重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 3 软启动器的硬件电路设计
R2611C212￡?15 V16R1ABVD2R2VD1R3R6V5R7R8VD6VD8R4V4VD3VD4V7R9VD7VDW3VDW2V10R10V9V8R12R11V13R13V111V6uVR87C35RV2V3V1V14V1515VDW1R5VD5VD9VDW4VDW5V12￡-15 VRWR223C14R24C49R25R231314偏移电压（-）移相电压（+）图3-8 脉冲发生电路图
1）脉冲形成环节
V4、V5 —— 脉冲形成 V7、V8 —— 脉冲放大
控制电压uco加在V4基极上。uco=0时，V4截止。V5饱和导通。V7、V8处于截止状态，无脉冲输出。电容C3充电，充满后电容两端电压接近2E1(30V)时，V4导通，A点电位由+E1(+15V) 下降到1.0V左右，V5基极电位下降约-2E1(-30V)， V5立即截止。V5集电极电压由-E1(-15V) 上升为+2.1V，V7、V8导通，输出触发脉冲。电容C3放电和反向充电，使V5基极电位上升，直到ub5>-E1(-15V)，V5又重新导通。使V7、V8截止，输出脉冲终止。脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数R11C3有关。电路的触发脉冲由脉冲变压器TP二次侧输出，其一次绕组接在V8集电极电路中。
2）锯齿波的形成和脉冲移相环节 3）同步环节 4）双窄脉冲形成环节
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内双脉冲电路由V5、V6构成“或”门。当V5、V6都导通时，V7、V8都截止，没有脉冲输出，只要V5、V6有一个截止，都会使V7、V8导通，有脉冲输出。第一个脉冲由本相触发单元的uco对应的控制角a 产生。隔60°的第二个脉冲是由滞后60°相位的后一相触发单元产生（通过V6）。晶闸管触发电路总图如图3-9所示。
图3-9 晶闸管触发电路总图
3.3.4 晶闸管保护电路
晶闸管由于击穿电压接近工作电压，热容量又较小，所以承受过电压、过电流能力较差，短时间内的过电压、过电流都可能造成元件损坏。为了使晶闸管能正常工作，除了合理的选择元件外，还必须对过电流，过电压的发生采取保护措施。
(1)过电流保护
晶闸管设备发生过电流有可能是晶闸管损毁、触发电路或控制系统有故障等。针对这些情况，除了用软件来实现保护外，还可以在硬件电路中加入快速熔断器来保护晶闸管的过电流。
(2)过电压保护
我们知道晶闸管有一个重要的特性参数，即断态电压临界上升率du/dt。它表明晶闸管在额定结温和门极断路条件下，使晶闸管从断态转入通态的最低电压上升率。若电压上升率过大，超过了晶闸管的电压上升率的值，则会在无门极信号的情况下开通。即使此时加于晶闸管的正向电压低于其阳极峰值电压，也可能出现这种情况[7]。
为了限制电路电压上升率过大，确保晶闸管安全运行，本设计在晶闸管两端
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并联RC阻容吸收网络，利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率。如图3-7中所示。因为电路总是存在电感的，所以与电容C串联电阻R可起阻尼作用，它可以防止R、L、C电路在过渡过程中，因振荡在电容器两端出现的过电压损坏晶闸管。同时，避免电容器通过晶闸管放电电流过大，造成过电流而损坏晶闸管。
3.4 电压检测回路
在电压检测回路中，尽量实现以下三个功能。其一是同步信号的检测功能，采样三相电压的自然换相点，它作为晶闸管脉冲触发信号的同步信号；其二是通过检测晶闸管输出端可以得到晶闸管导通时刻的检测，以便做电压反馈和缺相故障检测；其三是将三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
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行处理，这样就既节省了线路板的空间，又节约了成本。
+5VUVR11VD5R13TLP521D11R15
图3-10同步信号检测电路
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
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
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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。
图3-12电压反馈回路
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。
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