基于单片机控制的异步电机磁控软起动系统的设计

现ｆ℃驱动与控制　嘛　毋　基于单片机控制的异步电机磁控软起动系统的设计　石艳春　沈阳工业大学（１１２０００）　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｍａｇｎｅｔ－ｃｏｎｔｒｏｌ　Ａｓｙｎｃｈｒ０ｎｏｕｓ　Ｍｏｔｏｒ　Ｓｏｆｔ・ｓｔａｒｔ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＭＣＳ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｈｉ　Ｙａｎｃｈｕｎ　Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　摘要：分析了磁控电抗器的电路结构和工作原　图ｌ为磁阀式可控电抗器的结构和电路图。　理，介绍了磁控软起动系统，给出了以８０Ｃ１９６ＫＣ为主　控单元的硬件电路图。软件设计方面给出了主程序流程　电抗器的主铁心分为两半，每一半由两种截面的　图及子程序流程图，并对磁控软起动过程进行了仿真研　究。　铁心构成。其中，小截面段的长度为Ｌｆ，截面积　为Ａ　；大截面段的长度为Ｌ－Ｌｆ，截面积为Ａｂ。四　个匝数为Ｎ／２的绕组分别对称地绕在两个半铁心　柱上。每一半铁心柱上的上、下两绕组各有一个　抽头，它们之间接有晶闸管Ｋｌ、Ｋ２。不同铁心的　上下两个绕组交叉连接后，并联到电网，续流二　关键词：异步电机软起动磁控电抗器单片机　Ａｂｓｔｒａｅｔ：Ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｒｅａｃｔｏｒ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ，　ＳＯｆｔ—ｓｔａｒｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃｏｍｐｒｉｓｅｄ　ｏｆ　ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｒｅａｃｔｏｒ　ｗａｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ａｎｄ　ｈａｒｄｗａｖｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ　８０Ｃ１９６ＫＣ　ａｓ　ｍａｉｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｄｅｍｅ￣ｗａｓ　ｗｏｒｋｅｄ　ｏｕｔ．Ａｓ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄ　ｏｆ　ｓｏｆｔｗａｖｅ．ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｐｒｏｇｒａｍ　ａｎｄ　ｓｕｂ　极管则横跨在交叉端点上。由图ｌ可知，若Ｋｌ、Ｋ２　不导通，根据绕组结构的对称性可知，此时电抗　ｐｒｏｇｒａｍ　ｆｌｏｗ　ｂｌｏｃｋｓ　ｗｅｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｗｈｉｌｅ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｓｏｆｔ－ｓｔａｒｔ　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ　ｗａｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｍｏｔｏｒ　Ｓｏｆｌ　ｓｔａｒｔ　Ｍａｇｎｅ．　ｔｉｃａｌｌｙ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｒｅａｃｔｏｒ　Ｓｉｎｇｌｅ—ｃｈｉｐ　ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ　器与空载变压器没有差别。当电源电压ｅ处于正　半周时，晶闸管Ｋ１承受正向电压，Ｋ２承受反向电　压。若Ｋｌ被触发导通（Ｕｌｌａ、ｂ两点等电位），电源　经电压比为　的绕组自耦变压后由匝数为Ｎ２的线　圈向电路提供直流控制电压和控制电流。若Ｋ２在　电源负半周时触发导通，也将产生直流控制电压　三相异步电动机直接起动时电流会达到额　定电流的５．７倍。当电机容量相对较大时，该起动　电流将引起电网电压极剧下降，其结果会破坏同　电网其它设备的正常运行，甚至引起电网失去稳　定，造成大的事故。磁控软起动控制系统，基本　原理是将磁阀式可控电抗技术应用于电机软起　动中。电抗器绕组直接与电动机定子绕组串接，　通过改变铁心的磁阻来实现对电抗器电感值的　调节，使电动机的起动电流为恒值，达到软起动　的目的。　（ｂ）　ｌ　磁阀式可控电抗器的结构及工作原理　・图１磁阀式可控电抗器的结构和电路图　２６・《电机技术》２０１０年第４期　如　蚤　和电流，且控制电流的方向与Ｋ１导通时一致。在　电源的一个周期内，Ｋ１、Ｋ２的轮流导通起了全波　整流的作用，二极管起着续流作用。改变Ｋ１、Ｋ２　的触发角便可改变控制电流的大小，从而改变电　抗器铁心的饱和度，平滑连续地调节电抗器的容　量。　２　磁控软起动系统的总体框图　系统的总体框图见图２，它包括以８０Ｃ１９６ＫＣ　单片机为控制核心的控制系统，该控制系统通过　改变晶闸管的触发角来改变串接在电动机定子　中的可控电抗器的电感值，使电动机的起动电流　平稳变化，从而达到软起动的目的。　图２系统的总体框图　３　控制系统的硬件设计　控制系统硬件　本结构如图３，包括８０Ｃ１９６ＫＣ　单片机、同步信号电路、电流反馈电路、显示电　路、触发脉冲输出驱动电路。　图３单片机硬件电路框图　４　磁控软起动系统的软件设计　主程序流程如图４。　现代驱动与控制　图４主程序流程图　５　异步电动机磁控软起动仿真　采用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件及其电气系统模块　库，对异步电机磁阀式软起动的仿真进行研究。　下面以鼠笼式异步电动机为模型进行仿真，　其具体参数为尸　＝５．５ｋＷ、Ｖｎ＝３８０Ｖ、　＝５０Ｈｚ、　Ｒ　＝０．０２１７Ｑ、Ｘｌｓ＝０．０３９Ｑ、Ｒｆ　０．０３２９Ｑ、Ｘｌｆ＝　０．０９９６￣、三　＝３．６４９４Ｑ、Ｊ＝ｌ１．４ｋｇｎｌ　、Ｆ＝０，Ｐ＝　２。　由于软起动系统的起动时间比较长（约需半　分钟），整个起动过程的波形不便给出，为清楚　起见，抽取起动初始阶段和起动结束阶段的局部　起动电流波形图５和图６放大显示。　图５初始段电流波形　图６软起动结束段电流波形　《电机技术》２０１０年第４期・２７・　现代驱动与控制　毋　扣　由图可以看出，在三相异步电动机定子中串　电动机，使得它拥有更为广阔的应用前景。　入磁阀式可控电抗器后，电动机的起动电流大大　参　考　文　献　减小，其值约为起动结束后电流的３倍，电流整个　１杜姗姗，陈柏超等．磁阀式可控电抗器在高压电机软起动中的应　起动过程比较平稳。　用．高压电器，２００６．　２唐炜．ＳＯＣ１９６ＫＣ单片机通用控制系统的设计机电工程设计，　６　结束语　２００１．　３黄韵刚，黄华高等．基于ＭＡＴＬＡＢ的异步电动机软起动过程的仿　真．计算机仿真，２００３．　这种采用８０Ｃ１９６ＫＣ为做ＣＰＵ的异步电机软　４文宏伟．ＭＡＴＬＡＢ软件在饱和电抗器中的典型应用．计量与测　起动系统具有结构简单、无触点、重量轻、体积　试技术，２００４．　５可控饱和电抗器输出特性建模与仿真研究．哈尔滨工业大学学　小、起动电流及起动时间可控制、起动过程平滑　报，２００６．　等优点，能有效地减小异步电动机起动时的电流　（收稿日期：２００９．１０－１９）　冲击。该系统不仅仅适用于带风机、水泵类负载　作者简介：石艳春，１９７９年生，沈阳工业大学在读研究生，研究方向　的异步电动机，还能用于带额定负载起动的异步　电力系统及自动化　口■口●口一口●口■口一口●口一口●口一口■口一口●口■口一口■口一口一口一口■Ｅ３一口■口　（上接第２５页）　Ｎ１：Ｎｚ：Ｎ３：Ｎ４＝０．５：０．８１６５：０．５７７３：０．２９８８　较（试验值），见表２。　＝１．６７：２．７３：１．９３：１　表２　曩　４，ｚｏ原设计（双迭）　新设计（低谐波）　效率　９１．２０％　９２．３０％　次谐＝　，警锄馓确　功率因数　０　８７５　０．８６９　：Ｖ＝（　＋－）式中ｋ＝±ｌ，±２，　堵转转矩　２．３３　２　４１　±３，整数槽时ｄ＝ｌ。．，　　堵转电流　７．Ｏ２　７．３４　存在谐波次数ｖ＝ｌ，　５，７，．１１，１３，．１７，１９…　温升　６８．５　６０．４　铜耗ｗ　１０２９　９８６　谐波：　铝耗ｗ　６３７　５０６　表１　杂散耗ｗ　３９４．７　２２８　原　设　计　新　设　计　谐波次数　Ｋｄｐｖ　Ｆ　％　Ｋｄｐｖ　Ｆ　％　从表２可见，定子铜耗低谐波方案比原设计　ｌ　０．９２５　１００　０．９１２　１００　减少了４３Ｗ，即减少４．１８％。这是因匝长减短，电　５　０．０５３１５　１．１５　０．００３０１　０．０６６　阻减小之故。杂散耗减１６６．７Ｗ，谐波幅值总和　７　０．０４０７８　０．６２９　０．Ｏ０ｌ７　０．０２８　比原设计减少９０．１％，效率提高１．１％，温升降低　１１　０．１２１８　１　２　０．０１５８　０．１３６　４．１Ｋ，噪声与振动都有不同程度降低，在用材方　１３　Ｏ．１２ｌ８　１．Ｏ１　Ｏ．Ｏｌ５８　Ｏ．１】５　１７　０．０４０７８　０．２５９　０　０Ｏｌ８　０．０４３　面可以节约ｌｋｇ铜左右。在低谐波不等匝绕组运　１９　０　０５３１５　０．３０５　０．００３０１　０．０５６　用中，设计灵活，可以消弱任意有较大危害的相　∑　２．Ｏ８　０．２０５　带谐波，从而保证电机有良好的起动性能、低电　从表ｌ中可以看出新方案的相带谐波磁场能　磁噪声等，这对变频电机尤为重要。　量大大下降，其和仅为原设计的９．８％，其相带谐　参　考　文　献　波的影响已接近消除。　１丁华章．低谐波绕组的原理与应用．中小型电机．　采用低谐波不等匝绕组技术后，电机性能比　２赵庆普．低谐波绕组的研究．中小型电机．　（收稿日期：２００９．１１．０９）　・２８・《电机技术》２０１０年第４期