基于單片微機控制的電機軟啟動器研制*

趙晉琴，肖 杰，唐紅琴，姜明俊

（1.湖南第一師范學院信息科學與工程系，湖南長沙 410205）；2.重慶大學，重慶 400044）；3.長沙順特變壓器廠，湖南長沙 410014）

0 前言

電動機是工業、農業和交通運輸的重要設備，隨著社會生產的日益發展，電動機的應用越來越廣泛。三相交流鼠籠式感應電動機因其結構簡單、運行可靠和價格便宜而被廣泛采用，據統計，其耗電量約占全國發電量的30%以上。然而，三相交流感應電動機是一種反電勢負載，在啟動開始時反電勢為零，若直接啟動，將會產生很大的沖擊電流并造成多種危害。特別是當電動機容量較大時，沖擊電流會對電網及其負載造成干擾，嚴重時將會危害電網的安全運行；啟動電流過大還會使電動機本身受到過大電磁力的沖擊，造成繞組過熱的危險。同時，由于啟動應力較大，使得負載設備的使用壽命降低。為了克服三相感應電動機直接啟動造成的危害，人們采用了各種降壓啟動技術，而單片機控制的電子式軟啟動器是目前最先進、最流行的三相感應電動機軟啟動控制裝置，采用該裝置，不僅能減小電機啟動時對電網的沖擊，而且能達到節能的目的[1-2]。

本文結合鼠籠電機本身具有的特性，研制了一款低成本、大功率的智能軟啟動器，采用MCS-51 系列單片機控制晶閘管三相交流調壓電路[3]，由三相交流調壓電路給電機供電，調節輸出電壓幅值以控制電機，從而降低電機的啟動電流，從根本上解決了傳統的降壓啟動設備的諸多弊端，滿足用戶要求。

1 軟啟動器的工作原理及結構

軟啟動器是一種集軟啟動、軟停車、多功能保護、節能于一體的電機控制裝置。它串接于電源和被控電機之間，通過控制其內部晶閘管的導通角來調整電機的輸入電壓，使電壓從零開始按預置的實際工藝曲線逐步上升，待電機達到額定轉速時，啟動過程結束，達到電機平滑啟動的目的[4]。它不僅能根據電機的負載特性來調整其啟動過程中的參數，而且能實現啟動過程的無沖擊電流，對電機具有一定的保護作用。軟啟動器同時還提供軟停車功能，軟停車與軟啟動過程正好相反，控制電機的輸入電壓逐漸降低，使轉速從額定轉速逐漸降低到零，避免了電機停車引起的轉矩沖擊，保護電機。基于單片微機控制的電機軟啟動器組成框圖如圖1 所示。以89C52 單片機為核心組成晶閘管觸發角α控制調壓電路輸出電壓，而α角的變化規律由單片機根據用戶預置并符合實際的工藝曲線，再根據實際啟動/停車過程中的電流和電動機運轉狀況予以微調[5-6]，主要完成鼠籠電動機的自動軟啟動/軟停車功能，也可手動完成電動機的軟啟動/軟停車。自動/手動、軟啟動/軟停車功能的選擇由單片機根據撥碼開關的預置位置自動識別，控制器根據識別結果進入相應的控制程序。在自動功能中，控制過程根據用戶預選的工藝曲線或限流值自動完成；在手動功能中，控制過程由工作人員以點動的方式人工完成。

圖1 電機軟啟動器組成框圖

2 硬件電路設計

2.1 主電路設計

電機軟啟動器主電路如圖2 所示，采用帶旁路的晶閘管三相交流調壓電路，由三組反并聯的雙晶閘管支路組成，以實現對三相交流電源進行斬波調壓及旁路，調節輸出電壓幅值供給電動機，以滿足軟啟動/軟停車的工藝要求。

2.2 控制電路設計

圖2 電機軟啟動器主電路

采用MCS-51系列單片機89C52擴展系統作為軟啟動器的微控制器單元。擴展了鍵盤電路、數碼管顯示電路、指示燈等人機接口電路[3]，如圖3所示，以便于操作人員現場進行參數修改、工作模式選擇等工作。

（1）相電壓檢測電路

三相輸入電壓uAN、uBN、uCN分別經電壓過零比較器變為單極性方波Uan、Ubn、Ucn，經光耦隔離后輸入單片機系統，作為微控制器分配觸發脈沖的主同步信號[2]，也作為微控制器進行相序檢測、缺相判斷的輸入信號。

（2）晶閘管壓降檢測電路

三組晶閘管兩端的壓降信號經整流后再與電壓過零比較器比較，產生的方波信號經光耦隔離后輸入單片機系統，作為晶閘管損壞判斷和輔助同步信號。若微控制器發出脈沖后較長時間晶閘管不導通或關閉脈沖后較長時間晶閘管不關斷，則斷定為晶閘管損壞或驅動電路出現故障；微控制器在分配脈沖時，要等對應晶閘管關斷后才按序觸發下一脈沖，以避免占空比丟失引起電機振蕩。

（3）線電流檢測電路

用三只電流互感器分別檢測出三線線電流，經A/D 變換、光耦隔離后送入微控制器，作為限流調節、過流保護的輸入信號。

（4）驅動電路

微控制器發出的六個脈沖信號經驅動電路、隔離變壓器后分別控制相應的六只晶閘管。

圖3 單片機控制電路

3 軟件程序設計

3.1 軟件流程

軟件程序主要完成初始化、故障診斷、參數設置、讀工藝曲線、參數計算、輸出電壓調節功能及旁路切換等功能。主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

3.2 程序算法

3.2.1 脈沖分配

根據三相市電固定時序，微控制器依次發六個彼此間隔60 度的觸發脈沖給相應的六個晶閘管，為可靠形成電流回路，在發某個脈沖時，同時向前補發一個脈沖。各觸發脈沖時序與主同步信號的關系如圖5 所示，序號與時序一致，括號內為補發的脈沖，同步信號上的箭頭處表示主同步點，實發觸發脈沖時刻為自同步點滯后觸發角α處。

圖5 脈沖分配與同步信號

3.2.2 工藝曲線

工藝曲線用來描述對電機運行過程的要求，本軟啟動器采用調壓方式對電機執行軟啟動/軟停車，因而工藝曲線表現為對軟啟動器輸出電壓的要求上，圖6所示為工藝曲線常見形式之一。

軟啟動器的輸出電壓受觸發角α控制，為了控制的快速方便，通過預先估算，將用輸出電壓表示的工藝曲線轉換為用觸發角α表示的工藝曲線，如圖7 所示。每一軟啟動器配有多種可供選擇的工藝曲線，各工藝曲線以數據序列的形式存儲于微控制器的ROM中，存儲內容包括：總段數n、每段的起始α角和終值α角、每段的變化率ρ、每段的時間數Δt、觸發角α的微調量σ。例如圖7所示工藝曲線，其在ROM 中的數據結構為：[4；α0，α1，ρ1，t1，σ1；α1，α2，ρ2，t2-t1，σ2；α2，α3，ρ3，t3-t2，σ3；α3，α4，ρ4，t4-t3，σ4]。選擇適當的基本時間單位，如以20 ms為基本單位，以方便于運行時對觸發角α進行自動調整和校正。

圖6 工藝曲線示意圖

圖7 軟啟動工藝曲線及其轉換

3.2.3 α調節規律

每五個基本時間單位后，根據預選的工藝曲線對α角調整一次，給α增加一個改變量ρ（軟停車時減小一個改變量ρ），若輸出電壓和輸出電壓變化率均沒有達到要求，且線電流沒有超過限流閾值，再給α角增加一個微調量σ；若輸出電壓和輸出電壓變化率均超過要求，或線電流超過限流閾值，則給α角減小一個微調量σ。在軟件中，對α角予以邊界限定，最大α角由軟件內定（如最大推薦值為110°），以最大可能地加速起動；最小α角由軟件根據實際工況自適應調整，為電源電壓（主同步信號）過零點到對應晶閘管關斷點的值，目的是在自然換流、感性負載條件下，保證在發下一組脈沖時，該自然關斷的晶閘管已可靠關斷，從而避免因占空比丟失引起電機振蕩。

4 應用效果

用Simnon 軟件對該調壓軟啟動器進行仿真，得到圖8所示的波形。從圖8中可以看出，調壓器輸出電壓波形為有缺口的“非圓滑”波形，但因電機為感性負載，其電流波形依然為“圓滑”波形。

某單位一水泵房有一臺380 V，額定功率為75 kW，額定電流為140 A的交流電動機負責水塔供水，由于啟動和停泵時經常產生水錘效應導致水泵的葉輪、管道損壞而停水，啟動電機經常出現周圍電網跳閘。經技術改造，水泵電機啟動由原來的直接啟動改造為單片機控制的電機軟啟動器，通過對軟啟動器的各項參數設置使電機獲得了較好的啟動性能，起始電壓為：60%Ue，限流倍數為：3.5Ie，升壓時間為：3 s。在水泵電機停機時同樣通過對軟啟動器各項參數設置使得水泵電機獲得較好的制動性能，取得了很好的保護效果，同時也保證了該單位正常供水和周圍電網的正常運行，節約了設備維修經費，保護了設備和電網，可靠性高，性能完善，完全滿足用戶要求。

圖8 仿真波形

5 結束語

本軟啟動器的研制實現了電機軟啟動、軟停車和多種綜合故障保護。三相交流鼠籠式電機不需要調速的任何場所都可以應用該軟啟動器，特別適用于各種泵類負載、風機類負載，需要軟啟動和軟停車的場合。本軟啟動器的主要優點有：（1）控制算法簡單，實現容易，不必熟悉電機復雜的數學模型；（2）晶閘管調壓電路采用的是自然換流開關器件，在帶電機負載時，控制系統中存在寄生的電流正反饋信號，若該信號幅值超過一定值，會引起電機的振蕩，只須在軟件中加入電流正反饋信號幅值抑制措施；（3）工藝曲線可靈活配置，滿足各類電機軟啟動/軟停車工況要求；（4）以較低的成本很好地解決了電動機起動時對電網和機械設備的沖擊，同時還具備軟停車、多種故障保護、節能、通訊等功能；（5）與國外同類產品比較，具有較大的經濟性和實用性，可廣泛應用于冶金、石化、市政、制造等行業，也必將成為三相鼠籠式電機智能啟動的主流設備。

［1］Hefner R A.Analytical modeling of device-circuit interaction for power IGBT［J］.IEEE Trans，1991，6（2）：208-219.

［2］Blaabjerg F，Pedersen J K，Rise S，et al.Can soft starters help save energy ［J］.IEEE Industry Magazine，1997，9（10）：56-66.

［3］何立民.MCS251 系列單片機應用系統設計：系統配置與接口技術［M］.北京：北京航空航天大學出版社，1990.

［4］魏子良，郭學慶，張慶范.基于負載率的異步機經濟運行的研究［J］.控制工程，2003，10（5）：474-477.

［5］李新兵，張繼勇，薛半進.基于改進控制器的異步電動機直接轉矩控制［J］.機電工程，2006，23（12）：24-27.

［6］吳俊，邱建琪，史涔溦，等.基于FPGH 的異步電動機變頻調速系統［J］.機電工程，2012（8）：941-944.