三相异步电动机软起动装置的设计

丁治龙

【摘要】本文首先概述了软启动器，阐述了三相异步电动机软启动的特点，对三相异步电动机软起动装置的设计进行了论述分析。

【关键词】三相异步电动机；软启动器；特点；设计

伴随着交流电动机的出现，尤其是三相鼠笼式异步电动机，由于其结构简单、制造方便、价格低廉，而且坚固耐用、惯量小、运行可靠等优势，在工业生产中得到了立刻得到了极广泛的应用。

一、软启动器的概述

软起动器是一种集软起动、软停车、轻载节能和多功能保护于一体的新颖电机控制装置。它具有多种对电机保护功能，例如有短路、过载、电压断相、电流断相、漏电闭锁等保护功能，这就从根本上解决了传统的降压起动设备的诸多弊端。这也就是意味着三相异步电动机可以实现平稳启动，而且机械和电应力将会降至最小，因此软启动器在市场上得到广泛应用。

伴随着传动控制对自动化要求的不断提高，采用可控硅为主要器件和单片机为主要控制核心的智能型电动机起动装置—软启动器，已在各行各业得到广泛的应用。由于软启动器性能优良、体积小、重量轻，并且具有智能控制及多种保护功能，另外，各项启动参数还可根据不同负载进行调整。因此电子式软起动器将逐步取代落后的Y/Δ、自耦减压和磁控式等传统的减压起动设备必将成为必然。

二、三相异步电动机软启动的特点

交流电动机的启动过程是在交流传动系统中，当异步电动机投入电网时，其转速由零开始上升，转速升到稳定转速的全过程。如不采用任何启动装置的情况下，直接加额定电压到定子绕组启动电动机时，电机的启动电流可达额定电流的3～8倍，其转速迅速由零上升到额定转速。同时三相交流电动机启动时的转矩冲击是额定转矩的两倍以上，启动时过高的电流不仅会造成严重的电网冲击，降低电网电能质量，过大的转矩冲击又将造成机械应力冲击，影响电动机的可靠性和使用寿命。因此，通常总是力求在较小的启动电流下得到足够大的启动转矩，为此就要选择合适的启动方法。在选择启动方法时可根据实际情况决定。

三相异步电机主要用作电动机、拖动机、泵、压缩机、中小型轧钢设备等机械的驱动装置，在现在家电生活中，单相异步电动机也随处可见。异步电动机运行应用电磁感应的原理，所以异步电机也叫感应电机。

从三相异步电动机固有机械特性分析中知道，异步电机不需要换向，当不频繁启动时，短时大电流问题不大，频繁启动的异步电机，频繁出现短时大电流，会造成电动机发热厉害。因此，如果只考虑电机本身，是可以直接启动的。

三、设计理论与控制方案

为了研究异步电动机的起动时的电压、电流、转矩等变量的关系，进而分析异步电机起动时的电流、起动转矩和所外加电压的关系。就要研究电机的数学模型采用集中参数等效电路的数学模型时首先需作一些假定，根据电机学知识，可得：（1）忽略空间和时间谐波.（2）忽略磁饱和.（3）忽略铁损.

电动机软起动是一种连续无级渐渐升压限流起动方式，主要思想是通过软件控制，使电动机在起动时，定子电压由某一个初始值逐渐上升至全电压，并在电压上升过程中，限制起动电流的增加，以实现小电流起动，大电流工作。即软起动是以软件控制代替常规继电器线路控制来满足电动机平稳升压起动。

软起动器常采用的是三相交流调压电路，在电源和异步电动机之间接入反并联晶闸管调压电路。晶闸管的控制方式一般采用相位控制，即使晶闸管在电源电压每一周期中，在选定的时刻将负载与电源接通，改变选定的时刻可达到调压。

设计系统时把三对反并联晶闸管分别串接在电动机的三相定子线圈上，晶闸管的编号为：VTI、VT4构成一对接到电源A相，VT2、VT5构成一对接到电源B相，VT3、VT6构成另一对接到电源C相。通过触发电路的输出改变晶闸管控制角的大小，从而来控制晶闸管的导通，使电动机的端電压缓慢平稳上升。六只晶闸管门极触发的相序是VTI、VT3、VT5触发相位依次滞后 120度；vT4、vT6、VT2之间触发相位也依次滞后120度，并且又分别滞后于VTI、VT3、VT5各180度。在任何时刻都必须有两个晶闸管导通，才能形成导电回路，其中一个晶闸管是正向的，另一个晶闸管是反向的。为了保证两组各有一晶闸管导电，必须对两组中应导通的一对晶闸管同时给触发脉冲。所以在触发某一号晶闸管的同时给前一号晶闸管补发一个脉冲。例如当要求VTI导通时，除了给VTI发触发脉冲外，还要同时给VT6发一触发脉冲。欲触发VT2时，必须给VTI同时发一触发脉冲等。

软启动器启动方式.以不同的参量作为控制目标，可以得到多种起动方式，进而影响电机不同的起动性能。电子软起动器以灵活多变的控制方式应用极为广泛，它一般有以下几种起动方式：斜坡电压启动、限电流启动、转矩控制启动。

四、系统硬件设计

设计过程中，根据硬件电路图，把系统电路分为几个模块，本次设计主要分为工作电源模块、电压检测模块、电流检测模块、核心控制模块、键盘显示模块、触发驱动模块。根据各个部分的特点，对各个模块进行定义，作为软件的依据；制定系统整体模块图，根据各部分特点对各个模块进行编程，然后进行分布测试；对各模块程序进行整合，形成整个系统的程序，然后进行软件调试。最后硬件软件相结合，看是否达到设计需要达到的结果，进一步进行调试，以达到理想效果。

控制系统的硬件设计是软起动器设计过程中最为重要的环节，是整个系统的基础。本控制器是要实现三相鼠笼式异步电动机的软起动过程，根据完成软起动过程，需要完成一些参数的检测和输出。

设计三相异步电动机软起动器首先要考虑它所要实现的这些功能，然后根据这些功能设计各个模块。（1）工作电源模块：为系统供电，使其正常运行。（2）电压检测模块：一方面将三相电源电压的大小信号，送入单片机，经AD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。（3）电流检测模块：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）核心控制模块：STC12C5A32AD是系统的核心控制单元，负责包括信号检测，移相角实时计算，输出控制等功能。（5）键盘显示模块：可预制起动、停机方式和各参数的预先设置或修改，显示部分可显示多种软起动参数。（6）触发驱动模块：信号输出通过光藕隔离驱动晶闸管。

五、系统软件设计

选用单片机C语言完成整个控制软件的设计。系统软件的设计采用模块化设计思想，模块之间相对独立，便于程序的编写和调试。

系统的主程序主要包括：系统初始化、相序处理、按键扫描和按键处理。软启动器工作时，不停的对键值进行扫描，检测到有键按下就转入具体的键处理程序，进行键处理时关闭中断，处理完毕后开中断，循环进行键扫描

六、结束语

交流电动机，尤其是三相异步电动机，由于其结构简单、质量可靠、制造方便、成本低等优势，在工业生产中得到了极广泛的应用，占据着越来越重要的地位。从长远来看，变频软启动将成为软启动的主流，，随着变频器技术的不断发展和电子技术的不断突破，软启动装置的应用将越来越广泛。

参考文献：

[1]刘锦波，张承慧，电机与拖动第一版[M].清华大学出版社，2006.

[2]李晓钢.异步电动机晶闸管软起动器的应用探讨[J].企业技术开发，2006，

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