现场可编程三相交流电机软启动固态控制器

摘要

本发明公开了一种现场可编程三相交流电机软启动固态控制器，包括微控制器、脉宽调制电路、与微控制器相连的偏置电路、控制电路、缺相相序检测电路、集成触发电路及过零触发隔离电路、与缺相相序检测电路相连的状态输出电路、同步电路、随机触发隔离电路、输出电路，过零触发隔离电路与随机触发隔离电路相互并联。本发明采用PIC单片机和集成触发芯片TC787AP、缺相保护和相序检测芯片TC783结合，实现输出功率器件可控硅导通角的变化，达到电动机软启动、软停止的目的，控制电路及程序简单，成本低，隔离电路同时采用随机导通光耦和过零导通光耦，有效避免了负载电压的波动，实现了负载运行的稳定与可靠。

权利要求

1.一种现场可编程三相交流电机软启动固态控制器，包括微控制器，其特征在于，还包括脉宽调制电路、与微控制器相连的偏置电路、控制电路、缺相相序检测电路、集成触发电路及过零触发隔离电路、与缺相相序检测电路相连的状态输出电路、同步电路、随机触发隔离电路、输出电路；偏置电路还与缺相相序检测电路、集成触发电路相连，同步电路分别与缺相相序检测电路、集成触发电路、输出电路相连，随机触发隔离电路的输入端连接集成触发电路、输出端连接输出电路，过零触发隔离电路与随机触发隔离电路相互并联；其中，脉宽调制电路包括微控制器，集成触发电路包括晶闸管集成触发芯片TC787AP，缺相相序检测电路采用TC783集成电路，同步电路采用电阻分压式电路。

2.根据权利要求1所述的现场可编程三相交流电机软启动固态控制器，其特征在于，微控制器采用单片机PIC12F675。

3.根据权利要求2所述的现场可编程三相交流电机软启动固态控制器，其特征在于，脉宽调制电路包括单片机V5、光电耦合器V6、V18、电阻R21—22、R25—27、R38—40、电容C3、C15，电阻R21的一端与控制电路相连、另一端与单片机V5的引脚1相连，V5的引脚1连接偏置电路提供的5V电源，电阻R22与电容C15并联，其一端连接5V电源、另一端与单片机的引脚4相连，光电耦合器V6的输入端连接电阻R25、输出端并联有电阻R26、R27、电容C3，电阻R25的另一端与单片机V5的引脚5相连，R26的另一端连接12V电源，电阻R27的另一端还与晶闸管集成触发芯片的引脚4相连，光电耦合器V18的输入端与电阻R38相连、输出端的4脚与电阻R39并联、输出端的3脚与电阻R40串联，电阻R38的另一端与晶闸管集成触发芯片的引脚5相连，电阻R40的另一端连接5V电源。

4.根据权利要求1所述的现场可编程三相交流电机软启动固态控制器，其特征在于，缺相相序检测电路还包括电容C14、二极管V12—16，电容C4与TC783集成电路的引脚13相连，二极管V13—15的阳极分别与TC783集成电路的引脚12、11、10相连、阴极并联后与二极管V16的阳极相连，V16的阴极与晶闸管集成触发芯片的引脚5相连，二极管V12的阳极与晶闸管集成触发芯片的引脚8相连、阴极与晶闸管集成触发芯片的引脚5相连。

5.根据权利要求1所述的现场可编程三相交流电机软启动固态控制器，其特征在于，集成触发电路还包括电容C5—C8，电容C5—C8的一端分别与晶闸管集成触发芯片的引脚16、

15、14、13相连、另一端均接地。

6.根据权利要求1所述的现场可编程三相交流电机软启动固态控制器，其特征在于，同步电路包括三相电源输入端、电阻R1—R15、电容C12—C14，一相电源输入端包括由R1—R3组成的T型网络、R2、R4、R5组成的T型网络，电容12与电阻R4并联；二相电源输入端包括由R6—R8组成的T型网络、R7、R9、R10组成的T型网络，电容13与电阻R9并联；三相电源输入端包括由R11—R13组成的T型网络、R12、R14、R15组成的T型网络，电容14与电阻R14并联。

7.根据权利要求2所述的现场可编程三相交流电机软启动固态控制器，其特征在于，状态输出电路包括缺相状态输出电路、正序状态输出电路、反序状态输出电路、运行状态输出电路，缺相状态输出电路包括光电耦合器V17、电阻R36—R37，正序状态输出电路包括红色发光二极管V9、电阻R33，反序状态输出电路包括光电耦合器V11、电阻R34—R35、绿色发光二极管V10，运行状态输出电路包括光电耦合器V4、电阻R23—R24；光电耦合器V4的输入端连接R23、输出端的4脚并联R24，R23的另一端与单片机的一引脚相连；光电耦合器V11的输入端连接绿色发光二极管V10的阴极、输出端的4脚并联R35，绿色发光二极管V10的阳极与R34串联，R34的另一端与TC783集成电路的引脚8相连；红色发光二极管V9与电阻R33串联，R33的另一端与TC783集成电路的引脚9相连；光电耦合器V17的输入端连接R36、输出端的4脚并联R37，R36的另一端与TC783集成电路的引脚11相连。

8.根据权利要求1所述的现场可编程三相交流电机软启动固态控制器，其特征在于，随机触发隔离电路包括具有随机导通功能的光电耦合器V20—V25、电阻R41—R46、二极管V26—V31，电阻R41—R46的一端均与晶闸管集成触发芯片的引脚相连、另一端分别与随机导通光电耦合器V20—V25的输入端相连，随机导通光电耦合器V20—V25的输出端分别与二极管V26—V31的正极相连。

9.根据权利要求2所述的现场可编程三相交流电机软启动固态控制器，其特征在于，过零触发隔离电路包括具有随机导通功能的光电耦合器V32—V34、分别与光电耦合器V32—V34的输入端相连的电阻R30—R32、三极管V35、电阻R28—R29，电阻R30—R32的另一端均与

5V电源相连接，电阻R29的一端与三极管V35的基极相连、另一端与三极管V35的发射极相连，三极管V35的集电极与光电耦合器V34的输入端相连，电阻R28的一端与单片机的一引脚相连、另一端与三极管V35的基极相连。

10.根据权利要求1所述的现场可编程三相交流电机软启动固态控制器，其特征在于，输出电路由三相电源输出电路组成，其包括电阻R47—R61、二极管V36—V41、单向可控硅V42—V47、电容C9—C11；一相电源输出电路中，单向可控硅V42与V43反并联连接在三相电源的输入端与负载输出端之间，电阻R59与电容C9组成RC阻容吸收电路并联连接在单向可控硅V42与V43的阴极与阳极之间，电阻R47、R53、二极管V36的阴极并联与单向可控硅V42的触发极相连，电阻R48、R54、二极管V37的阴极并联与单向可控硅V43的触发极相连；二相电源输出电路中，单向可控硅V44与V45反并联连接在三相电源的输入端与负载输出端之间，电阻R60与电容C10组成RC阻容吸收电路并联连接在单向可控硅V44与V45的阴极与阳极之间，电阻R49、R55、二极管V38的阴极并联与单向可控硅V44的触发极相连，电阻R50、R56、二极管V39的阴极并联与单向可控硅V45的触发极相连；三相电源输出电路中，单向可控硅V46与V47反并联连接在三相电源的输入端与负载输出端之间，电阻R61与电容C11组成RC阻容吸收电路并联连接在单向可控硅V46与V47的阴极与阳极之间，电阻R51、R57、二极管V40的阴极并联与单向可控硅V46的触发极相连，电阻R52、R58、二极管V41的阴极并联与单向可控硅V47的触发极相连。

说明书

现场可编程三相交流电机软启动固态控制器

技术领域

[0001] 本发明涉及电机软启动控制器领域，特别是涉及一种现场可编程三相交流电机软启动固态控制器。

背景技术

[0002] 随着社会经济的不断发展，作为重要执行机构的电动机被越来越广泛的应用，尤其是三相异步电机，作为应用最广泛的电机，约占电机总数的70％，但三相交流异步电机起动电流大、起动时对电网的冲击大等问题也不容忽视。因此对三相交流电动机控制器已提出智能化的控制要求，要求具有软启动、软停止、故障检测等智能化功能。三相交流电机启动的方法有多种，近几年电力电子式软启动控制器应用也较多，采用嵌入单片机程序来控制电动机的启动过程，智能化程度高，但电路及程序复杂，维护成本高。举例如下：

[0003] 电机软启动控制器采用单片机实现框图如图1所示，主要由控制端、状态输出、缺相检测电路、相序检测电路、SCR状态检测电路、微控制器、SCR触发控制电路、主输出电路等组成。其主要工作原理为：①在软起动固体控制器L1、L2、L3端口接入380VA.C.三相交流电后,通过隔离变压器建立偏置电压，向各单元电路提供电源。②通过相序检测电路和缺相检测电路，微控制器(MCU)对三相交流电的相序和缺相情况进行软件分析、计算和判断，并反馈到状态端。③当控制端施加控制信号或断开控制信号时，微控制器输出信号通过SCR触发控制电路，实现软起动固体控制器的软起动或软停止。④通过SCR状态检测电路在线检测运行状态(输出状态)，并反馈到运行状态端口。因而单纯采用单片机模式，软硬件电路复杂，成本高，稳定性差。

[0004] 因此亟需提供一种新型的电机软启动控制器来解决上述问题。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题是提供一种现场可编程三相交流电机软启动固态控制器，控制电路及程序简单，成本低。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种现场可编程三相交流电机软启动固态控制器，包括微控制器、脉宽调制电路、与微控制器相连的偏置电路、控制电路、缺相相序检测电路、集成触发电路及过零触发隔离电路、与缺相相序检测电路相连的状态输出电路、同步电路、随机触发隔离电路、输出电路；偏置电路还与缺相相序检测电路、集成触发电路相连，同步电路分别与缺相相序检测电路、集成触发电路、输出电路相连，随机触发隔离电路的输入端连接集成触发电路、输出端连接输出电路，过零触发隔离电路与随机触发隔离电路相互并联；其中，脉宽调制电路包括微控制器，集成触发电路包括晶闸管集成触发芯片TC787AP，缺相相序检测电路采用TC783集成电路，同步电路采用电阻分压式电路。

[0007] 在本发明一个较佳实施例中，微控制器采用单片机PIC12F675。进一步的，脉宽调制电路还包括光电耦合器V6、V18、电阻R21—22、R25—27、R38—40、电容C3、C15，电阻R21的一端与控制电路相连、另一端与单片机的引脚1相连，电阻R22与电容C15并联，其一端连接5V电源、另一端与单片机的引脚4相连，光电耦合器V6的输入端连接电阻R25、输出端并联有电阻R26、R27、电容C3，电阻R25的另一端与单片机的引脚5相连，R26的另一端连接12V电源，电阻R27的另一端还与晶闸管集成触发芯片的引脚4相连，光电耦合器V18的输入端与电阻R38相连、输出端的4脚与电阻R39并联、输出端的3脚与电阻R40串联，电阻R38的另一端与晶闸管集成触发芯片的引脚5相连，电阻R40的另一端连接5V电源。单片机作为整个电机软启动固态控制器的控制核心，利用脉宽调制电路输出移相控制电压，触发脉冲的产生时间和相位集中在微控制器内完成，大大简化了系统结构和外围电路,提高了可靠性及系统的响应速度。

[0008] 在本发明一个较佳实施例中，缺相相序检测电路还包括电容C14、二极管V12—16，电容C4与TC783集成电路的引脚13相连，二极管V13—15的阳极分别与TC783集成电路的引脚12、11、10相连、阴极并联后与二极管V16的阳极相连，V16的阴极与晶闸管集成触发芯片的引脚5相连，二极管V12的阳极与晶闸管集成触发芯片的引脚8相连、阴极与晶闸管集成触发芯片的引脚5相连。

[0009] 在本发明一个较佳实施例中，集成触发电路还包括电容C5—C8，电容C5—C8的一端分别与晶闸管集成触发芯片的引脚16、15、14、13相连、另一端均接地。

[0010] 在本发明一个较佳实施例中，同步电路包括三相电源输入端、电阻R1—R15、电容C12—C14，一相电源输入端包括由R1—R3组成的T型网络、R2、R4、R5组成的T型网络，电容12与电阻R4并联；二相电源输入端包括由R6—R8组成的T型网络、R7、R9、R10组成的T型网络，电容13与电阻R9并联；三相电源输入端包括由R11—R13组成的T型网络、R12、R14、R15组成的T型网络，电容14与电阻R14并联。

[0011] 在本发明一个较佳实施例中，状态输出电路包括缺相状态输出电路、正序状态输出电路、反序状态输出电路、运行状态输出电路，缺相状态输出电路包括光电耦合器V17、电阻R36—R37，正序状态输出电路包括红色发光二极管V9、电阻R33，反序状态输出电路包括光电耦合器V11、电阻R34—R35、绿色发光二极管V10，运行状态输出电路包括光电耦合器V4、电阻R23—R24；光电耦合器V4的输入端连接R23、输出端的4脚并联R24，R23的另一端与单片机的一引脚相连；光电耦合器V11的输入端连接绿色发光二极管V10的阴极、输出端的4脚并联R35，绿色发光二极管V10的阳极与R34串联，R34的另一端与TC783集成电路的引脚8相连；红色发光二极管V9与电阻R33串联，R33的另一端与TC783集成电路的引脚9相连；光电耦合器V17的输入端连接R36、输出端的4脚并联R37，R36的另一端与TC783集成电路的引脚11相连。

[0012] 在本发明一个较佳实施例中，随机触发隔离电路包括具有随机导通功能的光电耦合器V20—V25、电阻R41—R46、二极管V26—V31，电阻R41—R46的一端均与晶闸管集成触发芯片的引脚相连、另一端分别与随机导通光电耦合器V20—V25的输入端相连，随机导通光电耦合器V20—V25的输出端分别与二极管V26—V31的正极相连。

[0013] 在本发明一个较佳实施例中，过零触发隔离电路包括具有随机导通功能的光电耦合器V32—V34、分别与光电耦合器V32—V34的输入端相连的电阻R30—R32、三极管V35、电阻R28—R29，电阻R30—R32的另一端均与5V电源相连接，电阻R29的一端与三极管V35的基极相连、另一端与三极管V35的发射极相连，三极管V35的集电极与光电耦合器V34的输入端相连，电阻R28的一端与单片机的一引脚相连、另一端与三极管V35的基极相连。当单片机显示运行状态为正常时，单片机同时给出信号驱动过零导通光耦工作，使随机导通光耦和过零导通光耦同时工作，此时过零触发隔离电路起到了保护的作用。当供电电源产生波动时，移相控制电压也会发生波动，同时首发脉冲相位也产生波动，从而造成负载电压的波动，而此时过零导通光耦工作，可控硅完全导通比较稳定，负载电压达到了比较稳定的状态，此时过零触发隔离电路也起到了保护作用。

[0014] 在本发明一个较佳实施例中，输出电路由三相电源输出电路组成，其包括电阻R47—R61、二极管V36—V41、单向可控硅V42—V47、电容C9—C11；一相电源输出电路中，单向可控硅V42与V43反并联连接在三相电源的输入端与负载输出端之间，电阻R59与电容C9组成RC阻容吸收电路并联连接在单向可控硅V42与V43的阴极与阳极之间，电阻R47、R53、二极管V36的阴极并联与单向可控硅V42的触发极相连，电阻R48、R54、二极管V37的阴极并联与单向可控硅V43的触发极相连；二相电源输出电路中，单向可控硅V44与V45反并联连接在三相电源的输入端与负载输出端之间，电阻R60与电容C10组成RC阻容吸收电路并联连接在单向可控硅V44与V45的阴极与阳极之间，电阻R49、R55、二极管V38的阴极并联与单向可控硅V44的触发极相连，电阻R50、R56、二极管V39的阴极并联与单向可控硅V45的触发极相连；三相电源输出电路中，单向可控硅V46与V47反并联连接在三相电源的输入端与负载输出端之间，电阻R61与电容C11组成RC阻容吸收电路并联连接在单向可控硅V46与V47的阴极与阳极之间，电阻R51、R57、二极管V40的阴极并联与单向可控硅V46的触发极相连，电阻R52、R58、二极管V41的阴极并联与单向可控硅V47的触发极相连。

[0015] 本发明的有益效果是：本发明采用单片机和集成触发芯片结合的方式来控制三相交流电机的启动过程，控制电路及程序简单，成本低，且所用单片机可在线串行编程和调试，使用方便，隔离电路同时采用随机导通光耦和过零导通光耦，有效避免了负载电压的波动，实现了负载运行的稳定与可靠。

附图说明

[0016] 图1是现有技术中电机软启动控制器的电路原理框图；

[0017] 图2是本发明现场可编程三相交流电机软启动固态控制器的功能框图；

[0018] 图3是所述现场可编程三相交流电机软启动固态控制器的原理框图；

[0019] 图4是所述现场可编程三相交流电机软启动固态控制器的电路原理框图；

[0020] 图5是所述微控制器的接口电路框图；

[0021] 图6是产生移相控制电压的电路原理框图；

[0022] 图7是所述隔离电路的原理框图；

[0023] 图8是所述输出电路的原理框图；

[0024] 图9是斜坡电压启动方式负载电压随时间变化的曲线图；

[0025] 图10是可控硅导通的原理示意图；

[0026] 图11是可控硅移相的原理示意图。

具体实施方式

[0027] 下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

[0028] 请参阅图2至图4，本发明实施例包括：

[0029] 一种现场可编程三相交流电机软启动固态控制器，包括微控制器、脉宽调制电路、与微控制器相连的偏置电路、控制电路、缺相相序检测电路、集成触发电路及过零触发隔离电路、与缺相相序检测电路相连的状态输出电路、同步电路、随机触发隔离电路、输出电路；偏置电路还与缺相相序检测电路、集成触发电路相连，同步电路分别与缺相相序检测电路、集成触发电路、输出电路相连，随机触发隔离电路的输入端连接集成触发电路、输出端连接输出电路，过零触发隔离电路与随机触发隔离电路相互并联。其中，集成触发电路包括晶闸管集成触发芯片TC787AP，缺相相序检测电路采用TC783集成电路。

[0030] 下面具体描述各单元电路的电路结构及功能：

[0031] 偏置电路包括DC/DC电源模块V7，该电路通过DC/DC电源模块向各个单元电路提供+5V和+12V的直流电源。控制电路包括电阻R16—R20、二极管V1、光电耦合器V3，电阻R16与R17组成的并联电路与R18与R19组成的并联电路相互串联，其另一端与光电耦合器V3输入端的1脚相连接，V3的输入端2脚与二极管V1的阳极相连接，V3的输出端4脚与电阻R20并联、3脚与单片机相连，控制电路为脉宽调制电路输入加电信号。

[0032] 同步电路为缺相相序检测电路和集成触发电路提供与输出主电路同步的电压信号，其电路采用电阻分压式电路，包括三相电源输入端、电阻R1—R15、电容C12—C14，一相电源输入端包括由R1—R3组成的T型网络、R2、R4、R5组成的T型网络，电容12与电阻R4并联；二相电源输入端包括由R6—R8组成的T型网络、R7、R9、R10组成的T型网络，电容13与电阻R9并联；三相电源输入端包括由R11—R13组成的T型网络、R12、R14、R15组成的T型网络，电容
14与电阻R14并联。该电阻分压网络实现了稳定可靠地输入同步信号，电压取样方便，由于所需的信号电流很小，因而分压电阻的功率可以很小，减小空间体积，同时增加了滤波电容也提高了该同步电路的抗干扰性，工作可靠稳定。

[0033] 集成触发电路包括晶闸管集成触发芯片V19、电容C5—C8，电容C5—C8的一端分别与晶闸管集成触发芯片V19的引脚16、15、14、13相连、另一端均接地。晶闸管集成触发芯片TC787AP是采用先进的IC工艺技术，具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽等优点。晶闸管集成触发芯片TC787AP的5脚为保护端，当缺相或反序时将5脚置高电平VH，输出脉冲即被禁止，4脚为移相控制电源的输入端。

[0034] 脉宽调制电路包括微控制器V5、光电耦合器V6、V18、电阻R21—22、R25—27、R38—40、电容C3、C15，电阻R21的一端与控制电路相连、另一端与微控制器V5的引脚1相连，V5的1脚同时连接5V电源，电阻R22与电容C15并联，其一端连接5V电源、另一端与微控制器V5的引脚4相连，光电耦合器V6的输入端连接电阻R25、输出端并联有电阻R26、R27、电容C3，电阻R25的另一端与微控制器V5的引脚5相连，R26的另一端连接12V电源，电阻R27的另一端还与晶闸管集成触发芯片V19的引脚4相连，光电耦合器V18的输入端与电阻R38相连、输出端的4脚与电阻R39并联、输出端的3脚与电阻R40串联，电阻R38的另一端与晶闸管集成触发芯片V19的引脚5相连，电阻R40的另一端连接5V电源。在一较佳实施例中，微控制器V5采用单片机PIC12F675，PIC12F675可以选择内部振荡器，有1K字节的存储器容量，其接口电路如图5所示，带有Flash闪速存储器的PIC单片机产品具有在线串行编程功能，通过数据线、时钟线等就可以把程序下载到单片机的Flash程序存储器中，搭配合适的编程硬件电路和编程软件，就可以实现单片机在线串行编程和调试，实现产品程序的在线可编程。请参阅图4，单片机V5的1脚、4脚、6脚、7脚、8脚引出口可进行程序下载，进行在线串行编程和调试，以及现场可编程。单片机接收到控制端加电信号后，先判断缺相相序检测电路检测到的缺相和相序状态信号，如果缺相或相序错误，则程序不调用软启动程序。如果三相电和相序正常，则内部采用定时器实现输出占空比不断变化的脉冲信号，该脉冲信号触发光耦V6的导通与关断，通过对电容C3的充放电实现输出线性升高或降低的变化电压，该电压即为控制晶闸管集成触发芯片TC787AP所需的移相控制电压Vr，其电路原理框图如图6所示。单片机V5的5脚输出频率一定占空比不断变化的PWM脉冲信号，控制光耦V6通断，通过调节占空比来实现电压的调节，电容C3进行滤波。电阻R27两端的电压即为集成触发芯片的首发相位点对应的移相控制电压。

[0035] 缺相相序检测电路通过TC783集成电路实现，TC783为三相相序和缺相检测电路，可用作检测三相正弦波电压的相序和缺相状态，同时具有保护功能，具有单电源、功耗小、功能强、输入阻抗高、采样方便等优点。所述缺相相序检测电路还包括电容C14、二极管V12—16，电容C4与TC783集成电路的引脚13相连，二极管V13—15的阳极分别与TC783集成电路的引脚12、11、10相连、阴极并联后与二极管V16的阳极相连，V16的阴极与晶闸管集成触发芯片V19的引脚5相连，二极管V12的阳极与晶闸管集成触发芯片V19的引脚8相连、阴极与晶闸管集成触发芯片V19的引脚5相连。将TC783的缺相输出端及反序状态输出端分别通过二极管V12—16接入TC787AP的Pi端，当任一相缺相或输入三相电源信号为反序时，Pi为高电平，则TC787AP禁止输出脉冲，实现了缺相保护。TC783的正序状态输出端和反序状态输出端分别经过红绿发光二极管接地，实现了相序检测及相序指示。

[0036] 状态输出电路包括缺相状态输出电路、正序状态输出电路、反序状态输出电路、运行状态输出电路，用于显示三相电源的运行状态。缺相状态输出电路包括光电耦合器V17、电阻R36—R37，正序状态输出电路包括红色发光二极管V9、电阻R33，反序状态输出电路包括光电耦合器V11、电阻R34—R35、绿色发光二极管V10，运行状态输出电路包括光电耦合器V4、电阻R23—R24；光电耦合器V4的输入端连接R23、输出端的4脚并联R24，R23的另一端与单片机的一引脚相连；光电耦合器V11的输入端连接绿色发光二极管V10的阴极、输出端的4脚并联R35，绿色发光二极管V10的阳极与R34串联，R34的另一端与TC783集成电路的引脚8相连；红色发光二极管V9与电阻R33串联，R33的另一端与TC783集成电路的引脚9相连；光电耦合器V17的输入端连接R36、输出端的4脚并联R37，R36的另一端与TC783集成电路的引脚11相连。

[0037] 本发明采用的隔离电路选用具有随机导通功能的光电耦合器作为输入与输出部分的隔离器件，其动作灵敏、响应速度高、输入/输出端间的绝缘(耐压)等级高，且可以直接驱动大功率可控硅，节省了元器件及布局空间，并使电路简单化。由于负载为电机负载，关断时的反压比较大，此反压叠加到电源电压上，光电耦合器输出端将承受极大的电压，所以选择输出端阻断电压为800V的随机导通光耦。同时所述隔离电路采用了过零导通光耦与随机导通光耦并联的方式，请参阅图7，当可控硅的导通角在非零点时，随机导通光耦先于过零导通光耦工作，负载电机正常软启动；当可控硅的导通角接近零点时，即电机完全启动后，单片机显示运行状态为正常时，单片机同时给出信号驱动过零导通光耦工作，使随机导通光耦与过零导通光耦同时工作，但当供电电源产生波动时，移相控制电压也会发生波动，这时使得控制随机导通光耦工作所产生的首发脉冲相位也会有所波动，造成了负载电压的波动，而此时过零导通光耦先工作，可控硅完全导通比较稳定，负载电压达到了比较稳定的状态，起到了保护作用，避免了负载电压的波动，实现了负载运行的稳定与可靠。

[0038] 随机触发隔离电路包括具有随机导通功能的光电耦合器V20—V25、电阻R41—R46、二极管V26—V31，电阻R41—R46的一端均与晶闸管集成触发芯片V19的引脚相连、另一端分别与随机导通光电耦合器V20—V25的输入端相连，随机导通光电耦合器V20—V25的输出端分别与二极管V26—V31的正极相连。

[0039] 过零触发隔离电路包括具有随机导通功能的光电耦合器V32—V34、分别与光电耦合器V32—V34的输入端相连的电阻R30—R32、三极管V35、电阻R28—R29，电阻R30—R32的另一端均与5V电源相连接，电阻R29的一端与三极管V35的基极相连、另一端与三极管V35的发射极相连，三极管V35的集电极与光电耦合器V34的输入端相连，电阻R28的一端与单片机的一引脚相连、另一端与三极管V35的基极相连。

[0040] 输出电路由三相电源输出电路组成，电源输入端分别为L1、L2、L3，负载输出端分别为T1、T2、T3，其电路包括电阻R47—R61、二极管V36—V41、单向可控硅V42—V47、电容C9—C11；一相电源输出电路中，单向可控硅V42与V43反并联连接在三相电源的输入端与负载输出端之间，电阻R59与电容C9组成RC阻容吸收电路并联连接在单向可控硅V42与V43的阴极与阳极之间，电阻R47、R53、二极管V36的阴极并联与单向可控硅V42的触发极相连，电阻R48、R54、二极管V37的阴极并联与单向可控硅V43的触发极相连；二相电源输出电路中，单向可控硅V44与V45反并联连接在三相电源的输入端与负载输出端之间，电阻R60与电容C10组成RC阻容吸收电路并联连接在单向可控硅V44与V45的阴极与阳极之间，电阻R49、R55、二极管V38的阴极并联与单向可控硅V44的触发极相连，电阻R50、R56、二极管V39的阴极并联与单向可控硅V45的触发极相连；三相电源输出电路中，单向可控硅V46与V47反并联连接在三相电源的输入端与负载输出端之间，电阻R61与电容C11组成RC阻容吸收电路并联连接在单向可控硅V46与V47的阴极与阳极之间，电阻R51、R57、二极管V40的阴极并联与单向可控硅V46的触发极相连，电阻R52、R58、二极管V41的阴极并联与单向可控硅V47的触发极相连。

[0041] 所述输出电路的单向可控硅采取反并联输出，既改变了电流分配和导热条件，又提高了产品的输出功率。请参阅图8，现场可编程软起动固体控制器额定输出电流为50Aa.c.(每相)，产品的负载主要是三相交流电机，而电机起动时起动电流高达额定电流的
5～10倍。晶闸管参数的选择关系到电机是否能安全可靠的工作。设计中功率器件选用CWP130型单向可控硅芯片，每一相输出电路选用两只单向可控硅芯片反并联方式，其正反向阻断电压高(≥1200V)、输出电压降小(≤1.5V a.c./50A a.c.)、过负载能力强，且芯片直接烧结在DBC板上，散热效果好，工作可靠。现场可编程软启动固体控制器在接通、关断瞬间，特别是电机负载条件下，会产生很大的感应电动势。这个电动势与外电压串联，反向加在已恢复阻断的单向可控硅上，此过电压值可达工作峰值电压的5～6倍，为使器件能正常使用而不损坏，在功率器件单向可控硅的阴极与阳极之间还并接了RC阻容吸收电路，其中R为功率电阻，C为高频无感电容，它可以抑制加至器件的瞬态电压和电压指数上升率，起到有效的保护作用。

[0042] 本发明电机软启动控制器采用的是电压斜坡起动。将传统的降压启动——有级启动变为无级启动，启动电压先迅速升至U0(U0为电动机启动所需的最小转矩所对应的门限电压值)，然后按设定的速率逐渐升压，直至达到额定电压，门限电压与电压上升率可根据负载特性调整。斜坡电压启动方式中负载电压随时间变化的曲线图如图9所示。逐渐升压的过程通过控制输出开关器件可控硅来实现，通过改变可控硅的导通角实现输出电压的变化。软启动时，在规定的时间内，使控制角从规定的值逐渐减小到0，即可控硅到完全导通；软停止时，在规定的时间内，使控制角逐渐增大到π，即可控硅不导通，如图10所示，α为可控硅的控制角，θ为可控硅的导通角。

[0043] 下面以移相控制电压的计算示例来描述电机软启动的原理：

[0044] 请参阅图11，集成触发芯片TC787AP的内部产生锯齿波，与移相控制电压Vr比较取得交相点，该交相点即是首发脉冲的相位点，调节移相控制电压的大小，改变了移相控制电压与脉冲锯齿波的交相点，也即改变了首发脉冲的相位点，从而产生了移相脉冲,该移相脉冲触发输出电路中的可控硅导通，达到调节可控硅触发角实现电机软起动的目的。

[0045] 通过负载两端电压有效值的计算公式，

[0046]

[0047] U1为负载电压有效值，

[0048] U为电源电压，

[0049] α为可控硅控制角。

[0050] 在确定初始门限电压U0后反推出可控硅触发角α的大小，然后根据锯齿波与移相控制电压Vr的唯一交点，通过公式 (V值是锯齿波幅值)计算出移相控制电压Vr的值。

[0051] 设电源电压U＝380V，根据公式计算得到，

[0052] 当α＝π时，     U1＝0；即可控硅不导通；

[0053] 当α＝5π/6时，  U1＝64.8V；

[0054] 当α＝3π/4时，  U1＝114V；

[0055] 当α＝2π/3时，  U1＝167.8V；

[0056] 当α＝π/2时，   U1＝268.7V；

[0057] 当α＝0时，     U1＝380V；即可控硅全导通。

[0058] 根据负载电机的带载情况，当负载电压值U1大于等于U0时，电机转矩大于阻力，电机开始转动。如：当设定初始门限电压约为110V时，由上式计算可得，α＝3π/4时，U1＝114V，即也电机负载两端电压U1大于U0，即首发脉冲相位约为135°时电机启动电压为114V。当三相电机负载的初始门限电压值确定后，同样可以得出所对应可控硅控制角，该相位角也就是移相控制电压与锯齿波的交点相位，这样也就确定了TC787AP移相控制电压的大小。

[0059] 下面来确定首发脉冲相位为135°时，移相控制电压的大小。锯齿波辐值为7V，周期为π，则根据公式

[0060] Vr为TC787AP移相控制电压，

[0061] V为锯齿波电压幅值，

[0062] 计算得V＝5.25。

[0063] 所以移相控制电压是从5.25V经过一定的时间到0线性变化过程就是电机软启动的过程，而这段时间就是电机软启动时间；而当移相控制电压从0经过一定的时间线性变化到7V的时候就是电机软停止的过程，同样这段时间就是电机软停止的时间。

[0064] 根据以上计算公式，改变TC787AP的移相控制电压就可以改变负载的初始门限电压，移相控制电压的线性变化就实现了可控硅触发控制。

[0065] 因而本发明的工作原理为：接通输出电源电压和电机负载后，当相序为正序且不缺相时，相序指示灯红灯亮，控制电路加电，通过脉宽调制电路提供给晶闸管集成触发芯片TC787AP移相控制电压，TC787AP将输出6路触发脉冲，移相控制电压从高向低线性变化，TC787AP输出的触发脉冲相位从π到0变化，经过随机导通光耦隔离后触发可控硅的导通角从0到π变化，实现电机软启动，当可控硅完全导通后，单片机触发过零导通光耦工作，实现可控硅的稳定可靠工作。当相序为反序或三相中缺少任一相或两相时，缺相和相序检测电路则输出缺相状态和反序状态，反序指示灯绿灯亮，单片机接收到缺相或反序信号后，控制运行状态无输出，同时缺相或反序信号施加到晶闸管集成触发芯片TC787AP的禁止端，晶闸管集成触发芯片TC787AP则无触发脉冲输出，可控硅不工作。通过单片机的编程口实现三相交流电机的软启动时间和门限值现场可编程调整，如软起动时间在0.25—60秒内调整；门限值在0.2—1内调整；软停止时间在1—60秒内调整。

[0066] 本发明通过采用PIC单片机和集成触发芯片TV787AP、缺相保护和相序检测芯片TC783结合，实现输出功率器件可控硅导通角的变化，达到电动机软启动、软停止的目的。不仅控制电路及程序简单，成本低，而且所用单片机可在线串行编程和调试，使用方便，另外隔离电路同时采用随机导通光耦和过零导通光耦，有效避免了负载电压的波动，实现了负载运行的稳定与可靠。

[0067] 以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。