三相異步電動機軟啟動器的設計畢業設計-資料下載頁

　　

【正文】 o=0 時，V 4 截止。V 5 飽和導通。V V 8 處于截止狀態，無脈沖輸出。電容 C3 充電，充滿后電容兩端電壓接近 2E1(30V)時，V 4 導通，A點電位由+ E1(+15V) 下降到 左右，V 5 基極電位下降約 2E1(30V)， V5 立即截止。V5 集電極電壓由E 1(15V) 上升為+，V V 8 導通，輸出觸發脈沖。電容 C3 放電和反向充電，使 V5 基極電位上升，直到 ub5E1(15V)，V 5 又重新導通。使 VV 8 截止，輸出脈沖終止。脈沖前沿由 V4 導通時刻確定，脈沖寬度與反向充電回路時間常數R11C3 有關。電路的觸發脈沖由脈沖變壓器 TP 二次側輸出，其一次繞組接在 V8 集電極電路中。鋸齒波的形成和脈沖移相環節XX 大學 XX 學院畢業設計（論文）25鋸齒波電壓形成的方案較多，如采用自舉式電路、恒流源電路等。鋸齒波電路由VV V 3 和 C2 等元件組成，V V S、RP 2 和 R3 為一恒流源電路。鋸齒波是由開關V2 管來控制的。V2 截止時，恒流源電流 I1c 對電容 C2 充電， 調節 RP2，即改變 C2 的恒定充電電流I1c，可見 RP2 是用來調節鋸齒波斜率的。V 2 導通時，因 R4 很小故 C2 迅速放電，u b3 電位迅速降到零伏附近。V 2 周期性地通斷，u b3 便形成一鋸齒波，同樣 ue3 也是一個鋸齒波。射極跟隨器 V3 的作用是減小控制回路電流對鋸齒波電壓 ub3 的影響。V4 基極電位由鋸齒波電壓、控制電壓 uco、直流偏移電壓 up 三者作用的疊加所定。如果 uco=0，u p 為負值時，b 4 點的波形由 uh+up 確定。當 uco 為正值時，b 4 點的波形由uh+up + uco 確定。M 點是 V4 由截止到導通的轉折點，也就是脈沖的前沿。加 up 的目的是為了確定控制電壓 uco=0 時脈沖的初始相位。在三相全控橋電路中，接感性負載電流連續時，脈沖初始相位應定在 a=90176。；如果是可逆系統，需要在整流和逆變狀態下工作，要求脈沖的移相范圍理論上為 180176。（由于考慮 amin 和 βmin，實際一般為 120176。），由于鋸齒波波形兩端的非線性，因而要求鋸齒波的寬度大于 180176。，例如 240176。，此時，令 uco=0，調節 up 的大小使產生脈沖的 M 點移至鋸齒波 240176。的中央（ 120176。處），相應于 a=90176。的位置。如 uco 為正值，M 點就向前移，控制角 a90176。，晶閘管電路處于整流工作狀態。如 uco 為負值，M 點就向后移，控制角 a90176。，晶閘管電路處于逆變狀態。同步環節同步指要求觸發脈沖的頻率與主電路電源的頻率相同且相位關系確定。V2 開關的頻率就是鋸齒波的頻率，由同步變壓器所接的交流電壓決定。 V2 由導通變截止期間產生鋸齒波，鋸齒波起點基本就是同步電壓由正變負的過零點。V 2 截止狀態持續的時間就是鋸齒波的寬度，其大小取決于充電時間常數 R1C1。雙窄脈沖形成環節內雙脈沖電路由 VV 6 構成“或” 門。當 VV 6 都導通時， VV 8 都截止，沒有脈沖輸出，只要 VV 6 有一個截止，都會使 V V8 導通，有脈沖輸出。第一個脈沖由本相觸發單元的 uco 對應的控制角 a 產生。隔 60176。的第二個脈沖是由滯后 60176。相位的后一相觸發單元產生（通過 V6）。晶閘管觸發電路總圖如圖 39 所示。直流電源同步電源輸入KJ004 產生單脈沖KJ042 產生脈沖調制列4066模擬開關實現寬窄切換脈沖放大驅動SCR寬脈沖列XX 大學 XX 學院畢業設計（論文）26圖 39 觸發電路框圖 晶閘管保護電路晶閘管由于擊穿電壓接近工作電壓，熱容量又較小，所以承受過電壓、過電流能力較差，短時間內的過電壓、過電流都可能造成元件損壞。為了使晶閘管能正常工作，除了合理的選擇元件外，還必須對過電流，過電壓的發生采取保護措施。(1)過電流保護晶閘管設備發生過電流有可能是晶閘管損毀、觸發電路或控制系統有故障等。針對這些情況，除了用軟件來實現保護外，還可以在硬件電路中加入快速熔斷器來保護晶閘管的過電流。(2)過電壓保護我們知道晶閘管有一個重要的特性參數，即斷態電壓臨界上升率 du/dt。它表明晶閘管在額定結溫和門極斷路條件下，使晶閘管從斷態轉入通態的最低電壓上升率。若電壓上升率過大，超過了晶閘管的電壓上升率的值，則會在無門極信號的情況下開通。即使此時加于晶閘管的正向電壓低于其陽極峰值電壓，也可能出現這種情況 [7]。為了限制電路電壓上升率過大，確保晶閘管安全運行，本設計在晶閘管兩端并聯RC 阻容吸收網絡，利用電容兩端電壓不能突變的特性來限制電壓上升率。如圖 37 中所示。因為電路總是存在電感的，所以與電容 C 串聯電阻 R 可起阻尼作用，它可以防止 R、 L、C 電路在過渡過程中，因振蕩在電容器兩端出現的過電壓損壞晶閘管。同時，避免電容器通過晶閘管放電電流過大，造成過電流而損壞晶閘管。 電壓檢測回路在電壓檢測回路中，盡量實現以下三個功能。其一是同步信號的檢測功能，采樣三相電壓的自然換相點，它作為晶閘管脈沖觸發信號的同步信號；其二是通過檢測晶閘管輸出端可以得到晶閘管導通時刻的檢測，以便做電壓反饋和缺相故障檢測；其三XX 大學 XX 學院畢業設計（論文）27是將三相晶閘管輸出電壓信號通過電阻降壓后轉變成直流信號，再經 A/D 轉換后送入到單片機中，作為過壓或欠壓保護的信號。 同步信號檢測為了保證三相交流調壓器主回路中各個晶閘管的觸發脈沖與其陽極電壓保持嚴格的相位關系。在電機軟起動器的設計過程中，同步信號檢測是很重要的一個環節。只有準確的測量出電壓的過零點，才能精確的控制晶閘管的導通角，從而實現對電機兩端電壓的無極加載，完成軟起動的功能。采用如圖 310 所示的電路作為電壓同步信號檢測電路 [8]。從圖中可以看出，這個電路的功能就是將由電源側來的線電壓正弦信號轉為低壓方波信號來供單片機進行處理分析。由于這里的信號是從高壓轉為低壓送入單片機處理的，因此要利用一塊光耦對高低壓信號進行隔離，這樣保證了這兩種信號可以互不干擾地分離處理。整個工作過程大體是這樣的：由電源側來的線電壓信號經過2 個電阻和 1 個二極管，變成半波交流信號，這個交流信號在正半波時觸發光耦導通，從而使得右側輸入到單片機的是高電平信號；而當光耦左側交流信號處于低電平時，光耦則截止。那么右側輸入到單片機的信號也就是低電平。這樣周而復始，單片機所得到的就是幅值為 5V 的方波信號，周期等同于電源的周期即工頻 50Hz，而高低電平持續的時間也基本與電源側正負交流信號所持續的時間大致相同，雖然其間存在著一定的時延，但這可以通過軟件進行補償，從而既簡化了外圍硬件電路的設計，又得到了與電源電壓同步的信號，為下面給出晶閘管觸發信號提供了工作電壓零點的基準。圖中右端接主控單片機芯片。這個電路的優點在于：一方面，在起動未開始或是開始瞬間，這個電路就可以檢測到器件電壓零點；另外，由于輸入的交流信號是直接從電源側獲取的，因此這就不需要像其他電路那樣需要先利用變壓器取得交流信號再進行處理，這樣就既節省了線路板的空間，又節約了成本 [9]。UVR 1 1R 1 5R 1 3V D 5D 1 1+ 5 VT L P 5 2 1圖 310 同步信號檢測電路XX 大學 XX 學院畢業設計（論文）28同時，可以利用圖 310 這個電路(以下稱為電路 I)和另一套與電路 I 基本相同的電路(以下稱為電路 II)配合，進行電源的相序判斷和缺相檢測。簡要介紹一下工作原理。電路 II 和電路 I 結構基本相同，存在的區別就是，假設電路 I 的輸入側連接電源的U、V 兩相，而電路 II 輸入側連接的就是電源的 V、W 兩相，且輸出信號是分別送入主控單片機芯片的外部中斷輸入口。 我們假設電路 I 接的是電源的 U、V 相，而電路 II 接的是 V、W 相，這樣在三相電源正常工作時，當 UV 線電壓發生正跳變(即從負半波轉為正半波)時，VW 線電壓為負，那么電路 II 送入 CPU 的信號就為低電平；當 UV 線電壓發生負跳變時，VW 線電壓為正，那么電路 II 送入 CPU 的信號是高電平(如果電路 II 接的是 W、V 相，那么兩次送入 CPU 的信號高低電平情況就相反)。同步信號示意圖如下ωtv圖 311 同步信號示意圖而當電源發生缺相故障時，UV 線電壓無論發生何種跳變時，VW 線電壓都同為正或同為負，這樣電路 II 送入單片機的信號將同為高電平或低電平。設置電路 I 接入單片機的 P3．2 引腳在信號每次跳變時都產生中斷，并在每次跳變中斷時記錄下電路 II接入單片機的 P3．3 引腳的狀態，通過兩次對比 P3．2 引腳的電平情況，從而判斷出所連入電路中三相電源的相序，為下一步產生正確的脈沖觸發信號序列奠定基礎。同時在電源缺相時，也能判斷出故障狀況，并封鎖脈沖信號及給出報警信號和顯示信息。 電壓反饋回路XX 大學 XX 學院畢業設計（論文）29電壓反饋回路如圖 312 所示。下面的電路可以得到與晶閘管導通與關斷時刻相匹配的工頻 50Hz 的矩形波。簡單介紹一下電路構成：U 為三相電源的一個輸入端(即一組晶閘管輸入側) ，R 是與之相應的電機輸入端(即相應晶閘管輸出側)。6N139 是一塊高速達林頓光耦，既保證高壓側與單片機低壓部分的隔離，又能快速反應出晶閘管導通/截止的時刻。通過計算單片機 I/O 口的高低維持時間，我們就可以計算出晶閘管的導通角，作為輸出電壓反饋，同時可以檢測出電壓是否缺相，并發出報警信息，及時通知操作人員出現故障的某一相電源。圖 312 顯示的是一路電壓反饋的檢測，還有兩路與之相似的電路檢測 V、W 相。R 3 0整流 橋B R 123+ 1 5+ 1 5R 2 9R 2 8R 2 7U 3 6 N 1 3 9圖 312 電壓反饋回路 電壓過／欠保護電路當電機經常處于過壓運行時，鐵損增加，效率降低。同時鐵損的增加，帶來鐵芯的溫升、電極的冷卻、絕緣層壽命的縮短以及金屬某些物理性質變壞等諸多問題，所以電機不能長時間地運行在過電壓狀態，因此在系統中加入過壓及欠壓保護節很有必要。在實際工作中，當輸入電壓超過 420V(即 l．1 倍額定電壓)時則認是過電壓，起動過電壓保護；而當輸入電壓低于 340V(即 0．9 倍額定電壓)時則認為是欠電壓，起動欠電壓保護 [11]。具體保護電路如圖 36 所示。過壓和欠壓比較器先設定一個適當的值(該值由過壓值 420V 和欠壓值 340V 轉換得來)，當采樣到的電壓一旦超過過壓值或者低于欠壓值時，馬上產生一個下降沿的中斷送到輔助單片機)中的外部中斷口 P3．2，迅速產生中斷使得程序立即封鎖晶閘管輸出脈沖，并發出過壓或欠壓報警信號。本設計采用硬件模擬比較產生中斷的方式，雖然它的精度比不上軟件數字式，但是硬件模擬比較具有響應速度快，反應靈敏的特點，這點在保護回路中具有很大的優勢。另有一個缺點，本系統中由于單片機的外部中斷口僅有兩個，故過壓和欠壓都接到同一個外部中斷口。在發生過／欠壓報警后，需要操作人員簡單測試一下電機輸入側的電壓，以最終確定是過壓報警還是欠壓報警。XX 大學 XX 學院畢業設計（論文）30+++ 5+ 5+ 5+ 5R 7 1R 7 2R 7 3R 7 4R 7 6R 7 7R 7 8R 7 9R 8 0R 8 1R 8 2R 7 5RST圖 313 電壓過／欠保護電路 電流檢測回路電流檢測回路包括了電流反饋回路和保護回路兩方面。通過霍爾傳感器將三相電流信號轉換成電壓信號，再將這個電壓信號經過 A／D 轉換后送入到單片機中作為電流負反饋調節、故障檢測和過流保護的依據。 電流反饋回路電流反饋信號取自電機的定子側，采樣器件為霍爾元件，采樣后得到三相電流信號，將此電流信號經過精密電阻得到相應的電壓信號。與電壓過/欠電路類似，該信號經過三相全波整流、濾波和分壓后得到一個直流信號，并經過 A/D 轉換后送入到單片機的 I/O 口中，作為系統執行軟起動時的電流反饋信號。電流反饋信號檢測電路如圖314 所示。 U15 為單片機芯片。 +R 8 4R 8 3R 8 5RST+ 5R 8 8D 1 1D 1 2U 1 5圖 314 電流檢測電路XX 大學 XX 學院畢業設計（論文）31 過電流保護電路除了電流反饋信號檢測回路外，電流檢測回路還包括了過流保護。交流調壓裝置的故障，例如晶閘管直通、開路和觸發脈沖丟失，換流失敗等等都表現為系統主回路電流的增加，當電流過大時會對系統產生極大損害，因此過流保護是系統中很重要的保護環節。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 ，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 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