软启动器工作过程中的谐波分析及抑制
李常青+滕晓菲+杨少杰+孙旭鸿+郑崇伟
摘 要： 设计一种软启动器，以可控硅做主控元件，单片机控制软启动策略，实现对异步电动机的软启动。STM32系列微控制器通过控制可控硅导通的周期波数，进而改变异步电动机启动电压的平均值，从而减少启动电流对电网的冲击。同时进行相位检测，确定启动电流的过零触发，克服了一般软启动器产生严重谐波污染的问题。
关键词： 软启动器； 可控硅； 异步电动机； 过零检测
中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）07?0107?03
Research on low harmonic soft starter
LI Chang?qin， TENG Xiao?fei， YANG Shao?jie， SUN Xu?hong， ZHENG Chong?wei
（College of Physics and Electronic Information Engineering， Wenzhou University， Wenzhou 325035， China）
Abstract： A soft starter which takes SCR as master element and single?chip for the soft?start control is designed to achieve soft?start of the asynchronous motor. The average value of the startup voltage of asynchronous motors can be changed by the series of STM32 microcontroller according to the periodic wave number generated by controlling the breakover of SCR， so as to achieve asynchronous motor soft?start and reduce the starting current impact of grid. While detecting phase， it always determines the zero trigger of starting current. It overcame the serious harmonic pollution caused by soft starter.
Keyword： soft starter； SCR； asynchronous motor； zero?cross detection
0 引 言
交流异步电机直接启动时的电流过大，会引起电网电压下降，而且会产生很多的谐波，这直接影响电网供电和其他设备运行，所以需要设计一种低谐波的软启动器。传统意义上的降压启动方式虽然能在一定范围内减小启动时的大电流，但不能完全消除由电机启动时切换所带来的冲击[1?2]。软启动实质上是根据软启动设备控制晶闸管的导通角的调控，使电机输入定子绕组上的电压由一初值逐渐上升，慢慢上升至电机全电压，这时启动结束，相较于其他降压启动方式，可以明显的发现，电机的启动转矩更小、启动电流变小、启动时间变短等优势，提高了电机设备的安全性能和电网质量[3?4]。本文提出一种新的软启动的控制思想和方法，以STM32F103RBT6单片机为控制核心，采用双向可控硅为主控器件控制电机启动过程中导通的周波数，控制方式方便简单，利于操作，且易于移植，对整个系统性能影响小。
1 低谐波软启动器的控制原理
低谐波软启动器的控制思想主要是将晶闸管的调压技术应用到异步电动机的起动控制中，面对异步电动机起动时具有大电流的基础上，再近一步优化，通过单片机控制可控硅的导通周波数，而不是对可控硅的触发角进行增减，这种方式可有效地消除由于可控硅移相所产生的谐波[5]。低谐波软启动器的总体系统框图如图1所示。
图1 低谐波软启动器总设计框图
电流谐波总畸变率THD（Total Harmonic Distortion）定义为：
[THD=IhI1×100%]
式中[Ih]为总谐波电流有效值[6]。
具体来说，利用单片机控制晶闸管的周波数的软启动方式比硬启动方式减小了电机的启动电流，比控制晶闸管的导通角的软启动方式降低了启动时的电流谐波。控制晶闸管的周波数启动时，致使前面的几个交流电的半个周期能导通，随后慢慢的导通，这样既能实现降低启动电流的效果，又能有效地减少电流谐波对电网的污染。
2 低谐波软启动器的硬件设计
针对电动机导通整数个周期波或半周期波时产生的电流谐波的分析，本文设计了低谐波软启动器的硬件电路，主要包括检测交流供电电压过零时的电压过零检测电路和STM微控制器及其外围电路组成的驱动可控硅导通的控制电路。
2.1 过零检测电路
在整个设计中必须设计过零脉冲产生电路，这一部分电路最重要的作用是在每个周期内产生一个同步脉冲信号，保证交流电压的控制脉冲和可控硅导通电压的相位完全一致，便于微控制器对交流异步电动机软启动器监控。一般设计该种检测电路的思路是采用同步变压器，虽然这种方式也能实现与电源的同步，但是电源相电压要先过零比较后再合成，过程会比较繁琐，灵活性差。同时同步变压器的价格相对较高、体积偏大，成本很高，不利于市场的推广和使用。综上因素，本电路采用光耦合器取代同步电压器，它具有电气隔离好、体积小、抗干扰能力强等优点。检测电路如图2所示。
图2 电压过零检测电路
图2中光耦TLP181起到隔离强弱电的作用，驱动电机的交流电压先经过双端稳压后，再经过整流，输入到光耦合器中，[R7、][R8、][R9]均是限流电阻，[R5]作为上拉电阻，[R6]电阻将电流的变化转换成电压的变化，当输入电压低于一定值时CE端不导通，simple端输出低电平，反之相反，从而确定出电压过零的时刻。输入的交流电先稳压，再经过桥式整流电路，得到直流电压，该电压与晶体管的导通电压相比较，便可使晶体管的集电极上得到过零的脉冲电压波形。采用光耦TLP181作为电路的开关元件，主要原因是电压过零时产生脉冲信号准确和隔离高低压效果好，能严格确保交流电与脉冲信号的同步的时序关系。
2.2 驱动电路
另一部分的组成部分是由两相异步电机的驱动控制电路，其控制的核心是单片机。由于采用了先进的ARM微控制器STM32F103RBT6和驱动可控硅芯片MOC3038，32位微控制器STM32F103RBT6以它低能耗、高稳定性而备受青睐，片内附有可反复擦写的FLASH 128 B和20 B的静态随机存储器（SRAM）。STM32F103RBT6有64个引脚，12位的A/D，4个16位定时器和3路USART通信口等多种资源，时钟频率最高可达72 MHz。
该部分电路主要用于驱动输出，使得异步电机的输出的启动电流缓慢减小，并且输入的电网电压无谐波的目的。电路由双向可控硅BTA100，电阻[R1、][R2、][R3、][R4，]晶体管[Q2，]电容[C1，]驱动芯片MOC3038等组成。其中这些电阻起到限流的作用，晶体管用于产生高低电平，从而使芯片MOC3038工作，其包含一个砷化镓红外光二极管和一个单片硅探测器，能实现电压零交叉光隔离双向可控硅的功能。这个芯片一般作为分立式功率双向可控硅应用在接口上用于连接逻辑系统与工作在240 V交流线路的设备上。电容[C1]起耦合和滤波的作用。具体电路如图3所示。
图3 驱动电路
交流异步电机在启动时需要随着电极转速的升高而不断改变双向晶闸管的触发角，其中包含相位检测电路，根据启动时电流的相位差，调整触发相角。而晶闸管的触发角需要驱动双向晶闸管的MOC3038所发出的脉冲来控制。通过STM32单片机触发控制MOC3038，即可控制MOC3038发出所需要的脉冲，单片机的Phase_control端控制双向可控硅的导通状态来减少启动中谐波对电路或电网的污染。可控硅导通的周期数由单片机控制，单片机取过零脉冲产生电路的上升沿触发。控制双向晶闸管的导通时间由单片机中的程序设置。
3 低谐波软起动器的软件框架
主程序主要完成的是系统初始化与自我故障检测、软启动故障的检测、导通周波数的控制、晶闸管触发角的控制等任务。程序一上电就初始化后，经过一些自检和无故障检测后，选择电子软起动的方式，同时结合降压控制方式，采用控制导通周波数的的方式，周波数的设置可以视实际情况而定。最后，通过对晶闸管的相位调节，迅速降低异步电极的启动电流电压，同时克服电子式软起动器中的谐波污染，避免了可控硅移相触发产生严重的低次谐波。流程如图4所示。
图4 主程序流程图
4 仿真结果与讨论
在没有单片机控制电机的硬启动中测试输入端的电压[Ui]和电流[Ii，]所得的波形如图5所示，虽然启动过程中电流谐波几乎为0，但是启动电流已超过工作电流10倍多，增大了启动电流，对电机及外围电路产生严重冲击。
图5 不加控制的电压电流波形
针对实际的功率为7.5 kW，功率因数为0.88，启动初始功率因数约为0.35的异步电机测试时，控制电机启动的是周期波数，测得软启动电流小于硬启动电流的[13，]启动时间为20 s，整个启动过程，启动电流总谐波约为5%。
5 结 语
综合软启动技术和异步电机的特性，设计一种基于STM32F103RBT6单片机的异步电机软启动装置，从硬件电路和软件程序两个方面来分析，最终通过控制可控硅导通的周波数，实现对异步电机的软启动。该方法能够减小异步电机的启动电流，并同时能够避免低次谐波对电网的污染。
参考文献
[1] 张润祥.无谐波异步电动机软启动器的设计[J].船电技术，2006（2）：31?34.
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[3] 王晓军，徐鹏，段景春，等.基于单片机的晶闸管电子软启动器设计[J].辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2010，29（3）：447?450.
[4] 周京波.基于嵌入式的异步电机智能软起动器的研究[D].宁波：宁波大学，2012.
[5] 刘恩鹏，贾存良，金立，等.晶闸管控制异步电机软启动过程中振荡现象研究[J].电气传动，2011，41（8）：49?51.
[6] 王兆安.电力电子技术[M].4版.北京：机械工业出版社，2000.
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[8] 林国艳.异步电动机软起动器的研究[D].大连：大连理工大学，2006.
[9] 谢运祥，欧阳森.电力电子单片机控制技术[M].北京：机械工业出版社，2007.
[10] 张菲.基于软启动的异步电机控制技术研究[J].数字技术与应用，2012（12）：34?35.
[11] 刘芳霞.三相异步电动机软启动器的设计[J].机械工程与自动化，2011，2（4）：144?145.
[12] 王晓明.电动机的单片机控制[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.
[13] 吴剑.基于单片机的交流电机软启动节能设计[J].科技信息，2009（25）：335?336.
[14] 郭斌.电机软启动器性能分析与工业应用[D].天津：天津大学，2010.
[15] SASTRY V V， PRASAD M R， SIVAKUMAR T V. Optimal soft starting of voltage?controller?fed IM drive based on voltage across thyristor [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 1997， 12（6）： 1041?1051.
图2 电压过零检测电路
图2中光耦TLP181起到隔离强弱电的作用，驱动电机的交流电压先经过双端稳压后，再经过整流，输入到光耦合器中，[R7、][R8、][R9]均是限流电阻，[R5]作为上拉电阻，[R6]电阻将电流的变化转换成电压的变化，当输入电压低于一定值时CE端不导通，simple端输出低电平，反之相反，从而确定出电压过零的时刻。输入的交流电先稳压，再经过桥式整流电路，得到直流电压，该电压与晶体管的导通电压相比较，便可使晶体管的集电极上得到过零的脉冲电压波形。采用光耦TLP181作为电路的开关元件，主要原因是电压过零时产生脉冲信号准确和隔离高低压效果好，能严格确保交流电与脉冲信号的同步的时序关系。
2.2 驱动电路
另一部分的组成部分是由两相异步电机的驱动控制电路，其控制的核心是单片机。由于采用了先进的ARM微控制器STM32F103RBT6和驱动可控硅芯片MOC3038，32位微控制器STM32F103RBT6以它低能耗、高稳定性而备受青睐，片内附有可反复擦写的FLASH 128 B和20 B的静态随机存储器（SRAM）。STM32F103RBT6有64个引脚，12位的A/D，4个16位定时器和3路USART通信口等多种资源，时钟频率最高可达72 MHz。
该部分电路主要用于驱动输出，使得异步电机的输出的启动电流缓慢减小，并且输入的电网电压无谐波的目的。电路由双向可控硅BTA100，电阻[R1、][R2、][R3、][R4，]晶体管[Q2，]电容[C1，]驱动芯片MOC3038等组成。其中这些电阻起到限流的作用，晶体管用于产生高低电平，从而使芯片MOC3038工作，其包含一个砷化镓红外光二极管和一个单片硅探测器，能实现电压零交叉光隔离双向可控硅的功能。这个芯片一般作为分立式功率双向可控硅应用在接口上用于连接逻辑系统与工作在240 V交流线路的设备上。电容[C1]起耦合和滤波的作用。具体电路如图3所示。
图3 驱动电路
交流异步电机在启动时需要随着电极转速的升高而不断改变双向晶闸管的触发角，其中包含相位检测电路，根据启动时电流的相位差，调整触发相角。而晶闸管的触发角需要驱动双向晶闸管的MOC3038所发出的脉冲来控制。通过STM32单片机触发控制MOC3038，即可控制MOC3038发出所需要的脉冲，单片机的Phase_control端控制双向可控硅的导通状态来减少启动中谐波对电路或电网的污染。可控硅导通的周期数由单片机控制，单片机取过零脉冲产生电路的上升沿触发。控制双向晶闸管的导通时间由单片机中的程序设置。
3 低谐波软起动器的软件框架
主程序主要完成的是系统初始化与自我故障检测、软启动故障的检测、导通周波数的控制、晶闸管触发角的控制等任务。程序一上电就初始化后，经过一些自检和无故障检测后，选择电子软起动的方式，同时结合降压控制方式，采用控制导通周波数的的方式，周波数的设置可以视实际情况而定。最后，通过对晶闸管的相位调节，迅速降低异步电极的启动电流电压，同时克服电子式软起动器中的谐波污染，避免了可控硅移相触发产生严重的低次谐波。流程如图4所示。
图4 主程序流程图
4 仿真结果与讨论
在没有单片机控制电机的硬启动中测试输入端的电压[Ui]和电流[Ii，]所得的波形如图5所示，虽然启动过程中电流谐波几乎为0，但是启动电流已超过工作电流10倍多，增大了启动电流，对电机及外围电路产生严重冲击。
图5 不加控制的电压电流波形
针对实际的功率为7.5 kW，功率因数为0.88，启动初始功率因数约为0.35的异步电机测试时，控制电机启动的是周期波数，测得软启动电流小于硬启动电流的[13，]启动时间为20 s，整个启动过程，启动电流总谐波约为5%。
5 结 语
综合软启动技术和异步电机的特性，设计一种基于STM32F103RBT6单片机的异步电机软启动装置，从硬件电路和软件程序两个方面来分析，最终通过控制可控硅导通的周波数，实现对异步电机的软启动。该方法能够减小异步电机的启动电流，并同时能够避免低次谐波对电网的污染。
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图2 电压过零检测电路
图2中光耦TLP181起到隔离强弱电的作用，驱动电机的交流电压先经过双端稳压后，再经过整流，输入到光耦合器中，[R7、][R8、][R9]均是限流电阻，[R5]作为上拉电阻，[R6]电阻将电流的变化转换成电压的变化，当输入电压低于一定值时CE端不导通，simple端输出低电平，反之相反，从而确定出电压过零的时刻。输入的交流电先稳压，再经过桥式整流电路，得到直流电压，该电压与晶体管的导通电压相比较，便可使晶体管的集电极上得到过零的脉冲电压波形。采用光耦TLP181作为电路的开关元件，主要原因是电压过零时产生脉冲信号准确和隔离高低压效果好，能严格确保交流电与脉冲信号的同步的时序关系。
2.2 驱动电路
另一部分的组成部分是由两相异步电机的驱动控制电路，其控制的核心是单片机。由于采用了先进的ARM微控制器STM32F103RBT6和驱动可控硅芯片MOC3038，32位微控制器STM32F103RBT6以它低能耗、高稳定性而备受青睐，片内附有可反复擦写的FLASH 128 B和20 B的静态随机存储器（SRAM）。STM32F103RBT6有64个引脚，12位的A/D，4个16位定时器和3路USART通信口等多种资源，时钟频率最高可达72 MHz。
该部分电路主要用于驱动输出，使得异步电机的输出的启动电流缓慢减小，并且输入的电网电压无谐波的目的。电路由双向可控硅BTA100，电阻[R1、][R2、][R3、][R4，]晶体管[Q2，]电容[C1，]驱动芯片MOC3038等组成。其中这些电阻起到限流的作用，晶体管用于产生高低电平，从而使芯片MOC3038工作，其包含一个砷化镓红外光二极管和一个单片硅探测器，能实现电压零交叉光隔离双向可控硅的功能。这个芯片一般作为分立式功率双向可控硅应用在接口上用于连接逻辑系统与工作在240 V交流线路的设备上。电容[C1]起耦合和滤波的作用。具体电路如图3所示。
图3 驱动电路
交流异步电机在启动时需要随着电极转速的升高而不断改变双向晶闸管的触发角，其中包含相位检测电路，根据启动时电流的相位差，调整触发相角。而晶闸管的触发角需要驱动双向晶闸管的MOC3038所发出的脉冲来控制。通过STM32单片机触发控制MOC3038，即可控制MOC3038发出所需要的脉冲，单片机的Phase_control端控制双向可控硅的导通状态来减少启动中谐波对电路或电网的污染。可控硅导通的周期数由单片机控制，单片机取过零脉冲产生电路的上升沿触发。控制双向晶闸管的导通时间由单片机中的程序设置。
3 低谐波软起动器的软件框架
主程序主要完成的是系统初始化与自我故障检测、软启动故障的检测、导通周波数的控制、晶闸管触发角的控制等任务。程序一上电就初始化后，经过一些自检和无故障检测后，选择电子软起动的方式，同时结合降压控制方式，采用控制导通周波数的的方式，周波数的设置可以视实际情况而定。最后，通过对晶闸管的相位调节，迅速降低异步电极的启动电流电压，同时克服电子式软起动器中的谐波污染，避免了可控硅移相触发产生严重的低次谐波。流程如图4所示。
图4 主程序流程图
4 仿真结果与讨论
在没有单片机控制电机的硬启动中测试输入端的电压[Ui]和电流[Ii，]所得的波形如图5所示，虽然启动过程中电流谐波几乎为0，但是启动电流已超过工作电流10倍多，增大了启动电流，对电机及外围电路产生严重冲击。
图5 不加控制的电压电流波形
针对实际的功率为7.5 kW，功率因数为0.88，启动初始功率因数约为0.35的异步电机测试时，控制电机启动的是周期波数，测得软启动电流小于硬启动电流的[13，]启动时间为20 s，整个启动过程，启动电流总谐波约为5%。
5 结 语
综合软启动技术和异步电机的特性，设计一种基于STM32F103RBT6单片机的异步电机软启动装置，从硬件电路和软件程序两个方面来分析，最终通过控制可控硅导通的周波数，实现对异步电机的软启动。该方法能够减小异步电机的启动电流，并同时能够避免低次谐波对电网的污染。
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[9] 谢运祥，欧阳森.电力电子单片机控制技术[M].北京：机械工业出版社，2007.
[10] 张菲.基于软启动的异步电机控制技术研究[J].数字技术与应用，2012（12）：34?35.
[11] 刘芳霞.三相异步电动机软启动器的设计[J].机械工程与自动化，2011，2（4）：144?145.
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