电机软启动控制系统设计.doc

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目录

1概述 2

1.1研究的背景和意义 2

1.2传统启动方式的介绍 2

1.3软启动的技术发展和现状 3

2.方案论证 4

2.1软启动方式 4

2.2晶闸管调压原理 5

3系统设计 9

3.1系统设计框图 9

3.2主电路和控制电路 10

3.3单片机的选择 11

3.4电源电路 11

3.4检测电路 12

3.5触发电路 15

3.6旁路电路 16

3.7键盘和显示 18

3.8通信设计 19

4系统软件设计 20

4.1系统软件设计主流程图 20

4.2系统初始化程序设计 21

4.3模拟信号采集及处理程序 22

4.4晶闸管脉冲信号子程序 22

4.5软启动子程序设计 23

4.6故障处理子程序设计 24

4.8通信串口子程序 25

4.9按键和显示子程序 25

结论 27

致谢 28

参考文献 29

附录A主电路和控制电路 31

附录B控制电路接线图 32

附录C原件清单 34

1概述

电机是工农业和交通运输行业中重要设备，应用的行业十分广泛。

电机作为重要的动力装置，因其结构简单、体积可大可小、价格便宜、维护方便、易于制造的特点，所以电机广泛的应用于日常生活中和工业生产中。

在交流电机的启动控制上，常用的启动方式有：

全压直接启动和降压启动。

直接启动是传统的启动方式，应用很广泛，但直接启动有许多弊端。

近年来得益于变频技术和软启动技术的应用，变频启动和软启动的降压启动方式广泛应用于电机启动过程中，从根本上解决了电机启动电流过大的难题，造成对电网冲击的影响。

特别软启动技术在解决中、大容量的电机启动问题有着卓越的作用，这将是替代直接启动的趋势。

1.1研究的背景和意义

电机在国民经济和工业生产中启着非常重要的作用，若直接启动电机，电机的电流可达额定电流的4~7倍，这样启对电机和电网电压及其他设备都会造成很大的影响。

由此提出了“软启动”的概念，现在主要有限流软启动、电压斜坡启动，变频启动等几种软启动。

软启动是一种近年来发展非常迅猛的电机启动新技术，采用串联晶闸管在主回路电路中，来调启动转矩和启动电流，对保护传动系统不受磨损、维护电网质量稳定等方面有突出的作用，是一种理想的软启动方式。

随着电力电子技术的飞速发展和广泛运用，使得无电弧开关和连续调节电流技术的成熟运用。

半导体器件开关具有无磨损、功耗小、寿命长的特性，以及现代控制理论和电力电子技术的密切结合，加之微机控制技术在工业生产中的广泛运用，为电机软启动的实现提供了全新的思路和解决方案，从而电机软启动技术得以迅速的发展与广泛运用。

软启动技术具有传统启动方法无法比拟的优越性，软启动技术对电机启动的研究具有重大意义。

软启动器是一种集软启动、软停车、轻载节能和多种保护为一体的新型电机启停控制装置。

它不仅使电机在启动（停车）阶段无冲击平滑启动（停止），还能根据电机负载的需求来改变启动（停车）阶段的相关参数，如启动电压、启动时间、限流值等。

同时，它还具有保护电机的功能，这从根本上解决了传统电机启动时的诸多问题。

1.2传统启动方式的介绍

传统的电机启动方式有：

直接启动、串联电抗启动、星形-三角形（Y-Δ）启动、自耦变压器启动。

电机直接启动时，启动电流是额定电流的4~7倍，对电网和传动系统稳定造成冲击，造成电网不平稳。

因为传统启动方式都同属于机械式启动方式，在电机启动过程中会产生二次冲击转矩和电流，从而影响系统的稳定性。

1.3软启动的技术发展和现状

软启动是按照预先设定的控制模式进行降压启动的过程。

电机软启动的意义有：

减小电动机的启动电流和缩短启动电流的冲击时间；减小了对电网的冲击；由于软启动技术实现了电机的软启动和软停车，所以减小了对传动系统和负载启动冲击能量，从而延长了传动设备和负载的使用寿命。

软启动器在电机启动时将启动电流限定在预设值内，从而使冲击电流减小，还可以通过控制软启动器使转矩平滑上升，保护机械设备和传动设备，以及保护工作人员的人身安全。

由于采用微控技术，可以在电机启动前对主电路进行故障检查，数字化的控制具有较稳定的静态特性，不易受电压、温度以及时间变化的影响，因而提高了系统的稳定性和可靠性，从而使系统更易维护。

同时，软启动器还可以与计算机之间进行通信，这将为自动化控制和智能控制的实现提供完美的方案。

以下是软启动的几大主要优点：

（1）电机平滑启动，无冲击电流。

电机软启动时，通过控制晶闹管的导通角，使电机的启动电压逐渐升高，电机启动电流限制在预设范围内。

电机转速平缓上升，减少对负载的冲击转矩，提高系统的稳定性，增大的电机及拖动设备的使用寿命。

（2）有软停车功能。

是软启动的逆过程，使电机转速平缓降低，直到停止。

避免了瞬间断电停机对系统的冲击损害。

（3）系统参数可调。

可以按照负载的需求，改变启动时间、启动电压、启动电流相关参数，使电机达到最佳的软启动效果。

（4）智能保护作用。

可以实现过压、过流、过载、相序混乱和缺相等保护的功能，并发出报警，同时停止电机。

2方案论证

2.1软启动方式

目前有多种软启动器的控制方式，主要采用电压斜坡启动、限流启动、转矩启动和变频启动等。

电压斜坡启动是按照电机的电压由小到大按照设定的斜率线性上升。

因为电机输出转矩与输入定子相电压平方成正比，若输入电压过低，电机输出转矩不足以克服启始转矩，从而使电机堵转，造成电机发热过快，可能烧毁电机。

由于以上原因，电机斜坡启动的初始电压不是从零开始的，而是从合适的初始电压开始的。

其缺点是启动转矩小，转矩特性曲线呈抛物线型上升，不利于启动；且启动时间长。

故一般情况下采用双斜坡启动，如图2-1所示。

以适当高斜率的斜坡电压启动，能减小电机发热，增加转速提升率。

当电压增加到预定值时，电机达到一定的转速，然后改用斜率较小的斜坡电压启动，直到电机电压达到额定电压，转速达到额定转速时，，然后切换到旁路电路中去，电机启动完成。

这种软启动方式减少了电机的额冲击电流。

电压斜坡启动的特征是启动电流相对较大，启动时间相对较长。

2-1电压斜坡启动特性曲线2-2限流启动特性曲线

限流启动顾名思义，就是在电机启动时，对启动电流预设一个限流值。

主要用于轻载启动的负载的降压启动。

如图2-2所示。

电机启动时，电压从零迅速增大，直到电流达到限定值，并在不超过的情况下，缓慢增加电压，电机转速逐渐转快，直到启动完成。

限流启动的优点是启动电流小，且可根据需求来调节限流值。

它的缺点是难以知道启动压降，启动时间相对较长，不能充分利用压降空间，损失启动转矩。

转矩控制启动是按照电机的启动转矩线性上升的规律控制输出电压。

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

其缺点就是启动时间较长。

主要用于重载启动。

变频启动是采用调节频率的方式使电机平稳启动，这样能减小启动电流，减少对电网的冲击，还可以对电机进行调速。

其特点：

（1）效率高，调速过程中没有附加损耗；

（2）应用范围广，可用于笼型异步电动机；

（3）调速范围大，特性硬，精度高；

（4）技术复杂，造价高，维护检修困难；

（5）适用于精度高、调速性能较好场合。

但也存在一些缺点，如开关损耗较大，结构复杂等。

特别是变频器的价格昂贵。

以及变频启动多用于对电机启动要求很高工作环境和电机调速中。

故一般情况下不采用变频启动。

软启动控制的方式还有很多，一般是在上述几种软启动控制的基础上加以改进，如突跳软斜坡启动、突跳限流软启动、转矩加突跳软启动。

顾名思义，这三种都是在原来控制的基础上，加上一定的跳跃。

目前最常用的软启动方式是在主电路中串联晶闸管，来实现电机的软启动。

晶闸管主要启调节电压的作用，所以采用电压斜坡启动。

2.2晶闸管调压原理

由三组反向并联的晶闸管构成调压电路，RC构成保护电路的软启动器。

如图2-3所示。

晶闸管调压电路分为相控调压和斩波调压。

相控调压是通过加到晶闸管门极脉冲相位改变输出电压；而斩波调压是交替接通和关断几个周期内的电源电压，通过改变接通和关断的电源电压来改变输出电压的有效值。

但斩波调压通断交替的频率不能太低或者太高，因为频率太低会造成电机转速的抖动，每次接通电流都相当于电机的重新启动；频率太高，采用整周斩波调压的控制方式会使调压不够平滑，所以本系统设计方案采用相控调压技术。

2-3晶闸管的调压原理

2.3.1单相晶闸管输出电压分析

为达到电机的平滑启动的目的，需要调节电机定子端输入电压按从小到大逐渐增大。

通过调整三组反向并联晶闸管的触发角，就能达到该目的。

晶闸管调压获得的电压是非正弦的，但每相电压的正负半周是对称的。

单相晶闸管导通电压波形如图2-4所示。

是晶闸管的触发角，是晶闸管的导通角，是负载的功率因素角（也叫晶闸管的续流角）。

图2-4晶闸管的导通波形

由上图可知、、的关系：

（2-1）

输出电压有效值：

（2-2）

=（2-3）

其中，为电源相电压的有效值。

由是式（2-3）可知，负载电压既是功率因素角的函数，也是触发角的函数。

在调压时，每一相负载上所得到的电压与电流波形在不同的时是不同的，随着触发角增大，负载电流不连续程度的增加，负载所得电压也随之而降低。

通过改变的值，就能改变晶闸管的输出电压，从而改变电机的输入电压。

为使电压按照逐渐升高的规律变化，可以通过单片机控制晶闸管的触发角来达到目的实现。

对于固定的负载来说，功率因数角是常量，导通角仅与触发角有关，所以可以通过单片机改变晶闸管的触发角就可改变晶闸管的输出电压。

但在异步电机启动过程中，功率因素角是变量，随着转速的改变，功率因素角也在变化。

所以，在改变晶闸管的触发角的同时也要考虑功率因素角的变化，这样才能实现电机的输入电压按照预定的规律逐渐升高。

2.3.2三相晶闸管移相触发原理

主电路采用三组反向并联的晶闸管，采用Y型接线法连接到三相电机上，如图2-3所示。

这种连接方式的简单可靠，产生的谐波也比较少，调压性能优越。

因为电路中没有中线，必须保证至少两相构成通路才能使负载电流流通，而且是一相正向导通，另一相反向导通。

所以要求触发电路能过产生双窄脉冲或者大于的宽脉冲，从而避免了<时，调压电路可能只有一个方向的晶闸管导通的情况。

六只晶闸管按照VT1~VT6的顺序触发，其中VT1、VT3、VT5触发相位依次滞后，VT4、VT6、VT2触发相位又分别依次滞后于VT1、VT3、VT5触发相位。

这样就形成了VT1~VT6的触发相位依次滞后。

在本系统设计中，采用双窄脉冲触发，在每个周期内对每个晶闸管触发两次间隔为的触发脉冲。

2.2.3晶闸管的触发方式

对于三相晶闸管调压电路，触发方式有三路触发和六路触发，每组的两个反向并联晶闸管共用一组触发脉冲，称为三路触发；6个晶闸管都各自有都有一组独立触发的触发脉冲，称为六路触发。

对于三路出发而言，虽然每个周期内有两个触发脉冲，但语气反向并联的晶闸管的触发脉冲出现在它的电压负半周期，因而不能导通，所哟每个周期内，每组晶闸管只有一个导通。

三路触发电路简单，易于实现；六路触发方式可以减少晶闸管控制极的损耗，同时可避免正向（反向）脉冲对负向（正向）晶闸管的误触发，一般用于要求较高的触发电路中。

这里采用三路触发方式。

2.2.4晶闸管的选型和保护电路

晶闸管是主电路中控制电机软启动的重要器件，正确的选择的晶闸管是整个系统正常运行的前提。

主要通过晶闸管的额定电流、电压、成本、耐用性等方面来考虑。

在电机启动过程中存在着较大的过电压和过电流，这对晶闸管的损坏是很大的，所以选型时要对晶闸管的额定电压、额定电流留有一定的裕量。

并且附加保护电路。

一般情况下，晶闸管的额定电压选择电机正常工作的电压峰值的2~3倍，即：

（2-4）

其中为晶闸管额定电压，为电机额定电压。

三相异步电机启