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1、交流异步电动机软起动器硬件设计1/54交流异步电动机软起动器的硬件设计The Hardware Design ofAC AsynchronousMotor Soft Starter交流异步电动机软起动器硬件设计2/54毕 业 设 计 任 务 书题目交流异步电动机软起动器的硬件设计一、设计(论文）内容利用单片机 AT89C51 控制晶闸管交流调压方式进行电子软启动器设计。主回路主要由三组反并联晶闸管和接触器组成，通过控制反并联晶闸管组的导通改变加载在电机两端的电压；而接触器的主要作用是在软启动过程完成以后，把反并联晶闸管组从三相电源中旁路。在需要软停车时，再把软启动器装置接入到电机回路中,完成软
2、停车的功能.二、基本要求1.分析软启动器工作原理，选定主电路设计方案2。系统主电路设计，晶闸管参数和型号选择3。软启动器控制回路、过压保护、过流保护、电流检测电路设计，选择设计参数和器件型号三、主要技术指标异步电动机参数：额定功率：；额定电压:；额定电流:；额定转速：；效率：；功率因数:;过载系数：；电压波动：10；极对数：P=2。四、应收集的资料及参考文献1 彭鸿才。电机原理及拖动M.第二版.北京：机械工业出版社,2010.2 陈伯时.自动控制系统M.北京:机械工业出版社，1981。3 周德泽。电气传动控制系统的设计M。北京：机械工业出版社,1985.五、进度计划第 12 周开题报告第 3
3、周设定方案第 46 周系统主电路设计第 7 周中期答辩第 912 周控制电路设计第 11-13 周撰写毕业设计说明书第 14-15 周答辩教研室主任签字时间年月日交流异步电动机软起动器硬件设计/54毕业设计开题报告题目交流异步电动机软启动器的硬件设计一、研究背景由于交流异步电动机，特别是三相鼠笼式异步电动机,具有结构简单、制造容易、性价比高、坚固耐用、工作性能好等诸多优点，已经被广泛地应用于农业生产、厂矿企业、交通运输业、国防工业以及人们日常生活的各个领域。但是在启动过程中又存在着不少问题。电动机的启动过程是指当交流异步电动机投入电网时，从静止状态一直加速到稳定状态的过程。启动电源和启动转矩是
4、衡量电动机启动性能好坏的两个指标。在研究启动的过程时，要求起动转矩要足够大，以保证电动机能够正常地起动，同时在保证一定大小起动转矩的前提下要求起动电流越小越好。目前异步电动机普遍采用的起动方式是全压直接起动，但是这种方法优缺点各存在。优点是起动设备和操作简单,而且起动的转矩要比降压起动的方法大。缺点是起动时产生的冲击电流是其额定电流的 2 到 7 倍，这会造成好多影响，例如产生的机械冲击力会加速机械传动部件的磨损；电网电压值瞬间的改变，会影响电气设备及其他装置的运行;冲击电流会造成电动机局部温度上升,降低电动机的寿命等等。如今，随着电力电子技术和微机控制技术的蓬勃发展，现代控制理论及电力电子技
5、术的紧密结合，出现了以微处理器为控制核心的电动机软启动器.它是一种集电动机软启动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的电动机控制装置.相对于传统的降压起动方式，软启动的优点主要有：1.实现了电动机起动电压的无极调节，冲击转矩和冲击电流；2。通过电流闭环控制可以实现电动机的恒流起动，不但限制了起动电流，还确保了电动机的平稳起动；3。采用微机处理器控制,人机界面友好，控制简便，可以实现多种软启动模式和保护功能，可靠性高;4。可以实现直接计算机通讯控制，为自动化控制打下良好的基础。综上所述，软启动器拥有良好的控制性能，具有很好的研究价值和应用前景。二、国内外研究现状1。国外研究现状电力电子软起动的
6、出现是随着晶闸管的出现而发展起来的。最早采用晶闸管三相交流调压电路对电动机软起动的应用出现在 1970 年，采用这种方法可以获得很好的起动 性能,所以一开始就引起人们广泛的注意.三十多年来,国外对晶闸管三相交流调压电路进行了广泛的研究，在工业应用领域得到广泛的应用.在某些领域应用显示出独特的 技术优势。如美国 AB 公司、英国 CT 公司、法国 TE 公司、德国 AEG 公司、瑞士 ABB 公司等均推出了软起动器系列产品。目前在国外，晶闸管三相交流调压起动技术的研究已从对通过控制电机电流的开环，闭环方式，发展到通过建立比较准确实用的数学模型，找到适于三相交流调压电路电机负载的控制方法，从而便三
7、相交流调压电路电机负载性能更好。如降压变频调速中的矢量控制和磁场定向控制的引入，创立软起动技术的转矩控制等等。在国外，发达国家的三相异步电动机软起动产品主要是晶闸管软起动和兼作软起动的变频器起动.在生产工艺兼有调速要求时,采用变频装置。在没有调速要求使用的场合下，起动负载较轻时一般采用晶闸管软起动.在重载或负载功率特别大的时候，使用变频软起动。发达国家软起动的主流产品是晶闸管软起动装置，各知名电气公司都有自己的晶闸管软起动品牌，在其功能上又各具特色。例如 GE 公司生产的 ASTAT 智能电机软起动器；ABB 公司生产的 PST、PSTB 系列电机软起动交流异步电动机软起动器硬件设计I/54器
8、;施耐德公司的 ATS46 软起动器；德国 SIEMENS 公司的 3RW22 SIKOSTART 软起动器等等2。国内研究现状我国的软起动技术起步于 80 年代初期,现己推出 JKB 型软起动器和 JQ，JQZ 型固态节能起动器等产品.JQ 型用于轻负载起动，JQZ 型用于重载起动，最大的控制功率 可以达到 800KW。虽然取得了一些成绩，但由于国内自行开发和生产的能力相对较弱，对国外产品的依赖还很严重。从总体上着，我国软起动技术及国际先进尚有差距。主要表现在以下几个方面：软起动器的整机技术落后，国内虽有很多单位投入了一定人力，物力，但由于分散，并没有形成一定的技术和生产规模。软起动器产品所
9、用的半导体功率器件的制造业规模较小.相关配套产业及行业落后。产销量少，可靠性及工艺水平不高。作为强弱电结合的软起动是机电一体的综合性技术，既要处理巨大的电能转换，又要处理信息的搜集、变换和传输。因此其技术研究也会在两个方向进行。可以预见，未来的软起动器将沿着以下方向发展:提高起动转矩。采用分级变频起动,使电机低速起动时，起动电流小,起动转 矩大，可以在满负荷的情况下实现软起动.实现高水平的控制,向智能化的方向发展。起动器将向中压电机软起动方向发展。向小型化方向发展。三、主要工作1。设计方案论证、比较及确定，分析软启动器工作原理，选定主电路设计方案。2。设计完善的硬件电路,包含各个部分。3。元器
10、件选型及有关计算,晶闸管参数和型号选择。4。软件仿真分析和相关调试。四、所采用的方法及手段本设计在查阅大量的相关知识的基础上，研究了国内外软启动器的研究现状和发展方向，对软启动器的工作原理和控制策略进行了详细的学习，设计以利用单片机 AT89C51 控制晶闸管交流调压方式进行电子软启动器设计。主回路主要由三组反并联晶闸管和接触器组成，通过控制反并联晶闸管组的导通改变加载在电机两端的电压；而接触器的主要作用是在软启动过程完成以后，把反并联晶闸管组从三相电源中旁路。在需要软停车时，再把软启动器装置接入到电机回路中，完成软停车的功能.五、预期达到的结果通过晶闸管和接触器的组合，形成三组反并联晶闸管和
11、接触器组成主回路，并通过控制反并联晶闸管组的导通改变加载在电机两端的电压,来达到调节电机的起动问题，变得更加的稳定和高效。指导教师签字时间年月日交流异步电动机软起动器硬件设计II/54摘要异步电动机的优点众多，比如低成本,简单结构，耐用等，所以很受欢迎，被广泛的应用。但是从发明电动机至今，电机的起动一直是无法很好解决的问题。电动机在起动时，转矩小，会导致电流很大。这样的结果就是对电网和电机本身都有很大的损害和影响。传统的起动方法都有一定的缺陷。本设计是用晶闸管设计一种软启动器，来解决电机的起动问题，提高电动机起动的稳定性和效率。本设计主要是先分析了软启动器的工作原理，选定主电路的接线方案，利用
12、晶闸管反并联，构成一种调压器。之后利用单片机 AT89C51 设计了一个完整的硬件电路,包含电压保护设计，电流保护设计等部分.根据硬件电路的电压和电流，详细的计算了每个模块的参数，并进行了器件选型。主电路的设计就是晶闸管构成的一种调压器，利用基于 MATLAB 的 SIMULINK 仿真平台进行仿真.仿真的目的，主要是调试出电动机转速和定子电流的波形，设计直接起动的波形和软启动进行对比，更好的体现出软启动的优点。通过设计触发的方式,使调压器对电动机进行调压,最终达到控制电机起动的目的。通过调试和仿真，可以很好的看到,本设计中的软启动器能够很好的控制电机的转速和起动电流，使电机的起动更加平稳和高
13、效。关键词：软启动晶闸管异步电动机 SIMULINK交流异步电动机软起动器硬件设计III/54AbstractThe advantages of asynchronous motor is numerous,such as low cost,simplestructure,durable,etc。,so it was very popular and widely application.But since theinvention of the motor,the motor starter has been the problem can not be solved。Motorstarti
14、ng torque large，will lead to a small electric currentThe result is that of power gridand the motor itself,there is a lot of damage and impact.The traditional start method havesome defects。This design is used to design a thyristor soft starter，starter motor problemsto solve,improve the stability and
15、efficiency of the motor starting.This design mainly is first analyzed the working principle of soft starter,main circuitwiring schemes，selected with the parallel thyristor，constitute a voltage regulator.Afterusing SCM AT89C51 designed a complete hardware circuit comprising voltage protection,current
16、 protection design section。According to the hardware circuit of the voltage andcurrent，calculated the parameters of each module in detail，and a device selection，wascarried out.The design of main circuit is composed of thyristor voltage regulator,usingSIMULINK platform。Simulation,debugging the main m
17、otor speed and stator currentwaveform。Triggered by the design way of the voltage regulator for regulating motor，ultimatelyachieve the goal of control motor starting.By debugging and simulation，can be very goodto see,the design soft starter can well control the motor speed and the starting current of
18、the motor starter is more stable and efficient。Keywords：Asynchronous motorThyristorSoft startingSimulink交流异步电动机软起动器硬件设计/54目录第 1 章绪论 11。1课题研究的目的意义11。2国内外研究现状21。3设计的内容和主要工作3第 2 章三相异步电动机的起动控制的研究42。1三相异步电机的启动方法42。1。1传统的起动方法介绍 42.1。2三相异步电动机的软起动 52。2软起动的原理及分析62.2。1软启动器介绍及原理 62.2。2软启动器启动方式62.2。3软启动器的四种运行状态
19、 72.2.4软启动器的四种停机方式7第 3 章软启动器主电路设计93.1软启动器电路总体框图93.2软启动器主电路的设计93.2.1主电路设计93.2。2晶闸管参数选择10第 4 章控制电路设计114.1主要器件的介绍114。1。1控制电路软件介绍114.1.2AT89C51 介绍134.1.3AT89C51 管脚功能介绍 134.2晶闸管保护电路设计154。3晶闸管触发电路设计 174.4软启动器电流保护电路设计 184.5电压保护电路设计194。6接触器控制电路设计 194.7模数转换电路设计20第 5 章交流电机软启动系统仿真设计235.1Matlab/Simulink 工具箱的简介
20、235。2交流电机软启动系统仿真建模255。3交流电机软启动系统仿真分析295.3.1电机转速 29交流异步电动机软起动器硬件设计/545。3。2电机定子电流30第 6 章结论32参考文献33致谢34附录35附录 A外文资料35附录 B电路原理图45交流异步电动机软起动器硬件设计0/54第 1 章绪论1.1课题研究的目的意义在现实生活中三相鼠笼式异步电动机是最常用的。可以在社会的各个领域用到.比如农业生产中浇灌农业土地，农业耕地时的机器。厂矿企业中,工厂机器的运行，各种矿业的运行，开发和挖掘都会用到电动机。国防以及交通运输行业，都离不开电动机.电动机如此广泛的被应用，正是因为它的众多优点。首先
21、电动机,尤其是异步电动机,结构特别简单，而且材料也不是很复杂，在同样的情况下，成本越低的肯定是越受欢迎的。但是不能一味的追求价格低廉,易损坏的设备，不仅不会节省费用,反而会浪费人力、物力、财力等.电动机的第二个优点就是性价比超高,不仅牢固,耐用，而且效率也是比较高的.但是不肯能所有的东西都完美，电动机虽被广泛的应用，但是它的起动一直是无法很好解决的问题。启动电源和启动转矩是衡量电动机启动性能好坏的两个指标。这也是电机起动的问题所在，控制不好电流的大小和转矩的大小。一直以来人们都在努力的研究，但是传统的起动方法措施，并不能完全解决这个问题,都有一定的缺陷。近些年来,由于微控电子技术的快速发展，工
22、业中也逐渐开始采用软启动技术来代替传统的起动方法.三对反并联的晶闸管是常用的软起动技术1。软启动的工作原理很简单。传统的起动既然被发明出来，肯定有它的优势，但是现代要求的越来越高，传统的方法已经跟不上时代的节奏.软起动的发明可以说是应时代而生。以下简单的来分析一下其工作原理。通俗来讲，本身可以算作一种调节电压的设备。其中的晶闸管更是软启动的经典。首先，晶闸管可以整流，其次晶闸管还是可控的器件。这种器件的搭配，将是最佳合理的调节电压的设备。但是控制交流电源，输出的不是连续的。为了能够让设备更加合理的工作，在此将晶闸管反并联起来，这样无论是正负脉冲，晶闸管都可以连续的工作，输出稳定的电压。并不是所
23、有的调压设备都是完美的，有的连接方式不是很科学。这种晶闸管做成的调压器虽然也能导通，也能控制电压，功能都能实现.但是一些保护措施，一些滤波设计的并不是很好。就像有一些软启动器，能产生谐波，自身没有滤波的功能，这对电网和设备都有很大的影响。总体来说正是因为它有诸多的优点，例如保护传动系统不受磨损,提高电网的质量,安全性能，功能多样,且维护等.所以才会被广泛的应用。交流异步电动机软起动器硬件设计1/541.2国内外研究现状软启动大概在七十年代发明。近些年来，由于微控电子技术的快速发展，工业中也逐渐开始采用软启动技术来代替传统的起动方法。三对反并联的晶闸管是常用的软起动技术。软启动的工作原理很简单2
24、。目前在国外,为了使三相交流调压电路的负载性能更好,好多专家都已经摒弃原来旧的方法，如开环，闭环方式，改用完整的、准确的数学模型来控制晶闸管三相交流调压起动,电机负载的控制方法,从而使三相交流调压电路电机负载性能更好3。国外软启动器大概有两种，一种是晶闸管构造,另一种是变频器4。在生产工艺兼有调速要求时,采用变频装置。晶闸管软启动一般用在起动负载较轻时和在没有调速要求使用的场合下。变频软启动用在重载或负载功率特别大的情况下。晶闸管软启动装置不仅是发达国家软起动的主流产品，各知名电气公司都有自己的研发品牌，但是在其功能上又各具特色.例如 GE 公司生产的 ASTAT 智能电机软起动器；ABB公司
25、产的PST、PSTB系列也有软起动;施耐德公司的ATS46软起动器；德国SIEMENS公司的 3RW22 SIKOSTART 软起动器等等5。我国的软启动大概在 80 年代兴起。现在我国自主研发的软启动设备有两种，一种是 JKB 型软起动器,另一种是 JQ，JQZ 型固态节能起动器。根据市场的调查报告分析,以及客户的需求可知，结合国外的技术，再加上自主研制和不断的实验，我国的软启动将会有一个质的飞越,这只是未来的一种假设。现实中尽管取得了一些成绩，技术方面和人才方面的缺乏，加上对国外产品的严重依赖，导致我国的软启动技术一直处于相对较低水平.和国外的技术相比，我国的科学技术还不是很成熟，整体的是
26、差距是明显的。下面是一些明显的举例。（1)国家整体技术落后，虽然投入很多金钱和物力,但是科技的差距，文化地域的不同，导致国内到现在都没有形成产业规模。（2）半导体功率器件在我国制造业规模较小，不能大规模生产。（3）相关配套产业及行业落后于国外。（4）销售产量少，可靠性，耐用性等工艺水平均不高。因为软启动可以在很好的结合强弱电，又可以很好的和其它设备完美的结合在一起。而且它是微控技术控制的设备，不仅可以控制电压，还可以根据它来采集信息等,为测量提供了很好的基础。随着科技的发展，软启动有以下的发展方向：（1)随着科技的发展，适应科技时代的要求，设计的时候可以提高起动转矩。(2）实现高水平的控制，向
27、智能化的方向发展。(3）随着起动器广泛的应用，将向最合理的电压方向发展，变得更加完美。交流异步电动机软起动器硬件设计2/54(4）向小型化方向发展。1。3设计的内容和主要工作（1)设计的内容利用单片机 AT89C51 控制晶闸管交流调压方式进行电子软启动器设计。主电路比较简单，主要是调节电压的设备和一个接触器组成。调节电压的设备内部是一组晶闸管反并联组成.接触器的作用相当于一个开关,它并联在软启动的两端，当起动结束后，合上接触器，短路软启动，使电机直接接入电源工作。（2）主要工作设计方案论证、比较及确定,分析软启动器工作原理，选定主电路设计方案.设计完整的硬件电路图,包含各个部分.元器件选型及
28、有关计算，晶闸管参数计算和型号选择.软件仿真分析机相关的调试。交流异步电动机软起动器硬件设计3/54第 2 章三相异步电动机的起动控制的研究交流三相异步电动机的传统起动方法在很长的时间内，起着重要的作用。但是都有一定的缺陷.当发明了以晶闸管控制的软启动器后,因为新型的起动方法优点众多，不仅高效，省钱而且节能，符合时代发展的规律。所以很快的取代了传统的起动方法。2.1三相异步电机的启动方法目前异步电动机的起动方法有两大种,分为全压起动和减压起动.全压起动的道理相对来说,很简单，就是直接通电，没有别的设备辅助，俗称直接起动.减压起动又分为两个方面，一个是传统的减压起动，一种是现在特别流行的电子软启
29、动.旧的减压起动的方法也包含了很多,传统的有三种,比如有定子回路串电抗器减压起动，星三角减压起动和自耦变压器减压起动6。每一个起动，都有自己的特点。虽然本身的设计有一定的问题，但是不同的场合，需要不同的起动方法，并不是一个起动方法,就适合所有的场合.本设计的任务书要求用单片机控制晶闸管制成的电子软启动器。所谓的这种电子软启动器,属于软启动的一种，原理也是降低电压起动.为了更好的介绍本设计中设计的软启动器，以下选取了同样是减压起动原理的串电抗器减压起动来做对比。下面就传统和新兴的起动方法分别做详细介绍。2.1.1传统的起动方法介绍为了更能清晰的，简洁的了解各个起动方法的优缺点。特此制作了一个表格
30、。如表 21 所示。为了能够更好的和新兴的软启动作对比，体现设计的软启动的优点,选取一种方法，即详细的介绍了串电抗器减压起动。这是最简单的一种起动方法。原理也是很简单，通俗的解释就是电路中串一个电阻。当然这个电抗器也要根据电机的参数来选择型号。设备串一个类似于电阻的器件，根据基本电路原理，电抗器是分压的作用。电机两端的电压变小，起动的电流就变小，这就是串电抗的原理。当起动结束之后,再切除电抗器,这就是串电抗起动。这种方法起动时，优点是起动电流减小，但是也有很多缺点，比如起动转矩和电压二次方关系降低，电流下降的会更多，所显示的起动特性也不是很好，所以这样方法经济适用性比较低,生产中很少使用.交流
31、异步电动机软起动器硬件设计4/54表21 异步电动机传统启动方式启动方式启动电流启动转矩优点缺点应用场合直接启动11启动设备简单启动冲击电流大，冲击力矩大中小功率电动机轻载或空载启动定子串电阻启动启动设备简单有级调速、启动转矩小适用于空载或轻载启动Y一启动1/31/3启动设备简单,可频繁启动有极、有二次冲击正常运行为接法，空载或轻载启动自藕变压器降压启动启动转矩较大有极、设备体积大、不能频繁启动、多次冲击较大容量电机、较大负载不频繁启动2。1。2三相异步电动机的软起动近些年来,由于微控电子技术的快速发展，工业中也逐渐开始采用软启动技术来代替传统的起动方法。三对反并联的晶闸管是常用的软起动技术7
32、。软启动的工作原理很简单。在上一节的内容中，已经介绍了电机起动的好多方法。这些方法既然被发明出来,肯定有它的优势，但是现代要求的越来越高,传统的方法已经跟不上时代的节奏。软起动的发明可以说是应时代而生。以下简单的来分析一下其工作原理.通俗来讲,本身可以算作一种调节电压的设备。其中的晶闸管更是软启动的经典。首先，晶闸管可以整流，其次晶闸管还是可控的器件.这种器件的搭配，将是最佳合理的调节电压的设备。但是控制交流电源，输出的不是连续的。为了能够让设备更加合理的工作，在此将晶闸管反并联起来，这样无论是正负脉冲,晶闸管都可以连续的工作,输出稳定的电压.并不是所有的调压设备都是完美的，有的连接方式不是很
33、合理，虽然也能导通，也能控制电压。但是一些保护措施,一些滤波设计的并不是很好。就像有一些软启动器,能产生谐波,自身没有滤波的功能，这对电网和设备都有很大的影响。总体来说,软启动的整体优势还是很明显的，比如减少起动过程因为电流的冲击,对其它设备的影响；减小了起动电流，不会让电机因为长时间发热，损坏电动机，能延长电机电机的寿命。软启动器不仅可以起动，还可以停车，特别方便，效率超级高，所以它能取代传统的方法，被广泛应用。交流异步电动机软起动器硬件设计5/542.2软起动的原理及分析2.2.1软启动器介绍及原理软启动器是一种有具有多种功能的新型电机起动控制设备。因为它突出的实用特性，所以在现代绝大多数
34、的场合,都取代了传统的起动方法。软启动器工作原理很简单,通俗来讲，就是一种很常见的调节电压的设备,只不过构造比较特别。晶闸管因为特点突出，整流（单相整流和三相桥整流最常见）；可控的开关，平时的开关就是一个比较简单的结构,可控开关,从字面的意思理解也很简单，可以控制，而且晶闸管可以精确到每一个细节。因为它是通过脉冲触发，来控制输出电压的大小.现实中，交流是不连续的.所以产生的脉冲也是不连续的，为了能一直连续，将两个晶闸管反并联，无论正半轴，还是负半轴，都可以进行工作，这样的话,输出的电压和电流是连续的、稳定的值。本设计的任务书中，要求安装接触器。这是一种很简单的设备，通俗来讲，就相当于一个简易开
35、关。软启动工作的时候，开关不用动作。软启动不工作了，开关动作，将软启动器短路。不要忽视了这一个简单的接触器，在软启动的设计中，这个开关占据很重要的地位，不仅可以很好的保护设备,延长其寿命，还能提高工作的效率。2.2.2软启动器启动方式软启动器一般有下面几种启动方式：(1）斜坡升压软启动这种起动方式是软启动里面最简单的，没有复杂的闭环函数,仅仅是控制晶闸管的导通,来控制输入电压的大小。很明显，它的缺点也是明显的。由于构造简单，没有保护措施，导致电流过大,来损坏晶闸管，对电网和其它设备都有一定的影响，所以平时很少使用。(2)斜坡恒流软启动斜坡恒流，通过字面的意思，也可以很清楚的了解这种起动的意思。
36、斜坡肯定是比较缓慢,斜率比较小，表明电流增加的比较慢.恒流是一直保持一个数值,这里的意思是固定一个电流值，等到完全起动后，再改变。这种方式是电机起动最常用的方式.优点很多，主要是起动电流小，可以随时调整电压.但是缺点时因为电流较小，会有相应的转矩损失。总体来说，这种方法在现实中是很受欢迎的，风电机，泵机等一类的经常用到。（3）转矩控制启动方式交流异步电动机软起动器硬件设计6/54这种方法结合了模糊控制理论，采用 PID 调节，解决了起动转矩超调和震荡，使得这种起动方式让电机平滑的起动，由于控制各个条件不超调，所以也经常采用。但是它的缺点是起动时间过长，对于要求短时间起动的场合，不适用。（4）调
37、压起动这是最常用的一种方法，其中晶闸管调压更是现在最流行的一种。原理是用某种方式触发脉冲，让晶闸管按照一定的角度导通，通过不同的电压,从而改变电机的输入电压。本设计种采用第四种方法.2。2.3软启动器的四种运行状态软启动器有 4 种运行状态:(1)跨越运行模式就是当晶闸管完全导通时，将电机完全接在电源下工作，晶闸管相当于导线。比较适合短时间重复起动的电机。（2）接触器旁路工作模式这是一种很简单的工作方式，就是将接触器并联在器件的两端。接触器相当于一个开关,软启动结束，接触器就工作,相当于短路晶闸管。这样的方式虽然简单，但是可以很好地保护器件，节约成本。这种工作模式也可以控制多个设备的运行,就相
38、当于一个开关控制多个设备。(3)节能运行模式节能的最终目的就是减少不必要的措施，相同的条件下，效率更高。我们可以根据电机的不同需求，尽可能的在保证电机运行的条件下，更合理的调节各部分.(4）调压调速模式这种模式是用晶闸管完成，脉冲来控制晶闸管导通,从而来改变电机的输入电压，达到调速的目的.为了能够更好的有一个调速的范围，有时候需要在电机转子线路中串接一个电阻来实现。2。2.4软启动器的四种停机方式软启动器有 4 种停机方式可供选择（1)自由停车若让电机自然状态下停车，可以采用直接切断电源，依靠自身的阻力来停车.（2)软停机车软停车和软启动的原理相同，只是一个过程相反的体现。交流异步电动机软起动
39、器硬件设计7/54(3）泵停机或非线性软制动这种方式适用于惯性力矩较小的泵的驱动.根据事先设定的曲线来检测电流的大小，以此来调节相应的数值。（4)直接制动这种制动就是强制制动，用非常规的方法致使电机停止工作，某些场合能用到，但是不怎么通用。方法就是给交流电动机直接接直流电源.交流异步电动机软起动器硬件设计8/54第 3 章软启动器主电路设计3.1软启动器电路总体框图本设计硬件控制主要包括两大部分，一个是主电路的仿真，另一个是硬件电路的控制电路。主电路包括三相电源、三相反并联的晶闸管、三相交流异步电动机.在主电路中，电动机的参数决定了主电路中晶闸管的参数和型号。控制的设计和所要控制的异步电动机的
40、容量无关，可以设计成通用型的。控制电路的各个部分均在以下框图中明确的标出。系统的总体框图如图 3-1 所示。图 31软启动器硬件总体框图3.2软启动器主电路的设计3.2。1主电路设计主电路是本次毕业设计的重中之重，为了能很好的设计出完善的主电路，首先阅读了众多的资料，从而确定了主电路的接线图。用一对晶闸管反并联。因为异步电动机是三相交流电，所以本设计中,每一相都要进行控制,所以需要三组反并联8。任交流异步电动机软起动器硬件设计9/54务书中要求用接触器来断开或者连接晶闸管。本设计为了操作简单,节约成本，在符合要求的条件下，直接并联在晶闸管的两端。下图就是本次设计的主电路图，其余的一些器件做保护
41、作用。本设计采用了软启动器最简单的接线方案，但是优点众多,比如这种连接方法由于各相波形对称，输入电机的电压不含偶次谐波,谐波比较少，因此功率可以做的较大，调速性能也比较优越9.图 3-2主电路设计3.2.2晶闸管参数选择晶闸管的选择参数很多，在本设计中，主要是根据电机的容量来确定晶闸管的参数和型号。晶闸管容易坏，自保能力低，而且电压不稳定，用在很多场合不同的电流波形下,选择正确的晶闸管显的尤为重要。如果选择的参数不对,不仅会造成晶闸管的损坏。有可能对整个电网都会造成事故.本次设计中，在保证电路能够正确运行的前提下，主动降低器件的电流和电压,这样不仅安全，而且还节省费用。以下是一些详细的晶闸管参
42、数。第一,超过晶闸管额定电压的 23 倍的电压时,晶闸管就会不同程度的损坏.在本设计的任务书中，规定的电机额定电压为 380V,由此可以算出晶闸管的耐压范围在1075V1612V。第二，晶闸管的额定通态电流 ITAV 指的是工频正弦半波平均值，其对应的有效值应满足。但是实际中满足。本设计给出的异步电机功率参数为 4KW，额定电流 0.82A。由于异步电机直接起动时的电流为额定电流的 67 倍.因此晶闸管的 ITAV 范围在 4。92A5.74A。交流异步电动机软起动器硬件设计10/54第 4 章控制电路设计4.1主要器件的介绍4。1。1控制电路软件介绍Proteus 是一种英国的一个公司发明的
43、电路和实物的仿真软件。它的功能强大，绝大多数的的功能都可以实现，它收集了目前大部分主流的单片机,对电气专业的帮助很大,可以通过这个软件，先进行电路的仿真和调试，在不知道具体的参数的情况下,可以通过不断地实验,调试，最终得到想要的参数，这样不仅可以保证在做实物时的安全，而且还可以很好的节省成本.本设计的控制电路的设计就是用 proteus 画出来的，在初期的时候，对这个软件不是很熟悉，但是经过图书馆的查阅资料，网上的学习，对这个软件有了出不多的学习，以下是简单的操作。（1）首先打开软件,图 4-1 是用户操作页面，上方是工具栏,左边一栏是快捷栏，可以根据器件的型号和名称，在工具栏中搜寻,然后拖拽
44、到右边的空白页面。图 4-1用户操作页面（2)将各个器件拖拽到空白处之后,按照预先设置的位置，将各个器件进行摆放和连线，图形的位置和连线是很容易上手的，只要多加练习，很快就可以上手。图4-2 是制作过程中控制电路设计的一部分。交流异步电动机软起动器硬件设计11/54图 42元器件连接图(3)软件里也有很多实际中没有的器件，经过查阅资料，根据所学知识可以自行绘制器件,再添加到库里，然后提取使用。图 4-3 就是在封装库里搜寻单片机 196KC，但是没有.这个时候，解决的方案有两种，一种是找功能类似的单片机,再有一种是利用软件做一个 196KC 的封装库,然后添加进去，再使用。图 4-3查找元件图
45、交流异步电动机软起动器硬件设计12/544。1.2AT89C51 介绍本设计中，在硬件电路设计的时候，用的单片机 AT89C51 来做控制的核心，来控制整个电路运行10。以前学过其它的单片机,如 80C51。某些方面是相同的，但是有一些功能是不同的。AT89C51 是一种在行业内广受应用的一种单片机，因为低功耗，高性能。内部的各个器件都采用世界上高水平公司的产品，确保器件的质量.单片机内部相对比较复杂，所能完成的各个功能也特别多,此次设计的电路中,只用到单片机的几个输入输出口，如图 44 就单片机的引脚做了一些简单的介绍。图 4-4AT89C51 引脚图4。1.3AT89C51 管脚功能介绍因
46、为单片机的功能很多，管脚也特别多，这里就简单的介绍一些常用的引脚。VCC：供电电压。GND：接地。P0 口:P0 口也是通用 IO 口。但是不同的是 P0 口没有上拉电阻，可以驱动 8 个TTL 门。P0 口默认是高阻状态，是要加上拉电阻才能加强输出能力的,如果你接一个上拉电阻至+5v 它自然会变成红色，即高电平状态了.P1 口：是一个标准的输入输出口.如果想出高电平，也就是 1 的信号，需要写入1 的时候，上拉电阻变为高.如果想让 P1 口输出为电流，需要下拉为低电平。它作为地址接收口。交流异步电动机软起动器硬件设计13/54P2 口：和 P1 口功能相同，作输入输出 I/OP3 口：输入输
47、出口。还可以备用RST：它是单片机的复位输入ALE/PROG:单片机的地址锁存允许信号端PSEN：选通信号。用于外部程序储存器的选通信号XTAL1：输入口的作用XTAL2：一种输出口，振荡器的相反接口P3.0 口：引脚功能表 P3 口引脚 第二功能P3.0RXD：串行口输入P3。1TXD:串行口输出P3。2INT0:外部中断 0 输入P3.3INT1：外部中断 1 输入P3.4T0：定时器 0 外部脉冲输入P3.5T1：定时器 1 外部脉冲输入P3。6WR：外部数据存储器写选通P3。7RD：外部数据存储器读选通在所有的的单片机电路中,无论设计多么的简单和复杂,都有必须的基本电路，这是单片机工作
48、的基本条件，也是能工作的基本前提.下面就本次设计，简单的介绍了一下这些必须电路。(1)晶振电路如图 4-5 所示,这就是晶振电路，可以看到,晶振电路非常简单，就是一个晶振，两个电容。晶振的作用是提供晶振周期,就像人类的心脏的作用，没有晶振，单片机就不能工作。图 45晶振电路图每一个单片机自身所配置的晶振管的参数都是固定的，本设计中的单片机交流异步电动机软起动器硬件设计14/54AT89C51 的晶振所用的是 12M，这个晶振只要不超过 12M 就可以，为了计算简单，这里取值 12.电容的取值范围也是固定的,本设计中用到的 C27，C28 的范围是 20pF40pF,这里按照一般的设计选取，取值
49、为 30pF。电容的作用可以储存电荷,也可以隔断直流，滤波等。（2）复位开关复位电路的作用就是用来把电路恢复到起始状态，功能类似于计算器的清零按钮，方便系统回到初始状态,以便重新进行统计和计算.本设计中的复位电路由 VCC、按键 S1、1uF 的电容 C29 以及 10k 的电阻 R53 组成。VCC 为单片机提供电源，工作电压为 4.755。25V;按键 S1 为单片机复位按钮；电容 C29 及电阻 R53 的值共同决定着电容的充电时间，即电容的充电时间及 RC 的值成正比,而 10k 的电阻 R53 的作用就是控制复位时间.本设计的单片机复位电路如图 46 所示。图 4-6复位开关图4。2
50、晶闸管保护电路设计平时所说的晶闸管,全名是半导体闸流管。它一般用硅材料做。这种器件本身易损坏，过电压和过电流能力特别弱。本设计中尤其要注意对晶闸管器件的保护，如果晶闸管损坏，整个仿真，整个电路都不会出正确的结果。所以，要设计保护器件的电路,确保仿真的安全运行。（1)过电流保护晶闸管发生过流的原因有很多,比如晶闸管被击穿、器件选择的参数错误或者是交流异步电动机软起动器硬件设计15/54线路有故障.解决过流的方法最直接，最容易的就是用快速熔断器，当然还有别的方法，但是大多数情况下，都用熔断器。本设计中,就是采用的市场上常用的快速熔断器。在硬件电路中加入快速熔断器，这是最常用的一种措施，目的就是为了