試驗用變壓器吊芯天車三相異步電動機軟啟動器設計研究 *

高原彬

(甘肅電器科學研究院，甘肅 天水 741018)

0 引 言

近年來，我國工業快速穩定發展，各行各業電氣設備的電使用量也在逐年增長，變壓器產品的試驗檢測工作愈加重要，在試驗過程中對于試驗儀器設備的性能有了更高要求。原有的傳統起動方式具有非常大的局部限定性，假若無法減弱起動電流造成的危害，根本就沒辦法在現代工業生產中生存。常用的起動方式簡單、方便、有效，但起動轉矩調節困難，起動中電流沖擊大，電網的其他負載會受到劇烈機械沖擊。軟啟動器用于電機起動時，通過控制導通角來調節起動壓降，能夠使電機平穩起動，減弱對電網的損害。而且，軟啟動器不僅能使電機平穩起動，同時對電路有過電流、過電壓、缺相保護功能。因此，如何合理的開發試驗用變壓器吊芯天車三相異步電動機軟啟動器，如何優化電機起動過程，具有極其重要的意義。

筆者通過對異步電動機幾種啟動原理和方式的分析對比，選用軟啟動方式設計研究試驗用變壓器吊芯天車三相異步電動機啟動器，進行軟啟動器硬件電路設計、軟件流程開發，仿真模擬試驗，最終達到異步電動機軟啟動器優化三相異步電動機起動過程的結果。

1 異步電機啟動方式及其原理

1.1 傳統啟動方式的原理分析

傳統啟動方式分全壓啟動和降壓啟動兩種。

1.1.1 全壓啟動

1.1.2 降壓啟動

降壓起動分為定子串電阻降壓起動、星三角降壓起動和自耦變壓器降壓起動三種類型。

(1) 定子串電阻降壓起動是指電機起動時，三相繞組串電阻，減低定子電壓，電動機轉速與額定相同后，由接觸器控制切除電阻在額定電壓下運行過程。優點是起動平滑穩定、運行可靠安全、結構簡單、啟動運動階段功率因數較高。缺點是電能損耗大、啟動特性難優化、頻繁起動時，電抗值溫度的變化導致啟動特性不好。控制過程如圖1所示。

圖1 定子串電阻起動電路

(2) 自耦變壓器利用自耦變壓器降低起動電壓。電動機運行正常后，斷開自耦變壓器，在全壓下正常運行。優點是電路簡單，起動電流小，價格低廉，且檢修維護方便等。控制過程如圖2所示。

圖2 星-三角形(丫-△)降壓起動控制圖

(3) 自耦變壓器利用自耦變壓器降低起動電壓。電動機運行正常后，斷開自耦變壓器，在全壓下正常運行。優點是變壓器電壓抽頭多，能讓不同負載起動時選擇且起動不受電動機接線方式的限定。缺點是體積大，價格貴，且維護檢修費用高。壓起動控制圖如圖3所示。

圖3 自耦變壓器降壓起動控制圖

1.2 軟啟動器起動方式的原理及分類

軟起動器是一種新型的，適用于三相異步電動機軟啟動的控制裝置，它具有軟起動、節能和保護等功能。脈沖觸發電路控制串接于三相電源和被控三相異步電動機之間的三相反并聯晶閘管的導通角，使電機定子繞組電壓從零開始增加，直到達到額定轉速、電動機的全電壓。

軟起動器能夠實現三相異步電動機平滑穩定起動，設計采用限流起動，原理如圖4所示。起動電流不大于IM，IM是設定電流限值。晶閘管電壓從零增大，直到電機的起動電流達與IM比較，并大于該值，在保證起動電流小于或者等于IM的情況下，升高電壓，最終在額定電壓運行。

圖4 限流起動原理圖

軟啟動器具有缺相保護(TC783A檢測三相電壓，當某相信號缺失，作出反應)、過電壓保護(TC783A檢測電壓大于基準值，作出過電壓保護措施)、過電流保護(電流檢測電路檢測值與電流限值IM比較，若大于2.5IM應采用相應的措施)功能。

2 軟啟動器主電路設計

軟起動器利用相位控制方式調壓，電路設計有兩種，一種是采用6只晶閘管，分三組三對反并聯來實現；一種是用用三只雙向晶閘管構成。

圖5 軟啟動器主電路

雙向晶閘管僅有一個門極，由于正負脈沖都可以觸發晶閘管，有簡化主電路的效果，觸發電路設計也比較靈活。但雙向晶閘管門靈敏度低，關斷t較長，可能形成反導通的觸發電流，使誤導通。單向晶閘管關斷也比較簡單，可靠性更好。但主電路需要晶閘管數量多，電路結構相對比較復雜。

綜合考慮，本設計中使用三對反并聯普通晶閘管作為主電路中功率器件。

3 控制硬件電路設計

設計所用的控制器是單片機，單片機的選型非常重要，通過比較，STC89C52單片機功能齊全完整，能夠滿足此設計對控制器的要求。此次異步電動機軟啟動器的設計主要由主控制器單片機、A/D轉換電路、D/A轉換電路、TC787脈沖觸發電路等模塊組成。

設計思路是采用限流起動的方式，根據限流起動的原理，限定值IM一般設為(2倍左右IN)，單片機通過D/A轉換器(D/A轉換芯片PCF8591為8位)將輸出0～5 V電壓分為255份，每一份通過放大器放大至0～15 V，送入TC787第4引腳，當按下開始按鍵，單片機輸出最大值255給模數轉換后輸入TC787，在單片機內部與限流起動的電流設定值IM比較，如果不相等，由單片機自動減1，直到電流值與IM相等，此時晶閘管兩端電壓Ud=UN，接觸器工作，晶閘管斷開電路。當檢測電流>2.5倍IM，單片機系統判定為過電流，或者由TC783A電路向單片機外部中斷發出中斷請求，說明電路發生缺相或者過電壓，單片機會通過控制TC787引腳5，來切斷晶閘管觸發脈沖，并通過聲光報警電路發出報警，從而保護電路。

LCD1602液晶顯示電路主要顯示電壓的額定值UN、電流的額定值IN，電流限定值IM和電流測量電路測得的起動電流值I。總體方案如圖6所示。

圖6 總體方案

4 系統軟件設計

在此次異步電動機軟啟動器的設計中，系統程序比較復雜，通過比較分析，決定分塊設計。主程序流程圖是整個系統功能實現的大致體現，也是軟件編程時的指導思想。具體下去，就是各個功能模塊實現。主程序流程如圖7所示。

在主程序中如果發現故障，單片機將停止觸發脈沖的輸出，并停止程序的執行，發出警報；若無故障，單片機通過D/A轉換向觸發脈沖芯片TC787送入移相電壓(此時移相電壓為最大值)，晶閘管工作，電動機開始轉動，同時LCD1602顯示額定電壓、額定電流、限流起動電流限定值；電流檢測電路檢測電流，并由LCD1602顯示，A/D轉換將電流值送入單片機與電流設定值進行比較，若未達到限定值，則繼續減小移相電壓送入TC787。

圖7 主程序流程圖

5 軟件仿真及結果分析

在實際應用中，需要做大量的驗證實驗，用實驗結果說明電路的連通性和安全性。設計采用電子電路仿真軟件，將電力電子器件和芯片做成一個元件庫，庫里的每一個元件都與實物按1:1比例制作而成，功能和實物相同，使用者將需要的元器件用導線連接好后就可進行仿真實驗。

5.1 仿真軟件的選擇

在工業的發展中，先后出現了很多仿真軟件，常見的仿真軟件有Multisim軟件、OrCAD軟件、Quareus II軟件和Proteus軟件。其中Proteus多用于單片機實驗，本次設計的主控器件是單片機，因此使用Proteus作為此次設計的實驗軟件較為合理。

5.2 仿真結果

5.2.1 主電路及三相交流電源波形

主電路中，電源由3個激勵源構成。脈沖觸發電路通過晶閘管連接電動機。主電路如圖8所示。

三相交流電源仿真波形圖如圖9所示。每一相相位相差120°。

5.2.2 脈沖觸發波形仿真圖

開始工作時，移相電壓最大，導通電壓為0V，即導通角為0°觸發角為180°，然后單片機控制移相電壓減小，導通電壓增大，導通角增大，觸發角減小為0°，直到導通角為180°，器件全導通，定子電壓等于額定值。

圖8 異步電動機主電路Proteus仿真圖

圖9 三相交流電源仿真波形圖

圖10所示波形為觸發角為180°，導通角為0°，電壓為0V，電動機不轉時的波形。

圖11所示波形為觸發角為90°，導通角為90°，電壓為1/2UN，電動機轉速接近一半時的波形。

圖10 觸發角180°，導通角0°時的波形 圖11 觸發角90°，導通角90°時的波形

圖12所示波形為觸發角為30°，導通角為150°時的觸發脈沖波形。

圖13所示波形為觸發角0°，導通角為180°，電壓為UN，電動機全速轉動時的波形。

圖12 觸發角30°，導通角150°時的波形 圖13 觸發角0°，導通角180°晶閘管全導通時的波形

5.2.3 系統仿真圖

此次設計主要顯示電動機額定電壓、額定電流、電流限定值、和電流測量值。Proteus仿真電路圖如圖14所示。

圖14 LCD1602顯示仿真圖

6 結 語

試驗用變壓器吊芯天車三相異步電動機軟啟動器的設計基于限流起動方式原理。電流檢測電路通過A/D轉換電路將電流測量值送入單片機，由D/A轉換電壓后送入TC787觸發脈沖芯片的移相電壓輸入端，再由TC787脈沖輸出端送給晶閘管驅動電路驅動晶閘管，如果觸發角變小，導通電壓增大，則要重復測量電流值，重復比較，形成自動控制閉環系統，電機轉速等于額定，接觸器工作，旁路電路工作，切斷晶閘管控制電路，電動機全壓起動，完成電動機平滑起動。

設計的異步電動機軟啟動器硬件結構簡單、經濟，軟件編程簡單、靈活，能夠達到優化三相異步電動機起動過程的目的。