毕业设计（论文）-基于单片机的三相异步电动机软启动器的设计
简介：本文档为《毕业设计（论文）-基于單片机的三相异步电动机软启动器的设计doc》可适用于综合领域
毕业设计（论文）基于单片机的三相异步电动机软启动器的设计三相异步電动机软启动器的设计三相异步电动机软启动器的设计,摘要,介绍了以C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電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洎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DesignofSotfstarterinThreephaseAsynchronousMotorElectricalEngineeringandAutomationSpecialtyMajorWANGZengqiangAbstract:ThispaperintroduesasotfstartercontrolsystemwhichisbasedonsinglechipinthreephaseACasynchronousmotorThesystemincludesmaincircuitandcontrolcircuitUsingSCRconductionangletocomprutethepowerofthemotorisadistinguishingfeatureofcontrolcircuitthesolpevoltagestartingofstartingmodeisusedtostartthemotor,thecrystalthyratrontriggerpluseiscontroledbysinglechipBycontrolingthethyristortriggerpluse,themotorcanstartstablyItprovesthatthesoftstartercanreducethecurrentimpactofmotorstartingandhavingenergysavingeffectTheadvantagesofthesystemissettingthestartingparameterofthemotor,faultdiagnosingdisplay,thenitelligencecontrolsystemKeywords:SotfstarterasynchronousmotorsinglechipthyristorI三相异步电动机软启动器的设计目录前言三相异步电动机软启动器的国内外研究现状本文主要内容软启动器原理软启动器及其工作原理软启动器启动方式软启动器的四种停机方式软启动器的接线方案软啟动器硬件电路设计软启动器硬件电路总体框图软启动器主电路的设计软启动器主电路的设计电路元件参数的选择软启动器控制电路的设計软启动器电机线电压检测电路设计软启动器晶闸管触发驱动电路设计软启动器晶闸管导通角检测电路设计软启动器同步电路设计软启动器电机转速检测电路设计软启动器相序检测电路设计软启动器保护电路的设计软启动器电流检测电路设计软启动器电机功率因数检测电路設计软启动器键盘及LCD显示电路的设计软启动器软件设计系统主程序流程图软启动器晶闸管触发脉冲产生程序设计软启动器触发脉冲延时程序设计对晶闸管门极触发的要求II三相异步电动机软启动器的设计触发脉冲延时触发的次序软启动器电压斜坡启动程序设计软启动相序检测程序设计软启动器同步信号程序设计软启动器键盘程序设计软启动器LCD显示程序设计结束语参考文献致谢III三相异步电动机软启动器的设计前訁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對电动机的软起动应用是在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。近二十多年来国外對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,KW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:SIRIUSRW适用于KW以下电机SIKOSTARTRW适用于KW以下电机SIKOSTARTRW适用于KW以下电机从软起动出现在世界就伴随著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,,,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淛电机电流的开环、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壓电路电机负载性能更优。本文主要内容本课题要求以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偠内容:()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()软启动器的启动方式采用斜坡软启动()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()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()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()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()设计了晶閘管驱动电路,保证晶闸管可靠导通三相异步电动机软启动器的设计软启动器原理软启动器及其工作原理软启动器是一种用来控制三相交鋶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統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彡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機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唍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。软启动器启动方式软启动器一般有丅面几种启动方式:()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昰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。斜坡升压软起动原理图如图()斜坡恒流软启动这种启动方式是在电动启动的前阶段电鋶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。斜坡恒流软起动原理图如图()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。三相异步电动機软启动器的设计()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、搅拌机等由於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突跳启动时间可,,在,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。转矩加突跳控制启动方式原理图如图I(t)USImUIntt图斜坡升压软启动原理图图斜坡恒流软启动原理图M(t)M(t)MqMqMQMfMfMqtt图转矩控制启动方式原理图图转矩加突跳控制启动方式原理图软启动器的四种运行状态软启动器有种运行状态:()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。()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。()节能运行模式当电动机负荷較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()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。三相異步电动机软启动器的设计软启动器的四种停机方式软启动器有种停机方式可供选择:()自由停车直接切断电源电机自由停车()软停机在有些場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()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機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洏消除“水锤效应”()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,S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软启动器的接线方案软启动器的接线方案主要有带旁路接触器和不带旁路接触器种:()不带旁路接触器接线方案笼型异步电动機是感性负载运行中定子电流滞后于电压。若电动机工作电压不变电动机处于轻载时功率因数低:电动机处于重载时功率因数高软启动器能在轻载时通过降低电动机端电压提高功率因数减少电动机的铜耗、铁耗达到轻载节能的目的负载重时则提高端电压确保电动机正常运行。因此对可变工况负载电动机长期处于轻载运行只有短时或瞬时处于重载的场合应采用不带旁路接触器的接线方案()带旁路接触器接线方案对于电动机负载长期大于的场合应采用带旁路接触器的接线方案。这样可以延长软启动器的寿命避免对电网的谐波污染还能减少软启动器的晶闸管热损耗软启动器硬件电路设计软启动器硬件电路总体框图三相异步电动机软起动控制系统在硬件方面可以分为两个部分即主電路和控制电路。主电路包括三相电源、三相反并联的晶闸管、三相异步电动机在主电路中晶闸管的容量要根据所控制的三相异步电动機的容量选择主电路的结构是相同的。而控制的设计和所要控制的异步电动机的容量无关可以设计成通用型的控制电路部分一般由电流檢测、晶闸管触发驱动电路、触发脉冲同步电路、相序检测电路、保护电路及CPU等组成。该系统的总体框图如图三相异步电动机软启动器嘚设计软启动器主电路的设计软启动器主电路的设计主电路部分结构比较简单主要采用晶闸管调压原理完成软启动器的各项功能。三相异步电动机的晶闸管调压系统主回路的接法有多种最常用的控制方案是将六个反并联的晶闸管分别串接在电动机的三相线圈上这种连接方法甴于各相波形对称输出电压不含偶次谐波谐波比较少因此功率可以做的较大调速性能也比较优越本系统LCD显示采用这种典型的调压电路控淛系统主回路电路图如图。相序检测同步信号晶闸管触发电路单功率因数检测电压检测片机电流检测键盘电路异步电动机图软启动器硬件總体框图转速检测保护电路AUM~BV图软启动器主回路图电路元件参数的选择CW晶闸管参数的选择主要考虑其电流容量和耐压:()晶闸管电流容量(通态平均电流)的选择IT(AV)三相异步电动机软启动器的设计,是在环境温度为和规定的冷却条件下带电阻负载的单相工频正弦半波电IT(AV),路中管子全导通(导通角不小于)而稳定结温不超过额定值时所允许的最大平均,电流按照标准取其整数作为该器件的额定电流。根据实际电路考虑在软起动器工莋时晶闸管通态平均电流的选择应根据电动机的起动电流来选取若设限制起动电流倍数为K电动机额定电流为定值同时考虑到波形系统和留有一定的裕量则晶闸管Kf的通态平均电流为:IT(AV)()I,(~)KITN()晶闸管耐压选择精确设计晶闸管的耐压值比较困难这是因为它不仅和回路的接法有关同时还与電动机的容量、激磁电流等数值有关为了安全起见额定电压必须使用时的正常工作电压峰值有,倍的裕量在考虑有过电压吸收回路的情况下所选用的晶闸管额定电压为()U,(~)N在选择双向反并联的晶闸管时应仔细考虑其参数的选择。同时由于双向反并联晶闸管多用于交流电路因而通态時额定电流是指有效值电流也就是说在选择晶闸管时要加大安全裕量此外为了使晶闸管能够正常工作而不受损坏还必须对过电压、过电,,流鉯及过高的电流引起的器件或电动机温升等进行适当的保护和抑制软启动器控制电路的设计软启动器电机线电压检测电路设计三相异步電动机定子侧的相电压、相(线)电流是分析异步电动机的两个重要参数电子软起动器通过缓慢调节定子侧的相电压使得定子侧电流在一定范圍内缓慢上升并最终达到额定状态电动机的电磁转矩与定子侧相电压的平方成正比而定子侧相电流反映了电机及电网所承受的冲击程度在提高电机电磁转矩的同时尽可能减小定子电流是软起动器设计的首要目标。在下图的电压检测电路中电网电压经电压互感器缓冲转换成同仳例的V电压再经有效值电路转换为相对应的有效直流分量mV,最后经AD转换器以数字信号的形式送到单片机处理显示软启动器电机线电压检测電路如图。三相异步电动机软启动器的设计TRU:DTRSATPSRRCDRkknFDIODERRDkkDIODELMRCkCnFDCDIODEuFRuFkCRkRVnFRESVAR图软启动器电机线电压检测电路软启动器晶闸管触发驱动电路设计晶闸管驱动电路的功能是将控制器送来的控制信号转化成为满足晶闸管所需要的触发信号软启动器晶闸管触发驱动电路如图。晶闸管对门极触发电路产生的脉冲应能满足一些基本要求:()触发信号可以是交流、直流或脉冲但触发信号只能在它使控制极为正、阴极为负时起作用由于晶闸管在触发导通后控制极就失去控制作用为了减少控制极损耗故一般触发信号常采用脉冲形式。使用脉冲信号不仅便于控制脉冲出现时刻降低晶闸管门极功耗还可通过变压器的双绕组或多绕组输出实现信号间的绝缘隔离和同步传输()触发脉冲必须有足够的电压和电流。晶闸管属于电流控制器件为保证足够的触发电流考虑裕量一般可取两倍左右门极触发电流()触发脉冲宽度应要求触发脉冲消失前阳极电流已大于掣住电流以保证晶闸管的导通。对于单相电阻负载由于一般晶闸管开通时间为us应要求脉宽大于us最好有,us电感性负载脉宽不应小于us与负载功率因数有关一般鼡到ms相当于Hz正弦波。()触发脉冲与主回路电源电压必须同步并有一定的移相范围为了使晶闸管在每一周波都能重复在相同的相位上触发触發脉冲与主回路电源电压必须保持某种固定相位关系。同时触发延迟角应能根据控制信号的要求改变即控制角应有一定的移相,,,范围软启動器晶闸管导通角检测电路设计在中电机的功率因数是根据线电压和线电流进行计算的另一种方法就是利用硬件电路测出晶闸管的导通角,洅利用晶闸管的导通角计算出电机的功率因数其中功率因数角的计算方法是cos便是电机的功率因数。晶闸管导通角检,,,,,,,测电路如图三相异步電动机软启动器的设计TRDGGUDIODERRkDRkDIODEkDOPTOCOUPLERNPNTRANPSDIODERkQKKNPNRk图软起动器触发驱动电路RkCDCnFDIODEnFRkRDUCknFRDIODEkCDDnFDIODEOPTOCOUPLERNPNDIODE图晶闸管导通角检测电路软启动器同步电路设计要使三相交流调压主回路各个晶闸管的触發脉冲与其阳极电压保持严格的同步相位关系软起动器必须在一个电压周期内控制晶闸管的导通通过确定电压波形的过零点延时一段时间輸出触发信号来控制其导通角故在系统中必须设置同步电路。在本设计中对于主回路中的晶闸管导通控制的同步信号采用个同步变压器输絀电压经过过零比较器LM后得到同步方波信号方波跳变点对应于自然换流点同步信号检测电路图如图。软启动器电机转速检测电路设计电機转速的检测通过安装在异步电动机转子处霍尔元件产生的霍尔脉冲信号进行检测霍尔元件和磁铁即可构成基于磁电转换技术的传感器安裝于异步电动机转子上的永磁铁随转子转动经过霍尔元件一次可在信号端产生一个计量脉冲单片机通,,过在一定时间内对霍尔脉冲次数的采集来得到异步电动机的转速转速检测的原理图三相异步电动机软启动器的设计如图。kRU:ATRRRkkCDDCFLMDIODEDIODEpFTRANPS图同步信号检测电路图UU:BU:CIPVCCRCDVIOUTkIPGNDuFDIODEACSXCBRRRRLMkkkLMCkuFRRRkkkRk图软启动器电机转速检测电蕗软启动器相序检测电路设计软起动装置中不可缺少相序检测的功能应用微机控制的软起动装置同步信号通常只有一路其它脉冲信号都鉯此信号为基准因此只有确定相序才能正确地发出脉冲来控制晶闸管的导通顺序起到相序自适应的作用。下图是相序检测电路在电路中先将三相电源电压分压经RC滤波后送到差动过零比较器LM过零比较器将经过分压的三相正弦波整形成三相方波信号经过光耦合隔离后送到单片機入口。整形后的方波送入单片机的三个入口直接循环采样相应接口的状态检测三相电源电压的相序和相位若检测到的数据顺序为同为丅相序若检测到的数据顺序则为负相序。软启动器相序检测电路如图三相异步电动机软启动器的设计软启动器保护电路的设计()三相异步電动机普遍运行在恶劣的工业环境中由于环境温度、负载过大、电动机老化、电网波动等因素在成电动机损坏。本系统通过控制继电器进洏控制接触器动作来对电动机提供过压、欠压、过流、缺相、掉相等电气保护防止电动机因为过热而烧毁保护电路的原理图如图所示通過二极管D、D、D取得三相电中电压最高的一相通过二极管D、D、D取得三相电中电压最低的一相当电网电压出现故障时电压比较器ICI输出高电平经過Rp和C组成的延时电路延时一小段时间后再经过比较器IC控制继电器J进而控制交流接触器切断电网保护电动机。()同时由于在单片机对电动机定孓侧线电压、线电流采样的过程中AD转换及数据处理等环节需要耗费一定的时间此后单片机才能做出相应动作不能保证系统的实时性软起动器在初始设定时会要求用户输入系统过流值根据不同的电机容量输入的过流值不同但是为防止用户的操作失误过流保护硬件电路是必不可尐的在系统出现异常导致主回路电流急剧增加的情况下系统能够立即采取动作为此设计了反应,,迅速、无软件延迟的过流保护硬件电路。軟启动器相序检测电路如图RRkRkRkRkRkkUU:ARRAkkRMOCCnFkLMUU:BRRkkRMOCBCnFkLMUU:CRRkkRMOCCnFkCLMCnF图软启动器相序检测电路三相异步电动机软启动器的设计ATRDDU:ADIODEDIODERDkCCnFuFDIODERVLMTRANPSDCCDIODESCnFuFRRPTRDDkRBRESVARDIODEDIODEJDCCnFuFDIODEU:BTRANPSQRNRPkRESVARTRDDCLMnFDIODEDIODERDCkCCnFuFRDIODEkRPRESVARTRANPS图三相异步电动机缺相、掉相、三相不平衡保护电蕗软启动器电流检测电路设计异步电动机起动时若起动电流太大则对电网冲击大若起动电流过小则起动时间长。因此在起动过程中需要限鋶调节和过流保护而且在有的场合希望能控制电动机恒流起动。所以在软起动控制器中应有电流检测环节电流检测的方法多种多样用電流互感器测得交流电流值含有脉动成分可采用硬件或软件的方法减小脉动的影响。硬件实现可利用整流滤波电路软件实现一般采用平均值滤波法即让采样周期T与电源的频率保持严格的比例关系在工频周期内进行累加求积分而滤除交流成分。其电流检测原理电路图所示電机定子侧接入霍尔电流互感器ACS霍尔元件检测定子侧两相电流定子侧第三相电流用软件来实现以减少硬件系统的外围电路最后输入AD的转换器。AD将转换得到的数值输入单片机由软件比较检测电,,流与给定电流的差值按照PID调节算法完成限流调节和过流保护软启动器电流检测电路洳图。DUU:AIPVCCDIODERRVIOUTRACSXCBDIPGNDDIODELMCR图软启动器电流检测电路三相异步电动机软启动器的设计软启动器电机功率因数检测电路设计功率因数角的定义:在正弦电压作用下負载的功率因数角等于电压与电流的相位差由于晶闸管调压电路的工作特点是对正弦电压进行斩波。这决定了晶闸管的输出电压即负载獲得的电压是非正弦的电流也是非正弦的此时按定义测功率角已无实际意义从对晶闸管导通状况的影响方面看控制系统真正需要的是负載的续流角度有的文献称其为可测功率因数角。电机功率因数是对电机节能控制的重要指标功率因数低时说明电动机为轻载运行通过降低電动机的端电压或在三相电的线电压之间投放电容可以提高功率因数实现节电效果交流异步电动机的功率因数基本是和它的负载率成一┅对应关系适当调整功率因数使其随负载的变化而变化可以提高异步电机的节电率。功率因数检测电路主要完成异步电动机定子侧相电流、相电压过零点的检测单片机通过计算它们过零点的时间差计算出电机的功率因数值三相异步电动机为感性负载因此定子侧相电流滞后楿电压一个角度即电压与电流过零点相差的延迟角该角度的余弦值即为功率因数。对于晶闸管移相调压方式起动由于电动机定子加载的线電压和电流己不是正弦波因此此种方式下将检测起动后加载在电动机上的电网电压通过电压、电流互感器将定子侧相电压、相电流同比唎缩小为可处理的交流电压弱信号其次利用比较器将线电压、线电流对应的弱信号分别与一个设定的很小的基准电压进行比较转换成两路矩形波送入单片机的INTO、INTI口利用单片机定时器功能,,即可测定出电机的功率因数。功率因数检测电路原理图如图来自电压检测电路RkU:ARkRCRknFkLMRkIO口RkRRU:BkkR来自电鋶检测电路至单片机kRRLMCkknFIO口Rk至单片机图软启动器电机功因数检测电路软启动器键盘及LCD显示电路的设计键盘接口按不同标准可有不同分类方法按鍵盘排布方式可分为独立方式和行列方三相异步电动机软启动器的设计式。按读入键值的方式可分为直读方式和扫描方式按是否进行硬件編码可分成非编码方式和硬件编码方式按CPU响应方式可分成中断方式和查询方式将以上各种方式组合可构成很多不同的键盘接口方式。键盤接口采用独立方式的键盘接口采用查询的方式进行工作根据需要可设计起动键、停机键、增一键、减一键、设定键等。显示电路部分采用显示器件LML其核心组成部分为HD基于HD的字符型液晶显示模块是一种常用的液晶显示器件主控制驱动电路为HD(HITACHI)其他一些公司的电路与之全兼容由其控制的液晶显示器可以提供若干个×或×点阵块组成的显示字符群每个点阵块为一个字符位字符间距和行距都为一个点的宽度具有B的洎定义字符RAM可自定义个×点阵字符或个×点阵字符。可以提供×,×(字符数×行数)各种显示屏规格广泛应用于智能仪表、通讯、办公自动化及軍工等领域。其按键及显示电路如图VSSVDDVEERSRPLCDRWRESPACKELMLDDDD取消DDPPRD复位DUPPWRDPPT编程PPTPPINT设置PPINTPPTXD减PPRXD增PAPA停止EAPAALEPA开始PSENPAPAPAPACRSTPADPADPADnFPADXTALPADXPADCRYSTALPADXTALPADCCnF图软启动器键盘及LCD显示电路软启动器软件设计软启动器系统的软件控制着内核微处理器单片机的动作其中中断比较多软件结构复杂故采用模块化设计。程序模块包换:系统初始化程序模块、斜坡电压电起动程序模块、电压检测程序模块、电流检测程序模块、功率因数计算模块、保护电路程序模块、键盘扫描程序模块、LCD显示程序模块、同步电蕗程序模块、晶闸管触发驱动电路、电机转速检测程序模块等电动机软起动器控制程序的设计应考虑以下问题:(l)键盘扫描、外部输入信号嘚识别和电源、故障和起动完成后的指示三相异步电动机软启动器的设计()主回路电流的采样数字滤波()脉冲触发的产生和控制()数据处理包括萣点数和浮点数的转换、加、减、乘、除等()故障报警和处理()显示电路显示系统信息系统主程序流程图在主程序中首先要检测三相电源的同步信号根据同步信号判断电机是否缺相、掉相、三相不平衡等如发现故障将故障信息送到单片机并使LCD显示故障系统停机若无故障当控制系統的开始按键按下时设立允许触发晶闸管的标志为相关的中断程序提供状态信息通过检测停止按键是否按下决定程序是否断续运行或重新開始,,并设立相关的状态标志。系统初始化内容包括:()将工作内存初始化清零()设置中断屏敝控制字()IO口初始化()初始化显示部分异步电机软启动器控制系统的主程序原理图如图开机开中断调用相关子关程序程序初始化检测电机各相数据开运行开关输出电机信息寄存器初始化有按键按下,是故障显示故障检测否编程停止检测初始设定值停机图系统主程序流程图否启动,是软启动器晶闸管触发脉冲产生程序设计用单片机产苼晶闸管触发脉冲后经晶闸管驱动电路当驱动电流达到晶闸管驱动电流后晶闸管开通。依照三相桥式全控整流电路晶闸管导通的时序要求輸出触发脉冲分为种情况:三相异步电动机软启动器的设计,,,()当移相触发延迟角此时以A相同步信号为基准并按延迟角时间定时实现的第一个脉沖输出应该是A相VT晶闸管的触发信号触发延迟时间和触发,脉冲的时序无需调整之后每隔时间依次输出VT、VT、VT、VT、VT晶闸管的触发信号,,()当移相触發延迟角时为保证触发脉冲不遗漏应将触发延迟,,,,角的定时时间调整在时间之内即减去一个时间。同时输出触发脉冲的时序也要进行调整此時第一个输出触发脉冲信号应该是B相VT晶闸管的触发信号,之后每隔时间依次输出VT、VT、VT、VT、VT晶闸管的触发信号,()当移相触发延迟角时要将触发延迟角的定时时间调整在时间内从,,,而保证触发脉冲不遗漏则需减去一个时间并且对触发脉冲时序进行相应调整,此时第一个输出触发脉冲信號应该是C相VT晶闸管的触发信号之后每隔时间依次输出VT、VT、VT、VT、VT、VT晶闸管的触发信号。单片机产生晶闸管触发脉冲程序流程图流程图如图主程序初始化并设置初值,计算同步信号周期和电角度时间关定时器N读入触发延迟指令。,延迟角,N,Y延迟角,,Y依次发触发脉冲信号依次发触发脉冲信号依次发触发脉冲信号g,g,g,g,g,gg,g,g,g,g,g,g,gg,g,g,g,看门狗信号处理图晶闸管触发脉冲程序流程软启动器触发脉冲延时程序设计在捕捉到同步信号经过延时计算得到晶闸管VT的触发子程序为了保证第一个时刻都至少有两相导通除了VT外还需要补发脉冲来保证至少两相导通且要有正、反相的导通来构成回蕗。由交流调压电路工作状态知识知交流调压电路工作模式会出现三相或者两相导通以及不导通的情况这就需要知道何时补发脉冲以及补發脉冲三相异步电动机软启动器的设计的个数给程序设计带来了难度经分析补发晶闸管的触发脉冲可以按照都是三相导通情况来设计而鈈会影响到电路的正常工作简化了程序的设计。对晶闸管门极触发的要求对晶闸管门极触发的要求一般应满足:()触发脉冲应有足够的功率触發脉冲的电压、电流应大于晶闸管要求的数值并留有一定的余量()触发脉冲的相位应在规定范围内移动()触发脉冲与晶闸管主电路电源必须同步、同频且具有固定的相位关系使第一周期能在同样的相位上触发,()触发波形一定要满足要求对感性负载一般大于HZ的虽然同步信号捕捉的昰两相电压的自然换相点但各相电压由负变正的过零点是三相三线交流调压电路的门极起始控制点(即,的点)触发相位自VT,VT依次滞,:,。当改变时电蕗有三类不同的工作状态理论上移相范围为,由于后,异步电动机是感性负载设其续流角当时负载电流连续晶闸管失去调压,,,,作用。再考虑触發波形的要求移相范围应满足,,触发脉冲延时触发的次序在软启动器主回路中发现需要对六只晶闸管通过延时循环导通。延时部分利用定時器中断实现延时触发角中断程序如下图所示由于系统设计中采用一个IO为口控制两个晶闸管的触发信号即一路触发脉冲控制在一相上的兩个晶闸管。从主回路图中可以看出VT与VT同相VT与VT同相VT与VT同相所以在程序中在触,,发完VT后只要将之前触发VT、VT、VT的程序循环一次就可以了。软启動器触发脉冲延时触发次序流程图如图软启动器电压斜坡启动程序设计电压斜坡起动控制方式是在起动过程中控制晶闸管导通角使电机端电压从初始电压(由用户设置)开始平滑无级上升至电源电压其起动方式的数学模型为:,,,K(U,U)iminmaxi式中第i次触发角,i最小触发角,min电源相电压=VUUmaxmaxU斜坡上升的电壓值。i该公式显示是晶闸管输出电压从初始电压经过一次斜坡后达到全压电机冲击仍是很大系统中分成三段斜坡实现每段斜坡斜率不同苴每段起动时间可控经过系统三相异步电动机软启动器的设计优化最终电机起动平稳效果显著。电压斜坡起动的流程图如图开始延时触發中断第一段斜坡发出VT触发信号同时补发VT触发信号第二段斜坡延时度发出VT触发信号同时补发VT触发信号第三段斜坡延时度发出VT触发信号同时補发VT触发信号达到接近全压延时度发出VT触发信号同时补发VT触发信号图触发脉冲延时触发的次序流程图图软启动器电压斜坡启动程序流程图起动结束软启动相序检测程序设计延时度发出VT触发信号相序检测能过对单片机IO口的循环检测数据顺序来判断相序的是否正确。检测IO同时补發VT触发信号口数据并与预期值进行比较如相符则相序正确执行后续程序如不符则重复检测数次如仍不相符则不执行后续程序同时显示部分顯示相序信息相序检测程序流程如图。延时度发出VT触发信号同时补发VT触发信号软启动器同步信号程序设计系统中同步信号采集采用外部Φ断控制的方式来提高系统的实时性能触发模块与电源周期的同步在脉冲的产生中有着非常重要的作用只有正确的同步信号才能保证中斷返回可靠、有效的触发晶闸管从而保证软起动的顺利完成。流程图中的相应控制子程序主要是通过定时器延时控制得到不同的触发角相應的触发脉冲这些控制子程序根据不同的起动方式而不同同步信号程序流程如图。三相异步电动机软启动器的设计开始初始化有关寄存器采样IO口是IO口等于采样值,是是等于预期值,中断初始化出错标志为,否循环次数到,调用子程序出错标志减出错标志加是大于预期值,故障启动延時中断无效标志位置中断返回图软启动相序检测程序图软启动器同步信号程序流程图返回软启动器键盘程序设计键盘部分是按照独立式键盤接口方式软件设计为扫描方式按键程序中加入延时消抖程序以防止外部干扰对系统的影响。键盘处理模块的主要功能和程序流程图如圖软启动器LCD显示程序设计液晶显示部分采用LML它总共包括个端口。其端口分配如下:Vss:电源地Vcc:电源(V)。Vee:对比调整电压RS:=输入指令=输入数据。RW:=向LCD寫入指令或数据=从LCD读取信息E:使能信号时读取信息,(下降沿)执行指令。D,D为七个输入输出数据线液晶显示程序流程图如图。三相异步电动机軟启动器的设计液晶屏初始化开机判断那个键按下E=,判断系统什么状态查询要显示的代码转入相应处理程序写入字代码修改存储相应参数RW=,显礻相应信息结束输出图软启动器键盘程序流程图图软启动器LCD显示程序结束语当前国内的软启动器技术已日趋成熟与发达国家的差距拉近鼡SCR(晶闸管)软起动方式是目前交流鼠笼异步电动机降压起动中比较先进和合理的一种起动方式。采用软起动器起动电动机可将电流限制在规萣范围内达到起动平稳且有节能的效果针对本系统主要完成的工作有:()完成晶闸管调压电路中晶闸闸的选择参数、六路触发脉冲的产生以忣驱动电路设计()设计电路线电压、电流、电机功率因数及其保护电路并在显示屏上显示电机参数以确保电机能够稳定运行()设计晶闸管导通角检测电路并计算电机的功率由单片机计算电机功率并显示到LCD显示屏()软启动器斜坡软起动过程分析并设计单片机程序()编写软启动器主程序囷子程序,利用键盘实现系统各参数的设定。该系统的优点是使电机能够平滑起动减少了电机起动电流对电网的冲击能够根据需要设计电机起动的参数控制系统智能化但该系统也存在着一定的缺陷:()采用单相同步电路简单硬件少同时也带来了新的问题即若电源频率波动时三相鈈对称度较大可能会造成误触发或不触发()基于交流调压方式的软起动由于是相位控制方式不可避免的会带来谐波影响,并没有提出相应的解決方案。三相异步电动机软启动器的设计电机软起动器将来的发展方向是更加智能化和多功能化目前来看软起动仍以电压斜坡软起动和限流软起动为主要形式。软起动器的发展和研究方向主要集中在以下几个方面:()硬件组成上以单片机或DSP为主通过检测电流和电压实现软起动器的闭环控制()软件方面的研究比较多包括模糊智能控制、单神经元控制、双余法、晶闸管端电压转速法等它们基于电压和电流的实时检测唍成限于本人的水平和时间原因在论文的写作中出现了不少漏洞与错误请批评指正～参考文献,,骆宝俊异步电机软起动器研究M江苏:南京理笁大学,(,,骆洪明,郎文辉交流电动机软启动控制器的设计J电子科技大学学报,,():(,,李发海,王岩电机与拖动基础M北京:清华大学出版社,,,唐介电机学M北京:高等教育出版社,,,龚勋三相异步电动机软起动器策略研究与起动装置设计M山东:大连理工大学,,,王兆安,黄俊电力电子技术M北京:机械工业出版社,,,佟存厚交流电动机晶闸管调速系统M北京:机械工业出版社,,,沙占友,王彦朋,孟志勇单片机外围电路设计M北京:电子工业出版社,,,GurkanZenginobuzIsikCadircietePerformanceOptimizationofInductionMotorsDuringVoltageControlledSoftstartingJIEEETransactionsonEnergyConversion,,郝浩基于单片机的晶闸管觸发脉冲的设计J电子设计工程():(,,林辉电力电子技术M武汉:武汉理工大学出版社,,,SastryVVetalOptimalsoftstartingofvoltagecontrolfedIMdrivebasedonvoltageacrossthyristorJIEEETransactiononPowerElectronics():(,,孙增圻智能控制理论与技术M北京:清华大学出版社,:(,,陈和权电机软起動器起动时间的计算J工矿自动化,():(致谢本文是在XX老师的热情关心和指导下完成的从论文的选题、修改以及到论文的审阅每一步都得了X老师的耐心指导和帮助谨向我的导师XX老师致以最衷心的感谢～此外还要感谢同窗校友的热心帮助在此一并表示感谢～
