1、 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 Soft Starter。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馈 , 起动电流上升至设定值后 , 即维持恒定值 ,
2、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 , 实现最佳起动时间控制。 1电动机启动问题 异步电机在起动时 , 如果施加额定电压 , 那么起动电流将达 到 7 10I e。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 ,
3、都有一个线圈电压切换过程 , 因而对电网存在两次冲击 , 软起动器则不存在该现象。 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，当电流达到预先所设定的值 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，当速度达到额定值后启动完毕，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
4、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体现出巨大的优势。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，随着电机启过程的结束，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不足，从启动曲线上明显看出电机从启动开始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
5、。 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），随着启动过程的进行电压逐渐升高到额定值 UN，启动结束，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，开始启动时转矩很小，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
6、原理图，这种启动方式开始时，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始后很短的一个时间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），以此来克服大负载的制动转矩 ，然后再和转矩控制起动方式一样，电机转矩继续平滑上升，直至启动过程结束，这种控制方式可有效缩短启动的时间。但是，突跳会给电网反馈一定的尖脉冲，造成电网波动
7、，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，克服了因降压启动带来的转矩不足和二次电流冲击问题。启动开始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始就获得最大转矩。 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结构多采用图 6所示的三相交流调压
8、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，开始启动过程。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，当电动机转速达到额定值时，启动过程结束，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，改变选定的时刻可达到调压的目的。这种控制方式被称为相位控制方式
9、；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，从而达到调压的目的。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行分析。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行推导，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
10、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 ( ) =arctanLR ，电流才能到零。晶闸管 VTl、 VT2 的导通角的大小与控制角 和负载阻抗角 有关，下面按两种情况进行分析。 a)当 时 当控制角为 时，晶闸管导通时电压波形初相角为 。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 =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 t=0 时管子导通， t =时管子关断，即为管子的导通角 。当 t = ， i0=0。 从上式可
11、得： 可推导出各角之间的关系。当 时， 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 时当 = 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 =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 时，从公式（ 3-中，可得 出当 t=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，则 t=0 时， =0 触发 VTl后，当 t
12、=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 t =2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范围应当控制在 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避免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
13、令电路、脉冲隔离放大电路等几部分组成，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相同的时刻嗍。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，
14、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 8 M 晶振定时器工作方式。 PI El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 0 ORDER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
15、 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 +24 V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给晶闸管触发脉冲，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 软件设计采用中断服务程序的方法。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
