三相异步电动机软启动器设计.doc

课题来源 发达的工业化国家，三相感应电动机消耗了大约70%的电能。电机直接起动存在较大的冲击，消耗了大量电能。直接起动方式虽然起动简单，但是电机在直接起动时会产生很大的瞬间电流冲击，造成许多危害，如过大的热应力极易导致绕组损坏，造成绕组绝缘提前老化，从而降低电动机的使用寿命;过大的起动电流将使感应电动机的起动转矩冲击很大;过大的起动电流还造成对电网的冲击，造成能源浪费，传统降压起动方法无法从根本上解决这些问题。因此研究三相感应电动机的软起动器，以此来克服上述电动机起动时的缺点，是很有现实意义和经济效益的。本文设计了三相交流电动机软起动器，主电路由三组反并联的晶闸管构成。通过控制晶闸管的触发角，可降低三相感应电动机定子电压，从而达到抑制起动电流冲击的目的。本设计采取开环控制系统利用移相电路控制晶闸管导通角，控制电路由积分电路、加法电路、反向电路及限幅电路形成触发模块的控制电压，触发模快由KC04、KC41及功放电路组成。课题的目的、意义 软启动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为Soft Starter。它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管及其电子控制电路。运用不同的方法，控制三相反并联闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功能。 软启动器以体积小,转矩可以调节、启动平稳冲击小并具有软停机功能等优点得到了越来越多的应用,大有取代传统的自耦减压、星-角等启动器的趋势.由于软启动器是近年来新发展起来的启动设备,在设计、安装、调试和使用方面还缺少指导性的规范与规程.我们在软启动器的安装、调试工作中也遇到了一些实际技术问题.例如:不同启动负载软启动器的选型、软启动冲击电流与过流保护定值的配合、软启动设备容量与变压器容量的关系等问题. （1）能使电机起动电压以恒定的斜率平稳上升，起动电流小，对电网无冲击电流，减小负载的机械冲击。（2）起动电压上升斜率可调，保证了起动过程的平滑性，起动电压可依据不同的负载在30%70%Ue(Ue为额定电压)范围内连续可调。（3）可以根据不同的负载设定起动时间。（4）起动器还具有可控硅短路保护、缺相保护、过热保护、欠压保护。要求（1） 软启动器发展 （2） 电机软启动的发展； （3） 进行方案选择，确定控制方案；熟悉（4） 建立交流异步电机软起动控制的控制模型；（5） 设计主电路、驱动电路和接口电路，画出电路原理图和总框图；（6） 熟悉KeilC仿真调试环境；（7） 画出软件流程图、软件编程及调试；（8） 撰写毕业论文说（9） 毕业设计答辩。课题主要内容及进度三相交流电机广泛应用于拖动风机、皮带机、水泵、真空泵、潜水泵及压缩机等，故电机的起动、控制、运行及安全可靠性显得十分重要，尤其是大功率电机的起动及系统的保护。针对电机起动的优良性、控制的可靠性、保护功能的全面性，设计一种软起动控制系统，从而改善电机起动效果，提高系统保护与控制功能的完善性与可靠性。系统设计原理图通常，当电机功率大于7.skw时，须采用降压起动，故本文所设计的控制系统是针对广泛使用的大功率三相电机降压起动进行设计。目录摘 要11三相异步电动机软启动器的设计11.1 国内外研究现状21.2 本课题研究内容22 三相异步电动机的起动控制的研究42.1 三相异步电动机的起动过程的分析42.2 三相异步电机的启动方法62.2.1 直接起动72.2.2 传统减压起动82.2.3 软启动102.3 软起动的原理及分析112.3.1 晶闸管调压原理112.3.2 软起动的起动方式133 软启动器的硬件电路设计163.1 主要器件的介绍163.1.1 KJ004功能介绍163.1.2 KJ041功能介绍183.2 主电路的选择193.2.2 晶闸管相控调压原理203.3 主回路设计213.3.1 主回路电路213.3.2 晶闸管参数选择213.3.3 晶闸管触发电路223.3.4 晶闸管保护电路243.4 电压检测回路253.4.1 同步信号检测253.4.2 电压反馈回路273.4.3 电压过欠保护电路283.5 电流检测回路283.5.1 电流反馈回路283.5.2 过电流保护电路294 基于单片机的软起动器的设计304.1 触发脉冲控制的软件设计30结束语38参考文献3939 / 43摘 要三相异步电动机因具有结构简单、制造方便、运行可靠、价格低廉等优点，而广泛应用在工业、农业、交通运输业、国防工业以及其他各行各业中。但它也有明显的缺点，那就是起动转矩小，起动电流过大。这种情况对电机本身及周围电网都有非常不利的影响。为了减小异步电动机起动过程中对电网的冲击、消除传统降压起动设备的有级触点控制对异步电动机的冲击、改善异步电动机的起动特性，本文对基于单片机控制的晶闸管调压软起动器进行讨论。本文首先阐述了软起动器晶闸管调压电路(即主电路)的工作原理，主要是基于晶闸管的三相异步电动机软启动器主电路设计和触发电路设计。然后是对电动机软启动器模式的设计，但主要还是软起动器的硬件电路设计。本文设计的软起动器操作方便简单，能够使电机顺利起动。使之能达到了改善三相异步电动机起动性能的要求。在满足异步电动机起动转矩要求及降低起动电流的前提下，使电机能够平稳可靠起动。关键词：异步电动机；晶闸管；软起动1三相异步电动机软启动器的设计1.1 国内外研究现状我国软起动技术起步于上世纪80年代早期，目前生产电机启动器的厂家很多，先后也推出了多种品牌的软起动器。但由于国内自主开发和生产的能力相对较弱，对国外产品的依赖还是很严重。在技术上和可靠性上与国外同类产品尚有一定的差距。所以在整个软起动器市场上，占据统治地位的还是国外产品，国内产品所占的份额还是很低。目前市场上生产的软启动器主要以机械式和三相反并联晶闸管方式为主。机械式启动器是目前使用比较广泛的启动方式，但它是有级起动，会产生二次冲击电流，启动电流仍然为标称电流的34倍，且有体积大、噪音大、维护费用高、无法适应恶劣环境等诸多弊端。近三十年来，随着电力电子技术的发展，使无电弧开关和连续调节电流成为可能。电力半导体开关器件具有无磨损、寿命长、功耗小等特点，结合现代控制理论及微机控制技术，为实现电机的软起动提供了全新的思路。要突破传统的启动方式，是离不开电力电子技术和微机控制技术的发展的。目前在国外，发达国家的电动机软起动产品主要是固态软起动装置晶闸管软起动和兼作软起动的变频器。在生产工艺兼有调速要求时，采用变频装置。在没有调速要求使用的场合下，起动负载较轻时一般采用晶闸管软起动。在重载或负载功率特别大的时候，才使用变频软起动。晶闸管软起动装置是发达国家软起动的主流产品，各知名电气公司均有自己晶闸管软起动的品牌，在其功能上又各具特色。例如GE公司生产的ASTAT智能电机软起动器；ABB公司生产的PST、PSTB系列电机软起动器；施耐德公司的ATS46软起动器；德国SIEMENS公司的3RW22 SIKOSTART软起动器等等。目前，国外对晶闸管三相交流调压电路的研究己经从对控制电压、控制电机电流的开环、闭环方式，发展到通过建立比较准确实用的数学模型，找到适用于三相交流调压电路电机负载的控制方法，从而使三相交流调压电路电机负载性能更优3。另一方面，随着电力电子技术的发展，异步电动机向更加可靠、方便性好、小型化方向发展。1.2 本课题研究内容软启动器本质上是一种直流调压装置，用来实现软启动、软停车、实时监测以及各种保护功能。为了保证系统安全可靠地运行，可以充分发挥单片机的强大控制功能，由主控制电路对系统的关键器件和关键参数，例如过压、欠压、过流、过载、等进行实时监控。随着数字直流PWM调压技术的应用，以及采用高性能的单片机作为系统的控制核心，可以使软启动器具有控制快速准确、响应快、运行稳定、可靠等优点。在三相交流异步电动机不宜采用直接启动的时候，可以考虑采用定子串电阻或串电抗器启动、Y-启动、自耦变压器降压启动、转子串电阻启动、晶闸管电子软启动、分级变频软启动、两相变频调压软启动等方法。结合各方面的因素及实际情况，本课题研究的内容主要有：(1)研究三相调压软起动的基本原理，对三相异步电动机的起动电流和起动转矩进行分析，对软起动控制策略进行研究。(2)对三相晶闸管软起动系统进行硬件设计。包括主电路，触发电路，检测电路，控制电路，驱动电路等。(3)实现三相异步电动机软启动器模式的设计和软件的有关设计。(4)用PROTEL绘制系统的原理图。本课题的目标是实现三相异步电机的软启动，甚至使软启动器能够根据电机负载的实际情况改变。2 三相异步电动机的起动控制的研究 交流三相异步电动机的传统启动技术，如定子串电阻/电抗器启动、自耦变压器降压启动、星形-三角形降压启动、转子串电阻或频敏变阻器启动等，在交流电动机启动技术发展过程中都有过重要应用。但随着晶闸管技术的发展，三相交流调压软启动器因为具有性能良好、产品多样、电压可连续调节以及转矩或电流可闭环控制等优点，使得电子软启动器得到了深入而广泛的发展，成为软启动市场中的主流产品。2.1 三相异步电动机的起动过程的分析 为了研究三相异步电动机的起动时的电压、电流、转矩等变量的关系，进而分析异步电机起动时的电流、起动转矩和所外加电压的关系，就要研究电机的数学模型。对于电动机的软起动而言，多采用基于集中参数等效电路的数学模型。在不改变异步电动机定子绕组中的物理量和异步电机的电磁性能的前提下，经频率和绕组的计算，把异步电动机转子绕组的频率、相数、每相有效串联匝数都归算成和定子绕组一样，即可用归算过的基本方程式推导出异步电动机的等效电路。三相异步电动机的T形稳态等效电路如图2-1所示：7图2-1 异步电动机的等效电路其中，r1为定子绕组的电阻，x1为定子绕组的漏电抗，r2为归算到定子方面的转子绕组的电阻，x2为归算到定子方面的转子绕组的漏抗。rm代表与定子铁心损耗所对应的励磁电阻，xm代表与主磁通相对应的铁心磁路的励磁电抗。U1为定子电压向量，E1为定子感应电动势向量，i1为定子电流向量，im为磁电流向量。基于T形等效电路的数学模型为： (2-1) (2-2) (2-3) (2-4)由以上四式可得： (2-5)在异步电动机里，因为r1x1，rmxm，故可以省去r1，rm，则式(2-5)可以表示为： (2-6)由等效电路可见，异步电动机输入的电功率P1一部分消耗在钉子绕组的电阻而称为定子铜耗Pcu1，一部分消耗在定子铁心上而变成铁耗PFe，剩余的通过气隙传递到转子的功率成为电磁功耗Pem。其中Pem为： (2-7)电磁转矩为： (2-8)其中，为同步角速度；为转子机械角速度；Pem为机械功率。由式(2-7)和式(2-8)可得： (2-9)根据T形等效电路可得： (2-10)将式(2-10)代入(2-9)得： (2-11)刚起动时，转子n=0，转差率s=1，此时启动转矩为： (2-12)同时，由于激磁电流相对较小即，近似为1，由式(2-6)的启动电流为： (2-13)由式(2-12)和式(2-13)可知，起动转矩正比于定子端电压的平方，起动电流正比于定子电压。起动电压较低时，起动转矩较小，电流也较小；反之，如果电压较高，则起动转矩较大，但同时起动时的冲击电流也很大。而异步电动机的起动特性主要表现在起动电流和起动转矩两个方面：希望电动机起动时能产生足够的起动转矩，以便带动负载快速地达到正常转速；同时，也希望起动电流不要太大。因为在供电变压器的容量比较小的情况下，过大的起动电流将造成较大的线路压降，从而影响接在同一电网上的其它电气设备的正常运行。下面针对异步电动机的起动特性，分析起动方式的原理和应用。2.2 三相异步电机的启动方法 三相异步电动机的起动方法主要有直接起动、传统减压启动和软启动三种启动方法。下面就分别做详细介绍。2.2.1 直接起动直接起动，也叫全压起动。起动时通过一些直接起动设备，将全部电源电压(即全压)直接加到异步电动机的定子绕组，使电动机在额定电压下进行起动。一般情况下，直接起动时起动电流为额定电流的38倍，起动转矩为额定转矩的12倍。根据对国产电动机实际测量，某些笼型异步电动机起动电流甚至可以达到812倍。直接起动的起动线路是最简单的，如图2-2所示。然而这种起动方法有诸多不足。对于需要频繁起动的电动机，过大的起动电流会造成电动机的发热，缩短电动机的使用寿命；同时电动机绕组在电动力的作用下，会发生变形，可能引起短路进而烧毁电动机；另外过大的起动电流，会使线路电压降增大，造成电网电压的显著下降，从而影响同一电网的其他设备的正常工作，有时甚至使它们停下来或无法带负载起动。这是因为Ts及Tm均与电网电压的平方成正比，电网电压的显著下降，可使Ts及Tm 均下降到低于Tz。一般情况下，异步电动机的功率小于75kW时允许直接起动。如果功率大于75kW，而电源总容量较大，能符合下式要求的话，电动机也可允许直接起动。 如果不能满足上式的要求，则必须采用减压启动的方法，通过减压，把启动电流Ist限制到允许的数值。图2-2 直接启动原理图2.2.2 传统减压起动减压起动是在起动时先降低定子绕组上的电压，待起动后，再把电压恢复到额定值。减压起动虽然可以减小起动电流，但是同时起动转矩也会减小。因此，减压起动方法一般只适用于轻载或空载情况。传统减压起动的具体方法很多，这里介绍以下三种减压起动的方法：(1)定子串接电阻或电抗起动定子绕组串电阻或电抗相当于降低定子绕组的外加电压。由三相异步电动机的等效电路可知：起动电流正比于定子绕组的电压，因而定子绕组串电阻或电抗可以达到减小起动电流的目的。但考虑到起动转矩与定子绕组电压的平方成正比，起动转矩会降低的更多。因此，这种起动方法仅仅适用于空载或轻载起动场合。 对于容量较小的异步电动机，一般采用定子绕组串电阻降压；但对于容量较大的异步电动机，考虑到串接电阻会造成铜耗较大，故采用定子绕组串电抗降压起动。 如图2-3所示：当起动电机时，合上开关Q，交流接触器KM断开，使电源经电阻或电抗R流进电机。当电机起动完成时KM吸合，短接电阻或电抗R。图2-3 定子串电阻或电抗起动原理图(2)星-三角形(丫-)起动星-三角形起动法是电动机起动时，定子绕组为星形(丫)接法，当转速上升至接近额定转速时，将绕组切换为三角形()接法，使电动机转为正常运行的一种起动方式。星-三角形起动方法虽然简单，但电动机定子绕组的六个出线端都要引出来，略显麻烦。 图2-4为星-三角形起动法的原理图。接触器KM2和KM3互锁，即其中一个闭合时，必须保证另一个断开。KM2闭合时，定子绕组为星形(丫)接法，使电动机起动。切换至KM3闭合，定子绕组改为三角形()接法，电动机转为正常运行。由控制电路中的时间继电器KT确定星-三角切换的时间。 定子绕组接成星形连接后，每相绕组的相电压为三角形连接(全压)时的l/，故星-三角形起动时起动电流及起动转矩均下降为直接起动的13。由于起动转矩小，该方法只适合于轻载起动的场合。图2-4 星-三角形起动法的原理图(3)自耦变压器起动自耦变压器起动法就是电动机起动时，电源通过自耦变压器降压后接到电动机上，待转速上升至接近额定转速时，将自耦变压器从电源切除，而使电动机直接接到电网上转化为正常运行的一种起动方法。图2-5所示为自耦变压器起动的自动控制主回路。控制过程如下：合上空气开关Q接通三相电源。按启动按钮后KM1线圈通电吸合并自锁，其主触头闭合，将自耦变压器线圈接成星形，与此同时由于KM1辅助常开触点闭合，使得接触器KM2线圈通电吸合，KM2的主触头闭合由自耦变压器的低压抽头(例如65)将三相电压的65接入电动。当时间继电器KT延时完毕闭合后，KM1线圈断电，使自耦变压器线圈封星端打开；同时KM2线圈断电，切断自耦变压器电源，使KM3线圈得电吸合，KM3主触头接通电动机在全压下运行。自耦变压器一般有65和80额定电压的两组抽头。若自耦变压器的变比为k，与直接起动相比，采用自耦变压器起动时，其一次侧起动线电流和起动转矩都降低到直接起动的lk2。自耦变压器起动法不受电动机绕组接线方式(丫接法或接法)的限制，允许的起动电流和所需起动转矩可通过改变抽头进行选择，但设备费用较高。图2-5 异步电动机的自耦变压器起动法自耦变压器起动适用于容量较大的低压电动机作减压起动用，应用非常广泛，有手动及自动控制线路。其优点是电压抽头可供不同负载起动时选择；缺点是质量大、体积大、价格高、维护检修费用高。2.2.3 软启动软起动可分为有级和无级两类，前者的调节是分档的，后者的调节是连续的。在电动机定子回路中，通过串入限流作用的电力器件实现软起动，叫做降压或者限流软起动。它是软起动中的一个重要类别。按限流器件不同可分为：以电解液限流的液阻软起动；以磁饱和电抗器为限流器件的磁控软起动；以晶闸管为限流器件的晶闸管软起动。晶闸管软起动产品问世不过30年左右的时间，它是当今电力电子器件长足进步的结果。10年前，电气工程界就有人预言，晶闸管软起动将引发软起动行业的一场革命。目前在低压(380V)内，晶闸管软起动产品价格已经下降到液阻软起动的大约2倍，甚至更低。而其主要性能却优于液阻软起动。与液阻软起动相比，它的体积小、结构紧凑，维护量小，功能齐全，菜单丰富，起动重复性好，保护周全，这些都是液阻软起动无法比拟的。但是晶闸管软起动产品也有缺点。一是高压产品的价格太高，是液阻软起动产品的510倍，二是晶闸管引起的高次谐波比较严重。2.3 软起动的原理及分析2.3.1 晶闸管调压原理晶闸管的控制方式有两种：一是相位控制，即通过控制晶闸管的导通角来调压；二是周波控制，即把晶闸管作为静止接触器，交替的接通与切断几个周波的电源电压，用改变接通时间与切断时间之比来控制输出电压的有效值，从而达到调压的目的。但周波控制用在异步电机定子上时，通断交替的频率不能太低，一方面会引起电动机转速的波动，另一方面每次接通电流就相当于一次异步电动机的重起动过程。当电源切断时，电动机气隙中的磁场将由转子中的瞬态电流来维持，并随着转子而旋转，气隙磁场在定子绕组中感应的电动势频率将有所变化，当断流时问隔较长时，这个旋转磁场在定子中感应的电势和重新接通时的电源电压在相位上可能会有很大的差别，这样就会出现较大的电流冲击，可能危及晶闸管的安全。故在异步电动机的调压控制中，晶闸管调压一般采用相位控制。采用相位控制时，输出电压波形已不是正弦波，经分析可知，输出电压不含偶次谐波，奇次谐波中以三次谐波为主要成分。谐波在异步电机中会引起附加损耗，产生转矩脉动等不良影响。此外，由于异步电机是感性负载，从电力电子学中可以知道，当晶闸管交流调压回路带有感性负载时，只有当移相角大于负载的功率因数角时，才能起到调压的作用。当时，电流导通的时间将始终保持在180。其情况与=0时一样，相控不起任何调压作用，甚至在晶闸管触发脉冲不够宽的情况下，出现只有一个方向上的晶闸管工作，负载上出现直流分量，对晶闸管造成危害。为了保证晶闸管的安全，在使用相控晶闸管电路时采用宽脉冲触发，移相范围限制在-E1(-15V)，V5又重新导通。使V7、V8截止，输出脉冲终止。脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数R11C3有关。电路的触发脉冲由脉冲变压器TP二次侧输出，其一次绕组接在V8集电极电路中。2、锯齿波的形成和脉冲移相环节3、同步环节4、双窄脉冲形成环节内双脉冲电路由V5、V6构成“或”门。当V5、V6都导通时，V7、V8都截止，没有脉冲输出，只要V5、V6有一个截止，都会使V7、V8导通，有脉冲输出。第一个脉冲由本相触发单元的uco对应的控制角a 产生。隔60的第二个脉冲是由滞后60相位的后一相触发单元产生（通过V6）。晶闸管触发电路总图如图3-9所示。直流电源同步电源输入KJ004产生单脉冲KJ042产生脉冲调制列4066模拟开关实现宽窄切换脉冲放大驱动SCR宽脉冲列3.3