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中北大学2014届毕业设计说明书1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3RW22SIKOSTART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。中北大学2014届毕业设计说明书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、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protues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。中北大学2014届毕业设计说明书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。2.1.1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2.1所示。然而这种起动方法有诸多不足。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。111134stNkvAIKIkw电源总容量起动电动总功率中北大学2014届毕业设计说明书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。M3~FU1FU2FU3KM图2.1直接启动原理图2.1.2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2.2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。中北大学2014届毕业设计说明书KMM3~FU2FU3FU1RFRQUVW图2.2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2.3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。中北大学2014届毕业设计说明书KM3KM1M3~FU2FU3FU1FRQUVWKM2图2.3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2.4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，KM2的主触头闭合由自耦变压器的低压抽头(例如65％)将三相电压的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。中北大学2014届毕业设计说明书图2.4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。2.1.3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。中北大学2014届毕业设计说明书2.2软起动的原理及分析2.2.1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启动过程。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2.5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。中北大学2014届毕业设计说明书图2