低諧波軟啟動器的研究

李常青+滕曉菲+楊少杰+孫旭鴻+鄭崇偉

摘 要： 設計一種軟啟動器，以可控硅做主控元件，單片機控制軟啟動策略，實現對異步電動機的軟啟動。STM32系列微控制器通過控制可控硅導通的周期波數，進而改變異步電動機啟動電壓的平均值，從而減少啟動電流對電網的沖擊。同時進行相位檢測，確定啟動電流的過零觸發，克服了一般軟啟動器產生嚴重諧波污染的問題。

關鍵詞： 軟啟動器； 可控硅； 異步電動機； 過零檢測

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）07?0107?03

Research on low harmonic soft starter

LI Chang?qin， TENG Xiao?fei， YANG Shao?jie， SUN Xu?hong， ZHENG Chong?wei

（College of Physics and Electronic Information Engineering， Wenzhou University， Wenzhou 325035， China）

Abstract： A soft starter which takes SCR as master element and single?chip for the soft?start control is designed to achieve soft?start of the asynchronous motor. The average value of the startup voltage of asynchronous motors can be changed by the series of STM32 microcontroller according to the periodic wave number generated by controlling the breakover of SCR， so as to achieve asynchronous motor soft?start and reduce the starting current impact of grid. While detecting phase， it always determines the zero trigger of starting current. It overcame the serious harmonic pollution caused by soft starter.

Keyword： soft starter； SCR； asynchronous motor； zero?cross detection

0 引 言

交流異步電機直接啟動時的電流過大，會引起電網電壓下降，而且會產生很多的諧波，這直接影響電網供電和其他設備運行，所以需要設計一種低諧波的軟啟動器。傳統意義上的降壓啟動方式雖然能在一定范圍內減小啟動時的大電流，但不能完全消除由電機啟動時切換所帶來的沖擊[1?2]。軟啟動實質上是根據軟啟動設備控制晶閘管的導通角的調控，使電機輸入定子繞組上的電壓由一初值逐漸上升，慢慢上升至電機全電壓，這時啟動結束，相較于其他降壓啟動方式，可以明顯的發現，電機的啟動轉矩更小、啟動電流變小、啟動時間變短等優勢，提高了電機設備的安全性能和電網質量[3?4]。本文提出一種新的軟啟動的控制思想和方法，以STM32F103RBT6單片機為控制核心，采用雙向可控硅為主控器件控制電機啟動過程中導通的周波數，控制方式方便簡單，利于操作，且易于移植，對整個系統性能影響小。

1 低諧波軟啟動器的控制原理

低諧波軟啟動器的控制思想主要是將晶閘管的調壓技術應用到異步電動機的起動控制中，面對異步電動機起動時具有大電流的基礎上，再近一步優化，通過單片機控制可控硅的導通周波數，而不是對可控硅的觸發角進行增減，這種方式可有效地消除由于可控硅移相所產生的諧波[5]。低諧波軟啟動器的總體系統框圖如圖1所示。

圖1 低諧波軟啟動器總設計框圖

電流諧波總畸變率THD（Total Harmonic Distortion）定義為：

[THD=IhI1×100%]

式中[Ih]為總諧波電流有效值[6]。

具體來說，利用單片機控制晶閘管的周波數的軟啟動方式比硬啟動方式減小了電機的啟動電流，比控制晶閘管的導通角的軟啟動方式降低了啟動時的電流諧波。控制晶閘管的周波數啟動時，致使前面的幾個交流電的半個周期能導通，隨后慢慢的導通，這樣既能實現降低啟動電流的效果，又能有效地減少電流諧波對電網的污染。

2 低諧波軟啟動器的硬件設計

針對電動機導通整數個周期波或半周期波時產生的電流諧波的分析，本文設計了低諧波軟啟動器的硬件電路，主要包括檢測交流供電電壓過零時的電壓過零檢測電路和STM微控制器及其外圍電路組成的驅動可控硅導通的控制電路。

2.1 過零檢測電路

在整個設計中必須設計過零脈沖產生電路，這一部分電路最重要的作用是在每個周期內產生一個同步脈沖信號，保證交流電壓的控制脈沖和可控硅導通電壓的相位完全一致，便于微控制器對交流異步電動機軟啟動器監控。一般設計該種檢測電路的思路是采用同步變壓器，雖然這種方式也能實現與電源的同步，但是電源相電壓要先過零比較后再合成，過程會比較繁瑣，靈活性差。同時同步變壓器的價格相對較高、體積偏大，成本很高，不利于市場的推廣和使用。綜上因素，本電路采用光耦合器取代同步電壓器，它具有電氣隔離好、體積小、抗干擾能力強等優點。檢測電路如圖2所示。

圖2 電壓過零檢測電路

圖2中光耦TLP181起到隔離強弱電的作用，驅動電機的交流電壓先經過雙端穩壓后，再經過整流，輸入到光耦合器中，[R7、][R8、][R9]均是限流電阻，[R5]作為上拉電阻，[R6]電阻將電流的變化轉換成電壓的變化，當輸入電壓低于一定值時CE端不導通，simple端輸出低電平，反之相反，從而確定出電壓過零的時刻。輸入的交流電先穩壓，再經過橋式整流電路，得到直流電壓，該電壓與晶體管的導通電壓相比較，便可使晶體管的集電極上得到過零的脈沖電壓波形。采用光耦TLP181作為電路的開關元件，主要原因是電壓過零時產生脈沖信號準確和隔離高低壓效果好，能嚴格確保交流電與脈沖信號的同步的時序關系。

2.2 驅動電路

另一部分的組成部分是由兩相異步電機的驅動控制電路，其控制的核心是單片機。由于采用了先進的ARM微控制器STM32F103RBT6和驅動可控硅芯片MOC3038，32位微控制器STM32F103RBT6以它低能耗、高穩定性而備受青睞，片內附有可反復擦寫的FLASH 128 B和20 B的靜態隨機存儲器（SRAM）。STM32F103RBT6有64個引腳，12位的A/D，4個16位定時器和3路USART通信口等多種資源，時鐘頻率最高可達72 MHz。

該部分電路主要用于驅動輸出，使得異步電機的輸出的啟動電流緩慢減小，并且輸入的電網電壓無諧波的目的。電路由雙向可控硅BTA100，電阻[R1、][R2、][R3、][R4，]晶體管[Q2，]電容[C1，]驅動芯片MOC3038等組成。其中這些電阻起到限流的作用，晶體管用于產生高低電平，從而使芯片MOC3038工作，其包含一個砷化鎵紅外光二極管和一個單片硅探測器，能實現電壓零交叉光隔離雙向可控硅的功能。這個芯片一般作為分立式功率雙向可控硅應用在接口上用于連接邏輯系統與工作在240 V交流線路的設備上。電容[C1]起耦合和濾波的作用。具體電路如圖3所示。

圖3 驅動電路

交流異步電機在啟動時需要隨著電極轉速的升高而不斷改變雙向晶閘管的觸發角，其中包含相位檢測電路，根據啟動時電流的相位差，調整觸發相角。而晶閘管的觸發角需要驅動雙向晶閘管的MOC3038所發出的脈沖來控制。通過STM32單片機觸發控制MOC3038，即可控制MOC3038發出所需要的脈沖，單片機的Phase_control端控制雙向可控硅的導通狀態來減少啟動中諧波對電路或電網的污染。可控硅導通的周期數由單片機控制，單片機取過零脈沖產生電路的上升沿觸發。控制雙向晶閘管的導通時間由單片機中的程序設置。

3 低諧波軟起動器的軟件框架

主程序主要完成的是系統初始化與自我故障檢測、軟啟動故障的檢測、導通周波數的控制、晶閘管觸發角的控制等任務。程序一上電就初始化后，經過一些自檢和無故障檢測后，選擇電子軟起動的方式，同時結合降壓控制方式，采用控制導通周波數的的方式，周波數的設置可以視實際情況而定。最后，通過對晶閘管的相位調節，迅速降低異步電極的啟動電流電壓，同時克服電子式軟起動器中的諧波污染，避免了可控硅移相觸發產生嚴重的低次諧波。流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

4 仿真結果與討論

在沒有單片機控制電機的硬啟動中測試輸入端的電壓[Ui]和電流[Ii，]所得的波形如圖5所示，雖然啟動過程中電流諧波幾乎為0，但是啟動電流已超過工作電流10倍多，增大了啟動電流，對電機及外圍電路產生嚴重沖擊。

圖5 不加控制的電壓電流波形

針對實際的功率為7.5 kW，功率因數為0.88，啟動初始功率因數約為0.35的異步電機測試時，控制電機啟動的是周期波數，測得軟啟動電流小于硬啟動電流的[13，]啟動時間為20 s，整個啟動過程，啟動電流總諧波約為5%。

5 結 語

綜合軟啟動技術和異步電機的特性，設計一種基于STM32F103RBT6單片機的異步電機軟啟動裝置，從硬件電路和軟件程序兩個方面來分析，最終通過控制可控硅導通的周波數，實現對異步電機的軟啟動。該方法能夠減小異步電機的啟動電流，并同時能夠避免低次諧波對電網的污染。

參考文獻

[1] 張潤祥.無諧波異步電動機軟啟動器的設計[J].船電技術，2006（2）：31?34.

[2] 樊立萍，胡文浩.組合濾波功能的異步電機軟啟動研究[J].電氣傳動，2011（9）：61?62.

[3] 王曉軍，徐鵬，段景春，等.基于單片機的晶閘管電子軟啟動器設計[J].遼寧工程技術大學學報：自然科學版，2010，29（3）：447?450.

[4] 周京波.基于嵌入式的異步電機智能軟起動器的研究[D].寧波：寧波大學，2012.

[5] 劉恩鵬，賈存良，金立，等.晶閘管控制異步電機軟啟動過程中振蕩現象研究[J].電氣傳動，2011，41（8）：49?51.

[6] 王兆安.電力電子技術[M].4版.北京：機械工業出版社，2000.

[7] 楊曉紅，郭育華.異步電機軟啟動控制系統研究[J].變頻器世界，2011（8）：109?111.

[8] 林國艷.異步電動機軟起動器的研究[D].大連：大連理工大學，2006.

[9] 謝運祥，歐陽森.電力電子單片機控制技術[M].北京：機械工業出版社，2007.

[10] 張菲.基于軟啟動的異步電機控制技術研究[J].數字技術與應用，2012（12）：34?35.

[11] 劉芳霞.三相異步電動機軟啟動器的設計[J].機械工程與自動化，2011，2（4）：144?145.

[12] 王曉明.電動機的單片機控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

[13] 吳劍.基于單片機的交流電機軟啟動節能設計[J].科技信息，2009（25）：335?336.

[14] 郭斌.電機軟啟動器性能分析與工業應用[D].天津：天津大學，2010.

[15] SASTRY V V， PRASAD M R， SIVAKUMAR T V. Optimal soft starting of voltage?controller?fed IM drive based on voltage across thyristor [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 1997， 12（6）： 1041?1051.

圖2 電壓過零檢測電路

圖2中光耦TLP181起到隔離強弱電的作用，驅動電機的交流電壓先經過雙端穩壓后，再經過整流，輸入到光耦合器中，[R7、][R8、][R9]均是限流電阻，[R5]作為上拉電阻，[R6]電阻將電流的變化轉換成電壓的變化，當輸入電壓低于一定值時CE端不導通，simple端輸出低電平，反之相反，從而確定出電壓過零的時刻。輸入的交流電先穩壓，再經過橋式整流電路，得到直流電壓，該電壓與晶體管的導通電壓相比較，便可使晶體管的集電極上得到過零的脈沖電壓波形。采用光耦TLP181作為電路的開關元件，主要原因是電壓過零時產生脈沖信號準確和隔離高低壓效果好，能嚴格確保交流電與脈沖信號的同步的時序關系。

2.2 驅動電路

另一部分的組成部分是由兩相異步電機的驅動控制電路，其控制的核心是單片機。由于采用了先進的ARM微控制器STM32F103RBT6和驅動可控硅芯片MOC3038，32位微控制器STM32F103RBT6以它低能耗、高穩定性而備受青睞，片內附有可反復擦寫的FLASH 128 B和20 B的靜態隨機存儲器（SRAM）。STM32F103RBT6有64個引腳，12位的A/D，4個16位定時器和3路USART通信口等多種資源，時鐘頻率最高可達72 MHz。

該部分電路主要用于驅動輸出，使得異步電機的輸出的啟動電流緩慢減小，并且輸入的電網電壓無諧波的目的。電路由雙向可控硅BTA100，電阻[R1、][R2、][R3、][R4，]晶體管[Q2，]電容[C1，]驅動芯片MOC3038等組成。其中這些電阻起到限流的作用，晶體管用于產生高低電平，從而使芯片MOC3038工作，其包含一個砷化鎵紅外光二極管和一個單片硅探測器，能實現電壓零交叉光隔離雙向可控硅的功能。這個芯片一般作為分立式功率雙向可控硅應用在接口上用于連接邏輯系統與工作在240 V交流線路的設備上。電容[C1]起耦合和濾波的作用。具體電路如圖3所示。

圖3 驅動電路

交流異步電機在啟動時需要隨著電極轉速的升高而不斷改變雙向晶閘管的觸發角，其中包含相位檢測電路，根據啟動時電流的相位差，調整觸發相角。而晶閘管的觸發角需要驅動雙向晶閘管的MOC3038所發出的脈沖來控制。通過STM32單片機觸發控制MOC3038，即可控制MOC3038發出所需要的脈沖，單片機的Phase_control端控制雙向可控硅的導通狀態來減少啟動中諧波對電路或電網的污染。可控硅導通的周期數由單片機控制，單片機取過零脈沖產生電路的上升沿觸發。控制雙向晶閘管的導通時間由單片機中的程序設置。

3 低諧波軟起動器的軟件框架

主程序主要完成的是系統初始化與自我故障檢測、軟啟動故障的檢測、導通周波數的控制、晶閘管觸發角的控制等任務。程序一上電就初始化后，經過一些自檢和無故障檢測后，選擇電子軟起動的方式，同時結合降壓控制方式，采用控制導通周波數的的方式，周波數的設置可以視實際情況而定。最后，通過對晶閘管的相位調節，迅速降低異步電極的啟動電流電壓，同時克服電子式軟起動器中的諧波污染，避免了可控硅移相觸發產生嚴重的低次諧波。流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

4 仿真結果與討論

在沒有單片機控制電機的硬啟動中測試輸入端的電壓[Ui]和電流[Ii，]所得的波形如圖5所示，雖然啟動過程中電流諧波幾乎為0，但是啟動電流已超過工作電流10倍多，增大了啟動電流，對電機及外圍電路產生嚴重沖擊。

圖5 不加控制的電壓電流波形

針對實際的功率為7.5 kW，功率因數為0.88，啟動初始功率因數約為0.35的異步電機測試時，控制電機啟動的是周期波數，測得軟啟動電流小于硬啟動電流的[13，]啟動時間為20 s，整個啟動過程，啟動電流總諧波約為5%。

5 結 語

綜合軟啟動技術和異步電機的特性，設計一種基于STM32F103RBT6單片機的異步電機軟啟動裝置，從硬件電路和軟件程序兩個方面來分析，最終通過控制可控硅導通的周波數，實現對異步電機的軟啟動。該方法能夠減小異步電機的啟動電流，并同時能夠避免低次諧波對電網的污染。

參考文獻

[1] 張潤祥.無諧波異步電動機軟啟動器的設計[J].船電技術，2006（2）：31?34.

[2] 樊立萍，胡文浩.組合濾波功能的異步電機軟啟動研究[J].電氣傳動，2011（9）：61?62.

[3] 王曉軍，徐鵬，段景春，等.基于單片機的晶閘管電子軟啟動器設計[J].遼寧工程技術大學學報：自然科學版，2010，29（3）：447?450.

[4] 周京波.基于嵌入式的異步電機智能軟起動器的研究[D].寧波：寧波大學，2012.

[5] 劉恩鵬，賈存良，金立，等.晶閘管控制異步電機軟啟動過程中振蕩現象研究[J].電氣傳動，2011，41（8）：49?51.

[6] 王兆安.電力電子技術[M].4版.北京：機械工業出版社，2000.

[7] 楊曉紅，郭育華.異步電機軟啟動控制系統研究[J].變頻器世界，2011（8）：109?111.

[8] 林國艷.異步電動機軟起動器的研究[D].大連：大連理工大學，2006.

[9] 謝運祥，歐陽森.電力電子單片機控制技術[M].北京：機械工業出版社，2007.

[10] 張菲.基于軟啟動的異步電機控制技術研究[J].數字技術與應用，2012（12）：34?35.

[11] 劉芳霞.三相異步電動機軟啟動器的設計[J].機械工程與自動化，2011，2（4）：144?145.

[12] 王曉明.電動機的單片機控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

[13] 吳劍.基于單片機的交流電機軟啟動節能設計[J].科技信息，2009（25）：335?336.

[14] 郭斌.電機軟啟動器性能分析與工業應用[D].天津：天津大學，2010.

[15] SASTRY V V， PRASAD M R， SIVAKUMAR T V. Optimal soft starting of voltage?controller?fed IM drive based on voltage across thyristor [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 1997， 12（6）： 1041?1051.

圖2 電壓過零檢測電路

圖2中光耦TLP181起到隔離強弱電的作用，驅動電機的交流電壓先經過雙端穩壓后，再經過整流，輸入到光耦合器中，[R7、][R8、][R9]均是限流電阻，[R5]作為上拉電阻，[R6]電阻將電流的變化轉換成電壓的變化，當輸入電壓低于一定值時CE端不導通，simple端輸出低電平，反之相反，從而確定出電壓過零的時刻。輸入的交流電先穩壓，再經過橋式整流電路，得到直流電壓，該電壓與晶體管的導通電壓相比較，便可使晶體管的集電極上得到過零的脈沖電壓波形。采用光耦TLP181作為電路的開關元件，主要原因是電壓過零時產生脈沖信號準確和隔離高低壓效果好，能嚴格確保交流電與脈沖信號的同步的時序關系。

2.2 驅動電路

另一部分的組成部分是由兩相異步電機的驅動控制電路，其控制的核心是單片機。由于采用了先進的ARM微控制器STM32F103RBT6和驅動可控硅芯片MOC3038，32位微控制器STM32F103RBT6以它低能耗、高穩定性而備受青睞，片內附有可反復擦寫的FLASH 128 B和20 B的靜態隨機存儲器（SRAM）。STM32F103RBT6有64個引腳，12位的A/D，4個16位定時器和3路USART通信口等多種資源，時鐘頻率最高可達72 MHz。

該部分電路主要用于驅動輸出，使得異步電機的輸出的啟動電流緩慢減小，并且輸入的電網電壓無諧波的目的。電路由雙向可控硅BTA100，電阻[R1、][R2、][R3、][R4，]晶體管[Q2，]電容[C1，]驅動芯片MOC3038等組成。其中這些電阻起到限流的作用，晶體管用于產生高低電平，從而使芯片MOC3038工作，其包含一個砷化鎵紅外光二極管和一個單片硅探測器，能實現電壓零交叉光隔離雙向可控硅的功能。這個芯片一般作為分立式功率雙向可控硅應用在接口上用于連接邏輯系統與工作在240 V交流線路的設備上。電容[C1]起耦合和濾波的作用。具體電路如圖3所示。

圖3 驅動電路

交流異步電機在啟動時需要隨著電極轉速的升高而不斷改變雙向晶閘管的觸發角，其中包含相位檢測電路，根據啟動時電流的相位差，調整觸發相角。而晶閘管的觸發角需要驅動雙向晶閘管的MOC3038所發出的脈沖來控制。通過STM32單片機觸發控制MOC3038，即可控制MOC3038發出所需要的脈沖，單片機的Phase_control端控制雙向可控硅的導通狀態來減少啟動中諧波對電路或電網的污染。可控硅導通的周期數由單片機控制，單片機取過零脈沖產生電路的上升沿觸發。控制雙向晶閘管的導通時間由單片機中的程序設置。

3 低諧波軟起動器的軟件框架

主程序主要完成的是系統初始化與自我故障檢測、軟啟動故障的檢測、導通周波數的控制、晶閘管觸發角的控制等任務。程序一上電就初始化后，經過一些自檢和無故障檢測后，選擇電子軟起動的方式，同時結合降壓控制方式，采用控制導通周波數的的方式，周波數的設置可以視實際情況而定。最后，通過對晶閘管的相位調節，迅速降低異步電極的啟動電流電壓，同時克服電子式軟起動器中的諧波污染，避免了可控硅移相觸發產生嚴重的低次諧波。流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

4 仿真結果與討論

在沒有單片機控制電機的硬啟動中測試輸入端的電壓[Ui]和電流[Ii，]所得的波形如圖5所示，雖然啟動過程中電流諧波幾乎為0，但是啟動電流已超過工作電流10倍多，增大了啟動電流，對電機及外圍電路產生嚴重沖擊。

圖5 不加控制的電壓電流波形

針對實際的功率為7.5 kW，功率因數為0.88，啟動初始功率因數約為0.35的異步電機測試時，控制電機啟動的是周期波數，測得軟啟動電流小于硬啟動電流的[13，]啟動時間為20 s，整個啟動過程，啟動電流總諧波約為5%。

5 結 語

綜合軟啟動技術和異步電機的特性，設計一種基于STM32F103RBT6單片機的異步電機軟啟動裝置，從硬件電路和軟件程序兩個方面來分析，最終通過控制可控硅導通的周波數，實現對異步電機的軟啟動。該方法能夠減小異步電機的啟動電流，并同時能夠避免低次諧波對電網的污染。

參考文獻

[1] 張潤祥.無諧波異步電動機軟啟動器的設計[J].船電技術，2006（2）：31?34.

[2] 樊立萍，胡文浩.組合濾波功能的異步電機軟啟動研究[J].電氣傳動，2011（9）：61?62.

[3] 王曉軍，徐鵬，段景春，等.基于單片機的晶閘管電子軟啟動器設計[J].遼寧工程技術大學學報：自然科學版，2010，29（3）：447?450.

[4] 周京波.基于嵌入式的異步電機智能軟起動器的研究[D].寧波：寧波大學，2012.

[5] 劉恩鵬，賈存良，金立，等.晶閘管控制異步電機軟啟動過程中振蕩現象研究[J].電氣傳動，2011，41（8）：49?51.

[6] 王兆安.電力電子技術[M].4版.北京：機械工業出版社，2000.

[7] 楊曉紅，郭育華.異步電機軟啟動控制系統研究[J].變頻器世界，2011（8）：109?111.

[8] 林國艷.異步電動機軟起動器的研究[D].大連：大連理工大學，2006.

[9] 謝運祥，歐陽森.電力電子單片機控制技術[M].北京：機械工業出版社，2007.

[10] 張菲.基于軟啟動的異步電機控制技術研究[J].數字技術與應用，2012（12）：34?35.

[11] 劉芳霞.三相異步電動機軟啟動器的設計[J].機械工程與自動化，2011，2（4）：144?145.

[12] 王曉明.電動機的單片機控制[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

[13] 吳劍.基于單片機的交流電機軟啟動節能設計[J].科技信息，2009（25）：335?336.

[14] 郭斌.電機軟啟動器性能分析與工業應用[D].天津：天津大學，2010.

[15] SASTRY V V， PRASAD M R， SIVAKUMAR T V. Optimal soft starting of voltage?controller?fed IM drive based on voltage across thyristor [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 1997， 12（6）： 1041?1051.