三相异步电动机软启动器的毕业设计(7)

XX大学XX学院毕业设计（论文） 相晶闸管输出电压信号通过电阻降压后转变成直流信号，再经A/D转换后送入到单片机中，作为过压或欠压保护的信号。 3.4.1 同步信号检测

为了保证三相交流调压器主回路中各个晶闸管的触发脉冲与其阳极电压保持严格的相位关系。在电机软起动器的设计过程中，同步信号检测是很重要的一个环节。只有准确的测量出电压的过零点，才能精确的控制晶闸管的导通角，从而实现对电机两端电压的无极加载，完成软起动的功能。采用如图3-10所示的电路作为电压同步信号检测电路[8]。从图中可以看出，这个电路的功能就是将由电源侧来的线电压正弦信号转为低压方波信号来供单片机进行处理分析。由于这里的信号是从高压转为低压送入单片机处理的，因此要利用一块光耦对高低压信号进行隔离，这样保证了这两种信号可以互不干扰地分离处理。整个工作过程大体是这样的：由电源侧来的线电压信号经过2个电阻和1个二极管，变成半波交流信号，这个交流信号在正半波时触发光耦导通，从而使得右侧输入到单片机的是高电平信号；而当光耦左侧交流信号处于低电平时，光耦则截止。那么右侧输入到单片机的信号也就是低电平。这样周而复始，单片机所得到的就是幅值为5V的方波信号，周期等同于电源的周期即工频50Hz，而高低电平持续的时间也基本与电源侧正负交流信号所持续的时间大致相同，虽然其间存在着一定的时延，但这可以通过软件进行补偿，从而既简化了外围硬件电路的设计，又得到了与电源电压同步的信号，为下面给出晶闸管触发信号提供了工作电压零点的基准。图中右端接主控单片机芯片。这个电路的优点在于：一方面，在起动未开始或是开始瞬间，这个电路就可以检测到器件电压零点；另外，由于输入的交流信号是直接从电源侧获取的，因此这就不需要像其他电路那样需要先利用变压器取得交流信号再进行处理，这样就既节省了线路板的空间，又节约了成本[9]。

+5VUVR11VD5R13TLP521D11R15

图3-10同步信号检测电路

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XX大学XX学院毕业设计（论文） 同时，可以利用图3-10这个电路(以下称为电路I)和另一套与电路I基本相同的电路(以下称为电路II)配合，进行电源的相序判断和缺相检测。简要介绍一下工作原理。电路II和电路I结构基本相同，存在的区别就是，假设电路I的输入侧连接电源的U、V两相，而电路II输入侧连接的就是电源的V、W两相，且输出信号是分别送入主控单片机芯片的外部中断输入口。

我们假设电路I接的是电源的U、V相，而电路II接的是V、W相，这样在三相电源正常工作时，当UV线电压发生正跳变(即从负半波转为正半波)时，VW线电压为负，那么电路II送入CPU的信号就为低电平；当UV线电压发生负跳变时，VW线电压为正，那么电路II送入CPU的信号是高电平(如果电路II接的是W、V相，那么两次送入CPU的信号高低电平情况就相反)。同步信号示意图如下

vωt

图3-11 同步信号示意图

而当电源发生缺相故障时，UV线电压无论发生何种跳变时，VW线电压都同为正或同为负，这样电路II送入单片机的信号将同为高电平或低电平。设置电路I接入单片机的P3．2引脚在信号每次跳变时都产生中断，并在每次跳变中断时记录下电路II接入单片机的P3．3引脚的状态，通过两次对比P3．2引脚的电平情况，从而判断出所连入电路中三相电源的相序，为下一步产生正确的脉冲触发信号序列奠定基础。同时在电源缺相时，也能判断出故障状况，并封锁脉冲信号及给出报警信号和显示信息。 3.4.2 电压反馈回路

电压反馈回路如图3-12所示。下面的电路可以得到与晶闸管导通与关断时刻相匹

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XX大学XX学院毕业设计（论文） 配的工频50Hz的矩形波。简单介绍一下电路构成：U为三相电源的一个输入端(即一组晶闸管输入侧)，R是与之相应的电机输入端(即相应晶闸管输出侧)。6N139是一块高速达林顿光耦，既保证高压侧与单片机低压部分的隔离，又能快速反应出晶闸管导通/截止的时刻。通过计算单片机I/O口的高低维持时间，我们就可以计算出晶闸管的导通角，作为输出电压反馈，同时可以检测出电压是否缺相，并发出报警信息，及时通知操作人员出现故障的某一相电源。图3-12显示的是一路电压反馈的检测，还有两路与之相似的电路检测V、W相。

整流桥BR1U3 6N139R29R27R30R282+15+153

图3-12电压反馈回路

3.4.3 电压过／欠保护电路

当电机经常处于过压运行时，铁损增加，效率降低。同时铁损的增加，带来铁芯的温升、电极的冷却、绝缘层寿命的缩短以及金属某些物理性质变坏等诸多问题，所以电机不能长时间地运行在过电压状态，因此在系统中加入过压及欠压保护节很有必要。在实际工作中，当输入电压超过420V(即l．1倍额定电压)时则认是过电压，起动过电压保护；而当输入电压低于340V(即0．9倍额定电压)时则认为是欠电压，起动欠电压保护[11]。具体保护电路如图3-6所示。过压和欠压比较器先设定一个适当的值(该值由过压值420V和欠压值340V转换得来)，当采样到的电压一旦超过过压值或者低于欠压值时，马上产生一个下降沿的中断送到辅助单片机)中的外部中断口P3．2，迅速产生中断使得程序立即封锁晶闸管输出脉冲，并发出过压或欠压报警信号。本设计采用硬件模拟比较产生中断的方式，虽然它的精度比不上软件数字式，但是硬件模拟比较具有响应速度快，反应灵敏的特点，这点在保护回路中具有很大的优势。另有一个缺点，本系统中由于单片机的外部中断口仅有两个，故过压和欠压都接到同一个外部中断口。在发生过／欠压报警后，需要操作人员简单测试一下电机输入侧的电压，以最终确定是过压报警还是欠压报警。

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XX大学XX学院毕业设计（论文） +5+5R82-+R81R79R78R80+5+5R76R77RSTR71R74R72R73R75+-

图3-13电压过／欠保护电路

3.5 电流检测回路

电流检测回路包括了电流反馈回路和保护回路两方面。通过霍尔传感器将三相电流信号转换成电压信号，再将这个电压信号经过A／D转换后送入到单片机中作为电流负反馈调节、故障检测和过流保护的依据。 3.5.1 电流反馈回路

电流反馈信号取自电机的定子侧，采样器件为霍尔元件，采样后得到三相电流信号，将此电流信号经过精密电阻得到相应的电压信号。与电压过/欠电路类似，该信号经过三相全波整流、滤波和分压后得到一个直流信号，并经过A/D转换后送入到单片机的I/O口中，作为系统执行软起动时的电流反馈信号。电流反馈信号检测电路如图3-14所示。U15为单片机芯片。

RSTR84R83R85+-R88+5D11D12U15

图3-14电流检测电路

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XX大学XX学院毕业设计（论文） 3.5.2 过电流保护电路

除了电流反馈信号检测回路外，电流检测回路还包括了过流保护。交流调压装置的故障，例如晶闸管直通、开路和触发脉冲丢失，换流失败等等都表现为系统主回路电流的增加，当电流过大时会对系统产生极大损害，因此过流保护是系统中很重要的保护环节。

一个优秀的过流保护环节应该是既能对过流反应迅速，又能够准确动作。本设计的过流保护和过压保护环节相似。过流保护的信号取自电流反馈回路，整流、滤波电路与电流反馈电路相同。它与设定值相比较，一旦超过设定值，则输出一个低电平信号送入辅助单片机U2的外部中断口P3.3，然后再由软件处理，对过流的晶闸管实现脉冲封锁、故障报警和系统复位等。对过电流值的设定，一般选择大小为5.5倍的额定电流，这是因为一般的限流起动时，选择的最大限流幅度为5倍，因此要留出一定的余量来保证正常起动时不至于切断电路。过流保护的具体回路如图3-15所示。

+5+5R92R93TA1TA2TA3R83R90R84R89R91+-

图3-15 过电流检测电路

4 基于单片机的软起动器的设计

本课题设计的软起动器是以单片机为控制芯片的三组反并联晶闸管调压电路成的。该软起动器的系统原理图如图4-1所示。

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