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前言

    我國軟起動技術起步于上世紀80年代早期，目前生產電機啟動器的廠家很多，先后也推出了多種品牌的軟起動器。但由于國內自主開發和生產的能力相對較弱，對國外產品的依賴還是很嚴重。在技術上和可靠性上與國外同類產品尚有一定的差距。所以在整個軟起動器市場上，占據統治地位的還是國外產品，國內產品所占的份額還是很低。目前市場上生產的軟啟動器主要以機械式和三相反并聯晶閘管方式為主。機械式啟動器是目前使用比較廣泛的啟動方式，但它是有級起動，會產生二次沖擊電流，啟動電流仍然為標稱電流的3~4倍，且有體積大、噪音大、維護費用高、無法適應惡劣環境等諸多弊端。

    目前在國外，發達國家的電動機軟起動產品主要是固態軟起動裝置——晶閘管軟起動和兼作軟起動的變頻器。在生產工藝兼有調速要求時，采用變頻裝置。在沒有調速要求使用的場合下，起動負載較輕時一般采用晶閘管軟起動。在重載或負載功率特別大的時候，才使用變頻軟起動。晶閘管軟起動裝置是發達國家軟起動的主流產品，各知名電氣公司均有自己晶閘管軟起動的品牌，在其功能上又各具特色。例如GE公司生產的ASTAT智能電機軟起動器；ABB公司生產的PST、PSTB系列電機軟起動器；施耐德公司的ATS46軟起動器；德國SIEMENS公司的3RW22SIKOSTART軟起動器等等。目前，國外對晶閘管三相交流調壓電路的研究己經從對控制電壓、控制電機電流的開環、閉環方式，發展到通過建立比較準確實用的數學模型，找到適用于三相交流調壓電路電機負載的控制方法，從而使三相交流調壓電路電機負載性能更優。另一方面，隨著電力電子技術的發展，異步電動機向更加可靠、方便性好、小型化方向發展。

    軟啟動器本質上是一種直流調壓裝置，用來實現軟啟動、軟停車、實時監測以及各種保護功能。為了保證系統安全可靠地運行，可以充分發揮單片機的強大控制功能，由主控制電路對系統的關鍵器件和關鍵參數，例如過壓、欠壓、過流、過載、等進行實時監控。隨著數字直流PWM調壓技術的應用，以及采用高性能的單片機作為系統的控制核心，可以使軟啟動器具有控制快速準確、響應快、運行穩定、可靠等優點。

1、三相異步電動機的起動原理

    交流三相異步電動機的傳統啟動技術，如定子串電阻/電抗器啟動、自耦變壓器降壓啟動、星形-三角形降壓啟動、轉子串電阻或頻敏變阻器啟動等，在交流電動機啟動技術發展過程中都有過重要應用。但隨著晶閘管技術的發展，三相交流調壓軟啟動器因為具有性能良好、產品多樣、電壓可連續調節以及轉矩或電流可閉環控制等優點，使得電子軟啟動器得到了深入而廣泛的發展，成為軟啟動市場中的主流產品。

    為了研究三相異步電動機的起動時的電壓、電流、轉矩等變量的關系，進而分析異步電機起動時的電流、起動轉矩和所外加電壓的關系，就要研究電機的數學模型。對于電動機的軟起動而言，多采用基于集中參數等效電路的數學模型。在不改變異步電動機定子繞組中的物理量和異步電機的電磁性能的前提下，經頻率和繞組的計算，把異步電動機轉子繞組的頻率、相數、每相有效串聯匝數都歸算成和定子繞組一樣，即可用歸算過的基本方程式推導出異步電動機的等效電路。三相異步電動機的T形穩態等效電路如圖1所示：

圖1 異步電動機的等效電路

    其中，r1為定子繞組的電阻，x1為定子繞組的漏電抗，r2為歸算到定子方面的轉子繞組的電阻，x2為歸算到定子方面的轉子繞組的漏抗。rm代表與定子鐵心損耗所對應的勵磁電阻，xm代表與主磁通相對應的鐵心磁路的勵磁電抗。U1為定子電壓向量，E1為定子感應電動勢向量，i1為定子電流向量，im為磁電流向量。基于T形等效電路的數學模型為：

2、軟起動的原理及分析

2.1晶閘管調壓原理

    晶閘管的控制方式有兩種：一是相位控制，即通過控制晶閘管的導通角來調壓；二是周波控制，即把晶閘管作為靜止接觸器，交替的接通與切斷幾個周波的電源電壓，用改變接通時間與切斷時間之比來控制輸出電壓的有效值，從而達到調壓的目的。但周波控制用在異步電機定子上時，通斷交替的頻率不能太低，一方面會引起電動機轉速的波動，另一方面每次接通電流就相當于一次異步電動機的重起動過程。當電源切斷時，電動機氣隙中的磁場將由轉子中的瞬態電流來維持，并隨著轉子而旋轉，氣隙磁場在定子繞組中感應的電動勢頻率將有所變化，當斷流時問隔較長時，這個旋轉磁場在定子中感應的電勢和重新接通時的電源電壓在相位上可能會有很大的差別，這樣就會出現較大的電流沖擊，可能危及晶閘管的安全。故在異步電動機的調壓控制中，晶閘管調壓一般采用相位控制。采用相位控制時，輸出電壓波形已不是正弦波，經分析可知，輸出電壓不含偶次諧波，奇次諧波中以三次諧波為主要成分。諧波在異步電機中會引起附加損耗，產生轉矩脈動等不良影響。此外，由于異步電機是感性負載，從電力電子學中可以知道，當晶閘管交流調壓回路帶有感性負載時，只有當移相

    本系統軟起動器采用晶閘管調壓原理，通過調節電動機定子輸入端電壓的大小和相位實現軟起動的各種功能。本系統軟起動器采用了如圖2所示的主電路。用三組反并聯晶閘管分別串聯在星形接法的電機三相定子線圈上，這種連接方式諧波比較少，調壓性能最為優越，控制系統簡單、可靠。

圖2 軟起動主回路原理圖

2.2軟起動的起動方式

    軟起動器的功能主要是實現軟起動和軟停車，而軟停車相當于是軟起動的逆過程。三相異步電動機軟起動器擁有多種起動模式，可以滿足不同的起動要求。下面詳細介紹：

    限流起動就是在電動機的起動過程中限制其起動電流不超過某一設定值Im的軟起動方式，起動波形如圖3所示。主要用于輕載起動的降壓起動，其輸出電壓從零開始迅速增長，直到其輸出電流達到預先設定的電流限值Im，然后保持輸出電流不大于該值的條件下逐漸升高電壓，直到額定電壓。這種起動方式的優點是起動電流小，且可按需要調整起動電流的限定值Im。其缺點是在起動時難以知道起動壓降，不能充分利用壓降空間，損失起動轉矩，起動時間相對較長。該方法應用較多，適用于風機，泵類負載。

圖3 限流啟動波形

3、硬件設計

3.1主電路的選擇

    在晶閘管交流調壓系統中，晶閘管可以借負載電流波形過零而自行關斷，不需另加換流電路，所以其主要優點是線路簡單、調壓裝置體積小，價格低廉、使用及維修方便。本系統采用晶閘管相控調壓的技術，采用圖4所示的主電路，用六個兩兩反向并聯的晶閘管串連在電機主供電回路中。

圖4 交流調壓主電路

3.2主回路電路

    軟起動器主回路設計電路如圖5所示。

圖5 主回路電路

    采用三組反并聯晶閘管組成調壓電路。在三組晶閘管和三相供電電源之間接入接觸器，軟起動時，接觸器斷開，軟起動完成后接觸器閉合。軟停車開始時，接觸器再次打到雙向晶閘管端，軟起動器投入到停車運行，如此重復來完成軟起動和軟停車。在三相電源側通過隔離電路得到軟起動器同步信號；在晶閘管輸出側即R、S、T通過電阻分壓而得到較低幅值的三相電壓，再經過整流電路送入單片機做故障檢測。而TAl，TA2年TA3表示為霍爾傳感器電流輸出，該電流信號通過整流電路后轉變成電壓信號輸入到控制回路。

4、過電流保護電路設計

    一個優秀的過流保護環節應該是既能對過流反應迅速，又能夠準確動作。本設計的過流保護和過壓保護環節相似。過流保護的信號取自電流反饋回路，整流、濾波電路與電流反饋電路相同。它與設定值相比較，一旦超過設定值，則輸出一個低電平信號送入輔助單片機U2的外部中斷口P3.3，然后再由軟件處理，對過流的晶閘管實現脈沖封鎖、故障報警和系統復位等。對過電流值的設定，一般選擇大小為5.5倍的額定電流，這是因為一般的限流起動時，選擇的最大限流幅度為5倍，因此要留出一定的余量來保證正常起動時不至于切斷電路。過流保護的具體回路如圖6所示。

圖6 過電流檢測電路

5、觸發脈沖控制的軟件設計

    由單片機產生所需的晶閘管移向觸發脈沖，必須包括同步電壓檢測環節、移相延遲角定時環節、觸發脈沖時序分配環節等部分，它與模擬電路實現的方法是類似的。

    同步檢測信號在發生正跳變時，經反相以終端的形式向CPU的INT0提供同步指令。采用CPU內部T0定時器檢測同步信號的周期，用T1定時器實現移相角的定時控制，P1端口的P1.2~P.7分別用于輸出三相橋式整流電路的觸發信號，而P1口的P1.0~P1.1除法指令進行采樣。而由于MCS51單片機在CPU上電復位期間，所有輸出為高電平，為避免復位期間所有晶閘管存在驅動信號，應采用低電平為有效觸發信號。即當端口輸出為低電平時，經外加反相器變為高電平后觸發晶閘管導通，輸出觸發脈沖的寬度也通過定時器T1來控制。

6、結論

    電機軟起動器將來的發展方向是更加智能化和多功能化。目前來看，軟起動仍以電壓斜坡軟起動和限流軟起動為主要形式，以后轉矩控制的起動方式將成為電機軟起動的一種重要起動方式。從更長期來看，變頻軟起動將成為軟起動的主流。這是因為變頻軟起動可以在限流(起動電流不超過電機額定電流值)的同時獲得大的起動轉矩，完成包括軟停車在內的各種起動功能。