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三相异步电动机软启动装置设计


三相异步电动机软启动装置设计

考生姓名: XXXXXXX 专业层次: 指导教师: XXXXXXX XXXXXXX

准考证号:

XXXXXXXXXX

院 (系) :XXXXXXXXXXXX 职 称: XXXXXXX

二 O 一二年七月二十日

三相异步

电动机软启动装置设计

考生姓名: 准考证号: 专业层次: 指导教师:

XXXXXXXX XXXXXXXXXXXXXX XXXXXXXXXXX XXXXXXXX

院 (系) :XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

二 O 一二年七月二十日

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中文摘要





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,软启动

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英文摘要

Three phase asynchronous motor soft start device design

ABSTRACT

The three-phase asynchronous motor because of its simple structure, convenient manufacture, reliable operation, low price and the like, and is widely applied in industry, agriculture, transportation, defense industry and other industries. But it also has obvious shortcomings, the starting torque is small, large starting current. This situation on the motor itself and the surrounding network has very adverse effect. In order to reduce the asynchronous motor starting process of the impact of power grid, the elimination of the traditional step-down start equipment with level control for asynchronous motor to improve impact, induction motor, this paper based on single-chip microcomputer controlled thyristor voltage soft starter were discussed. This article first elaborated the soft starter thyristor voltage regulating circuit (i.e., working principle, main circuit) is mainly based on thyristor three-phase asynchronous motor soft starter the design of main circuit and trigger circuit design. The electric motor soft starter in model design, but mainly the hardware circuit design of soft starter. In this paper, the design of the soft starter of convenient and simple operation, can make the motor start smoothly. To achieve the improvement of three-phase asynchronous motor starting performance requirements. In order to meet the requirements of starting torque of asynchronous motor starting current is reduced under the premise, so that the motor can stably start. Keywords:Asynchronous motor; Thyristor; Soft starting

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目录





中文摘要 .................................................................................................... I 英文摘要 ................................................................................................... II 1 绪论 ........................................................................................................ 1
1.1 三相异步电动机国内外研究现状 .................................................................................. 1 1.2 本课题研究内容 .............................................................................................................. 1

2 三相异步电动机的起动控制的研究 ................................................... 3
2.1 三相异步电动机的起动过程的分析 .............................................................................. 3 2.2 三相异步电机的启动方法 .............................................................................................. 5 2.2.1 直接起动 .................................................................................... 5 2.2.2 传统减压起动 .............................................................................. 6 2.2.3 软启动 ....................................................................................... 9 2.3 软起动的原理及分析 ...................................................................................................... 9 2.3.1 晶闸管调压原理 ......................................................................... 10 2.3.2 软起动的起动方式 ...................................................................... 12

3 软启动器的硬件电路设计................................................................... 14
3.1 主要器件的介绍 ............................................................................................................ 14 3.1.1 KJ004 功能介绍.......................................................................... 14 3.1.2 KJ041 功能介绍.......................................................................... 16 3.2 主电路的选择 ................................................................................................................ 17 3.3 主回路设计 .................................................................................................................... 18 3.3.1 主回路电路 ............................................................................... 18 3.3.2 晶闸管参数选择 ......................................................................... 19 3.3.3 晶闸管触发电路 ......................................................................... 19 3.3.4 晶闸管保护电路 ......................................................................... 21 3.4 电压检测回路 ................................................................................................................ 22 3.4.1 同步信号检测 ............................................................................ 22 3.4.2 电压反馈回路 ............................................................................ 24 3.5 电流检测回路 ................................................................................................................ 24 3.5.1 电流反馈回路 ............................................................................ 24 3.5.2 过电流保护电路 ......................................................................... 25

4 基于单片机的软起动器的设计 .......................................................... 26
III

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目录

5 结 论 ................................................................................................... 28 致 谢 ....................................................................................................... 29 参考文献 ................................................................................................... 30 附 录 ......................................................................................................... 31 论文原创性声明

IV

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1 绪论

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绪论

1.1 三相异步电动机国内外研究现状
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 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。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、
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1 绪论

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。

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三相异步电动机的起动控制的研究

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:

r1

x1

X2

r2

i1 u1

xm i2 rm im
图 2-1 异步电动机的等效电路

1-s r2 s

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:

u1 ? ?E 1 ? i1 (r1 ? jx1 ) ? ? E1 ? i1Z1
r E 2 ? I( 2 +jx 2) 2 s

(2-1)

(2-2)

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三相异步电动机的起动控制的研究

i1 ? i2 ? im
E'2 ? E1 ? ? I m Zm ? ? I m ? rm ? jxm ?
由以上四式可得:
? ? ? ?

(2-3) (2-4)

r2 ' ? jx2 ' 1? s ? ? rm ? jxm I ? U1 ? r ? jx1 ? r '2 r1 ? jx1 ? ?1 ? 1 ? jx '2 ? ? rm ? jxm ? s

(2-5)

在异步电动机里,因为 r1<x1,rm<<xm,故可以省去 r1,rm,则式(2-5)可以 表示为:
? ?

I ? Im?

U1 ? x ? r' (r1 ? jx1 ) ? ?1 ? 1 ? ( 2 ? jx '2 ) ? xm ? s

(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:

P ? m1E '2 I '2 cos ?2 ' ? m1I '2 r '2 / s em
电磁转矩为:

(2-7)

Tem ?

Pmec (1 ? s) Pmec Pem ? ? ? ?1 ? s ? ? ? 0

(2-8)

其中,

?0 ?

2?n1 f 2? n ? 2? 1 ?? 60 p 为同步角速度; 60 为转子机械角速度;Pem 为机

械功率。由式(2-7)和式(2-8)可得:

Tem ?
根据 T 形等效电路可得:

Pem r ' p ? m1I 2 '2 2 ?0 2? f1 s

(2-9)

I2 ' ? (r1 ?

U1 r2 ' 2 ) ? ( x1 ? x2 ') 2 s

(2-10)

将式(2-10)代入(2-9)得:

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三相异步电动机的起动控制的研究

Tem ?

pm1 2 2? f1 ?? r2 ' ? 2? ' ?? r1 ? ? ? ? x 1? x 2? ? s ? ?? ? ? ?

U12

r2 ' 2

(2-11)

刚起动时,转子 n=0,转差率 s=1,此时启动转矩为: pm1 U12 r2 ' Tst ? 2? f1 ?? r1 ? r2 '?2 ? ? x1 ? x2 '?2 ? ? ?
?

(2-12)

? x1 ? ?1 ? ? xm ? 同时,由于激磁电流相对较小即 I m ? 0 ,? 近似为 1,由式(2-6)的启动电流

为:
I st ? U1

? r ? r2 '? ? ? x1 ? x2 '?
2

2

(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 3~8 倍,起动转矩为额定转矩的 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
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三相异步电动机的起动控制的研究

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。
K1 ? 电源总容量 ? kv ? A? ? I1st 1 ? ? ?3 ? ? I1N 4 ? 起动电动总功率 ? kw ? ?

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。

FU1 FU2

FU3 KM

3M

~

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

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三相异步电动机的起动控制的研究

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。
U V W Q FU1 FU2 FU3

KM

R

FR

3M

~
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/ 3 ,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。

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三相异步电动机的起动控制的研究

U

V

W Q

FU1 FU2

FU3

KM1

KM3

FR

3M

~
KM2

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, 的主触头闭合由自耦变压器的低压抽头(例如 65%)将三相 KM2 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 l/k2。 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。

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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 5~10 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

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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 ? ≤ ? <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;
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三相异步电动机的起动控制的研究

(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。

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三相异步电动机的起动控制的研究

2.3.2 软起动的起动方式
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 U(U,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 2~60 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

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三相异步电动机的起动控制的研究

(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,尽可能地缩短起动时间,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

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3 软启动器的硬件电路设计

3 软启动器的硬件电路设计
3.1 主要器件的介绍
3.1.1 KJ004 功能介绍
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。元件引脚功能见表 3-1: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。 和 C2 形成微分电路, R7 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 3-1 KJ004 的引脚功能表 功 能 输出 空 锯齿波形成 -Vee(1kΩ) 空 地 同步输入 综合比较 空 微分阻容 封锁调制 输出 引线脚 1 号 +Vc c

2

3

4

5

6 7

8

9

10 11 12 13 14 15 16

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3-1 KJ004 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。

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R12 R1 R3 R4 R6 R7 R8 VS1 VS2 VS3 V1 VS4 R5 V2 V3 5 R23 +15V RP1 R24 ub R2 VS5 3 4 C1 R26 R25 uco R27 9 11 C2 12 13 R28 V4 V18 V19 V5 VD1 R10 V20 R19 V6 R13 R11 R14
VD5VD4

16 R15
VD6

+15V

V9 VS6 R16 R18 VS7 V8 R17 V14 R21 V13 V15 V10 V11 1

V17
VD3

R20 8 RP4 us 7

VD2

V7

VD7 VS8 R20 14 +15V

VS9 V12 R22

V16 15

图 3-2 KJ004 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≤10 mA。 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:400μ s~2ms(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≤100μ A)。 正负半周脉冲相位不均衡≤±3°。 使用环境温度为四级:C:0~70℃ 125℃ R:-55~85℃ E: -40~85℃ M:-55~

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3.1.2 KJ041 功能介绍
KJ041 六路双脉冲形成器是三相全控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 (7) 允许使用环境温度:Ⅰ类品为-55~+125 °C;Ⅱ类品为-55~+85°C; Ⅲ类品为-40~+85°C;Ⅳ类品为-10~+70°C。

KJ041

7 图 3-3 KJ041 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

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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 3~18V,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。

3.2 主电路的选择
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 Ui ? 2U sin wt 。

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图 3-5 晶闸管单相调压电路

图 3.6 晶闸管输出电压波形

图 3-6 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:
UL ? 1? ? ? ? ? ?0

?

2U sin wt

?

2

d ? wt ? ? ?

?

?

?

2U sin wt

?

2

公式(3-1) 1? 1 ? ?U ?? ? ? ? ? ? ? ? sin 2? ? sin 2? ?? ? f ?U ,? , ? ? ?? 2 ? ? 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。

d ? wt ? ? ? ?

3.3 主回路设计
3.3.1 主回路电路
软起动器主回路设计电路如图 3-7 所示。

U

R

V

S

M 3

~

T W

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,
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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。

3.3.2 晶闸管参数选择
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/RRM=(2~3)UM。在本文设计中电机为 220V 的三步 电动机,根据公式计算可得晶闸管耐压在 622V ~ 933V 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 IRMS=1.57ITAV。 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 1.57 ITAV。本文中使用的异步电机功率 4KW,额定电 流 0.55A。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 3.3A~3.85A。

3.3.3 晶闸管触发电路
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 宽窄脉冲模式的变换,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, KJ004 处于宽脉冲方式时, 当 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 KJ041 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 3-8 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[6]。此外,还有强触发和 双窄脉冲形成环节。

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R26

11 C2 12

? 15 V ?

16 R1 A B VD2 R2 VD1 R3 R6 V5 R7 R8 VD6 VD8 R4 V4 VD3 VD4 V7 R9 V10 VD7 VDW3
VDW2

V11 R10 V9 V8 R12 R11 V13 R13 V14 V15

V6

1

uV

R 8 7 C3 5 R V2 V3 V1

15

VDW1 R5

VD5

VD9 VDW4

VDW5 V12

3 ? 15 V RW R22

C1

4 R24 C4

9 R25 R23

13

14

偏移电压(-) 移相电压 (+)

图 3-8 脉冲发生电路图

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。uco=0 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 2E1(30V)时, V4 导通, 点电位由+E1(+15V) 下降到 1.0V 左右, 基极电位下降约-2E1(-30V), A V5 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)同步环节 4)双窄脉冲形成环节

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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。

图 3-9 晶闸管触发电路总图

3.3.4 晶闸管保护电路
晶闸管由于击穿电压接近工作电压,热容量又较小,所以承受过电压、过电 流能力较差,短时间内的过电压、过电流都可能造成元件损坏。为了使晶闸管能 正常工作,除了合理的选择元件外,还必须对过电流,过电压的发生采取保护措 施。 (1)过电流保护 晶闸管设备发生过电流有可能是晶闸管损毁、触发电路或控制系统有故障等。 针对这些情况,除了用软件来实现保护外,还可以在硬件电路中加入快速熔断器 来保护晶闸管的过电流。 (2)过电压保护 我们知道晶闸管有一个重要的特性参数,即断态电压临界上升率 du/dt。它表 明晶闸管在额定结温和门极断路条件下,使晶闸管从断态转入通态的最低电压上 升率。若电压上升率过大,超过了晶闸管的电压上升率的值,则会在无门极信号 的情况下开通。即使此时加于晶闸管的正向电压低于其阳极峰值电压,也可能出 现这种情况[7]。 为了限制电路电压上升率过大,确保晶闸管安全运行,本设计在晶闸管两端
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并联 RC 阻容吸收网络,利用电容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率。如 图 3-7 中所示。因为电路总是存在电感的,所以与电容 C 串联电阻 R 可起阻尼作 用,它可以防止 R、L、C 电路在过渡过程中,因振荡在电容器两端出现的过电压 损坏晶闸管。同时,避免电容器通过晶闸管放电电流过大,造成过电流而损坏晶 闸管。

3.4 电压检测回路
在电压检测回路中,尽量实现以下三个功能。其一是同步信号的检测功能, 采样三相电压的自然换相点,它作为晶闸管脉冲触发信号的同步信号;其二是通 过检测晶闸管输出端可以得到晶闸管导通时刻的检测,以便做电压反馈和缺相故 障检测;其三是将三相晶闸管输出电压信号通过电阻降压后转变成直流信号,再 经 A/D 转换后送入到单片机中,作为过压或欠压保护的信号。

3.4.1 同步信号检测
为了保证三相交流调压器主回路中各个晶闸管的触发脉冲与其阳极电压保持 严格的相位关系。在电机软起动器的设计过程中,同步信号检测是很重要的一个 环节。只有准确的测量出电压的过零点,才能精确的控制晶闸管的导通角,从而 实现对电机两端电压的无极加载,完成软起动的功能。采用如图 3-10 所示的电路 作为电压同步信号检测电路[8]。从图中可以看出,这个电路的功能就是将由电源 侧来的线电压正弦信号转为低压方波信号来供单片机进行处理分析。由于这里的 信号是从高压转为低压送入单片机处理的,因此要利用一块光耦对高低压信号进 行隔离,这样保证了这两种信号可以互不干扰地分离处理。整个工作过程大体是 这样的:由电源侧来的线电压信号经过 2 个电阻和 1 个二极管,变成半波交流信 号,这个交流信号在正半波时触发光耦导通,从而使得右侧输入到单片机的是高 电平信号;而当光耦左侧交流信号处于低电平时,光耦则截止。那么右侧输入到 单片机的信号也就是低电平。这样周而复始,单片机所得到的就是幅值为 5V 的方 波信号,周期等同于电源的周期即工频 50Hz,而高低电平持续的时间也基本与电 源侧正负交流信号所持续的时间大致相同,虽然其间存在着一定的时延,但这可 以通过软件进行补偿,从而既简化了外围硬件电路的设计,又得到了与电源电压 同步的信号,为下面给出晶闸管触发信号提供了工作电压零点的基准。图中右端 接主控单片机芯片。这个电路的优点在于:一方面,在起动未开始或是开始瞬间, 这个电路就可以检测到器件电压零点;另外,由于输入的交流信号是直接从电源 侧获取的,因此这就不需要像其他电路那样需要先利用变压器取得交流信号再进

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行处理,这样就既节省了线路板的空间,又节约了成本。
+5V

U V

R11 VD5

R13

TLP521

D11

R15

图 3-10 同步信号检测电路

同时,可以利用图 3-10 这个电路(以下称为电路 I)和另一套与电路 I 基本相 同的电路(以下称为电路 II)配合,进行电源的相序判断和缺相检测。简要介绍一 下工作原理。电路 II 和电路 I 结构基本相同,存在的区别就是,假设电路 I 的输 入侧连接电源的 U、V 两相,而电路 II 输入侧连接的就是电源的 V、W 两相,且输 出信号是分别送入主控单片机芯片的外部中断输入口。 我们假设电路 I 接的是电源的 U、V 相,而电路 II 接的是 V、W 相,这样 在三相电源正常工作时,当 UV 线电压发生正跳变(即从负半波转为正半波)时,VW 线电压为负,那么电路 II 送入 CPU 的信号就为低电平;当 UV 线电压发生负跳变 时, 线电压为正, VW 那么电路 II 送入 CPU 的信号是高电平(如果电路 II 接的是 W、 V 相,那么两次送入 CPU 的信号高低电平情况就相反)。同步信号示意图如下

图 3-11 同步信号示意图

而当电源发生缺相故障时,UV 线电压无论发生何种跳变时,VW 线电压都同为 正或同为负,这样电路 II 送入单片机的信号将同为高电平或低电平。设置电路 I 接入单片机的 P3.2 引脚在信号每次跳变时都产生中断,并在每次跳变中断时记 录下电路 II 接入单片机的 P3.3 引脚的状态,通过两次对比 P3.2 引脚的电平情
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三相异步电动机的起动控制的研究

况,从而判断出所连入电路中三相电源的相序,为下一步产生正确的脉冲触发信 号序列奠定基础。同时在电源缺相时,也能判断出故障状况,并封锁脉冲信号及 给出报警信号和显示信息。

3.4.2 电压反馈回路
电压反馈回路如图 3-12 所示。下面的电路可以得到与晶闸管导通与关断时刻 相匹配的工频 50Hz 的矩形波。简单介绍一下电路构成:U 为三相电源的一个输入 端(即一组晶闸管输入侧),R 是与之相应的电机输入端(即相应晶闸管输出侧)。 6N139 是一块高速达林顿光耦,既保证高压侧与单片机低压部分的隔离,又能快速 反应出晶闸管导通/截止的时刻。通过计算单片机 I/O 口的高低维持时间,我们就 可以计算出晶闸管的导通角,作为输出电压反馈,同时可以检测出电压是否缺相, 并发出报警信息,及时通知操作人员出现故障的某一相电源。图 3-12 显示的是一 路电压反馈的检测,还有两路与之相似的电路检测 V、W 相。

图 3-12 电压反馈回路

3.5 电流检测回路
电流检测回路包括了电流反馈回路和保护回路两方面。通过霍尔传感器将三 相电流信号转换成电压信号,再将这个电压信号经过 A/D 转换后送入到单片机中 作为电流负反馈调节、故障检测和过流保护的依据。

3.5.1 电流反馈回路
电流反馈信号取自电机的定子侧,采样器件为霍尔元件,采样后得到三相电 流信号, 将此电流信号经过精密电阻得到相应的电压信号。 与电压过/欠电路类似, 该信号经过三相全波整流、滤波和分压后得到一个直流信号,并经过 A/D 转换后 送入到单片机的 I/O 口中,作为系统执行软起动时的电流反馈信号。电流反馈信 号检测电路如图 3-14 所示。U15 为单片机芯片。

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3 软启动器的硬件电路设计

图 3-14 电流检测电路

3.5.2 过电流保护电路
一个优秀的过流保护环节应该是既能对过流反应迅速,又能够准确动作。本 设计的过流保护和过压保护环节相似。过流保护的信号取自电流反馈回路,整流、 滤波电路与电流反馈电路相同。它与设定值相比较,一旦超过设定值,则输出一 个低电平信号送入辅助单片机 U2 的外部中断口 P3.3,然后再由软件处理,对过流 的晶闸管实现脉冲封锁、故障报警和系统复位等。对过电流值的设定,一般选择 大小为 5.5 倍的额定电流,这是因为一般的限流起动时,选择的最大限流幅度为 5 倍,因此要留出一定的余量来保证正常起动时不至于切断电路。过流保护的具体 回路如图 3-15 所示。
+5 +5 R92 R93

TA1 TA2 TA3

R83 R90 R84 R89

R91 + -

图 3-15 过电流检测电路

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4 基于单片机的软起动器的设计

4 基于单片机的软起动器的设计
由单片机产生所需的晶闸管移向触发脉冲,必须包括同步电压检测环节、移 相延迟角定时环节、触发脉冲时序分配环节等部分,它与模拟电路实现的方法是 类似的。 同步检测信号在发生正跳变时,经反相以终端的形式向 CPU 的 INT0 提供同步 指令。采用 CPU 内部 T0 定时器检测同步信号的周期,用 T1 定时器实现移相角的 定时控制,P1 端口的 P1.2~P.7 分别用于输出三相桥式整流电路的触发信号,而 P1 口的 P1.0~P1.1 除法指令进行采样。 而由于 MCS51 单片机在 CPU 上电复位期间, 所有输出为高电平,为避免复位期间所有晶闸管存在驱动信号,应采用低电平为 有效触发信号。即当端口输出为低电平时,经外加反相器变为高电平后触发晶闸 管导通,输出触发脉冲的宽度也通过定时器 T1 来控制。触发脉冲的控制软件框图 如图 4-3 所示。

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4 基于单片机的软起动器的设计

主程序

主程序

初始化,并设 置处置

保护现场

开放外中断

关定时器T0

计算脉宽定时处置 并保存

读入T0值并保存

读入触发角指令

定时器T0清0,重新启动T0

看门狗处理

关断T1 N 通过循环延时来完成未完 成触发脉冲的输出

IDT=1? a) Y

输出全1 触发角调整计算,由此确定 第一个脉冲指令初值并保存

计算触发角对应的定时初 值,并送初值至T1定时器

定时器T1中断程序

置脉冲前沿标志

START=1? Y

N

输出全T1

取第一个脉冲指令

输出触发脉冲信号

关T1

计算下一个脉冲间 隔的定时初值 N 间隔时间初值至 T1 IDT=1? Y N 触发延时角定时值 减去循环延迟角

关T1 清脉冲前沿标志 START清IDT 开T1 计算下一个触发脉 冲,并保存

R5-1=0?

置IDT,R5=6

开T1 启动T1 Y

置START

恢复现场

返回 b)

返回

c)

图 4-3 移相触发脉冲产生的控制软件流程图 a) 主程序图 b) T1 定时中断子程序 c) 外部中断程序流程

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5 结论

5 结 论
广泛应用的三相异步电动机起动时刻出现的起动电流一般高出额定电流的 3~7 倍,会对进线、供电电网、电动机以及其他设备造成严重危害。传统的降压 起动存在着降压效果不明显、耗能大、有机械触点或不能平滑调节电压等缺点。 由高性能控制芯片技术与电力电子技术的紧密结合产生的软起动器可以实现更灵 活的实现降压起动。 本文在查阅有关中外文献的基础上对晶闸管移相交流调压感应电动机软起动 系统的硬件设计方面进行了主要的研究,而对于软件方面由于实验条件等方面的 原因未作深入探讨,总结本课题研究的内容如下。 1)在分析了三相感应电动机的起动过程和三相交流调压电路的基础上,研究 设计了晶闸管调压的触发方案。 2)采用单片机作为主控单元,设计了软起动系统的硬件电路和软件程序。 由于时间及实验条件等的限制,仍还有许多问题有待于进一步研究,例如软 件设计方面阐述及论证的内容不够详实等。 电机软起动器将来的发展方向是更加智能化和多功能化。目前来看,软起动 仍以电压斜坡软起动和限流软起动为主要形式,以后转矩控制的起动方式将成为 电机软起动的一种重要起动方式。从更长期来看,变频软起动将成为软起动的主 流。这是因为变频软起动可以在限流(起动电流不超过电机额定电流值)的同时获 得大的起动转矩,完成包括软停车在内的各种起动功能。

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致谢





本论文是在指导老师的精心指导下完成的。在做毕业设计的整个过程中,得 到了老师的耐心指导,特别是在设计的初始阶段,老师在需求分析方面给了我很 大的帮助,在老师帮助和指导下,使我能很快地就确定了系统的目的和开发方案, 在后来的确定步进电机结构和性能方面老师给了很大的帮助,使后来的程序实现 方面使我少走了很多弯路,并提高了我的效率。这对于我以后的工作和学习都有 很大的帮助,在此衷心感谢老师的耐心辅导。 同时感谢那些在设计中给予帮助的同学,因为有充分的、默契的合作才有更 顺利的结果。

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参考文献

参考文献
[1] 王颖.中压电动机传统起动方式的危害性[J].大电机技术,2004,4(1):42-45 [2] 陈翔宇,江和.异步电机电子软起动器的现状和展望[J].电气开关,2003,6(2):31-33 [3] 蒋家久.中压交流电机软启动技术问题探讨[C].机车电传动,2004,3(3):8-11 [4] 周文定,亢宝位.缘栅双极晶体管(IGBT)的研究与设计[J].杭州:浙江大学电气工程学 院,2005 [5] 许宏纲,徐方逸.软起动器原理及其应用.能源技术,2002,23(3):121-125 [6] 余洪明,章克强.软起动器实用手册[M],北京:机械工业出版社,2006 [7] 高伟.单片机原理及应用[M],北京:国防工业出版社,2008,2 [8] Lipo T A,Rowan T M.A quantitative analysis of induction motor performance improvement by SCR voltage contr[C].IEEE Trans,1983:545~553. [9] 张大禹,纪延超,王建赜.中压异步电动机软起动装置的研制.电气应用.2008,8(1): 5-8 [10] 危文刚.高压笼型电动机自励式磁控软起动技术[J].电气时代.2008,1(4):36-39 [11] 孙津济,房建成,王建民.异步电动机软起动过程中的振荡[J].电工技术学报.2007, 2(7):16-1 [12] 张浩,韦忠朝.电子软启动器软件控制算法的设计[J].电力电子技术,2002 [13] 梁亦铂,王正茂,何涛.全数字直流电动机调速系统的原理及数学模型[J].中小型电 机,2001,28(6):17-20

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附录

附 录
MCS-51 汇编语言编写的控制软件清单: ;******************** Start of Program **************************** ; WIDTH WIDTL ALFA DRIVE DRIVE0 TH TL ATH ATL INTERVH INTERVL WIDTH0 WIDTL0 ; START IDT ; ORG SJMP ORG AJMP ORG AJMP ; ********************************************************************** 0000H BEGIN 0003H INT0 001BH T1_INT ;外部中断 0 入口 ;定时器 T1 中断入口 ;主程序入口 BIT 01H BIT 3CH ;脉冲前沿标志(=1 为前沿) ;触发信号是否发送完毕的判断标志 EQU 07H EQU 0D0H EQU 31H EQU 32H EQU 33H EQU 34H EQU 35H EQU 36H EQU 37H EQU 38H EQU 39H EQU 3AH EQU 3BH ;保存 60°角的定时计数值高 8 位单元 ;保存 60°角的定时计数值低 8 位单元 ;脉冲宽度定时初值高 8 位单元 ;脉冲宽度定时初值低 8 位单元 ;触发延迟角的定时计数值保存单元 (MCS-51 汇编程序) ;脉冲宽度定时计数值高 8 位 数周期 ;触发脉冲延迟角保持单元 ;触发脉冲保存单元 ;第一个输出脉冲触发信号保存单元 ;同步电压信号周期的计数值保存单元 ;**************************************************************** ;脉冲宽度定时计数值低 8 位,07D0H=2000 次计

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ORG BEGIN:MOV MOV MOV MOV MOV MOV CLR SUBB MOV CLR ; LOOP: CLR MOV P3.7 C

0030H SP,#60H; 设置栈指针 TMOD,#11H;设置 T0,T1 均为 16 位定时器 TCON,#01H;置 INT0 为跳变脉冲方式,T0,T1 停止计数 IP,#08H IE,#8BH A,#0 C A,#WIDTL WIDTH0, A ;用于输出脉冲的 T1 为最高优先中断级 ;仅开放 INT0 中断允许 ;计算脉冲宽度定时值

ALFA,#01H

;读入触发延迟角指令值 ;实际上可通过 A/D 转换、串行指令、 压控振荡计数等 ;许多方式完成触发延迟角指令值的输 入

SETB SIMP

P3.7 LOO PUSH Acc R5,#6H TR0 TH,TH0 TL,TL0 TH0, TR0 IDT, COUNT TR1
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;循环等待中断 PSW ;设置输出脉冲计数器初值 ;管定时器 T0 ;读取定时器计数值的同步信号周期 ;清计数值,便于下次计算 ;重新启动定时器 T0 工作 ;判断 IDT=1? ;否,管段定时器 T1

;***************************************************************** INT0: PUSH MOV CLR MOV MOV MOV MOV ; JB CLR

#0

TL0, #0

SETB

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CYC: CLR MOV SUBB MOV MOV MOV CLR RRC MOV MOV RRC A,#0 A,TL1 R1,A A,#0 R2,TH1 C A R3,A A,R1 A

C ;计算触发角触发的时间

;除以 2

CYC1: CYC2: DJNZ MOV MOV SETB SUBB JC 调整 MOV CKR SUBB JNC MOV CLR SUBB MOV MOV SJMP ADJ: MOV MOV SJMP

MOV DJNZ R3,CYC1 P1,#0FFH CLR ALFA

R4

;通过循环来完成触发脉冲

R4,CYC2 ;循环完则管角置 1 TR1 ;管定时器 T1

COUNT: A, C

A,#55H NO_ADJ A,ALFA C A, #0AAH ADJ A, ALFA C A, #55H ALFA, A ADJEND ALFA,A ADJEND
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;延迟角小于 60°,有错位,无需

;无错位,跳调整 ;顺序执行

;延迟角减去 60°,实现调整

DRIVE0,#0BFH;第一个触发信号为 T6 导通角 ;保存调整后的延迟角

DRIVE0,#0BFH;第一个触发角信号为 T5 管导通

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NO_ADJ: ADJEND:

MOV MOV MOV MUL

DRIVE0,#0FBH;第一个触发信号为 T1 管道通 A,TH B, ALFA AB ;计数值存在 B,R0 中 ;高位移至 A 中 ;除以 2 A,#0H,AD1 A,#01H ATH,A A,R0 A A,#0H,AD2 A,#01H ATL,A A,#0 C TL1,A A,#0 A,ATH C START A,R7 TR1 Acc PSW ;启动 T1 定时器工作 ;置脉冲前沿标志初值 ;低位移至 A 中 ;除以 2 ;判断地位是否为 0 ;是则输入 1 ;输入到计数值保存单元 ;转换成定时器初值送 T1 ;判断计数值高位是否为 0 ;为 0 则输入 1H ;计算触发延迟角定时计数器

CLR C MOV R0,A MOV A,B RRC CJNE MOV AD1: MOV MOV RRC CJNE MOV AD2: MOV MOV CLR MOV MOV SUBB CLR SETB MOV TT: SETB POP POP RETI ;***************************************************************** T1_INT: PUSH PUSH SETB PSW Acc P1.0
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A

SUBB A,ATL

MOV TH1,A

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JB MOV CLR DJNZ SETB MOV AJMP T1_1: MOV MOV SETB SETB T1_2: ST : SETB SJMP MOV CLR CLR MOV RL ANL JNZ MOV T1_BACK: CLR POP POP RETI

START,ST P1,#0FFH TR1 R5,T1_1 IDT R5,#6H T1_2 TH1,INTERVH TL1,INTERVL IDT TR1 START T1_ BACK P1,DRIVE TR1 IDT A,DRIVE A A,#01H T1_BACK DRIVE,#0FBH P1.0 Acc PSW

;脉冲前沿标志,跳转 ;脉冲后沿,输出全 1 ;关 T1 ;置位 IDT ;R5=6 ;重新送间隔时间的定时初值

;开 T1 ;重置脉冲前沿标志 ;输出触发脉冲信号 ;清 IDT ;触发脉冲左移一次

MOV DRIE,A

;***************************End of Program**************************

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论文原创性声明
本人以信誉声明:所呈交的毕业论文是在导师的指导下进行的设计(研究) 工作及取得的成果,论文中引用他(她)人的文献、数据、图件、资料均已明确 标注出,论文中的结论和结果为本人独立完成,不包含他人成果及为获得重庆科 技学院或其它教育机构的学位或证书而使用其材料。与我一同工作的同志对本设 计(研究)所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

毕业论文作者(签字) : 签字日期: 年 月 日


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