I

摘 要

世界上大多数国家对于电动机消耗大约

的电能总量感到十分苦恼。到我们开始起动

电动机时如若不采取任何措施，则会在刚起动的极短的时间内，生成极大的的电流，其电

流的大小将会比额定的电流大很多 , 这并不是一种好的情况，它会消耗很多电能。同样的

这种情况下，将会影响系统的正常工作，更严重时，将会产生更严重的后果，甚至影响其

它系统的工作，不采取任何措施的启动方式还会产生极大的转矩，这种极大的转矩产生的

冲击力会产生极大的危害，无论是对电机，还是对电机所关联的设备都会造成很大的危害

与影响。这是世界各国所不愿意看到的

同样的不采用任何措施就将电机起动，导致很多能量的损失。因此，起动电机时使用

一定的手段，会减少很多能量的浪费，同样的用这种手段也会减少起动机产生的极大的转

矩，减少冲击，这样也就会对其它系统进行保护并对安全性进行一定的提高，是非常重要

的步骤。所以，起动电动机使用一定的手段是必须的。

本设计考虑到的软起动技术是具有极高现实意义的 , 因此对交流电动机软起动系统进行了

深入研究。并且通过分析和比较，我们确定了以晶闸管组串联结构构成主电路 , 以磁环变

压器驱动二级晶闸管，借此来实现隔离和同步触发，以

型号的单片机为主控芯

片，这样我们就实现了对系统的控制，并设计了静态和动态均压之路。其次我们也对其它

具有检测功能及电等辅助电路进行了具体详细的构建

最后，以

这一仿真工具作为平台 , 通过全面对所设计的整体的系统进行分析，得

到仿真的总体结构的设计框图，并应用所需要的仿真模块，然后逐步搭建出所需要的整体

结构，在整体结构中，还进行了所需的包括触发部分的子系统的完成，运用仿真手段，获

得了没有采取任何手段的方式下对电机起动以及在软起动状态下测得的能反映电机运行状

态的数据进行对比，得到了通过软起动的手段起动电机，将会大大改善其性能，减小其对

系统的危害的结论。

关键词 ： 交流电动机

单片机 软起动

Abstract

For many countries, an electric motor consumes about the total amount

of electrical energy. While starting a motor if it does not take any measures,

w i l l sta rt i n the ex t re me ti me, c u rren t g e ne rat i on g re at l y , the s i z e

current will be much larger than the rated current, in this case, the system

will affect the normal work, more serious, and even affect other systems the

work, will produce great torque, this impact wi ll produce great harm

II

only of the motor, causing great harm and infl uence will be related to the

motor of the equipment.

In the same way, starting the motor without any action will cause a lot of

d a m a g e t o t h e e n e r g y . a n d d o n o t u s e a n y m e a s u r e s

max imum torque, reduce the impact, for the protection of other sys

and enhance the safety, is a very important step.

This design takes into account the soft starter technology has very high

practical signifi cance,

determine the thyristor series structure of the main

c i r c u i t , t h e m a g n e t i c t r a n s f o r m e r d r i v i n g t w

synchronization trigger, with models of the main control chip to control the

s y s t e m . S e c o n d l y , i n t h e s y s t e m a r e a l s o o t h e r i m p o r t a n

design, including the system for power supply, for simultaneous detection

of on line voltage angle difference measurement part.

Finally, use the simulation tools as a platform, through the comprehensive

a n a l y s i s o f t h e o v e r a l l s y s t e m d e s i g n , d e s i g n d i a

s t r u c t u r e s i m u l a t i o n , s i m u l a t i o n m o d u l e a p p l i c a t i o n n e e d s , a n d

build a whole structure of need, in the whole structure, also were required

including the trigger subsystem part of the simulation has been completed,

do not take any measures under the motor starting, and the soft start state

measured by comparing can reflect the running status of the motor data can

b e o b t a i n e d b y m e a n s o f s o f t s t a r t m o t o r , w i l l

performance and reduce the harm to the system.

Key words: AC motor singlechip soft start

3

目录

摘 要 I

Abstract

II

第 1 章 绪 论

3

1.1 课题 研究的 背景 6

1.2 课题 研究的 目 的及意义 7

1.3 国内 外 发 展 现状

8

1.4 论 文 主要研究内 容 8

第 2 章 软起动 基 本 原理 及系统总体设计

10

2.3.1 斜坡 电压起动的控制 策

2.1 三相 交流电动机的起动过 程 的分析

10

2.2 常 见 起动方式

12

2.2.1 斜坡 电压起动

12

2.2.2 限 流软起动

13

2.2.2 转矩控制软起动 14

2.2.4 转矩 加突跳 起动 15

2.2 电动机软启动系统电路的总体结构分析 15

2.3 电动机软起动控制 策略

16 略 16

2.3.2 转矩控制的 策略 16

2.4 晶闸管 参 数 选择

16

2.4.1 晶闸管的电流 容 量的 选择

16

2.4.2 晶闸管的 耐 压 选择

17

4

第 3 章 晶闸管软起动技术 装置硬件 电路设计 18

3.1 系统的总体框图 18

3.2 晶闸管均压电路的设计

19

3.2.1 电路电压分 配 不均的分析

19

1. 晶闸管 自身 静态 特 性及其 自身 数 值 所产生的电压不均 19

2. 晶闸管 自身 动态 特 性及其 自身 数 值 所产生的电压不均 19

3.2.2 晶闸管在串联使用时 解决 电压分 配 不均的方 法

20

3.3 主控芯片的 选择

22

3.4 晶闸管的触发电路 23

3.4.1 触发电路的分析 23

3.4.3 触发电路的工作过 程 24

1. 前 级主电路 24

3.

变 换 器的 恒 流控制电路

25

4. 全 桥 控制电路 26

3.5 同步 信 号电路 27

3.6 电流检测及反 馈 电路 28

3.7 电压检测电路

28

3.8 A/D 转 换 电路 29

3.9 通 信 部分电路

30

3.10 电 源 部分电路 30

3.10.1 5V 电 源 电路

30

3.10.2 3.3V 电 源 电路 31

5

3.10.3 15V 电 源 电路 31

第 4 章 控制系统的软 件 设计

33

4.1 系统流 程 图 33

4.2 系统 初 始 化 与 自 检 程序

34

4.3 同步中 断 模块

34

4.4 电流 闭 环控制模块 35

4.5 脉 冲 延 时模块

36

第 5 章 MATLAB 仿真与分析

37

5.1 建 立 交流电机软起动的仿真模型 37

5.1.1 仿真工具的 介绍 37

5.1.2 仿真模型的 基 本单 元参 数设定 37

5.1.3 主电路模块

37

5.1.4 反并联晶闸管模块

38

5.1.5 触发电路 38

5.1.6 软起动控制环 节 39

5.2 仿真结果及分析 39

结 论

41

致 谢

42

参 考 文献

43

附 录

45

6

第 1 章 绪 论

1.1 课题 研究的 背景

电机的出现 让社 会得到极大的进步，通过不 断 的以实 际 为 基础 的应用的 革新 发

展 ，使得电机不论是在性能上还是在功能上都产生了 让人惊叹 的改善，这 些 改

善 满足 了 急速 发 展 的 社 会不 断 提高到需 求 。 人 们运用这 些 多种多样的电动机，将

电能转 换 为机 械 能， 把 这样的功能，使我们的生 活 得到了极大的改善，这样的

改善不 仅 使我们的生 活水 平得到了提高， 而 且还 促 进了 人类 的发 展 进 程 。 目前 电

动机在生 活 中有 着举足轻 重的 地位 ，是因为电动机的性能和它不 可替代 的作用。

在 曾经 技术和需 求 还不 算 很高的时 候 ， 占 据主导的 位置 还是 直 流机的应用， 但

是 由 于其内部结构的 问题 ，会有 许 多无 法 用 人 为手段 弥补 的 问题 , 所以 人 们 把 研

究的重 点放 在了交流电动机上 , 这是因为交流电动机 着直 流机无 法媲美 的 诸 多 优

点 而 其中 优点 最为 突 出的 便 是 三相鼠笼 式 异 步电动机，它的结构 相 对 简 单，制

作工 艺 也不 复杂 ， 而 且 易 于生产， 价格 也较为 低廉 , 并且 惯 量小 , 运行 可靠 , 它能

够满足 工 厂苛刻条件 下的需 求 。所以在工 业 和 日 常生 活 中交流电动机得到了 越 来

越 多的 人 的 认可 ，因此得到了 广泛 的发 展 和应用，在 当今 的时 代 交流电动机有

着 不 可替代 的作用。

在现在 社 会中，运用最为 广泛 的电机 便 是交流电动机 , 这 些 都是因为交流电动机

在结构和性能的方面有 着 极其 明显 的 优势 ，交流电动机 相 比 直 流电动机来 说 ，

交流电机更 受 现 代社 会的 青睐 ， 但 是任何 事物 都有其 两 面性， 虽 然交流电动机

比起 直 流电动机有 着诸 多 优点 ， 但 是其在起动方面就需要进行一定手段来进行

改善， 否 则就会造成很多能量损失，因为其结构与 直 流的电机有 着 极大的不同，

如果其不采取一定的方 法 进行起动的 话 ，在其转 速从 最开始提 升 到转 速稳 定的

时 候 ，其电流将会变 化 的非常大， 远超 电动机的 可接受范围 ，这种起动方式同

样也会产生极大的冲击，这种冲击对电机的危害是十分 巨 大的，严重时不 仅仅

对电机的 自身 的产生影响。还会对其 相 关联的系统造成很大的危害，这样的情况

是 被人 们所不能 接受 的，所以交流电机不能在不采取任何措施的情况下起动，

要通过一定的手段来 克服 其结构 特 性中所 可 能产生的 存 在 问题 的情况。以此来减

少 那些 不必要的损失， 从而 获得 利益 最大 化 。

1.2 课题 研究的 目 的及意义

现如 今 ， 人类社 会 飞速 发 展 ， 科学 的技术也在 日新月异 ，这也就造成了电动机

也起 着越 来 越 不 可或缺 的重要作用， 而 在各种各样的电动机最重要的就是交流

电动机。因为交流电机有 着 其 他 电机所无 法 比 拟 的 诸 多 优点 ，因为交流电机的整

体结构比较 简 单，所以这就方 便 了 人 们对它进行改造和 修理 ，并且因为它 简 单

的结构 特 性，也就导致了 他 在大小和 质 量方面 占领着 极大的 优势 ，这 让他 大大

的 符合 现 代社 会的需 求 和 标准 ，成为现 代社 会正常运行的极其重要的一环， 虽

然其有 着 如此多的 优点 ， 但 是这不是意 味着 它就是完 美 的。 他 最大的 缺点 就是如

果不采取任何措施 或者 手段 直接 将其进行起动，电机在起动过 程 的 瞬 间将会产

生极大电流，这 些 电流会对电机运行产生影响的大小的电流，同时转矩也将会

产生极大的冲击，这 些 影响的因 素 将会使电机产生 异 常的情况，极大的损害电

7

机，并且损失很多能量。并 可 能对其它的系统产生极大的损害，所以交流电机是

不应 被允许直接 起动的，要采取一定的手段来减少这 些 损害， 让 其在实 际 应用

中得到最大的 优化 。

针 对电动机 存 在的这一起动 问题 ， 人 们对其起动方式进行了改进， 人 们 针 对这

次改进，提出了 许 多 传 统的起动方式， 而 其中最为 典 型的 传 统启动方式包括定

子串电 阻或 电 抗 启动方式 、

的起动方式等，这 些传 统的方式 被人 们运用了

很 久 ， 虽 然有 着诸 多 优点 并且能 够 起到一定的改善作用， 但他 们在实 质 上是有

级的 降 压起动方式， 仍 然还 存 在 许 多 缺点 ， 例 如这样起动方式是无 法避免 冲击

电流和转矩的产生， 而 且对于 连续调节瞬 间电流和转矩也是无 法 实现的 ； 工作

时都是 利 用 接 触器来转 换 电压，这种方式 回 导致在 切换 的时 候 将会在极短的时

间内产生电流冲击 ； 并且 接 触器的 存 在也会大 幅增加 机 械故障 发生 概率 ，这也

就 增加 了检 修 的工作量。

通过对交流电机进行全面的分析，研究其结构 特 性，为了实现在整 个 起动的短

时间的过 程 中，能 够拥 有 满足 要 求 的转矩，并且在这 个前 提下还要保 证 这 个 过

程 中的电流不会很大 而 不 满足 要 求 ，我们在 经 过了不 断 的通过实 际 的应用，研

究以及实 验 后，发 明 了通过一定的手段来起动电机，就 可 以 避免 其 可 能产生的

危害的软起动的方 法 ， 而 在进行了实 际 的 操 作后，与我们发现运用这种方式所

产生的实 际效 果 表明 ，这一方 法可 以有 效解决 ，不采用任何手段所产生的危害

与 问题 。

1.3 国内 外 发 展 现 状

人 们在二十世 纪七 十 年代 的时 候 发 明 了用晶闸管为 基础 的改善电机的起动技术，

并 被 不 断 的 推广 和应用， 已达 到 避免 所不 期望 的情况发生，也减小了危害的作

用。 经 过不 断地摸索 和研发，国 外已经掌握 了成型的技术应用，也正是因为这 个

原 因， 他 们 形 成了其 独特 的技术 优势 ，在国 外 也开始有了 许 多 著名 的软启动器

产 品 生产 厂商 ， 例 如 美 国

公司、英 国

公司、法 国

公司、德 国的

公

司 以及 欧洲 的

公司 等。为了更好 地 对电机进行控制以减少其 可 能产生的危

害，国 外已经 开始通过 先 进的技术和手段来研究 新 的方式方 法 ，实现更好的 可

靠 与安全的性能。 虽 然国 外 在这一 领域 方面 已经 逐 渐 开始 处 于 领先位置 ，并 掌握

着先 进的技术和 理 论， 但 是还要对现实的情况进行考虑，结 合可 行性和 资金 性

价 比等方面的考虑，现在应用最 广泛 的且实用的起动技术 仍 然是晶闸管为 基础

的起动技术。 由 于技术和 资金限 制， 低 压产 品仍 然是现在的主流。现在的产 品 最

高电压等级为

，最大 容 量为

。

上世 纪

年代 , 软起动器 由 国 外 开始 引 入到了中国， 但 是因其 价格 较 贵 ， 未 能

得到较高的 认 知度 而受 到国内的 忽视 。 但 是 随 着社 会的 快 速 发 展 ，对于电机的更

高要 求 ，使得起动时进行一定的手段进行 调节 变得十分具有现实的意义。对于国

内来 说 ，这一技术的发 展已经初 具 规 模， 但 是技术的能力 仍 然 存 在一 些 不 足 的

地 方，对于很多产 品 ，还要 依赖 对国 外 的成 品 进行一定的模仿，所以国内的软

起动 领域 的发 展 与国 外 所 达 到的高 度 还有一定的 差距 。国内也开始 形 成了一 些 逐

渐 具有 规 模的软启动 企 业 ，如 雷诺尔 和 奥托 等 企 业 ， 但 是这 些 企 业 与国 外品 牌

竞争难度 较大。因为其结构的 复杂 性高压电机的软起动较 难 以实现较好的性能，

虽 然它的数量并不是 占 有较大的比 例 ， 但 是对于这样电动机，软起动的需 求 性

是并不 亚 于 低 压电动机的。所以我国软起动技术 尤 其是高压软起动方面还是比起

8

国 外 有一定的 差距 ，还需要进一步的发 展 和提高。

1.4 论 文 主要研究内 容

随 着 时 代 的发 展 和 科学 技术 水 平的提高以及 人类社 会对于电动机的要 求越 来 越

高，电动机的结构和性能得到了 巨 大的改善和发 展 ， 人 们的生 活水 平的提高和

工 业水 平的提高也会 随 着 提高， 人 们需要电动机能 够 具有更高的性能来 适 应在

新 的时 代 环 境 下对其提出的更 加 严 格 的性能 指 标 , 通过对现在的工 业 发 展形势 以

及交流电机在各 个 不同 领域 的具体应用，对晶闸管软启动 装置 也开始进行了深

入的研究和改 革 ，本 文 设计的系统，是晶闸管 调 压技术的

交流电机起动系

统的 基础 之上，对于其主控制芯片，并且考虑到它的性 价 比和性能等 综 合 因 素 ，

选 用

单片机作为主控芯片，并且结 合人 们对它们的实 际 要 求 ，进行设

计了它的主电路和 外围 具有不同功能的其 他 的电路。

本 文 中， 根 据

与

芯片的作用与功能的 特 性，通过具体的组 合 构成

来实现具有触发功能的电路，进 而 控制开关管实现不同情况下的导通， 接着 我

们运用了磁环变压器这一器 件 ，通过它的结构 特 性，来实现我们需要的同步触

发以及高 效 隔离的作用，进 而 改变电机的起动的性能 达 到减少 直接 起动所产生

的危害的作用，并减少它的能量损失，实现电动机有 效 的软起动。

第 2 章 软起动 基 本 原理 及系统总体设计

2.1 三相 交流电动机的起动过 程 的分析

图

为 三相 交流电动机的等 效 电路

I 1

U 1

jx m

r m

jx 1

jx 1

jx 2 ’

I 2 ’

r 1

r 1

r 2 ’

I 10

(1-s)r 2 ’/s

9

图

异 步电动机的 简化 等 效 电路

图中， r1 、 r2’ —— 定子及转子的电 阻值

x1 、 x’ —— 定子及转子的 漏 抗

rm —— 铁 耗的等 效 电 阻

xm —— 激 磁电 抗

s —— 转 差 率

U1 、 I1 —— 定子的电压以及定子电流

通过分析和整 理 ， 可 以得到电动机的具体关系式 :

（ 2-3 ）

（ 2-2 ）

（ 2-3 ）

（ 2-4 ）

当 忽 略 I0 时，则

（ 2-5 ）

（ 2-6 ）

当 交流电动机在最开始进行起动的时 候 ，电动机并不会开始 立刻 运行，此时 n=0 ， s=1 ，

根 据分析 可 得到此时的转矩 Mst 和电流 Ist 的具体关系式 ：

（ 2-7 ）

（ 2-8 ）

机 械特 性 n=f(M) 及电流 特 性 n=f(I1) 的 曲线 如图 2.2 所 示

10

图

电动机的机 械 和电流 特 性

在电动机运行的 瞬 间，

并且

。 从 以上 r2´ 的等 效 模 拟 电路来看，在刚起动时不 输

出机 械 功 率 ，则 （ 1-s ） ·r2´ 。所以，这时的起动电流将会非常大，对于电动机来 说 ，起动

电流将会 超 过额定电流数 倍 。这 些 电流严重 超 过电动机的 承 受 能力，导致它们对电动机造

成极大的损害，会有大量的能量流失，并且还会对与之 相 关联的系统造成损害。

通过具体的计 算 以及关系式 可 知 ，在一定的 前 提 条件 下，电动机的起动时的转矩大小以及

电流的大小是和定子上的电压是成正比的关系，所以通过电压来控制其它电机 特 性 从而 改

变其性能是 可 行的方式，通过这种方式，也减小了电动机 受 到的机 械 冲击力， 延 长 电机各

部 件 的使用 寿命 。是 可 以看出这种起动方式是 可 以 被 运用的。

2.2 常 见 起动方式

2.2.1 斜坡 电压起动

因为其极高的 可 行性与 良 好的性能， 斜坡 电压的起动方式在各 个领域 都有极其 广泛 的应用

并因为电动机的各 个参 数 特 性 互 不影响。图

所 示 为 该 种起动方 法 的 函 数 描述 。

刚开始起动时， 给 电动机 加 压使电动机的 端 电压在短时间内上 升 到 初 始电压，以 达 到电动

机 拥 有 足够 的转矩 拖 动 负载 的 目 的， 当 电动机刚刚开始运行之后，其 速 度 将会 被限 制，并

且开始 慢慢 的 升 高，最后 达 到所 限 定的转 速 , 其起动 期 间所 持 续 的时间大约是在

秒

左右 ，并且在一定的 条件 下之内，其 速 度 升 高所用的时间是 可 以进行 人 为 调节 的。这大大

增加 了电动机的应用性。

图 2-1-1 电压 斜坡 起动

2.2.2 限 流软起动

限 流软起动是一种运用较为 普遍 的软起方 法 ，起动过 程 中 曲线 变 化 规律 如图