.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Design of Sotf-starter in Three-phase Asynchronous MotorElectrical 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 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 reduce 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目录1 前言11.1 三相异步电动机软启动器的国内外研究现状11.2 本文主要内容12 软启动器原理22.1 软启动器及其工作原理22.2 软启动器启动方式22.4 软启动器的四种停机方式42.5 软启动器的接线方案43 软启动器硬件电路设计43.1 软启动器硬件电路总体框图43.2 软启动器主电路的设计53.2.1 软启动器主电路的设计53.2.2 电路元件参数的选择53.3 软启动器控制电路的设计63.3.1 软启动器电机线电压检测电路设计63.3.2 软启动器晶闸管触发驱动电路设计73.3.3 软启动器晶闸管导通角检测电路设计73.3.4 软启动器同步电路设计83.3.5 软启动器电机转速检测电路设计83.3.6 软启动器相序检测电路设计93.3.7 软启动器保护电路的设计103.3.8 软启动器电流检测电路设计113.3.9 软启动器电机功率因数检测电路设计123.3.10 软启动器键盘及LCD显示电路的设计124 软启动器软件设计134.1 系统主程序流程图144.2 软启动器晶闸管触发脉冲产生程序设计144.3 软启动器触发脉冲延时程序设计164.3.1 对晶闸管门极触发的要求164.3.2 触发脉冲延时触发的次序164.4 软启动器电压斜坡启动程序设计164.5 软启动相序检测程序设计174.6 软启动器同步信号程序设计174.7 软启动器键盘程序设计184.8 软启动器LCD显示程序设计18结束语19参考文献20致谢20.1 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3152000KW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 公司及欧洲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：SIRIUS 3RW30/31 适用于55KW以下电机，SIKOSTART 3RW22 适用于710KW 以下电机，SIKOSTART 2RW34 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4050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 软启动器及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及提高其工作效率。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。初始电压及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02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及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099S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