三相异步电动机软启动器的设计(1).doc

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南京化工职业技术学院毕业设计（论文）

南京化工职业技术学院

毕业论文（设计）任务书

课题交流电机软启动器控制系统设计

2011年10月18日至2012年1月7日共8周

专业年级电气化0942

学号姓名0903290216万盼盼

指导教师袁和平

2011年10月18日

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SoftStarter。

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。

2009年9月25日论文说明会

2011-10-1~2011-10-15查阅文献，撰写开题报告

2011-11-10~2011-11-25初稿提交

2011-12-10~2009-12-25定稿提交

2009-12-26~2009-1-5终稿提交

2010-1-6准备答辩工作

目录

摘要 1

1三相异步电动机软启动器的设计 1

1.1国内外研究现状 2

1.2本课题研究内容 2

2三相异步电动机的起动控制的研究 4

2.1三相异步电动机的起动过程的分析 4

2.2三相异步电机的启动方法 6

2.2.1直接起动 7

2.2.2传统减压起动 8

2.2.3软启动 10

2.3软起动的原理及分析 11

2.3.1晶闸管调压原理 11

2.3.2软起动的起动方式 13

3软启动器的硬件电路设计 16

3.1主要器件的介绍 16

3.1.1KJ004功能介绍 16

3.1.2KJ041功能介绍 18

3.2主电路的选择 19

3.2.2晶闸管相控调压原理 20

3.3主回路设计 21

3.3.1主回路电路 21

3.3.2晶闸管参数选择 21

3.3.3晶闸管触发电路 22

3.3.4晶闸管保护电路 24

3.4电压检测回路 25

3.4.1同步信号检测 25

3.4.2电压反馈回路 27

3.4.3电压过／欠保护电路 28

3.5电流检测回路 28

3.5.1电流反馈回路 28

3.5.2过电流保护电路 29

4基于单片机的软起动器的设计 30

4.1触发脉冲控制的软件设计 30

结束语 38

参考文献 39

V

南京化工职业技术学院毕业设计（论文）

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3~4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3RW22SIKOSTART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