软启动器总结.docx

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软启动器总结

软启动器

软启动器是一种集电机软启动、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。

利用晶闸管的电子开关特性，通过软启动器中的控制元件，控制晶闸管触发脉冲的出现时刻来改变触发角的大小，从而改变晶闸管的导通时间，最终改变加到电机定子绕组的三相电压的大小。

软启动是通过采用降压、补偿等技术手段，实现电动机及机械负载的平滑启动，减少启动电流对电网的影响程度，使电网和机械系统得以保护。

软起动器的特点:

（1）起动电流以一定的斜率上升至设定值,对电网无冲击。

（2）起动过程中引入电流负反应,起动电流上升至设定值后,即维持恒定值,使电机起动平稳。

（3）不受电网电压波动的影响,由于软起动以电流为设定值,电网电压上下波动时,通过增减晶闸管的导通角,调节电机的端电压,仍可维持起动电流

恒值,保证电机正常起动。

（4）针对不同负载对电机的要求,可以无级调整起动电流设定值,改变电机起动时间,实现最正确起动时间控制。

1．电动机启动问题

异步电机在起动时,如果施加额定电压,那么起动电流将到达7~10Ie。

除了小型电机外,一般都采用降压起动的方式。

传统的方式有Y-△起动,串电抗器降压起动,自耦变压器降压起动、延边三角形起动,上述种种方式,在起动过程中,都有一个线圈电压切换过程,因而对电网存在两次冲击,软起动器那么不存在该现象。

2．软启动器方式

电机的软启动方式有斜坡恒流软启动、转矩控制软启动、阶跃软启动、电压控制软启动和转矩加突跳控制软启动。

（1）图1为斜坡恒流〔限流〕软启动原理图。

这种启动方式是在电动机启动的初始阶段启动电流逐渐增加，当电流到达预先所设定的值Im后保持恒定，启动过程中输出电压一直增大，电机持续加速到额定速度，当速度到达额定值后启动完毕，用旁路器切除软启动器，电机电流恢复到额定值IN。

启动过程中，电流上升变化的速率是可以根据电动机负载调整设定的。

这种启动方式最大的优点是：

电流上升速率大，启动转矩大，启动时间短。

图1限流启动原理图

〔2〕图2为软启动器转矩控制启动原理图。

如果电动机带重载启动，采用转矩控制启动将会表达出巨大的优势。

转矩控制启动过程中，电机启动转矩受到线性控制，从一个较小的值Tst逐渐增大，直到增大到最大值Tem，随着电机启过程的完毕，转矩降至额定值TN并保持不变。

从图中的启动曲线来看，曲线过度平滑，柔性好，能够很好的保护负荷，延长拖动系统的使用寿命。

采用这种启动方法有效减小了启动电流，可使电机启动时对电网的冲击降到最低。

但这种启动方式也有明显的缺乏，从启动曲线上明显看出电机从启动开场到转矩上升到最大值所用的起动时间很长，对要求启动迅速的生产系统并不适用。

图2转矩控制启动原理

〔3〕图3为斜坡电压软启动原理图。

启动时输出电压迅速升至U0〔电机启动时的电压值，此时启动转矩刚好保证电机启动，为最小值〕，随着启动过程的进展电压逐渐升高到额定值UN，启动完毕，用旁路器切除软启动器。

图3斜坡电压启动原理

这种启动方式最简单，不具备电流闭环控制，仅调整晶闸管导通角，使电压与时间成一定函数关系增加。

其缺点是，由于不限制启动电流，在电机启动过程中，对于特殊的负荷有时要产生较大的冲击电流使晶闸管损坏，而且对电网冲击较大。

同时，开场启动时转矩很小，电机的负荷很大，长期应用容易烧坏电机，实际生产控制中很少应用。

〔4〕图4为阶跃启动控制原理图，这种启动方式开场时，很短的时间t1内电流迅速上升到stI′，再继续启动。

Ist为全压启动电流值，IN为额定值。

采用这种方式启动时间短，但冲击大。

图4阶跃启动控制原理

〔5〕图3-14为转矩加突跳控制启动原理图，转矩加突跳控制启动与转矩控制起动方式类似，主要用于通风机类负载。

不同之处在于启动开场后很短的一个时间t1内〔100ms左右〕施加一个脉冲电压造成转矩突然增大〔转矩突跳〕，以此来克制大负载的制动转矩，然后再和转矩控制起动方式一样，电机转矩继续平滑上升，直至启动过程完毕，这种控制方式可有效缩短启动的时间。

但是，突跳会给电网反应一定的尖脉冲，造成电网波动，干扰其它负荷的正常运行。

图5转矩加突跳控制启动原理

从上面软启动器各种启动情况来看，软启动器除了完全能够满足电动机平稳起动的要求，克制了因降压启动带来的转矩缺乏和二次电流冲击问题。

启动开场时无论采取哪种方式，软启动器实际上是靠将自身电压以斜坡式从零抬升至最大值。

由于电机转矩与电压平方成正比，软启动器连接的电动机无法从一开场就获得最大转矩。

3．软启动原理

软启动按限流器件不同可分为：

以磁饱和电抗器为限流器件的磁控软启动；

以电解液限流的液阻软启动；以晶闸管为限流器件的晶闸管软启动。

下面主讲晶闸管启动方式。

〔1〕晶闸管软启动

工业上使用的软启动器内部构造多采用图6所示的三相交流调压电路，该电路是由三组反并联的晶闸管或三只双向晶闸管并联组成，电源通过三相交流调压电路向电机供电。

电机启动时，通过触发电路改变三相交流调压电路中各只晶闸管的触发角来改变电路的输出电压，随着输出电压的改变，电机的定子电流、转矩、转速等物理量也将发生改变，开场启动过程。

随着调压电路输出的电压逐渐增加，电机的速度也越来越快，当电动机转速到达额定值时，启动过程完毕，此时利用旁路器切除软启动器，电机进入正常运行状态。

交流调压电路中的晶闸管的控制方式有两种：

一是将晶闸管作为这样一种开关，在电源电压每一周期中，在选定的时刻内将负载电路与电源接通，改变选定的时刻可到达调压的目的。

这种控制方式被称为相位控制方式；二是把晶闸管作为开关，将负载电路与电源接通几个周波，然后再断开一定周波数。

通过改变接通时间与切断时间之比即周波控制方式来调压，从而到达调压的目的。

这种控制方式被称为通-断控制方式。

图6三相交流调压电路主电路

〔2〕晶闸管触发角的推导

和其它晶闸管电路类似，负载性质决定了交流调压电路的工作情况。

因此把电机等效成阻感性负载进展分析。

三相交流调压电路可以看作是由三个单相交流调压电路并联组成的，就以单相交流调压电路的触发角为例进展推导，以此来证明三相交流调压电路的触发角特点。

当单相交流调压电路负载为交流电机这一类阻感性负载时，晶闸管的工作情况与具有电感负载的整流电路类似。

当电源电压过零时，由于电感的存在，电流还未到零，晶闸管还不能关断，需要滞后一个阻抗角（）φ=arctanωLR，电流才能到零。

晶闸管VTl、VT2的导通角θ的大小与控制角α和负载阻抗角φ有关，下面按两种情况进展分析。

a）当α﹥φ时

当控制角为α时，晶闸管导通时电压波形初相角为α。

这时通过晶闸管VTl

的电流有两个分量，即稳定分量i1和自由分量i2。

式中τ=L/R为自由分量衰减的时间常数。

通过晶闸管的负载电流i0为

随着电压下降过零进入负半周，电路中的电感能量释放完毕，管子电流到零关断。

取ωt=0时管子导通，ωt=θ时管子关断，θ即为管子的导通角。

当ωt=θ，i0=0。

从上式可得：

可推导出各角之间的关系。

当α>φ时，θ<180。

对交流调压器来说其负载电路处于电流断续状态。

其电压输出的有效值为：

b〕当α≤φ时当α=φ时，从公式〔3-2〕可得出负载自由分量i2=0。

把它带入公式可求得晶闸管的导通角θ=180。

所以通过两个晶闸管的负载电流值为:

这时的电流波形是一个完整的正弦波，但此时晶闸管已经失去了控制作用，负载电流处于连续状态。

此时相控的作用已经完全失去了。

当α<φ时，从公式〔3-中，可得出当ωt=0时，负载电流的稳态分量变为负值，自由分量变为正值，晶闸管的导通出现了大于180°的情况。

如果触发晶闸管的是窄脉冲，那么ωt=0时，α=0触发VTl后，当ωt=π时去触发VT2时，由于VTl还没有关断，VT2无法导通。

待VT1电流到零关断，VT2的触发脉冲已经不复存在，VT2还是无法导通。

当ωt=2π时，VT1又触发导通。

这样使得负载上正负半周的电压不相等，回路中将出现直流分量，电路将无法工作。

根据以上分析，可以得到结论：

交流调压电路带阻感性负载时移相X围应当控制在φ<α<180。

这样做的目的是为了电路的稳定与可靠，晶闸管触发电路应使用宽脉冲触发信号以防止出现无法工作的情况。

4．基于AT89C51的晶闸管触发电路

〔1〕硬件电路设计

硬件电路以ATMEL公司的AT89C2051单片机为核心，包括晶闸管过零检测电路、控制器投切命令电路、脉冲隔离放大电路等几局部组成，硬件框图如图7所示。

图7硬件框图

〔2〕过零检测电路

晶闸管投入电容器的时刻，也就是晶闸管开通的时刻，必须是电源电压与电容器残压的幅值和相位一样的时刻嗍。

因为根据电容器的特性，当加在电容上的电压有阶跃变化时，将产生冲击电流，会损坏晶闸管且给所在电力系统带来高频振荡等不利影响。

所以设计了晶闸管过零检测电路来解决残压测量的难题。

晶闸管过零检测电路如图8所示。

图8过零检测电路

当电源电压与电容器的残压相等时，晶闸管上电压为零．光电耦合器就会输出下降沿负脉冲至单片机INTO、INT1管脚，如果此时控制器投入指令存在，此脉冲就会经过一系列环节，产生脉冲串去触发晶闸管，保证晶闸管的导通，平稳投入电容器；当电源电压与电容器的残压不相等时，晶闸管上电压不为零．光耦导通．接到单片机的INT0、INT1呈高电平，在软件中设置此种情况不产生触发脉冲，晶闸管呈关断状态。

〔3〕晶闸管触发主电路

晶闸管触发主电路如图5所示。

电路以AT89C2051单片机为核心．采用8M晶振定时器工作方式。

PIEl用作触发晶闸管的脉冲输出，P3口用作晶闸管过零信号检测。

其管脚具体连接见图9。

其工作过程是：

当单片机通过投切命令电路接到电容器投人指令时，P1．0ORDER管脚会呈高电平。

此时检测电路检测晶闸管是否过零，当检测到晶闸管过零时，单片机INT0、INT1管脚会触发中断，单片机进人脉冲中断程序，产生触发脉冲．在单片机P1口输出去驱动脉冲问。

单片机输出的触发脉冲信号为高频调制脉冲，所以脉冲变压器采用高频变压器，体积小，不发热，易安装，二极管均采用快速二极管fl1。

工作原理是：

当单片机高频脉冲输出时，三极管立即进入导通状态，由于电容cq的瞬间短路作用，使得脉冲变压器的原边得到信号为+24V的尖峰脉冲，它可以用作晶闸管的强触发脉冲，在C的两端并上电阻R30减小了高频信号的阻抗，相当于微分，这样提高了信号的上升速率，加快了导通速度，提高触发的可靠性。

而后单片机输出的高频脉冲使得变压器副边得到持续的幅值较低的高频调制脉冲．继续供应晶闸管触发脉冲，以提高电流断续时晶闸管工作的稳定性。

同时也降低了触发电路的功耗。

图9晶闸管触发主电路

〔4〕软件设计

软件设计采用中断效劳程序的方法。

脉冲宽度和间隔采用软件延时方法来定时。

程序流程图如图10所示