基于微机的三相异步电动机软启动器软硬件设计.docx
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基于微机的三相异步电动机软启动器软硬件设计
摘要
三相交流异步电动机具有结构简单、运行可靠和价格低廉等优点而被广泛应
用。
但是异步电动机存在启动电流大，对电网和电动机本身产生严重影响.起动电流会加速电动机的绝缘老化，大大降低电动机的使用寿命，导致大量的能量被消耗；大的电流还会给电网带来不良影响，使电网电压波动。
因此控制三相异步电动机起动过程中过大的电流，具有较重要的经济价值。
本课题正是基于此目的，对三相异步电动机软起动器进行研究。
本文介绍了三相异步电动机软起动技术在国内外的发展状况及前景展望，对电动机的起动过程进行了理论分析，比较了常见的几种软起动方法的优劣，论述了三相异步电动机软起动器的几种常见运行方式的特点。
其次，分析了三相感应电动机固有的起动特性以及单相交流调压电路带电感性负载时的特点。
在此基础上总结了晶闸管三相交流调压电路的工作状态以及在不同触发角情况下各种工作状态之间的转换关系。
本文设计出了以80C196KC单片机为控制核心的软起动系统的硬件电路，包括主电路、触发驱动电路、同步信号电路、电流检测电路的分析与设计等；介绍了控制系统的软件设计，包括主程序、HIS.0中断服务程序、HSO中断服务程序、PI算法子程序等；并给出部分软件模块的流程图。
分析表明，软起动器能很好的消除电机起动中的电流冲击，达到了设计要求。
论文最后对所做的工作进行了简单的总结与展望。
关键词：
三相异步电动机，软起动，调压电路，80C196KC单片机。
Abstract
Thethree-phaseasynchronousmotorsarenowadayswidelyusedinalltypesofindustryapplicationsduetotheirsimpleconstruction,highreliabilityandlowprice.However,thedirectstartofasynchronousmotorcangeneratemuchhighcurrent,whichwillcontaminatethepowergridandinjurethemotor.Highstartingcurrentwill
acceleratethemotor’sagingprocessandloselotsofenergy.Theveryhighcurrentwillalsoaffectthepowernetworkandmakethepowervoltagefluctuant.Therefore,howtostrictthestartingcurrentofthree-phaseasynchronousmotorshasveryimportanteconomicvalue.Theanalysisonthesoftstarterofthree-phaseasynchronousmotorisbasedonthepurpose.
Thedevelopmentandforegroundofthesoftstarttechniquethree-phaseasynchronousmotorsisintroducedinthispaper.ThetheoryofsoftstartingACmotorsisdeducedbasedontheanalysisofthemotorstartingprocess.Severalstartingmethodsandsomeworkingsaboutsoftstarteragecomparedandanalyzed.Then,inherentstartingcharacteristicsofthreephasesinductionmotorandthefeaturesofsinglephaseACadjustingvoltagecircuitwithinductiveloadwereanalyzed,basedon
whichtheworkstatesofthyristorthreephasesACadjustingvoltagecircuitandtheconversionoftheseworkstatesduetodifferenttriggerangleweresummarized.
Thehardwaredesignbasedon80C196KCsinglechipispresentedinthispaper,whichincludesmaincircuit,drivecircuit,timingsignalcircuitandcurrentdetectcircuit.Thesoftwaredesignofcontrolsystemincludingmainprogram,interruptroutinesandPImethodsubprogramisintroduced,andpartialdetailprogramflowdiagramisgiven.
Theresultsshowthatthesoftstartercanwelleliminatethecurrentimpact.Thesoftstarterachievesthedesignrequirements.Finallythethesismakesasimplesummaryandprospectto.
KeyWords：
threephasesinductionmotor，soft-starting，voltageregulationcircuit，Intel80C196KC
1绪论
异步电动机具有结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠，价格低廉等优点。
同时，异步电机还具有较高的运行效率和较好的工作特性，能满足大多数工农业生产机械的传动要求。
所以交流异步电机作为电力拖动系统中一个极为重要的元件在工农业生产、国防、交通运输、商业和家用、医疗电器设备等各方面有着广泛的应用。
据统计，其用电量占全国总用电量的30%以上。
而在西方发达的工业化国家，三相感应电动机消耗了大约70%的电能。
三相交流异步电机自问世以来，其起动问题就备受关注。
三相交流异步电机
在全压下起动时，起动电流可达额定电流的4～7倍，有的甚至达到了8～10倍。
过大的起动电流将造成电动机发热，影响电机使用寿命；同时还会使线路压降增
大，造成电网电压显著下降而影响同一电网内其他设备的正常运行；为了配合较大的起动电流，在配备电力变压器时，要求充分的储备容量，这将会给电力网带来极大的电能浪费；同时，过大的起动电流将使感应电动机的起动转矩冲击很大，是电机启动冲击大。
工业生产中，电机能否进行直接起动受诸多因素的限制：
①电机起动过程中的母线电压降落应小于额定电压的15％；
②低压电机的容量应小于供电变压器容量的10%-15％；
③中、大功率电机一般都不允许直接起动，而要采用一定的起动设备来完成起动。
一般规定，功率低于7．SKW的异步电动机允许直接起动。
如果电机功率大
于7．5KW，且电源总容量较大，若满足一定的条件，电动机也可允许直接起动。
反之，则必须采用减压起动的方法进行起动。
电机降压起动方式多种多样，但传统起动方式分别有着属于有级起动,体积大、故障率高、维修不便，启动转矩低不能带重载等缺点。
当然也可以采用变频器起动，但变频器造价昂贵、结构复杂，且主要用于需要对电机进行调速的场合。
软起动器则弥补上述缺憾，它是基于晶闸管相控调压原理，通过改变晶闸管触发角来改变电机输入端电压来完成电机起动。
软起动器既能限制了冲击电流，达到安全启动，又比变频器经济性好、场合适宜，能更普遍的使用。
这是本课题的实践意义所在。
2异步电动机的各种启动方式
2.1异步电动机的传统启动方法
2.1.1异步电动机起动过程分析
为了研究三相异步电动机的起动时的电压、电流、转矩等变量的关系，进而确定启动时要采取的措施，就得弄清楚电机的数学模型。
三相异步电动机的数学基本模型有以下两种：
基于状态方程的数学模型和基于集中参数等效电路的数学模型。
对于变频调速而言，多采用前者；对于电动机的软起动而言，多采用基于集中参数等效电路的数学模型。
在详细分析其内部电磁关系和电动势的基础上，借助等效电路的分析方法，对电机在不改变定子绕组物理量和电机电磁性能的前提下进行频率和绕组折算。
所谓“折算”，其物理意义是用一个静止的转子去代替实际的转子，其绕组和定子绕组相同，而与定子的电磁关系及其本身的功率和能量又与实际转子等效。
折算包括频率折算和绕组折算。
频率折算：
将频率为f2的旋转转子电路折算为与定子频率f1相同的等效静止转子电路，转子静止不动时f2＝f1。
因此，只要将实际上转动的转子电路折算为静止不动的等效转子电路，便可达到频率折算的目的。
由于频率折算前后转子电流的数值未变，所以磁动势的大小不变。
同时磁动势的转速是同步转速与转子转速无关，所以频率折算保证了电磁效应的不变。
频率折算后的电路如图2-1所
图2-1转子绕组频率折算后的异步电动机的定、转子电路
绕组折算：
进行频率折算以后，虽然已将旋转的异步电动机转子电路转化为等效的静止电路，但还不能把定、转子电路连接起来，因为两个电路的电动势还不相等。
和变压器的绕组折算一样，异步电动机绕组折算也就是人为地用一个相数、每相串联匝数以及绕组系数和定子绕组一样的绕组代替相数为m2，每相串联匝数为N2以及绕组系数为而经过频率折算的转子绕组。
但仍然要保证折算前后转子对定子的电磁效应不变，即转子的磁动势、转子总的视在功率、铜耗及转子漏磁场储能均保持不变。
转子折算值上均加“'”表示。
绕组折算包括电流的折算、电动势的折算、阻抗的折算。
分析可知，转子电路向定子电路进行绕组折算的规律是；电流Ａ除以电流比ki，电压Ｖ乘以电压比 ke，阻抗Ω乘以电压比ke与电流比ki的乘积．同时，折算只改变相关的值大小，而不改变其相位的大小。
根据折算前后各物理量的关系，可以作出折算后的T型等效电路，如图2-2所示：
图2-2三相异步电动机的T型等效电路
R1表示一次侧的电阻s表示转差率
X01表示一次侧的漏阻抗。
I1表示定子电流
R2'表示折算过的转子绕组的电阻。
I2表示折算过的转子电流
X2'表示折算过的转子绕组的漏阻抗。
Im表示励磁电流
Rm表示与定子铁芯损耗相对应的励磁电阻U1表示电机外加电压
Xm表示了与主磁通相对应的铁心磁路的励磁电抗
由T型等效电路可得异步电动机负载时的基本方程式为:
当空载运行时，由图可见相当于转子开路。
当转子堵转时（接上电源转子被堵住转不动时），相当于变压器二次侧短路情况。
因此在异步电动机启动初始接上电源时，就相当于短路状态，会使电动机电流很大，这在电机实验及使用电动机时应多加注意。
分析可知，三相异步电动机在启动时，起动转矩正比于定子端电压的平方，
起动电流正比于定子电压。
起动电压较低时，起动转矩较小，电流也较小；反之，如果电压较高，则起动转矩较大，但同时起动时的冲击电流也很大。
而异步电动机的起动特性主要表现在起动电流和起动转矩两个方面，归纳起来有以下几个方面要求：
（1）起动电流倍数Ist/IN要尽可能小；
（2）起动转矩倍数Tst/TN要尽可能大；
（3）起动设备尽可能的简单、经济、可靠，起动操作方便；
（4）起动过程中的功率损耗应尽可能的少。
2.1.2各种传统启动方法的优缺点
异步电动机是如何转动起来的。
异步电动机定子上有三相对称的交流绕组，三相对称交流绕组通入三相对称交流电流时，将在电机气隙空间产生旋转磁场；转子绕组的导体处于旋转磁场中；转子导体切割磁力线，并产生感应电势，判断感应电势方向。
转子导体通过端环自成闭路，并通过感应电流。
感应电流与旋转磁场相互作用产生电磁力，判断电磁力的方向。
电磁力作用在转子上将产生电磁转矩，并驱动转子旋转。
传统的直接起动（全压起动）是用闸刀开关或接触器把电动机的定子绕组直接接到额定电压的电网上。
直接起动的优点是操作和起动设备简单、维护方便且起动速度快。
但是直接起动的危害很大，主要表现在以下几个方面，如电网冲击、机械冲击、对生产机械造成冲击等。
所有这些都给设备和电网的安全可靠运行带来威胁，同时也造成过大的起动能量损耗，尤其当频繁起停时更是如此。
因此，为了解决三相异步电动机直接起动时出现的问题，人们采用了各种降压起动技术。
比较传统的应用较普遍的有Y一△转换、自耦变压器降压起动、定子回路串电阻或电抗起动起动。
定子回路串接电阻或电抗起动：
由于三相异步电动机在启动时，起动转矩正比于定子端电压的平方，而定子绕组串电阻或电抗时可以有效地降低定子绕组的外加电压，达到降压启动的目的。
但考虑到起动转矩与定子绕组电压的平方成正比，起动转矩会降低的更多。
因此，这种起动方法仅仅适用于空载或轻载起动场合。
对于容量较小的异步电动机，一般采用定子绕组串电阻降压；但对于容量较大的异步电动机，考虑到串接电阻会造成铜耗较大，故采用定子绕组串电抗降压起动。
如图2-3所示：
当起动电机时，先手动或自
动合上开关Q，并且保持交
流接触器KM断开，则三相
电源经电阻或电抗R流进电
机，在较低电压下完成启动，
保证了启动安全。
当电机起
动完成时，使KM吸合，短
接掉电阻或电抗R，使电机
工作在额定电压下。
图2-3定电阻或电抗起动原理图
这种启动方式具有启动平稳、运行可靠和结构简单、起动平稳等优点，如用串电阻减压启动，在启动运动阶段功率因数较高。
但起动时电能损耗较多，且电机的起动转矩随起动电压的平方成比例的减小，故一般用在轻载起动场合。
并且串电抗启动特性很难优化，其原因是电抗值必须确定，以后很难调整；频繁启动场合下启动特性不好，因为启动过程中电抗值随着电抗温度的变化而发生变化。
所以这种启动方式并不能满足对电机高性能控制的要求。
星-三角形（丫-△）起动：
星-三角形降压起动是指在电动机起动时，定子绕组为星形（丫）接法，当转速上升至接近额定转速时，将绕组切换为三角形（△）接法，使电动机转为正常运行的一种起动方式。
这起动方法虽然原理简单，但电动机定子绕组的的接线较多。
图2-4为星-三角形起动法的原理图：
如图2-4所示：
接触器KM2和KM3互锁，即
其中一个闭合时，必须要能确
保另一个断开。
KM2闭合时，
定子绕组为星形（丫）接法，使
电动机起动。
当启动过程结束
后，切换至KM3闭合，定子
绕组改为三角形（△）接法，电
动机转为正常运行。
由控制电
路中的时间继电器KT确定星-
三角切换的时间。
图2-4星-三角形起动法的原理图
这种启动方式时，启动电流和启动转矩都降为直接启动时的1/3,同时每相绕组的相电压为三角形连接（全压）时的l/
。
其优点是启动电流小、启动设备简单、价格便宜、体积小和检修方便等。
但是它的启动电压只能降到正常运行时的l/
，而且它只能用于正常运转时定子绕组是三角形连接的电动机，这大为限制了它的应用范围；同时由于它也属于降压启动，所以在负载较大时，有可能出现不能启动的情况；启动过程中无法控制电流和转矩的下降；从星型切换到三角形时，通常会出现比较大的二次电流和转矩变动，这将引起机械和电气的应力，导致故障；最后，这种启动方式仅局限于正常运转时为三角形接法的异步电动机。
综上分析，星-三角形（丫-△）起动的性能不能满足某些要求，且其优缺点和定子回路串电阻或电抗相似。
自耦变压器起动：
这种方法是电动机起动时，电源通过自耦变压器降压后接到电动机上，待转速上升至接近额定转速时，将自耦变压器从电源切除，而使电动机直接接到电网上，工作在额定电压下。
这里和串电阻降压原理一样，只是使用了自耦变压器而已，但它性能比串电阻或电抗要好。
自耦变压器是指它的绕组是初级和次级是在同一条绕组上的变压器。
其实原理和普通变压器一样的，只不过他的原线圈就是它的副线圈一般的变压器是左边一个原线圈通过电磁感应，使右边的副线圈产生电压，自耦变压器是自己影响自己。
自耦变压器最大特点是,副绕组是原绕组的一部分或原绕组是副绕组的一部分。
自耦变压器降压启动原理图如下：
如图所示，系统的工作过
程如下：
合上空气开关Q
使三相电源接通。
按启动
按钮后KM1线圈通电吸合
并自锁，其主触头闭合，
将自耦变压器线圈接成星
形，与此同时由于KM1辅
助常开触点闭合，使得接
触器KM2线圈通电吸合，
KM2的主触头闭合由自耦
变压器的低压抽头（可调，
图2-5异步电动机的自耦变压器起动法例如65％）将三相电压的65％接入电动机。
当时间继电器KT延时完毕闭合后，KM1线圈断电，使自耦变压器线圈星端打开；同时KM2线圈断电，切断自耦变压器电源，使KM3线圈得电吸合，KM3主触头接通使电动机在全压下运行，启动过程结束。
自耦变压器起动适用于容量较大的低压电动机作减压起动用。
其优点是电压抽头可供不同负载起动时选择，启动不受电动机绕组接线方式（丫接法或△接法）的限制。
其缺点是质量大、体积大、价格高、设备、维护检修费用高。
2.2软起动器概述
2.2.1软起动器的概念及原理
软起动器的概念：
软起动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为SoftStarter。
它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管及其电子控制电路。
运用不同的方法，控制三相反并联晶闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功能。
软起动器的原理：
软启动是指运用串接于电源与被控电机之间的软启动器，控制其内部晶闸管的导通角，使电机输入电压从零按预设函数关系逐渐上升，直至起动结束，赋予电机全电压的起动方法。
图2-6软启动器原理图
目前使用的软启动器，基本上是以单片机作为中央控制器控制核心来完成测量及各种控制算法，用程序软件自动控制整个起动过程。
它通过单片机及相应的数字电路控制晶闸管触发脉冲的时刻来改变触发角的大小，从而改变晶闸管的导通时间，最终改变加到电动机三相绕组的电压大小。
由于电动机转矩近似与定子电压的平方成正比，电流又和定子电压成正比。
这样，电动机的起动转矩和起动电流的限制可以通过定子电压的控制来实现，而定子电压又是通过可控硅的导通相角来控制的，所以不同的初始相角可实现不同的端电压，电动机的起动转矩和起动电流的最大值可根据负载而设定,以满足不同的负载起动要求。
电动机起动过程中，晶闸管的导通角逐渐增大，晶闸管的输出电压也逐渐增加，电动机从零开始加速，直到晶闸管全导通，从而实现电动机的无级平滑起动。
2.2.2软启动器的功能及应用场合
软启动器具有性能稳定，抗干扰能力强，运行可靠，能实现电流、速度的双闭环控制等特点，有助于系统稳定运行。
在三相异步电动机启动中使用软启动器来控制系统的启动和运行具有很多优点。
软启动器的一般功能如下：
（1）实现电机的软启动
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，使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，避免了直接启动时过流导致的跳闸，也保护了电机与电网中其他设备的正常运行。
待电动机达到额定转速时，启动过程结束。
运用不同的方法，控制三相反并联晶闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功能，从而实现对电机启动过程的准确高性能的控制。
（2）实现电机的软停车
电机停机时，传统的控制方式都是通过瞬间停电完成的。
但有许多应用场合，不允许电机瞬间关机。
例如：
高层建筑、大楼的水泵系统，如果瞬间停机，会产生巨大的“水锤”效应，使管道，甚至水泵遭到损坏。
为减少和防止“水锤”效应，需要电机逐渐停机，即软停车。
软停车的过程和软启动过程相反，先启动软启动器与旁路接触器并联运行，然后切除旁路，再对晶闸管发出停机指令。
晶闸管在得到停机指令后，从全导通逐渐地减小导通角，经过一定时间过渡到全关闭的过程。
停车的时间根据实际需要可以进行调整。
这样能有效地减少直接停车时的巨大的转矩冲击。
（3）实现节能功能
笼型异步电机是感性负载，在运行中，定子线圈绕组中的电流滞后于电压。
在工作电压不变的情况下，当电机长期处于轻载时，其功率因数低，浪费电能。
软起动器能实现在电机长期轻载时，通过调节晶闸管的导通角，降低电机定子两端电压，提高电机功率因数，减少电机的铜耗、铁耗，达到轻载节能的目的；当负载重时，则提高电机端电压，确保电机正常运行。
（4）实现各种保护功能
过载保护功能：
软起动器中引进了电流控制环，因而随时跟踪检测电机电流的变化状况。
通过增加过载电流的设定和反时限控制模式，实现了过载保护功能，在电机过载时，关断晶闸管并发出报警信号。
缺相保护功能：
工作时，软起动器随时检测三相线电流的变化，一旦发生断流，即可作出缺相保护反应。
过热保护功能：
通过软起动器内部热继电器检测晶闸管散热器的温度，一旦散热器温度超过允许值后自动关断晶闸管，并发出报警信号。
其它保护功能：
通过电子电路的组合，还可在系统中实现其它种种联锁保护，对系统安全运行有极大的提高。
软启动器的应用场合：
原则上，异步电动机凡不需要调速的各种应用场合都可使用。
目前的应用范围是交流330（也可660V），电机功率从几千瓦到800kW。
软起动器特别适用于各种泵类负载或风机类负载，这些场合急需要需要软起动由需要软停车。
对于变负载工况、电动机长期处于轻载运行，只有短时或瞬间处于满负荷运行场合，应用软起动器（不带旁路接触器）则具有轻载节能的效果。
2.2.3软启动器的几种工作方式
软起动器最主要的功能是实现电动机的软启动，按起动方式可分为限流起动、电压斜坡起动、转矩控制起动、转矩加突跳控制起动。
限流起动：
限流起动方式就是电机在起动过程中采用电流闭环设计，以限制起动电流不超过预先的设定值Im（图中为I1或I2）并进行PI。
在此前提下，逐渐升高电机的输入电压，直到转速到达额定转速后电流自动衰减下来，此时电压达到额定电压，
起动过程结束，软起动器旁路。
电流限定值Im一般设定为（2～4）
Ie，故这种起动方式起动电流小
且电流限定值可调。
但这种起动
方式具有难以确定起动压降，起
动时间较长的缺点，主要是应用
于载起动的场合。
图2-7限流启动曲线如图2-7所示：
在本设计中，我采用的思想就是限流软启动，通过设置起始最大电流和初始转矩来进行启动。
这种思路主要步骤是检测出启动过程中的电流，经过A/D转换后与额定值相比，形成一定的控制规律后输出信号。
但这种启动的转矩比较小，适用于轻载启动的场合。
电压斜坡起动：
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，主要用在重载起动。
它的缺点是起动转矩小，且转矩特性呈抛物线型上升对起动不利，起动时间长，对电动机不利。
改进的方法是采用双斜坡起动，如图2-9所示。
输出电压先迅速升至U（U，为电动机
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