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1、包头钢铁职业技术学院毕业实践任务书题目：三相异步电动机的启动方式的设计班级： 06五年制机电D 姓名： 刘伟 指导老师： 徐桂岩 完成日期： 2011.3.20 包头钢铁职业技术学院制2011年3月包头钢铁职业技术学院毕业实践任务书成绩及评语表姓名刘伟性别男学号院（系）自动化专业机电一体化班级06五年制机电D评语总评成绩：指导教师（签名）：年月日系（教研室）主任审查意见签字：年月日院领导审定意见签字：年月日备注 论文（设计、报告）成绩按五级记分制（优秀、良好、中等、及格、不及格）； 未安排答辩的学生，答辩成绩注明“未安排答辩”。摘要三相异步电动机的起动电流高达额定电流的58倍，对电网造成较大干
2、扰，尤其在工业领域中的重载起动，有时可能对设备安全构成严重威胁。传统的降压起动方式，如星三角起动、自耦变压器起动等，要么起动电流和机械冲击过大，要么体积庞大笨重、损耗大，要么起动力矩小、维修率高等等，都不尽人意。软启动技术不仅实现在整个起动过程中无冲击而平滑地起动电动机，而且可根据电动机负载的特性来调节起动过程中的参数如限流值、起停时间等，以达到最佳的起停状态。关键词 异步电动机；软启动；设计目录1前言11.1 软启动的定义11.2 软启动器的简单介绍11.2.1 软启动器的保护功能11.2.2 它与变频器有的区别11.2.3 软启动的作用21.3 电动机起动方式的选择21.4 与传统启动的比
3、较21.4.1 软启动器的应用范围21.4.2 软启动与传统减压起动方式的不同之处22 软启动的基本原理42.1 软启动器的优点42.2 软启动器的控制接线53 软启动电路63.1 软启动器的控制原理图63.2 硬件设计63.3 电压同步信号检测电路73.4 触发脉冲形成电路84 总结10致谢11参考文献121前言三相异步电机由于结构简单、控制维护方便、性能稳定、效率高等优点而被广泛地应用于生产和各种动力设备的拖动中。因其直接起动时产生的冲击电流对电网及其负载造成冲击，同时由于起动应力较大，使负载设备的使用寿命降低，因此常采用降压起动方式来减少影响。但是，传统的降压起动方式，如星三角起动、自耦
4、变压器起动等，要么起动电流和机械冲击过大，要么体积庞大笨重、损耗大，要么起动力矩小、维修率高等等，都不尽人意。随着电子技术的发展，使用软启动器可以无冲击而平滑地起动电动机，而且可根据电动机负载的特性来调节起动过程中的参数达到最佳的起停状态，从而延长机械设备的使用寿命，减少设备的维修量，提高经济效益。1.1 软启动的定义软启动顾名思义，就是不直接启动，而是慢慢的、一点一点的启动。比如在电机的输入端一点一点地把电压从0升高到额定电压，频率由0渐渐的变化到额定频率，这样电机在启动过程中的启动电流，就由过去不可控的过载冲击电流变成为可控的、可根据需要调解大小的启动电流。电机启动的全过程都不存在冲击转矩
5、，而是平滑的启动运行。这就是所谓的电动机的软启动。1.2 软启动器的简单介绍起动器是一种用来控制鼠笼型异步电动机的新设备，集电机软启动、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，控制三相反并联晶闸管的导通角，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。1.2.1 软启动器的保护功能(1)过载保护功能：软启动器引进了电流控制环，因而随时跟踪检测电机电流的变化状况。通过增加过载电流的设定和反时限控制模式，实现了过载保护功能，使电机过载时，关断晶闸管并发
6、出报警信号。(2)缺相保护功能：工作时，软启动器随时检测三相线电流的变化，一旦发生断流，即可作出缺相保护反应。(3)过热保护功能：通过软启动器内部热继电器检测晶闸管散热器的温度，一旦散热器温度超过允许值后自动关断晶闸管，并发出报警信号。(4)其它功能：通过电子电路的组合，还可在系统中实现其它种种联锁保护。1.2.2 它与变频器有的区别软启动器和变频器是两种完全不同用途的产品。变频器是用于需要调速的地方，其输出不但改变电压而且同时改变频率；软启动器实际上是个调压器，用于电机起动时，输出只改变电压并没有改变频率。变频器具备所有软启动器功能，但它的价格比软启动器贵得多，结构也复杂得多。大多数软启动器
7、在晶闸管两侧有旁路接触器触头，其优点是：（1）在电机运行时可以避免软启动器产生的谐波（2）软启动的晶闸管仅在起动停车时工作，可以避免长期运行使晶闸管发热，延长了使用寿命。（3）一旦软启动器发生故障，可由旁路接触器作为应急备用1.2.3 软启动的作用软启动器采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间。使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。待电机达到额定转数时，启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以
8、降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。1.3 电动机起动方式的选择作为应用最广泛的鼠笼型异步电动机，它采用降压起动的条件：一是电动机起动时，机械不能承受全压起动的冲击转矩；二是电动机起动时，其端电压不能满足规范要求；三是电动机起动时，影响其他负荷的正常运行。对于降压起动目前有两种方式，一种是降压起动，一种是软启动。他经过了三个发展阶段，一是“Y-”起动器和自藕降压起动器，二是磁控式软启动器，三是目前最先进最流行的电子软启动器。电子软启动
9、器一般都是采用16位单片机进行智能化控制，他既能保证电动机在负载要求的起动特性下平滑起动，又能降低对电网的冲击，同时，还能实现直接计算机通讯控制，为自动化智能控制打下良好的基础。它们的造价比较是：“Y-”起动器须六根出线而且故障率太高，维修费也高已不常采用，自藕方式每个千瓦80元左右，磁控的每千瓦150元左右，自藕和磁控的体积较大且故障率较高，维修费较高，电子软启动器每个千瓦在100元到200元之间，一般情况下，一台开关柜能放多台电子软启动器，节省工程造价，且故障率较低，维修费也低。所以，电子软启动器应是我们首选的目标。1.4 与传统启动的比较1.4.1 软启动器的应用范围原则上，鼠笼型异步电
10、动机凡不需要调速的各种应用场合都可适用。目前的应用范围是交流330（也可660V），电机功率从几千瓦到800kW。软启动器特别适用于各种泵类负载或风机类负载，需要软启动与软停车的场合。1.4.2 软启动与传统减压起动方式的不同之处笼型电机传统的减压起动方式有Y-起动、自耦减压起动、电抗器起动等。这些起动方式都属于有级减压起动，存在明显缺点，即起动过程中出现二次冲击电流。由于传统的减压起动方式技术落后，国家已明令淘汰。软启动与传统减压起动方式的不同之处是：（1）无冲击电流。软启动器在起动电机时，通过逐渐增大晶闸管导通角，使电机起动电流从零线性上升至设定值。对电机无冲击，提高了供电可靠性，平稳起动
11、，减少对负载机械的冲击转矩，延长机器使用寿命。（2）有软停车功能，即平滑减速，逐渐停机，它可以克服瞬间断电停机的弊病，减轻对重载机械的冲击。（3）起动参数可调，根据负载情况及电网继电保护特性选择，可自由地无级调整至最佳的起动电流。2 软启动的基本原理软启动是指运用串接于电源与被控电机之间的软启动器，控制其内部晶闸管的导通角，使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至起动结束，赋予电机全电压的起动方法。软启动器是一种集电机软启动、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，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晶闸管及其电子控制电路，通过运用不同的方法，控制三相反向并
12、联晶闸管的导通角，使被控电动机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功能。如图2-1所示。图2-1 基本原理图目前使用的软启动器，基本上是以单片机作为中央控制器控制核心来完成测量及各种控制算法，用程序软件自动控制整个起动过程。它通过单片机及相应的数字电路控制晶闸管触发脉冲的迟早来改变触发角的大小，从而改变晶闸管的导通时间，最终改变加到电动机三相绕组的电压大小。由于电动机转矩近似与定子电压的平方成正比，电流又和定子电压成正比。这样，电动机的起动转矩和起动电流的限制可以通过定子电压的控制来实现，而定子电压又是通过可控硅的导通相角来控制的，所以不同的初始相角可实现不同的端电压，电动机的起动转矩
13、和起动电流的最大值可根据负载而设定,以满足不同的负载起动要求。电动机起动过程中，晶闸管的导通角逐渐增大，晶闸管的输出电压也逐渐增加，电动机从零开始加速，直到晶闸管全导通，从而实现电动机的无级平滑起动，并使电动机工作在额定电压的机械特性上。2.1 软启动器的优点对于大功率异步电动机而言，软启动比硬起动（即直接起动）和传统降压起动具有以下主要优点：1）减少起动过程引起的电网电压降使之不影响同一供电网其它电气设备的正常运行；2）对电动机提供平滑的起动过程，降低电机起动过程中线路的冲击电流，减少电动机（传动机械）的冲击电流及对电网和配电系统的冲击，延长电动机（传动机械）使用寿命；3）减少电磁干扰：硬起
14、动产生的冲击电流会以电磁波的形式干扰电气仪表的正常运行；4）有多台电动机控制功能，用一台起动器控制多台电动机的起动，起动电流、起动时间可分别设置；多种起动模式：电压斜坡起动、限流起动、脉冲突跳起动，具有软停车功能；5）具有完善的保护功能：过载保护、断相保护、过压和欠压保护等。2.2 软启动器的控制接线（以英杰电气有限公司的KRQS系列为例）KRQS110/P型软启动器基本接线示意图：图2-6基本接线示意图全数字电子软启动器不仅能有效控制鼠笼式三相异步电动机起动电流，减缓电流对电动机和电网的冲击，还能在起动和运行过程检测电流、电压参数，对异常情况进行处理、显示及报警，实现对电动机的综合保护。三相
15、鼠笼式异步电动机以其结构简单、性价比高和工作特性好等诸多优点，在当今工业应用的各个领域都有广泛的应用，但它有一明显缺点，就是起动电流过大(一般起动电流为额定电流的57倍甚至更大)，这样不论是对电动机本身，还是对电网以及其他电气设备，都会产生不利的影响。电子软启动器的诞生，已经从很大程度上提供了解决这个技术难题的有效手段，而且近年来随着电力电子技术以及智能控制技术的不断发展，电子软启动器已经逐步取代了传统的起动方法，例如“Y”降压起动、自耦变压器降压起动以及磁性调压起动等。所谓电子软启动器，就是使用晶闸管调压技术，采用单片机控制的起动器，在用户规定的起动时间内自动地将起动电压连续平滑地上升，直到
16、达到额定电压，从而达到有效控制起动电流的目的。3 软启动电路3.1 软启动器的控制原理图该软启动器它采用三相平衡调压式主回路，将3对反向并联的大功率晶闸管串接于电动机的三相电路上，通过控制其触发角的大小来改变晶闸管的导通程度，由此控制电动机输入电压的大小，以达到实现电动机软启动的过程。当电动机起动完成并达到额定电压时，闭合三相旁路接触器KC，短接晶闸管，使电动机直接投入电网运行，以避免晶闸管元件的持续损耗。其中，主回路的晶闸管和接触器随系统容量不同可以选用不同的器件。主回路主要是晶闸管电子调压装置，由6个晶闸管V1V6组成，另外，利用3个霍尔传感器来完成三相定子的电流检测。在起动过程中，晶闸管
17、V1V6的触发角由软件控制，从而使加在交流电动机三相定子绕组上的电压由零逐渐平滑地升至全电压。同时，电流检测装置检测三相定子电流送给单片机进行运算和判断，当起动电流超过设定值时，软件控制升压停止，直到起动电流下降到低于设定值之后，再使电动机继续升压起动。若三相起动电流不平衡并超过规定的范围，则停止起动。另外，由电动机理论可知，当电动机的输入电源频率不变时，电动机的输出转矩与输入电压的平方成正比。因此，软启动不仅使电动机定子电压连续平滑地增加，实现了升压限流起动，而且避免了电动机起动转矩的冲击和不平稳的现象。软启动的控制器采用16位的Intel80C196KC芯片，这种芯片比一般的8位单片机有更
18、高的运算速度和较高的集成度，而对比DSP芯片来讲，虽然运算速度上稍微慢了点，但196芯片价格便宜这个特点又使其在性价比上占了一定优势，而且196芯片的CPU晶振频率现在也已达到了16MHz，再加上它自身具有乘除法运算指令，使其已经能够满足软启动过程中数据运算处理速度要求。另外，80C196KC芯片丰富的外围部件功能，以及具有10位A/D高分辨率转换的特点，可以在保证软启动器高可靠性的同时降低生产成本。3.2 硬件设计一个完整的软启动器一般由两部分组成，即控制单元和功率单元。控制单元是核心部分，软启动器大部分功能都是在这一单元实现的，其中含有三相电源的电压及工作电流的检测、键盘输入和液晶显示输出
19、信号的接收和处理，实现远程通信和故障诊断及报警等；功率单元则担负着形成所需触发脉冲的职责。整个系统结构如图3-1所示，下文也将从系统核心部分触发控制部分重点说明软启动器的硬件设计。图3-1 软启动器总体系统结构图3.3 电压同步信号检测电路用如图3-2所示的电路作为电压同步信号检测电路。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以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P521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。整个工作过程大致是这样的：由电源侧来的线电压信号经过2个电阻和1个二极
20、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(VCC=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。这个电路的优点就在于：一方面，在起动未开始或是开始瞬间，线路还没有负载电流时，这
21、个电路仍可以检测到器件电压零点，这就比电流过零同步方式要优越得多；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行处理，这样就既节省了线路板的空间，也节约了成本。同时，可以利用图3-2这个电路(以下称为电路I)和另一套与电路基本相同的电路(以下称为电路II)配合，进行电源的相序判断和缺相检测。在这里也大致介绍一下工作原理。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U_1和U_2分别连接电源的A、B两相，而电路II输入侧U_1和U_2连接的就是电源的B、C两相，且输出信号是送到80C196KC芯片的另一个HSI(高
22、速输入引脚)口的。这里利用到芯片HSI引脚，它特有的功能，一是这种引脚能够无需CPU干涉而快速响应事件，二是这种引脚不但可以设置事件发生产生中断，还可以记录事件发生时的时间和当时引脚的状态。这里我们假设电路I的U_1和U_2接的是电源的A、B相，而电路II的U_1和U_2接的是B、C相，这样在三相电源正常工作时，当AB线电压发生正跳变(即从负半波转为正半波)时，BC线电压为负，那么电路II送入CPU的信号就为低电平；当AB线电压发生负跳变时，BC线电压为正，那么电路II送入CPU的信号是高电平(如果电路II的U_1和U_2接的是C、B相，那么两次送入CPU的信号高低电平情况就相反)。而当电源发
23、生缺相故障时，AB线电压无论发生何种跳变时，BC线电压都同为正或同为负，这样电路II送入CPU的信号将同为高电平或低电平。设置电路I接入CPU的HSI0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CPU的HSI1引脚的状态，通过两次对比HSI1引脚的电平情况，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。图3-2 电压同步信号检测电路3.4 触发脉冲形成电路起动器的工作原理就是通过改变主回路中晶闸管的导通时间，从而调整电动机的起动电压来实现的，那么如何按照要
24、求形成所需的触发脉冲信号就显得尤为重要。晶闸管的触发方式有很多种，在这个设计采用脉冲变压器来产生符合要求的具有一定规律的脉冲，主要为的就是使触发发生电路在同晶闸管相连接的同时，又可以使这两部分电路之间具有电气隔离。下面以单相触发脉冲形成电路为例，具体说明是如何利用这个电路形成所需的六路触发脉冲信号的。如图3-3所示，电路中74LS02的2、3脚分别接Intel196KC芯片的PWM脚和HSO脚，而脉冲变压器二次侧输出端GA1、KA1和GA2、KA2分别接的是某一相正反1对晶闸管的触发极和阴极。这样根据电路可分析得，由于PWM引脚是由软件设置在不断地产生一定占空比的脉冲信号，因此如果想在某一时刻
25、触发该相的晶闸管，只要在这个时刻通过软件设置将连接到该电路的HSO引脚置为低电平，并保持一定宽度时间就可以实现，而究竟是正向晶闸管还是反向晶闸管导通，那就取决于外部施加在该相晶闸管两端的电源正负了。同理，如果想不输出触发脉冲，只要将该HSO引脚置为高电平就可以了。同时，还可利用HSO引脚同时通过软件设置电平变化的特点，在软启动过程中如有检测到故障信号需停止软启动操作，就只要两条指令便可以令HSO引脚迅速置为高电平，即同步立即封锁三相触发脉冲信号，做到及时反应外部故障。1KA2PWMHSO74LS02VD3VD2VD1R4R3R2R12C2C13VTVCCGA1GA2图3-3 单相触发脉冲形成电
26、路示意图另外，电路中晶闸管控制用的脉冲变压器采用111三线圈型，这样在减少变压器个数的同时，也可以将原先可能需要的6根输出信号控制线减少至3根。同时在脉冲变压器二次侧串联1个电阻，这样既可以用来降低晶闸管的维持电流，还可在这种接有2个晶闸管的三线圈变压器的场合中用来平衡控制极电流，同时这个加接电阻还能够在存在高噪声电平的场合防止误触发。此外，在此电阻旁还串联1个二极管，这是为了在脉冲变压器输出电压瞬变或反向时防止反向控制极电流，并且二极管同样也可以降低晶闸管的维持电流。至于在接到晶闸管控制极和阴极两端的输出端并联1个RC回路，那则是为了在这种控制三相异步电动机感性负载情况下使晶闸管正确换流。4
27、 总结电动机的降压起动方式经过了“Y-”起动器和自藕降压起动器到磁控式软启动器，目前又发展到电子软启动器。所以在工程应用中，当电动机在直接起动不能满足要求时，首先考虑的是电子软启动器。这是科技发展的历史阶段，是为今后的智能控制系统化打下良好基础的必然阶段。三相异步电动机的软启动方式很多。随着技术进步的加速，各种新的软启动控制方式也脱颖而出，比较各种软启动方式的优缺点，可从中选择出适合特定应用场合的最佳软启动方案。软启动器作为新一代的工业控制装置，以其优越的起动性能而广泛应用于冶金、化工、电力、煤炭、水利、轻工等各个行业。致谢值此论文完成之际，我首先要衷心感谢我的指导老师徐桂岩老师。徐桂岩老师严
28、谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样，徐桂岩老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢。参考文献1电机节能控制器的设计赵学军等单片机与嵌入式系统应用2002.92交流异步电机软启动及优化节能控制技术徐甫荣电气传动自动化2003.13异步电机的功率因数检测及其控制张庆新电工技术杂志2001.104电动机节能控制的研究赵金宪，付家才煤矿机械2002.105单片微型计算机实用系统设计潘新民编著人民邮电出版社19926单片机应用技术选编何立民主编北京航空航天大学出版社19937MCS-51单片机应用系统设计何立民著北京航空航天大学出版社8刘昆山.如何快速入门单片机J.江西冶金职业技术学院,2010.019刘保延等步进电机及其驱动控制系统M哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，199710赵龙庆，徐国栋一种基与单片机的步进电机控制驱动器J西南林学院学报，2005611陈粤初单片及应用系统设计与实践M北京：北京航空航天大学出版社，1992
