兩相斬波調(diào)壓軟起動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

陳景文　王紅艷

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)晶閘管調(diào)壓軟起動(dòng)器觸發(fā)脈沖控制方法復(fù)雜，定子電流連續(xù)性差，波形畸變嚴(yán)重，諧波含量較高等不足，設(shè)計(jì)一種以全控型器件IGBT來(lái)實(shí)現(xiàn)交流斬波調(diào)壓軟啟動(dòng)器，利用三相交流電源控制兩相通斷就可達(dá)到控制三相通斷的方法，保證控制效果同時(shí)可以節(jié)約成本。文章設(shè)計(jì)全控型兩相斬波調(diào)壓軟起動(dòng)器的主電路和控制電路等硬件電路，并給出相應(yīng)的控制方法和軟件程序。

關(guān)鍵詞：兩相斬波調(diào)壓；異步電動(dòng)機(jī)；軟起動(dòng)器；裝置設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

在電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用當(dāng)中，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)問(wèn)題尤為重要。異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的瞬時(shí)電流沖擊很大，一般可達(dá)電機(jī)額定電流的4～8倍，甚至更大。過(guò)大的起動(dòng)電流，對(duì)電動(dòng)機(jī)本身和電網(wǎng)以及其它電氣設(shè)備的正常運(yùn)行都會(huì)造成不利的影響。

目前市場(chǎng)上廣泛使用的晶閘管調(diào)壓軟起動(dòng)器由于晶閘管的半控性，電流會(huì)產(chǎn)生很多低次諧波，造成諧波污染，使輸出電壓波形畸變嚴(yán)重，影響電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)特性。全控型兩相斬波調(diào)壓軟起動(dòng)器由于采用了全控型器件，其可以自關(guān)斷，通過(guò)改變觸發(fā)脈沖的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)定子電壓的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，其優(yōu)點(diǎn)是IGBT的觸發(fā)脈沖不需要關(guān)聯(lián)三相母線電壓的相位，也不需要檢測(cè)過(guò)零點(diǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖的占空比來(lái)調(diào)節(jié)電壓，控制算法和實(shí)施方法都比較簡(jiǎn)單。再通過(guò)續(xù)流電路使得電動(dòng)機(jī)電流、電壓波形更接近于正弦波，波形畸變率較低。

2兩相斬波調(diào)壓軟起動(dòng)器主電路

全控型兩相斬波調(diào)壓軟起動(dòng)器就是通過(guò)控制全控型器件IGBT的觸發(fā)脈沖的占空比來(lái)調(diào)節(jié)電網(wǎng)輸入定子的電壓，從而調(diào)節(jié)起動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩的大小。具體就是通過(guò)控制兩相的輸出電壓的來(lái)控制三相輸出電壓的大小。所采用的電路主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。具體電壓調(diào)節(jié)實(shí)施方式如下：

在主電路結(jié)構(gòu)上，采用一只IGBT以及相應(yīng)的保護(hù)電路，構(gòu)成斬控式開關(guān)（1）、（2），分別串接在三相交流異步電動(dòng)機(jī)的A相、B相供電主電路中。另外的C相交流電不需控制直接加在交流電機(jī)定子上。為了檢測(cè)并控制起動(dòng)電流，在三相交流異步電動(dòng)機(jī)側(cè)的A相、B相、C相電源線上分別設(shè)置一個(gè)電流互感器（5）、（6）、（7），電流互感器檢測(cè)的電流信號(hào)送人微處理器控制系統(tǒng)（3）。

在主電路控制上，微處理器控制系統(tǒng)產(chǎn)生的控制脈沖有兩路，分別觸發(fā)圖中的A、B兩路交流電源的（1）、（2）兩個(gè)絕緣柵雙極型晶體管，實(shí)現(xiàn)兩路交流斬控式調(diào)壓來(lái)控制三相交流電的目的。

3兩相斬波調(diào)壓軟起動(dòng)器控制電路設(shè)計(jì)

3.1硬件電路的總體結(jié)構(gòu)

全控型兩相調(diào)壓軟起動(dòng)器硬件原理圖如圖2所示，主要包括主控制芯片STM32電路、通訊電路、電流檢測(cè)電路、USB-串口通訊電路、電壓檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路、電源電路等幾個(gè)主要部分。每個(gè)子電路都需要連接相應(yīng)的電源電路，在圖中不在一一顯示連接。

3.2USB-串口通信電路

電路圖如圖3所示，電路實(shí)現(xiàn)如下功能：上位機(jī)可通過(guò)該接口將程序下載到STM32里，也可通過(guò)該接口，將STM32內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，并顯示出來(lái)。

3.3電流檢測(cè)電路

本次電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)是在AD637典型電路的基礎(chǔ)上搭建了基于Sallen-Key濾波電路的非正弦電流有效值轉(zhuǎn)換電路，并且通過(guò)分析、計(jì)算，優(yōu)化了濾波電路的參數(shù)，使得輸出紋波比典型應(yīng)用電路大大降低，有效地提高了非正弦電流信號(hào)有效值的轉(zhuǎn)換精度。

圖4中Vin-PUTA是將A相的電信號(hào)經(jīng)電流互感器和功率電阻轉(zhuǎn)換成的電壓信號(hào)。采用（N：5）的電流互感器將A相電流轉(zhuǎn)換為小電流信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的電流值最大為5A，這樣就使得電流互感器變比一定，便于后續(xù)程序設(shè)計(jì)和計(jì)算；并且輸入檢測(cè)電路的信號(hào)規(guī)格一定，便于檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)，可以用相同元器件參數(shù)的電路來(lái)測(cè)量不同類型的電動(dòng)機(jī)電流值。將得到的小電流信號(hào)，通過(guò)一個(gè)功率電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，輸入真有效值轉(zhuǎn)換芯片AD637的輸入端。

3.4電壓檢測(cè)電路

當(dāng)三相交流電源的電壓位于0值附近時(shí)，來(lái)自外界的電磁波和以及內(nèi)部的電磁振蕩會(huì)在電壓檢測(cè)電路的過(guò)零比較器的輸入引腳上產(chǎn)生干擾信號(hào)，一旦該干擾信號(hào)超過(guò)過(guò)零比較器的敏感值，就會(huì)引起過(guò)零比較器產(chǎn)生誤動(dòng)作，主控制芯片也會(huì)受到來(lái)自過(guò)零比較器的這個(gè)有誤的信號(hào)，進(jìn)而干擾軟起動(dòng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。所采用的電壓檢測(cè)電路如圖5所示。為了盡可能消除干擾信號(hào)引起的誤動(dòng)作，我們?cè)谶^(guò)零比較器的同相輸入端、反相輸入端同時(shí)加上一個(gè)5V的直流電壓臺(tái)階，有效地減小了外部干擾信號(hào)對(duì)軟起動(dòng)電壓檢測(cè)系統(tǒng)的影響，軟起動(dòng)系統(tǒng)的可靠性得到進(jìn)一步提升。

圖中T-A接在交流異步電動(dòng)機(jī)A相定子繞組與A相開關(guān)器件之問(wèn)，T-B接在交流異步電動(dòng)機(jī)B相定子繞組與B相開關(guān)器件之間，T-C接在交流異步電動(dòng)機(jī)C相定子繞組與C相開關(guān)器件之問(wèn)。這樣通過(guò)T-A、T-B、T-C可將三相電源的電壓波形引入到電壓檢測(cè)電路的輸入端。在圖中，由于電路的對(duì)稱性，R101左端的交流電壓為0，即輸入運(yùn)放U24A（LM339）反相端的交流電壓為0，直流電壓為5V。

3.5電源電路

全控型兩相斬波調(diào)壓軟起動(dòng)器控制系統(tǒng)的電源模塊分別采用了LM7815、LM7812、AMS1117、LM2596_5、TPS6040、MC34063穩(wěn)壓芯片，分別產(chǎn)生了+15V、+12V、+3.3V、+5V、-5V、-10V的不同電壓，為其它部分供電。

KBL408的功能是將交流通過(guò)整流橋變?yōu)橹绷鞯恼鳂螂娐?。LM2596-5的功能是將12V電壓轉(zhuǎn)換為5V電壓輸出。

選用AMS1117-3.3，將5V電壓穩(wěn)壓到3.3V。TPS6040的功能是將+5V電壓翻轉(zhuǎn)為-5V電壓，MC34063的功能是將+15V電壓轉(zhuǎn)換為一10V，用于IGBT關(guān)斷時(shí)向柵極提供足夠的反壓。

4全控型兩相斬波調(diào)壓軟起動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式軟件設(shè)計(jì)

4.1主程序設(shè)計(jì)

兩相斬波調(diào)壓軟起動(dòng)主程序，作為控制系統(tǒng)的中樞，對(duì)控制系統(tǒng)的各個(gè)子程序的行為起到指揮和調(diào)配作用?？刂葡到y(tǒng)主程序流程圖如圖6所示，雖然其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是其是整個(gè)控制系統(tǒng)的靈魂，重要性無(wú)可替代。下面詳細(xì)介紹其工作過(guò)程。

首先在控制系統(tǒng)上電后，要對(duì)主控制芯片內(nèi)部的各個(gè)寄存器、外部的各個(gè)引腳進(jìn)行初始化操作；然后運(yùn)行一系列的系統(tǒng)檢測(cè)子程序，通過(guò)讀取各個(gè)對(duì)應(yīng)引腳的參數(shù)，來(lái)判斷當(dāng)前電動(dòng)機(jī)所處環(huán)境是否可以進(jìn)行起動(dòng)，這一階段運(yùn)行的子程序主要有相序檢測(cè)、缺相檢測(cè)、溫度檢測(cè)等，如果檢測(cè)結(jié)果符合電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，就會(huì)進(jìn)入到鍵掃描環(huán)節(jié)，此環(huán)節(jié)用于監(jiān)測(cè)到一旦有人工輸入的控制信號(hào)通過(guò)鍵盤輸送至控制系統(tǒng)，則可以進(jìn)入到鍵處理環(huán)節(jié)，再由相關(guān)子程序?qū)斎氲目刂菩盘?hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，等待開始起動(dòng)；如果檢測(cè)子程序輸出的檢測(cè)結(jié)果不符合電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，則會(huì)進(jìn)入故障處理與顯示環(huán)節(jié)，等待故障處理后重新檢測(cè)是否符合電動(dòng)機(jī)起動(dòng)條件。

4.2軟啟動(dòng)器的啟動(dòng)模式控制實(shí)現(xiàn)

軟啟動(dòng)器設(shè)計(jì)完成后，主程序使其基本功能得以實(shí)現(xiàn)，即系統(tǒng)可以正常工作，但真正體現(xiàn)裝置啟動(dòng)性能的是其可以提供哪些啟動(dòng)模式，本軟啟動(dòng)器可以實(shí)現(xiàn)斜坡升壓起動(dòng)、帶脈沖突跳的斜坡升壓起動(dòng)、限流起動(dòng)、雙斜坡起動(dòng)等啟動(dòng)功能，滿足目前工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的絕大部分軟啟動(dòng)電機(jī)的需要，下面就這幾種控制模式做一說(shuō)明：

4.2.1斜坡升壓起動(dòng)模式

斜坡升壓起動(dòng)模式比較簡(jiǎn)單，該起動(dòng)方式是將事先設(shè)定好的電壓上升率換算成為相應(yīng)的IGBT觸發(fā)脈沖占空比的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的，只管按照設(shè)定的程序走，沒(méi)有引入電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)參數(shù)（如電動(dòng)機(jī)定子電壓、電流等）作為反饋，是一種較為粗放的開環(huán)控制方式，但是其控制方案簡(jiǎn)單，適用于對(duì)起動(dòng)控制精度要求不高的場(chǎng)合。斜坡升壓軟起動(dòng)的程序流程圖如圖7所示。

4.2.2帶脈沖突跳的斜坡升壓起動(dòng)模式

帶脈沖突跳的斜坡升壓起動(dòng)主要應(yīng)用在靜態(tài)阻力比較大的負(fù)載電動(dòng)機(jī)上，通過(guò)施加一個(gè)瞬時(shí)較大的起動(dòng)力矩以克服大的靜摩擦力矩。突跳起動(dòng)力矩通常持續(xù)時(shí)間較短，在突跳起動(dòng)力矩作用時(shí)間后，電動(dòng)機(jī)將按照斜坡升壓起動(dòng)的模式繼續(xù)起動(dòng)，直至電動(dòng)機(jī)起動(dòng)完成。帶脈沖突跳的斜坡升壓起動(dòng)流程圖如圖8所示。

4.2.3限流起動(dòng)模式

限流起動(dòng)方式是為了突出對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的電流大小的控制，是一種較為精細(xì)的起動(dòng)方式。需要將電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的電流大小實(shí)時(shí)地反饋給主控制系統(tǒng)，再由主控制系統(tǒng)將實(shí)時(shí)電流與設(shè)定的電流值進(jìn)行比較，產(chǎn)生控制信號(hào)，調(diào)整IG-BT觸發(fā)脈沖的占空比，進(jìn)而使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流的大小在設(shè)定值附近的一個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)，該起動(dòng)方式較為復(fù)雜。

限流起動(dòng)的最大起動(dòng)電流一般不超過(guò)電動(dòng)機(jī)額定電流的四倍，通常的限流控制算法有PID方法、模糊控制方法、PID與模糊控制相結(jié)合的方法等。本文采用模糊控制方法。限流起動(dòng)的流程圖如圖8所示。

4.2.4雙斜坡起動(dòng)模式

雙斜坡起動(dòng)類似于斜坡升壓起動(dòng)模式，其主要區(qū)別在于斜坡升壓起動(dòng)自始至終都是一種電壓上升率來(lái)起動(dòng)，IGBT觸發(fā)脈沖的占空比也維持不變。雙斜坡起動(dòng)主要考慮到電動(dòng)機(jī)的剛開始起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速較低，適用較低的電壓上升率，以使電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流不至于上升過(guò)快，但是隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，一成不變的電壓上升率使得電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)的后半階段轉(zhuǎn)速上升較慢，電動(dòng)機(jī)完成起動(dòng)的時(shí)間變長(zhǎng)。結(jié)合電動(dòng)機(jī)的這一特點(diǎn)，為了盡可能減小電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)時(shí)間，在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)一定值以后，改變IGBT觸發(fā)脈沖的占空比，將電壓上升率變大，使電動(dòng)機(jī)盡快達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，完成起動(dòng)。雙斜坡起動(dòng)的流程圖如圖9所示。

5總結(jié)

文章提出了一種全控型兩相斬波調(diào)壓軟起動(dòng)方式，其在起動(dòng)電流、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、總諧波含量、定子電流波形方面均優(yōu)于晶閘管調(diào)壓軟起動(dòng)。設(shè)計(jì)了全控型兩相斬波調(diào)壓軟起動(dòng)器的硬件電路和軟件程序。設(shè)計(jì)的全控型兩相斬波調(diào)壓軟起動(dòng)器諧波含量低，相比晶閘管調(diào)壓軟起動(dòng)，起動(dòng)電流更接近正弦波，且連續(xù)性好；控制算法簡(jiǎn)單，保護(hù)電路齊全，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，易于維護(hù)；起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，且連續(xù)可調(diào)；所用電力電子器件數(shù)目少，通過(guò)控制兩相來(lái)達(dá)到控制三相的目的，節(jié)約成本。