全數(shù)字電子軟起動器的基本原理及實現(xiàn)軟硬件設(shè)計

全數(shù)字電子軟起動器不僅能有效控制鼠籠式三相異步電動機(jī)起動電流，減緩電流對電動機(jī)和電網(wǎng)的沖擊，還能在起動和運行過程檢測電流、電壓參數(shù)，對異常情況進(jìn)行處理、顯示及報警，實現(xiàn)對電動機(jī)的綜合保護(hù)。

三相鼠籠式異步電動機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡單、性價比高和工作特性好等諸多優(yōu)點，在當(dāng)今工業(yè)應(yīng)用的各個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，但它有一明顯缺點，就是起動電流過大（一般起動電流為額定電流的5～7倍甚至更大），這樣不論是對電動機(jī)本身，還是對電網(wǎng)以及其他電氣設(shè)備，都會產(chǎn)生不利的影響。

電子軟起動器的誕生，已經(jīng)從很大程度上提供了解決這個技術(shù)難題的有效手段，而且近年來隨著電力電子技術(shù)以及智能控制技術(shù)的不斷發(fā)展，電子軟起動器已經(jīng)逐步取代了傳統(tǒng)的起動方法，例如“Y-△”降壓起動、自耦變壓器降壓起動以及磁性調(diào)壓起動等。所謂電子軟起動器，就是使用晶閘管調(diào)壓技術(shù)，采用單片機(jī)控制的起動器，在用戶規(guī)定的起動時間內(nèi)自動地將起動電壓連續(xù)平滑地上升，直到達(dá)到額定電壓，從而達(dá)到有效控制起動電流的目的。

基本工作原理

軟起動器的控制原理圖如圖1所示，它采用三相平衡調(diào)壓式主回路，將3對反向并聯(lián)的大功率晶閘管串接于電動機(jī)的三相電路上，通過控制其觸發(fā)角的大小來改變晶閘管的導(dǎo)通程度，由此控制電動機(jī)輸入電壓的大小，以達(dá)到實現(xiàn)電動機(jī)軟起動的過程。當(dāng)電動機(jī)起動完成并達(dá)到額定電壓時，閉合三相旁路接觸器KC，短接晶閘管，使電動機(jī)直接投入電網(wǎng)運行，以避免晶閘管元件的持續(xù)損耗。其中，主回路的晶閘管和接觸器隨系統(tǒng)容量不同可以選用不同的器件。

從圖1可以看出，主回路主要是晶閘管電子調(diào)壓裝置，由6個晶閘管V1～V6組成，另外，利用3個霍爾傳感器來完成三相定子的電流檢測。在起動過程中，晶閘管V1～V6的觸發(fā)角由軟件控制，從而使加在交流電動機(jī)三相定子繞組上的電壓由零逐漸平滑地升至全電壓。同時，電流檢測裝置檢測三相定子電流送給單片機(jī)進(jìn)行運算和判斷，當(dāng)起動電流超過設(shè)定值時，軟件控制升壓停止，直到起動電流下降到低于設(shè)定值之后，再使電動機(jī)繼續(xù)升壓起動。若三相起動電流不平衡并超過規(guī)定的范圍，則停止起動。另外，由電動機(jī)理論可知，當(dāng)電動機(jī)的輸入電源頻率不變時，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與輸入電壓的平方成正比。因此，軟起動不僅使電動機(jī)定子電壓連續(xù)平滑地增加，實現(xiàn)了升壓限流起動，而且避免了電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩的沖擊和不平穩(wěn)的現(xiàn)象。

圖1 軟起動器主回路示意圖

軟起動的控制器采用16位的Intel 80C196KC芯片，這種芯片比一般的8位單片機(jī)有更高的運算速度和較高的集成度，而對比DSP芯片來講，雖然運算速度上稍微慢了點，但196芯片價格便宜這個特點又使其在性價比上占了一定優(yōu)勢，而且196芯片的CPU晶振頻率現(xiàn)在也已達(dá)到了16MHz，再加上它自身具有乘除法運算指令，使其已經(jīng)能夠滿足軟起動過程中數(shù)據(jù)運算處理速度要求。另外，80C196KC芯片豐富的外圍部件功能，以及具有10位A/D高分辨率轉(zhuǎn)換的特點，可以在保證軟起動器高可靠性的同時降低生產(chǎn)成本。

硬件設(shè)計

一個完整的軟起動器一般由兩部分組成，即控制單元和功率單元?？刂茊卧呛诵牟糠郑浧饎悠鞔蟛糠止δ芏际窃谶@一單元實現(xiàn)的，其中含有三相電源的電壓及工作電流的檢測、鍵盤輸入和液晶顯示輸出信號的接收和處理，實現(xiàn)遠(yuǎn)程通信和故障診斷及報警等;功率單元則擔(dān)負(fù)著形成所需觸發(fā)脈沖的職責(zé)。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，下文也將從系統(tǒng)核心部分——觸發(fā)控制部分重點說明軟起動器的硬件設(shè)計。

圖2 軟起動器總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

電壓同步信號檢測電路

采用如圖3所示的電路作為電壓同步信號檢測電路。從圖中可以看出，這個電路的功能就是將由電源側(cè)來的線電壓正弦信號轉(zhuǎn)為低壓方波信號以供單片機(jī)進(jìn)行處理分析。由于這里的信號是從高壓轉(zhuǎn)為低壓送入單片機(jī)處理的，因此要利用一塊光耦P521對高低壓信號進(jìn)行隔離，這樣保證了這兩種信號可以互不干擾地分離處理。整個工作過程大致是這樣的：由電源側(cè)來的線電壓信號經(jīng)過2個電阻和1個二極管，變成半波交流信號，這個交流信號在正半波時觸發(fā)光耦導(dǎo)通，從而使得右側(cè)輸入到單片機(jī)的是高電平信號;而當(dāng)光耦左側(cè)交流信號處于低電平時，光耦則截止，那么右側(cè)輸入到單片機(jī)的信號也就是低電平。這樣周而復(fù)始，單片機(jī)所得到的就是幅值為5V（VCC=5V）的方波信號，周期等同于電源的周期即工頻50Hz，而高低電平持續(xù)的時間也基本與電源側(cè)正負(fù)交流信號所持續(xù)的時間大致相同，雖然其間存在著一定的時延，但可以通過軟件進(jìn)行補(bǔ)償，從而既簡化了外圍硬件電路的設(shè)計，又得到了與電源電壓同步的信號，為下面給出晶閘管觸發(fā)信號提供了工作電壓零點的基準(zhǔn)。

這個電路的優(yōu)點就在于：一方面，在起動未開始或是開始瞬間，線路還沒有負(fù)載電流時，這個電路仍可以檢測到器件電壓零點，這就比電流過零同步方式要優(yōu)越得多;另外，由于輸入的交流信號是直接從電源側(cè)獲取的，因此這就不需要像其他電路那樣需要先利用變壓器取得交流信號再進(jìn)行處理，這樣就既節(jié)省了線路板的空間，也節(jié)約了成本。

同時，可以利用圖3這個電路（以下稱為電路I）和另一套與電路I基本相同的電路（以下稱為電路II）配合，進(jìn)行電源的相序判斷和缺相檢測。在這里也大致介紹一下工作原理。電路II和電路I結(jié)構(gòu)基本相同，存在的區(qū)別就是，假設(shè)電路I的輸入側(cè)U_1和U_2分別連接電源的A、B兩相，而電路II輸入側(cè)U_1‘和U_2’連接的就是電源的B、C兩相，且輸出信號是送到80C196KC芯片的另一個HSI（高速輸入引腳）口的。這里利用到芯片HSI引腳，它特有的功能，一是這種引腳能夠無需CPU干涉而快速響應(yīng)事件，二是這種引腳不但可以設(shè)置事件發(fā)生產(chǎn)生中斷，還可以記錄事件發(fā)生時的時間和當(dāng)時引腳的狀態(tài)。這里我們假設(shè)電路I的U_1和U_2接的是電源的A、B相，而電路II的U_1‘和U_2’接的是B、C相，這樣在三相電源正常工作時，當(dāng)AB線電壓發(fā)生正跳變（即從負(fù)半波轉(zhuǎn)為正半波）時，BC線電壓為負(fù)，那么電路II送入CPU的信號就為低電平;當(dāng)AB線電壓發(fā)生負(fù)跳變時，BC線電壓為正，那么電路II送入CPU的信號是高電平（如果電路II的U_1‘和U_2’接的是C、B相，那么兩次送入CPU的信號高低電平情況就相反）。

而當(dāng)電源發(fā)生缺相故障時，AB線電壓無論發(fā)生何種跳變時，BC線電壓都同為正或同為負(fù)，這樣電路II送入CPU的信號將同為高電平或低電平。設(shè)置電路I接入CPU的HSI0引腳在信號每次跳變時都產(chǎn)生中斷，并在每次跳變中斷時記錄下電路II接入CPU的HSI1引腳的狀態(tài)，通過兩次對比HSI1引腳的電平情況，從而判斷出所連入電路中三相電源的相序，為下一步產(chǎn)生正確的脈沖觸發(fā)信號序列奠定基礎(chǔ)。同時在電源缺相時，也能判斷出故障狀況，并封鎖脈沖信號及給出報警信號和顯示信息。

圖3 電壓同步信號檢測電路

觸發(fā)脈沖形成電路

軟起動器的工作原理就是通過改變主回路中晶閘管的導(dǎo)通時間，從而調(diào)整電動機(jī)的起動電壓來實現(xiàn)的，那么如何按照要求形成所需的觸發(fā)脈沖信號就顯得尤為重要。晶閘管的觸發(fā)方式有很多種，在這個設(shè)計采用脈沖變壓器來產(chǎn)生符合要求的具有一定規(guī)律的脈沖，主要為的就是使觸發(fā)發(fā)生電路在同晶閘管相連接的同時，又可以使這兩部分電路之間具有電氣隔離。下面以單相觸發(fā)脈沖形成電路為例，具體說明是如何利用這個電路形成所需的六路觸發(fā)脈沖信號的。

如圖4所示，電路中74LS02的2、3腳分別接Intel196KC芯片的PWM腳和HSO腳，而脈沖變壓器二次側(cè)輸出端GA1、KA1和GA2、KA2分別接的是某一相正反1對晶閘管的觸發(fā)極和陰極。這樣根據(jù)電路可分析得，由于PWM引腳是由軟件設(shè)置在不斷地產(chǎn)生一定占空比的脈沖信號，因此如果想在某一時刻觸發(fā)該相的晶閘管，只要在這個時刻通過軟件設(shè)置將連接到該電路的HSO引腳置為低電平，并保持一定寬度時間就可以實現(xiàn)，而究竟是正向晶閘管還是反向晶閘管導(dǎo)通，那就取決于外部施加在該相晶閘管兩端的電源正負(fù)了。同理，如果想不輸出觸發(fā)脈沖，只要將該HSO引腳置為高電平就可以了。同時，還可利用HSO引腳同時通過軟件設(shè)置電平變化的特點，在軟起動過程中如有檢測到故障信號需停止軟起動操作，就只要兩條指令便可以令HSO引腳迅速置為高電平，即同步立即 封鎖三相觸發(fā)脈沖信號，做到及時反應(yīng)外部故障。

圖4 單相觸發(fā)脈沖形成電路示意圖

另外，電路中晶閘管控制用的脈沖變壓器采用1∶1∶1三線圈型，這樣在減少變壓器個數(shù)的同時，也可以將原先可能需要的6根輸出信號控制線減少至3根。同時在脈沖變壓器二次側(cè)串聯(lián)1個電阻，這樣既可以用來降低晶閘管的維持電流，還可在這種接有2個晶閘管的三線圈變壓器的場合中用來平衡控制極電流，同時這個加接電阻還能夠在存在高噪聲電平的場合防止誤觸發(fā)。此外，在此電阻旁還串聯(lián)1個二極管，這是為了在脈沖變壓器輸出電壓瞬變或反向時防止反向控制極電流，并且二極管同樣也可以降低晶閘管的維持電流。至于在接到晶閘管控制極和陰極兩端的輸出端并聯(lián)1個RC回路，那則是為了在這種控制三相異步電動機(jī)感性負(fù)載情況下使晶閘管正確換流。

圖5 斜坡電壓起動方式程序流程圖

軟起動器整體軟件設(shè)計主要分為主程序、起動程序以及中斷服務(wù)程序等幾個部分，主程序是完成各種參數(shù)的輸入、設(shè)定以及電壓、電流的檢測、采樣和計算，而起動程序則和中斷服務(wù)程序一道完成按照外部所設(shè)定的參數(shù)和要求來實現(xiàn)軟起動，下面就以斜波電壓起動方式的程序設(shè)計流程圖來簡要說明整個過程的實現(xiàn)。

全數(shù)字電子軟起動器不僅能有效控制鼠籠式三相異步電動機(jī)起動電流，減緩電流對電動機(jī)和電網(wǎng)的沖擊，還能在起動和運行過程檢測電流、電壓參數(shù)，對異常情況進(jìn)行處理、顯示及報警，實現(xiàn)對電動機(jī)的綜合保護(hù)。當(dāng)務(wù)之急的就是開發(fā)國人產(chǎn)權(quán)自主型的產(chǎn)品，多吸收國外著名品牌的重要技術(shù)經(jīng)驗，不斷更新改進(jìn)，縮短差距，研制出性價比高的新型鼠籠式三相異步電動機(jī)電子軟起動器。

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