矿用三相异步电动机软启动器设计

摘要：随着工业自动化的不断快速发展，以及日益增加的需求压力，近三十多年来，国内外对异步电动机的启动方法进行了大量的研究，异步电动机以其优良的性能及无需维护的特点，在各行各业中得到广泛的应用，尤其是在工业应用领域得到广泛应用。然而由于其启动时要产生较大冲击电流（通常是运行电流的5～8倍），同时起动扭力较大，不仅会使使负载设备的使用寿命降低。对于这一问题我们设计了一款新型智能电动机启动设备。它主要是采用可控硅为主要器件、单片机为控制核心的软启动器是一种以软启动、软停车、轻载节能和多功能保护于一体的新颖电机控制装置。

关键词：三相异步电动机 双向可控晶闸管 stc12c5a32ad单片机 触发脉冲 过零检测

一、软启动器的出现及发展

伴随着传动控制对自动化要求的不断提高，采用可控硅为主要器件和单片机为主要控制核心的智能型电动机起动装置—软启动器，已在各行各业得到广泛的应用。由于软启动器性能优良、体积小、重量轻，并且具有智能控制及多种保护功能，另外，各项启动参数还可根据不同负载进行调整，古其负载适应性很强。因此电子式软起动器将逐步取代落后的y/δ、自耦减压和磁控式等传统的减压起动设备必将成为必然。

电力电子技术的快速发展，软起动器得到广泛应用。软起动器是一种集软起动、软停车、轻载节能和多功能保护于一体的新颖电机控制装置。它具有多种对电机保护功能，例如有短路、过载、电压断相、电流断相、漏电闭锁等保护功能，这就从根本上解决了传统的降压起动设备的诸多弊端。这也就是意味着三相异步电动机可以实现平稳启动，而且机械和电应力将会降至最小，因此软启动器在市场上得到广泛应用。

二、设计理论与控制方案

为了研究异步电动机的起动时的电压、电流、转矩等变量的关系，进而分析异步电机起动时的电流、起动转矩和所外加电压的关系。就要研究电机的数学模型采用集中参数等效电路的数学模型时首先需作一些假定，根据电机学知识，可得：

1）忽略空间和时间谐波

2）忽略磁饱和

3）忽略铁损

电动机软起动是一种连续无级渐渐升压限流起动方式，主要思想是通过软件控制，使电动机在起动时，定子电压由某一个初始值逐渐上升至全电压，并在电压上升过程中，限制起动电流的增加，以实现小电流起动，大电流工作。即软起动是以软件控制代替常规继电器线路控制来满足电动机平稳升压起动。

软起动器常采用的是三相交流调压电路，在电源和异步电动机之间接入反并联晶闸管调压电路。晶闸管的控制方式一般采用相位控制，即使晶闸管在电源电压每一周期中，在选定的时刻将负载与电源接通，改变选定的时刻可达到调压。

设计系统时把三对反并联晶闸管分别串接在电动机的三相定子线圈上，晶闸管的编号为：vti、vt4构成一对接到电源a相，vt2、vt5构成一对接到电源b相，vt3、vt6构成另一对接到电源c相。通过触发电路的输出改变晶闸管控制角的大小，从而来控制晶闸管的导通，使电动机的端电压缓慢平稳上升。六只晶闸管门极触发的相序是vti、vt3、vt5触发相位依次滞后 120度；vt4、vt6、vt2之间触发相位也依次滞后120度，并且又分别滞后于vti、vt3、vt5各180度。在任何时刻都必须有两个晶闸管导通，才能形成导电回路，其中一个晶闸管是正向的，另一个晶闸管是反向的。为了保证两组各有一晶闸管导电，必须对两组中应导通的一对晶闸管同时给触发脉冲。所以在触发某一号晶闸管的同时给前一号晶闸管补发一个脉冲。例如当要求vti导通时，除了给vti发触发脉冲外，还要同时给vt6发一触发脉冲。欲触发vt2时，必须给vti同时发一触发脉冲等。

2.1软启动器启动方式

以不同的参量作为控制目标，可以得到多种起动方式，进而影响电机不同的起动性能。电子软起动器以灵活多变的控制方式应用极为广泛，它一般有以下几种起动方式：

1斜坡电压启动

晶闸管软起动器的基本控制对象是电动机的起动电压，所以可以通过控制电压就可以控制电动机启动时候的参数，而斜坡电压是经常用到的一种控制方式，主要优点在于控制方式简单，缺点是启动较缓慢。

2限电流启动

限流起动顾名思义就是在电动机的起动过程中限制其起动电流不超过某一设定值

3转矩控制启动

主要用在重载起动，

它是按电动机的起动转矩由小到大线性上升控制输出电压，它的优点是起动平滑、柔性好，对拖动系统有利，同时减少对电网的冲击，是最优的重载起动方式，其缺点是起动时间较长。

三、系统硬件设计

设计过程中，根据硬件电路图，把系统电路分为几个模块，本次设计主要

分为工作电源模块、电压检测模块、电流检测模块、核心控制模块、键盘显示模块、触发驱动模块。根据各个部分的特点，对各个模块进行定义，作为软件的依据；制定系统整体模块图，根据各部分特点对各个模块进行编程，然后进行分布测试；对各模块程序进行整合，形成整个系统的程序，然后进行软件调试。最后硬件软件相结合，看是否达到设计需要达到的结果，进一步进行调试，以达到理想效果。

控制系统的硬件设计是软起动器设计过程中最为重要的环节，是整个系统的基础。本控制器是要实现三相鼠笼式异步电动机的软起动过程，根据完成软起动过程，需要完成一些参数的检测和输出：

（l）同步电压信号的检测，判断电压的过零点和相序。

（2）检测电动机的电流，判断电动机的起动电流是否在控制范围内。

（3）控制系统所需的工作电源

（4）控制参数和运行参数

设计三相异步电动机软起动器首先要考虑它所要实现的这些功能，然后根据这些功能设计各个模块。

（1）工作电源模块：为系统供电，使其正常运行。

（2）电压检测模块：一方面将三相电源电压的大小信号，送入单片机，经ad处理作为故障检测、过压及欠压保护、电压显示等的依据；另一方面，将三相电源的模拟电压转变为方波信号，作为触发三相晶闸管的相位信号与同步信号。

（3）电流检测模块：通过电流互感器检测电机的三相电流，将电流信息送入单片机中，作为过流保护、电流显示等的依据。另一方面同样检测电流的相位信号。

（4）核心控制模块：stc12c5a32ad是系统的核心控制单元，负责包括信号检测，移相角实时计算，输出控制等功能。

（5）键盘显示模块：可预制起动、停机方式和各参数的预先设置或修改，显示部分可显示多种软起动参数。

（6）触发驱动模块：信号输出通过光藕隔离驱动晶闸管。

四、系统软件设计

选用单片机c语言完成整个控制软件的设计。系统软件的设计采用模块化设计思想，模块之间相对独立，便于程序的编写和调试。

系统的主程序主要包括：系统初始化、相序处理、按键扫描和按键处理。软启动器工作时，不停的对键值进行扫描，检测到有键按下就转入具体的键处理程序，进行键处理时关闭中断，处理完毕后开中断，循环进行键扫描

五、小结

电动机作为重要的动力装置，已被广泛用于工业、农业、交通、国防军事设施以及日常生活中。直流电动机在过去曾一直占统治地位，但由于本身结构原因，以及启动、调速和停机等方面的不足，渐渐显露出了它无法满足日益增长的生产压力缺点。伴随着交流电动机的出现，尤其是三相鼠笼式异步电动机，由于其结构简单、制造方便、价格低廉，而且坚固耐用、惯量小、运行可靠等优势，在工业生产中得到了立刻得到了极广泛的应用，也正在扮演着无法取代的地位。