近三十年來，隨著電力電子技術的發展，使無電弧開關和連續調節電流成為可能。電力半導體開關器件具有無磨損、壽命長、功耗小等特點，結合現代控制理論及微機控制技術，為實現電機的軟起動提供了全新的思路。要突破傳統的啟動方式，是離不開電力電子技術和微機控制技術的發展的。目前市場上生產的軟啟動器主要以機械式和三相反并聯晶閘管方式為主。機械式啟動器是目前使用比較廣泛的啟動方式，但它是有級起動，會產生二次沖擊電流，啟動電流仍然為標稱電流的3~4倍，且有體積大、噪音大、維護費用高、無法適應惡劣環境等諸多弊端。

　　目前在國外，發達國家的電動機軟起動產品主要是固態軟起動裝置——晶閘管軟起動和兼作軟起動的變頻器。在生產工藝兼有調速要求時，采用變頻裝置。在沒有調速要求使用的場合下，起動負載較輕時一般采用晶閘管軟起動。在重載或負載功率特別大的時候，才使用變頻軟起動。晶閘管軟起動裝置是發達國家軟起動的主流產品，各知名電氣公司均有自己晶閘管軟起動的品牌，在其功能上又各具特色。例如GE公司生產的ASTAT智能電機軟起動器；ABB公司生產的PST、PSTB系列電機軟起動器；施耐德公司的ATS46軟起動器；德國SIEMENS公司的3RW22SIKOSTART軟起動器等等。目前，國外對晶閘管三相交流調壓電路的研究己經從對控制電壓、控制電機電流的開環、閉環方式，發展到通過建立比較準確實用的數學模型，找到適用于三相交流調壓電路電機負載的控制方法，從而使三相交流調壓電路電機負載性能更優［3］。另一方面，隨著電力電子技術的發展，異步電動機向更加可靠、方便性好、小型化方向發展。

　　軟啟動器本質上是一種直流調壓裝置，用來實現軟啟動、軟停車、實時監測以及各種保護功能。為了保證系統安全可靠地運行，可以充分發揮單片機的強大控制功能，由主控制電路對系統的關鍵器件和關鍵參數，例如過壓、欠壓、過流、過載、等進行實時監控。隨著數字直流PWM調壓技術的應用，以及采用高性能的單片機作為系統的控制核心，可以使軟啟動器具有控制快速準確、響應快、運行穩定、可靠等優點。在三相交流異步電動機不宜采用直接啟動的時候，可以考慮采用定子串電阻或串電抗器啟動、Y-△啟動、自耦變壓器降壓啟動、轉子串電阻啟動、晶閘管電子軟啟動、分級變頻軟啟動、兩相變頻調壓軟啟動等方法。

　　1、三相異步電動機的起動過程的分析

　　為了研究三相異步電動機的起動時的電壓、電流、轉矩等變量的關系，進而分析異步電機起動時的電流、起動轉矩和所外加電壓的關系，就要研究電機的數學模型。對于電動機的軟起動而言，多采用基于集中參數等效電路的數學模型。在不改變異步電動機定子繞組中的物理量和異步電機的電磁性能的前提下，經頻率和繞組的計算，把異步電動機轉子繞組的頻率、相數、每相有效串聯匝數都歸算成和定子繞組一樣，即可用歸算過的基本方程式推導出異步電動機的等效電路。三相異步電動機的T形穩態等效電路如圖1所示：

　　圖1 異步電動機的等效電路

　　其中，r1為定子繞組的電阻，x1為定子繞組的漏電抗，r2為歸算到定子方面的轉子繞組的電阻，x2為歸算到定子方面的轉子繞組的漏抗。rm代表與定子鐵心損耗所對應的勵磁電阻，xm代表與主磁通相對應的鐵心磁路的勵磁電抗。U1為定子電壓向量，E1為定子感應電動勢向量，i1為定子電流向量，im為磁電流向量。基于T形等效電路的數學模型為：

　　起動轉矩正比于定子端電壓的平方，起動電流正比于定子電壓。起動電壓較低時，起動轉矩較小，電流也較小；反之，如果電壓較高，則起動轉矩較大，但同時起動時的沖擊電流也很大。

　　而異步電動機的起動特性主要表現在起動電流和起動轉矩兩個方面：希望電動機起動時能產生足夠的起動轉矩，以便帶動負載快速地達到正常轉速；同時，也希望起動電流不要太大。因為在供電變壓器的容量比較小的情況下，過大的起動電流將造成較大的線路壓降，從而影響接在同一電網上的其它電氣設備的正常運行。

　　2、主回路電路設計

　　2.1主回路電路

　　軟起動器主回路設計電路如圖2所示。

　　圖2主回路電路

　　采用三組反并聯晶閘管組成調壓電路。在三組晶閘管和三相供電電源之間接入接觸器，軟起動時，接觸器斷開，軟起動完成后接觸器閉合。軟停車開始時，接觸器再次打到雙向晶閘管端，軟起動器投入到停車運行，如此重復來完成軟起動和軟停車。在三相電源側通過隔離電路得到軟起動器同步信號；在晶閘管輸出側即R、S、T通過電阻分壓而得到較低幅值的三相電壓，再經過整流電路送入單片機做故障檢測。而TAl，TA2年TA3表示為霍爾傳感器電流輸出，該電流信號通過整流電路后轉變成電壓信號輸入到控制回路。

　　2.2晶閘管保護電路

　　晶閘管由于擊穿電壓接近工作電壓，熱容量又較小，所以承受過電壓、過電流能力較差，短時間內的過電壓、過電流都可能造成元件損壞。為了使晶閘管能正常工作，除了合理的選擇元件外，還必須對過電流，過電壓的發生采取保護措施。

　　（1）過電流保護

　　晶閘管設備發生過電流有可能是晶閘管損毀、觸發電路或控制系統有故障等。針對這些情況，除了用軟件來實現保護外，還可以在硬件電路中加入快速熔斷器來保護晶閘管的過電流。

　　（2）過電壓保護

　　晶閘管有一個重要的特性參數，即斷態電壓臨界上升率du/dt。它表明晶閘管在額定結溫和門極斷路條件下，使晶閘管從斷態轉入通態的最低電壓上升率。若電壓上升率過大，超過了晶閘管的電壓上升率的值，則會在無門極信號的情況下開通。即使此時加于晶閘管的正向電壓低于其陽極峰值電壓，也可能出現這種情況。

　　為了限制電路電壓上升率過大，確保晶閘管安全運行，本設計在晶閘管兩端并聯RC阻容吸收網絡，利用電容兩端電壓不能突變的特性來限制電壓上升率。因為電路總是存在電感的，所以與電容C串聯電阻R可起阻尼作用，它可以防止R、L、C電路在過渡過程中，因振蕩在電容器兩端出現的過電壓損壞晶閘管。同時，避免電容器通過晶閘管放電電流過大，造成過電流而損壞晶閘管。

　　3、電壓檢測回路設計

　　在電壓檢測回路中，盡量實現以下三個功能。其一是同步信號的檢測功能，采樣三相電壓的自然換相點，它作為晶閘管脈沖觸發信號的同步信號；其二是通過檢測晶閘管輸出端可以得到晶閘管導通時刻的檢測，以便做電壓反饋和缺相故障檢測；其三是將三相晶閘管輸出電壓信號通過電阻降壓后轉變成直流信號，再經A/D轉換后送入到單片機中，作為過壓或欠壓保護的信號。

　　3.1同步信號檢測

　　為了保證三相交流調壓器主回路中各個晶閘管的觸發脈沖與其陽極電壓保持嚴格的相位關系。在電機軟起動器的設計過程中，同步信號檢測是很重要的一個環節。只有準確的測量出電壓的過零點，才能精確的控制晶閘管的導通角，從而實現對電機兩端電壓的無極加載，完成軟起動的功能。采用如圖3所示的電路作為電壓同步信號檢測電路。從圖中可以看出，這個電路的功能就是將由電源側來的線電壓正弦信號轉為低壓方波信號來供單片機進行處理分析。由于這里的信號是從高壓轉為低壓送入單片機處理的，因此要利用一塊光耦對高低壓信號進行隔離，這樣保證了這兩種信號可以互不干擾地分離處理。

　　圖3同步信號檢測電路

　　工作過程為：由電源側來的線電壓信號經過2個電阻和1個二極管，變成半波交流信號，這個交流信號在正半波時觸發光耦導通，從而使得右側輸入到單片機的是高電平信號；而當光耦左側交流信號處于低電平時，光耦則截止。那么右側輸入到單片機的信號也就是低電平。這樣周而復始，單片機所得到的就是幅值為5V的方波信號，周期等同于電源的周期即工頻50Hz，而高低電平持續的時間也基本與電源側正負交流信號所持續的時間大致相同，雖然其間存在著一定的時延，但這可以通過軟件進行補償，從而既簡化了外圍硬件電路的設計，又得到了與電源電壓同步的信號，為下面給出晶閘管觸發信號提供了工作電壓零點的基準。圖中右端接主控單片機芯片。這個電路的優點在于：一方面，在起動未開始或是開始瞬間，這個電路就可以檢測到器件電壓零點；另外，由于輸入的交流信號是直接從電源側獲取的，因此這就不需要像其他電路那樣需要先利用變壓器取得交流信號再進行處理，這樣就既節省了線路板的空間，又節約了成本。

　　3.2電壓反饋回路

　　電壓反饋回路如圖4所示。下面的電路可以得到與晶閘管導通與關斷時刻相匹配的工頻50Hz的矩形波。簡單介紹一下電路構成：U為三相電源的一個輸入端（即一組晶閘管輸入側），R是與之相應的電機輸入端（即相應晶閘管輸出側）。6N139是一塊高速達林頓光耦，既保證高壓側與單片機低壓部分的隔離，又能快速反應出晶閘管導通/截止的時刻。通過計算單片機I/O口的高低維持時間，我們就可以計算出晶閘管的導通角，作為輸出電壓反饋，同時可以檢測出電壓是否缺相，并發出報警信息，及時通知操作人員出現故障的某一相電源。圖4顯示的是一路電壓反饋的檢測，還有兩路與之相似的電路檢測V、W相。

　　圖4電壓反饋回路

　　4、電流檢測回路設計

　　電流檢測回路包括了電流反饋回路和保護回路兩方面。通過霍爾傳感器將三相電流信號轉換成電壓信號，再將這個電壓信號經過A／D轉換后送入到單片機中作為電流負反饋調節、故障檢測和過流保護的依據。

　　4.1電流反饋回路

　　電流反饋信號取自電機的定子側，采樣器件為霍爾元件，采樣后得到三相電流信號，將此電流信號經過精密電阻得到相應的電壓信號。與電壓過/欠電路類似，該信號經過三相全波整流、濾波和分壓后得到一個直流信號，并經過A/D轉換后送入到單片機的I/O口中，作為系統執行軟起動時的電流反饋信號。電流反饋信號檢測電路如圖5所示。U15為單片機芯片。

　　圖5電流檢測電路

　　4.2過電流保護電路

　　一個優秀的過流保護環節應該是既能對過流反應迅速，又能夠準確動作。本設計的過流保護和過壓保護環節相似。過流保護的信號取自電流反饋回路，整流、濾波電路與電流反饋電路相同。它與設定值相比較，一旦超過設定值，則輸出一個低電平信號送入輔助單片機U2的外部中斷口P3.3，然后再由軟件處理，對過流的晶閘管實現脈沖封鎖、故障報警和系統復位等。對過電流值的設定，一般選擇大小為5.5倍的額定電流，這是因為一般的限流起動時，選擇的最大限流幅度為5倍，因此要留出一定的余量來保證正常起動時不至于切斷電路。過流保護的具體回路如圖6所示。

　　圖6過電流檢測電路

　　5、結論

　　本文在對國內外軟啟動器的研究基礎上對晶閘管移相交流調壓感應電動機軟起動系統的硬件設計方面進行了主要的研究。由于傳統的降壓起動存在著降壓效果不明顯、耗能大、有機械觸點或不能平滑調節電壓等缺點。本文采用了高性能控制芯片技術與電力電子技術的緊密結合產生的軟起動器可以實現更靈活的實現降壓起動。在滿足異步電動機起動轉矩要求及降低起動電流的前提下，使電機能夠平穩可靠起動。