矿用隔爆三相异步电动机软启动设计.docx
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矿用隔爆三相异步电动机软启动设计
本科生毕业设计（论文）
山西大同大学煤炭工程学院
二零一四年三月
山西大同大学
本科生毕业设计
中文题目：
矿用隔爆三相异步电动机的软启动设计
英文题目：
Studyonsoft-startingcontrollerfor3-phaseasynchronousmotor
学院：
煤炭工程学院
姓名：
王志如学号：
1
专业：
自动化班级：
10自动化二班
指导教师：
王官升职称：
副教授
完成日期：
2014年5月30日
山西大同大学2014届本科毕业设计选题审批表
学院：
煤炭工程学院系别：
电气工程系专业：
自动化
学生姓名
王志如
学号
1
指导教师
王官升
职称
副教授
所选题目名称：
矿用隔爆三相异步电动机的软启动设计
选题性质：
（）A.理论研究（√）B.应用研究（）C.应用理论研究（）D.产品设计（）E.工程技术开发（）F.软件开发与应用（）G.其它
选题的目的和意义：
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。
指导教师意见：
签字：
年月日
学院意见：
签字：
年月日
备注：
山西大同大学2014届本科毕业设计开题报告
学院：
煤炭工程学院系别：
电气工程系专业：
自动化
论文题目
矿用隔爆三相异步电动机的软启动设计
论文类型
A理论研究；B应用研究；C应用理论研究；D产品设计；E工程技术开发；F软件开发与应有；G其它
指导教师
王官升
职称
副教授
学生姓名
王志如
学号
1
一、研究现状、目标、意义综述
本文针对目前国内软起动器特殊工作场所中防爆、隔爆的要求，提出了一种较为理想的隔爆型交流电动机软起动器设计方案。
本文首先介绍了交流电动机软起动技术的国内外发展动态，对电动机的起动过程进行了理论分析，然后在综合比较各种起动方式优缺点的基础上，提出了采用隔爆技术实现电动机软起动的新方法，同时详细阐述了新方法下的工作原理，即晶闸管相控调压原理，以及基于单片机的核心控制部分，并进行了软启动器软硬件的设计，可实现对软起动电路的智能化控制。
起动器箱体采用了快开式隔爆结构设计，可以满足在具有沼气和煤尘爆炸危险的矿井中使用，控制电路可实现对电机的过载、短路、过压、欠压、漏电保护。
二、研究方法和进度安排2014年
1）3月5日-3月15日1）准备收集资料，完成开题报告
2）3月16日-3月31日2）现场实习
3）4月1日-4月30日3）完成设计第1-3节
4）5月1日-5月15日4）完成设计第4-5节
5）5月15日-5月31日5）排版整理说明书
6）6月1日-6月15日6）设计答辩
三、指导教师意见
指导教师签字：
年月日
山西大同大学2014届本科毕业设计中期检查表
学院：
煤炭工程学院系别：
电气工程系专业：
自动化
论文（设计）题目：
矿用隔爆三相异步电动机的软启动设计
学生姓名
王志如
学号
1
指导教师
王官升
职称
副教授
截至目前为止（2014-5-25），除了编写完成开题报告、英语论文的翻译工作、以及中文摘要、英文摘要，已根据课题的性质、现以完成了触发脉冲控制的软件设计。
此外，方案的设计已经进入了收尾阶段，期间，遇到了主回路设计、电压检测回路的设计等问题，在王老师的指导下以及同学的帮助下顺利的解决。
成果资料的大致说明：
一：
矿用隔爆三相异步电动及机软起动器的研究现状发展趋势
二：
矿用三相异步电动机的起动
三：
软起动器的主电路设计
四：
软起动控制系统的硬件设计
五：
基于单片机的软起动器的设计
后期工作计划：
完善有关软件设计方案，加紧论文的编写。
反复查看本次设计内容，及时发现不足之处，及时更正。
学生签字：
指导教师签字：
年月日年月日
山西大同大学2014届本科毕业设计指导教师评分表
学院：
煤炭工程学院系别：
电气工程系专业：
自动化
论文（设计）题目：
矿用隔爆三相异步电动机的软启动设计
学生姓名
王志如
学号
1
指导教师
王官升
职称
副教授
指导教师评语：
指导教师签字：
年月日
评价项目
A
B
C
D
E
写作
过程
01
写作过程中的认真程度
02
写作过程中，进度掌握情况
选题
质量
03
选题与专业培养目标相符情况
04
选题体现专业特点情况
05
选题体现三基的要求情况
论文
质量
06
知识综合运用能力
07
结构、方案设计、应用价值
08
写作规范情况
指导教师评定成绩
优良中及格不及格
毕业设计分工情况：
（多人合作时填写，包括本人研究的内容及其在课题中所占比例）
评定成绩参考：
优-7项A，另一项为B；良-6项B或A，其它至少为B；中-5项B或A，其它至少为C；及格-4项B或A，其它至少为D；不及格-4项为E。
山西大同大学2014届本科毕业设计评阅人评分表
学院：
煤炭工程学院系别：
电气工程系专业：
自动化
论文（设计）题目：
矿用隔爆三相异步电动机的软启动设计
学生姓名
王志如
学号
1
指导教师
王官升
职称
副教授
评阅人
职称
评阅人评鉴
评审项目
指标
A
B
C
D
E
选题质量
01
选题与专业培养目标相符情况
02
选题体现专业特点情况
能力水平
03
综合运用知识能力
04
运用资料文献能力
05
研究方案的设计能力
论文水平
06
论点论据、语言表达
07
整体结构、应用价值
08
写作规范情况
评阅人评定成绩
优良中及格不及格
评定成绩参考：
优-7项A，另一项为B；良-6项B或A，其它至少为B；中-5项B或A，其它至少为C；及格-四项B或A，其它至少为D；不及格-4项为E。
山西大同大学2014届本科毕业设计答辩评分表
学院：
煤炭工程学院系别：
电气工程系专业：
自动化
论文题目：
矿用隔爆三相异步电动机的软启动设计
学生姓名
王志如
学号
1
指导教师评分
指导教师
王官升
职称
副教授
评阅人评分
答辩委员会/答辩小组名单
姓名
性别
职称
学位
答辩小组职务
答辩委员会（答辩小组评鉴）
评审项目
指标
A
B
C
D
E
论文评价
01
选题与专业培养目标相符情况
02
选题体现专业特点情况
03
综合运用知识能力
04
运用资料文献能力
05
研究方案设计能力
06
论点论据、语言表达
07
整体结构、应用价值
08
写作规范情况
答辩表现
09
自述情况
10
答辩过程
答辩委员会综合评定成绩
优良中及格不及格
毕业设计（设计）最终得分：
答辩委员会主任（或组长）签字：
年月日
评定成绩参考：
优-9项A，另一项为B；良-8项B或A，其它至少为B；中-7项B或A，其它至少为C；及格-6项B或A，其它至少为D；不及格-5项为E。
山西大同大学2014届本科毕业生设计答辩记录表
煤炭工程学院自动化专业10级姓名王志如学号1
论文题目
矿用隔爆三相异步电动机的软启动设计
答辩委员会
主席（或组长）
职称
答辩委员会
秘书
答辩委员会
成员
答辩记录（包含答辩委员提出的问题，学生回答情况等）
记录人签字：
答辩委员会主任（答辩小组组长）（签字）：
年月日年月日
摘要
三相异步电动机的起动以及减少在现代工业控制中的损耗是一个十分值得关注的问题。
在研究电机控制，以实现其平稳起动和减少运行损失的长河中，前辈们提出不少解决这个问题的方法，在某种意义上说解决了上述提出的问题。
交流电机软起动器，它起动平稳，起动冲击电流小，无触点，节约能源，使它在电气控制中得到了普遍运用。
在本文中，就国内软起动器特定工作场所的防爆要求，提供了一个理想的矿用隔爆型交流电动机软起动器的设计。
本文讲述了交流电机软启动在国际中的现状，就起动电机进行了系统解析，并基于对各种起动方法的优缺点进行综合分析，提出了采用隔爆型电机软启动技术这个新的方案，也描述了晶闸管相控调压原理和基于单片机的核心控制，并对它的软硬件进行设计，能够成功的对软起动电路进行智能化的控制。
控制电路可实现对电机的过载、短路、过压、欠压、漏电保护。
关键词：
异步电动机；晶闸管；单片机；软起动
ABSTRACT
Three-phaseasynchronousmotorstarting,andreducethelossinmodernindustrialcontrolisaveryconcern.Inthestudyofmotorcontrol,inordertorealizethesmoothstartandtoreduceoperatinglosses,predecessorsputforwardsomesolutiontothisproblem,inasensetosolvetheabovequestions.Acmotorsoftstarter,itssmoothstarting,smallstartingcurrentimpact,non-contact,saveenergy,makeitwidelyusedintheelectriccontrol.Inthisarticle,thedomesticsoftstarterofexplosion-proofrequirements,aspecificworkplaceprovidesanidealofmineflameproofdesignofacmotorsoftstarter.
Thisarticletellsthestoryofacmotorsoftstartintheinternationalstatusquo,startingmotorhascarriedonthesystemanalysis,andbasedonacomprehensiveanalysisontheadvantagesanddisadvantagesofthevariousstartingmethod,putforwardtheflameproofmotorsoftstarttechnologythenewscheme,andalsodescribesthethyristorphasedregulatingprinciple,andbasedonthecoreofthesingle-chipmicrocomputercontrol,anditshardwareandsoftwaredesign,cansuccessfullyforintelligentcontrolofsoftstartingcircuit.Controlcircuitwhichcanrealizethemotoroverload,shortcircuit,overvoltage,undervoltage,electricleakageprotection.
Keywords:
Asynchronousmotor,；Thyristor；Microcontrollerunit；Softstarting
1三相异步电动机软起动器的目前状况和将来研究方向
1.1电动机的隔爆软起动器的目前情况
矿上机器要求防护等级高，防爆等级高。
它们控制驱动的机械设备不仅功率大，而且工作环境恶劣，工作原理复杂。
为此要求起动控制设备不仅驱动能力大，而且要有完善可靠的控制，监测，保护功能，以确保工作面设备安全有序，可靠的运行。
软起动器运用比较早的是在1970年的英国，由于它的启动方式比较优越，吸引了不少人对它的兴趣。
近几十年来，它得到了广泛的应用并大规模的发展。
例如美国的AB公司生产的315KW～2000KW的交流调压式软起动器，德国AEG公司、SIEMENS公司，法国的TE公司以及欧洲ABB公司，英国的CT公司、B&E公司，法国塞特公司等均推出了各自的产品。
1.2这项技术将来研究方向
这些年来，放眼国内外，隔爆电动机软起动技术有着以下发展趋势：
1．贯彻实施新的国标，并进一步加大步伐参照其他国家的先进标准，从而能够有实力参与全球大市场的更强烈竞争；
2．选用大功率的各类新型电力电子器件，进一步简化起动器结构使其工作性能得到优化；
3．具备各类比较完善的动态和静态以及其他保护功能，如故障检测及维修、温度检测、线路检测保护、欠/过电压检测保护等。
2矿用三相异步电动机的起动
2.1三相交流异步电动机的起动过程分析
2.1.1矿用隔爆三相异步电动机起动器应具有下面几点
（1）需要一个特别大的电动机的起动转矩和拖动系统，以便能够满足曲线的机械性能的要求；
（2）非常小的启动电流；
（3）起启动中尽量小的能量以及功率消耗；
（4）启动电路的保护完善。
上述四条基本要求中，1、2、4为主要考察的技术指标，3是相对来说的经济指标。
在实践活动中，需要综合分析，以确定合理的起动方式。
此外，对于煤矿生产中使用的防爆电动机，有非常高的要求。
在这样的环境条件下，不能够躲避爆炸性粉尘和气体，甲烷气体，可引起空气爆炸（主要是氧气）到处都有，应此在这样的条件下要躲避火花，火焰等产生电弧。
2.1.2异步电动机的开始状态解析
异步电机的T形等效电路图如图下图：
图2-1三相异步电机的等效电路
图中，r1、r2′——电阻；x1、x2′——漏抗；rm——铁耗电阻；xm——励磁电抗；s——转差率；U1、I1——定子电压、定子电流。
由图2-1，可得到异步电机的一个基本公式：
（2-1）
式中:
m1——相数；
T——电机电磁转矩；
Ω1——电机角速度；
p——磁极对数。
由图2.1得
（2-2）
I1=（-I2′）+I0若不计I0,则I1=I2′。
电机启动过程中，转速n=0，转差率s=1，代入上式，则电机的启动转矩TST，启动电流Ist：
（2-3）
（2-4）
在电机起动的瞬间，，n=0，s=1，转子电势最大。
从上述等效电路可以看出，起动的瞬间没有机械功率的输出，因此，Ist很大。
而且普通笼型异步电机的起动电流Ist是额定电流的4倍~7倍。
大的冲击电流，电机本身，电网和其它电气设备的正常工作是对同一个系统有不利的影响。
由于启动转矩是由活性组分和转子电流气隙磁通φM影响，所以直接启动转矩并不大。
在这种情况下，S=1，在转子的最大漏抗，转子功率因数非常低（通常为0.3左右）。
过度的起动电流增大的定子部分的电压降的阻抗，由于定子电压的缘故，将不可避免地降低定子的电势和气隙磁通φm。
并且小转矩的起动，必然会使启动时间延长，进而增加整个过程的能耗，使生产率降低。
而如果负载转矩始终大于起动转矩，那么电机将没有办法起动。
三相异步电机的机械特性、电流特性如图2-2所示。
图2-2三相异步电机的机械特性和电流特性
根据刚才的解析，当电源频率的参数和电机常数，在一定的滑移，起动转矩TST成正比的电压来U1的电动机定子端部的正方形时，U1的启动电压成比例向电流Ist和定子侧。
因此，定子端电压U1的控制可以实现对起动电流和起动转矩TSTIST控制。
2.2三相异步电动机常用的起动方法
2.2.1直接起动
直接起动也称全压起动。
使用矿用隔爆磁力起动器直接起动异步电动机是一种最简单的起动方式，启动时用闸刀开关或接触器将电动机直接接到三相交流电源上。
在煤矿系统大多采用这种方式。
采用直接起动方式，其供电变压器容量应满足下式要求
（2-5）
式中
——电动机起动电流与额定电流之比，称为起动电流倍数；
——电源变压器总容量KV•A；
——起动三相异步电动机功率KW。
直接起动的优点是起动设备简单，操作方便，而且起动速度快。
但其存在的危害也是显而易见的，具体如下：
1.电网冲击：
启动电流太高，会使电网电压减小，会使其他的设备受影响，欠压保护装置可能出现故障，造成有害脱扣装置。
启动电流太大造成电机绕组温度升高，从而加速绝缘的老化，会减少电机的使用寿命。
2.机械冲击：
太大的扭矩通常由马达转子的端环与定子端部绕组的绝缘磨损破裂，会引起冲击烧伤的击穿;联轴器，同步带传动齿轮破损。
3.机械的不利：
开始住在泵系统管路突变引起的压力的过程中，阀门损坏，会影响机器的传动。
以上都会影响运行机械设备，并损耗大量的能源，特别是在当时情况下的过度流失频繁启动。
所以一般情况下直接启动允许大，中功率电机，但必须要求使用的起动设备来完成启动过程。
2.2.2降压起动
此启动在于降低启动电流，也降低启动转矩。
所以对于峰值负载较大的生产机械，便不宜采用这一起动方法。
2.2.3软启动
（1）软起动器控制原理图如下图2-3
旁路接触器
RSTUVW
图2-3软起动器控制原理图
“软启动”其实并不是严肃的定义。
从字面上理解，“软启动”是在以下方面相对于“硬启动”。
“软启动”是指电动机起动电网电压变化影响传动机械产生，来确保平稳过渡到正常的操作状态相对较小，或更小的加速过程。
（2）软启动的意义解析
晶闸管调压原理：
有两种方式晶闸管控制：
相位控制，通过控制晶闸管调压器的导通角来达到目的;另一个控制循环时，晶闸管被用作固定接触器，交替地接通和关断的几个周期的电源电压，导通时间和关断，通过改变时间的比率来控制输出电压的有效值的稳压器。
然而，在频率控制交流感应电机定子使用时，关闭交替频率不能太低，否则不仅会使电机的速度波动，一旦连接到电流等效感应电动机再次重新启动。
切断电源，电动机，由磁场中的瞬态电流，以保持气隙的转子，并与所述转子的旋转而旋转，从而产生一个磁场在定子绕组中的空气间隙来改变频率的感应电动势。
当烘干时间间隔太长，在感应电动势与电源电压的定子旋转磁场被再次打开时，该相位差可以更大，从而导致浪涌电流可能会损坏晶闸管。
因此，对于异步电机的电压控制，常采用相位控制。
与此对照，输出电压波形不是正弦波。
分析表明，该输出电压中不包含偶次谐波，奇次谐波主要是三次谐波。
因为异步电动机是电感性负载，可以从电力电子技术，可以看出，当三相交流电压调节器电路与晶闸管感性负载，只有当相位角大于负载的功率因数角，调节器将有一个作用。
当
<
时，电流导通时间始终保持在180°和0=相同的相位控制不能发挥作用，监管是不可能的，当晶闸管触发脉冲的宽度不够，甚至没有多个方向晶闸管工作加载直流分量出现危险晶闸管。
为了保护晶闸管，移相范围为
≤
<180°。
主电路如下图2-6所示。
图2-6软起动器主回路原理图
实现的三相异步电动机，需要控制输入电压，使得它从小到大按某种形式的曲线上升顺利启动。
分析表明，在一定为了调节晶闸管三对触发角可以达到这个目的。
其实质是电源稳压斩波。
晶闸管任意相工作电压波形如图2-7所示，晶闸管触发角
，负载功率因数角
，晶闸管导通角
。
由图2-7能够推出触发角
，功率因数角
和导通角
三者间的关系：
（2-6）
图2-7晶闸管任意一相工作波形
其中
间的波形表示晶闸管的运算结果电压。
通过改变
值的大小，闸管的电压就可以被改变，进而改变电动机输入电压。
从（2-6）能看出，导通角
与触发角
、功率因数角
有联系。
从不变的负载来说，
是不变的，导通角
仅仅与触发角
有联系。
所以，变化晶闸管触发角
就能使晶闸管输出电压有所变化。
可是就异步电动机，功率因数角
是变化的量，并且它是电动机转速n的函数。
也就是电动机启动时，功率因数角
随着转速n不断变发生改变。
所以，一起变化晶闸管的触发角，必须考虑到的变化，功率因数角。
使异步电动机的输入电压在预先规律变化的唯一途径。
晶闸管相控调压单相等效电路如图2-8所示，ZL表示电动机某一相的等效阻抗，Ui表示电网的相电压，UL表示其输出电压。
设
。
图2-8晶闸管单相等效电路图2-9晶闸管输出电压波形
晶闸管输出波形如图2-9。
其输出电压取决于其功率因数角
、相控角
。
晶闸管具有对称的正负半周触发，其输出电压的有效值为u。
由（2-7）式计算：
（2-7）
可见，UL是功率因数角
和相控角
以及供电电压U的函数。
当U不变时，改变
，能够使晶闸管的输出电压发生改变。
（3）软启动的启动方式
现存的启动方式分类如下，曲线如图2-10所示：
ａ限流启动模式
ｂ电压斜坡起动
ｃ转矩加突跳起动
ｄ转矩起动
ｅ电压起动
图2-10各种软起动方式下相应的启动图线
1.限流软起动：
正在启动一个三相电机的过程中起限流不大于一个值（Im），如图2-10（a）所示。
主要运用于降压负载轻载起动开始
升级会员 