基于C504的软启动器设计
三相交流异步电动机具有结构简单，制造方便，运行性能好，并可节省各种材料，价格便宜等优点而被广泛应用。但是，三相异步电动机的起动电流可高达额定电流的5～8倍，对电网造成较大干扰，可能对设备安全构成严重威胁。传统的降压起动方式，如定子串电阻起动、星三角起动、自耦变压器起动等，但是它们要么起动电流和起动转矩过大，要么体积庞大笨重、损耗大，要么起动电流和起动转矩偏小、难以维护等等，都无法达到需要的效果。本文对基于单片机控制的晶闸管调压软起动器及其保护电路进行讨论。
论文介绍了以C504单片机为核心的鼠笼式三相交流异步电动机软起动器，软起动器包括输入信号电路、输出信号电路和电源电路。电机起动采用电压斜坡软起动，单片机控制晶闸管触发脉冲，通过对电机起动过程中晶闸管触发脉冲的控制，能很好的消除电机起动的电流冲击和转矩冲击。该系统能够设置起动参数，自动诊断故障，控制系统智能化。 M000207
关键词：软起动器 异步电动机 单片机 晶闸管
The three-phase asynchronous motors are nowadays widely used in all types of industry applications due to their simple construction, convenient manufacturing,goog pwrfomance, low material consumption and low price. However ,asynchronous motor currents up to rated current of 5 to 8 times ,it will cause greater interference on the power grid, it may sometimes pose a serious threat to the safety equipment. Traditional reduced voltage starting methods, such as series resistor starting, star delta starters, auto transformer starting, etc.. But the starting current and starting torque is too large, bulky and heavy, loss of large, or small starting current and starting torque,difficult to maintain, etc., Can't reach the effect of need. This paper discusses the adjustable voltage soft-starter based on thristor controlled by single chip and it’s protection circuit.
This paper introduces a soft-starter control system which is based on c504 single chip in squirrel-cage three-phase AC asynchronous motor. The system includes input signal circuit,output signal circuit and power supply circuit. The slope voltage starting of starting mode is used to start the motor, the crystal thyratron trigger pulse is controlled by single chip. By controlling the thyristor trigger pulse, the motor can start stable. It proves that the soft-starter can well eliminate the current impact and torque impact . The advantage of the system is setting parameter of the motor, fault diagnosing display, the intelligence control system.
Key Words：soft-starter; asynchronous motor; single chip; thyristor
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第一章 序言 1
1.1 课题研究的背景 1
1.2国内外研究现状 2
1.3本课题研究内容 3
第二章 鼠笼式异步电动机起动方式概述 4
2.1 鼠笼式三相异步电动机起动过程的分析 4
2.2 鼠笼式异步电动机的直接起动 7
2.3 鼠笼式异步电动机的降压起动 8
2.3.2 绕线型电动机转子串电阻启动 10
2.3.3 自耦变压器降压起动 11
2.3.4星-三角起动 13
2.4 软起动概念的引入 14
第三章 软启动的基本原理分析 15
3.1晶闸管调压电路的工作原理 15
3.1.1采用电阻负载 15
3.1.2采用阻感负载 16
3.2软启动器的基本原理 21
第四章 软起动器的功能及特性 22
4.1 软起动器的功能 22
4.2 软起动器的特性 22
4.2.1 起动方式 22
4.2.2 运行方式 24
4.2.3 停机方式 24
4.2.4 可调参数 25
4.2.5 保护特性 25
第五章 软起动器的硬件设计 26
5.1 软起动器的硬件总体设计 26
5.2 软起动器输入信号电路设计 27
5.2.1 同步信号电路设计 27
5.2.2 阻抗角检测电路设计 30
5.2.3 设定值输入电路设计 32
5.3 软起动器输出信号电路设计 34
5.3.1 晶闸管触发电路设计 34
5.3.2 输出控制电路设计 35
5.4 软起动器电源电路设计 36
第六章 保护电路的设计 37
6.1 保护电路概述 37
6.2 三相电压过零捕捉电路设计 38
6.3 检测电机电流电路设计 38
6.4 保护信号电路设计 40
6.5 冷、热复位按钮电路的设计 41
第七章 软启动器的软件设计 43
7.1 程序设计 43
7.2触发脉冲控制的软件设计 46
结束语 49
参考文献 50
附录一：电气总图 52
附录二：程序代码 53
致 谢 58
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1.1 课题研究的背景
目前我国所有的电力消耗当中，据统计，电动机所消耗的电能占到60%—70%，小到小型录音机电动机（小于一瓦），大到炼钢厂大型电动机（几十兆瓦），与其他种类电动机相比，交流感应电动机以其结构简单、体积小、重量轻、低成本、高可靠性和维护方便等优点在各种工业领域中得到广泛的应用。但是，由于其起动特性，它在连接电源系统直接在线起动时，会产生过大的起动电流过大，通常高达额定电流的5—8倍，而根据对一些国产电动机的实际测量，某些笼型异步电动机甚至达到了8—12倍，由于电流的热效应，电动机会发热，影响电动机的寿命，同时也增加了维护成本；而电动机的起动转矩也会达到额定转矩的两倍，对电动机绕组产生冲击，有时会使绕组产生形变，增加了电动机磨损的危险，同样增加了维护成本。为了满足电机自身起动条件、负载机械的工艺要求，保护其他用电设备正常工作，产生了降压起动设备。
传统的电动机降压起动装置有若干种，比较常见的有：定子串电阻起动装置、定子串电抗器起动装置、转子串电阻起动装置（一般此种方式仅针对绕线电机）、自耦变压起动器以及星—三角起动器五种，每种优缺点都很明显。定子串电阻起动时，存在起动转矩严重减小的问题，有功功率损耗亦较大，并不经济；定子串电抗器起动时，同样有起动转矩严重减小的问题，同时功率因数也降低很多；转子串电阻起动需要较多设备（特别是容量大的电动机），投资大，维修亦不便；自耦变压器降压起动器是分级起动，体积大、重量大、成本高、消耗金属材料多，与可持续发展相违背，还存在与负载匹配的电动机转矩难以控制等缺点；而当用星-三角起动器时，只能分两级起动电动机，切换瞬间会出现很高的电流尖峰值，此时产生的破坏性的动态转矩，会引起机械振动，对电动机转子、轴连接器、中间齿轮以及负载会产生很大的危害。这几种起动方式的具体优缺点会在第二章进行分析。
如上所述，传统的降压起动设备存在许多缺点，随着电力电子器件技术日新月异，自动控制系统得到了广泛运用，电子软起动装置随之出现。其功率部分由晶闸管组成，应用了晶闸管相移技术，是现代控制理论、计算机技术和电力电子技术相结合的产物。这种装置不仅有效地解决了电动机起动过程中电流过大和转矩过大的问题，随着研究的深入，还可以根据应用条件的不同设置初始转矩、起动时间、停机时间、脱扣倍数和限流倍数等，这样便使之具有通用性和灵活性。
表1.1中列出了各种起动方式的比较。
表1.1 笼型三相异步电动机不同起动方式的比较
起动方式 直接起动 自耦变压起动 定子串电阻起动 星—三角起动 软起动
1 0.3~0.4或0.6 0.58~0.7 0.33 可设定，最大0.99
1 0.3~0.4或 0.64 0.33~0.49 0.33 可设定，最大0.8
起动级数 1 4、2或3 3或2 2 连续无级
1.2国内外研究现状
1957年美国通用电器公司开发出世界上第一款晶闸管产品，并于1958年将其商业化。电力电子软起动的出现是随着晶闸管的发展而发展起来的，软起动器比晶闸管的问世晚了十几年，其出现较晚的原因大致有三个：技术、价格和可靠性。以晶闸管为标志的电力电子技术可以说是一项新的科学技术，最初阶段，技术还不成熟，电流、电压等级比较低，限制了它的使用。另外，晶闸管最初给研究人员的印象就是可靠性较差，使用中经常“爆炸”（击穿），价格也比其他起动装置中的元件贵很多。20世纪70年代，英国人最早采用晶闸管三相交流调压电路对电动机的软起动，由于这种方法可以获得很好的起动性能，引起了研究人员们 的广泛注意。近二十多年来，晶闸管在技术、价格、可靠性三个方面都得到了发展，目前先进技术国家的晶闸管已经做到6inch（φ150mm）/4600A/8500V的水平，在此背景下，各国纷纷研制出自己的电动机软起动产品，在工业领域中得到很多应用，显示出了其独有的优势。进入20世纪90年代，国外一些著名厂商推出了软起动系列产品，技术已趋于成熟。比较著名的有：美国Allen-Bradley公在90年代初期推出了交流调压软启动器，其功率可以达到315～2000kW；通用电气公司生产的软起动器最大功率为850 kW；法国TE公司、德国AEG公司（现已更名为Hitec-Imaging）、德国SIEMENS公司、英国CT公司和欧洲ABB公司所推出的软起动产品。
起动性能方面，也是随着研究深入而进步的，由最初的电压斜坡软启动这种开环控制方式，发展到电流限幅闭环控制。而国外对此的研究已从开环、闭环方式，发展到通过建立比较准确实用的数学模型，研制出了转矩闭环、转速闭环等控制方式。随着计算机技术的发展与广泛应用，软起动中也引入了模糊控制、自适应控制等现代控制理论。
我国自主知识产权的晶闸管是20世纪60年代研制出来的，比世界领先水平仅仅晚了几年，但受到历史阶段的影响，我国在之后的十余年却大大落后了。但是随着改革开放和国家对电力电子行业的重视，国产晶闸管通过引进和消化吸收瑞典ABB公司的高压、大功率晶闸管技术，国内开始在软起动器方面有所研究。国内对晶闸管软起动器方面的研究始于20世纪90年代，1992年正式形成工业化的生产，之后十数年内，生产厂家逐步发展到数十家，但是形成规模的并不多，自主研发能力不强，技术上与国外产品有一定的差距。
本文主要研究内容：本课题是基于C504单片机为主控制核心，采用C504单片机控制的晶闸管交流调压方式，借助C504单片机自带A/D转换模块的特点，对电动机的软起动器以及保护电路的硬件设计。通过控制电机的电流．使电机缓慢、平滑的加速，避免大电流对电机和电网的冲击，提高电网的工作效率和减少起动时对电机的冲击损伤，从而达到节能、保护设备的作用。同时，设计智能保护电路，使交流电动机的保护更加准确有效。
1.3本课题研究内容
结合各方面的因素和实际情况，本课题的研究内容主要有： 查看完整请+Q:351916072获取
（1）鼠笼式异步电动机直接起动和降压起动方式，并引出软起动；
（2）晶闸管交流调压电路的工作原理；
（3）软起动器的功能、起动、运行和停止方式、保护特性；
（4）软起动器硬件总体设计；软起动器输入信号电路、输出信号电路、电源电路、保护电路的设计。
论文介绍了以C504单片机为核心的鼠笼式三相交流异步电动机软起动器，软起动器包括输入信号电路、输出信号电路和电源电路。电机起动采用电压斜坡软起动，单片机控制晶闸管触发脉冲，通过对电机起动过程中晶闸管触发脉冲的控制，能很好的消除电机起动的电流冲击和转矩冲击。该系统能够设置起动参数，自动诊断故障，控制系统智能化。 M000207
关键词：软起动器 异步电动机 单片机 晶闸管
The three-phase asynchronous motors are nowadays widely used in all types of industry applications due to their simple construction, convenient manufacturing,goog pwrfomance, low material consumption and low price. However ,asynchronous motor currents up to rated current of 5 to 8 times ,it will cause greater interference on the power grid, it may sometimes pose a serious threat to the safety equipment. Traditional reduced voltage starting methods, such as series resistor starting, star delta starters, auto transformer starting, etc.. But the starting current and starting torque is too large, bulky and heavy, loss of large, or small starting current and starting torque,difficult to maintain, etc., Can't reach the effect of need. This paper discusses the adjustable voltage soft-starter based on thristor controlled by single chip and it’s protection circuit.
This paper introduces a soft-starter control system which is based on c504 single chip in squirrel-cage three-phase AC asynchronous motor. The system includes input signal circuit,output signal circuit and power supply circuit. The slope voltage starting of starting mode is used to start the motor, the crystal thyratron trigger pulse is controlled by single chip. By controlling the thyristor trigger pulse, the motor can start stable. It proves that the soft-starter can well eliminate the current impact and torque impact . The advantage of the system is setting parameter of the motor, fault diagnosing display, the intelligence control system.
Key Words：soft-starter; asynchronous motor; single chip; thyristor
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第一章 序言 1
1.1 课题研究的背景 1
1.2国内外研究现状 2
1.3本课题研究内容 3
第二章 鼠笼式异步电动机起动方式概述 4
2.1 鼠笼式三相异步电动机起动过程的分析 4
2.2 鼠笼式异步电动机的直接起动 7
2.3 鼠笼式异步电动机的降压起动 8
2.3.2 绕线型电动机转子串电阻启动 10
2.3.3 自耦变压器降压起动 11
2.3.4星-三角起动 13
2.4 软起动概念的引入 14
第三章 软启动的基本原理分析 15
3.1晶闸管调压电路的工作原理 15
3.1.1采用电阻负载 15
3.1.2采用阻感负载 16
3.2软启动器的基本原理 21
第四章 软起动器的功能及特性 22
4.1 软起动器的功能 22
4.2 软起动器的特性 22
4.2.1 起动方式 22
4.2.2 运行方式 24
4.2.3 停机方式 24
4.2.4 可调参数 25
4.2.5 保护特性 25
第五章 软起动器的硬件设计 26
5.1 软起动器的硬件总体设计 26
5.2 软起动器输入信号电路设计 27
5.2.1 同步信号电路设计 27
5.2.2 阻抗角检测电路设计 30
5.2.3 设定值输入电路设计 32
5.3 软起动器输出信号电路设计 34
5.3.1 晶闸管触发电路设计 34
5.3.2 输出控制电路设计 35
5.4 软起动器电源电路设计 36
第六章 保护电路的设计 37
6.1 保护电路概述 37
6.2 三相电压过零捕捉电路设计 38
6.3 检测电机电流电路设计 38
6.4 保护信号电路设计 40
6.5 冷、热复位按钮电路的设计 41
第七章 软启动器的软件设计 43
7.1 程序设计 43
7.2触发脉冲控制的软件设计 46
结束语 49
参考文献 50
附录一：电气总图 52
附录二：程序代码 53
致 谢 58
第一章 序言 查看完整请+Q:351916072获取
1.1 课题研究的背景
目前我国所有的电力消耗当中，据统计，电动机所消耗的电能占到60%—70%，小到小型录音机电动机（小于一瓦），大到炼钢厂大型电动机（几十兆瓦），与其他种类电动机相比，交流感应电动机以其结构简单、体积小、重量轻、低成本、高可靠性和维护方便等优点在各种工业领域中得到广泛的应用。但是，由于其起动特性，它在连接电源系统直接在线起动时，会产生过大的起动电流过大，通常高达额定电流的5—8倍，而根据对一些国产电动机的实际测量，某些笼型异步电动机甚至达到了8—12倍，由于电流的热效应，电动机会发热，影响电动机的寿命，同时也增加了维护成本；而电动机的起动转矩也会达到额定转矩的两倍，对电动机绕组产生冲击，有时会使绕组产生形变，增加了电动机磨损的危险，同样增加了维护成本。为了满足电机自身起动条件、负载机械的工艺要求，保护其他用电设备正常工作，产生了降压起动设备。
传统的电动机降压起动装置有若干种，比较常见的有：定子串电阻起动装置、定子串电抗器起动装置、转子串电阻起动装置（一般此种方式仅针对绕线电机）、自耦变压起动器以及星—三角起动器五种，每种优缺点都很明显。定子串电阻起动时，存在起动转矩严重减小的问题，有功功率损耗亦较大，并不经济；定子串电抗器起动时，同样有起动转矩严重减小的问题，同时功率因数也降低很多；转子串电阻起动需要较多设备（特别是容量大的电动机），投资大，维修亦不便；自耦变压器降压起动器是分级起动，体积大、重量大、成本高、消耗金属材料多，与可持续发展相违背，还存在与负载匹配的电动机转矩难以控制等缺点；而当用星-三角起动器时，只能分两级起动电动机，切换瞬间会出现很高的电流尖峰值，此时产生的破坏性的动态转矩，会引起机械振动，对电动机转子、轴连接器、中间齿轮以及负载会产生很大的危害。这几种起动方式的具体优缺点会在第二章进行分析。
如上所述，传统的降压起动设备存在许多缺点，随着电力电子器件技术日新月异，自动控制系统得到了广泛运用，电子软起动装置随之出现。其功率部分由晶闸管组成，应用了晶闸管相移技术，是现代控制理论、计算机技术和电力电子技术相结合的产物。这种装置不仅有效地解决了电动机起动过程中电流过大和转矩过大的问题，随着研究的深入，还可以根据应用条件的不同设置初始转矩、起动时间、停机时间、脱扣倍数和限流倍数等，这样便使之具有通用性和灵活性。
表1.1中列出了各种起动方式的比较。
表1.1 笼型三相异步电动机不同起动方式的比较
起动方式 直接起动 自耦变压起动 定子串电阻起动 星—三角起动 软起动
1 0.3~0.4或0.6 0.58~0.7 0.33 可设定，最大0.99
1 0.3~0.4或 0.64 0.33~0.49 0.33 可设定，最大0.8
起动级数 1 4、2或3 3或2 2 连续无级
1.2国内外研究现状
1957年美国通用电器公司开发出世界上第一款晶闸管产品，并于1958年将其商业化。电力电子软起动的出现是随着晶闸管的发展而发展起来的，软起动器比晶闸管的问世晚了十几年，其出现较晚的原因大致有三个：技术、价格和可靠性。以晶闸管为标志的电力电子技术可以说是一项新的科学技术，最初阶段，技术还不成熟，电流、电压等级比较低，限制了它的使用。另外，晶闸管最初给研究人员的印象就是可靠性较差，使用中经常“爆炸”（击穿），价格也比其他起动装置中的元件贵很多。20世纪70年代，英国人最早采用晶闸管三相交流调压电路对电动机的软起动，由于这种方法可以获得很好的起动性能，引起了研究人员们 的广泛注意。近二十多年来，晶闸管在技术、价格、可靠性三个方面都得到了发展，目前先进技术国家的晶闸管已经做到6inch（φ150mm）/4600A/8500V的水平，在此背景下，各国纷纷研制出自己的电动机软起动产品，在工业领域中得到很多应用，显示出了其独有的优势。进入20世纪90年代，国外一些著名厂商推出了软起动系列产品，技术已趋于成熟。比较著名的有：美国Allen-Bradley公在90年代初期推出了交流调压软启动器，其功率可以达到315～2000kW；通用电气公司生产的软起动器最大功率为850 kW；法国TE公司、德国AEG公司（现已更名为Hitec-Imaging）、德国SIEMENS公司、英国CT公司和欧洲ABB公司所推出的软起动产品。
起动性能方面，也是随着研究深入而进步的，由最初的电压斜坡软启动这种开环控制方式，发展到电流限幅闭环控制。而国外对此的研究已从开环、闭环方式，发展到通过建立比较准确实用的数学模型，研制出了转矩闭环、转速闭环等控制方式。随着计算机技术的发展与广泛应用，软起动中也引入了模糊控制、自适应控制等现代控制理论。
我国自主知识产权的晶闸管是20世纪60年代研制出来的，比世界领先水平仅仅晚了几年，但受到历史阶段的影响，我国在之后的十余年却大大落后了。但是随着改革开放和国家对电力电子行业的重视，国产晶闸管通过引进和消化吸收瑞典ABB公司的高压、大功率晶闸管技术，国内开始在软起动器方面有所研究。国内对晶闸管软起动器方面的研究始于20世纪90年代，1992年正式形成工业化的生产，之后十数年内，生产厂家逐步发展到数十家，但是形成规模的并不多，自主研发能力不强，技术上与国外产品有一定的差距。
本文主要研究内容：本课题是基于C504单片机为主控制核心，采用C504单片机控制的晶闸管交流调压方式，借助C504单片机自带A/D转换模块的特点，对电动机的软起动器以及保护电路的硬件设计。通过控制电机的电流．使电机缓慢、平滑的加速，避免大电流对电机和电网的冲击，提高电网的工作效率和减少起动时对电机的冲击损伤，从而达到节能、保护设备的作用。同时，设计智能保护电路，使交流电动机的保护更加准确有效。
1.3本课题研究内容
结合各方面的因素和实际情况，本课题的研究内容主要有： 查看完整请+Q:351916072获取
（1）鼠笼式异步电动机直接起动和降压起动方式，并引出软起动；
（2）晶闸管交流调压电路的工作原理；
（3）软起动器的功能、起动、运行和停止方式、保护特性；
（4）软起动器硬件总体设计；软起动器输入信号电路、输出信号电路、电源电路、保护电路的设计。
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