三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、i 目 錄 摘 要 .i abstract.ii 1 緒 論.1 1.1 研究的目的、意義.1 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀.2 1.3 本課題研究?jī)?nèi)容.3 2 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)控制的研究.4 2.1 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程的分析.4 2.2 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法.6 2.2.1 直接起動(dòng).6 2.2.2 傳統(tǒng)減壓起動(dòng).7 2.2.3 軟啟動(dòng).10 2.3 軟起動(dòng)的原理及分析.11 2.3.1 晶閘管調(diào)壓原理.11 2.3.2 軟起動(dòng)的起動(dòng)方式.13 3 軟啟動(dòng)器的硬件電路設(shè)計(jì).16 3.1 主要器件的介紹.16 3.1.1 kj004 功能介紹.16 3.1.2 kj041 功能介紹.1

2、8 3.1.3 kj042 功能介紹.19 3.2 主電路的選擇.20 3.2.1 調(diào)壓方式的選擇.20 3.2.2 晶閘管相控調(diào)壓原理.21 3.3 主回路設(shè)計(jì).21 3.3.1 主回路電路.22 3.3.2 晶閘管參數(shù)選擇.23 3.3.3 晶閘管觸發(fā)電路.23 3.3.4 晶閘管保護(hù)電路.26 3.4 電壓檢測(cè)回路.26 3.4.1 同步信號(hào)檢測(cè).27 3.4.2 電壓反饋回路.28 3.5 電流檢測(cè)回路.30 3.5.1 電流反饋回路.30 3.5.2 過(guò)電流保護(hù)電路.31 4 基于單片機(jī)的軟起動(dòng)器的設(shè)計(jì).31 4.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).32 4.2 控制軟件設(shè)計(jì).34 4.3 觸發(fā)

3、脈沖控制的軟件設(shè)計(jì).36 ii 結(jié)束語(yǔ).44 參考文獻(xiàn).45 致 謝.46 i 三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的設(shè)計(jì) 摘 要 三相異步電動(dòng)機(jī)因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、運(yùn)行可靠、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，而廣 泛應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、國(guó)防工業(yè)以及其他各行各業(yè)中。但它也有明顯的 缺點(diǎn)，那就是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，起動(dòng)電流過(guò)大。這種情況對(duì)電機(jī)本身及周?chē)娋W(wǎng)都有非常 不利的影響。為了減小異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中對(duì)電網(wǎng)的沖擊、消除傳統(tǒng)降壓起動(dòng)設(shè)備 的有級(jí)觸點(diǎn)控制對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的沖擊、改善異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性，本文對(duì)基于單片 機(jī)控制的晶閘管調(diào)壓軟起動(dòng)器進(jìn)行討論。 本文首先闡述了軟起動(dòng)器晶閘管調(diào)壓電路(即主電路)的工作原理，主要是基

4、于晶閘 管的三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器主電路設(shè)計(jì)和觸發(fā)電路設(shè)計(jì)。然后是對(duì)電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器 模式的設(shè)計(jì)，但主要還是軟起動(dòng)器的硬件電路設(shè)計(jì)。 本文設(shè)計(jì)的軟起動(dòng)器操作方便簡(jiǎn)單，能夠使電機(jī)順利起動(dòng)。使之能達(dá)到了改善三 相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的要求。在滿足異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求及降低起動(dòng)電流的前 提下，使電機(jī)能夠平穩(wěn)可靠起動(dòng)。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：異步電動(dòng)機(jī)；晶閘管；軟起動(dòng) ii design of three-phase asynchronous motorsoft starter abstract three-phase asynchronous motor has a wide range of applica

5、tion in industry,argriculture，transportation business，defense industry and other walks of lifebut it also has the obvious shortcomings that starting torque, starting current. this kind of situation of motor and power are very disadvantageous around. in order to reduce the asynchronous motor start-up

6、 process for grid, eliminate the impact of traditional step-down start equipment has control of contacts in the level of asynchronous motor, improve the impact of asynchronous motor starter characteristics, this article based on the single chip microcomputer control thyristor surge soft starter are

7、discussed. this article elaborates the soft starter thyristor regulating circuit, which is based on thyristor three-phase asynchronous motor soft starter main circuit design and implement trigger circuit design. then the motor soft starter, but the pattern design of main or soft starter hardware cir

8、cuit design. this article designs the soft starter operation convenience simple, can make the motor starts smoothly.to achieve improved three-phase asynchronous motor starting performance requirements. in asynchronous motor starting torque requirements and reduce starting current, under the premise

9、of the motor can be stable and reliable. keywords：asynchronous motor; thyristor; soft starter xx 大學(xué) xx 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 1 緒 論 1.1 研究的目的、意義 三相異步電動(dòng)機(jī)，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、價(jià)格低廉、堅(jiān)固耐用、運(yùn)行可靠、 很少需要維護(hù)及可用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、國(guó)防軍事和日常 生活中得到了廣泛的應(yīng)用，當(dāng)前大部分工業(yè)拖動(dòng)都是以交流異步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，包 括風(fēng)機(jī)、水泵、油泵、壓縮機(jī)等。 但是，由于其固有的啟動(dòng)性能較差，直接起動(dòng)又容易造成對(duì)周?chē)娋W(wǎng)的影響。通

10、常要求采用專(zhuān)門(mén)的啟動(dòng)設(shè)備完成正常的啟動(dòng)工作，尤其頻繁啟動(dòng)時(shí)更是如此。然而， 它是以反電勢(shì)為主的負(fù)載，即以反電勢(shì)來(lái)平衡外加電壓。電動(dòng)機(jī)的反電勢(shì)隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn) 速的增加而逐漸增大，電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)開(kāi)始時(shí)反電勢(shì)為零，所以起動(dòng)電流很大。電動(dòng)機(jī) 起動(dòng)時(shí)刻出現(xiàn)的起動(dòng)電流一般高出額定電流 37 倍，特殊情況下可達(dá)到 10 倍以上， 這樣大的起動(dòng)電流不僅加重了進(jìn)線供電電網(wǎng)以及接在電動(dòng)機(jī)前面的開(kāi)關(guān)電器的負(fù)荷， 而且對(duì)電網(wǎng)及其負(fù)載造成干擾，特別是當(dāng)電動(dòng)機(jī)容量較大時(shí)，沖擊電流會(huì)對(duì)電網(wǎng)及其 負(fù)載造成干擾，嚴(yán)重時(shí)，甚至危害電網(wǎng)的安全運(yùn)行1。啟動(dòng)電流過(guò)大時(shí)，將使電動(dòng)機(jī)本 身受到過(guò)大電磁力的沖擊，如果經(jīng)常啟動(dòng) ，還有使繞組過(guò)熱的危

11、險(xiǎn)。同時(shí)，由于啟動(dòng) 應(yīng)力較大，使得負(fù)載設(shè)備的使用壽命降低。還有，由于起動(dòng)應(yīng)力較大，出現(xiàn)的巨大轉(zhuǎn) 矩又會(huì)使電動(dòng)機(jī)發(fā)生劇烈的沖振，并且也給用作動(dòng)力傳輸輔助設(shè)備和做功機(jī)械設(shè)備帶 來(lái)不可避免的機(jī)械沖擊。所以，這種“硬起動(dòng)”不僅會(huì)縮短傳動(dòng)單元和做功機(jī)械設(shè)備 的使用壽命，而且過(guò)高的起動(dòng)電流還會(huì)引起供電電網(wǎng)的電壓驟然跌落，致使那些對(duì)電 壓敏感的用電設(shè)備產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，對(duì)三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)情況進(jìn)行研究是非 常有現(xiàn)實(shí)意義的。 為了降低起動(dòng)電流，人們采用了各種降壓起動(dòng)技術(shù)。比較傳統(tǒng)和應(yīng)用較普遍的有 變壓器降壓起動(dòng)，串電抗器起動(dòng)和 y/轉(zhuǎn)換等等。采用這些傳統(tǒng)起動(dòng)方式起動(dòng)時(shí)降低 了加在定子繞組的電壓，起到了一定

12、的限流作用，但仍存在著很多問(wèn)題，例如靠接觸 器切換電壓來(lái)達(dá)到降壓的目的，所以無(wú)法從根本上解決起動(dòng)瞬時(shí)電流尖峰的沖擊；起 動(dòng)轉(zhuǎn)矩不可調(diào)，存在二次沖擊電流；對(duì)負(fù)載產(chǎn)生沖擊轉(zhuǎn)矩，當(dāng)電網(wǎng)電壓下降時(shí)，可能 造成電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)；容易造成接觸器觸點(diǎn)的拉弧損壞。 近幾年來(lái)隨著電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外相繼開(kāi)發(fā)出以晶閘管 xx 大學(xué) xx 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 為核心的電路元件、以單片機(jī)為控制核心的異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)設(shè)備。該軟啟動(dòng)設(shè)備平 滑了異步電動(dòng)機(jī)加速過(guò)程，大大減緩了對(duì)電網(wǎng)及機(jī)械設(shè)備的沖擊。采用電力半導(dǎo)體器 件對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)控制的電力電子軟啟動(dòng)器解決了傳統(tǒng)降壓?jiǎn)?dòng)方法存在的二次電 流沖擊問(wèn)題

13、，具有無(wú)觸點(diǎn)、 啟動(dòng)電流及啟動(dòng)時(shí)間可控、 啟動(dòng)過(guò)程平滑等優(yōu)點(diǎn)，并且 維護(hù)工作量小，具備完善的電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能。晶閘管軟啟動(dòng)器是一種集軟啟動(dòng)、軟停 車(chē)、輕載節(jié)能和多功能保護(hù)于一體的新穎電機(jī)控制裝備。它不僅實(shí)現(xiàn)在整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程 中實(shí)現(xiàn)無(wú)沖擊而平滑地啟動(dòng)電機(jī)，而且可根據(jù)電動(dòng)機(jī)負(fù)載的特性來(lái)調(diào)節(jié)啟動(dòng)過(guò)程中的 參數(shù)，如限流值、啟動(dòng)時(shí)間等。此外，它還具有多種對(duì)電機(jī)保護(hù)功能，這就從根本上 解決了傳統(tǒng)的降壓?jiǎn)?dòng)設(shè)備的諸多弊端。本文詳細(xì)介紹三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的設(shè) 計(jì)。 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 我國(guó)軟起動(dòng)技術(shù)起步于上世紀(jì) 80 年代早期，目前生產(chǎn)電機(jī)啟動(dòng)器的廠家很多，先 后也推出了多種品牌的軟起動(dòng)器。但由于國(guó)內(nèi)自主

14、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的能力相對(duì)較弱，對(duì)國(guó) 外產(chǎn)品的依賴(lài)還是很?chē)?yán)重。在技術(shù)上和可靠性上與國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品尚有一定的差距。所 以在整個(gè)軟起動(dòng)器市場(chǎng)上，占據(jù)統(tǒng)治地位的還是國(guó)外產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品所占的份額還是 很低。 目前市場(chǎng)上生產(chǎn)的軟啟動(dòng)器主要以機(jī)械式和三相反并聯(lián)晶閘管方式為主。機(jī)械式 啟動(dòng)器是目前使用比較廣泛的啟動(dòng)方式，但它是有級(jí)起動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生二次沖擊電流，啟 動(dòng)電流仍然為標(biāo)稱(chēng)電流的 34 倍，且有體積大、噪音大、維護(hù)費(fèi)用高、無(wú)法適應(yīng)惡劣 環(huán)境等諸多弊端。 近三十年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，使無(wú)電弧開(kāi)關(guān)和連續(xù)調(diào)節(jié)電流成為可能。 電力半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件具有無(wú)磨損、壽命長(zhǎng)、功耗小等特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)代控制理論及微機(jī) 控制技術(shù)，為

15、實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟起動(dòng)提供了全新的思路。要突破傳統(tǒng)的啟動(dòng)方式，是離不 開(kāi)電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展的。 隨著這些技術(shù)的不斷進(jìn)步，電力電子軟起動(dòng)裝置也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，采用這些 方法可以使三相異步電動(dòng)機(jī)獲得很好的起動(dòng)性能。近三十多年來(lái)，國(guó)外對(duì)晶閘管三相 交流調(diào)壓電路進(jìn)行了廣泛的研究，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。如美國(guó) ab 公 司、英國(guó) ct 公司、法國(guó) te 公司、德國(guó) aeg 公司、瑞士 abb 公司等均推出了軟起動(dòng) 器系列產(chǎn)品，如 ge 公司生產(chǎn)的最大功率達(dá)到 850kw，額定電壓 500v，額定電流 xx 大學(xué) xx 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 1180a，最大起動(dòng)電流 5900a；a

16、bb 公司生產(chǎn)的最大功率達(dá)到 1200kw，額定電壓 690v，額定電流 1000a；意大利 siei 工公司生產(chǎn)的額定電壓 690v，額定電流 1600a；美國(guó) bs 公司還生產(chǎn)中壓 613.8kv 同步或異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器，最大功率達(dá) 到 10000kw2。 目前在國(guó)外，發(fā)達(dá)國(guó)家的電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)產(chǎn)品主要是固態(tài)軟起動(dòng)裝置晶閘管軟 起動(dòng)和兼作軟起動(dòng)的變頻器。在生產(chǎn)工藝兼有調(diào)速要求時(shí)，采用變頻裝置。在沒(méi)有調(diào) 速要求使用的場(chǎng)合下，起動(dòng)負(fù)載較輕時(shí)一般采用晶閘管軟起動(dòng)。在重載或負(fù)載功率特 別大的時(shí)候，才使用變頻軟起動(dòng)。晶閘管軟起動(dòng)裝置是發(fā)達(dá)國(guó)家軟起動(dòng)的主流產(chǎn)品， 各知名電氣公司均有自己晶閘管軟起動(dòng)的品牌

17、，在其功能上又各具特色。例如 ge 公 司生產(chǎn)的 astat 智能電機(jī)軟起動(dòng)器；abb 公司生產(chǎn)的 pst、pstb 系列電機(jī)軟起動(dòng)器； 施耐德公司的 ats46 軟起動(dòng)器；德國(guó) siemens 公司的 3rw22 sikostart 軟起動(dòng)器 等等。目前，國(guó)外對(duì)晶閘管三相交流調(diào)壓電路的研究己經(jīng)從對(duì)控制電壓、控制電機(jī)電 流的開(kāi)環(huán)、閉環(huán)方式，發(fā)展到通過(guò)建立比較準(zhǔn)確實(shí)用的數(shù)學(xué)模型，找到適用于三相交 流調(diào)壓電路電機(jī)負(fù)載的控制方法，從而使三相交流調(diào)壓電路電機(jī)負(fù)載性能更優(yōu)3。另一 方面，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，異步電動(dòng)機(jī)向更加可靠、方便性好、小型化方向發(fā) 展。 1.3 本課題研究?jī)?nèi)容 軟啟動(dòng)器本質(zhì)上是一

18、種直流調(diào)壓裝置，用來(lái)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、軟停車(chē)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及 各種保護(hù)功能。為了保證系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行，可以充分發(fā)揮單片機(jī)的強(qiáng)大控制功能， 由主控制電路對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵器件和關(guān)鍵參數(shù)，例如過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)載、等進(jìn)行 實(shí)時(shí)監(jiān)控。隨著數(shù)字直流 pwm 調(diào)壓技術(shù)的應(yīng)用，以及采用高性能的單片機(jī)作為系統(tǒng) 的控制核心，可以使軟啟動(dòng)器具有控制快速準(zhǔn)確、響應(yīng)快、運(yùn)行穩(wěn)定、可靠等優(yōu)點(diǎn)。 在三相交流異步電動(dòng)機(jī)不宜采用直接啟動(dòng)的時(shí)候，可以考慮采用定子串電阻或串 電抗器啟動(dòng)、y-啟動(dòng)、自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)、轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng)、晶閘管電子軟啟動(dòng)、 分級(jí)變頻軟啟動(dòng)、兩相變頻調(diào)壓軟啟動(dòng)等方法。 結(jié)合各方面的因素及實(shí)際情況，本課題研究的內(nèi)

19、容主要有： (1)研究三相調(diào)壓軟起動(dòng)的基本原理，對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩進(jìn) 行分析，對(duì)軟起動(dòng)控制策略進(jìn)行研究。 (2)對(duì)三相晶閘管軟起動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。包括主電路，觸發(fā)電路，檢測(cè)電路， xx 大學(xué) xx 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 控制電路，驅(qū)動(dòng)電路等。 (3)實(shí)現(xiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器模式的設(shè)計(jì)和軟件的有關(guān)設(shè)計(jì)。 (4)用 protel 繪制系統(tǒng)的原理圖。 本課題的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)三相異步電機(jī)的軟啟動(dòng)，甚至使軟啟動(dòng)器能夠根據(jù)電機(jī)負(fù)載 的實(shí)際情況改變。 2 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)控制的研究 交流三相異步電動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)啟動(dòng)技術(shù)，如定子串電阻/電抗器啟動(dòng)、自耦變壓器降 壓?jiǎn)?dòng)、星形-三角形降壓?jiǎn)?/p>

20、動(dòng)、轉(zhuǎn)子串電阻或頻敏變阻器啟動(dòng)等，在交流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng) 技術(shù)發(fā)展過(guò)程中都有過(guò)重要應(yīng)用。但隨著晶閘管技術(shù)的發(fā)展，三相交流調(diào)壓軟啟動(dòng)器 因?yàn)榫哂行阅芰己?、產(chǎn)品多樣、電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)以及轉(zhuǎn)矩或電流可閉環(huán)控制等優(yōu)點(diǎn)， 使得電子軟啟動(dòng)器得到了深入而廣泛的發(fā)展，成為軟啟動(dòng)市場(chǎng)中的主流產(chǎn)品。 2.1 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程的分析 為了研究三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)時(shí)的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩等變量的關(guān)系，進(jìn)而分析 異步電機(jī)起動(dòng)時(shí)的電流、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和所外加電壓的關(guān)系，就要研究電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。 對(duì)于電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)而言，多采用基于集中參數(shù)等效電路的數(shù)學(xué)模型。在不改變異步 電動(dòng)機(jī)定子繞組中的物理量和異步電機(jī)的電磁性能的前提下，經(jīng)頻率和

21、繞組的計(jì)算， 把異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的頻率、相數(shù)、每相有效串聯(lián)匝數(shù)都?xì)w算成和定子繞組一樣， 即可用歸算過(guò)的基本方程式推導(dǎo)出異步電動(dòng)機(jī)的等效電路。三相異步電動(dòng)機(jī)的 t 形穩(wěn) 態(tài)等效電路如圖 2-1 所示： x2r2x1r1 xm rm i1i2 imu1 1-s s r2 圖 2-1 異步電動(dòng)機(jī)的等效電路 其中，r1為定子繞組的電阻，x1為定子繞組的漏電抗，r2為歸算到定子方面的轉(zhuǎn)子 xx 大學(xué) xx 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 繞組的電阻，x2為歸算到定子方面的轉(zhuǎn)子繞組的漏抗。rm代表與定子鐵心損耗所對(duì)應(yīng) 的勵(lì)磁電阻，xm代表與主磁通相對(duì)應(yīng)的鐵心磁路的勵(lì)磁電抗。u1為定子電壓向量，e1 為定子感應(yīng)

22、電動(dòng)勢(shì)向量，i1為定子電流向量，im為磁電流向量。基于 t 形等效電路的 數(shù)學(xué)模型為： (2-1) 11111111 ue ()zi rjxei (2-2) 2 222 r eijx s （+） (2-3) 12m iii (2-4) 1 2 emm mmm eizirjx 由以上四式可得： (2-5) 2 2 1 112 112 1 1 mm mm r jx s rjx iu rjxr rjxjx rjxs 在異步電動(dòng)機(jī)里，因?yàn)?r1x1，rmxm，故可以省去 r1，rm，則式(2-5)可以表示為： (2-6) 1 12 112 ()1( ) m m u ii xr rjxjx xs 由等效

23、電路可見(jiàn)，異步電動(dòng)機(jī)輸入的電功率 p1一部分消耗在釘子繞組的電阻而稱(chēng) 為定子銅耗 pcu1，一部分消耗在定子鐵心上而變成鐵耗 pfe，剩余的通過(guò)氣隙傳遞到轉(zhuǎn) 子的功率成為電磁功耗 pem。其中 pem為： (2-7) 1222122 cos / em pm eim irs 電磁轉(zhuǎn)矩為： (2-8) 0 (1) 1 mecmecem em ps pp t s 其中，為同步角速度；為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度；pem為機(jī)械功 11 0 2 2 60 nf p 2 60 n 率。由式(2-7)和式(2-8)可得： xx 大學(xué) xx 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 (2-9) 2 2 1 2 01 2 em em pr

24、p tm i fs 根據(jù) t 形等效電路可得： (2-10) 1 2 22 2 112 ()() u i r rxx s 將式(2-10)代入(2-9)得： (2-11) 2 2 1 1 2 21 2 112 2 2 em r u pm t f r rxx s 剛起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子 n=0，轉(zhuǎn)差率 s=1，此時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為： (2-12) 2 112 22 1 1212 2 st pmu r t f rrxx 同時(shí)，由于激磁電流相對(duì)較小即，近似為 1，由式(2-6)的啟動(dòng)電流為： 0mi 1 1 m x x (2-13) 1 22 212 st u i rrxx 由式(2-12)和式(2-13)可知，

25、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩正比于定子端電壓的平方，起動(dòng)電流正比于定 子電壓。起動(dòng)電壓較低時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小，電流也較?。环粗?，如果電壓較高，則起 動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，但同時(shí)起動(dòng)時(shí)的沖擊電流也很大。 而異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性主要表現(xiàn)在起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩兩個(gè)方面：希望電動(dòng)機(jī) 起動(dòng)時(shí)能產(chǎn)生足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以便帶動(dòng)負(fù)載快速地達(dá)到正常轉(zhuǎn)速；同時(shí)，也希望起 動(dòng)電流不要太大。因?yàn)樵诠╇娮儔浩鞯娜萘勘容^小的情況下，過(guò)大的起動(dòng)電流將造成 較大的線路壓降，從而影響接在同一電網(wǎng)上的其它電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。 下面針對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性，分析起動(dòng)方式的原理和應(yīng)用。 2.2 三相異步電機(jī)的啟動(dòng)方法 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法主要有直接起動(dòng)、傳統(tǒng)減壓?jiǎn)?/p>

26、動(dòng)和軟啟動(dòng)三種啟動(dòng)方法。 下面就分別做詳細(xì)介紹。 xx 大學(xué) xx 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 2.2.1 直接起動(dòng) 直接起動(dòng)，也叫全壓起動(dòng)。起動(dòng)時(shí)通過(guò)一些直接起動(dòng)設(shè)備，將全部電源電壓(即全 壓)直接加到異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組，使電動(dòng)機(jī)在額定電壓下進(jìn)行起動(dòng)。一般情況下， 直接起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流為額定電流的 38 倍，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的 12 倍。根據(jù)對(duì) 國(guó)產(chǎn)電動(dòng)機(jī)實(shí)際測(cè)量，某些籠型異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流甚至可以達(dá)到 812 倍。 直接起動(dòng)的起動(dòng)線路是最簡(jiǎn)單的，如圖 2-2 所示。然而這種起動(dòng)方法有諸多不足。 對(duì)于需要頻繁起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，過(guò)大的起動(dòng)電流會(huì)造成電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱，縮短電動(dòng)機(jī)的使 用壽命；同時(shí)電動(dòng)機(jī)繞

27、組在電動(dòng)力的作用下，會(huì)發(fā)生變形，可能引起短路進(jìn)而燒毀電 動(dòng)機(jī)；另外過(guò)大的起動(dòng)電流，會(huì)使線路電壓降增大，造成電網(wǎng)電壓的顯著下降，從而 影響同一電網(wǎng)的其他設(shè)備的正常工作，有時(shí)甚至使它們停下來(lái)或無(wú)法帶負(fù)載起動(dòng)。這 是因?yàn)?ts 及 tm 均與電網(wǎng)電壓的平方成正比，電網(wǎng)電壓的顯著下降，可使 ts 及 tm 均下降到低于 tz。 一般情況下，異步電動(dòng)機(jī)的功率小于 75kw 時(shí)允許直接起動(dòng)。如果功率大于 75kw，而電源總?cè)萘枯^大，能符合下式要求的話，電動(dòng)機(jī)也可允許直接起動(dòng)。 1 1 1 1 3 4 st n kv ai k ikw 電源總?cè)萘?起動(dòng)電動(dòng)總功率 如果不能滿足上式的要求，則必須采用減壓?jiǎn)?dòng)的

28、方法，通過(guò)減壓，把啟動(dòng)電流 ist 限制到允許的數(shù)值。 m3 fu1fu2 fu3 km 圖 2-2 直接啟動(dòng)原理圖 2.2.2 傳統(tǒng)減壓起動(dòng) 減壓起動(dòng)是在起動(dòng)時(shí)先降低定子繞組上的電壓，待起動(dòng)后，再把電壓恢復(fù)到額定 xx 大學(xué) xx 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 值。減壓起動(dòng)雖然可以減小起動(dòng)電流，但是同時(shí)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也會(huì)減小。因此，減壓起動(dòng) 方法一般只適用于輕載或空載情況。傳統(tǒng)減壓起動(dòng)的具體方法很多，這里介紹以下三 種減壓起動(dòng)的方法： (1)定子串接電阻或電抗起動(dòng) 定子繞組串電阻或電抗相當(dāng)于降低定子繞組的外加電壓。由三相異步電動(dòng)機(jī)的等 效電路可知：起動(dòng)電流正比于定子繞組的電壓，因而定子繞組串電阻或電抗

29、可以達(dá)到 減小起動(dòng)電流的目的。但考慮到起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與定子繞組電壓的平方成正比，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì) 降低的更多。因此，這種起動(dòng)方法僅僅適用于空載或輕載起動(dòng)場(chǎng)合。 對(duì)于容量較小的異步電動(dòng)機(jī)，一般采用定子繞組串電阻降壓；但對(duì)于容量較大的 異步電動(dòng)機(jī)，考慮到串接電阻會(huì)造成銅耗較大，故采用定子繞組串電抗降壓起動(dòng)。 如圖 2-3 所示：當(dāng)起動(dòng)電機(jī)時(shí)，合上開(kāi)關(guān) q，交流接觸器 km 斷開(kāi)，使電源經(jīng)電 阻或電抗 r 流進(jìn)電機(jī)。當(dāng)電機(jī)起動(dòng)完成時(shí) km 吸合，短接電阻或電抗 r。 km m3 fu2 fu3 fu1 r fr q uvw 圖 2-3 定子串電阻或電抗起動(dòng)原理圖 (2)星-三角形(丫-)起動(dòng) 星-三角形起動(dòng)法是

30、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，定子繞組為星形(丫)接法，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升至接近 額定轉(zhuǎn)速時(shí)，將繞組切換為三角形()接法，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)為正常運(yùn)行的一種起動(dòng)方式。 星-三角形起動(dòng)方法雖然簡(jiǎn)單，但電動(dòng)機(jī)定子繞組的六個(gè)出線端都要引出來(lái)，略顯麻煩。 圖 2-4 為星-三角形起動(dòng)法的原理圖。接觸器 km2 和 km3 互鎖，即其中一個(gè)閉合 xx 大學(xué) xx 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 時(shí)，必須保證另一個(gè)斷開(kāi)。km2 閉合時(shí)，定子繞組為星形(丫)接法，使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)。 切換至 km3 閉合，定子繞組改為三角形()接法，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)為正常運(yùn)行。由控制電路 中的時(shí)間繼電器 kt 確定星-三角切換的時(shí)間。 定子繞組接成星形連接后，每相繞組的相電

31、壓為三角形連接(全壓)時(shí)的 l/，故 3 星-三角形起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流及起動(dòng)轉(zhuǎn)矩均下降為直接起動(dòng)的 13。由于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，該 方法只適合于輕載起動(dòng)的場(chǎng)合。 km3km1 m3 fu2 fu3 fu1 fr q uvw km2 圖 2-4 星-三角形起動(dòng)法的原理圖 (3)自耦變壓器起動(dòng) 自耦變壓器起動(dòng)法就是電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，電源通過(guò)自耦變壓器降壓后接到電動(dòng)機(jī)上， 待轉(zhuǎn)速上升至接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，將自耦變壓器從電源切除，而使電動(dòng)機(jī)直接接到電網(wǎng) 上轉(zhuǎn)化為正常運(yùn)行的一種起動(dòng)方法。 圖 2-5 所示為自耦變壓器起動(dòng)的自動(dòng)控制主回路?？刂七^(guò)程如下：合上空氣開(kāi)關(guān) q 接通三相電源。按啟動(dòng)按鈕后 km1 線圈通電吸合并自

32、鎖，其主觸頭閉合，將自耦變 壓器線圈接成星形，與此同時(shí)由于 km1 輔助常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，使得接觸器 km2 線圈通 電吸合，km2 的主觸頭閉合由自耦變壓器的低壓抽頭(例如 65)將三相電壓的 65接 入電動(dòng)。當(dāng)時(shí)間繼電器 kt 延時(shí)完畢閉合后，km1 線圈斷電，使自耦變壓器線圈封星 端打開(kāi)；同時(shí) km2 線圈斷電，切斷自耦變壓器電源，使 km3 線圈得電吸合，km3 主 觸頭接通電動(dòng)機(jī)在全壓下運(yùn)行。自耦變壓器一般有 65和 80額定電壓的兩組抽頭。 xx 大學(xué) xx 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 若自耦變壓器的變比為 k，與直接起動(dòng)相比，采用自耦變壓器起動(dòng)時(shí)，其一次側(cè)起 動(dòng)線電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩都降低

33、到直接起動(dòng)的 lk2。 自耦變壓器起動(dòng)法不受電動(dòng)機(jī)繞組接線方式(丫接法或接法)的限制，允許的起動(dòng) 電流和所需起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可通過(guò)改變抽頭進(jìn)行選擇，但設(shè)備費(fèi)用較高。 圖 2-5 異步電動(dòng)機(jī)的自耦變壓器起動(dòng)法 自耦變壓器起動(dòng)適用于容量較大的低壓電動(dòng)機(jī)作減壓起動(dòng)用，應(yīng)用非常廣泛，有 手動(dòng)及自動(dòng)控制線路。其優(yōu)點(diǎn)是電壓抽頭可供不同負(fù)載起動(dòng)時(shí)選擇；缺點(diǎn)是質(zhì)量大、 體積大、價(jià)格高、維護(hù)檢修費(fèi)用高。 2.2.3 軟啟動(dòng) 軟起動(dòng)可分為有級(jí)和無(wú)級(jí)兩類(lèi)，前者的調(diào)節(jié)是分檔的，后者的調(diào)節(jié)是連續(xù)的。在 電動(dòng)機(jī)定子回路中，通過(guò)串入限流作用的電力器件實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，叫做降壓或者限流軟 起動(dòng)。它是軟起動(dòng)中的一個(gè)重要類(lèi)別。按限流器件不同可

34、分為：以電解液限流的液阻 軟起動(dòng)；以磁飽和電抗器為限流器件的磁控軟起動(dòng)；以晶閘管為限流器件的晶閘管軟 起動(dòng)。 晶閘管軟起動(dòng)產(chǎn)品問(wèn)世不過(guò) 30 年左右的時(shí)間，它是當(dāng)今電力電子器件長(zhǎng)足進(jìn)步的 結(jié)果。10 年前，電氣工程界就有人預(yù)言，晶閘管軟起動(dòng)將引發(fā)軟起動(dòng)行業(yè)的一場(chǎng)革命。 目前在低壓(380v)內(nèi)，晶閘管軟起動(dòng)產(chǎn)品價(jià)格已經(jīng)下降到液阻軟起動(dòng)的大約 2 倍，甚 至更低。而其主要性能卻優(yōu)于液阻軟起動(dòng)。與液阻軟起動(dòng)相比，它的體積小、結(jié)構(gòu)緊 湊，維護(hù)量小，功能齊全，菜單豐富，起動(dòng)重復(fù)性好，保護(hù)周全，這些都是液阻軟起 xx 大學(xué) xx 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 動(dòng)無(wú)法比擬的。 但是晶閘管軟起動(dòng)產(chǎn)品也有缺點(diǎn)。

35、一是高壓產(chǎn)品的價(jià)格太高，是液阻軟起動(dòng)產(chǎn)品 的 510 倍，二是晶閘管引起的高次諧波比較嚴(yán)重。 2.3 軟起動(dòng)的原理及分析 2.3.1 晶閘管調(diào)壓原理 晶閘管的控制方式有兩種：一是相位控制，即通過(guò)控制晶閘管的導(dǎo)通角來(lái)調(diào)壓； 二是周波控制，即把晶閘管作為靜止接觸器，交替的接通與切斷幾個(gè)周波的電源電壓， 用改變接通時(shí)間與切斷時(shí)間之比來(lái)控制輸出電壓的有效值，從而達(dá)到調(diào)壓的目的。但 周波控制用在異步電機(jī)定子上時(shí)，通斷交替的頻率不能太低，一方面會(huì)引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn) 速的波動(dòng)，另一方面每次接通電流就相當(dāng)于一次異步電動(dòng)機(jī)的重起動(dòng)過(guò)程。當(dāng)電源切 斷時(shí)，電動(dòng)機(jī)氣隙中的磁場(chǎng)將由轉(zhuǎn)子中的瞬態(tài)電流來(lái)維持，并隨著轉(zhuǎn)子而旋轉(zhuǎn)，氣

36、隙 磁場(chǎng)在定子繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)頻率將有所變化，當(dāng)斷流時(shí)問(wèn)隔較長(zhǎng)時(shí)，這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁 場(chǎng)在定子中感應(yīng)的電勢(shì)和重新接通時(shí)的電源電壓在相位上可能會(huì)有很大的差別，這樣 就會(huì)出現(xiàn)較大的電流沖擊，可能危及晶閘管的安全。故在異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓控制中， 晶閘管調(diào)壓一般采用相位控制。采用相位控制時(shí)，輸出電壓波形已不是正弦波，經(jīng)分 析可知，輸出電壓不含偶次諧波，奇次諧波中以三次諧波為主要成分。諧波在異步電 機(jī)中會(huì)引起附加損耗，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等不良影響。此外，由于異步電機(jī)是感性負(fù)載， 從電力電子學(xué)中可以知道，當(dāng)晶閘管交流調(diào)壓回路帶有感性負(fù)載時(shí)，只有當(dāng)移相角大 于負(fù)載的功率因數(shù)角時(shí)，才能起到調(diào)壓的作用。當(dāng)時(shí)，電流導(dǎo)通的時(shí)間將

37、始終保 持在 180。其情況與=0 時(shí)一樣，相控不起任何調(diào)壓作用，甚至在晶閘管觸發(fā)脈沖不 夠?qū)挼那闆r下，出現(xiàn)只有一個(gè)方向上的晶閘管工作，負(fù)載上出現(xiàn)直流分量，對(duì)晶閘管 造成危害。為了保證晶閘管的安全，在使用相控晶閘管電路時(shí)采用寬脈沖觸發(fā)，移相 范圍限制在-e1(-15v)，v5又重新導(dǎo)通。使 v7、v8截 止，輸出脈沖終止。脈沖前沿由 v4 導(dǎo)通時(shí)刻確定，脈沖寬度與反向充電回路時(shí)間常數(shù) r11c3有關(guān)。電路的觸發(fā)脈沖由脈沖變壓器 tp 二次側(cè)輸出，其一次繞組接在 v8集電極 電路中。 2、鋸齒波的形成和脈沖移相環(huán)節(jié) xx 大學(xué) xx 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 鋸齒波電壓形成的方案較多，如采用自

38、舉式電路、恒流源電路等。鋸齒波電路由 v1、v2、v3和 c2等元件組成，v1、vs、rp2和 r3為一恒流源電路。鋸齒波是由開(kāi)關(guān) v2管來(lái)控制的。 v2截止時(shí)，恒流源電流 i1c對(duì)電容 c2充電， 調(diào)節(jié) rp2，即改變 c2的恒定充電電流 i1c，可見(jiàn) rp2是用來(lái)調(diào)節(jié)鋸齒波斜率的。v2導(dǎo)通時(shí)，因 r4很小故 c2迅速放電，ub3電 位迅速降到零伏附近。v2周期性地通斷，ub3便形成一鋸齒波，同樣 ue3也是一個(gè)鋸齒 波。射極跟隨器 v3的作用是減小控制回路電流對(duì)鋸齒波電壓 ub3的影響。 v4基極電位由鋸齒波電壓、控制電壓 uco、直流偏移電壓 up三者作用的疊加所定。 如果 uco=0，

39、up為負(fù)值時(shí)，b4點(diǎn)的波形由 uh+up確定。當(dāng) uco為正值時(shí)，b4點(diǎn)的波形由 uh+up + uco確定。 m 點(diǎn)是 v4由截止到導(dǎo)通的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，也就是脈沖的前沿。加 up的目的是為了確定 控制電壓 uco=0 時(shí)脈沖的初始相位。 在三相全控橋電路中，接感性負(fù)載電流連續(xù)時(shí)，脈沖初始相位應(yīng)定在 a=90；如果 是可逆系統(tǒng)，需要在整流和逆變狀態(tài)下工作，要求脈沖的移相范圍理論上為 180（由 于考慮 amin和 min，實(shí)際一般為 120），由于鋸齒波波形兩端的非線性，因而要求鋸 齒波的寬度大于 180，例如 240，此時(shí)，令 uco=0，調(diào)節(jié) up的大小使產(chǎn)生脈沖的 m 點(diǎn) 移至鋸齒波 240的

40、中央（120處），相應(yīng)于 a=90的位置。 如 uco為正值，m 點(diǎn)就向前移，控制角 a90，晶閘管電路處于逆變狀態(tài)。 3、同步環(huán)節(jié) 同步指要求觸發(fā)脈沖的頻率與主電路電源的頻率相同且相位關(guān)系確定。 v2開(kāi)關(guān)的頻率就是鋸齒波的頻率，由同步變壓器所接的交流電壓決定。v2由導(dǎo)通 變截止期間產(chǎn)生鋸齒波，鋸齒波起點(diǎn)基本就是同步電壓由正變負(fù)的過(guò)零點(diǎn)。v2截止?fàn)?態(tài)持續(xù)的時(shí)間就是鋸齒波的寬度，其大小取決于充電時(shí)間常數(shù) r1c1。 4、雙窄脈沖形成環(huán)節(jié) 內(nèi)雙脈沖電路由 v5、v6構(gòu)成“或”門(mén)。當(dāng) v5、v6都導(dǎo)通時(shí)，v7、v8都截止，沒(méi)有 脈沖輸出，只要 v5、v6有一個(gè)截止，都會(huì)使 v7、v8導(dǎo)通，有脈沖輸

41、出。第一個(gè)脈沖 由本相觸發(fā)單元的 uco對(duì)應(yīng)的控制角 a 產(chǎn)生。隔 60的第二個(gè)脈沖是由滯后 60相位的 后一相觸發(fā)單元產(chǎn)生（通過(guò) v6）。晶閘管觸發(fā)電路總圖如圖 3-9 所示。 直流電源 同 步 電 源 輸 入 kj004 產(chǎn)生單脈沖 kj042 產(chǎn) 生脈沖調(diào) 制列 4066 模擬 開(kāi)關(guān) 實(shí)現(xiàn) 寬窄 切換 脈沖 放大 驅(qū)動(dòng) scr 寬脈沖列 xx 大學(xué) xx 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 圖 3-9 觸發(fā)電路框圖 3.3.4 晶閘管保護(hù)電路 晶閘管由于擊穿電壓接近工作電壓，熱容量又較小，所以承受過(guò)電壓、過(guò)電流能 力較差，短時(shí)間內(nèi)的過(guò)電壓、過(guò)電流都可能造成元件損壞。為了使晶閘管能正常工作， 除了

42、合理的選擇元件外，還必須對(duì)過(guò)電流，過(guò)電壓的發(fā)生采取保護(hù)措施。 (1)過(guò)電流保護(hù) 晶閘管設(shè)備發(fā)生過(guò)電流有可能是晶閘管損毀、觸發(fā)電路或控制系統(tǒng)有故障等。針 對(duì)這些情況，除了用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)外，還可以在硬件電路中加入快速熔斷器來(lái)保護(hù) 晶閘管的過(guò)電流。 (2)過(guò)電壓保護(hù) 我們知道晶閘管有一個(gè)重要的特性參數(shù)，即斷態(tài)電壓臨界上升率 du/dt。它表明 晶閘管在額定結(jié)溫和門(mén)極斷路條件下，使晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)的最低電壓上升率。 若電壓上升率過(guò)大，超過(guò)了晶閘管的電壓上升率的值，則會(huì)在無(wú)門(mén)極信號(hào)的情況下開(kāi) 通。即使此時(shí)加于晶閘管的正向電壓低于其陽(yáng)極峰值電壓，也可能出現(xiàn)這種情況7。 為了限制電路電壓上升率過(guò)大，確

43、保晶閘管安全運(yùn)行，本設(shè)計(jì)在晶閘管兩端并聯(lián) rc 阻容吸收網(wǎng)絡(luò)，利用電容兩端電壓不能突變的特性來(lái)限制電壓上升率。如圖 3-7 中 所示。因?yàn)殡娐房偸谴嬖陔姼械?，所以與電容 c 串聯(lián)電阻 r 可起阻尼作用，它可以防 止 r、l、c 電路在過(guò)渡過(guò)程中，因振蕩在電容器兩端出現(xiàn)的過(guò)電壓損壞晶閘管。同時(shí)， 避免電容器通過(guò)晶閘管放電電流過(guò)大，造成過(guò)電流而損壞晶閘管。 3.4 電壓檢測(cè)回路 在電壓檢測(cè)回路中，盡量實(shí)現(xiàn)以下三個(gè)功能。其一是同步信號(hào)的檢測(cè)功能，采樣 三相電壓的自然換相點(diǎn)，它作為晶閘管脈沖觸發(fā)信號(hào)的同步信號(hào)；其二是通過(guò)檢測(cè)晶 閘管輸出端可以得到晶閘管導(dǎo)通時(shí)刻的檢測(cè)，以便做電壓反饋和缺相故障檢測(cè)；其三

44、 xx 大學(xué) xx 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 是將三相晶閘管輸出電壓信號(hào)通過(guò)電阻降壓后轉(zhuǎn)變成直流信號(hào)，再經(jīng) a/d 轉(zhuǎn)換后送入 到單片機(jī)中，作為過(guò)壓或欠壓保護(hù)的信號(hào)。 3.4.1 同步信號(hào)檢測(cè) 為了保證三相交流調(diào)壓器主回路中各個(gè)晶閘管的觸發(fā)脈沖與其陽(yáng)極電壓保持嚴(yán)格 的相位關(guān)系。在電機(jī)軟起動(dòng)器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，同步信號(hào)檢測(cè)是很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。只 有準(zhǔn)確的測(cè)量出電壓的過(guò)零點(diǎn)，才能精確的控制晶閘管的導(dǎo)通角，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)兩 端電壓的無(wú)極加載，完成軟起動(dòng)的功能。采用如圖 3-10 所示的電路作為電壓同步信號(hào) 檢測(cè)電路8。從圖中可以看出，這個(gè)電路的功能就是將由電源側(cè)來(lái)的線電壓正弦信號(hào)轉(zhuǎn) 為低壓方波信號(hào)來(lái)供

45、單片機(jī)進(jìn)行處理分析。由于這里的信號(hào)是從高壓轉(zhuǎn)為低壓送入單 片機(jī)處理的，因此要利用一塊光耦對(duì)高低壓信號(hào)進(jìn)行隔離，這樣保證了這兩種信號(hào)可 以互不干擾地分離處理。整個(gè)工作過(guò)程大體是這樣的：由電源側(cè)來(lái)的線電壓信號(hào)經(jīng)過(guò) 2 個(gè)電阻和 1 個(gè)二極管，變成半波交流信號(hào)，這個(gè)交流信號(hào)在正半波時(shí)觸發(fā)光耦導(dǎo)通， 從而使得右側(cè)輸入到單片機(jī)的是高電平信號(hào)；而當(dāng)光耦左側(cè)交流信號(hào)處于低電平時(shí)， 光耦則截止。那么右側(cè)輸入到單片機(jī)的信號(hào)也就是低電平。這樣周而復(fù)始，單片機(jī)所 得到的就是幅值為 5v 的方波信號(hào)，周期等同于電源的周期即工頻 50hz，而高低電平 持續(xù)的時(shí)間也基本與電源側(cè)正負(fù)交流信號(hào)所持續(xù)的時(shí)間大致相同，雖然其間存

46、在著一 定的時(shí)延，但這可以通過(guò)軟件進(jìn)行補(bǔ)償，從而既簡(jiǎn)化了外圍硬件電路的設(shè)計(jì)，又得到 了與電源電壓同步的信號(hào)，為下面給出晶閘管觸發(fā)信號(hào)提供了工作電壓零點(diǎn)的基準(zhǔn)。 圖中右端接主控單片機(jī)芯片。這個(gè)電路的優(yōu)點(diǎn)在于：一方面，在起動(dòng)未開(kāi)始或是開(kāi)始 瞬間，這個(gè)電路就可以檢測(cè)到器件電壓零點(diǎn)；另外，由于輸入的交流信號(hào)是直接從電 源側(cè)獲取的，因此這就不需要像其他電路那樣需要先利用變壓器取得交流信號(hào)再進(jìn)行 處理，這樣就既節(jié)省了線路板的空間，又節(jié)約了成本9。 u v r11 r15 r13 vd5 d11 +5v tlp521 圖 3-10 同步信號(hào)檢測(cè)電路 xx 大學(xué) xx 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 同時(shí)，可以利

47、用圖 3-10 這個(gè)電路(以下稱(chēng)為電路 i)和另一套與電路 i 基本相同的電 路(以下稱(chēng)為電路 ii)配合，進(jìn)行電源的相序判斷和缺相檢測(cè)。簡(jiǎn)要介紹一下工作原理。 電路 ii 和電路 i 結(jié)構(gòu)基本相同，存在的區(qū)別就是，假設(shè)電路 i 的輸入側(cè)連接電源的 u、v 兩相，而電路 ii 輸入側(cè)連接的就是電源的 v、w 兩相，且輸出信號(hào)是分別送入 主控單片機(jī)芯片的外部中斷輸入口。 我們假設(shè)電路 i 接的是電源的 u、v 相，而電路 ii 接的是 v、w 相，這樣在三相 電源正常工作時(shí)，當(dāng) uv 線電壓發(fā)生正跳變(即從負(fù)半波轉(zhuǎn)為正半波)時(shí)，vw 線電壓為 負(fù)，那么電路 ii 送入 cpu 的信號(hào)就為低電平；

48、當(dāng) uv 線電壓發(fā)生負(fù)跳變時(shí)，vw 線電 壓為正，那么電路 ii 送入 cpu 的信號(hào)是高電平(如果電路 ii 接的是 w、v 相，那么兩 次送入 cpu 的信號(hào)高低電平情況就相反)。同步信號(hào)示意圖如下 t v 圖 3-11 同步信號(hào)示意圖 而當(dāng)電源發(fā)生缺相故障時(shí)，uv 線電壓無(wú)論發(fā)生何種跳變時(shí)，vw 線電壓都同為正 或同為負(fù)，這樣電路 ii 送入單片機(jī)的信號(hào)將同為高電平或低電平。設(shè)置電路 i 接入單 片機(jī)的 p32 引腳在信號(hào)每次跳變時(shí)都產(chǎn)生中斷，并在每次跳變中斷時(shí)記錄下電路 ii 接入單片機(jī)的 p33 引腳的狀態(tài)，通過(guò)兩次對(duì)比 p32 引腳的電平情況，從而判斷出 所連入電路中三相電源的相序

49、，為下一步產(chǎn)生正確的脈沖觸發(fā)信號(hào)序列奠定基礎(chǔ)。同 時(shí)在電源缺相時(shí)，也能判斷出故障狀況，并封鎖脈沖信號(hào)及給出報(bào)警信號(hào)和顯示信息。 3.4.2 電壓反饋回路 xx 大學(xué) xx 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 電壓反饋回路如圖 3-12 所示。下面的電路可以得到與晶閘管導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)刻相匹 配的工頻 50hz 的矩形波。簡(jiǎn)單介紹一下電路構(gòu)成：u 為三相電源的一個(gè)輸入端(即一 組晶閘管輸入側(cè))，r 是與之相應(yīng)的電機(jī)輸入端(即相應(yīng)晶閘管輸出側(cè))。6n139 是一塊 高速達(dá)林頓光耦，既保證高壓側(cè)與單片機(jī)低壓部分的隔離，又能快速反應(yīng)出晶閘管導(dǎo) 通/截止的時(shí)刻。通過(guò)計(jì)算單片機(jī) i/o 口的高低維持時(shí)間，我們就可以計(jì)

50、算出晶閘管的 導(dǎo)通角，作為輸出電壓反饋，同時(shí)可以檢測(cè)出電壓是否缺相，并發(fā)出報(bào)警信息，及時(shí) 通知操作人員出現(xiàn)故障的某一相電源。圖 3-12 顯示的是一路電壓反饋的檢測(cè)，還有兩 路與之相似的電路檢測(cè) v、w 相。 r30 整流橋 br1 2 3 +15 +15 r29 r28 r27 u3 6n139 圖 3-12 電壓反饋回路 3.4.3 電壓過(guò)欠保護(hù)電路 當(dāng)電機(jī)經(jīng)常處于過(guò)壓運(yùn)行時(shí)，鐵損增加，效率降低。同時(shí)鐵損的增加，帶來(lái)鐵芯 的溫升、電極的冷卻、絕緣層壽命的縮短以及金屬某些物理性質(zhì)變壞等諸多問(wèn)題，所 以電機(jī)不能長(zhǎng)時(shí)間地運(yùn)行在過(guò)電壓狀態(tài)，因此在系統(tǒng)中加入過(guò)壓及欠壓保護(hù)節(jié)很有必 要。在實(shí)際工作中，

51、當(dāng)輸入電壓超過(guò) 420v(即 l1 倍額定電壓)時(shí)則認(rèn)是過(guò)電壓，起動(dòng) 過(guò)電壓保護(hù)；而當(dāng)輸入電壓低于 340v(即 09 倍額定電壓)時(shí)則認(rèn)為是欠電壓，起動(dòng)欠 電壓保護(hù)11。具體保護(hù)電路如圖 3-6 所示。過(guò)壓和欠壓比較器先設(shè)定一個(gè)適當(dāng)?shù)闹?該 值由過(guò)壓值 420v 和欠壓值 340v 轉(zhuǎn)換得來(lái))，當(dāng)采樣到的電壓一旦超過(guò)過(guò)壓值或者低于 欠壓值時(shí)，馬上產(chǎn)生一個(gè)下降沿的中斷送到輔助單片機(jī))中的外部中斷口 p32，迅速 產(chǎn)生中斷使得程序立即封鎖晶閘管輸出脈沖，并發(fā)出過(guò)壓或欠壓報(bào)警信號(hào)。本設(shè)計(jì)采 用硬件模擬比較產(chǎn)生中斷的方式，雖然它的精度比不上軟件數(shù)字式，但是硬件模擬比 較具有響應(yīng)速度快，反應(yīng)靈敏的特點(diǎn)

52、，這點(diǎn)在保護(hù)回路中具有很大的優(yōu)勢(shì)。另有一個(gè) 缺點(diǎn)，本系統(tǒng)中由于單片機(jī)的外部中斷口僅有兩個(gè)，故過(guò)壓和欠壓都接到同一個(gè)外部 中斷口。在發(fā)生過(guò)欠壓報(bào)警后，需要操作人員簡(jiǎn)單測(cè)試一下電機(jī)輸入側(cè)的電壓，以 最終確定是過(guò)壓報(bào)警還是欠壓報(bào)警。 xx 大學(xué) xx 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 + - + - +5 +5 +5 +5 r71 r72 r73 r74 r76 r77 r78 r79 r80 r81 r82 r75 r s t 圖 3-13 電壓過(guò)欠保護(hù)電路 3.5 電流檢測(cè)回路 電流檢測(cè)回路包括了電流反饋回路和保護(hù)回路兩方面。通過(guò)霍爾傳感器將三相電 流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再將這個(gè)電壓信號(hào)經(jīng)過(guò) ad 轉(zhuǎn)

53、換后送入到單片機(jī)中作為電 流負(fù)反饋調(diào)節(jié)、故障檢測(cè)和過(guò)流保護(hù)的依據(jù)。 3.5.1 電流反饋回路 電流反饋信號(hào)取自電機(jī)的定子側(cè)，采樣器件為霍爾元件，采樣后得到三相電流信 號(hào)，將此電流信號(hào)經(jīng)過(guò)精密電阻得到相應(yīng)的電壓信號(hào)。與電壓過(guò)/欠電路類(lèi)似，該信號(hào) 經(jīng)過(guò)三相全波整流、濾波和分壓后得到一個(gè)直流信號(hào)，并經(jīng)過(guò) a/d 轉(zhuǎn)換后送入到單片 機(jī)的 i/o 口中，作為系統(tǒng)執(zhí)行軟起動(dòng)時(shí)的電流反饋信號(hào)。電流反饋信號(hào)檢測(cè)電路如圖 3-14 所示。u15 為單片機(jī)芯片。 + - r84 r83 r85 r s t +5 r88 d11 d12 u15 圖 3-14 電流檢測(cè)電路 xx 大學(xué) xx 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3

54、1 3.5.2 過(guò)電流保護(hù)電路 除了電流反饋信號(hào)檢測(cè)回路外，電流檢測(cè)回路還包括了過(guò)流保護(hù)。交流調(diào)壓裝置 的故障，例如晶閘管直通、開(kāi)路和觸發(fā)脈沖丟失，換流失敗等等都表現(xiàn)為系統(tǒng)主回路 電流的增加，當(dāng)電流過(guò)大時(shí)會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生極大損害，因此過(guò)流保護(hù)是系統(tǒng)中很重要的 保護(hù)環(huán)節(jié)。 一個(gè)優(yōu)秀的過(guò)流保護(hù)環(huán)節(jié)應(yīng)該是既能對(duì)過(guò)流反應(yīng)迅速，又能夠準(zhǔn)確動(dòng)作。本設(shè)計(jì) 的過(guò)流保護(hù)和過(guò)壓保護(hù)環(huán)節(jié)相似。過(guò)流保護(hù)的信號(hào)取自電流反饋回路，整流、濾波電 路與電流反饋電路相同。它與設(shè)定值相比較，一旦超過(guò)設(shè)定值，則輸出一個(gè)低電平信 號(hào)送入輔助單片機(jī) u2 的外部中斷口 p3.3，然后再由軟件處理，對(duì)過(guò)流的晶閘管實(shí)現(xiàn) 脈沖封鎖、故障報(bào)警和系

55、統(tǒng)復(fù)位等。對(duì)過(guò)電流值的設(shè)定，一般選擇大小為 5.5 倍的額 定電流，這是因?yàn)橐话愕南蘖髌饎?dòng)時(shí)，選擇的最大限流幅度為 5 倍，因此要留出一定 的余量來(lái)保證正常起動(dòng)時(shí)不至于切斷電路。過(guò)流保護(hù)的具體回路如圖 3-15 所示。 + - +5 +5 r83 r84 r89 r90 r92 r93 r91 ta1 ta2 ta3 圖 3-15 過(guò)電流檢測(cè)電路 4 基于單片機(jī)的軟起動(dòng)器的設(shè)計(jì) 本課題設(shè)計(jì)的軟起動(dòng)器是以單片機(jī)為控制芯片的三組反并聯(lián)晶閘管調(diào)壓電路成的。 該軟起動(dòng)器的系統(tǒng)原理圖如圖 4-1 所示。 xx 大學(xué) xx 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 鍵鍵盤(pán)盤(pán)操操作作 控控制制器器 電電流流電電 壓壓檢檢

56、測(cè)測(cè) l le ed d 顯顯示示 同同步步電電路路 控控制制系系統(tǒng)統(tǒng) 狀狀態(tài)態(tài)輸輸出出 晶晶閘閘管管驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng) 圖 4-1 軟啟動(dòng)系統(tǒng)原理圖 本軟起動(dòng)器的設(shè)計(jì)主要包括主回路、控制回路和驅(qū)動(dòng)保護(hù)回路。主回路主要由三 組反并聯(lián)晶閘管和接觸器組成，通過(guò)控制反并聯(lián)晶閘管組的導(dǎo)通改變加載在電機(jī)兩端 的電壓；而接觸器的主要作用是在軟起動(dòng)過(guò)程完成以后，把反并聯(lián)晶閘管組從三相電 源中旁路。在需要軟停車(chē)時(shí)，再把軟起動(dòng)器裝置接入到電機(jī)回路中，完成軟停車(chē)的功 能。在控制回路和驅(qū)動(dòng)保護(hù)回路中，電路包括了電壓檢測(cè)，電流檢測(cè)，晶閘管觸發(fā)電 路，接觸器驅(qū)動(dòng)電路，人機(jī)界面，供電電源電路等。 軟起動(dòng)器各部分電路的協(xié)調(diào)工作需要軟

57、件的配合，因此軟件設(shè)計(jì)的好壞直接影響 到系統(tǒng)能否正常運(yùn)行、能否滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能要求。 4.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 軟啟動(dòng)器的控制系統(tǒng)有兩部分組成，一個(gè)是單片機(jī)及其外圍電路組成的微機(jī)電路 系統(tǒng)，另一個(gè)是信號(hào)處理電路。信號(hào)處理電路負(fù)責(zé)主電路的電壓和電流信號(hào)的處理， xx 大學(xué) xx 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 并將處理后的電流送單片機(jī)進(jìn)行 a/d 轉(zhuǎn)換，同時(shí)該電路監(jiān)視三相電流的不平衡情況， 實(shí)現(xiàn)三相不平衡保護(hù)和短相保護(hù)，通過(guò)對(duì)三相電源電壓的監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)電壓和欠電 壓的保護(hù)；通過(guò)安裝在散熱器的熱敏開(kāi)關(guān)，也能實(shí)現(xiàn)晶閘管的過(guò)熱保護(hù)，各種保護(hù)信 號(hào)經(jīng)過(guò)邏輯與后， 送到單片機(jī)的外部中斷請(qǐng)求輸入腳，作為外

58、部故障信號(hào)處理；單片 機(jī)控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)參數(shù)設(shè)置與修改、電動(dòng)機(jī)起訂過(guò)程的控制和觸發(fā)角的計(jì)算、運(yùn)行 狀態(tài)的監(jiān)視、故障的保護(hù)與處理等功能10。 單片機(jī)控制系統(tǒng)采用 avr 系列單片機(jī)的 at90s835 為主控制芯片，其封裝形式有 40 腳 pdi 部分 p、plcc 和 tqfp 封裝。該芯片有 8kb flash 程序存儲(chǔ)器、 512bsram、8 通道 a/d 轉(zhuǎn)換器、內(nèi)部發(fā)生器等組成。 由于 at90s8535 芯片的片內(nèi)資源豐富，由它組成的控制系統(tǒng)硬件結(jié)果非常簡(jiǎn)單， 軟啟動(dòng)的 cpu 部分如圖 4-2 所示。根據(jù)軟啟動(dòng)器設(shè)計(jì)的要求，控制系統(tǒng)的資源分配如 下：控制鍵的鍵盤(pán)輸入信號(hào)，通過(guò)鍵盤(pán)

59、操作，完成啟動(dòng)參數(shù)的設(shè)置、電動(dòng)機(jī)起?？刂?、 默認(rèn)參數(shù)的保存、外部故障的查詢(xún)和處理等，led 顯示由 pb 口和 pc 口組成，其中 pb0pb6 作為 led 的段碼輸出信號(hào)，pc0pc5 作為 led 位碼選擇信號(hào)，顯示部分由 4 位 led 數(shù)碼管和二級(jí)管組成，作為啟動(dòng)參數(shù)設(shè)定、運(yùn)行監(jiān)控及故障處理等顯示，并 按動(dòng)態(tài)方式按時(shí)刷新各個(gè)顯示位；pa1 作為 a/d 采樣入口，由于采樣主電路電流信號(hào)， 供限流控制、過(guò)電流保護(hù)、過(guò)載保護(hù)等使用；由信號(hào)處理電路送來(lái)的故障檢測(cè)信號(hào)輸 入到 int0 引腳，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，由向 cpu 提出中斷請(qǐng)求，cpu 響應(yīng)中斷，在中段服 務(wù)程序中根據(jù)電路的運(yùn)行狀態(tài)封鎖

60、晶閘管的觸發(fā)脈沖、或斷開(kāi)主路，并實(shí)現(xiàn)閉鎖。同 時(shí)信號(hào)處理電路送來(lái)的故障檢測(cè)信號(hào)也送到 pa1 輸入腳，作為故障輸入的檢測(cè)。在故 障發(fā)生并封鎖了觸發(fā)脈沖后，程序?qū)⒉粩鄼z測(cè) pa1 位的狀態(tài)，當(dāng)該狀態(tài)位顯示故障已 經(jīng)解除時(shí)，閉鎖解除，撤銷(xiāo)封鎖信號(hào)，是系統(tǒng)復(fù)位。pd5 初始化為 pwm 輸出工作方 式，作為晶閘管觸發(fā)脈沖的控制命令輸出，單片機(jī)通過(guò)內(nèi)部運(yùn)算輸出一定比例的 pwm 波，此 pwm 波經(jīng)過(guò)濾波后獲得 05v 直流電壓送觸發(fā)脈沖模塊，作為觸發(fā)脈沖的控制 命令， xx 大學(xué) xx 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 7045 主主電電路路開(kāi)開(kāi)關(guān)關(guān)控控制制命命令令位位 主主電電路路開(kāi)開(kāi)關(guān)關(guān)控控制制命命令