引言
三相异步电动机因其结构简单，性能稳定及无需维护等特点，因而在各行业中得到了广泛的应用。但它是以反电势为主的负载，即以反电势来平衡外加电压。电动机的反电势随着转子转速的增加而逐渐增大，电动机在起动开始时反电势为零，所以起动电流很大。这样大得起动电流不仅加重了进线供电电网以及接在电动机前面的开关电器的负荷，而且对电网及其负载造成干扰，严重时甚至危害电网的安全运行；同时，由于起动应力较大，出现的巨大转矩又会使电动机发生猛烈的冲振，并且也给用作动力传输辅助设备(如三角皮带、变速机构)和做功机械设备带来不可避免的机械冲击。所以，这种“硬起动”不仅会缩短传动单元和做功机械设备的使用寿命，而且过高的起动电流还会引起供电电网的电压骤然跌落，致使那些对电压敏感的用电设备产生负面影响。因此，采用电机软起动技术势在必行。
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1课题背景与研究意义
1.1异步电机节能控制的意义
在世界范围内，21世纪潜伏着严重的能源危机，资源的消费速率远远超过了资源的再生能力，有限的储量和无限的需求使发生全球性能源危机的可能性一直存在。石油、天然气、煤炭等可燃矿物燃料占世界能源消费的90%以上，这些亿万年生成的地下资源储量有限，与消费速率相比是不可再生的，资源耗尽是不可避免的。能源短缺的后果极其严重，它不但可能导致能源危机和引发经济危机，甚至酿成国际军事冲突。20世纪50-60年代以发达国家为主体的西方世界实行的能源“流体化革命”，为它们的经济发展带来了空前的繁荣。20世纪70年代以来，以发达国家为主体的西方世界，组建了多种国际能源和环保机构，彼此磋商，相互协调，不断调整能源战略，非常引人注目的把节约能源置于突出地位并制定了一系列法规、标准和政策，推动能源开发和能源节约，鼓励节能研究和开发高新节能产品，强化民众的节能意识和环保意识，大力培育节能市场，特别是积极研究更适应可持续发展要求的资源配置方法和管理方式。随着我国工农业生产的迅速发展，电能的需求量越来越大，开发和节约能源已成当务之急。交流异步电动机，由于其结构简单、制造方便、价格低廉、坚固耐用、运行可靠、很少需要维护及可用于恶劣环境等优点，在工业、农业、交通运输、国防军事和日常生活中得到了广泛的应用，当前的大部分的工业拖动都是以交流异步电动机作为动力，包括风机、水泵、油泵、压缩机等，其耗电巨大，特别是石油化工行业，风机泵类的耗电量占其总耗电量的50%以上。这些异步电动机一般都是按照设计的负载进行选择的，但在实际使用中，大都经常处在轻载，甚至在空载下运行。因此，“大马拉小车”的现象几乎是很普通的，如煤矿常用的胶带输送机、刮板机、绞车、压风机、机床等设备在大部分运行时间中，电动机的负荷变动都较大，其平均输出功率与最高输出功率之比一般为0.3-0.4，有的还更低。电动机的负载率低，效率不高，电能的浪费现象十分严重。1996年国家统计局统计数字表明，我国全国年发电量的60%为各种电机设备所消耗，其中90kw以内的中小功率异步电动机耗能占总电机耗能的70%，即消耗了4200亿度电。按我国今年国家规定0.5元/kwh的电价计算，其折合人民币210亿元如果这些步电动机能够节电10%，就可节约21亿元人民币。2002年国家电力部统计数字表明，火力发电每kwh需投资约1元;三峡水电每kwh需投资约1.13元，建设周期13-17年;核电每kwh
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需投资2-3元:其他能源(人阳能、风能海洋能等)每kwh需投资3-5元。若仅按中小功率异步电动机节电10%计算，其年节电量相当于三峡电站的半年发电量，可节约国家投入电站建设资金50亿元左右，为国家节约大量能源和费用。
因此在目前我国工业生产不断发展，能源日趋紧张，环保要求日趋高涨的情况下，提高电机运行效率可以极大缓解能源紧张状况，提高国民经济效益，具有十分重要的现实意义。
1.2异步电机节能技术发展现状
为了提高电机的工作效率，多年来世界各国从电机的设计制造、电机的选择使用、电网供电管理等几个方面入手，作了大量研究工作，取得了较好的成果。其中从电机的设计制造方面人手，开发出了高效节能电动机，使效率显著提高，可大量节能。但这种电机造价较高，而且经济效果较大地取决于负载的情况，即对于长期工作于额定负载、连续运行的应用场合，其节能效果能达到最佳。但对大多数电机用户来说，怎样使现有设备上的电机工作于效率较高的状态显得更为现实。国外从六、七十年代就开始了中小型异步电动机的节能研究，1975年美国宇航局工程师Frank Nola为减少航天飞机上泵和风扇能耗而研制的功率因数控制器，通过后面第二章的分析可以得出：即在定子电压一定的情况下，只要负载率小于额定负载率，交流异步电动机的功率因数基本是和它的负载率成一一对应的关系。这种装置的工作原理是通过检测功率因数作为控制输入电压信号，并通过该类装置控制定子端电压来调节输入功率，使其随负载的变化而变化。该类装置空载时节电率为40％左右，总节电率大致为20％左右，功率因数有一定改善，但并未超过0.5。利用晶闸管交流调压技术研制的软起动器是从70年代开始应用的，以后美国宇航局工程师诺瓦又把功率因数控制技术结合进去，以及采用微电脑代替模拟控制电路，发展成现在的智能化电机节能控制器。目前，世界上有许多公司都生产软起动器，例如：美国Allen-Bradley公司在90年代初期推出了系列的智能控制器（SMC-Smart Motor Controller）；GE公司生产的软起动器最大功率为850kw，额定电压500v，额定电流1.18k A，最大起动电流为5.9k A；在欧洲，德国的金钟默勒公司的Softpact系列起动器在欧洲销售得较好；意大利SIEI公司生产的软起动器额定电压达到690V，额定电流达到1.6k A。以上的电机控制器都有优良的性能。它们集软起动、节能、电机保护于一体，并且有良好的用户界面，通过键盘和液晶显示器可以方便的设置系统参数和得到控制器运行状态。由于能源紧缺我国也从七十年代开展了大
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规模节能装置的研究。据国家第七批节能产品推广项目介绍，研制出了ID，DJZ，XSZ等等一大批系列节电器。其空载节电率大于30%左右，轻载（小于30%负载率）为33~43%左右。与国外相比，国内集软起动、节能、保护于一体的电机节能控制器的研制起步较晚，但发展很快。目前市场上已有天津、上海、西安等多家企业的产品，系列产品达到320kw。但这些产品功能还不完善，性能不稳定，界面不友好，同国外产品比较还有很大差距。而国外产品价格昂贵，操作复杂，对使用人员要求高，限制了在国内的推广。在应用上，国内使用智能型电机节能控制器的场所还很少，传统的交流电动机起动器仍继续占领市场，所以目前研究智能型电机节能控制器这种产品有非常广阔的市场前景。因此，有必要自行研制适合我国国情的国产节电器以满足市场对节电产品的迫切要求。研制中除了借鉴国外产品成功经验外，还要针对其不足和我国电网不稳，负载波动大，电动机空载率高等具体情况，利用先进的人工智能技术和微处理技术，开发出具有特色的中国人自己的节电产品来。
1.2.1异步电机节能的基本原理
电机效率是电机输出功率与输入功率比值的百分数。因为电机的输入功率并不仅用来驱动电机、在轴上输出功率，还有一部分成为电机的固有损耗，所以电机效率总是小于1。
电机的主要损耗为铁耗和铜耗，其中铜耗是电流经过电机绕组产生，与电流平方成正比；铁耗是电机定子和转子铁心中的励磁电流而产生，与供电电压成正比。其他损耗很小可忽略。若电压不变而电机负载变化，则与电压成正比的励磁电流基本不变，电机从电网吸取的无功功率Q也不变，但电机吸收的有功功率是随负载增加而增大的。因此，电机在空载和轻载时功率因数很低，同时由于与负载电流成正比的可变损耗降低使电机的效率也大大下降。如能在负载减轻的同时，相应降低电机端电压，则励磁电流随之减小，Q下降，从而提高了功率因数；同时，定子铁损耗下降，可较大地提高效率，达到节电的目的。
1.2.2节能运行在软起动器上的实现
为获得最佳的节能效果，人们提出很多电机端电压优化调节原则，如恒功率因数控制、最小定子电流控制、最小功率因数角控制和最小定子输入功率控制等，但最为重要的因素应是功率因数角定义的工程实用性。
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异步电机通常总在全压下运行，电机从空载到满载，磁场几乎不变。因此磁化电流在所有负载下基本相同。当电机工作在空载或轻载时功率因数很低，造成电机效率低。如在轻载时适当降低端电压，则定子电流中的无功分量将减小，从而使功率因数上升。由此可见，功率因数既能反映电机负载的变化，又能反映供电电压波动，是一个理想的控制参数。因此，恒功率因数控制成为目前在异步电机节能运行技术中采用最多的控制策略。
图1-1原理方框图
利用软起动器实现节能运行，就是单片机通过不断检测电机运行时的功率因数角?
cos，并与设定的功率因数角比较，根据比较结果自动地调节软起动器可控硅的导通角α，cos?数值低表明是轻载，要降低电动机的端电压；cos?数值高表明是重载，则需升高电机的电压。如此一来，实现了可控硅输出电压的自动调节，使电动机始终工作在设定的功率因数下，减少了电机轻载运行时的损耗，提高了电机运行效率，从而达到节能的目的。1.3本文主要研究内容
据前几节所述，我们可以得出下列结论:在目前，软起动器还有着很广泛的应用场合和重要的应用价值，所缺乏的是具有高性能的电子软起动器。本文正是应市场要求，根据目前国内外软起动器的应用现状和技术背景，研究高性能的电机软起动技术-转矩起动方式，并研制其实现电路。本文在研究软起动技术的基础上，利用80C51-8位微控制器研制了实现该电机软起动技术的电子软起动器样机一台(功率为1.1kw)，实现了转矩闭环起动方式，
同时，在该样机中实现了目前软起动市场上常用的起动方法(如斜坡电压起动，限流起动等)
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和其它一些功能(如通信、控制、停机功能、保护功能等)并对该样机进行了一系列的实验和测试，试验结果验证了转矩起动方式具有较好的起动性能，同时，该软起动器具有较强的智能和保护性能。
本论文内容结构主要包括:在电机软起动技术原理分析的基础上进行系统的软硬件设计，最后对样机试验进行分析和总结。
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2软起动技术
晶闸管自1958年问世以来，随着半导体技术及其应用技术的不断发展，它在电气控制领域中发挥了很大的作用。以晶闸管应用为核心的电力电子装置，无论是整流、逆变、变频，其变换大部分都是通过对晶闸管的门极进行移相控制（α）而实现的，是相控型的变换技术。这是由于晶闸管属于非自关断(全控)器件，且工作频率不高，大功率情况下的频率范围更低(一般都不会超过几千赫兹)，同时它又是电流型控制器件，所以一般不在高频领域应用，只在低频大功率领域占优势。晶闸管电子软起动装置是电气传动电力电子装置的一种，随着电力电子技术的发展，高性价比的电子软起动器逐渐替代了传统电机软起动装置，它在国外亦称之为Soft Starter或Smart Motor Cont11er，它具有该类装置的共性:将电能转化成电动机的动能，其工作状况受到环境和外界(电网和负载等)的影响，受到相关器件(电动机、变压器等)承受能力的制约。但电子软起动装置毕竟是其中的一个特殊类别，有其独有特点:
(1)、工作是论“次数”的，每次工作周期通常不会超过几十秒钟，软起动过程总是在电动机转速接近其额定值时结束。
(2)、每次软起动的外界条件(指电网和负载情况)大体是相同的。
(3)、目前对软起动器，通常只重点研究软起动(软停机)的成败，不太关心它的好坏，不很在意于软起动中出现的一些毛病，例如对电网污染大、噪声大等等，忽略对软起动过程质量的评估和比较。这种不关心虽然事出有因，但毕竟是一种不利于技术进步的惰性。随着技术进步。软起动的对象是“电网一电动机一负载”，以这些对象的情况以及生产工艺对软起动装置的选型以及起动方式的选取或制订等方面都有关系。本章从异步电动机模型出发详细介绍软起动原理。
2.1异步电动机软起动技术的发展
鼠笼型异步电机起动有直接起动、降压起动和变频起动三种方式。目前变频技术主要还是用于调速方面，通用的软起动技术还是降压起动。而降压起动方式的发展经过了星一三角(Y一△)起动和自藕降压起动到磁控式软起动，及目前最流行的晶闸管电子软起动。
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2.1.1电机传统起动技术
异步电机是以反电势来平衡外电压的，反电势随着转子转速的增加而逐渐增大，电动机在起动之初反电势为零，所以起动时冲击电流很大，约为额定电流的5-7倍。对于功率较大的异步电机起动时电流会达到几千安培，会对电网造成很大的冲击，使电源电压下降，影响同一电网上的其它设备的起动和正常工作。基于以上的原因，电动机一般不允许直接起动，必须对其起停加以控制。可以实现异步电机软起动的方式主要有：离心连接方式、变频调速起动方式、降压起动方式。
（1）离心连接方式
包括液力耦合器，电磁转差离合器等多种形式。其基本原理是在电机和负载之间加入中间级以起到缓冲作用，离心连接可用于调速，但调速范围不大，精度低。这种起动方式可以防止起动时对负载设备的冲击，但不能防止起动过程中冲击电流对电网的影响。（2）变频调速起动方式
变频调速系统除进行电机调速外，还可以实现平滑起动。在电机起动加速时，逆变器输出频率做线性增长，随频率增大电压随之增高，可使电机起动时的电流限制在1.5N左右。对于有调速要求的电力拖动系统，宜采用变频器调速方式。但这种电机控制器的电路复杂，成本较高，当不需要精确调速时，不适合应用这种起动方式。
（3）降压起动方式
包括常规的降压起动和固态软起动器起动两种方法。常规的降压起动方式主要有：定子电路中串入起动电抗、星—三角形起动、自耦变压器降压起动等。这类起动控制可以达到减小起动时的机械及电器冲击的基本要求，但它们仅仅是名义上的软起动控制器，因为它们将起动阶段分为两个或多个步骤，起动电流由一级向相邻一级跳变时会产生跳跃冲击，且这类控制器均以接触器为主要部件，虽然经过不断的设计改进，但还是存在不可消除的缺点，如体积大、机械磨损、触头烧熔、工作噪声、工作时的射频干扰和机械震动，为此，起动设备需要经常维修，实践表明，这类起动器的性能比电机本身还要差。另外一种降压起动方式是用固态起动器起动。固态起动器是一种新型的无触点起动器，通过半导体元件来控制。在三相电路的每一相有两个晶闸管反并联连接，控制输出的触发脉冲即可调整晶闸管的输出电压。直接起动是最原始的起动方式，就是将电动机直接投入额定电压的电网上，对于小功率电机这种应用方式占有绝对优势，其优点是起动设备和操作都比较简单，而且起动转矩比采用降压起动时大。然而对较大功率的电机而言，这种起动方式的缺点也
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是显而易见的，起动时会产生很大的冲击电流，这一方面会引起电机的发热损坏，另一方面会对供电电网产生严重影响，因而一般情况下不能满足起动要求。以应用最为广泛的鼠笼式异步电动机来说，能否直接起动一般有以下限制条件:
a.机械设备是否允许电机直接起动，这是先决条件;
b.直接起动时，不允许电机的容量大于10%-15%主变压器的容量;
c.起动过程中电压降△U不大于15%U。
表2.1异步电机降压起动方式的比较
当不满足上述条件时就要采用降压起动了，在以往的解决方法中，中大功率电动机的起动问题往往采用一些传统的起动方式及设备，如:定子回路串电抗器起动、自藕变压器降压起动、Y/△变换方式起动、延边三角形起动方式等。这些传统的降压起动方式普遍存在着起动设备复杂，故障率高，而且还属于有级降压起动，部分起动方式存在起动电流大或起动转矩偏小等等弊端。例如定子串电抗器起动，起动电流一般是标称电流的3-4倍，起动转矩是标称转矩的0.4-0.6倍;用于三端子电机，起动时不断增加阻性转矩，有高电流峰值，且设备笨重，需要维护;无起停参数调整，同时这种起动方式能源浪费也大。星-三角起动的起动电流一般是标称电流的1.8-2.6倍，而起动转矩是标称转矩的0.33倍;应用的电机一般
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为六端子电机，多用于空载起动或低阻性转矩起动;设备维护量较大。自藕变压器起动时其起动电流一般是标称电流的1.7-4倍，而起动转矩是标称转矩的0.4-0.55倍;多应用于三端子高功率电机，在电压变化时起动，会出现大压降和高电流峰值;设备较笨重，维护量大。
2.1.2无级软起动技术
基于传统起动方式存在的问题上，发展出了现在的无级软起动，包括液阻软起动，磁控软起动和晶闸管软起动，以下分别简要介绍它们的特点。液阻软起动:液阻是一种由电解液形成的电阻，它导电的本质是离子导电。它的阻值正比于相对的二块电极板的距离，反比于电解液的电导率，极板距离和电导率都便于控制;液阻的热容量大。液阻的这两大特点(阻值可以无级控制和热容量大)，恰恰是软起动所需要的:加上另一个十分重要的优势即低成本使得液阻软起动得到了广泛的应用。液阻软起动存在的缺点一是液阻箱容积大的，其根源在于阻性限流，若减少容积会引起温升加大，一次软起动后电解液通常会有10-30℃的温升，使软起动的重复性差;二.是移动极板需要有一套伺服机构，它的移动速度较慢，难以实现起动方式的多样化;三是液阻软起动需要维护，液箱中的水需要定期补充，且电极板长期浸泡于电解液中，表面会有一定的锈蚀，需要做表面处理(2、3年一次);四是液阻软起动装置不适合于放置在易结水或颠簸的现场。磁控软起动:磁控软起动在起动开始时限流作用较强，在软起动过程中限流作用逐渐减弱，电抗器在起动完成后被旁路。限流作用的强弱变化是通过控制直流励磁电流，改变铁心的饱和度实现的，所以叫做磁控软起动。因为磁饱和电抗器的输出功率比控制功率大几十倍，它也有被称为“磁放大器”。磁饱和电抗器有三对交流绕组(每相一对)和三相共有的一个直流励磁绕组。在交流绕组里流过的是电动机定子电流，它必然会在直流励磁绕组上感应出电势，后者会影响励磁回路的运行。不只用一个，而是用一对交流绕组的主要原因就是为了抵消这种影响。显然，限流作用的强弱调节是静止的、无接触的、非机械似的，这就为微电子技术打开了大门。所以，在工作原理上磁控软起动与晶闸管软起动是可以说是基本相同的，我们说磁饱和软起动几乎具有电机软起动的全部功能，其原因盖出于此。但磁控式软起动器还存在着体积大，耗电量大，故障率较高和维修费用较高的问题，不适于频繁起动。晶闸管软起动:此为当前最热门的软起动，晶闸管软起动产品问世不过30年左右的时间，它是当今电力电子器件长足进步的结果。早在十几年前，电器工程界就有人指出，晶闸管软起动将引发软起动行业的一场革命。目前在低压(380v)范围内，晶闸管软起动产品价格己经下降到液阻软起动的大约2倍，而其主要性
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能却大大优于液阻软起动。与液阻软起动相比，它的体积小、结构紧凑，维护量小，功能齐全，菜单丰富，起动重复性好，保护周全，这些优点也是磁控式软起动难以望其项背的。三种无级软起动方式特点比较如下表2.2所示:
各种软起动方式，从本质上来说还是降压起动。顾名思义是在电机起动时，调节电机的输入电压，使其在低于额定电压的状态下起动。电机起动的一般要求为:有足够大的起动转矩，使生产机械较快的达到正常运行;同时又希望起动电流不要太大，以免过大的起动电流损害电机或机械，且引起电源电压的下降，影响接在电网上的其它电气设备的正常工作。根据
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异步电机的机械特性可知，降低了电机的端电压就限制了起动电流，而且异步电动机的起动转矩与端电压平方成正比，因此，降压起动时，可以消除起动电流的冲击，不过起动转矩也将随之减小，这也是其不足之处。但是晶闸管软起动产品也有缺点:一是高压产品的价格太高，一般同等级的大功率产品是液阻的5-10倍;二是晶闸管引起的高次谐波较严重;三是对于绕线转子异步电机无所作为。在这几个缺点中，价格高是制约其向大功率和特大功率发展的主要因素。故此情况下对于国内中小企业，一般无力选用它;在必需的情况下则宁可选用高压变频装置，这就是高压晶闸管软起动比较受冷落的原因。但随着电力电子器件的迅速发展和晶闸管软起动具有的众多优点，相信会得到越来越广泛的应用。本文就是以晶闸管调压软起动为研究对象。
2.2软起动器的基本原理
软起动器的晶闸管调压电路由6个晶闸管两两反向并联组成，串接于交流异步电机的三相供电线路之上。(图 2.1)加入起动信号后，系统软件首先施加若干毫秒的固定延时用
能保证不同相的两个晶闸管同时导通，要求采用能够产生大于?
60的宽脉冲或双窄脉冲的触α 的情况下交流调压电路中可能只有一个方向的晶闸管在工作，负载上发电路，以免在φ
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的电压和电流波形将出现正负半波不对称的情况，产生直流分量。本系统采用宽的脉冲触发方式。
从电力电子学知道，在带感性负载时，这种交流调压电路控制角的最大移相范围为?150 (??1500 α);而当负载为交流异步电动机、变压器时其控制角的最大移相范围为
?180 αφ。在调压时，负载上所得到的电压与电流波形在不同α角时是不同的。例如晶闸管调压器在电机起动时，随着控制角α由大到小变化时，负载所得的电压也随之升高的，而负载上电流变化的一般趋势是从大减小到额定值。由于调压控制在实质上是改变一个周期内电压波形导通角的大小，所以输出的不是正弦波，但由于晶闸管的对称触发即异步电动机绕组的对称联结，所以每一相负载上所得到的电压及稳态时的相电流是三相对称的。各相电压及稳态电流自身是半波对称的。且根据谐波分析可知，对于这种三相对称控制电路，其输出电压中只有奇次谐波，并以三次谐波所占的比重最大。由于没有零线，所以虽有三次谐波电势，但三次谐波却无通路，故没有三次谐波电流，这样对电源装置的干扰很小。对于单相晶闸管电路的电压波形，如图2.2所示:其中α角为触发角，卯角为续流角，夕为晶闸管真正导通角，U 1为电机相电压。由图2.2
可得角决定了晶闸管的输出电压，故改
变
角的大小就可以调节电机的输入电压U 1，
又
角
与
角
和
角都有关系
?απθ+-=即U ，和移相触发角、续流角都有关系，由图可得经过相控调压后，其有
效值数学表达式为
:
图2.2单相晶闸管工作波形
??
?+
=
=
?
π
α
π
π
ωωπ
ωωπ
ω0
2
02
020
21
21
)sin 2(1
)sin 2(1
1t d t U t d t U t d u U （2.1） 其中U0为电网相电压有效值，经推导后得
π
α
απ??22sin )(22sin 210
+-+-=U U （2.2）
由以上式得出了U1，和移相触发角、续流角的具体关系补充的一点是，电压波形
过零与电流波形过零之间的相位角，可以近似地看作功率因数角，本论文后面的续流角检测部分会对此详细介绍。
2.2.1软起动器的工作方式
(1)限流软起动主要用于轻载启动。在起动过程中限制起动电流不超过某一设定值
(I m)，其输出电压从零开始迅速增长，直到其输出电流达到预先设定的电流限值I m，然后在保持输出电流I
(2)电压斜坡起动用于重载起动。输出电压由小到大斜坡线性上升，将传统的降压起动变有级为无级。电压斜坡起动缺点是起动转矩小，转矩特性呈抛物线型上升，对起动不利，且起动时间长，对电机也不利。改进的方法是采用双斜坡起动：输出电压先迅速升至U1（电动机起动所需最小转矩所对应的电压值），然后按设定的速率逐渐升压，直至额定电压。初始电压及电压上升率可根据负载特性调整。这种起动方式的特点是起动电流相对较大，但起动时间相对较短。
图2.3限流起动和斜坡电压起动
(3)转矩控制起动主要用于重载起动，它是按电动机的起动转矩线性上升的规律控制输出电压，它的优点是起动平滑、柔性好，对拖动系统有利，同时减少了对电网的冲击，是最优的重载起动方式，其缺点是起动时间较长。
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(4)转矩加突跳控制起动与转矩控制启动同样用于重载起动。不同的是，突跳控制在起动瞬间用突跳转矩克服拖动系统的静转矩，然后转矩平滑上升，可缩短起动时间。但是，突跳会给电网发送尖脉冲，干扰其它负荷。
(5)电压控制起动用于轻载起动，在保证起动压降的前提下使电动机获得最大的起动转矩，尽可能地缩短起动时间，是最优的轻载软起动方式。
2.2.2软起动器的适用场合
(1)生产设备精密，不允许起动冲击，否则会造成生产设备和产品不良后果的场合。
(2)电动机功率较大，若直接起动，要求主变压器容量加大的场合。
(3)对电网电压波动要求严格，对压降要求≤10％U
的供电系统。
Ｎ
(4)对起动转矩要求不高，可进行空载或轻载启动的设备。严格地讲，起动转矩小于额定转矩50%的拖动系统才适合用软起动器解决起动冲击问题。重载或满载只能采取变频软起动，实现无过流软起动，提供1.2-2倍额定转矩的起动转矩。
(5)软起动器的缺点是不能长时间应用于起动转矩要求很高的电机驱动装置上。这是因为电机软起动器实际上是将自身电压斜坡式抬升至最大值，停机过程中又逐渐下降至设定的关机水平来完成工作的。由于转矩与电压平方成正比，连接电机无法一开始就达到最大转矩，因此软起动器更适合于风扇、电梯、水泵、传送带等轻型易起动设备。
2.3电子软起动器
从20世纪70年代开始推广利用晶闸管交流调压技术制作的晶闸管软起动器，以后又把功率因数控制技术结合进去，以及采用微控制器代替模拟控制电路，发展成现代智能化电子软起动器。
2.3.1电子软起动器的特点
电子软起动器是目前最先进也是最流行的异步电机软起动控制器，它是一种集电机软起动、软停机、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置。相比较于传统的起动方式，其突出的优点体现在:
(1)电子软起动器是无级调节的，能够连续稳定的调节电机的起动，而传统起动的调节
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是分档的，即属于有级调节范围;
(2)冲击转矩和冲击电流小。软起动器在起动电机时，通过逐渐增大晶闸管的导通角，使电机起动电流限制在设定值以内，因而冲击转矩和电流都小，也可控制转矩平滑上升，保护传动机械、设备和人员;
(3)恒流起动。软起动器可以引入电流闭环控制，使电机在起动过程中保持恒流，确保电机平稳起动;
(4)根据负载情况及电网继电保护特性选择，可自由地无级调整至最佳的起动电流，节省能源;
(5)这种软起动器体积最小，一台开关柜能放多台这种起动器，节省工程造价，且故障率与维修费用较低。
同时，此软起动器还能实现直接计算机通讯控制，为自动化智能控制打下良好的基础。所以，这种起动器应是实际应用中首选的产品，也是本文所要研究的软起动器，之后的软起动器若非特指，都为电子软起动器。
2.3.2电子软起动器在国内外的应用和发展状况
原则上，笼型异步电动机凡不需要调速的各种应用场合都可适用电子软起动器，目前的电子软起动器应用范围是交流380v(也可660v)，电机功率从几千瓦到800kw。软起动器特别适用于各种泵类负载或风机类负载，需要软起动与软停车的场合;同样对于变负载的工况，电动机长期处于轻载运行，只有短时或瞬间处于重载场合，应用软起动器(不带旁路接触器)则具有轻载节能的效果。目前电子软起动器国内的生产厂家很多，可说五花八门，虽然也有一定的市场份额，但在技术和市场占有上还是与国外厂家有很大差距的。从技术先进性和应用效果以及市场占有率来看，在整个国内市场能形成品牌和有影响力的大约有五家。一是“雷诺尔”，二是“ABB”，三是“施耐德”，四是“AB”，五是“西门子”。在国外，世界上许多著名的电气公司都生产智能化电子软起动器:如GE公司生产的最大功率达到850kw，额定电压500v，额定电流1180A，最大起动电流5900A;ABB公司生产的最大功率达到1200kw，额定电压690v，额定电流1000A;意大利S工E工公司生产的额定电压690v，额定电流1600A;美国BS公司还生产中压6-13.8kv同步或异步电动机软起动器，最大功率达到10000kw。下面的表三列出了国外较著名厂商软起动器制造公司的低压产品的一些技术性能指标，从中可以看出软起动器的起动方式及独特功能是其他降压起动不可比拟的。
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3软起动器硬件设计
3.1软起动硬件电路
在前几章研究了软起动器控制策略的基础上，我们进行了软起动器实验样机的研制，并在实验样机中实现前一章介绍的几种起动方式和控制策略。该系统是通过80C51作为主控制芯片，晶闸管作为主要开关器件来实现的。本章从系统硬件框图出发详细进行各部分的设计。添加了节能运行功能的异步电机软启动器主要由单片机、功率因数检测电路、电机运行控制电路、数据输入A/D转换等部分构成。系统基于8位的80C51单片机开发，用于电机起动及节能运行过程中各控制参数的设定、输入等。
3.1.1主电路元件参数选择
表3.1异步电机型号
在选择双向晶闸管时，必须仔细考虑其参数选择。晶闸管工作中可能会遭受一些意外的瞬时过压或过流，为了确保管子的安全运行，在选用晶闸管时应使其额定电压为正常工作电压峰值的2~3倍，由表3.1可求得:
~
2(
~
)3
?
=（3.1）=
?
2(=
380
Un
v
v
Um1612
~
2
1075
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其中Um为双向晶闸管额定电压，Un为系统正常工作线电压即380v双向晶闸管多用于交流电路，因而通态时额定电流是指有效值电流。例如:对于1.1kw的异步电动机，起动电流可以高达额定电流的5~10功倍，当仅取5倍的安全裕量后，双向晶闸管额定通态电流为: I M=5I N=9.6在选择晶闸管时仅加大安全裕量还是不够的。为了使晶闸管能正常工作而不受损坏，还必须对过电压、过电流，过高的电流引起的器件或电机温升等进行适当的保护或抑制。
本系统中根据市场情况采用的晶闸管是Semikron公司的KK10-18E型晶闸管模块，额定电压1300v，峰值电压1800v，额定电流为10A，能充分满足要求。
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3.2软起动
电子软起动器采用单片机进行智能化控制，不但克服了传统起动的弊端，而且从根本上解决了电动机起动时带来的问题。该起动器是一种集控制，自诊断和保护与一体的小型化多功能化控制器。通过改变控制参数，就能改变电动机的起动特性，保证负载在要求的起动特性下平滑起动，并降低起动对电网的冲击，充分体现了电子软起动灵活方便适应性强的特点。
3.2.1软起动器在三相交流电机主控制回路中的地位和作用
3.1
软起动器在三相交流电机主控制回路中的地位和作用如图
图3.1软起动在三相交流电机主控制回路的地位和作用
在需要用软起动来起动电机时，把软起动器按上图所示的接法接入。在起动过程中，旁路接触器Km2断开，Km1闭合，软起动器接入，有控制信号控制软起动器运行，从而实现电机的软起动。经过一段时间的运行后电动机达到正常状态，软起动结束。软起动器自动切除，旁路接触器接通，从而实现电机的安全软起动运行。
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3.2.2软起动器结构框图
软起动器结构框图如图3.2所示
图3.2 软起动器结构框图
该软启动器系统硬件由主回路，脉冲产生及隔离电路和单片机控制电路三部分组成本软起动器硬件结构整体框图见图 3.2，如图所示:软起动器主要包括主电路部分和控制电路部分。原理简述:通过微机控制晶闸管的导通角，逐渐增大晶闸管的输出电压(也是电机的输入端电压)进行异步电机软起动。同时控制器还要通过电压、电流、温度等检测来实施过压、过流、过热保护等功能。框图中各主要部分功能简述如下:
(1)三相晶闸管:其中每相电路都由两只晶闸管反并联构成，并含有阻容吸收电路。
(2)电压检测:一方面将三相电源电压的大小信号，送入单片机，经A/D处理作为故障检测、过压及欠压保护、电压显示等的依据;另一方面，将三相电源的模拟电压转变为方波信号，作为触发三相晶闸管的相位信号与同步信号。
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(3)电流检测:通过电流互感器检测电机的三相电流，将电流信息送入单片机中，作为过流保护、电流显示等的依据。另一方面同样检测电流的相位信号。
(4)功率因数角检测电路:由于晶闸管截止时意味着没有电流通过，即电流为零，因此晶闸管截止时刻与电源电压即同步信号过零时刻间的相位差代表着电机的续流角度，即可测得功率因数角?。
3.2.3起动装置主回路
该主回路采用大功率晶闸管，连接形式为反并联，由晶闸管触发装置输出两个互相差?
180的出发脉冲。主电路工作过程：断开开关Km2后，控制电路的SB1按下，由单片机控制使km1闭合接通起动电路。起动过程中有预先在单片机中设置的晶闸管的初始导通角和初始电压开始，由单片机控制，使电动机的端电压由预先设置的初始电压以一种线性函数的关系逐渐上升，而这一过程则由单片机控制晶闸管的导通角来实现。当电动机的端电压达到要求后，由单片机控制使Km2闭合Km1断开。电动机进入正常运行状态。
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学生毕业设计（毕业论文） 系别：机电工程 专业：数控技术 设计（论文）题目：三相异步交流电机
毕业设计（论文）任务书 一、课题名称：三相异步电机的设计 二、主要技术指标： 1.内部由定子和转子构成。 2. 外壳有机座、端盖、轴承盖、接线盒、吊环等组成。 3. 技术要求：采用电压AC380，可以实现正反转。 三、工作内容和要求： 1．设计磁路部分：定子铁心和转子铁心。 2 设计电路部分：定子绕组和转子绕组以及电路图。 3 设计机械部分：机座、端子、轴和轴承等。 4．设计电路的正反转和安全控制部分。 5．按照“毕业设计规格”设计毕业报告。 四、主要参考文献： 1.[1]王世琨.《图解电工入门》[M].中国电力出版社.2008.
2.[2]满永奎.《电工学》[M].清华大学出版社.2008. 3.[3]乔长君.《电机绕组接线图册》[M].化学工业出版社.2012. 4.百度文库 学生（签名）年月日 指导教师（签名）年月日 教研室主任（签名）年月日 系主任（签名）年月日
毕业设计（论文）开题报告
摘要
在费拉里斯和特斯拉发明多相交流系统后，19世纪80年代中期，多沃罗沃尔斯基发明了三相异步电机，异步电机无需电刷和换向器三相异步电机(Triple-phase asynchronous motor)是靠同时接入380V三相交流电源（相位差120度）供电的一类电动机，由于三相异步电机的转子与定子旋转磁场以相同的方向、不同的转速成旋转，存在转差率，所以叫三相异步电机。 作电动机运行的三相异步电机。三相异步电动机转子的转速低于旋转磁场的转速，转子绕组因与磁场间存在着相对运动而感生电动势和电流，并与磁场相互作用产生电磁转矩，实现能量变换。与单相异步电动机相比，三相异步电动机运行性能好，并可节省各种材料。按转子结构的不同，三相异步电动机可分为笼式和绕线式两种。笼式转子的异步电动机结构简单、运行可靠、重量轻、价格便宜，得到了广泛的应用。 Reese and Tesla invented in AC system. At the mid of 1880s, 多沃罗沃尔Chomsky invented the three-phase asynchronous motors, asynchronous motors without brushes and commutate. Three-phase asynchronous motors (Triple-phase asynchronous motor) is by simultaneously accessing 380V three-phase AC power supply of a class of motors, three-phase asynchronous motor as the rotor and the stator rotating in the same direction, to rotate at different speeds, there turn slip, so called three-phase asynchronous motors. For three-phase asynchronous motors motor is running. Three-phase asynchronous motor rotor speed is lower than the speed of the rotating magnetic field, the magnetic field due to the rotor windings relative motion exists between the induced electromotive force and current, and the magnetic field generated by the interaction with the electromagnetic torque and achieve energy conversion. Compared with single-phase induction motor, Three- phase asynchronous motor running properties, and save a variety of materials. According to the different structure of the rotor, three-phase cage induction motor and the winding can be divided into two kinds. Cage rotor induction motor, simple structure, reliable operation, light weight, cheap, has been widely used
硬件电路设计说明书V1 文档版本 1.0 编写人：彭威 编写时间：2015-06-10 部门：研发部 审核人： 审核时间：
1.引言 1.1编写目的 本文档是无刷直流电机风机盘管电源电路及控制驱动电路的硬件设计说明文档，它详细描述了整个硬件模块的设计原理，其主要目的是为无刷直流电机控制驱动电路的原理图设计提供依据，并作为 PCB 设计、软件驱动设计和上层应用软件设计的参考和设计指导。 1.2产品背景 1.3参考资料 Datasheet：Kinetis KE02 Datasheet：MKE02Z16VLC2 Datasheet：MKE02Z64M20SF0RM Datasheet：FSB50760SFT Datasheet：TNY266 Datasheet：FAN7527 2.硬件电路概述 2.1电源部分 电源部分主要功能是提供400V直流电供给电机，另外提供15V直流电给电机驱动芯片供电。采用反激式开关电源设计。 2.1.1总体方案
设计一款 100W驱动开关电源。给定电源具体参数如下： （1）输入电压：AC 85V~265V （2）输入频率：50Hz （3）工作温度：-20℃~+70℃ （4）输出电压/电流：400V/0.25A （5）转换效率：≧85% （6）功率因数：≧90% （7）输出电压精度：±5% 系统整体框架如下 如图所示为电源的整体架构框图，主要目的是在输入的85~265V、50Hz交流电下，输出稳定的恒压电机驱动直流电。由图可知，电源电路主要包括了前级保护电路模块、差模共模滤波模块、整流模块、功率因数校正模块、DC/DC模块。其中EMI滤波电路能够抑制自身和电源线产生的电磁污染，功率因数校正电路采用Boost有源功率因数
软起动器的选型
2007年8月8日
鼠笼电机-电机端子的不同接法
星形连接
三角形连接
U1 V1 W1
U1 V1 W1
W2 U2 V2
=绕组
W2 U2 V2
3KW以下电机和690V电机常用
较大的电机常用
不同的起动方式-市场趋势
直接起动 星-三角起动 自耦变压器起动 绕线转子电机起动 双绕组电机起动 变频起动 软启动器起动
= 技术角度的市场趋势
起动过程中 通常的问题
直接起动 星-三角起动
皮带 打滑 及轴 承上 的张 力
Yes
中等
高的 冲击 电流
Yes
No
对轴 承和 齿轮 箱的 磨损
停车
时对 货物/ 产品 的损
害
Yes Yes 中等 Yes
管道 系统 停车 时的 水锤 效应
Yes
Yes
自耦变压器起动
中等 中等 中等 Yes
Yes
绕组转子电机起动 No
No
No No
Yes
转换 瞬间 峰值
Yes Yes
Yes
Yes
双绕组电机起动
No 中等 中等 Yes
Yes Yes
变频器起动 软启动器起动
No No No No
No No 最好方案 No
No No
减弱 No
各品牌软起动器 的型号规格
ABB软起型号定义
PSS 30/52 - 500L
系列号 外接额定电流
内接额定电流(外接的√3倍)
主回路电压500 or 690 V
控制回路电压 F=110-120V, L=220-240V
由型号确定产品一目了然
电动车无刷马达控制器硬件电路详解 电动车无刷电机是目前最普及的电动车用动力源，无刷电机以其相对有刷电机长寿，免维护的特点得到广泛应用，然而由于其使用直流电而无换向用的电刷，其换向控制相对有刷电机要复杂许多，同时由于电动车负载极不稳定，又使用电池作电源，因此控制器自身的保护及对电机，电源的保护均对控制器提出更多要求。 自电动车用无刷电动机问世以来，其控制器发展分两个阶段：第一阶段为使用专用无刷电动机控制芯片为主组成的纯硬件电路控制器，这种电路较为简单，其中控制芯片的代表是摩托罗拉的MC33035,这个不是这里的主题，所以也不作深入介绍。第二阶段是以MCU为主的控制芯片。这是这篇文章介绍的重点，在MCR版本的设计中，揉和了模拟、数字、大功率MOSFET 驱动等等许多重要应用，结合MCU智能化控制，是一个非常有启迪性的设计。 今以应用最广泛的以PIC16F72为智能控制中心，350W的整机电路为例,整机电路如图1： 整机电路看起来很复杂，我们将其简化成框图再看看：
图2:电路框图 电路大体上可以分成五部分： 一、电源稳压，供应部分； 二、信号输入与预处理部分； 三、智能信号处理，控制部分； 四、驱动控制信号预处理部分； 五、功率驱动开关部分。 下面我们先来看看此电路最核心的部分：PIC16F72组成的单片机智能处理、控制部分，因为其他电路都是为其服务或被其控制，弄清楚这部分，其它电路就比较容易明白。 图3:PIC16F72在控制器中的各引脚应用图 我们先来简单介绍一下PIC16F72的外部资源：该单片机有28个引脚，去掉电源、复位、振
荡器等，共有22个可复用的IO口，其中第13脚是CCP1输出口，可输出最大分辨率达10BIT 的可调PWM信号，另有AN0-AN4共5路AD模数转换输入口，可提供检测外部电路的电压，一个外部中断输入脚，可处理突发事件。内部软件资源我们在软件部分讲解，这里并不需要很关心。 各引脚应用如下： 1：MCLR复位/烧写高压输入两用口 2：模拟量输入口：放大后的电流信号输入口，单片机将此信号进行A-D转换后经过运算来控制PWM的输出，使电流不致过大而烧毁功率管。正常运转时电压应在0-1.5V左右 3：模拟量输入口：电源电压经分压后的输入口，单片机将此信号进行A-D转换后判断电池电压是否过低，如果低则切断输出以保护电池，避免电池因过放电而损坏。正常时电压应在 3V以上 4：模拟量输入口：线性霍尔组成的手柄调速电压输入口，单片机根据此电压高低来控制输出给电机的总功率，从而达到调整速度的目的。 5：模拟/数字量输入口：刹车信号电压输入口。可以使用AD转换器判断，或根据电平高低判断，平时该脚为高电平，当有刹车信号输入时，该脚变成低电平，单片机收到该信号后切断给电机的供电，以减少不必要的损耗。 6：数字量输入口：1+1助力脉冲信号输入口，当骑行者踏动踏板使车前行时，该口会收到齿轮传感器发出的脉冲信号，该信号被单片机接收到后会给电机输出一定功率以帮助骑行者更轻松地往前走。 7：模拟/数字量输入口：由于电机的位置传感器排列方法不同，该口的电平高低决定适合于哪种电机，目前市场上常见的有所谓120°和60°排列的电机。有的控制器还可以根据该口的电压高低来控制起动时电流的大小，以适合不同的力度需求。 8：单片机电源地。 9：单片机外接振荡器输入脚。 10：单片机外接振荡器反馈输出脚。 11：数字输入口：功能开关1 12：数字输入口：功能开关2 13：数字输出口：PWM调制信号输出脚，速度或电流由其输出的脉冲占空比宽度控制。 14：数字输入口：功能开关3 15、16、17：数字输入口：电机转子位置传感器信号输入口，单片机根据其信号变化决定让电机的相应绕组通电，从而使电机始终向需要的方向转动。这个信号上面讲过有120°和60°之分，这个角度实际上是这三个信号的电相位之差，120°就是和三相电一样，每个相位和前面的相位角相差120°。60°就是相差60°。 18：数字输出口：该口控制一个LED指示灯，大部分厂商都将该指示灯用作故障情况显示，当控制器有重大故障时该指示灯闪烁不同的次数表示不同的故障类型以方便生产、维修。 19：单片机电源地。 20：单片机电源正。上限是5.5V。 21：数字输入口：外部中断输入，当电流由于意外原因突然增大而不在控制范围时，该口有低电平脉冲输入。单片机收到此信号时产生中断，关闭电机的输出，从而保护重要器件不致损坏或故障不再扩大。 22：数字输出口：同步续流控制端，当电流比较大时，该口输出低电平，控制其后逻辑电路，使同步续流功能开启。该功能在后面详细讲解。 23--28：数字输出口：是功率管的逻辑开关，单片机根据电机转子位置传感器的信号，由这里输出三相交流信号控制功率MOSFET开关的导通和关闭，使电机正常运转。
JJR系列软起动器用户手册
目录 安全注意事项………………………………………………………………………………………安装准备……………………………………………………………………………………………使用及环境条件……………………………………………………………………………………1．概述……………………………………………………………………………………………… 典型应用简介…………………………………………………………………………………… JJR系列软起动功能……………………………………………………………………………2．购入检查…………………………………………………………………………………………3．安装………………………………………………………………………………………………4．电路连接………………………………………………………………………………………… 4.1主回路……………………………………………………………………………………… 4.2控制端子…………………………………………………………………………………… 4.3控制电路端子连接………………………………………………………………………… 4.4主回路连接………………………………………………………………………………… 4.5基本电路框图和端子………………………………………………………………………5．键盘及显示说明…………………………………………………………………………………6．数据的设定………………………………………………………………………………………7．通电运行…………………………………………………………………………………………8．保护显示说明……………………………………………………………………………………9．软起动控制模式………………………………………………………………………………… 9.1限流型……………………………………………………………………………………… 9.2电压控制型………………………………………………………………………………… 9.3软停车曲线………………………………………………………………………………… 9.4不同起动方式的电流波形比较……………………………………………………………10．结构特点………………………………………………………………………………………附表一应用场合……………………………………………………………………………………JJR1000系列二次接线图……………………………………………………………………………JJR2000系列二次接线图……………………………………………………………………………
三相异步电动机的设 计说明书 一．三相异步电动机的基本结构 三相异步电动机由两个基本部分构成：固定部分—定子和转子，转子 按其结构可分为鼠笼型和绕线型两种。 1-1.定子的结构组成 定子由定子铁心、机座、定子绕组等部分组成，定子铁心是异步电动机磁路的一部分，一般由0.5毫米厚的硅钢片叠压而成，用压圈及扣片固紧，各片之间相互绝缘，以减少涡流损耗。 定子绕组是由带有绝缘的铝导线或铜导线绕制而成的，小型电机采用散下线圈或称软绕组，大中型电机采用成型线圈，又称为硬绕组。 1-2.转子的结构组成 转子由转子铁心、转子绕组、转子支架、转轴和风扇等部分组成，转子铁心和定子铁心一样，也是由0.5毫米硅钢片叠压而成。鼠笼型转子的绕组是由安放在转子铁心槽的裸导条和两端的环形端环连接而成，如果去掉转子铁心，绕组的形状象一个笼子；绕线型转子的绕组与定子绕组相似，做成三相绕组，在部星型或三角型。 1-3.工作原理 当定子绕组接至三相对称电源时，流入定子绕组的三相对称电流，在气隙产生一个以同步转速n 1 旋转的定子旋转磁场，设旋转磁场的转向为逆 时针，当旋转磁场的磁力线切割转子导体时，将在导体产生感应电动势e 2 ，电动势的方向根据右手定则确定。N极下的电动势方向用?表示，S极下的 电动势用Θ表示，转子电流的有功分量i 2a 与e 2 同相位，所以Θ ?和既表示 电动势的方向，又表示电流有功分量的方向。转子电流有功分量与气隙旋转磁场相互作用产生电磁力f em ,根据左手定则，在N极下的所有电流方向为
?的导体和在S极下所有电流流向为Θ的导体均产生沿着逆时针方向的切 向电磁力f em ,在该电磁力作用下，使转子受到了逆时针方向的电磁转矩M em 的驱动作用，转子将沿着旋转磁场相同的方向转动。驱动转子的电磁转矩与转子轴端拖动的生产机械的制动转矩相平衡，转子将以恒速n拖动生产机械稳定运行，从而实现了电能与机械能之间的能量转换，这就是异步电动机的基本工作原理。 二．异步电动机存在的缺点 2-1.笼型感应电动机存在下列三个主要缺点。 （1）起动转矩不大，难以满足带负载起动的需要。当前社会上解决该问题的多数办法是提高电动机的功率容量（即增容）来提高其起动转矩，这就造成严重的“大马拉小车”，既增加购买设备的投资，又在长期的应用中因处于低负荷运行而浪费大量电量，很不经济。第二种办法是增购液力偶合器，先让电动机空载起动，在由液力偶合器驱动负载。这种办法同样要增加添购设备的投资，并因液力偶合器的效率低于97%，因此至少浪费3%的电能，因而整个驱动装置的效率很低，同样浪费电量，更何况添加液力偶合器之后，机组的运行可靠性大大下降，显著增加维护困难，因此不是一个好办法。 （2）大转矩不大，用于驱动经常出现短时过负荷的负载，如矿山所用破碎机等时，往往停转而烧坏电动机。以致只能在轻载状况下运行，既降低了产量又浪费电能。 （3）起动电流很大，增加了所需供电变压器的容量，从而增加大量投资。另一办法是采用降压起动来降低起动电流，同样要增加添购降压装置的投资，并且使本来就不好的起动特性进一步恶化。 2-2.绕线型感应电动机 绕线性感应电动机正常运行时，三相绕组通过集电环短路。起动时，为减小起动电流，转子中可以串入起动电阻，转子串入适当的电阻，不仅可以减小起动电流，而且由于转子功率因数和转子电流有功分量增大，起动转矩也可增大。这种电动机还可通过改变外串电阻调速。绕线型电动机
第三章 系统的硬件设计及其实现 3.1系统硬件结构总体设计 硬件部分包括主电路、保护电路、驱动电路、控制电路。 本文所涉及到的主电路的参数是三相完全对称的，其中整流部分采用二极管不可控整流，逆变部分采用的功率器件是IGBT 。系统结构框图如图3- 1所示。380V 三相交流电输入到整流器主电路，调节交流输入变压器使输出直流电压稳定在540V 左右。DSP 的主要任务是输出SVPWM 触发脉冲对逆变器的输出进行控制。在实际的系统组成中，分为强电部分和弱电部分。强电部分和弱电部分相互隔离分开能够减少强电部分对弱电部分的影响，这点对于DSP 的正常运行，变频器的正常工作有很重要的影响。 图3-1系统硬件结构总框图 主电路:采用交一直一交电压型变频装置。它主要由整流电路、滤波电路、逆变器三部分组成。整流电路是利用二极管三相桥式不可控整流模块将三相工频交流电整流成直流电;滤波电路采用电容滤波，将整流输出的脉动电压转化为平直的直流电压Vdc;逆变器是由IGBT 构成的三相全桥式逆变器。 3.2主电路工作原理 在交流变频调速系统中，主回路作为直接执行机构，其可靠性及稳定性直接影响整个系统的运转。主电路一般是由整流电路、中间滤波电路和逆变器三部分组成。本课题选用的是电压型交一直一交变频装置。它包括不可控整流器、大电容滤波、三相桥式逆变器、采样电路、保护电路以及能耗制动电路，其电路原理整流器 TMS320F2812 DSP 直流 母线 逆变器 开关电源 CT1 CT2 M 光耦隔离 驱动电路 过流保护 滤波电路 光电 编码器 上位机 键盘 A B C 六路PWM 信号
图如图3-2 图3-2系统硬件主电路图 主电路主要包括整流器和逆变器，需要用到整流桥、滤波电容器组、限流电阻和开关、电源指示器、整流二极管等器件。 三相交流电源经三相整流桥全波整流成直流电，如电源的线电压为，则三相全波整流后平均直流电压的大小是=1.35UL ，我国三相电源的线电压为380V ，考虑滤波电容的因素，全波整流后的电压是=1.414UL ，故直流电压大约为540V 。滤波电容的功能主要有两点:一是滤平全波整流后的电压纹波;二是当负载变化时，使直流电压保持平稳。由于受到电解电容的电容量和耐压能力的限制，滤波电路通常由若干个电容器并联成一组，又由两个电容器组串联而成，由于电解电容器的电容量有较大的离散性，故电容器组和的电容量不能完全相等，这将使它们承受的电压不相等，为了使它们承受的电压相等，在和二旁各并联一个阻值相等的均压电阻和。 限流电阻和开关，当变频器合上电源的瞬间，滤波电容器的充电电流是很大的。过大的冲击电流可能使三相整流桥的二极管损坏，同时也使电源电压瞬间下降而受到“污染”。为了减少冲击电流，在变频器刚接通电源后的一段时间里，电路内串入限流电阻，其作用是将电容器的充电电流限制在允许范围之内。当充电到一定程度时，令开关接通，将电阻短路掉。电源指示, 除了表示电源是否接通以外，还有一个十分重要的功能，即在变频器切断电源后，指示滤波电容器上的电荷是否己经释放完毕。由于的容量较大，而切断电源又必须在逆变电路停止工作的状态下进行，所以没有快速放电的回路，其放电时间长达数分钟。又由于上的电压较高，如不放完.对人身安个将构成威胁。 3.2.1整流二极管及IGBT 的选择 (1)整流二极管的选择 a.确定电压额定值整流二极管的耐压按式((6-1)确定。根据电网电压，考虑A B C M 整流桥
电机软启动器原理图 6kV电机软启动器控制原理图
软启动器在冷剪控制系统中的应用 1 前言 冷剪是棒材生产线上必不可少的设备，在连续剪切线上，由于对冷剪定位控制的实时性和精确性要求非常高，通常情况下采用变频器或直流调速装置进行控制;对于使用定尺机完成棒材组长度定位的生产线来说，由于要等到棒材组在辊道上完全停止后才进行剪切，对冷剪定位控制的实时性和精确性不要求非常高，这时对交流电机可考虑使用软启动器控制，设备投资大大减少。 2 软启动器概述 软起动器是电力电子技术与自动控制技术相结合的产物，其电路原理如图1所示。将三组反并联晶闸管串接于供电电源与被控电机之间。起动时，由电子电路控制晶闸管的导通角，使电机的端电压逐渐增大，直至全电压，使电机实现无冲击软起动;停机时，则控制晶闸管的关断速度，使电机的端电压由全电压逐渐下降至零，实现软停车，可见，软起动器实际上是一个晶闸管交流调压器。改变晶闸管的触发角，就可调节晶闸管调压电路的输出电压。在整个起动过程中，软起动器的输出是一个平滑的升压过程（且可具有限流功能），直到晶闸管全导通，电机在额定电压下工作。 图1是ABB PSD系列软启动器产品的原理图，图中的元件如下：E1：电路板;F6：温度监视器;J1–J3：连接端子;K4：继电器，在运行状态时动作;K5：继电器，在全压状态时（Ue=100%）动作;K6：继电器，故障信号;T2：电流互感器;T5：控制变压器;V1–V6：晶闸管;X1–X3：端子板。另外，根据功率范围，还有两组或三组风扇作为标准配置。根据不同的应用要求，还可选择过载保护器。在图1中，V2、V4、V6三只晶闸管依次对应于U、V、W三相电源的正半周，开通角α相同，故三相的触发脉冲应依次相差120o;每相的正、负半周依次分别由反并联的两只晶闸管触发控制，所以同一相的两个反并联晶闸管触发脉冲应相差180o，触发顺序是V2、V5、V4、V1、V6、V3，依次相差60o。
电动车无刷电机控制器软件设计详解作者:谢渊斌原作发表在《电子报2007年合订本》下册版权保留，转帖请注明出处本文以MICROCHIP公司所生产的PIC16F72为基础说明软件编程方面所涉及的要点，此文所涉及的源程序均以PIC的汇编语言为例。由于软件不可避免需与硬件相结合，所以此文可能出现硬件电路图或示意图。本文适合在单片机编程方面有一定经验的读者，有些基础知识恕不一一介绍。我们先列一下电动车无刷马达控制器的基本要求：功能性要求：1.电子换相2.无级调速3.刹车断电4.附加功能a.限速b.1+1助力c.EBS柔性电磁刹车d.定速巡航e.其它功能(消除换相噪
音，倒车等)安全性要求：1.限流驱动2.过流保护3.堵转保护3.电池欠压保护4.节能和降低温升5.附加功能(防盗锁死，温升限制等)6.附加故障检测功能从上面的要求来看，功能性要求和安全性要求的前三项用专用的无刷马达驱动芯片加上适当的外围电路均不难解决，代表芯片是摩托罗拉的MC33035，早期的控制器方案均用该集成块解决。但后来随着竞争加剧，很多厂商都增加了不少附加功能，一些附加功能用硬件来实现就比较困难，所以使用单片机来做控制的控制器迅速取代了硬件电路芯片。但是硬件控制和软件控制有很大的区别，硬件控制的反应速度仅仅受限于逻辑门的开关速度，而软件的运
行则需要时间。要使软件跟得上电机控制的需求，就必须要求软件在最短的时间内能够正确处理换相，电流限制等各种复杂动作，这就涉及到一个对外部信号的采样频率，采样时机，信号的内部处理判断及处理结果的输出，还有一些抗干扰措施等，这些都是软件设计中需要再三仔细考虑的东西。PIC16F72是一款哈佛结构，精简指令集的MCU，由于其数据总线和指令总线分开，总共35条单字指令，0-20M的时钟速度，所以其运算速度和抗干扰性能都非常出色，2K 字长的FLASH程序空间，22个可用的IO 口，同时又附加了3个定时/计数器，5个8位AD口，1个比较/捕捉/脉宽调制器，8个
基于单片机的步进电机控制系统硬件设计 摘要：系统通过单片机作为步进电机的控制核心，完成了步进电机的硬件电路设计，实现了步进电机的启／停控制、正反转，以及转速的测量和显示，适用范围较广，且电路简单，成本较低，控制方便，实用价值高。 关键词：单片机步进电机驱动电路霍尔传感器 0 引言 基于单片机的步进电机控制系统具有成本低、使用灵活的特点，在数控机床、机器人，定量进给、工业自动控制以及各种可控的有定位要求的机械工具等领域有着广泛的应用。步进电机是将脉冲信号转换成角位移，电机的转速、停止的位置取决于脉冲信号的频率和脉冲数，因此步进电机非常适用于单片机控制。步进电机的驱动电路是根据单片机产生的控制信号进行工作。因此，单片机通过向步进电机驱动电路发送控制信号就能实现对步进电机的控制。 1 系统总体方案设计 步进电机控制系统主要由单片机、键盘led、驱动／放大和测速电路等4个模块组成，该控制系统可实现的功能：①通过键盘启动／暂停步进电机、设置步进电机的转速和改变步进电机的转向；②通过led管显示步进的转速和转向等工作状态；③实现二相或四相步进电机的控制：④通过霍尔传感器能够实现对步进电机的速度测量。系统总体方案设计如图1所示。 2 系统硬件设计
2.1 单片机模块 单片机的最小系统电路包括时钟电路和复位电路。本文所设计的系统中，时钟电路采用外接12m晶振。复位电路作用是使单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定状态开始运行。本文采用上电复位。 2.2 键盘输入模块 为实现人机对话，该系统设计扩展了4个按钮作为输入键盘，可手动直接操作该控制系统。系统上电后，通过键盘输入步进电机的启停、步数转速和转向等。如图2所示，设计p3口接4按钮键盘，键盘电路如图2所示：其中，s0接p3.7控制加速，s1接p3.6控制减速，s2接p3.5控制正转，s3接p3.4控制反转。 2.3 驱动电路模块 为了实现对步进电机的高精度控制，系统采用步进电机驱动芯片tb6560ahq，它是东芝公司主推的低功耗、高集成两相混合式步进电机驱动芯片，具有双全桥mosfet驱动，耐压40v，具有整步、1/2细分、1/８细分、1/16细分运行方式可供选择，配合简单的外围电路即可开发出高性能的驱动电路。 2.4 led速度显示模块 led数码显示器是1种由led发光二极管组合显示字符的显示器件。它使用了8个led发光二极管，其中7个用于显示字符，1个用于显示小数点。如图4所示，本设计采用共阳极接法。把发光二极管的阳极连在一起构成公共阳极，使用时公共阳极接+5v，每个
电动车无刷马达控制器硬件电路详解 2008-5-10 9:47:25 电动车无刷电机是目前最普及的电动车用动力源，无刷电机长寿，免维护的特点得到广泛应用，然而由于其使用直电刷，其换向控制相对有刷电机要复杂许多，同时由于电动又使用电池作电源，因此控制器自身的保护及对电机，电器提出更多要求。 自电动车用无刷电动机问世以来，其控制器发展分两个阶用专用无刷电动机控制芯片为主组成的纯硬件电路控制器单，其中控制芯片的代表是摩托罗拉的MC33035,这个不以也不作深入介绍。第二阶段是以MCU为主的控制芯片。的重点，在MCR版本的设计中，揉和了模拟、数字、大功等许多重要应用，结合MCU智能化控制，是一个非常有启今以应用最广泛的以PIC16F72为智能控制中心，350W的机电路如图1：
图1:350W整机电路图 整机电路看起来很复杂，我们将其简化成框图再看看：
图2:电路框图 电路大体上可以分成五部分： 一、电源稳压，供应部分； 二、信号输入与预处理部分； 三、智能信号处理，控制部分； 四、驱动控制信号预处理部分； 五、功率驱动开关部分。 下面我们先来看看此电路最核心的部分：PIC16F72组成的控制部分，因为其他电路都是为其服务或被其控制，弄清路就比较容易明白。
图3:PIC16F72在控制器中的各引脚应用图 我们先来简单介绍一下PIC16F72的外部资源：该单片机电源、复位、振荡器等，共有22个可复用的IO口，其中输出口，可输出最大分辨率达10BIT的可调PWM信号，另路AD模数转换输入口，可提供检测外部电路的电压，一个可处理突发事件。内部软件资源我们在软件部分讲解，这里各引脚应用如下： 1：MCLR复位/烧写高压输入两用口 2：模拟量输入口：放大后的电流信号输入口，单片机将换后经过运算来控制PWM的输出，使电流不致过大而烧毁时电压应在0-1.5V左右 3：模拟量输入口：电源电压经分压后的输入口，单片机转换后判断电池电压是否过低，如果低则切断输出以保护过放电而损坏。正常时电压应在3V以上 4：模拟量输入口：线性霍尔组成的手柄调速电压输入口压高低来控制输出给电机的总功率，从而达到调整速度的
软启动器原理、电机软起动器工作原理 软启动器（软起动器）工作原理 软启动器（软起动器）一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为Soft Starter。软启动器采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间。这种电路如三相全控桥式整流电路，主电路图见图1。使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。待电机达到额定转数时，启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。 1.什么是软起动器？它与变频器有什么区别？ 软起动器是一种集软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为Soft Starter。它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管及其电子控制电路。 运用不同的方法，控制三相反并联闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功能。 软起动器和变频器是两种完全不同用途的产品。变频器是用于需要调速的地方，其输出不但改变电压而且同时改变频率；软起动器实际上是个调压器，用于电机起动时，输出只改变电压并没有改变频率。变频器具备所有软起动器功能，但它的价格比软起动器贵得多，结构也复杂得多。 2.什么是电动机的软起动？有哪几种起动方式？ 运用串接于电源与被控电机之间的软起动器，控制其内部晶闸管的导通角，使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至起动结束，赋予电机全电压，即为软起动，在软起动过程中，电机起动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。软起动一般有下面几种起动方式。 （1）斜坡升压软起动。这种起动方式最简单，不具备电流闭环控制，仅调整晶闸管导通角，使之与时间成一定函数关系增加。其缺点是，由于不限流，在电机起动过程中，有时要产生较大的冲击电流使晶闸管损坏，对电网影响较大，实际很少应用。 （2）斜坡恒流软起动。这种起动方式是在电动机起动的初始阶段起动电流逐渐增
异步电机的矢量控制设计及仿真
前言 异步电机的矢量控制设计及仿真在矢量控制技术出现之前，交流调速系统多为V / f 比值恒定控制方法，又常称为标量控制。采用这种方法在低速及动态（如加减速）、加减负载等情况时，系统表现出明显的缺陷，所以交流调速系统的稳定性、启动、低速时的转矩动态相应都不如直流调速系统。随着电力电子技术的发展，交流异步电机控制技术全面从标量控制转向了矢量控制，采用矢量控制的交流电机完全可以和直流电机的控制效果相媲美，甚至超过直流调速系统。 矢量变换控制(以下简称VC)技术的诞生和发展为现代交流调速技术的发展提供了理论基础。交流电动机是一个多变量、非线性、强耦合的被控对象，采用了参数重构和状态重构的现代控制理论概念可以实现交流电动机定子电流的励磁分量和转矩分量之间的解耦，实现了将交流电动机的控制过程等效为直流电动机的控制过程。这就使得交流调速系统的动态性能得到了显著的改善和提高，从而使交流调速最终取代直流调速系统成为可能。实践证明，采用矢量控制方法的交流调速系统的优越性高于直流调速系统。矢量控制原理的出现也促进了其它控制方法的产生，如多变量解耦控制等方法。 七十年代初期，西门子公司的F .Blashke和W .Flotor提出了“感应电机磁场定向的控制原理”，通过矢量旋转变换和转子磁场定向，将定子电流按转子磁链空间方向分解成为励磁分量和转矩分量，这样就可以达到对交流电机的磁链和电流分别控制的目的,得到了类似于直流电机的模型,然后模拟直流电机进行控制，可以获得良好的静、动态调速性能。本文分析异步电机的数学模型及矢量控制原理的基础上, 利Matlab/Simulink中SimPowerSystems模块,采用模块化的思想分别建立了交流异步电机模块、矢量控制器模块、坐标变换模块、磁链调节器模块、速度调节模块, 再进行功能模块的有机整合, 构成了按转子磁场定向的异步电机矢量控制系统仿真模型。仿真结果表明该系统转速动态响应快、稳态静差小、抗负载扰动能力强, 验证了交流电机矢量控制的可行性、有效性。 1.异步电机的VC 原理 1.1 坐标变换 坐标变换的目的是将交流电动机的物理模型变换成类似直流电动机的模式，这样变换后，分析和控制交流电动机就可以大大简化。以产生同样的旋转磁动势 为准则，在三相坐标系上的定子交流电机A i、B i、C i，通过3/2变换可以等效成
CDJ1系列数字式电机软起动器 用户手册 2013年6月（第三版）
安全注意事项： 使用前请仔细阅读CDJ1安装说明书。如果不认真阅读有关说明，违反有关安全规定，有可能影响软起动器的正常使用。 安装前的准备 安装CDJ1请准备以下工具：螺丝刀、剥线钳、板钳等。 1、安装之前，请务必阅读“安全注意事项”。 2、只有专业技术人员允许安装CDJ1。 3、必须保证电动机与CDJ1匹配合适，安装时，请务必按用户手册章程 操作。 4、不允许将输入端（L1、L2、L3）接到输出端（U、V、W）。 5、不允许软起动器输出端U、V、W线接电容器，否则会损坏起动器。 6、CDJ1安装后将输入和输出端的铜线鼻用绝缘胶带包好。 7、远程控制时必须锁定键盘控制。 8、软起动器外壳请牢固接地。 9、维修设备时，必须断开进线电源。 使用及环境条件 【进线电源】交流380V 50H z±10% 【适用电机】鼠笼式三相异步电动机 【起动频度】每小时不超过12次 【使用湿度】90%无霜结 【使用温度】-30℃～+55℃ 【使用场所】室内无腐蚀性气体无导电尘埃且通风良好 【振动标准】海拔在3000米以下，振动力装置0.5G以下 【使用类别】AC-53b 提醒用户 如长途运输软起动器，在使用前，请用户仔细检查主电路、控制电路接线螺丝有无松动须紧固。 CDJ1-S型75kW以下壁挂式，需用户自配断路器。
目录 一、概述 ..................................................................................................... - 1 - 二、购入检查 ............................................................................................. - 2 - 三、安装 ..................................................................................................... - 3 - 四、基本接线图 ......................................................................................... - 4 - 五、软起动器的工作原理 ......................................................................... - 8 - 六、键盘及显示说明 ................................................................................. - 8 - 七、结构尺寸 ........................................................................................... - 21 - 八、故障排除 ........................................................................................... - 24 - 九、二次接线图 ....................................................................................... - 25 - 十、附表 ................................................................................................... - 26 - 附录一：MODBUS通信协议 ................................................................. - 27 -
本科毕业设计（论文） 文献综述 院（系）：电气信息学院 专业：电气工程与自动化 班级：2010级 学生姓名：学号: 2013 年12 月18 日本科生毕业设计（论文）文献综述评价表
75KW三相鼠笼异步电动机设计1前言： 现在社会中，电能是使用最广泛的一种能源，在电能的生产、输送和使用等方面，作为动力设备的电机是不可缺少的一部分。电机是各个行业生产过程及日常生活中普遍使用的基础设备，它是进行电能量和机械能量转换的主要器件。它在现代工业、现代农业、现代国防、交通运输、科学技术、信息传输和日常生活中都得到最广泛的应用。 三相异步电动机在生产和交通运输中得到广泛使用，例如，在工业方面，它被广泛用于拖动各种机床、水泵、压缩机、搅拌机、起重机械等。在农业方面，他被广泛用于拖动排灌机械、脱粒机及各种农产品的加工机械。在家用电器和医疗器械和国防设施中，异步电动机也应用十分广泛，作为拖动各种机械的动力设备。随着电气化和自动化程度的不断提高，异步电动机将占有越来越重要的地位。而随着电力电子技术的不断发展，由异步电动机构成的电力拖动系统也将得到越来越广泛的应用。异步电动机与其它类型电机相比，之所以能得到广泛的应用是因为它具有结构简单、制造容易、运行可靠、效率较高、成本较低和坚固耐用等优点。 电动机是把电能转化为机械能，电动机作为各种用途的生产机械的动力元件，功率从几瓦到几万千瓦，每分钟转速从几十到几千转，应用十分广泛。电动机主要分为同步电动机、异步电动机与直流电动机三种，分别应用于不同的场合，而其中以三相异步电动机的使用最为广泛。 2 主题： 提高国内电机的可靠性和经济性指标被列为“十五”计划基本任务的两项重要内容。国内电机质量和技术水平差距的其中两个体现方面就可靠性差，经济指标落后。对电机进行细微的失效机理分析，采用新的设计方案、新的原材料及加工工艺是提高电机可靠性和经济指标的根本途径。 国外公司注重新产品开发，在电机的安全、噪声、电磁兼容等方面很重视。国外的先进水平主要体现在电机的可靠性高，寿命长，通用化程度高，电机效率不断提高，噪声低，重量轻，电机外形美观，绝缘等级采用F级和H级。国内市场供大于求,只能去发展特殊、专用电机,开发新产品,满足配套主机行业的特殊需要;国外市场由于普通中小型电机特别是小型电机是传统工业产品,耗用原材料及工时多而获利少,是劳动密集型产品,工业发达国家普遍不愿意生产,纷纷