陈景文　王红艳

摘要：针对传统晶闸管调压软起动器触发脉冲控制方法复杂，定子电流连续性差，波形畸变严重，谐波含量较高等不足，设计一种以全控型器件IGBT来实现交流斩波调压软启动器，利用三相交流电源控制两相通断就可达到控制三相通断的方法，保证控制效果同时可以节约成本。文章设计全控型两相斩波调压软起动器的主电路和控制电路等硬件电路，并给出相应的控制方法和软件程序。

关键词：两相斩波调压；异步电动机；软起动器；装置设计

中图分类号：TP27 文献标识码：A

1引言

在电动机的应用当中，电动机的起动问题尤为重要。异步电动机起动时的瞬时电流冲击很大，一般可达电机额定电流的4～8倍，甚至更大。过大的起动电流，对电动机本身和电网以及其它电气设备的正常运行都会造成不利的影响。

目前市场上广泛使用的晶闸管调压软起动器由于晶闸管的半控性，电流会产生很多低次谐波，造成谐波污染，使输出电压波形畸变严重，影响电动机的动态特性。全控型两相斩波调压软起动器由于采用了全控型器件，其可以自关断，通过改变触发脉冲的占空比来实现对定子电压的无级调节，其优点是IGBT的触发脉冲不需要关联三相母线电压的相位，也不需要检测过零点，通过调节触发脉冲的占空比来调节电压，控制算法和实施方法都比较简单。再通过续流电路使得电动机电流、电压波形更接近于正弦波，波形畸变率较低。

2两相斩波调压软起动器主电路

全控型两相斩波调压软起动器就是通过控制全控型器件IGBT的触发脉冲的占空比来调节电网输入定子的电压，从而调节起动电磁转矩的大小。具体就是通过控制两相的输出电压的来控制三相输出电压的大小。所采用的电路主拓扑结构如图1所示。具体电压调节实施方式如下：

在主电路结构上，采用一只IGBT以及相应的保护电路，构成斩控式开关（1）、（2），分别串接在三相交流异步电动机的A相、B相供电主电路中。另外的C相交流电不需控制直接加在交流电机定子上。为了检测并控制起动电流，在三相交流异步电动机侧的A相、B相、C相电源线上分别设置一个电流互感器（5）、（6）、（7），电流互感器检测的电流信号送人微处理器控制系统（3）。

在主电路控制上，微处理器控制系统产生的控制脉冲有两路，分别触发图中的A、B两路交流电源的（1）、（2）两个绝缘栅双极型晶体管，实现两路交流斩控式调压来控制三相交流电的目的。

3两相斩波调压软起动器控制电路设计

3.1硬件电路的总体结构

全控型两相调压软起动器硬件原理图如图2所示，主要包括主控制芯片STM32电路、通讯电路、电流检测电路、USB-串口通讯电路、电压检测电路、驱动电路、电源电路等几个主要部分。每个子电路都需要连接相应的电源电路，在图中不在一一显示连接。

3.2USB-串口通信电路

电路图如图3所示，电路实现如下功能：上位机可通过该接口将程序下载到STM32里，也可通过该接口，将STM32内部寄存器的数据上传到上位机，并显示出来。

3.3电流检测电路

本次电流检测电路设计是在AD637典型电路的基础上搭建了基于Sallen-Key滤波电路的非正弦电流有效值转换电路，并且通过分析、计算，优化了滤波电路的参数，使得输出纹波比典型应用电路大大降低，有效地提高了非正弦电流信号有效值的转换精度。

图4中Vin-PUTA是将A相的电信号经电流互感器和功率电阻转换成的电压信号。采用（N：5）的电流互感器将A相电流转换为小电流信号，转换后的电流值最大为5A，这样就使得电流互感器变比一定，便于后续程序设计和计算；并且输入检测电路的信号规格一定，便于检测电路的设计，可以用相同元器件参数的电路来测量不同类型的电动机电流值。将得到的小电流信号，通过一个功率电阻转换为电压信号，输入真有效值转换芯片AD637的输入端。

3.4电压检测电路

当三相交流电源的电压位于0值附近时，来自外界的电磁波和以及内部的电磁振荡会在电压检测电路的过零比较器的输入引脚上产生干扰信号，一旦该干扰信号超过过零比较器的敏感值，就会引起过零比较器产生误动作，主控制芯片也会受到来自过零比较器的这个有误的信号，进而干扰软起动系统的正常运行。所采用的电压检测电路如图5所示。为了尽可能消除干扰信号引起的误动作，我们在过零比较器的同相输入端、反相输入端同时加上一个5V的直流电压台阶，有效地减小了外部干扰信号对软起动电压检测系统的影响，软起动系统的可靠性得到进一步提升。

图中T-A接在交流异步电动机A相定子绕组与A相开关器件之问，T-B接在交流异步电动机B相定子绕组与B相开关器件之间，T-C接在交流异步电动机C相定子绕组与C相开关器件之问。这样通过T-A、T-B、T-C可将三相电源的电压波形引入到电压检测电路的输入端。在图中，由于电路的对称性，R101左端的交流电压为0，即输入运放U24A（LM339）反相端的交流电压为0，直流电压为5V。

3.5电源电路

全控型两相斩波调压软起动器控制系统的电源模块分别采用了LM7815、LM7812、AMS1117、LM2596_5、TPS6040、MC34063稳压芯片，分别产生了+15V、+12V、+3.3V、+5V、-5V、-10V的不同电压，为其它部分供电。

KBL408的功能是将交流通过整流桥变为直流的整流桥电路。LM2596-5的功能是将12V电压转换为5V电压输出。

选用AMS1117-3.3，将5V电压稳压到3.3V。TPS6040的功能是将+5V电压翻转为-5V电压，MC34063的功能是将+15V电压转换为一10V，用于IGBT关断时向栅极提供足够的反压。

4全控型两相斩波调压软起动系统实现方式软件设计

4.1主程序设计

两相斩波调压软起动主程序，作为控制系统的中枢，对控制系统的各个子程序的行为起到指挥和调配作用。控制系统主程序流程图如图6所示，虽然其结构简单，但是其是整个控制系统的灵魂，重要性无可替代。下面详细介绍其工作过程。

首先在控制系统上电后，要对主控制芯片内部的各个寄存器、外部的各个引脚进行初始化操作；然后运行一系列的系统检测子程序，通过读取各个对应引脚的参数，来判断当前电动机所处环境是否可以进行起动，这一阶段运行的子程序主要有相序检测、缺相检测、温度检测等，如果检测结果符合电动机起动，就会进入到键扫描环节，此环节用于监测到一旦有人工输入的控制信号通过键盘输送至控制系统，则可以进入到键处理环节，再由相关子程序对输入的控制信号进行运算处理，等待开始起动；如果检测子程序输出的检测结果不符合电动机起动，则会进入故障处理与显示环节，等待故障处理后重新检测是否符合电动机起动条件。

4.2软启动器的启动模式控制实现

软启动器设计完成后，主程序使其基本功能得以实现，即系统可以正常工作，但真正体现装置启动性能的是其可以提供哪些启动模式，本软启动器可以实现斜坡升压起动、带脉冲突跳的斜坡升压起动、限流起动、双斜坡起动等启动功能，满足目前工业现场中的绝大部分软启动电机的需要，下面就这几种控制模式做一说明：

4.2.1斜坡升压起动模式

斜坡升压起动模式比较简单，该起动方式是将事先设定好的电压上升率换算成为相应的IGBT触发脉冲占空比的变化来实现的，只管按照设定的程序走，没有引入电动机的起动参数（如电动机定子电压、电流等）作为反馈，是一种较为粗放的开环控制方式，但是其控制方案简单，适用于对起动控制精度要求不高的场合。斜坡升压软起动的程序流程图如图7所示。

4.2.2带脉冲突跳的斜坡升压起动模式

带脉冲突跳的斜坡升压起动主要应用在静态阻力比较大的负载电动机上，通过施加一个瞬时较大的起动力矩以克服大的静摩擦力矩。突跳起动力矩通常持续时间较短，在突跳起动力矩作用时间后，电动机将按照斜坡升压起动的模式继续起动，直至电动机起动完成。带脉冲突跳的斜坡升压起动流程图如图8所示。

4.2.3限流起动模式

限流起动方式是为了突出对电动机起动过程中的电流大小的控制，是一种较为精细的起动方式。需要将电动机起动过程中的电流大小实时地反馈给主控制系统，再由主控制系统将实时电流与设定的电流值进行比较，产生控制信号，调整IG-BT触发脉冲的占空比，进而使电动机起动电流的大小在设定值附近的一个区间范围内，该起动方式较为复杂。

限流起动的最大起动电流一般不超过电动机额定电流的四倍，通常的限流控制算法有PID方法、模糊控制方法、PID与模糊控制相结合的方法等。本文采用模糊控制方法。限流起动的流程图如图8所示。

4.2.4双斜坡起动模式

双斜坡起动类似于斜坡升压起动模式，其主要区别在于斜坡升压起动自始至终都是一种电压上升率来起动，IGBT触发脉冲的占空比也维持不变。双斜坡起动主要考虑到电动机的刚开始起动时，转速较低，适用较低的电压上升率，以使电动机的起动电流不至于上升过快，但是随着电动机转速的增加，一成不变的电压上升率使得电动机在起动的后半阶段转速上升较慢，电动机完成起动的时间变长。结合电动机的这一特点，为了尽可能减小电动机的起动时间，在电动机转速到达一定值以后，改变IGBT触发脉冲的占空比，将电压上升率变大，使电动机尽快达到额定转速，完成起动。双斜坡起动的流程图如图9所示。

5总结

文章提出了一种全控型两相斩波调压软起动方式，其在起动电流、起动转矩、总谐波含量、定子电流波形方面均优于晶闸管调压软起动。设计了全控型两相斩波调压软起动器的硬件电路和软件程序。设计的全控型两相斩波调压软起动器谐波含量低，相比晶闸管调压软起动，起动电流更接近正弦波，且连续性好；控制算法简单，保护电路齐全，系统稳定性高，易于维护；起动转矩大，且连续可调；所用电力电子器件数目少，通过控制两相来达到控制三相的目的，节约成本。