低压电动机软启动器的设计
低压电动机软启动器的设计
摘 要：为了解决由于三相异步电动机启动电流大，采用了STM32F103RBT6单片机及功率器件晶闸管为核心，完成了三相异步电动机软启动的系统设计。利用32位单片机STM32F103RBT6实现了电压斜坡启动、限流启动、软停车。通过改变晶闸管的触发角来实现对电机定子两端的电压调节，解决了电动机启动时对电网和机械设备的冲击，延长了供电设备的寿命，同时能够实现软停车、故障保护、节能等功能。
关键词：软启动器；低压电动机；单片机；晶闸管
Design of Soft-starter in Low-voltage Motor
Abstract: STM32F103 microcontroller and thyristors were used in the three-phase asynchronous motor soft starter essentially, aiming at overcoming the rampant of its staring current. Actually, voltage slope start, current limit start and soft parking were achieved by the STM32F103RBT6 of 32-bit microcontroller. Additionally, the motor stator voltage was adjusted by the trigger angles of the thyristor to avoid the impact of the starting current on mechanical equipment and grids, extend the lifetime of the powered devices, and achieve a soft stop, fault protection, energy saving function etc.
Key words: Soft-starter; low-voltage motor; single chip; thyristor
目 录
摘 要 ............................................................................................................................... 1
关键词 ............................................................................................................................... 1
1 前言 ............................................................................................................................... 5
1.1 三相异步电动机软启动器的国内外研究现状 ··········································· 5
1.2 本设计主要内容 ··············································································· 5
2 软启动器原理 ............................................................................................................... 6
2.1 软启动器及其工作原理 ······································································ 6
2.2 软启动器启动方式 ············································································ 6
2.3 软启动器的四种运行状态 ··································································· 7
2.4 软启动器的四种停机方式 ··································································· 8
2.5 软启动器的设计方案 ········································································· 8
3 软启动器硬件电路设计 ............................................................................................... 8
3.1 软启动器硬件电路总体框图 ································································ 8
3.2 软启动器主电路的设计 ······································································ 9
3.2.1 软启动器主电路的设计 ......................................................................................... 9
3.2.2 电路元件参数的选择 ........................................................................................... 10
3.3 软启动器控制电路的设计 ································································· 10
3.3.1 软启动器电机线电压检测电路设计 ................................................................... 12
3.3.2 软启动器晶闸管触发驱动电路设计 ................................................................... 12
3.3.3 软启动器同步电路设计 ....................................................................................... 13
3.3.4 软启动器电机转速检测电路设计 ....................................................................... 14
3.3.5 软启动器相序检测电路设计 ............................................................................... 15
3.3.6 软启动器保护电路的设计 ................................................................................... 15
3.3.7 软启动器电流检测电路设计 ............................................................................... 16
3.3.8 软启动器电机功率因数检测电路设计 ............................................................... 17
3.3.9 软启动器键盘及LCD显示电路的设计 ............................................................. 18
4 软启动器软件设计 ..................................................................................................... 19
4.1 系统主程序流程图 ·········································································· 20
4.2 软启动器晶闸管触发脉冲产生程序设计 ··············································· 21
4.3.1 对晶闸管门极触发的要求 ................................................................................... 22
4.3.2 触发脉冲延时触发的次序 ................................................................................... 22
4.4 软启动器电压斜坡启动程序设计 ························································ 22
4.5 软启动相序检测程序设计 ································································· 23
4.6 软启动器同步信号程序设计 ······························································ 23
4.7 软启动器键盘程序设计 ···································································· 25
4.8 软启动器LCD显示程序设计 ···························································· 25
5 结论 ........................................................................................................................... 25
参考文献 ......................................................................................................................... 26 致 谢 ......................................................................................... 错误！未定义书签。
附录 ................................................................................................................................. 28
1 前言
1.1 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对电动机的软起动应用是在1970 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，国外对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［1］。
90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315～2000KW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：SIRIUS 3RW30/31 适用于55KW以下电机，SIKOSTART 3RW22 适用于710KW 以下电机，SIKOSTART 2RW34 适用于1050KW以下电机。从软起动出现在世界，就伴随着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40％～50％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［2］。
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制电机电流的开环、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，从而使三相交流调压电路电机负载性能更优。
1.2 本设计主要内容
本课题要求以STM32F103RBT6单片机为控制核心，设计了一个三相低压异步电动机软启动器控制系统，本文介绍了以下主要内容：
(1) 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；
(2) 软启动器的启动方式采用斜坡软启动；
(3) 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；
(4) 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；
(5) 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；
(6) 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；
(7) 设计了晶闸管驱动电路,保证晶闸管可靠导通。
2 软启动器原理
2.1 软启动器及其工作原理
软启动器是一种用来控制三相交流电动机的专用产品，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，是传统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，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完成任务的晶闸管，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。
2.2 软启动器启动方式
软启动器一般有下面几种启动方式：
(1) 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。它的缺点是起动转矩小，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［3］。斜坡升压软起动原理图如图1。
(2) 斜坡恒流软启动 这种启动方式是在电动启动的前阶段电流逐渐增加，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［4］。斜坡恒流软起动原理图如图2。
(3) 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3。
(4) 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，由于其静阻力矩较大，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500%，突跳启动时间可在0～2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［5］。转矩加突跳控制启动方式原理图如图4。
I(t)
US
Im
U1
In
图1 斜坡升压软启动方式 图2 斜坡恒流软启动方式
Fig l Slope boost soft-start mode Fig 2
Slope constant current soft-start
M(t)
M(t)
t
图3 转矩控制启动方式 图4 转矩加突跳控制启动方式
Fig 3 Torque Control Starting Method Fig 4 Torque sudden jump to control the startup
mode
2.3 软启动器的四种运行状态
软启动器有4种运行状态：
(1) 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。
(2) 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。
(3) 节能运行模式 当电动机负荷较轻时，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。
(4) 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［4］。
2.4 软启动器的四种停机方式
软启动器有4种停机方式可供选择：
(1) 自由停车 直接切断电源，电机自由停车。
(2) 软停机 在有些场合，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。
(3) 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机的过程中，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，从而消除“水锤效应”。
(4) 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0～99S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。
2.5 软启动器的设计方案
软启动器的设计方案主要有带旁路接触器和不带旁路接触器2种：
(1) 不带旁路接触器设计方案 笼型异步电动机是感性负载，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。
(2) 带旁路接触器设计方案 对于电动机负载长期大于40%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。
3 软启动器硬件电路设计
3.1 软启动器硬件电路总体框图
三相低压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，即主电路和控制电路。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机的容量选择，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检测、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5。
3.2 软启动器主电路的设计
3.2.1 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，这种连接方法由于各相波形对称，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。本系统采用这种典型的调压电路。
图5 软启动器硬件总体框图
Fig 5 Soft-start the overall hardware block diagram
3.2.2 电路元件参数的选择
晶闸管参数的选择主要考虑其电流容量和耐压[11]:
I(1) 晶闸管电流容量（通态平均电流T(AV)）的选择
带电阻负载的单相工频正弦半波 IT(AV)是在环境温度为40和规定的冷却条件下，
电路中，管子全导通(导通角不小于170)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作时，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Kf和留有一定的裕量，则晶闸管的通态平均电流IT(AV)为：
IT(1.25~2)KIN （1）
(2) 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，同时还与电动机的容量、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2～3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
UN(2~3)2220 （2）
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，因而通态时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、过电流以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［1］。
3.3 软启动器控制电路的设计
STM32F103RBT6/STM32F103是 ST 公司基于ARM最新Cortex-M3架构内核的32位处理器产品，内置128KB的Flash、20K的RAM、12位AD、4个16位定时器和3路USART通讯口等多种资源，时钟频率最高可达72MHz。在本设计中采用该芯片完全满足其性能要求，硬件电路如图7。硬件接口达到64个，其中I/O口具有许多重映射功能，方便布线和设计。内部自带12位AD转换电路，节省了外围AD转换电路的设计，降低了开发成本。外部中断接口可以随意选择I/O口，应用是只需在软件上对端口进行复位和配置即可。该控制电路中采用8MHZ晶振，由内部软件进行设置成九倍频，即72MHZ，完全满足该设计的精度要求，处理速度快，精度显示高，运算能力强。该芯片采用单独3.3v电源供电，能耗低，抗干扰性强，适合于工厂企业、矿山企业等复杂的工矿环境。