交流异步电动机软起动器的硬件设计(8)

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因为软启动仿真的部分模型不是仿真封装库里直接拥有的，需要从新的组合和封装，以下进行详细的介绍各个子系统。

(1)调压主电路模块

此处的晶闸管采用反并联的的方式，它的导通方式都是根据脉冲来工作。一个导通，另一个不导通。模块构成如图5-6所示。In1和In2分别是两个晶闸管的触发端。因为是三对晶闸管反并联，所以本模型中有3个这样的功能模块。其中晶闸管选用 Detailde Thyristor ，a是电压输入端，k是电压输出端，g是脉冲信号输入，m端口一般不做用途。Terminator是信号终止端，作用是不用做信号输出。

图5-6调压主电路设计

(2)触发器模块

交流调压晶闸管触发角?的移相范围是1800，??0的位置定在电源电压过零时。在阻感负载时，按触发角与负载阻抗角[??arctan（L/R）]的关系，电路有两种工作状态。

①????180

0可以根据晶闸管的工作原理可知，因为触发角度的不同，输出的波形不是连续的，通过这个环节，正好可以通过调节触发角，以此来控制输出电压和电流的输出。

②0????

当角度在这个范围内时，软启动是处在不工作状态的，因为无论触发角怎么改变，输出电压是不会变得，因为它没有达到触发的条件。经过无数次的调试可知，如果调整不好触发的角度，会出现好多情况，比如反并联晶闸管中有一个晶闸管导通，而另一个是处于关闭状态，这样不能很好的完成调节作用，这根本就没有起到设计的要求。要想让晶闸管正常的工作，能够起到应该有的作用，必须采用后沿固定在1800的宽脉冲触发方式，采用这种方式，才可以来保证晶闸管能正常触发。

触发器模块如图5-7所示，本设计参考了众多的触发模块方式，并综合众多的优

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点，设计出了同步模块，相位控制模块，波形产生模块等。图5-7是整个仿真模块的一个小的子系统模块，它的基本工作原理简介：从In1输入电压，进行同步电压检测，之后是Relay环节产生与同步电压正半周等宽的方波，(relay是滞环比较器，它的意义是让信号有一个足够的范围宽度，而不至于每个周期都进行调节)。Rate Limiter能限制变化率。此模块的最终目的就是让产生的波和电压很好的结合在一起，再经过延时等处理，形成固定的脉冲，然后再送到晶闸管，完成以后的一系列的工作。

图5-7触发器模块

触发模块中的参数设置如表5-1所示。

表5-1 触发器模块参数设置

模块 Relay、Relay2 Switch On point

eps eps 10 0

Rate Limiter、Rate Limiter1 Rising slew rate Fallingslew rate

Relay1、Relay3

eps eps 1 0

1000 Switch On point -1e8

Switch Off point Output when on Output when off

参数设置

Switch Off point Output when on Output when off (3)异步电动机模块

异步电动机中的参数按照任务书里的设置，只需要把额定电压和额定频率改为380V 和50Hz即可，别的参数不用修改。

(4)控制部分

本设计中的模型控制部分有三块。有阶跃部分，主要功能是阶跃起动信号，相当于开关；设定曲线曲线部分；还有控制部分和触发部分连接的函数。它的主要的构成

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如图5-8所演示的。其中Gain是增益模块，它有放大的作用，这里的作用是放大信号，减小误差。此处用 Saturaction 限幅器，就是设定积分时间常数。

合理的角度，才能控制的更加合理。并不是说触发角越小越好，也不是触发角越大越好，在此处的调试过程中，要根据设计的要求，来让角度在最合理的范围之内。经过仔细的分析和研究，在调试的过程中，发现，如果给出的触发角大，电流就会小。角度相反，电流的值也会相反。所以控制好触发角，是整个软启动的关键。系统中设置了函数匹配环节（Fun）来设置初始触发角的大小。

f[u(1)]?u0?u(1)，其中u0为能使电动机启动的最小控制电压；u(1)给定积分环

节的输出。

图5-8 GI环节

5.3 交流电机软启动系统仿真分析

经过一系列的准备，研究了仿真所需要的每部分之后，利用仿真的平台，将设计的各个部分组合在一起，进行调试和仿真。最终搭建出了三相交流异步电动机的模型。里面所有的数值，都是按照任务书里所给定的条件设计的。为了突出软启动的优势，此处用直接起动做了一个对比。在本设计中，主要是研究了电动机的转速和定子电流。以下的章节将详细的介绍仿真出来的波形。

5.3.1 电机转速

以下的两个波形图就是电动机的转速图。图5-9是电机全压起动的转速波形。图5-10是本设计中设计的软启动的转速的波形。因为直接起动比较快，所以设定的仿真时间1秒。软启动的调压比较慢，所以设定的运行时间是8秒。任务书中给出的电机转速为1450r/min。从两个图中可以很清楚的看到，无论是直接起动，还是软启动，电机都能到达额定的转速。但是过程完全不同。直接起动达到的时间特别快，斜率特别陡。而且在一段时间内，转速会超过额定的，这样不仅会对电机本身造成损坏，还对整个的电网都有一定的影响。但是软启动就很好的解决了以上出现的问题。可以明显的看出，斜率比较缓，时间合理，在起动的过程中，没有波动，也没有超过额定的

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转速，电机起动的很平稳，达到了本设计最终的设计要求。

图5-9直接启动转速 图5-10软启动转速

5.3.2 电机定子电流

图5-11直接起动定子电流 图5-12软启动定子电流

以上的两个波形图就是电动机的定子电流图。图5-11是电机全压起动的定子电流波形。图5-12是本设计中设计的软启动的定子电流波形。这里设定的时间和转速设定的时间一样。直接起动的仿真时间1秒。软启动的时间是8秒。通过两个图可以明显的看到两种起动方法的不同。任务书中给出的电动机的额定电路为8.2A，图中出现负的电流，因为异步电动机是一种感性负载，可以看出直接起动的电流波动非常大，最大的时刻有可能达到额定电流的10倍，这种范围内的冲击，对电机和电网都是一种很大的损坏。但是软启动的电流就比较小，它的最大值才是额定的2倍左右。通过图形对比，还可以得到，直接起动稳定的时间特别短，几乎瞬间就起动完成了。而软启动是一个循序渐进的缓慢过程，这样有一个缓冲，对设备是一种很好的保护。经过分析，软启动基本达到了设计的要求。

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第6章 结 论

本次设计是交流异步电动机的软启动器的硬件设计，根据任务书的要求，要求利用单片机AT89C51来控制晶闸管交流调压的一种电子软启动器。

在研究了设计方案之后，设计了主电路和控制电路。其中控制电路是利用单片机为核心控制，并设计出触发电路，接触器控制电路，电压电流保护电路等，并依据相关的电流和电压，确定器件的选型，还进行了详细的参数计算。主电路的仿真是利用Simulink仿真平台，为了使仿真的结果更具有说服性，本设计将软启动和直接起动做了一个对比。

在设计的仿真中，可以明显的看到仿真的结果。通过软启动的电动机，它的转速曲线的斜率比较小，很平稳，没有很大的波动，也没有超过额定的范围，一直处于一个合理的范围。另外还可以根据图形看出，经过软启动之后，定子电流的波动更加的平稳，由10倍左右的电流变为2倍左右，大大的降低了起动电流。通过分析可知，设计的软启动完全的达到了任务书里的要求，很好的解决了电机的起动问题，让电机起动变得更加平稳，安全，而且还更高效。

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