觸器 2 種：(1) 不帶旁路接觸器接線方案 籠型異步電動機是感性負載，運行中，定子電流滯后于電壓。若電動機工作電壓不變，電動機處于輕載時，功率因數(shù)低：電動機處于重載時，功率因數(shù)高。軟啟動器能在輕載時通過降低電動機端電壓，提高功率因數(shù)，減少電動機的銅耗、鐵耗，達到輕載節(jié)能的目的；負載重時，則提高端電壓，確保電動機正常運行。因此，對可變工況負載，電動機長期處于輕載運行，只有短時或瞬時處于重載的場合，應(yīng)采用不帶旁路接觸器的接線方案。(2) 帶旁路接觸器接線方案 對于電動機負載長期大于 40%的場合，應(yīng)采用帶旁

18、路接觸器的接線方案。這樣可以延長軟啟動器的壽命，避免對電網(wǎng)的諧波污染，還能減少軟啟動器的晶閘管熱損耗。3 軟啟動器硬件電路設(shè)計3.1 軟啟動器硬件電路總體框圖三相異步電動機軟起動控制系統(tǒng)在硬件方面可以分為兩個部分，即主電路和控制電路。主電路包括三相電源、三相反并聯(lián)的晶閘管、三相異步電動機。在主電路中，晶閘管的容量要根據(jù)所控制的三相異步電動機的容量選擇，主電路的結(jié)構(gòu)是相同的。而控制的設(shè)計和所要控制的異步電動機的容量無關(guān)，可以設(shè)計成通用型的。控制電路部分一般由電流檢測、晶閘管觸發(fā)驅(qū)動電路、觸發(fā)脈沖同步電路、相序檢測電路、保護電路及 cpu 等組成。該系統(tǒng)的總體框圖如圖 5。3.2 軟啟動器主電路的

19、設(shè)計3.2.1 軟啟動器主電路的設(shè)計主電路部分結(jié)構(gòu)比較簡單，主要采用晶閘管調(diào)壓原理完成軟啟動器的各項功能。三相異步電動機的晶閘管調(diào)壓系統(tǒng)主回路的接法有多種，最常用的控制方案是將六個反并聯(lián)的晶閘管分別串接在電動機的三相線圈上，這種連接方法由于各相波形對稱，輸出電壓不含偶次諧波，諧波比較少，因此功率可以做的較大，調(diào)速性能也比較優(yōu)越。本系統(tǒng)采用這種典型的調(diào)壓電路，控制系統(tǒng)主回路電路圖如圖 6。異步電動機晶閘管同步信號觸發(fā)電路電流檢測電壓檢測保護電路轉(zhuǎn)速檢測相序檢測功率因數(shù)檢測8051單片機鍵盤電路lcd顯示圖 5 軟啟動器硬件總體框圖abcm3uvw圖 6 軟啟動器主回路圖3.2.2 電路元件參數(shù)的

20、選擇晶閘管參數(shù)的選擇主要考慮其電流容量和耐壓11:(1) 晶閘管電流容量（通態(tài)平均電流）的選擇)(avti是在環(huán)境溫度為和規(guī)定的冷卻條件下，帶電阻負載的單相工頻正弦半波)(avti40電路中，管子全導(dǎo)通(導(dǎo)通角不小于)而穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定值時所允許的最大170平均電流。按照標準，取其整數(shù)作為該器件的額定電流。根據(jù)實際電路考慮在軟起動器工作時，晶閘管通態(tài)平均電流的選擇應(yīng)根據(jù)電動機的起動電流來選取。若設(shè)限制起動電流倍數(shù)為 k 電動機額定電流為定值，同時考慮到波形系統(tǒng)和留有一定的裕量，fk則晶閘管的通態(tài)平均電流為：)(avti （1）ntiki)225. 1 (2) 晶閘管耐壓選擇精確設(shè)計晶閘管的耐

21、壓值比較困難，這是因為它不僅和回路的接法有關(guān)，同時還與電動機的容量、激磁電流等數(shù)值有關(guān)，為了安全起見，額定電壓必須使用時的正常工作電壓峰值有 23 倍的裕量，在考慮有過電壓吸收回路的情況下，所選用的晶閘管額定電壓為 （2）2202)32(nu在選擇雙向反并聯(lián)的晶閘管時，應(yīng)仔細考慮其參數(shù)的選擇。同時由于雙向反并聯(lián)晶閘管多用于交流電路，因而通態(tài)時額定電流是指有效值電流，也就是說在選擇晶閘管時要加大安全裕量，此外為了使晶閘管能夠正常工作而不受損壞，還必須對過電壓、過電流以及過高的電流引起的器件或電動機溫升等進行適當?shù)谋Ｗo和抑制1。3.3 軟啟動器控制電路的設(shè)計3.3.1 軟啟動器電機線電壓檢測電路設(shè)

22、計三相異步電動機定子側(cè)的相電壓、相(線)電流是分析異步電動機的兩個重要參數(shù)，電子軟起動器通過緩慢調(diào)節(jié)定子側(cè)的相電壓，使得定子側(cè)電流在一定范圍內(nèi)緩慢上升并最終達到額定狀態(tài)，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與定子側(cè)相電壓的平方成正比，而定子側(cè)相電流反映了電機及電網(wǎng)所承受的沖擊程度，在提高電機電磁轉(zhuǎn)矩的同時盡可能減小定子電流，是軟起動器設(shè)計的首要目標。在下圖的電壓檢測電路中，電網(wǎng)電壓經(jīng)電壓互感器緩沖轉(zhuǎn)換成同比例的 0-10v 電壓，再經(jīng)有效值電路轉(zhuǎn)換為相對應(yīng)的有效直流分量0-200mv,最后經(jīng) a/d 轉(zhuǎn)換器以數(shù)字信號的形式送到單片機處理顯示。軟啟動器電機線電壓檢測電路如圖 7。tr1trsat2p2sr1410k

23、r1510k111013312u2:dlm339r1610kc410ufr1710kr1810kd4diodec510ufc61nfc71nfd5dioded6dioder1910kr20r2110krv1res-varc81nf圖 7 軟啟動器電機線電壓檢測電路3.3.2 軟啟動器晶閘管觸發(fā)驅(qū)動電路設(shè)計晶閘管驅(qū)動電路的功能是將控制器送來的控制信號轉(zhuǎn)化成為滿足晶閘管所需要的觸發(fā)信號。軟啟動器晶閘管觸發(fā)驅(qū)動電路如圖 8。晶閘管對門極觸發(fā)電路產(chǎn)生的脈沖應(yīng)能滿足一些基本要求:(1) 觸發(fā)信號可以是交流、直流或脈沖，但觸發(fā)信號只能在它使控制極為正、陰極為負時起作用。由于晶閘管在觸發(fā)導(dǎo)通后控制極就失去控

24、制作用，為了減少控制極損耗，故一般觸發(fā)信號常采用脈沖形式。使用脈沖信號，不僅便于控制脈沖出現(xiàn)時刻，降低晶閘管門極功耗；還可通過變壓器的雙繞組或多繞組輸出，實現(xiàn)信號間的絕緣隔離和同步傳輸。(2) 觸發(fā)脈沖必須有足夠的電壓和電流。晶閘管屬于電流控制器件，為保證足夠的觸發(fā)電流，考慮裕量，一般可取兩倍左右門極觸發(fā)電流。(3) 觸發(fā)脈沖寬度應(yīng)要求觸發(fā)脈沖消失前陽極電流已大于掣住電流，以保證晶閘管的導(dǎo)通。對于單相電阻負載，由于一般晶閘管開通時間為 6us，應(yīng)要求脈寬大于10us，最好有 2050us。電感性負載脈寬不應(yīng)小于 100us，與負載功率因數(shù)有關(guān)，一般用到 1ms，相當于 50hz 正弦波 18。

25、(4) 觸發(fā)脈沖與主回路電源電壓必須同步并有一定的移相范圍。為了使晶閘管在每一周波都能重復(fù)在相同的相位上觸發(fā)，觸發(fā)脈沖與主回路電源電壓必須保持某種固定相位關(guān)系。同時，觸發(fā)延遲角應(yīng)能根據(jù)控制信號的要求改變，即控制角應(yīng)有一定的移相范圍1。3.3.3 軟啟動器晶閘管導(dǎo)通角檢測電路設(shè)計在 3.3.9 中電機的功率因數(shù)是根據(jù)線電壓和線電流進行計算的，另一種方法就是利用硬件電路測出晶閘管的導(dǎo)通角,再利用晶閘管的導(dǎo)通角計算出電機的功率因數(shù)，其中功率因數(shù)角的計算方法是，cos便是電機的功率因數(shù)。晶閘管導(dǎo)通角檢測電路如圖 9。65412u2optocoupler-npnr410ktr2tran-2p2sr510

26、kd3diodeq1npnr610kr710kd4dioded5dioder810kg1-g6k1-k6圖 8 軟起動器觸發(fā)驅(qū)動電路c11nfc21nfd1dioded2dioded3dioded4diodec31nfr110k65412u1optocoupler-npnr210kr310kr410kc41nf 圖 9 晶閘管導(dǎo)通角檢測電路3.3.4 軟啟動器同步電路設(shè)計要使三相交流調(diào)壓主回路各個晶閘管的觸發(fā)脈沖與其陽極電壓保持嚴格的同步相位關(guān)系，軟起動器必須在一個電壓周期內(nèi)控制晶閘管的導(dǎo)通，通過確定電壓波形的過零點，延時一段時間輸出觸發(fā)信號來控制其導(dǎo)通角，故在系統(tǒng)中必須設(shè)置同步電路。在本設(shè)計

27、中，對于主回路中的晶閘管導(dǎo)通控制的同步信號采用 1 個同步變壓器，輸出電壓經(jīng)過過零比較器 lm339 后得到同步方波信號，方波跳變點對應(yīng)于自然換流點。同步信號檢測電路圖如圖 10。3.3.5 軟啟動器電機轉(zhuǎn)速檢測電路設(shè)計電機轉(zhuǎn)速的檢測通過安裝在異步電動機轉(zhuǎn)子處霍爾元件產(chǎn)生的霍爾脈沖信號進行檢測，霍爾元件和磁鐵，即可構(gòu)成基于磁電轉(zhuǎn)換技術(shù)的傳感器，安裝于異步電動機轉(zhuǎn)子上的永磁鐵隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，經(jīng)過霍爾元件一次，可在信號端產(chǎn)生一個計量脈沖，單片機通過在一定時間內(nèi)對霍爾脈沖次數(shù)的采集來得到異步電動機的轉(zhuǎn)速6。轉(zhuǎn)速檢測的原理圖如圖 11。tr1tran-2p2sr115kr215kd1dioded2diod

28、e761312u1:alm339r32kc11000pfc20.01f圖 10 同步信號檢測電路圖ip+4ip-5viout3vcc1gnd2u3acs755xcb-050542312u2:blm339r510kr610kc210ufr710kd3dioder810kr910k9814312u2:clm339c310ufr1010kr1110kr1210kr1310k圖 11 軟啟動器電機轉(zhuǎn)速檢測電路3.3.6 軟啟動器相序檢測電路設(shè)計軟起動裝置中不可缺少相序檢測的功能。應(yīng)用微機控制的軟起動裝置，同步信號通常只有一路，其它脈沖信號都以此信號為基準，因此只有確定相序，才能正確地發(fā)出脈沖來控制晶閘

29、管的導(dǎo)通順序，起到相序自適應(yīng)的作用。下圖是相序檢測電路。在電路中先將三相電源電壓分壓，經(jīng) rc 濾波后送到差動過零比較器 lm339，過零比較器將經(jīng)過分壓的三相正弦波整形成三相方波信號，經(jīng)過光耦合隔離后送到單片機入口。整形后的方波送入單片機的三個入口，直接循環(huán)采樣相應(yīng)接口的狀態(tài)檢測三相電源電壓的相序和相位。若檢測到的數(shù)據(jù)順序為 1-2-3-4-5-6，同為下相序，若檢測到的數(shù)據(jù)順序 1-6-5-4-3-2，則為負相序。軟啟動器相序檢測電路如圖 12。3.3.7 軟啟動器保護電路的設(shè)計(1) 三相異步電動機普遍運行在惡劣的工業(yè)環(huán)境中，由于環(huán)境溫度、負載過大、電動機老化、電網(wǎng)波動等因素在成電動機損

30、壞。本系統(tǒng)通過控制繼電器，進而控制接觸器動作來對電動機提供過壓、欠壓、過流、缺相、掉相等電氣保護，防止電動機因為過熱而燒毀。保護電路的原理圖如圖所示，通過二極管 d2、d5、d8 取得三相電中電壓最高的一相，通過二極管 d3、d6、d9 取得三相電中電壓最低的一相，當電網(wǎng)電壓出現(xiàn)故障時，電壓比較器 ici 輸出高電平，經(jīng)過 rp2 和 c9 組成的延時電路延時一小段時間后再經(jīng)過比較器 ic2 控制繼電器 j，進而控制交流接觸器，切斷電網(wǎng)，保護電動機。(2) 同時由于在單片機對電動機定子側(cè)線電壓、線電流采樣的過程中，ad 轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)需要耗費一定的時間，此后單片機才能做出相應(yīng)動作，不能保

31、證系統(tǒng)的實時性，軟起動器在初始設(shè)定時會要求用戶輸入系統(tǒng)過流值，根據(jù)不同的電機容量輸入的過流值不同，但是為防止用戶的操作失誤，過流保護硬件電路是必不可少的。在系統(tǒng)出現(xiàn)異常導(dǎo)致主回路電流急劇增加的情況下，系統(tǒng)能夠立即采取動作，為此設(shè)計了反應(yīng)迅速、無軟件延遲的過流保護硬件電路6。軟啟動器相序檢測電路如圖 13。r110kr210kr310kr410kr510kr610kr710kr810kr910k761312u1:alm339c11nf1264u2moc3052r1010kr1110kr1210k542312u1:blm3399814312u1:clm339c21nfc31nfc41nf1264u

32、3moc30521264u4moc3052r1310kr1410kr1510kabc圖 12 軟啟動器相序檢測電路tr1tran-2p2sd2diodec11nfc210ufd1dioded3diodetr2tran-2p2sd4diodec31nfc410ufd5dioded6diodetr3tran-2p2sd7diodec51nfc610ufd8dioded9dioderv1rp1r110kd10diode-scc71nfc810uf761312u1:alm339r3res-varr210krp2res-var542312u1:blm339rp3res-varr310kr410kc91n

33、fr510kq12n2369jabc圖 13 三相異步電動機缺相、掉相、三相不平衡保護電路3.3.8 軟啟動器電流檢測電路設(shè)計異步電動機起動時，若起動電流太大，則對電網(wǎng)沖擊大；若起動電流過小，則起動時間長。因此，在起動過程中，需要限流調(diào)節(jié)和過流保護。而且，在有的場合，希望能控制電動機恒流起動。所以在軟起動控制器中，應(yīng)有電流檢測環(huán)節(jié)。電流檢測的方法多種多樣，用電流互感器測得交流電流值，含有脈動成分，可采用硬件或軟件的方法減小脈動的影響。硬件實現(xiàn)可利用整流濾波電路。軟件實現(xiàn)一般采用平均值濾波法即讓采樣周期 t 與電源的頻率保持嚴格的比例關(guān)系，在工頻周期內(nèi)進行累加求積分而濾除交流成分。其電流檢測原理

34、電路圖 15 所示。電機定子側(cè)接入霍爾電流互感器acs755，霍爾元件檢測定子側(cè)兩相電流，定子側(cè)第三相電流用軟件來實現(xiàn)，以減少硬件系統(tǒng)的外圍電路，最后輸入 a/d 的轉(zhuǎn)換器。a/d 將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)值輸入單片機，由軟件比較檢測電流與給定電流的差值，按照 pid 調(diào)節(jié)算法完成限流調(diào)節(jié)和過流保護1。軟啟動器電流檢測電路如圖 14。ip+4ip-5viout3vcc1gnd2u1acs755xcb-050r1761312u2:alm339r2r3d1dioded2dioder4c1圖 14 軟啟動器電流檢測電路3.3.9 軟啟動器電機功率因數(shù)檢測電路設(shè)計功率因數(shù)角的定義:在正弦電壓作用下，負載的功率因

35、數(shù)角等于電壓與電流的相位差。由于晶閘管調(diào)壓電路的工作特點是對正弦電壓進行斬波。這決定了晶閘管的輸出電壓，即負載獲得的電壓是非正弦的，電流也是非正弦的，此時按定義測功率角已無實際意義。從對晶閘管導(dǎo)通狀況的影響方面看，控制系統(tǒng)真正需要的是負載的續(xù)流角度，有的文獻稱其為可測功率因數(shù)角。電機功率因數(shù)是對電機節(jié)能控制的重要指標，功率因數(shù)低時說明電動機為輕載運行，通過降低電動機的端電壓或在三相電的線電壓之間投放電容可以提高功率因數(shù)，實現(xiàn)節(jié)電效果。交流異步電動機的功率因數(shù)基本是和它的負載率成一一對應(yīng)關(guān)系，適當調(diào)整功率因數(shù)，使其隨負載的變化而變化，可以提高異步電機的節(jié)電率。功率因數(shù)檢測電路主要完成異步電動機定

36、子側(cè)相電流、相電壓過零點的檢測，單片機通過計算它們過零點的時間差，計算出電機的功率因數(shù)值。三相異步電動機為感性負載，因此定子側(cè)相電流滯后相電壓一個角度，即電壓與電流過零點相差的延遲角，該角度的余弦值即為功率因數(shù)。對于晶閘管移相調(diào)壓方式起動，由于電動機定子加載的線電壓和電流己不是正弦波，因此此種方式下將檢測起動后加載在電動機上的電網(wǎng)電壓。通過電壓、電流互感器將定子側(cè)相電壓、相電流同比例縮小為可處理的交流電壓弱信號，其次利用比較器將線電壓、線電流對應(yīng)的弱信號分別與一個設(shè)定的很小的基準電壓進行比較，轉(zhuǎn)換成兩路矩形波送入單片機的 into、inti 口，利用單片機定時器功能即可測定出電機的功率因數(shù)6。

37、功率因數(shù)檢測電路原理圖如圖 15。r110kr210kc11nfr310k321411u1:alm324r410kr510kr610k567411u1:blm324r710kr810kr910kc21nfr1010kr1110kr1210k來來自自電電壓壓檢檢測測電電路路來來自自電電流流檢檢測測電電路路至至單單片片機機io口口至至單單片片機機io口口圖 15 軟啟動器電機功因數(shù)檢測電路3.3.10 軟啟動器鍵盤及 lcd 顯示電路的設(shè)計鍵盤接口按不同標準可有不同分類方法，按鍵盤排布方式可分為獨立方式和行列方式。按讀入鍵值的方式可分為直讀方式和掃描方式;按是否進行硬件編碼可分成非編碼方式和硬件編

38、碼方式；按 cpu 響應(yīng)方式可分成中斷方式和查詢方式。將以上各種方式組合可構(gòu)成很多不同的鍵盤接口方式。鍵盤接口采用獨立方式的鍵盤接口，采用查詢的方式進行工作。根據(jù)需要可設(shè)計起動鍵、停機鍵、增一鍵、減一鍵、設(shè)定鍵等。顯示電路部分采用顯示器件 lm016l，其核心組成部分為 hd44780，基于hd44780 的字符型液晶顯示模塊是一種常用的液晶顯示器件，主控制驅(qū)動電路為hd44780（hitachi） ，其他一些公司的電路與之全兼容。由其控制的液晶顯示器可以提供若干個 57 或 510 點陣塊組成的顯示字符群，每個點陣塊為一個字符位，字符間距和行距都為一個點的寬度，具有 64 b 的自定義字符

39、ram，可自定義 8 個 58 點陣字符或 4 個 511 點陣字符?？梢蕴峁?81404（字符數(shù)行數(shù)）各種顯示屏規(guī)格，廣泛應(yīng)用于智能儀表、通訊、辦公自動化及軍工等領(lǐng)域。其按鍵及顯示電路如圖 16。xtal218xtal119ale30ea31psen29rst9p0.0/ad039p0.1/ad138p0.2/ad237p0.3/ad336p0.4/ad435p0.5/ad534p0.6/ad633p0.7/ad732p2.7/a1528p2.0/a821p2.1/a922p2.2/a1023p2.3/a1124p2.4/a1225p2.5/a1326p2.6/a1427p1.01p1.12

40、p1.23p1.34p1.45p1.56p1.67p1.78p3.0/rxd10p3.1/txd11p3.2/int012p3.3/int113p3.4/t014p3.7/rd17p3.6/wr16p3.5/t115u180c51c11nfc21nfx1crystald714d613d512d411d310d29d18d07e6rw5rs4vss1vdd2vee3lcd1lm016l234567891rp1respack-8開開始始停停止止增增減減設(shè)設(shè)置置編編程程復(fù)復(fù)位位取取消消圖 16 軟啟動器鍵盤及 lcd 顯示電路4 軟啟動器軟件設(shè)計軟啟動器系統(tǒng)的軟件控制著內(nèi)核微處理器單片機的動作，其中

41、中斷比較多，軟件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故采用模塊化設(shè)計。程序模塊包換：系統(tǒng)初始化程序模塊、斜坡電壓電起動程序模塊、電壓檢測程序模塊、電流檢測程序模塊、功率因數(shù)計算模塊、保護電路程序模塊、鍵盤掃描程序模塊、lcd 顯示程序模塊、同步電路程序模塊、晶閘管觸發(fā)驅(qū)動電路、電機轉(zhuǎn)速檢測程序模塊等。電動機軟起動器控制程序的設(shè)計應(yīng)考慮以下問題:(l) 鍵盤掃描、外部輸入信號的識別和電源、故障和起動完成后的指示；(2) 主回路電流的采樣，數(shù)字濾波；(3) 脈沖觸發(fā)的產(chǎn)生和控制；(4) 數(shù)據(jù)處理，包括定點數(shù)和浮點數(shù)的轉(zhuǎn)換、加、減、乘、除等；(5) 故障報警和處理；(6) 顯示電路顯示系統(tǒng)信息4.1 系統(tǒng)主程序流程圖在主程序

42、中首先要檢測三相電源的同步信號，根據(jù)同步信號判斷電機是否缺相、掉相、三相不平衡等，如發(fā)現(xiàn)故障，將故障信息送到單片機并使 lcd 顯示故障系統(tǒng)停機；若無故障，當控制系統(tǒng)的開始按鍵按下時，設(shè)立允許觸發(fā)晶閘管的標志，為相關(guān)的中斷程序提供狀態(tài)信息；通過檢測停止按鍵是否按下，決定程序是否斷續(xù)運行或重新開始，并設(shè)立相關(guān)的狀態(tài)標志4。系統(tǒng)初始化內(nèi)容包括：(1) 將工作內(nèi)存初始化清零；(2) 設(shè)置中斷屏敝控制字；(3) i/o 口初始化；(4) 初始化顯示部分；異步電機軟啟動器控制系統(tǒng)的主程序原理圖如圖 17。開機程序初始化運行開關(guān)開關(guān)寄存器初始化故障檢測故障顯示是檢測初始設(shè)定值啟動？否否開中斷調(diào)用相關(guān)子程序

43、是檢測電機各相數(shù)據(jù)輸出電機信息有按鍵按下？編程/停止停機圖 17 系統(tǒng)主程序流程圖4.2 軟啟動器晶閘管觸發(fā)脈沖產(chǎn)生程序設(shè)計用單片機產(chǎn)生晶閘管觸發(fā)脈沖后經(jīng)晶閘管驅(qū)動電路，當驅(qū)動電流達到晶閘管驅(qū)動電流后，晶閘管開通。依照三相橋式全控整流電路晶閘管導(dǎo)通的時序要求，輸出觸發(fā)脈沖分為 3 種情況:(1) 當移相觸發(fā)延遲角，此時以 a 相同步信號為基準，并按延遲角時間定60時實現(xiàn)的第一個脈沖輸出，應(yīng)該是 a 相 vt1 晶閘管的觸發(fā)信號，觸發(fā)延遲時間和觸發(fā)脈沖的時序無需調(diào)整，之后每隔時間依次輸出 vt2、vt3、vt4、vt5、vt6 晶閘60管的觸發(fā)信號。(2) 當移相觸發(fā)延遲角時， 為保證觸發(fā)脈沖不

44、遺漏，應(yīng)將觸發(fā)延遲12060角的定時時間調(diào)整在時間之內(nèi)， 即減去一個 60時間。同時輸出觸發(fā)脈沖的時序60也要進行調(diào)整，此時第一個輸出觸發(fā)脈沖信號應(yīng)該是 b 相，vt6 晶閘管的觸發(fā)信號，之后每隔時間依次輸出 vt1、vt2、vt3、vt4、vt5 晶閘管的觸發(fā)信號。60(3) 當移相觸發(fā)延遲角時，要將觸發(fā)延遲角的定時時間調(diào)整在時間內(nèi)，從120而保證觸發(fā)脈沖不遺漏，則需減去一個時間，并且對觸發(fā)脈沖時序進行相應(yīng)調(diào)整，120此時第一個輸出觸發(fā)脈沖信號應(yīng)該是 c 相 vt5 晶閘管的觸發(fā)信號，之后每隔時間60依次輸出 vt5、vt6、vt1、vt2、vt3、vt4 晶閘管的觸發(fā)信號。單片機產(chǎn)生晶閘管

45、觸發(fā)脈沖程序流程圖流程圖9如圖 18。主程序初始化并設(shè)置初值電角度時間關(guān)定時器計算同步信號周期和60依次發(fā)觸發(fā)脈沖信號g1,g2,g3,g4,g5,g6？延遲角12060延遲角讀入觸發(fā)延遲指令。依次發(fā)觸發(fā)脈沖信號g5,g6g1,g2,g3,g4,依次發(fā)觸發(fā)脈沖信號g6,g1,g2,g3,g4,g5,ynyn看門狗信號處理圖 18 晶閘管觸發(fā)脈沖程序流程4.3 軟啟動器觸發(fā)脈沖延時程序設(shè)計在捕捉到同步信號，經(jīng)過延時計算得到晶閘管 vt1 的觸發(fā)子程序。為了保證第一個時刻都至少有兩相導(dǎo)通，除了 vt1 外，還需要補發(fā)脈沖來保證至少兩相導(dǎo)通，且要有正、反相的導(dǎo)通來構(gòu)成回路。由交流調(diào)壓電路工作狀態(tài)知識

46、知，交流調(diào)壓電路工作模式會出現(xiàn)三相或者兩相導(dǎo)通以及不導(dǎo)通的情況，這就需要知道何時補發(fā)脈沖以及補發(fā)脈沖的個數(shù)，給程序設(shè)計帶來了難度。經(jīng)分析，補發(fā)晶閘管的觸發(fā)脈沖，可以按照都是三相導(dǎo)通情況來設(shè)計而不會影響到電路的正常工作，簡化了程序的設(shè)計1012。4.3.1 對晶閘管門極觸發(fā)的要求對晶閘管門極觸發(fā)的要求一般應(yīng)滿足：(1) 觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的功率，觸發(fā)脈沖的電壓、電流應(yīng)大于晶閘管要求的數(shù)值，并留有一定的余量；(2) 觸發(fā)脈沖的相位應(yīng)在規(guī)定范圍內(nèi)移動；(3) 觸發(fā)脈沖與晶閘管主電路電源必須同步、同頻，且具有固定的相位關(guān)系，使第一周期能在同樣的相位上觸發(fā)；(4) 觸發(fā)波形一定要滿足要求，對感性負載，一般

47、大于 50hz 的。18雖然同步信號捕捉的是兩相電壓的自然換相點，但各相電壓由負變正的過零點是三相三線交流調(diào)壓電路的門極起始控制點（即0 的點）觸發(fā)相位自 vt1vt6 依次滯后。當改變時，電路有三類不同的工作狀態(tài)，理論上移相范圍為 0，60179由于異步電動機是感性負載，設(shè)其續(xù)流角。當時，負載電流連續(xù)，晶閘管失去調(diào)壓作用。再考慮觸發(fā)波形的要求，移相范圍應(yīng)滿足。1504.3.2 觸發(fā)脈沖延時觸發(fā)的次序在軟啟動器主回路中，發(fā)現(xiàn)需要對六只晶閘管通過延時循環(huán)導(dǎo)通。延時部分利用定時器中斷實現(xiàn)，延時觸發(fā)角中斷程序如下圖所示。由于系統(tǒng)設(shè)計中采用一個 i/o 為口控制兩個晶閘管的觸發(fā)信號，即一路觸發(fā)脈沖控制

48、在一相上的兩個晶閘管。從主回路圖中可以看出 vt1 與 vt4 同相，vt3 與 vt6 同相，vt5 與 vt2 同相。所以在程序中在觸發(fā)完 vt3 后，只要將之前觸發(fā) vt1、vt2、vt3 的程序循環(huán)一次就可以了7。軟啟動器觸發(fā)脈沖延時觸發(fā)次序流程圖如圖 19。4.4 軟啟動器電壓斜坡啟動程序設(shè)計電壓斜坡起動控制方式是在起動過程中，控制晶閘管導(dǎo)通角，使電機端電壓從初始電壓（由用戶設(shè)置）開始平滑無級上升至電源電壓，其起動方式的數(shù)學模型為：)(maxminiiuuk式中第 i 次觸發(fā)角；i 最小觸發(fā)角；min 電源相電壓，=220v；maxumaxu 斜坡上升的電壓值。iu該公式顯示是晶閘管

49、輸出電壓從初始電壓經(jīng)過一次斜坡后達到全壓，電機沖擊仍是很大。系統(tǒng)中分成三段斜坡實現(xiàn)，每段斜坡斜率不同，且每段起動時間可控，經(jīng)過系統(tǒng)優(yōu)化，最終電機起動平穩(wěn)，效果顯著814。電壓斜坡起動的流程圖如圖 20。 延時觸發(fā)中斷發(fā)出vt1觸發(fā)信號，同時補發(fā)vt6觸發(fā)信號中斷返回延時60度發(fā)出vt2觸發(fā)信號，同時補發(fā)vt1觸發(fā)信號延時60度發(fā)出vt6觸發(fā)信號，同時補發(fā)vt5觸發(fā)信號延時60度發(fā)出vt5觸發(fā)信號，同時補發(fā)vt4觸發(fā)信號延時60度發(fā)出vt4觸發(fā)信號，同時補發(fā)vt3觸發(fā)信號延時60度發(fā)出vt3觸發(fā)信號，同時補發(fā)vt2觸發(fā)信號開始第一段斜坡達到接近全壓第三段斜坡第二段斜坡起動結(jié)束 圖 19 觸發(fā)脈沖

50、延時觸發(fā)的次序流程圖 圖 20 軟啟動器電壓斜坡啟動程序流程圖4.5 軟啟動相序檢測程序設(shè)計相序檢測能過對單片機 i/o 口的循環(huán)檢測數(shù)據(jù)順序來判斷相序的是否正確。檢測i/o 口數(shù)據(jù)并與預(yù)期值進行比較，如相符，則相序正確，執(zhí)行后續(xù)程序，如不符，則重復(fù)檢測數(shù)次，如仍不相符，則不執(zhí)行后續(xù)程序，同時顯示部分顯示相序信息。相序檢測程序流程如圖 21。4.6 軟啟動器同步信號程序設(shè)計系統(tǒng)中同步信號采集采用外部中斷控制的方式，來提高系統(tǒng)的實時性能。觸發(fā)模塊與電源周期的同步在脈沖的產(chǎn)生中有著非常重要的作用，只有正確的同步信號才能保證可靠、有效的觸發(fā)晶閘管，從而保證軟起動的順利完成。流程圖中的相應(yīng)控制子程序主

51、要是通過定時器延時控制得到不同的觸發(fā)角相應(yīng)的觸發(fā)脈沖，這些控制子程序根據(jù)不同的起動方式而不同。同步信號程序流程如圖 22。 開始初始化有關(guān)寄存器采樣i/o口等于預(yù)期值？出錯標志加2無效標志位置出錯標志減1返回i/o口等于采樣值？循環(huán)次數(shù)到？大于預(yù)期值？出錯標志為0？故障是否是是是調(diào)用子程序中斷初始化啟動延時中斷中斷返回圖 21 軟啟動相序檢測程序 圖 22 軟啟動器同步信號程序流程圖 4.7 軟啟動器鍵盤程序設(shè)計鍵盤部分是按照獨立式鍵盤接口方式，軟件設(shè)計為掃描方式。按鍵程序中加入延時消抖程序，以防止外部干擾對系統(tǒng)的影響。鍵盤處理模塊的主要功能和程序流程圖如圖 23。4.8 軟啟動器 lcd 顯示程序設(shè)計液晶顯示部分采用 lm0616l，它總共包括 14 個端口。其端口分配如下：vss：電源地 。vcc：電源(+5v)。 vee：對比調(diào)整電壓。rs：0=輸入指令 1=輸入數(shù)據(jù)。r/w：0=向 lcd 寫入指令或數(shù)據(jù) 1=從 lcd 讀取信息。e：使能信號，1 時讀取信息, 10(下降沿)執(zhí)行指令 。d0d7 為七個輸入輸出數(shù)據(jù)線。液晶顯示程序流程圖714如圖 24 。 開機判斷那個鍵按下判斷系統(tǒng)什么狀態(tài)