1、I摘 要本文首先介绍了软启动技术的发展现状及电机驱动存在的问题，然后根据分析提出了数字软启动的设计方案。方案以 STC12C5410AD 为主微控制器，根据要求配置了主要的硬件电路模块，主要有按键模块，显示模块，电源模块以及数模转换模块。其中电源模块可以为主电路提供 5V 和 12V 电压；因为所需按键较少，所以我们选用了独立式按键接口；数模转换模块采用三线串行接口芯片 TLC5615,该芯片易与单片机连接；显示模块是通过译码驱动芯片 CD4511 输出来驱动数码管显示软启动的时间和过程。系统利用 STC12C5410AD 单片机中自带的 AD 变换将模拟输入量变成数字信号，通过加减按键设置软
2、启动的时间，并且通过显示电路显示设置时间和软启动过程，通过单片机计算软启动输出控制量，并经过片外独立的 DA 变换电路输出模拟量送给三相可控硅触发系统，从而实现了真正意义上的软启动。实践证明，使用数字软启动的三相可控硅触发系统，可大大提高电机及设备的使用寿命，降低设备故障率，节约维修费用，提高企业的劳动生产率。关键词： STC12C5410AD；软启动；可控硅IITitle : Design of Three Phase Silicon-controlled Trigger System Based on Soft-start Abstract:This paper firstly intro
3、duces the development of soft-start technology and the problem of motor-driven. Then based on the analyse , we propose a digital soft -start design. The design takes STC12C5410AD as the major MCU .According to the demand , we set the major hardware module including the main keyboard module, display
4、module, power module and digital-to-analog converter module. Power module can provide the main circuit voltage 5V and 12V; because of fewer keys, we chose the independent-button interface; digital-to-analog converter module used three lines Serial Interface Chip TLC5615 which is easy to connect with
5、 the microcontroller. Display module takes CD4511 as the drivendecoder in order to display the time and the progress of the soft-start.The system uses AD transform which is built in the microcontroller to convert the analog input into a digital signal . Modified buttons installed through soft start
6、time, and through the display circuit display settings and soft-start time process SCM calculated by soft-start control output volume, After chip and independent DA converter output analog three-phase gave SCR trigger system, thereby realizing the true sense of the soft start.When this project is fi
7、nished, the service life of motor and equipment can be improved, the fault rate of the equipment can be reduced, the maintenance cost can be saved and the labor productivity can be improved.Key words： STC12C5410AD; Soft-start; SCRIIIIV目 次1 绪论 .11.1 项目提出的背景、目的和意义 .11.2 软启动技术发展概况 .21.3 本文研究的主要内容 .42 总
8、体方案设计 .52.1 软启动原理 .52.2 系统研究方案 .52.3 芯片比较 .63 硬件设计 .253.1 关于 STC12C5410AD .253.2 电源模块 .273.3 复位电路模块 .283.4 按键模块 .283.5 显示模块 .293.6 D/A 转换模块 .313.7 TL072、TL431 与 D/A 转换器接口 .353.8 蜂鸣器、工作状态指示灯与单片机接口 .363.9 配置硬件 .363.10 可控硅触发系统 .363.11 控制电路与可控硅触发系统接口 .374 软件设计 .254.1 主程序设计 .254.2 初始化程序 .264.3 加“1”子程序 .2
9、64.4 减“1”子程序 .274.5 移位子程序 .274.6 启动/停止子程序 .284.7 中断子程序 .295 系统安装与调试 .315.1 硬件电路调试 .315.2 软件调试 .315.3 综合调试 .31结 论 .32致 谢 .33V参 考 文 献 .34附 录 A 硬件电路图 .35附录 B 硬件电路 PCB 板 .36附录 C 软启动时间和电压显示过程 .37附录 D 软件程序 .3811 绪论1.1 项目提出的背景、目的和意义在诸多能源中，电能是应用最普遍、所占比重最大的，电网的安全经济运行和电气设备的最佳运行一直是电力工作者一直追求的重要指标。我国是能源生产大国，但就人均
10、而言又是能源小国。而我国的能源浪费又十分惊人，各种产品单位产量所耗能源在世界高居榜首，就相同产值所耗能源而言，是发达国家的三倍以上。究其原因，主要是由于设备陈旧落后，管理不善及不重视节能造成的。所以加强设备的技术改造和管理、推广使用先进的节能技术和节能装置是节能的主要途经 1。据统计，我国拥有风机泵类设备约 4200 万台，年耗电量约占全国发电量的 30%，在这些电机中，高电压、大容量电机耗电量在 80%以上。这类电机的启动和停止不仅会对电网造成冲击，而且会对电机及其拖动机械造成损伤，因此人们一直在寻找合适的方法来软启动高压电机，但由于受电力电子器件耐压的限制，尚没有一个较好的办法来解决这一问
11、题。目前，国内高压电动机的应用几乎遍及冶金、钢铁、石油、化工、电厂、水厂、机械加工等各个行业，而高压电动机，尤其是特大型电动机(1 万 KW5 万 KW)的启动却一直困扰着许多企业。高压电动机直接全压启动时，启动电流会达到额定电流的 57 倍，使电网电压急剧下降，这就会破坏同电网其它设备的正常运行，甚至会使电网失去稳定，此大电流还会在电机定子线圈和转子鼠笼条上产生很大的冲击力，从而可能导致电机故障;并且此大电流还会产生巨大的启动转矩，给传动设备造成危害。这些都会增加企业的停工台时，增加维修费用，影响生产的正常运行，给企业带来巨大的甚至无法弥补的经济损失。而高压电动机软启动装置的研制却十分滞后。
12、在国内，此领域尚属空白;在国外，虽然已有少数几种产品问世，但却大都存在可靠性低，价格高等不同方面的问题，使用效果不理想，无法改变行业现状。本设计结合单片机技术，电力电子技术和可控硅移相触发控制技术，设计一种低成本、高可靠性的电机数字软启动的节能控制系统 2。该项目技术先进，可以免除上述危害，提高企业的劳动生产率，并且与国外同类产品相比，还具有性价比高、2使用方便等显著优势。1.2 软启动技术发展概况从 20 世纪 70 年代开始推广利用晶闸管交流调速技术制作的软启动器，之后又把功率因数控制技术结合进去，以及采用微电脑代替模拟控制电路，发展成智能化软启动器。目前世界上许多电气公司正在生产智能化软
13、启动器。目前，由于许多行业的生产能力越来越大，其生产设备的驱动电机也越来越大，上万千瓦甚至几万千瓦的高压电动机投入运行的数量呈上升趋势。高压软启动技术日益受到世界各大公司重视，不断有新产品推出。美国生产软启动、电机控制产品及管理系统的 MOTORTRONICS(摩托托尼)公司推出的产品有:PSI, XL, MVC (200V 7KV,61450A) 等，该产品采用高压可控硅串联调压技术，适合于中小容量，额定电压在 7 KV 以下的电动机。美国罗克韦尔公司的智能马达控制器，目前也仅有额定电压 7.2 KV，最大功率 6615 KW.美国 ABB 公司的 ACS 1000 高频变频器 (315KW
14、5000KW ),德国 Lenze(伦茨)公司、美国 ROBINCON(罗宾康)公司都生产以变频技术为核心的软启动产品，产品均为中小容量 (8000KW 以下)，具有启动性能好，使用方便等优点，同时也存在着价格昂贵、可靠性稍差、维护复杂等缺点。据悉，目前也有大于 1OOOOKW 启动器问世，但尚未见到准确的报导。国内高压软启动器的生产厂家以前几乎没有(400V 以下的低压软启动器厂家很多)，近年来由于高压软启动的市场需求越来越大，己有不少厂家捡起上世纪 50 年代就在低压软启动上应用的液态电阻软启动移植到高压软启动上来，目前国内具有规模的只有湖北追日和大力公司。其它许多从事高压软启动其经营的大
15、多是代理国外产品。值得注意的是，液态电阻软启动由于其性能较差、可靠性较低，目前在低压软启动领域已被淘汰。之所以在国内高压软启动中还有一定的市场份额，是由于国内电机启动方法的技术和设备都达不到要求，国外产品的价位又很难接受，完全是一种不得已而为之的权宜之计。1.2.1 传统的启动方法a. 加大电网容量 该方法是为满足大容量电动机启动时有功功率和无功功率的要求，保证电动机启动时对端电压的要求，过去人们经常采取加大自身电网容量3的办法，如采用大容量的变压器或建自备电厂，但这样又常常致使正常运行时电网负荷较轻，电力变压器处于轻载工作状况，造成能源的浪费。在以变压器容量收费的地区，使用户电费支出加大。b
16、. 串联电抗器启动 该方法能满足降低启动电流的要求，但电机的启动转矩小，且为有级调整，切换时有大电流冲击，在大容量电动机的启动应用中受到限制。c. 自耦变压器启动 该方法能满足降低启动电流的要求，启动转矩较串联电抗器启动大，对中大容量电机的启动比较适宜，但其调整方面的问题，诸如滑动触点电弧烧损问题、碳刷磨损问题、局部匝间短路问题、切换时有大电流冲击等等，使其在实际应用中也受到限制。1.2.2 近些年来常用的软启动方法低压电机软启动装置现在己有很多应用，它是通过调节正反并联可控硅导通的办法来调节电动机的端电压，使电动机端电压逐渐上升，达到软启动的作用，它限制了电动机的启动电流 (一般在 3 倍额
17、定电流以下)，减小了对电网的冲击，提高了电机及机械设备的寿命，提高了生产效率。高压电机的软启动装置由于受可控硅器件耐压的限制一直不好解决，所以高压电动机的软启动装置的应用几乎为空白。近几年市场上出现了国外少数厂家生产的采用可控硅串联技术的高压电机软启动装置。这种方法对元器件特性参数的一致性要求很高，元器件的筛选率很低，而且筛选仪器的价格很高，这致使装置的价格较高 3。另外在使用一段时间后，元器件的参数还会发生变化，使元器件的均压性能降低，极易造成整串元器件的损坏，使这种装置的可靠性降低，一旦元器件损坏，用户很难修复。所以现在应用的还比较少。另一种方法是用高压变频器来做软启动，用变频器来启动电机
18、，其启动性能很好，但高压变频器价格昂贵。另外由于变频技术还处于发展时期，其可靠性还不是很高，用户的维修技术还跟不上，这便是这种方法尚不是应用很多的原因。由于高压电机的应用越来越多且逐渐向大型化发展，其启动问题便是必须解决的问题而摆在我们面前，近些年也有一些其它的启动方法出现，但都因有一定的缺点而未被普遍采用。41.2.3 国内外软启动产品研发情况低压电动机软启动装置的应用在国内外已十分广泛。高压软启动装置在国内几乎为空白，仅有的几家也是采用进口技术，该装置的难关主要是由于当前电力电子器件的耐压还不够高，需要使用串联技术，而采用这种技术的装置山于元器件性能的分散性，而导致装置的可靠性极低，目前世
19、界上主要有采用非电气方法和电气方法两种。a. 非电气方法 该法是在电机和传动装置之间加了一个非电气的中间环节，例如液力偶合器，它可以通过调节其内部的液体压力来实现机械装置的软启动和调速，但是电机仍是空载全压启动，仍然避免不了对电网和电机的损害，只对机械设备有利，目前主要用于要求调速的场合 4。由于它增加了一个实物环节，所以给改造工作带来不便，电机需要移位。另外这种方法目前最大只能做到 6000KW 左右。b. 电气方法一般有三种，一是采用高压变频装置，该方法由于高压变频装置的价格十分昂贵，所以一般仅用在必须采用软启动的场合;二是采用串联技术的高压软启动装置，这种装置的靠性很低，只有国外少数厂家
20、生产，日前也只见到有几千KW 规格的产品报导，容量比较小，价格也很贵;三是水电阻方法，这种方法是在电机电源回路中串联一个水电阻，通过调节水电阻的大小来实现电机的软启动，这种方法用起来不太方便，可靠性也存在一定问题。以上是当前世界范围内几种实现高压电机软启动的方法，由于各自都存在着一定的缺点，所以它的应用受到了一定的限制，尤其是国内，应用的还较少。1.3 本文研究的主要内容目前常用的可控硅触发电路均采用模拟集成电路，由于元器件较多，通常使用阻容元件进行积分斜率调整，使得电路复杂，可靠性差，调试维护较为困难。为此，提出了以单片机为核心，集控制、触发于一体的可控硅控制系统，使其外围元件少，集成度高，
21、控制精度高，克服了模拟电路的非线性和时间的不精确性 8。 52 总体方案设计2.1 软启动原理软启动就是通常所说的降压启动。由于电机转矩与加在定子端的电压平方成正比 ,同时电机电流与定子电压成正比 5。因此可以通过控制加在电机定子上的电压对电机加速转矩和启动电流进行限制 ,以降低电机启动时所产生的过高启动电流和启动力矩。具体方法是由微处理器控制的双向可控硅变流调压装置, 通过微电脑控制系统, 按给定的程序、指令, 进行有关计算确定可控硅的触发信号 6。改变可控硅的开通程度, 由此改变电动机输入电压的大小, 以达到控制电动机的启动特性。2.2 系统研究方案本系统的主要部分由以下几个模块组成:主微处理器模块，按键模块，显示模块，D/A 变换模块，可控硅移相触发模块。如图 2.1 所示。需要选用一款微处理器作为本系统的主控单元，通过加减按键设置软启动的时间，并且通过显示电路显示设置的软启动时间和软启动的启动电压，通过微处理器计算软启动输出控制量，并经过片外独立的 D/A 变换电路输出模拟量送给三相可控硅触发系统 7。单片机S T C 1 2 C 5 4 1 0 A DD / A 变换电路三相可控硅移相触发系统加减按键电路显示电路模拟量输出图 2.1 系统总体框图
