1、三相異步電動機軟啟動器的設計三相異步電動機軟啟動器的設計摘要介紹了以 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。控制電路利用晶閘管的導通角計算電機的功率因數；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脈沖，通過對電機起動過程中的品閘管觸發脈沖的控制，實現電機的平滑起動，減少了電機對電網的沖擊，起到了節能作用。該系統能夠設置電機的起動參數，自動診斷故障，控制系統智能化。關鍵詞軟啟動器；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

5、外研究現狀 .11.2 本文主要內容 .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計 .53.2.1 軟啟動器主電路的設計.53.2.2 電路元件參數的選擇.53.3 軟啟動器控制電路的設計 .63.3.1 軟啟動器電機線電壓檢測電路設計.63.3.2 軟啟動器晶閘管觸發驅動電路設計.73.3.3 軟啟動器晶閘管導通角檢測電路設計.73.3.4 軟啟動器同步電路設計.83.3.5 軟啟動器

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

7、計 .174.7 軟啟動器鍵盤程序設計 .184.8 軟啟動器 lcd 顯示程序設計 .18結束語 .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外研究現狀電力電子軟起動的出現是隨著晶閘管的出現而發展起來的，最早采用晶閘管三相交流調壓電路對電動機的軟起動應用是在 1970 年由英國人發明的，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壓電路進行了廣泛的研究，在工業應用領域得到應用，在某些領域應用顯示出獨特的技術優勢1。90 年代以后，國外一些著名廠商推出了軟起動系列產品，技術已趨于成熟。如美國的 ab 公

8、司生產的 3152000kw 的交流調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品；德國的西門子公司推出一系列產品：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。從軟起動出現在世界，就伴隨著研究軟起動器能否實現節約能源的問題。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能效果的結論，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壓電路的研究已從對控制電壓控制電機電流的開環、閉環方式，發展到通過建立比較準確實用的數學模型，找到適于三相交流調壓電路電機負載的控制方法，從而使三相交流調壓電路電機負載性能更優。1.2 本文主要內容本課題要求以 8051 單片機為控制核心，設計了一個三相異步電動機軟啟動器控制系統，本文介紹了以下主要內容：(1) 三相交流調壓電路采用晶閘管調壓，由單片機控制晶閘管的觸發脈沖；(2) 軟啟動器的啟動方式采用斜坡軟啟動；(3) 設計了同步電路以保證每個晶閘管的觸發脈沖與其陽極電壓保持嚴格的相位關系；(4) 可利用鍵盤實現各類啟動參數的設定、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、電機轉速等運行參數；(6) 能夠對電機啟動過程中過壓、欠壓、過流、缺相、掉相等提供多種保護；(7) 設計了晶閘管驅動電路,保證晶閘管可靠導通。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品，它實現了交流電動機的軟啟動、軟停車、輕載節能和多種保護，其功能完善，性能優越，能夠滿足工業電機控制的需要，是傳統 y/啟動和自耦變壓器啟動控制方式的理想換代產品。軟啟動器采用三相反并聯晶閘管（scr）作為調壓器，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，電動機的轉速逐漸加速，直到晶閘管全部導通，電動機工作在額定電壓的機械特性上，實現平滑啟動，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速時，啟動過程結束。軟啟動器自動用旁路接觸器取代已完成任務的晶閘管，為電動機正常運轉提供額定電壓，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，轉速逐漸下降到零，避免自由停車引起的轉矩沖擊。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，將傳統的有級降壓起動變為無級降壓起動，主要用于重載起動。它的缺點是

12、起動轉矩小，轉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矩所對應的電壓值。然后按設定的速率逐漸升壓，直至達到額定電壓。初始電壓及電壓上升率可根據負載特性調整。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，當電流達到預先所設定的值后保持恒定，直到啟動完畢。啟動過程中，電流上升變化速率是可以根據電動機負載調整設定。電流上升速率大，則啟動轉矩大，啟動時間短。這種啟動方式的優點是起動電流小，且可以按需

13、要調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矩線形上升的規律來控制輸出電壓。它的優點是啟動平滑、柔性好，對拖動系統有利，同時減少對電網沖擊，是最優的重載啟動方式之一，缺點是啟動時間較長。轉距起動方式原理圖如圖 3。(4) 轉矩加突跳控制啟動方式這種啟動與轉矩控制啟動相同，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，然后轉矩平滑上升，縮短啟動時間。轉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 秒內選擇，但是突跳會給電網發送尖脈沖，干擾其他負荷，使用時應特別注意5。轉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轉矩控制啟動方式原理圖 圖 4轉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軟啟動器有 4 種運行狀態：(1) 跨越運行模式 晶閘管處于全導通狀態，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的軟啟動器，這樣可以降低晶閘管的熱損耗，提高系統的效率。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。(4) 調壓調速模式 軟啟動器既然是用晶閘管凋原理來實現，它就可以進行調壓調速運行，由于電動機轉子內阻很小，要得到大范圍的調速，就需在電動機轉子中串入適當的電阻4。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。轉速下降斜破時間可調。(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動。泵停機功能是將離心泵的特性曲線事先存儲在設備中，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，因此可根據泵的負載狀況及速度調節其輸出電壓，使軟啟動器的輸出轉矩我與泵的我曲線最佳配合，從而消除“水錘效應” 。(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，功率因數低：電動機處于重載時，功率因數高。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，減少電動機的銅耗、鐵耗，達到輕載節能的目的；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所控制的三相異步電動機的容量選擇，主電路的結構是相同的。而控制的設計和所要控制的異步電動機的容量無關，可以設計成通用型的。控制電路部分一般由電流檢測、晶閘管觸發驅動電路、觸發脈沖同步電路、相序檢測電路、保護電路及 cpu 等組成。該系統的總體框圖如圖 5。3.2 軟啟動器主電路的

19、設計3.2.1 軟啟動器主電路的設計主電路部分結構比較簡單，主要采用晶閘管調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壓系統主回路的接法有多種，最常用的控制方案是將六個反并聯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，調速性能也比較優越。本系統采用這種典型的調壓電路，控制系統主回路電路圖如圖 6。異步電動機晶閘管同步信號觸發電路電流檢測電壓檢測保護電路轉速檢測相序檢測功率因數檢測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 電路元件參數的

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

21、壓值比較困難，這是因為它不僅和回路的接法有關，同時還與電動機的容量、激磁電流等數值有關，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在選擇雙向反并聯的晶閘管時，應仔細考慮其參數的選擇。同時由于雙向反并聯晶閘管多用于交流電路，因而通態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的保護和抑制1。3.3 軟啟動器控制電路的設計3.3.1 軟啟動器電機線電壓檢測電路設

22、計三相異步電動機定子側的相電壓、相(線)電流是分析異步電動機的兩個重要參數，電子軟起動器通過緩慢調節定子側的相電壓，使得定子側電流在一定范圍內緩慢上升并最終達到額定狀態，電動機的電磁轉矩與定子側相電壓的平方成正比，而定子側相電流反映了電機及電網所承受的沖擊程度，在提高電機電磁轉矩的同時盡可能減小定子電流，是軟起動器設計的首要目標。在下圖的電壓檢測電路中，電網電壓經電壓互感器緩沖轉換成同比例的 0-10v 電壓，再經有效值電路轉換為相對應的有效直流分量0-200mv,最后經 a/d 轉換器以數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驅動電路設計晶閘管驅動電路的功能是將控制器送來的控制信號轉化成為滿足晶閘管所需要的觸發信號。軟啟動器晶閘管觸發驅動電路如圖 8。晶閘管對門極觸發電路產生的脈沖應能滿足一些基本要求:(1) 觸發信號可以是交流、直流或脈沖，但觸發信號只能在它使控制極為正、陰極為負時起作用。由于晶閘管在觸發導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，實現信號間的絕緣隔離和同步傳輸。(2) 觸發脈沖必須有足夠的電壓和電流。晶閘管屬于電流控制器件，為保證足夠的觸發電流，考慮裕量，一般可取兩倍左右門極觸發電流。(3) 觸發脈沖寬度應要求觸發脈沖消失前陽極電流已大于掣住電流，以保證晶閘管的導通。對于單相電阻負載，由于一般晶閘管開通時間為 6us，應要求脈寬大于10us，最好有 2050us。電感性負載脈寬不應小于 100us，與負載功率因數有關，一般用到 1ms，相當于 50hz 正弦波 18。

25、(4) 觸發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在相同的相位上觸發，觸發脈沖與主回路電源電壓必須保持某種固定相位關系。同時，觸發延遲角應能根據控制信號的要求改變，即控制角應有一定的移相范圍1。3.3.3 軟啟動器晶閘管導通角檢測電路設計在 3.3.9 中電機的功率因數是根據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通角,再利用晶閘管的導通角計算出電機的功率因數，其中功率因數角的計算方法是，cos便是電機的功率因數。晶閘管導通角檢測電路如圖 9。65412u2optocoupler-npnr410ktr2tran-2p2sr510

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

27、中，對于主回路中的晶閘管導通控制的同步信號采用 1 個同步變壓器，輸出電壓經過過零比較器 lm339 后得到同步方波信號，方波跳變點對應于自然換流點。同步信號檢測電路圖如圖 10。3.3.5 軟啟動器電機轉速檢測電路設計電機轉速的檢測通過安裝在異步電動機轉子處霍爾元件產生的霍爾脈沖信號進行檢測，霍爾元件和磁鐵，即可構成基于磁電轉換技術的傳感器，安裝于異步電動機轉子上的永磁鐵隨轉子轉動，經過霍爾元件一次，可在信號端產生一個計量脈沖，單片機通過在一定時間內對霍爾脈沖次數的采集來得到異步電動機的轉速6。轉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 軟啟動器電機轉速檢測電路3.3.6 軟啟動器相序檢測電路設計軟起動裝置中不可缺少相序檢測的功能。應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，才能正確地發出脈沖來控制晶閘

29、管的導通順序，起到相序自適應的作用。下圖是相序檢測電路。在電路中先將三相電源電壓分壓，經 rc 濾波后送到差動過零比較器 lm339，過零比較器將經過分壓的三相正弦波整形成三相方波信號，經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，直接循環采樣相應接口的狀態檢測三相電源電壓的相序和相位。若檢測到的數據順序為 1-2-3-4-5-6，同為下相序，若檢測到的數據順序 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計(1) 三相異步電動機普遍運行在惡劣的工業環境中，由于環境溫度、負載過大、電動機老化、電網波動等因素在成電動機損

30、壞。本系統通過控制繼電器，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，當電網電壓出現故障時，電壓比較器 ici 輸出高電平，經過 rp2 和 c9 組成的延時電路延時一小段時間后再經過比較器 ic2 控制繼電器 j，進而控制交流接觸器，切斷電網，保護電動機。(2) 同時由于在單片機對電動機定子側線電壓、線電流采樣的過程中，ad 轉換及數據處理等環節需要耗費一定的時間，此后單片機才能做出相應動作，不能保

31、證系統的實時性，軟起動器在初始設定時會要求用戶輸入系統過流值，根據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。在系統出現異常導致主回路電流急劇增加的情況下，系統能夠立即采取動作，為此設計了反應迅速、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計異步電動機起動時，若起動電流太大，則對電網沖擊大；若起動電流過小，則起動時間長。因此，在起動過程中，需要限流調節和過流保護。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，應有電流檢測環節。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。硬件實現可利用整流濾波電路。軟件實現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系，在工頻周期內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。電機定子側接入霍爾電流互感器acs755，霍爾元件檢測定子側兩相電流，定子側第三相電流用軟件來實現，以減少硬件系統的外圍電路，最后輸入 a/d 的轉換器。a/d 將轉換得到的數值輸入單片機，由軟件比較檢測電流與給定電流的差值，按照 pid 調節算法完成限流調節和過流保護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檢測電路設計功率因數角的定義:在正弦電壓作用下，負載的功率因

35、數角等于電壓與電流的相位差。由于晶閘管調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。從對晶閘管導通狀況的影響方面看，控制系統真正需要的是負載的續流角度，有的文獻稱其為可測功率因數角。電機功率因數是對電機節能控制的重要指標，功率因數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，實現節電效果。交流異步電動機的功率因數基本是和它的負載率成一一對應關系，適當調整功率因數，使其隨負載的變化而變化，可以提高異步電機的節電率。功率因數檢測電路主要完成異步電動機定

36、子側相電流、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值。三相異步電動機為感性負載，因此定子側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。對于晶閘管移相調壓方式起動，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電壓。通過電壓、電流互感器將定子側相電壓、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、線電流對應的弱信號分別與一個設定的很小的基準電壓進行比較，轉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6。

37、功率因數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檢測電路3.3.10 軟啟動器鍵盤及 lcd 顯示電路的設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。根據需要可設計起動鍵、停機鍵、增一鍵、減一鍵、設定鍵等。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。可以提供 81404（字符數行數）各種顯示屏規格，廣泛應用于智能儀表、通訊、辦公自動化及軍工等領域。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設置置編編程程復復位位取取消消圖 16 軟啟動器鍵盤及 lcd 顯示電路4 軟啟動器軟件設計軟啟動器系統的軟件控制著內核微處理器單片機的動作，其中

41、中斷比較多，軟件結構復雜，故采用模塊化設計。程序模塊包換：系統初始化程序模塊、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、晶閘管觸發驅動電路、電機轉速檢測程序模塊等。電動機軟起動器控制程序的設計應考慮以下問題:(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，數字濾波；(3) 脈沖觸發的產生和控制；(4) 數據處理，包括定點數和浮點數的轉換、加、減、乘、除等；(5) 故障報警和處理；(6) 顯示電路顯示系統信息4.1 系統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，根據同步信號判斷電機是否缺相、掉相、三相不平衡等，如發現故障，將故障信息送到單片機并使 lcd 顯示故障系統停機；若無故障，當控制系統的開始按鍵按下時，設立允許觸發晶閘管的標志，為相關的中斷程序提供狀態信息；通過檢測停止按鍵是否按下，決定程序是否斷續運行或重新開始，并設立相關的狀態標志4。系統初始化內容包括：(1) 將工作內存初始化清零；(2) 設置中斷屏敝控制字；(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的主程序原理圖如圖 17。開機程序初始化運行開關開關寄存器初始化故障檢測故障顯示是檢測初始設定值啟動？否否開中斷調用相關子程序

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

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

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

46、知，交流調壓電路工作模式會出現三相或者兩相導通以及不導通的情況，這就需要知道何時補發脈沖以及補發脈沖的個數，給程序設計帶來了難度。經分析，補發晶閘管的觸發脈沖，可以按照都是三相導通情況來設計而不會影響到電路的正常工作，簡化了程序的設計1012。4.3.1 對晶閘管門極觸發的要求對晶閘管門極觸發的要求一般應滿足：(1) 觸發脈沖應有足夠的功率，觸發脈沖的電壓、電流應大于晶閘管要求的數值，并留有一定的余量；(2) 觸發脈沖的相位應在規定范圍內移動；(3) 觸發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系，使第一周期能在同樣的相位上觸發；(4) 觸發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壓電路的門極起始控制點（即0 的點）觸發相位自 vt1vt6 依次滯后。當改變時，電路有三類不同的工作狀態，理論上移相范圍為 0，60179由于異步電動機是感性負載，設其續流角。當時，負載電流連續，晶閘管失去調壓作用。再考慮觸發波形的要求，移相范圍應滿足。1504.3.2 觸發脈沖延時觸發的次序在軟啟動器主回路中，發現需要對六只晶閘管通過延時循環導通。延時部分利用定時器中斷實現，延時觸發角中斷程序如下圖所示。由于系統設計中采用一個 i/o 為口控制兩個晶閘管的觸發信號，即一路觸發脈沖控制

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完 vt3 后，只要將之前觸發 vt1、vt2、vt3 的程序循環一次就可以了7。軟啟動器觸發脈沖延時觸發次序流程圖如圖 19。4.4 軟啟動器電壓斜坡啟動程序設計電壓斜坡起動控制方式是在起動過程中，控制晶閘管導通角，使電機端電壓從初始電壓（由用戶設置）開始平滑無級上升至電源電壓，其起動方式的數學模型為：)(maxminiiuuk式中第 i 次觸發角；i 最小觸發角；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過一次斜坡后達到全壓，電機沖擊仍是很大。系統中分成三段斜坡實現，每段斜坡斜率不同，且每段起動時間可控，經過系統優化，最終電機起動平穩，效果顯著814。電壓斜坡起動的流程圖如圖 20。 延時觸發中斷發出vt1觸發信號，同時補發vt6觸發信號中斷返回延時60度發出vt2觸發信號，同時補發vt1觸發信號延時60度發出vt6觸發信號，同時補發vt5觸發信號延時60度發出vt5觸發信號，同時補發vt4觸發信號延時60度發出vt4觸發信號，同時補發vt3觸發信號延時60度發出vt3觸發信號，同時補發vt2觸發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束 圖 19 觸發脈沖

50、延時觸發的次序流程圖 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計相序檢測能過對單片機 i/o 口的循環檢測數據順序來判斷相序的是否正確。檢測i/o 口數據并與預期值進行比較，如相符，則相序正確，執行后續程序，如不符，則重復檢測數次，如仍不相符，則不執行后續程序，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計系統中同步信號采集采用外部中斷控制的方式，來提高系統的實時性能。觸發模塊與電源周期的同步在脈沖的產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、有效的觸發晶閘管，從而保證軟起動的順利完成。流程圖中的相應控制子程序主

51、要是通過定時器延時控制得到不同的觸發角相應的觸發脈沖，這些控制子程序根據不同的起動方式而不同。同步信號程序流程如圖 22。 開始初始化有關寄存器采樣i/o口等于預期值？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？循環次數到？大于預期值？出錯標志為0？故障是否是是是調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計鍵盤部分是按照獨立式鍵盤接口方式，軟件設計為掃描方式。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：對比調整電壓。rs：0=輸入指令 1=輸入數據。r/w：0=向 lcd 寫入指令或數據 1=從 lcd 讀取信息。e：使能信號，1 時讀取信息, 10(下降沿)執行指令 。d0d7 為七個輸入輸出數據線。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什么狀態