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1、襄樊职业技术学院（毕业）论文三相异步电机软起动器硬件电路的设计专业班级： 机电一体化 学 生： 学 号： 指导教师： 教学单位：电子信息工程学院毕 业 届： 2013届毕 业 设 计（论 文）课 题 任 务 书电子信息工程学院 系（院） 机电一体化 专业 班 学生 毕业设计(论文)课题 二、毕业设计(论文)工作自 2012年 11月10日起至 2013年6月5 日止三、毕业设计(论文)进行地点 四、毕业设计(论文)的内容要求要求在顶岗实习期间，根据自己在大力电工襄阳有限公司参与三相异步电机软启动器硬件电路方面的设计，对设计方案进行分析、总结并完善，并将对设计方案中的理论知识进行分析、总结、实行
2、情况书写成毕业设计论文。指导教师学 生目录目录2摘要3关键词31前言32软启动器原理32.1 软启动器及其工作原理32. 2 软启动器启动方式43 软启动器硬件电路设计43.1软启动器硬件电路总体框图43.2 软启动器主电路的设计53.3 电路元件参数的选择53.4软启动器控制电路的设计63.4.1 软启动器电机线电压检测电路设计63.4.2 软启动器同步电路设计73.4.3 软启动器电机转速检测电路设计73.4.4 软启动器相序检测电路设计83.4.5软启动器保护电路的设计9总结11参考文献12三相异步电动机软起动器硬件电路的设计学生：陈球指导教师：瞿克俭摘要介绍了以C8051单片机为核心的
3、的交流异步电动机软启动器。软启动器包括主电路和控制电路两部分。控制电路利用晶闸管的导通角计算电机的功率因数；电机启动方式采用电压斜坡软启动；单片机控制晶闸管触发脉冲，通过对电机起动过程中的品闸管触发脉冲的控制，实现电机的平滑起动，减少了电机对电网的冲击，起到了节能作用。该系统能够设置电机的起动参数，自动诊断故障，控制系统智能化。关键词软启动器；单片机；晶闸管1. 前言电力电子软起动的出现是随着晶闸管的出现而发展起来的，最早采用晶闸管三相交流调压电路对电动机的软起动应用是在1970 年由英国人发明的，由于采用这种方法可以获得很好的起动性能，所以曾引起人们广泛的注意。近二十多年来，国外对晶闸管三相
4、交流调压电路进行了广泛的研究，在工业应用领域得到应用，在某些领域应用显示出独特的技术优势。目前，对晶闸管三相交流调压电路的研究已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。2. 软启动器原理2.1 软启动器及其工作原理软启动器是一种用来控制三相交流电动机的专用产品，它实现了交流电动机的软启动、软停车、轻载节能和多种保护，其功能完善，性能优越，能够满足工业电机控制的需要，是传统Y/启动和自耦变压器启动控制方式的理想换代产品。软启动器采用三相反并联晶闸管（SCR）作为调压器，将其
5、接入电源和电机定子之间，这种电路如三相全控整流电路。软启动器启动电机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机的转速逐渐加速，直到晶闸管全部导通，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，避免了启动时过流跳闸，待电动机达到额定转速时，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，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命及提高其工作效率。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，转速逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。2. 2 软启动器启动方式软启动器一般有下面几种启动方式： 斜坡升压软启动 输出电压
6、由小到大斜坡线性上升，将传统的有级降压起动变为无级降压起动，主要用于重载起动。它的缺点是起动转矩小，转矩特性呈抛物线形上升，对起动不利； 起动时间长，对电机不利。改进的方法是采用双斜坡起动:输出电压先迅速升至U，为电机起动所需的最小转矩所对应的电压值。然后按设定的速率逐渐升压，直至达到额定电压。初始电压及电压上升率可根据负载特性调整。这种起动方式的特点是起动电流相对较大，起动时间相对较短。斜坡升压软起动原理图如图1。 斜坡恒流软启动 这种启动方式是在电动启动的前阶段电流逐渐增加，当电流达到预先所设定的值后保持恒定，直到启动完毕。启动过程中，电流上升变化速率是可以根据电动机负载调整设定。电流上升
7、速率大，则启动转矩大，启动时间短。这种启动方式的优点是起动电流小，且可以按需要调整起动电流的限定值，缺点是由于在起动时难以知道起动压降，不能充分利用降压空间，会损失起动力矩。该启动方式是应用最多的启动方式，尤其适用于风机、泵类负载的启动。斜坡恒流软起动原理图如图2。图1斜坡升压软启动原理图 图2斜坡恒流软启动原理图3 软启动器硬件电路设计3.1软启动器硬件电路总体框图三相异步电动机软起动控制系统在硬件方面可以分为两个部分，即主电路和控制电路。主电路包括三相电源、三相反并联的晶闸管、三相异步电动机。在主电路中，晶闸管的容量要根据所控制的三相异步电动机的容量选择，主电路的结构是相同的。而控制的设计
8、和所要控制的异步电动机的容量无关，可以设计成通用型的。控制电路部分一般由电流检测、晶闸管触发驱动电路、触发脉冲同步电路、相序检测电路、保护电路及CPU等组成。该系统的总体框图如图5。3.2 软启动器主电路的设计主电路部分结构比较简单，主要采用晶闸管调压原理完成软启动器的各项功能。三相异步电动机的晶闸管调压系统主回路的接法有多种，最常用的控制方案是将六个反并联的晶闸管分别串接在电动机的三相线圈上，这种连接方法由于各相波形对称，输出电压不含偶次谐波，谐波比较少，因此功率可以做的较大，调速性能也比较优越。本系统采用这种典型的调压电路，控制系统主回路电路图如图6。图5 软启动器硬件总体框图图6 软启动
9、器主回路图3.3 电路元件参数的选择晶闸管参数的选择主要考虑其电流容量和耐压: 晶闸管电流容量（通态平均电流）的选择是在环境温度为和规定的冷却条件下，带电阻负载的单相工频正弦半波电路中，管子全导通(导通角不小于)而稳定结温不超过额定值时所允许的最大平均电流。按照标准，取其整数作为该器件的额定电流。根据实际电路考虑在软起动器工作时，晶闸管通态平均电流的选择应根据电动机的起动电流来选取。若设限制起动电流倍数为K电动机额定电流为定值，同时考虑到波形系统和留有一定的裕量，则晶闸管的通态平均电流为： 晶闸管耐压选择精确设计晶闸管的耐压值比较困难，这是因为它不仅和回路的接法有关，同时还与电动机的容量、激磁
10、电流等数值有关，为了安全起见，额定电压必须使用时的正常工作电压峰值有23倍的裕量，在考虑有过电压吸收回路的情况下，所选用的晶闸管额定电压为 在选择双向反并联的晶闸管时，应仔细考虑其参数的选择。同时由于双向反并联晶闸管多用于交流电路，因而通态时额定电流是指有效值电流，也就是说在选择晶闸管时要加大安全裕量，此外为了使晶闸管能够正常工作而不受损坏，还必须对过电压、过电流以及过高的电流引起的器件或电动机温升等进行适当的保护和抑制。3.4软启动器控制电路的设计3.4.1 软启动器电机线电压检测电路设计三相异步电动机定子侧的相电压、相(线)电流是分析异步电动机的两个重要参数，电子软起动器通过缓慢调节定子侧
11、的相电压，使得定子侧电流在一定范围内缓慢上升并最终达到额定状态，电动机的电磁转矩与定子侧相电压的平方成正比，而定子侧相电流反映了电机及电网所承受的冲击程度，在提高电机电磁转矩的同时尽可能减小定子电流，是软起动器设计的首要目标。在下图的电压检测电路中，电网电压经电压互感器缓冲转换成同比例的0-10V电压，再经有效值电路转换为相对应的有效直流分量0-200mV,最后经A/D转换器以数字信号的形式送到单片机处理显示。软启动器电机线电压检测电路如图7。图7 软启动器电机线电压检测电路3.4.2 软启动器同步电路设计要使三相交流调压主回路各个晶闸管的触发脉冲与其阳极电压保持严格的同步相位关系，软起动器必
12、须在一个电压周期内控制晶闸管的导通，通过确定电压波形的过零点，延时一段时间输出触发信号来控制其导通角，故在系统中必须设置同步电路。在本设计中，对于主回路中的晶闸管导通控制的同步信号采用1个同步变压器，输出电压经过过零比较器LM339后得到同步方波信号，方波跳变点对应于自然换流点。同步信号检测电路图如图8。3.4.3 软启动器电机转速检测电路设计电机转速的检测通过安装在异步电动机转子处霍尔元件产生的霍尔脉冲信号进行检测，霍尔元件和磁铁，即可构成基于磁电转换技术的传感器，安装于异步电动机转子上的永磁铁随转子转动，经过霍尔元件一次，可在信号端产生一个计量脉冲，单片机通过在一定时间内对霍尔脉冲次数的采
13、集来得到异步电动机的转速。转速检测的原理图如图9。图8 同步信号检测电路图图9 软启动器电机转速检测电路3.4.4 软启动器相序检测电路设计软起动装置中不可缺少相序检测的功能。应用微机控制的软起动装置，同步信号通常只有一路，其它脉冲信号都以此信号为基准，因此只有确定相序，才能正确地发出脉冲来控制晶闸管的导通顺序，起到相序自适应的作用。下图是相序检测电路。在电路中先将三相电源电压分压，经RC滤波后送到差动过零比较器LM339，过零比较器将经过分压的三相正弦波整形成三相方波信号，经过光耦合隔离后送到单片机入口。整形后的方波送入单片机的三个入口，直接循环采样相应接口的状态检测三相电源电压的相序和相位
14、。若检测到的数据顺序为1-2-3-4-5-6，同为下相序，若检测到的数据顺序1-6-5-4-3-2，则为负相序。软启动器相序检测电路如图10。图10 软启动器相序检测电路3.4.5软启动器保护电路的设计 三相异步电动机普遍运行在恶劣的工业环境中，由于环境温度、负载过大、电动机老化、电网波动等因素在成电动机损坏。本系统通过控制继电器，进而控制接触器动作来对电动机提供过压、欠压、过流、缺相、掉相等电气保护，防止电动机因为过热而烧毁。保护电路的原理图如图所示，通过二极管D2、D5、D8取得三相电中电压最高的一相，通过二极管D3、D6、D9取得三相电中电压最低的一相，当电网电压出现故障时，电压比较器I
15、CI输出高电平，经过Rp2和C9组成的延时电路延时一小段时间后再经过比较器IC2控制继电器J，进而控制交流接触器，切断电网，保护电动机。 同时由于在单片机对电动机定子侧线电压、线电流采样的过程中，AD转换及数据处理等环节需要耗费一定的时间，此后单片机才能做出相应动作，不能保证系统的实时性，软起动器在初始设定时会要求用户输入系统过流值，根据不同的电机容量输入的过流值不同，但是为防止用户的操作失误，过流保护硬件电路是必不可少的。在系统出现异常导致主回路电流急剧增加的情况下，系统能够立即采取动作，为此设计了反应迅速、无软件延迟的过流保护硬件电路。软启动器相序检测电路如图11。图11 三相异步电动机缺
16、相、掉相、三相不平衡保护电路总结当前国内的软启动器技术已日趋成熟，与发达国家的差距拉近。用SCR(晶闸管)软起动方式，是目前交流鼠笼异步电动机降压起动中比较先进和合理的一种起动方式。采用软起动器起动电动机，可将电流限制在规定范围内，达到起动平稳且有节能的效果。通过这次毕业论文的设计修改我再次的系统的学习了软启动方面的知识，过去不懂的地方有了全面深入的了解，而且在工作中有很多值得注意的地方我都没发现通过这次查阅资料我发现自己还有很多不足之处，对以后的工作生活有很大的帮助，即将毕业，这是我上大学以来的最后一份作业，得到了瞿克俭老师您不辞辛苦的指导与教诲，在这里感谢您的帮助，还有在校的每一位为我们申
17、请付出的老师，您们辛苦,我将在以后的工作中运用我所学的,还有大家对我的教诲,做一个对社会有用的人,来回报各位恩师朋友们的对我的帮助。 参考文献1骆宝俊.异步电机软起动器研究M.江苏：南京理工大学,20072骆洪明,郎文辉.交流电动机软启动控制器的设计J.电子科技大学学报,2001,10(5):476-4793李发海,王岩.电机与拖动基础M.北京:清华大学出版社,2005.4唐介.电机学M.北京:高等教育出版社,2003.5龚勋.三相异步电动机软起动器策略研究与起动装置设计M.山东：大连理工大学,2009.6王兆安,黄俊.电力电子技术M.北京:机械工业出版社,2000.7佟存厚.交流电动机晶闸管调速系统M.北京:机械工业出版社,1988.8沙占友,王彦朋,孟志勇.单片机外围电路设计M.北京：电子工业出版社,2003.
