交流电机软启动器控制系统设计Word文件下载.docx

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结束语38

参考文献39

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。

电动机软启动器模式的设计，但关键词：

异步电动机；

晶闸管；

软起动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。

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。

3实现三相异步电动机软启动器模式的设计和

4用PROTEL绘制系统的原理图。

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。

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：

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：

2-12-2

2-3

2-4

由以上四式可得：

在异步电动机里，因为r1x1，rmxm，故可以省去r1，rm，则式可以表示为：

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：

电磁转矩为：

其中，为同步角速度；

为转子机械角速度；

Pem为机械功率。

由式和式可得：

根据T形等效电路可得：

将式代入得：

刚起动时，转子n0，转差率s1，此时启动转矩为：

同时，由于激磁电流相对较小即，近似为1，由式

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。

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3～8倍，起动转矩为额定转的1～2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8～12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7．5kW时允许直接起动。

如果功率大于7．5kW，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

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1／3。

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

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。

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≤180°

本系统软起动器采用晶闸管调压原理，通过调节电动机定子输入端电压的大小和相位实现软起动的各种功能。

本系统软起动器采用了如图2-6所示的主电路。

用三组反并联晶闸管分别串联在星形接法的电机三相定子线圈上，这种连接方式谐波比较少，调压性能最为优越，控制系统简单、可靠。

图2-6软起动主回路原理图

为了方便分析，做以下假定：

1电源为三相对称的正弦电压源，内阻抗为零；

2各晶闸管的特性一致，对称触发，关断状态时，其阻抗为无穷大；

导通状时压降为零；

3电机为理想电机，其定、转子绕组在空间产生正弦分布的磁通势；

4稳态运行时，电机的转速为常数。

由于主电路中没有中线，因此在工作时若要负载电流流通，至少要有两相构成通路。

其中一相是正向晶闸管导通，另一相则是反向晶闸管导通。

为了保证在电路起始工作时有两个晶闸管同时导通，以及在感性负载与控制角较小时仍能保证不同相的两个晶闸管同时导通，本系统采用了能够产生大于60°

的双窄脉冲的触发电路。

要实现异步电动机的平稳起动，需要控制电机的输入电压，使其按照某种曲线由小到大逐渐上升。

通过按照一定时序调整六个晶闸管的触发角就可以实现该目标。

该电路的调压实质是对电源电压进行斩波。

电机获得的电压是非正弦的，但是每相电压的正负半周是对称的。

晶闸管任意一相的电压波形如图2-7所示，其中电网电压的波形是完整的正弦波，是晶闸管的触发角，是负载的功率因数角也叫晶闸管的续流角，是晶闸管的导通角。

由图2-7可以很容易地推导出触发角，功率因数角以及导通角之间的关系：

公式2-15

图2-7任意相晶闸管的工作波形

其中晶闸管的输出电压是介于导通角之间的波形。

通过改变导通角的大小，就可以改变晶闸管的输出电压，从而改变了电机的输入电压。

由式2-15可以得知，导通角与触发角、功率因数角都有关。

对于恒定的负载而言，功率因数角是常量，导通角仅仅与触发角有关。

此时，只要改变晶闸管触发角就可以改变晶闸管的输出电压。

但是对于异步电动机而言，功率因数角是个变量，并且是电机转速的函数。

在电机起动过程中，随着转速逐渐变大，功率因数角也在不断变化。

因此，改变晶闸管触发角的同时也要兼顾功率因数角的变化情况。

只有这样，才能实现异步电动机的输入电压按照预定规律变化的要求[]。

软起动器的功能主要是实现软起动和软停车，而软停车相当于是软起动的逆过程。

三相异步电动机软起动器拥有多种起动模式，可以满足不同的起动要求。

下面详细介绍：

1限流起动

限流起动就是在电动机的起动过程中限制其起动电流不超过某一设定值Im的软起动方式，起动波形如图2-8所示。

主要用于轻载起动的降压起动，其输出电压从零开始迅速增长，直到其输出电流达到预先设定的电流限值Im，然后保持输出电流不大于该值的条件下逐渐升高电压，直到额定电压。

这种起动方式的优点是起动电流小，且可按需要调整起动电流的限定值Im。

其缺点是在起动时难以知道起动压降，不能充分利用压降空间，损失起动转矩，起动时间相对较长。

该方法应用较多，适用于风机，泵类负载。

图2-8限流启动波形

2电压斜坡起动

输出电压由小到大斜坡线性上升，将传统的有级降压起动变为无级，主要用在重载起动。

它的缺点是起动转矩小，且转矩特性呈抛物线型上升对起动不利，起动时间长，对电动机不利。

改进的方法是采用双斜坡起动，如图2-9所示。

输出电压先迅速升至UU，为电动机起动所需的最小转矩所对应的电压值，然后按设定的斜率逐渐升高电压。

直至达到额定电压，初始电压和电压上升率可根据负载特性调整。

在加速斜坡时同期闻，电动机电压逐渐增加，加速斜坡时间在一定时间范围内可调整，加速斜坡时间一般在260秒之间。

这种起动方式的特点是起动电流相对较大，但起动时间相对较短，适用于重载起动的电动机。

图2-9电压斜坡启动波形

3转矩控制起动

主要用于重载起动，如图2-10所示。

它是按照电动机的起动转矩线性上升的规律控制输出电压。

其优点是起动平滑、柔性好、对拖动系统有利，同时减少对电网的冲击，使最优的重载起动方式。

其缺点就是起动时间较长。

图2-10转矩控制启动波形

4转矩加突跳控制起动

转矩加突跳控制起动与转矩控制起动一样，也是用在重载起动的场合。

所不同的是在起动的瞬间用突跳转矩，克服拖动系统的静转矩，然后转矩平滑上升，可缩短起动时间。

但是，突跳会给电网发送尖脉冲，干扰其他负荷。

转矩加突跳控制起动如图2-11所示。

图2-11转矩加突跳控制起动波形

5电压控制起动

电压控制起动是在保证起动压降一定的前提下使电动机获得最大的起动转矩，尽可能地缩短起动，是最优的轻载软起动方式，如图2-12所示。

图2-12电压控制起动波形

该电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏移电压、移电压综合比较放大电路和功相率放大电路四部分组成。

见表1：

锯齿波的斜率决定于外接R6、RW1流出的充电电流和积分C1的数值。

对不同的移项控制V1，只有改变R1、R2的比例，调节相应的偏移VP。

同时调整锯齿波斜率电位器RW1，可以使不同的移相控制电压获得整个范围。

触发电路为正极性型，即移相电压增加，导通角增大。

R7和C2形成微分电路，改变R7和C2的值，可获得不同的脉宽输出。

KJ004的同步电压为任意值

表3-1KJ004功能输出空锯齿波形成-Vee1kΩ空地同步输入综合比较空微分阻容封锁调制输出+Vcc引线脚号12345678910111213141516电路采用双列直插C―16白瓷和黑瓷两种外壳封装，外型尺寸按电子工业部部颁标准。

《半导体集成电路外型尺寸》SJ1100―76

图３-1KJ004引脚图

与分立元件的锯齿波移相触发电路相似,分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。

3-2KJ004电路原理图KJ004参数及限制

电源电压：

直流+15V、-15V，允许波动±

5%（±

10%时功能正常）。

电源电流：

正电流≤15mA，负电源≤10mA。

同步电压：

任意值。

同步输入端允许最大同步电流：

6mA（有效值）。

移相范围：

≥170°

（同步电压30V，同步输入电阻15KΩ）。

锯齿波幅度：

≥10V（幅度以锯齿波平顶为准）。

输出脉冲：

（1）宽度：

400μs2ms通过改变脉宽阻容元件达到。

（2）幅度：

≥13V。

（3）KJ004最大输出能力：

100mA（流出脉冲电流）。

（4）输出管反压：

BVCEO≥18V（测试条件Ie≤100μA）。

正负半周脉冲相位不均衡≤±

3°

使用环境温度为四级：

C:

070℃R:

-55～85℃E:

-40～85℃M:

-55～125℃

KJ041功能介绍

　　KJ041六路双脉冲形成器是三相全桥式触发线路中常用的电路，它具有双脉冲形成和电子开关控制封锁双脉冲形成功能。

使用两个有电子开关控制的KJ041电路组成逻辑控制，适用于正、反组可逆晶闸管电力电子成套装置（如正、反逻辑无环流直流调速的十二相晶闸管整流设备中）。

主要参数及限制

（1）电源电压：

DC+15V±

10%

（2）电源电流：

≤20mA

（3）输出脉冲最大负载电流：

≤20mA

（4）输出脉冲幅值：

≥1V

（5）输入端二极管最高承受反压：

≥30V

（6）控制端正向电流：

≤3mA

（）允许使用环境温度：

类品为-55+125°

C；

类品为-55+85°

类品为-40+85°

类品为-10+70°

C。

图3-3KJ041的引脚排列（引脚向下）

各引脚的功能及用法：

１）输出引脚

引脚15：

对应1与2的或输出端，使用中，接触发A相正半周晶闸管的功率放大单元输入端；

引脚14：

对应3与2的或输出端，使用中，接触发C相负半周晶闸管的功率放大单元输入端；

引脚13：

对应3与4的或输出端，使用中，接触发B相正半周晶闸管的功率放大单元输入端；

引脚12：

对应4与5的或输出端，使用中，接触发A相负半周晶闸管的功率放大单元输入端；

引脚11：

对应5与6的或出端，使用中，接触发C相正半周晶闸管的功率放大单元输入端；

引脚10：

对应6与1的或输出端，使用中，接触发B相负半周晶闸管的功率放大单元输入端；

2）输入引脚：

引脚1和引脚4：

对应于电网A相正、负半周的触发脉冲输入端；

引脚2和引脚5：

对应于电网C相负、正半周的触发脉冲输入端；

引脚3和引脚6：

对应于电网Ｂ相正、负半周的触发脉冲输入端；

3）引脚16：

工作电源输入端。

KJ041的工作电源范围为318V，使用中一般接+15V电源。

4）引脚8（GND）：

工作参考地端。

使用中接用户系统供电电源的地端。

5）引脚9（NC）：

空脚。

使用中，悬空。

6）引脚7（L）：

输出脉冲封锁端，该端高电平封锁输出。

KJ041的输出引脚在L端为高电平时均变为低电平；

而在L端为低电平时，KJ041的输出引脚按输入引脚的状态和KJ041的工作机理正常输出脉冲。

使用中该端接保护电路的输出。

在晶闸管交流调压系统中，晶闸管可以借负载电流波形过零而自行关断，不需另加换流电路，所以其主要优点是线路简单、调压装置体积小，价格低廉、使用及维修方便。

本系统采用晶闸管相控调压的技术，采用图3-1所示的主电路，用六个两两反向并联的晶闸管串连在电机主供电回路中。

图3-4交流调压主电路

晶闸管调压单相等效电路如图3-5所示，其中ZL为电机一相等效阻抗，Ui为电网相电压，UL为晶闸管输出电压。

设。

图3-5晶闸管单相调压电路图3-5为一路晶闸管输出波形示意图。

晶闸管控制角和功率因数角决定了晶闸管的输出电压值。

晶闸管正负半周的触发是对称的，晶闸管的输出电压有效值u。

可由式（3-1计算：

公式3-1

可见，UL是晶闸管控制角、功率因数角及供电电压U的函数。

当供电电压不变时，通过改变晶闸管的控制角，可以改变晶闸管的输出电压。

软起动器主回路设计电路如图3-7所示。

图3-7主回路电路

采用三组反并联晶闸管组成调压电路。

在三组晶闸管和三相供电电源之间接入接触器，软起动时，接触器断开，软起动完成后接触器闭合。

软停车开始时，接触器再次打到双向晶闸管端，软起动器投入到停车运行，如此重复来完成软起动和软停车。

在三相电源侧通过隔离电路得到软起动器同步信号；

在晶闸管输出侧即R、S、T通过电阻分压而得到较低幅值的三相电压，再经过整流电路送入单片机做故障检测。

而TAl，TA2年TA3表示为霍尔传感器电流输出，该电流信号通过整流电路后转变成电压信号输入到控制回路[]。

晶闸管的选择参数很多，但用于应用于软起动时，主要是额定电压、额定电流的计算与选择。

晶闸管由于过电流过电压能力低，又常常工作在不同的电流波形情况下，给额定电流的选择带来一定的困难，如若额定值选择不当，会造成不必要的损失或浪费。

根据实际工作条件，在满足需要的前提下，应尽量降低晶闸管的定额，以减少设备投资。

需满足两个条件。

首先，晶闸管的正、反向峰值电压UDRM和URRM应为晶闸管实际承受最大峰值电压UM的2～3倍，即UDRM/RRM2～3UM。

在本文设计中电机为V的三步电动机，根据公式计算可得晶闸管耐压在V933V范围内。

其次，晶闸管的额定通态电流ITAV指的是工频正弦半波平均值，其对应的有效值应满足IRMS1．57ITAV。

为使晶闸管在工作过程中不因实际有效值应在乘以安全系数1．5～2后才能等于157ITAV。

本文中使用的异步电机功率4KW，额定电流．5A。

由于异步电机在直接起动时的电流为6～7倍的额定电流。

因此晶闸管的ITAV范围在．A～．A。

本设计触发电路原理是首先用同步变压器对电网电压进行采样并降压，之后输入KJ004用来产生单脉冲，通过调节分压电阻可以实现对单脉冲占空比的调节，通过模拟开关4066来实现对KJ004宽窄脉冲模式的换，使KJ004输出宽脉冲或者窄脉冲，KJ042则产生高频调制波对KJ004输出的宽脉冲或窄脉冲进行高频调制，使其输出宽窄脉冲列，当KJ004处于宽脉冲方式时，KJ004输出直接加到驱动电路，而KJ004处于窄脉冲方式时单脉冲3片KJ004产生6路输入到KJ41合成双脉冲，每组双脉冲相位相差60，用于触发整流桥电路。

如图为同步信号为锯齿波的触发电路，其输出可为双窄脉冲（适用于有两个晶闸管同时导通的电路），也可为单窄脉冲。

电路结包括三个基本环节：

脉冲的形成与放大、锯齿波的形成和脉冲移相、同步环节[]。

此外，还有强触发和双窄脉冲形成环节。

图3-8图

1、脉冲形成环节

V4、V5――脉冲形成V7、V8――脉冲放大控制电压uco加在V4基极上。

uco0时，V4截止。

V5饱和导通。

V7、V8处于截止状态，无脉冲输出。

电容C3充电，充满后电容两端电压接近2E130V时，V4导通，A点电位由+E1+15V下降到1.0V左右，V5基极电位下降约-2E1-30V，V5立即截止。

V5集电极电压由-E1-15V上升为+2.1V，V7、V8导通，输出触发脉冲。

电容C3放电和反向充电，使V5基极电位上升，直到ub5-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