摘要 ：本文研究了三相感应电动机高转矩软起动的控制方法。在理论分析与仿真的基础上， 完成了以intel 16位单片机为微处理器的高转矩软起动器的实验研究。实践表明，基于高转矩的软起动器能使电机以高转矩和较小起动电流平滑起动。负载试验结果与仿真结果基本吻合，证明了这种高转矩软起动理论的正确性和有效性。
英文摘要 ：Control method of high torque softstarter for three-phase induction motor is studied in this paper.. Based on theoretical analysis and simulation technique, experiment of the high torque softstarter which has single- chip computer as mico-computer is completed. The experiment approves that the softstarter based on high torque theory can start motor smoothly with high starting torque and small starting current.The result of load test and simulation is identical that conforms the theory is correct and valid.
关键词： 高转矩 软起动器 单片机
1、引言
三相笼型异步电动机因具有结构简单、运行可靠、维修方便、价格便宜以及惯性小等优点而被广泛应用于工业、农业和交通运输等领域。随着各领域生产机械的不断更新和发展，对电动机的起动性能要求越来越高。如:
（1） 要求电动机有较大的起动转矩，可以带负载起动，并且有良好的机械特性曲线;
（2） 起动电流尽可能小;
（3） 起动设备尽可能简单、经济、可靠、易维护;
（4） 起动过程中能源消耗尽可能少。
一般三相异步鼠笼电动机有两种起动方式:额定电压下的直接起动方式和降压起动方式。在降压起动方式中又有星-三角起动法、自耦降压起动法、延边三角形起动法、串接饱和电抗器起动法等。这类降压起动设备虽然部分缓解了大容量电机在较小容量电网上起动时的矛盾，但是它们只是相对减小了大电流的冲击并未在本质上解决问题。而且这些起动设备还有一些固有的缺点，如对负载适应能力差、起动电流不连续、维修工作量大等等。另外，由于在整个电动机起动过程中，电磁转矩大于负载的反转矩，电动机加速运转，在相同的转动惯量下转矩的差额越大，机组加速越快，转动惯量大的机械起动就较慢，对于重复起动的生产机械来说，起动过程的时间长短对劳动生产率的影响是很大的，因而对不同的生产过程，对电动机应有不同的起动时间要求。
过去的起动装置大多采用接触器，属于有触点系统，容易磨损引发故障，起动特性不好。为了达到无触点控制，获得灵活多变的良好的起动特性，在80年代初期鼠笼型异步电动机电子软起动器诞生。软起动控制器是一种新型节能设备，在欧美国家已得到大量的应用。它利用晶闸管交流调压技术实现降压起动，以后又融入了功率因数控制技术，在控制装置的研究上，正围绕着提高起动力矩、实现计算机联网远程监控、完善检测和自诊断功能以及提高产品可靠性、改进制造工艺、降低成本等方面努力。传统的软起动器一般是在工频50Hz下采取降压起动，或限流起动等来抑制电机起动时的电流冲击，存在着起动转矩小的问题，无法用于恒转矩负载或要求重载起动的负载[1]。本文在文献[2]的仿真基础上，研制出一种基于分级变频的高转矩软起动器，经实验证明效果良好。
2、原理分析
在定子电压下降的同时将频率下调, 将会减少电动机转矩的损失[3], 就可以解决传统软起动器的起动转矩小的问题。文献[4]中提出的分级变频就是使传统软起动器输出电压的频率从一个较低的值开始, 分级上升, 最后达到50Hz。分级变频虽然可以实现变频，但不能使频率连续地变化, 只能使频率分级变化, 而且各级频率都是50Hz的n分之一，即50Hz的分频, 图1简单的展示了分级变频的过程。
由电网提供的50Hz的工频电源，可产生各级子频率系统，工频的ωnet与子频率系统的ωsub的关系如下:ωnet＝ωsub×r （1）
由表1可知，从50Hz产生的三相平衡的各级子频率系统有的为负序如25Hz，有的为正序如12.5Hz。因为正序可产生较大的正转矩，所以对25Hz子频率系统来说，需要打破平衡，改变相位角，使之不平衡。重新定义子频率系统的ωsub与相位角关系如下:
ωsub×t -α=0 （2）
设A相相位角为0°，由式（1），式（2），可得
由式（3），式（4）可计算出各级子频率系统的相位角。本文利用MATLAB/SIMULINK库中的傅立叶模块，计算出对r的不同取值对应的子频率系统电压的相位角。
表2～6列出了25Hz，16.7Hz，12.5Hz，10Hz，6.25Hz时各相电压的相位角。
以上只是部分子频率系统的电压相位角，其余的50/r算法类似，不再罗列。图2为25Hz时的三相电源波形各相位角组合方案之一，三相都是选择了2个连续周期的第一个周期全导通，不同的相位角对应着不同的正或负导通半波。
要得到起动时的最大正转矩，须选出最优化的组合。利用三相电路的对称分量法对各种组合的三相电源系统进行分析[5]。
3、建模及仿真
根据原理分析，对起动过程建立模型如图3所示。该软起动器有三种起动方式。
斜坡电压起动方式的仿真波形如图5所示，给出的是定子电流（有效值），转速，转矩波形，直接起动的波形如图4所示，限流起动波形如图6所示。由图形可知斜坡电压起动比直接起动的起动电流冲击减小，起动时间增长，限流起动的起动电流冲击更小，起动时间也较长。分级变频如图7所示，起动转矩较大，电流也限制的比较小，各个频率的切换处有跳动。
4、硬件设计
硬件设计的总体结构图如图8所示，三相电源通过旁路接触器与晶闸管的并联电路和电机相连, 以80C196KC为主控MCU，接收来自同步检测及相序判断电路和电流检测电路的信息，根据键盘电路输入的指示决定对晶闸管门极脉冲的触发方式，起动完成后，合上接触器，将反并联晶闸管旁路。
整个控制电路包括7个部分:电源电路、电流检测电路、电压同步检测和相序判定电路、触发脉冲形成和脉冲功放电路、接触器控制电路、显示和键盘电路及单片机最小系统电路。
5、软件设计
软件部分主流程如图9，由初始化程序、键处理程序、中断处理程序3大部分构成。
初始化程序负责对8279的初始化，开同步中断以及相关存储单元的初始化等。键处理程序则是根据按键情况修改内存中的各个参数值和标志位等以供中断处理程序进行相应处理，并在数码管上显示所修改的参数值及状态。
同步中断处理程序和软件定时器中断处理程序共同完成对6个晶闸管脉冲以正确顺序的触发，起动完毕后使接触器闭合，以及各种故障下的处理动作等。中断处理程序可根据键盘输入的起动方式选择限流起动、斜坡电压起动或分级变频起动。
6、结束语
三相笼型异步电动机因具有结构简单、运行可靠、维修方便、价格便宜以及惯性小等优点而被广泛应用于工业、农业和交通运输等领域。随着各领域生产机械的不断更新和发展，对电动机的起动性能要求越来越高，为适应这种需求，软起动器得到大量的运用。为提高起动转矩，本文采用分级变频理论，按同步转速由低到高分级起动，减小起动过程的能量损耗，克服传统电子软起动器电磁转矩小的缺点，可以使电机在全负载的情况下平滑起动和短时运行于低速状态。试验结果实现16.7Hz-25Hz-50Hz分级变频起动.
整个装置采用16位单片机80C196KC为控制核心，可实现斜坡电压起动，限流起动，分级变频三种起动方式。这种利用分级变频起动的软起动器，比之传统的软起动器，有效的提高了起动转矩，尤其是在低速时。它还具有结构简单、无触点、重量轻、体积小、起动电流及起动时间可控制、起动过程平滑等优点，能有效地减小电机起动时的电流冲击。其高转矩起动方式，使软起动器不仅仅适用于带风机、水泵类负载的电机，还能用于带额定负载起动的电机，使得它拥有更为广阔的应用前景。
