兩相斬波調(diào)壓軟起動裝置設(shè)計(jì)

陳景文　王紅艷

摘要：針對傳統(tǒng)晶閘管調(diào)壓軟起動器觸發(fā)脈沖控制方法復(fù)雜，定子電流連續(xù)性差，波形畸變嚴(yán)重，諧波含量較高等不足，設(shè)計(jì)一種以全控型器件IGBT來實(shí)現(xiàn)交流斬波調(diào)壓軟啟動器，利用三相交流電源控制兩相通斷就可達(dá)到控制三相通斷的方法，保證控制效果同時(shí)可以節(jié)約成本。文章設(shè)計(jì)全控型兩相斬波調(diào)壓軟起動器的主電路和控制電路等硬件電路，并給出相應(yīng)的控制方法和軟件程序。

關(guān)鍵詞：兩相斬波調(diào)壓；異步電動機(jī)；軟起動器；裝置設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1引言

在電動機(jī)的應(yīng)用當(dāng)中，電動機(jī)的起動問題尤為重要。異步電動機(jī)起動時(shí)的瞬時(shí)電流沖擊很大，一般可達(dá)電機(jī)額定電流的4～8倍，甚至更大。過大的起動電流，對電動機(jī)本身和電網(wǎng)以及其它電氣設(shè)備的正常運(yùn)行都會造成不利的影響。

目前市場上廣泛使用的晶閘管調(diào)壓軟起動器由于晶閘管的半控性，電流會產(chǎn)生很多低次諧波，造成諧波污染，使輸出電壓波形畸變嚴(yán)重，影響電動機(jī)的動態(tài)特性。全控型兩相斬波調(diào)壓軟起動器由于采用了全控型器件，其可以自關(guān)斷，通過改變觸發(fā)脈沖的占空比來實(shí)現(xiàn)對定子電壓的無級調(diào)節(jié)，其優(yōu)點(diǎn)是IGBT的觸發(fā)脈沖不需要關(guān)聯(lián)三相母線電壓的相位，也不需要檢測過零點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖的占空比來調(diào)節(jié)電壓，控制算法和實(shí)施方法都比較簡單。再通過續(xù)流電路使得電動機(jī)電流、電壓波形更接近于正弦波，波形畸變率較低。

2兩相斬波調(diào)壓軟起動器主電路

全控型兩相斬波調(diào)壓軟起動器就是通過控制全控型器件IGBT的觸發(fā)脈沖的占空比來調(diào)節(jié)電網(wǎng)輸入定子的電壓，從而調(diào)節(jié)起動電磁轉(zhuǎn)矩的大小。具體就是通過控制兩相的輸出電壓的來控制三相輸出電壓的大小。所采用的電路主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。具體電壓調(diào)節(jié)實(shí)施方式如下：

在主電路結(jié)構(gòu)上，采用一只IGBT以及相應(yīng)的保護(hù)電路，構(gòu)成斬控式開關(guān)（1）、（2），分別串接在三相交流異步電動機(jī)的A相、B相供電主電路中。另外的C相交流電不需控制直接加在交流電機(jī)定子上。為了檢測并控制起動電流，在三相交流異步電動機(jī)側(cè)的A相、B相、C相電源線上分別設(shè)置一個(gè)電流互感器（5）、（6）、（7），電流互感器檢測的電流信號送人微處理器控制系統(tǒng)（3）。

在主電路控制上，微處理器控制系統(tǒng)產(chǎn)生的控制脈沖有兩路，分別觸發(fā)圖中的A、B兩路交流電源的（1）、（2）兩個(gè)絕緣柵雙極型晶體管，實(shí)現(xiàn)兩路交流斬控式調(diào)壓來控制三相交流電的目的。

3兩相斬波調(diào)壓軟起動器控制電路設(shè)計(jì)

3.1硬件電路的總體結(jié)構(gòu)

全控型兩相調(diào)壓軟起動器硬件原理圖如圖2所示，主要包括主控制芯片STM32電路、通訊電路、電流檢測電路、USB-串口通訊電路、電壓檢測電路、驅(qū)動電路、電源電路等幾個(gè)主要部分。每個(gè)子電路都需要連接相應(yīng)的電源電路，在圖中不在一一顯示連接。

3.2USB-串口通信電路

電路圖如圖3所示，電路實(shí)現(xiàn)如下功能：上位機(jī)可通過該接口將程序下載到STM32里，也可通過該接口，將STM32內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，并顯示出來。

3.3電流檢測電路

本次電流檢測電路設(shè)計(jì)是在AD637典型電路的基礎(chǔ)上搭建了基于Sallen-Key濾波電路的非正弦電流有效值轉(zhuǎn)換電路，并且通過分析、計(jì)算，優(yōu)化了濾波電路的參數(shù)，使得輸出紋波比典型應(yīng)用電路大大降低，有效地提高了非正弦電流信號有效值的轉(zhuǎn)換精度。

圖4中Vin-PUTA是將A相的電信號經(jīng)電流互感器和功率電阻轉(zhuǎn)換成的電壓信號。采用（N：5）的電流互感器將A相電流轉(zhuǎn)換為小電流信號，轉(zhuǎn)換后的電流值最大為5A，這樣就使得電流互感器變比一定，便于后續(xù)程序設(shè)計(jì)和計(jì)算；并且輸入檢測電路的信號規(guī)格一定，便于檢測電路的設(shè)計(jì)，可以用相同元器件參數(shù)的電路來測量不同類型的電動機(jī)電流值。將得到的小電流信號，通過一個(gè)功率電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號，輸入真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD637的輸入端。

3.4電壓檢測電路

當(dāng)三相交流電源的電壓位于0值附近時(shí)，來自外界的電磁波和以及內(nèi)部的電磁振蕩會在電壓檢測電路的過零比較器的輸入引腳上產(chǎn)生干擾信號，一旦該干擾信號超過過零比較器的敏感值，就會引起過零比較器產(chǎn)生誤動作，主控制芯片也會受到來自過零比較器的這個(gè)有誤的信號，進(jìn)而干擾軟起動系統(tǒng)的正常運(yùn)行。所采用的電壓檢測電路如圖5所示。為了盡可能消除干擾信號引起的誤動作，我們在過零比較器的同相輸入端、反相輸入端同時(shí)加上一個(gè)5V的直流電壓臺階，有效地減小了外部干擾信號對軟起動電壓檢測系統(tǒng)的影響，軟起動系統(tǒng)的可靠性得到進(jìn)一步提升。

圖中T-A接在交流異步電動機(jī)A相定子繞組與A相開關(guān)器件之問，T-B接在交流異步電動機(jī)B相定子繞組與B相開關(guān)器件之間，T-C接在交流異步電動機(jī)C相定子繞組與C相開關(guān)器件之問。這樣通過T-A、T-B、T-C可將三相電源的電壓波形引入到電壓檢測電路的輸入端。在圖中，由于電路的對稱性，R101左端的交流電壓為0，即輸入運(yùn)放U24A（LM339）反相端的交流電壓為0，直流電壓為5V。

3.5電源電路

全控型兩相斬波調(diào)壓軟起動器控制系統(tǒng)的電源模塊分別采用了LM7815、LM7812、AMS1117、LM2596_5、TPS6040、MC34063穩(wěn)壓芯片，分別產(chǎn)生了+15V、+12V、+3.3V、+5V、-5V、-10V的不同電壓，為其它部分供電。

KBL408的功能是將交流通過整流橋變?yōu)橹绷鞯恼鳂螂娐贰M2596-5的功能是將12V電壓轉(zhuǎn)換為5V電壓輸出。

選用AMS1117-3.3，將5V電壓穩(wěn)壓到3.3V。TPS6040的功能是將+5V電壓翻轉(zhuǎn)為-5V電壓，MC34063的功能是將+15V電壓轉(zhuǎn)換為一10V，用于IGBT關(guān)斷時(shí)向柵極提供足夠的反壓。

4全控型兩相斬波調(diào)壓軟起動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式軟件設(shè)計(jì)

4.1主程序設(shè)計(jì)

兩相斬波調(diào)壓軟起動主程序，作為控制系統(tǒng)的中樞，對控制系統(tǒng)的各個(gè)子程序的行為起到指揮和調(diào)配作用。控制系統(tǒng)主程序流程圖如圖6所示，雖然其結(jié)構(gòu)簡單，但是其是整個(gè)控制系統(tǒng)的靈魂，重要性無可替代。下面詳細(xì)介紹其工作過程。

首先在控制系統(tǒng)上電后，要對主控制芯片內(nèi)部的各個(gè)寄存器、外部的各個(gè)引腳進(jìn)行初始化操作；然后運(yùn)行一系列的系統(tǒng)檢測子程序，通過讀取各個(gè)對應(yīng)引腳的參數(shù)，來判斷當(dāng)前電動機(jī)所處環(huán)境是否可以進(jìn)行起動，這一階段運(yùn)行的子程序主要有相序檢測、缺相檢測、溫度檢測等，如果檢測結(jié)果符合電動機(jī)起動，就會進(jìn)入到鍵掃描環(huán)節(jié)，此環(huán)節(jié)用于監(jiān)測到一旦有人工輸入的控制信號通過鍵盤輸送至控制系統(tǒng)，則可以進(jìn)入到鍵處理環(huán)節(jié)，再由相關(guān)子程序?qū)斎氲目刂菩盘栠M(jìn)行運(yùn)算處理，等待開始起動；如果檢測子程序輸出的檢測結(jié)果不符合電動機(jī)起動，則會進(jìn)入故障處理與顯示環(huán)節(jié)，等待故障處理后重新檢測是否符合電動機(jī)起動條件。

4.2軟啟動器的啟動模式控制實(shí)現(xiàn)

軟啟動器設(shè)計(jì)完成后，主程序使其基本功能得以實(shí)現(xiàn)，即系統(tǒng)可以正常工作，但真正體現(xiàn)裝置啟動性能的是其可以提供哪些啟動模式，本軟啟動器可以實(shí)現(xiàn)斜坡升壓起動、帶脈沖突跳的斜坡升壓起動、限流起動、雙斜坡起動等啟動功能，滿足目前工業(yè)現(xiàn)場中的絕大部分軟啟動電機(jī)的需要，下面就這幾種控制模式做一說明：

4.2.1斜坡升壓起動模式

斜坡升壓起動模式比較簡單，該起動方式是將事先設(shè)定好的電壓上升率換算成為相應(yīng)的IGBT觸發(fā)脈沖占空比的變化來實(shí)現(xiàn)的，只管按照設(shè)定的程序走，沒有引入電動機(jī)的起動參數(shù)（如電動機(jī)定子電壓、電流等）作為反饋，是一種較為粗放的開環(huán)控制方式，但是其控制方案簡單，適用于對起動控制精度要求不高的場合。斜坡升壓軟起動的程序流程圖如圖7所示。

4.2.2帶脈沖突跳的斜坡升壓起動模式

帶脈沖突跳的斜坡升壓起動主要應(yīng)用在靜態(tài)阻力比較大的負(fù)載電動機(jī)上，通過施加一個(gè)瞬時(shí)較大的起動力矩以克服大的靜摩擦力矩。突跳起動力矩通常持續(xù)時(shí)間較短，在突跳起動力矩作用時(shí)間后，電動機(jī)將按照斜坡升壓起動的模式繼續(xù)起動，直至電動機(jī)起動完成。帶脈沖突跳的斜坡升壓起動流程圖如圖8所示。

4.2.3限流起動模式

限流起動方式是為了突出對電動機(jī)起動過程中的電流大小的控制，是一種較為精細(xì)的起動方式。需要將電動機(jī)起動過程中的電流大小實(shí)時(shí)地反饋給主控制系統(tǒng)，再由主控制系統(tǒng)將實(shí)時(shí)電流與設(shè)定的電流值進(jìn)行比較，產(chǎn)生控制信號，調(diào)整IG-BT觸發(fā)脈沖的占空比，進(jìn)而使電動機(jī)起動電流的大小在設(shè)定值附近的一個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)，該起動方式較為復(fù)雜。

限流起動的最大起動電流一般不超過電動機(jī)額定電流的四倍，通常的限流控制算法有PID方法、模糊控制方法、PID與模糊控制相結(jié)合的方法等。本文采用模糊控制方法。限流起動的流程圖如圖8所示。

4.2.4雙斜坡起動模式

雙斜坡起動類似于斜坡升壓起動模式，其主要區(qū)別在于斜坡升壓起動自始至終都是一種電壓上升率來起動，IGBT觸發(fā)脈沖的占空比也維持不變。雙斜坡起動主要考慮到電動機(jī)的剛開始起動時(shí)，轉(zhuǎn)速較低，適用較低的電壓上升率，以使電動機(jī)的起動電流不至于上升過快，但是隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，一成不變的電壓上升率使得電動機(jī)在起動的后半階段轉(zhuǎn)速上升較慢，電動機(jī)完成起動的時(shí)間變長。結(jié)合電動機(jī)的這一特點(diǎn)，為了盡可能減小電動機(jī)的起動時(shí)間，在電動機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)一定值以后，改變IGBT觸發(fā)脈沖的占空比，將電壓上升率變大，使電動機(jī)盡快達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，完成起動。雙斜坡起動的流程圖如圖9所示。

5總結(jié)

文章提出了一種全控型兩相斬波調(diào)壓軟起動方式，其在起動電流、起動轉(zhuǎn)矩、總諧波含量、定子電流波形方面均優(yōu)于晶閘管調(diào)壓軟起動。設(shè)計(jì)了全控型兩相斬波調(diào)壓軟起動器的硬件電路和軟件程序。設(shè)計(jì)的全控型兩相斬波調(diào)壓軟起動器諧波含量低，相比晶閘管調(diào)壓軟起動，起動電流更接近正弦波，且連續(xù)性好；控制算法簡單，保護(hù)電路齊全，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，易于維護(hù)；起動轉(zhuǎn)矩大，且連續(xù)可調(diào)；所用電力電子器件數(shù)目少，通過控制兩相來達(dá)到控制三相的目的，節(jié)約成本。