電機軟啟動器設計-D

1、中北大學成人教育學院2008屆畢業(yè)設計說明書電機軟啟動器設計摘要：軟啟動器以體積小，轉矩可以調(diào)節(jié)、啟動平穩(wěn)沖擊小并具有軟停機功能等優(yōu)點得到了越來越多的應用，大有取代傳統(tǒng)的啟動器的趨勢。它一般采用16位單片機進行智能化控制，既能保證電動機在負載要求的啟動特性下平滑啟動，又能降低對電網(wǎng)的沖擊，同時還能直接與計算機實現(xiàn)網(wǎng)絡通訊控制，為自動化智能控制打下良好基礎。因此，他的面世具有電動機啟動技術劃時代的意義。常見的軟啟動器主要有電子式、磁控式和自動液體電阻式等類型。晶閘管式軟啟動器是串接在電源與電動機之間的三組正反向并聯(lián)的晶閘管，通過微電腦控制觸發(fā)導通角實現(xiàn)交流調(diào)壓。本文將以晶閘管式軟啟動器為主要研究

2、對象，采用三相雙向晶閘管作為調(diào)壓器，將其接入電源和電動機定子之間。軟啟動器啟動電動機時，通過單片機控制系統(tǒng)控制三相雙向晶閘管的導通角，使其達到平穩(wěn)啟動電動機的目的。同時，實現(xiàn)一些基本保護功能，如斷相保護，過載保護，三相不平衡保護。關鍵詞：軟啟動器 電動機 MCS-51單片機目 錄摘 要.1目 錄.21 緒 論.41.1 電動機的啟動問題.41.2 軟啟動的方式.5 1.2.1液阻軟啟動.5 1.2.2磁控軟啟動 .6 1.2.3晶閘管軟啟動.61.3.異步電動機軟起動器的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢.7 1.3.1國外軟啟動技術的發(fā)展現(xiàn)狀.7 1.3.2國內(nèi)軟啟動技術的發(fā)展現(xiàn)狀81.4幾種常見軟啟動器.

3、82 異步電動機的啟動方法及總體設計方案.92.1直接啟動.102.2減壓啟動.102.3軟啟動.122.4課題的研究目標及總體設計方案.13 2.4.1研究目標.13 2.4.2總體設計方案.143 硬件設計.153.1 電路設計.15 3.1.1組成框圖.15 3.1.2主電路設計.15 3.1.3控制電路設計.163.2 設計功能及原理概述.20 3.2.1 設計功能.20 3.2.2 原理概述.213.3 主要元件介紹.21 3.3.1 主電路元件介紹.21 3.3.2 控制電路元件介紹.243.4 參數(shù)選擇.31 3.4.1 主電路參數(shù)選擇.31 3.4.2 驅動電路參數(shù)選擇.324

4、 系統(tǒng)軟件流程圖.324.1 保護功能子程序334.2 顯示報警子程序.344.3 晶閘管觸發(fā)子程序.365 總 結.37致 謝.38參考文獻.391、緒 論 1.1引言1.1.1電動機的起動問題 電機是現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和交通運輸?shù)闹匾?設備，與電機配套的控制設備的性能已經(jīng)成為用戶關注的焦點。電機的控制包括電機的起動、調(diào)速和制動。異步動機由于具有結構簡單、體積小、價格低廉、運行可靠、維修方便、運行效率較高、工作特性較好等優(yōu)點，因而在電力拖動平臺上等到了廣泛應用。據(jù)統(tǒng)計，其耗電量約占全國發(fā)電量的40%左右。當電機并入電網(wǎng)時，電機轉速從靜止加速到額定轉速的過程稱為電機的起動過程。異步電動機的起動性能

5、最重要的是起動電流和起動轉矩。因此在電機的起動過程中，如何降低起動電流，增大起動轉矩，一直是機電行業(yè)的專家們探討的重要課題。 三相異步電機是一種反電勢負載，即以反電勢來平衡外加電壓。電機在起動開始時反電勢為零，沖擊電流很大。當電機容量較大時，沖擊電流會對電網(wǎng)及其負載造成干擾，嚴重時甚至危害電網(wǎng)的安全運行;起動電流過大時將使電機本身受到過大電磁力的沖擊，頻繁起動，繞組會過稱。同時，由于藻動應力較大，使得負載使用壽命降低。 目前最常見的是直接起動方式，就是用閘刀開關或者接觸器把電機的定子繞組直接接到電網(wǎng)上。這種方式的優(yōu)點是操作和起動設備簡單，缺點是起動電流很大。一般鼠籠式異步電機直接起動的電流是額

6、定電流的4-7倍，某些國產(chǎn)電機甚至可達8-12倍，起動轉矩是額定轉矩的1-2倍。按國家標準GB755-65規(guī)定，三相感應電機的最大轉矩至少不低于1.6倍的額定轉矩，當電網(wǎng)電壓降低15%時，仍有1.6*0.85TN=1.156TN ，使接在同一電網(wǎng)的其它電機不致停轉.因此，直接起動通常只限于起動時在電網(wǎng)中引起的電壓降落不超過10%-15%(對于經(jīng)常起動的電機取10%,對于不經(jīng)常起動的電機取15%)的場合。同時，直接起動方法的應用還受到電網(wǎng)容量的限制。若電網(wǎng)容量不夠大，則電機的起動電流可能使得電網(wǎng)電壓顯著下降，影響接在同一電網(wǎng)的其它電機和電氣設備的正常運行。 為了解決直接起動帶來的一系列問題，人們

7、采用了各種降壓起動的技術，目前應用較為普遍的有自藕變壓器起動、串電阻或串電抗起動、Y-起動和延邊三角形起動等方法。這些傳統(tǒng)降壓起動方法在很大程度上緩解了大容量電機在相對較小容量電網(wǎng)上起動時的矛盾，但它們只是縮短了大電流沖擊的時間，并沒有從本質上解決問題。而且這些起動設備還存在一些固有的缺點:如對負載的適應能力差、起動電流不連續(xù)、觸點繼電器控制、維修工作量大以及浪費能源等等問題隨著自動化、機械化要求日益提高，這些矛盾變得更加突出。 為了使電機能夠迅速達到額定轉速正常工作，要求電機具有足夠大的起動轉矩且起動電流不能太大。因此，總是希望在起動電流較小的情況下，能獲得較大的起動轉矩。近三十年來，隨著電

8、力電子技術的發(fā)展，使無電弧開關和連續(xù)調(diào)節(jié)電流成為可能。電力半導體器件的開關功能實際上無磨損、壽命長、功耗小，加之微機控制技術，現(xiàn)代控制理論與電力電子技術的緊密結合，為電機的起動節(jié)能供了全新的思路。從而出現(xiàn)了電機軟起動技術。軟起動技術具有傳統(tǒng)起動方法無法比擬的優(yōu)勢。1.2軟起動的方式軟起動可分為有級和無級兩類，前者的調(diào)節(jié)是分檔的，后者的調(diào)節(jié)是連續(xù)的。在電動機定子回路，通過串入限流作用的電力器件實現(xiàn)軟起動，叫做降壓或者限流軟起動。它是軟起動中的一個重要類別。按限流器件不同可分為:以電解液限流的液阻軟起動;以磁飽和電抗器為限流器件的磁控軟起動;以晶閘管為限流器件的晶閘管軟起動.1.2.1 液阻軟起動

9、液阻是一種由電解液形成的電阻，它導電的本質是離子導電。液阻有兩個特點:一是它的阻值正比于相對的二塊電極板的距離，反比于電解液的電導率，極板距離和電導率都便于控制;二是液阻的熱容量大。液阻的這兩大特點恰恰是軟起動所需要的。加上另一個十分重要的優(yōu)勢即低成本使液阻軟起動得到廣泛的應用。液阻軟起動也有缺點，一是液阻箱容積大，其根源在于阻性限流，減小容積引起溫升加大。一次軟起動后電解液通常會有10-30的溫升，使軟起動的重復性差。二是移動極板需要有一套伺服機構，它的移動速度較慢，難以實現(xiàn)起動方式的多樣化。三是液阻軟起動需要維護，液箱中的水，需要定期補充。電極板長期浸泡于電解液中，表面會有一定的銹蝕，需要

10、作表面處理。四是液阻軟起動裝置不適合子置放在易結冰或顛簸的現(xiàn)場。 近年出現(xiàn)熱變液阻軟起動裝置，通過液阻本身在軟起動過程中的溫升，借助電解液電導率與溫度的正相關性實現(xiàn)無極板伺服機構的軟起動。但是，其可行性大可質疑:它的限流器件不具備限流能力易控性，裝置對使用環(huán)境溫度要求高，軟起動重復性差。 液阻軟起動裝置可以串在繞線電動機轉子回路實現(xiàn)童載軟起動，售價低廉，在軟起動過程中不產(chǎn)生高次諧波等等，則是它突出的優(yōu)點。1.2.2 磁控軟起動磁控軟起動是從電抗器軟起動衍生出來的。用三相電抗器串在電動機定子實現(xiàn)降壓是兩者的共同點。磁飽和軟起動不同于電抗器軟起動的主要點是其限流作用可控。總體說來，起動開始時限流作

11、用較強，在軟起動過程中逐漸減弱。電抗器在起動完成后被旁路。 限流作用的強弱變化是通過控制直流勵磁電流，改變鐵芯的飽和度實現(xiàn)的所以叫做磁控軟起動。因為磁飽和電抗器的輸出功率比控制功率大幾十倍，它也可以稱為“磁放大器”。磁飽和電抗器有三對交流繞組和三相共有的一個直流勵磁繞組。在交流繞組里流過的是電動機定子電流，它必然會在直流勵磁繞組上感應出電勢。后者會影響勵磁回路的運行。不是用一個，而是用一對交流繞阻的主要原因就是為了抵消這種影響。 顯然 ,限流作用的強弱調(diào)節(jié)是靜止的、無接觸的、非機械式的。所以，在工作原理上磁控軟起動與晶閘管軟起動是完全相同的。高壓磁飽和電抗器在原理和結構上與低壓磁飽和電抗器沒有

12、本質區(qū)別，只是在某些方面需要采取一些特殊處理罷了。磁飽和電抗器具有0.1秒量級的慣性，這使磁控軟起動的快速性比晶閘管軟起動慢一個數(shù)量級。對于電動機系統(tǒng)的大慣性來說，磁控軟起動的慣性是很小的。有人說磁控軟起動不產(chǎn)生高次諧波。這是錯誤的。只要飽和，就一定會有非線性，就一定會引起離次諧波。只是磁飽和電抗器產(chǎn)生的高次諧波會比工作于斬波狀態(tài)的晶閘管要小一些。磁控軟起動裝置需要有相對較大功率的輔助電源，噪聲較大則是其不足之處。1.2.3 晶閘管軟起動晶閘管軟起動產(chǎn)品問世不過30年左右的時間。它是當今電力電子器件長足進步的結果。10年前，電氣工程界就有人指出，晶閘管軟起動將引發(fā)軟起動行業(yè)的一場革命。目前在低

13、壓(380伏)范圍內(nèi)，晶閘首軟起動產(chǎn)品價格己經(jīng)下降到液阻軟起動的大約2倍。而其主要性能卻優(yōu)于液阻軟起動。與液阻軟起動相比，它的體積小、結構緊湊，維護量小，功能齊全，菜單豐富，起動重復性好，保護周全，這些都是液阻軟起動無法比擬的。 但是晶閘管軟起動產(chǎn)品也有缺點。一是高壓產(chǎn)品的價格太高，是液阻軟起動產(chǎn)品的5-10倍，二是晶閘管引起的高次諧波較嚴重。1.3 異步電動機軟起動器的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢軟起動器是一種用于控制鼠籠式異步電動機的新設備，集電機軟起動、軟停車、輕載節(jié)能且多種保護功能于一體的新型電機控制裝置。電動機軟起動器一般以大功率雙向晶閘管構成三相交流調(diào)壓電路。通過控制晶閘管的觸發(fā)角，調(diào)節(jié)晶閘

14、管調(diào)壓電路的輸出電壓，實現(xiàn)電動機的無觸點降壓軟起動、軟停車和輕載節(jié)能的目的。軟起動器起動是一項近代發(fā)展最快的新技術，可調(diào)起動電流，又可調(diào)起動轉矩、軟停車等功能，在保護傳動系統(tǒng)不受磨損、維護電網(wǎng)質量方面有突出的表現(xiàn)，是一種理想的起動方式。其主回路采用過載能力很強的晶閘管作為相控元件，通過調(diào)節(jié)晶閘管的導通角方式降壓起動。在參數(shù)設定中，有起動電壓設定、起動時間、起動電流設定和停車曲線時間的設定，以及起動電流超限選擇。與傳統(tǒng)的Y-、自藕變壓器、串電抗起動相比，無論從功能、性能、負載適應能力、接線、維護及可靠性方面均有其優(yōu)勢。 軟起動器己廣泛應用在石油、化工、冶金、電力、建材等領域，取得了顯著的經(jīng)濟效益

15、。原則上，異步電動機軟起動器凡不需要調(diào)速的各種應用場合都可適用目前的應用范圍是交流380V(或660V)，電機功率從幾千瓦到800kW。軟起動器特別適用于各種泵類負載或風機類負載。另外，對于變負載工況、電動機長期處于輕載運行，只有短時或瞬間處于重載場合，應用軟起動器(不帶旁路接觸器)則具有輕載節(jié)能的效果。1.3.1 國外軟起動技術的發(fā)展現(xiàn)狀電力電子軟起動的出現(xiàn)是隨著晶閘管的出現(xiàn)而發(fā)展起來的。最早采用晶閘管三相交流調(diào)壓電路對電動機軟起動的應用出現(xiàn)在1970年，采用這種方法可以獲得很好的起動性能，所以一開始就引起人們廣泛的注意。三十多年來，國外對晶閘管三相交流調(diào)壓電路進行了廣泛的研究，在工業(yè)應用領

16、域得到廣泛的應用。在某些領域應用顯示出獨特的技術優(yōu)勢。如美國AB公司、英國CT公司、法國TE公司、德國AEG公司、瑞士ABB公司等均推出了軟起動器系列產(chǎn)品。 目前在國外，晶閘管三相交流調(diào)壓起動技術的研究已從對通過控制電機電流的開環(huán)，閉環(huán)方式，發(fā)展到通過建立比較準確實用的數(shù)學模型找到適于三相交流調(diào)壓電路電機負載的控制方法，從而便三相交流調(diào)壓電路電機負載性能更好。如降壓變頻調(diào)速中的矢量控制和磁場定向控制的引入，創(chuàng)立軟起動技術的轉矩控制等等。 國外軟起動的主要產(chǎn)品是固態(tài)軟起動裝置，即晶閘管軟起動器和兼作軟起動的變頻器。在生產(chǎn)工藝需要調(diào)速要求時，當然采用變頻裝置，在沒有調(diào)速要求的場合，輕載起動采用晶閘

17、管軟起動，負載功率比較大或重載的場合采用變頻軟起動，晶閘管軟起動裝置是發(fā)達國家的主流產(chǎn)品。1.3.2 國內(nèi)軟起動技術的發(fā)展現(xiàn)狀我國的軟起動技術起步于80年代初期，現(xiàn)己推出JKB型軟起動器和JQ,JQZ型固態(tài)節(jié)能起動器等產(chǎn)品。JQ型用于輕負載起動，JQZ型用于重載起動，最大的控制功率可以達到800KW。雖然取得了一些成績，但由于國內(nèi)自行開發(fā)和生產(chǎn)的能力相對較弱，對國外產(chǎn)品的依賴還很嚴重。從總體上著，我國軟起動技術與國際先進尚有差距。主要表現(xiàn)在以下幾個方面:(1) 軟起動器的整機技術落后，國內(nèi)雖有很多單位投入了一定人力，物力，但由于分散 ，并沒有形成一定的技術和生產(chǎn)規(guī)模。(2) 軟起動器產(chǎn)品所用的

18、半導體功率器件的制造業(yè)規(guī)模較小。(3) 相關配套產(chǎn)業(yè)及行業(yè)落后。(4) 產(chǎn)銷量少,可靠性及工藝水平不高。作為強弱電結合的軟起動是機電一體的綜合性技術，既要處理巨大的電能轉換，又要處理信息的搜集、變換和傳輸。因此其技術研究也會在兩個方向進行?？梢灶A見，未來的軟起動器將沿著以下方向發(fā)展:(1) 提高起動轉矩。采用分級變頻起動，使電機低速起動時，起動電流小，起動轉矩大，可以在滿負荷的情況下實現(xiàn)軟起動。(2) 實現(xiàn)高水平的控制，向智能化的方向發(fā)展。(3) 起動器將向中壓電機軟起動方向發(fā)展.(4) 向小型化方向發(fā)展。1.4幾種常見軟啟動器a集電JLC軟啟動器 JLC系列交流電動機控制裝置，屬上海集電電力

19、電子技術發(fā)展有限公司產(chǎn)品，簡稱集電JLC電動機軟啟動器。JLC電動機軟啟動器，主電路為無觸點，控制電路采用美國ENERPRO公司的軟啟動技術，并使用ENERPRO原裝主板組成的JD-16組件。該產(chǎn)品為具有20世紀90年代國際先進水平的高科技產(chǎn)品。JLC電動機軟啟動器為雙板結構，由軟啟動器控制板和主觸發(fā)板共同完成啟動。它是以電壓作為調(diào)節(jié)對象的，提供具有電動機電壓反饋的單斜坡或雙斜坡加速電壓，啟動十分平穩(wěn)，操作特別簡單。輸出電壓按指定要求上升，使被控電動機電壓由零按指定斜率上升到全電壓，轉速相應的由零加速至額定轉速。JLC電動機軟啟動器設有節(jié)能功能，并設有斷相，過電流，晶閘管超溫保護功能。b電力W

20、JR電動機軟啟動器電力WJR電動機軟啟動器是齊齊哈爾電力半導體器件廠的產(chǎn)品。它采用限流軟啟動方式，并利用單片機控制技術實現(xiàn)電動機軟啟動，電動機起動電流可在1.54倍額定電流范圍內(nèi)設定。根據(jù)電動機的負載情況，調(diào)整起動電流倍數(shù)，可以使電動機連續(xù)平滑啟動，從而避免了電動機啟動時所產(chǎn)生的電流沖擊。電力WJR電動機軟啟動器，基于單片機技術，通過其內(nèi)置的專業(yè)優(yōu)化軟件動態(tài)調(diào)整電動機運行過程中的電壓和電流。它具備完整的軟啟動和軟停車功能，且具有斷相，過電流，過載，三相不平衡，晶閘管過熱等多項保護功能。并有故障狀態(tài)輸出和運行狀態(tài)輸出可以用來控制其它連鎖的設備。WJR電動機軟啟動器可智能的檢測到電動機運行過程中出

21、現(xiàn)的故障，運行狀態(tài)及故障狀態(tài)均由面板上的LED顯示。c西普STR電動機軟啟動器STR數(shù)字式軟啟動器，是西普電力電子有限公司產(chǎn)品，它是采用電力電子技術、微處理技術及現(xiàn)代控制理論設計生產(chǎn)的，具有先進水平的新型節(jié)能產(chǎn)品。其特點是：（1）降低電動機啟動電流、降低配電容量，避免增容投資。（2）降低啟動機械應力，延長電動機和相應設備的使用壽命。（3）啟動參數(shù)可視負載調(diào)整，以達到最佳啟動效果。（4）特有的外控端子，可實現(xiàn)異地控制或自動控制。（5）高度集成的微處理控制系統(tǒng)，性能可靠2. 異步電動機的起動方法及總體設計方案異步電動機有直接起動、減壓起動和軟起動。2.1 直接起動直接起動，也叫全壓起動。起動時通過

22、一些直接起動設備，將全部電源電壓(即全壓)直接加到異步電動機的定子繞組，使電動機在額定電壓下進行起動。一般情況下，直接起動時起動電流為額定電流的4-7倍，起動轉矩為額定轉矩的1-2倍。根據(jù)對國產(chǎn)電動機實際測量，某些籠型異步電動機起動電流甚至可達8-12倍。直接起動的起動線路是最簡單的。然而這種起動方法有許多不足。對于需要頻繁起動的電動機，過大的起動電流將造成電動機的發(fā)熱，影響電動機的壽命;同時電動機繞組在電動力的作用下，會發(fā)生變形，可能引起短路，進而燒毀電動機;另外過大的起動電流，會使線路壓降增大，造成電網(wǎng)電壓的顯著下降，從而影響同一電網(wǎng)的其他設備的正常工作，有時甚至使它們停下來或無法帶負載起

23、動。這是因為Tst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Tst及Tm均下降到低于Tz。一般規(guī)定，異步電動機的功率低于7.5KW時允許直接起動。而如果功率大于7.5KW則一般采用減壓起動。2.2 減壓起動減壓起動是在起動時先降低定子繞組上的電壓，起動后，再把電壓恢復到額定值。減壓起動雖然可以減小起動電流，但是起動轉矩也會同時減小。因此，減壓起動方法一般只適用于輕載或空載情況下起動。減壓起動的具體方法很多，這里介紹下列兩種常用的減壓起動方法。a. 星三角啟動器星三角啟動器是一個較早的解決辦法。在啟動過程中，電網(wǎng)的相位接頭和中性接頭之間，電動機定子繞組與啟動器進行星型連接，從而可以

24、降低電動機電壓，及至降低電流;一旦克服主慣量之后，電動機定子繞組在電網(wǎng)相位接頭之間的連接就呈三角形，以獲得滿電壓和功率。然而，這種啟動器不能從根本上消除機械和電氣瞬變現(xiàn)象，只能使其稍微減弱，使他們穿過時間軸上的兩個點從隨后的星三角切換至原點。星三角啟動法只適用于正常工況，在其它工況下，從星形到三角形之間的切換有時候比直接在線啟動情況還要糟糕。因此，星三角啟動器對于該問題來說只能算是一個粗淺而有限的解決辦法。圖2-1星-角啟動原理圖b. 自藕變壓器降壓啟動自耦變壓器是一種單圈式變壓器，一、二次側共同用一個繞組繞制，其變壓比是固定的。啟動時，開關S2投向啟動一邊，電動機的定子繞組通過自耦變壓器接到

25、三相電源上，屬降壓啟動。當轉速升高到一定程度后，開關S2投向運行一邊，自耦變壓器被切除，電動機定子直接接在電源上，電動機處于工作狀態(tài)。自耦變壓器降壓啟動有幾種抽頭供選用，比星-角啟動靈活。但是自耦變壓器體積大，價格高，也不能帶動重負載啟動。圖2-2 自藕變壓器降壓啟動原理2.3 軟啟動軟啟動器于20世紀70年代末到80年代初投入市場，它與頻率轉換器相似，同樣以電子和可控硅為基礎。可以這樣說，它填補了星三角啟動器和頻率轉換器在功能實用性和價格之間的鴻溝。采用軟啟動器，可以控制電動機的電壓，使其在啟動過程中逐漸地升高，很自然地限制啟動電流。這就意味著電動機可以平穩(wěn)地啟動，機械和電應力也降至最?。辉?/p>

26、裝置還有一種附帶的功能，即可用來“軟”停機。由于該啟動器采用電子式電路，可以相對比較容易地通過安全和事故指示燈增強其基本功能，改善電動機的保護，簡化故障查找，如失相、過電流和超高溫保護，以及正常運行、電動機滿電壓和某些故障指示。象斜坡電壓和初始電壓等所有設定值都可以很容易地在啟動器面板上設定。另外，軟啟動器除了完全能夠滿足電動機平穩(wěn)啟動這一基本要求外，還具有很多優(yōu)點，比如可靠性高、維護量小、電動機保護良好以及參數(shù)設置簡單。軟啟動器與傳統(tǒng)啟動器的比較：電機起動分為直接起動和軟起動。直接起動為全壓起動，所用設備簡單，投資少，但啟動電流大，在配電系統(tǒng)產(chǎn)生較大壓降，影響同母線連接設備運行，尤其是起動轉

27、矩過大對電機及傳動機械產(chǎn)生巨大的沖擊，加速電機的老化及機械的損壞。軟啟動能抑制電動機起動電流，在限定時間內(nèi)將它驅動到額定轉速，并在必要情況下多次連續(xù)起動。該過程兼有若干保護功能，當短路、過載、起動超時、欠電壓、系統(tǒng)異常等故障時，軟啟動裝置能做出相應防護并發(fā)出警示信號。直接起動，起動方法簡單，但交流異步電機的起動電流大，一般為電機額定電流的47倍，國產(chǎn)電機實際值常為710倍甚至更大，過大的起動電流導致線路產(chǎn)生較大的壓降，影響電網(wǎng)上其它設備的正常運行，國標要求是直接起動的起動電流在電網(wǎng)中引起的電壓降不超過電網(wǎng)額定電壓的10%（頻繁起動）或15%（不頻繁起動）就允許直接起動。傳統(tǒng)的觀點認為如果滿足直

28、接起動條件，就盡量采用直接起動，但是在實際工程中還應綜合考慮負載場合等因素。如對中大容量電機的傳動系統(tǒng)，直接起動時很大的突跳轉矩沖擊使軸承、齒輪磨損加重甚至損壞，減速箱故障率高，皮帶磨損加重甚至經(jīng)常拉斷，同時過大的機械沖擊大大降低機械設備的壽命，很大的沖擊電流導致電機繞組絕緣老化，電器設備壽命下降，設備維護率高，從而嚴重影響生產(chǎn)。而傳統(tǒng)的降壓起動方式如星三角降壓起動、自耦降壓起動、定子串電抗（電阻）降壓起動及磁控降壓起動等雖然都能降低起動電流，但仍都存在很大的2次起動沖擊電流（有時高達6Ie以上），不能根本解決直接起動存在的問題。所以一般地工業(yè)生產(chǎn)中55KW90KW以上的電機在經(jīng)濟條件允許的情

29、況下盡量采用軟起動方式，長遠地考慮采用軟起動帶來的綜合經(jīng)濟效益是難以量化的。軟啟動過程以計算機為工具，利用軟件，通過建立輸入電動機、電網(wǎng)和負載數(shù)學模型，根據(jù)選定控制策略作出離線模擬。其中電子式感應電機軟啟動，選用微處理器和晶閘管電子元件組成啟動器控制。 啟動器開啟時，微處理器發(fā)出脈沖加到晶閘管觸發(fā)極上，控制晶閘管導通角，使晶閘管輸出電流電壓大小受觸發(fā)脈沖寬度來決定。緩慢調(diào)節(jié)微處理器，控制晶閘管輸出電壓由零緩慢升至全壓，此時電動機轉速也由零升至額定轉速。在發(fā)出停機指令后，微處理器監(jiān)測電壓電流和電動機反饋信號，晶閘管可使輸出電壓按一定要求下降，使電動機由全壓逐漸降為零而實現(xiàn)軟停止。實際應用中，軟啟

30、動具有如下優(yōu)點：起動電流小，通過調(diào)節(jié)起動轉矩實現(xiàn)低速起動，頻繁起動和軟停止。在起停時過渡自然，不易傷害設備，節(jié)電效果良好。當多臺同容量水泵工作，可采用一臺電子式軟啟動器，操作方便。軟啟動離線仿真研究可以預知在硬起動過程中電機轉速、電流、線電壓和其它機械特性，對產(chǎn)品設計和用戶使用有重要指導作用。24課題的研究目標及總體設計方案2.4.1 研究目標分析比較上述幾種常見啟動方式，結合所學知識，設計軟啟動器，使其達到以下要求：一 使電動機在負載要求下平滑啟動。二 使電動機具有軟停車功能。三 改善電動機啟動時對電網(wǎng)的影響。四 實現(xiàn)一些保護功能，如斷相，過載，三相不平衡保護。2.4.2 總體設計方案采用三

31、相雙向晶閘管作為調(diào)壓器，將其接入電源和電動機定子之間。軟啟動器啟動電動機時，通過單片機控制三相雙向晶閘管的導通角，使輸出電壓由零緩慢升至全壓，此時電動機轉速也由零升至額定轉速。同時，軟啟動器還具有軟停車功能，晶閘管控制輸出電壓按一定要求下降，使電動機由全壓逐漸降為零而實現(xiàn)軟停止。三相電動機三相雙向晶閘管三相電源單片機控制系統(tǒng)3、硬件設計3.1電路設計3.1.1組成框圖旁路接觸器三相雙向晶閘管三相電源狀態(tài)，故障指示外部信號電流信號電源控制系統(tǒng)電動機電壓同步觸發(fā)脈沖3.1.2主電路設計主電路如圖所示，其核心部分是三組正反向并聯(lián)的晶閘管，將其接入電源和電動機定子之間，通過單片機控制三相雙向晶閘管的導

32、通角，使輸出電壓由零緩慢升至全壓，此時電動機轉速也由零升至額定轉速，完成電動機的軟啟動。啟動過程完成后，電動機處于全電壓運行狀態(tài)，此時旁路接觸器KM1閉合，軟啟動器自動用旁路接觸器取代已完成任務的晶閘管，為電動機正常運轉提供額定電壓，以降低晶閘管的熱損耗，延長軟啟動器的使用壽命，提高其工作效率，又使電網(wǎng)避免了諧波污染。圖3-1 軟啟動器主電路圖 3.1.3 控制電路設計a. 控制面板設計b. (1)各端子說明：G1,K1,G4,K4-A相晶閘管觸發(fā)； G3,K3,G6,K6-B相晶閘管觸發(fā)； G2,K2,G5,K5-C相晶閘管觸發(fā)。 AL1,AL2-A相互感器二次信號輸入； BL1,BL2-B

33、相互感器二次信號輸入； CL1,CL2-C相互感器二次信號輸入。ERROR-故障時端子斷開。RUN-啟動完成時旁路接觸器KM1閉合。START，COM-啟動按鈕（常開）STOP,COM-停止按鈕（常閉）(2)指示燈說明：運行指示：綠色，亮表示旁路接觸器閉合，電機全壓運行。斷相指示：紅色，亮表示任意一相電流消失。過載指示：紅色，亮表示負載過大，啟動電流過大。三相不平衡指示：紅色，亮表示任意兩相電流值相差大于25%。 +ERROR-ERROR+RUN-RUNCOMSTOPSTARTAL1AL2BL1BL2CL1CL2 G1K1G2K2KM 常閉按鈕常開按鈕G5K5G6K6（運行指示）（斷相指示）（

34、過載指示）（三相不平衡指示）KM1G3K3G4K4電源+ -圖3-2 控制面板設計圖b.驅動電路設計(1)晶閘管觸發(fā)電路設計 圖3-3 晶閘管觸發(fā)電路圖其中：V1，V2為脈沖放大環(huán)節(jié)； TM為脈沖變壓器； VD2為穩(wěn)壓二極管； R3為限流電阻。 六個晶閘管分別接單片機的P2.0P2.5口。(2)指示燈驅動電路設計圖3-4指示燈驅動電路圖其中：7407為同相驅動器； VD為發(fā)光二極管； R為限流電阻 四個發(fā)光二極管依次為：運行指示，斷相指示，過載指示，三相不平衡指示；分別接單片機的P1.0P1.3口； (3)交流接觸器驅動電路設計圖3-5 交流接觸器驅動電路圖其中：KS為雙向晶閘管，用于驅動交流

35、接觸器KM1； 光電耦合器，用于觸發(fā)雙向晶閘管KS。3.2 設計功能及原理描述3.2.1 設計功能a. 功能概述根據(jù)所設定的軟起動或軟停止方式及參數(shù)，控制晶閘管的觸發(fā)角度變化，改變電動機進線電壓，實現(xiàn)電動機的軟起動或軟停止。同時全程監(jiān)測電動機電流，實現(xiàn)對電動機的多種保護。b.實現(xiàn)功能（1） 軟啟動啟動方式：斜坡電壓起動a. 檢測到起動信號，且旁路接觸器斷開；b. 由設定的起始電壓計算出觸發(fā)角度，發(fā)出晶閘管觸發(fā)脈沖； c. 按設定的起動時間，逐步移動觸發(fā)角度，增大電機電壓；d. 晶閘管觸發(fā)角達到0度，即電機電壓達到全壓，起動完成觸點閉合，使旁路接觸器閉合；e. 檢測到旁路接觸器閉合信號，停止發(fā)觸

36、發(fā)信號，晶閘管全部關斷，亮“運行”指示燈，起動完成。全壓U起始電壓t起動完成軟啟動完成后，電動機處于全電壓運行狀態(tài)，運行繼電器（RUN）吸合，控制旁路接觸器動作，電動機切換到接觸器（KM1）狀態(tài)下運行。（2） 軟停止a. 檢測到停止信號，且旁路接觸器閉合；b. 按觸發(fā)角度0度發(fā)出觸發(fā)脈沖，晶閘管全部開通；c. 熄“運行”指示燈； d. 起動完成觸點斷開，使旁路接觸器斷開；e. 檢測到旁路接觸器斷開后，按設定的停止時間，逐步增大觸發(fā)角度，減小電機電壓；f. 晶閘管觸發(fā)角達到150度，即電機電壓為0，停止發(fā)觸發(fā)信號，晶閘管全部關斷，停止完成。U全壓t停止開始停止完成（3） 保護功能1) 斷相保護：

37、當任意一相電流消失后，保護電路動作，斷相指示燈亮。2) 過載保護：包括過載5倍額定電流值、4倍額定電流值、3倍額定電流值、2倍額定電流值、1.5倍額定電流值、1.2倍額定電流值保護。3) 三相不平衡：當任意兩相電流值相差大于25%時，三相不平衡指示燈亮。在出現(xiàn)以上任意故障保護時，故障繼電器吸合，ERROR輸出端由常閉轉為常開。故障的復位由停止按鈕實現(xiàn)。3.2.2 原理描述軟啟動器采用三相反并聯(lián)晶閘管作為調(diào)壓器，將其接入電源和電動機定子之間。使用軟啟動器啟動電動機時，晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動機逐漸加速，直到晶閘管全導通，電動機工作在額定電壓的機械特性上，實現(xiàn)平滑啟動，降低啟動電流，避免啟動

38、過流跳閘。待電機達到額定轉數(shù)時，啟動過程結束，軟啟動器自動用旁路接觸器取代已完成任務的晶閘管，為電動機正常運轉提供額定電壓，以降低晶閘管的熱損耗，延長軟啟動器的使用壽命，提高其工作效率，又使電網(wǎng)避免了諧波污染。軟啟動器同時還提供軟停車功能，軟停車與軟啟動過程相反，電壓逐漸降低，轉數(shù)逐漸下降到零，避免自由停車引起的轉矩沖擊。3.3主要元件介紹3.3.1主電路元件介紹a. 晶閘管晶閘管是晶體閘流管的簡稱，又稱作可控硅整流器。晶閘管的工作條件: (1) 晶閘管承受反向陽極電壓時，不管門極承受何種電壓，晶閘管都處于關斷狀態(tài)。(2) 晶閘管承受正向陽極電壓時，僅在門極承受正向電壓的情況下才導通。(3)

39、晶閘管在導通情況下，只要有一定的正向陽極電壓，不論門極電壓如何，晶閘管保持導通，即晶閘管導通后，門極失去作用。(4) 晶閘管在導通情況下，當主回路電壓（或電流）減小到接近于零時，晶閘管關斷。晶閘管的結構和原理如圖所示圖3-6 晶閘管的原理和結構示意圖b. RC阻容網(wǎng)絡我們知道，晶閘管有一個重要的特性參數(shù)-斷態(tài)電壓臨界上升率。它表明額定結溫和門極斷路條件下，使晶閘管從斷態(tài)轉入通態(tài)的最低電壓上升率。若電壓上升率過大，超過了晶閘管的電壓上升率的值，則會在無門極信號的情況下開通。晶閘管處于阻斷狀態(tài)下時，因各層相距很近，其J2結結面相當于一個電容C0，當晶閘管陽極電壓變化時，便會有充電電流流過電容C0，

40、并通過J3結，這個電流起了門極觸發(fā)作用，當晶閘管在關斷時，陽極電壓上升速度太快，則C0的充電電流越大，就有可能造成門極在沒有觸發(fā)信號的情況下，晶閘管誤導通現(xiàn)象，這是不允許的。因此，對加到晶閘管上的陽極電壓上升率應有一定限制。 為了限制電流電壓上升率過大，確保晶閘管安全運行，常在晶閘管兩端并聯(lián)RC阻容吸收網(wǎng)絡，利用電容兩端電壓不能突變的特性來限制電壓上升率,同時,避免電容器通過晶閘管放電電流過大，造成過電流而損壞晶閘管。 由于晶閘管過流過壓能力很差，如果不采取可靠的保護措施是不能正常工作的。RC阻容吸收網(wǎng)絡就是常用的保護方法之一。c. 電流互感器電流互感器是一種電流變換裝置。它將高壓和低壓大電流

41、變成電壓較低的小電流供給儀表和繼電保護裝置并將儀表和保護裝置與高壓電路隔開。電流互感器的二次側電流均為5安，這使得測量儀表和繼電保護裝置使用安全、方便，也使其在制造上可以標準化。電流互感器的構造是由鐵芯、一次繞組、二次繞組、接線端子及絕緣支撐物等組成。電流互感器的一次繞組的匝數(shù)較少，串接在需要測量電流的線路中，流過較大的被測電流，二次繞組的匝數(shù)較多， 串接在測量儀表或繼電保護回路里。電流互感器的二次回路不允許開路。電流互感器在工作時，它的二次回路始終是閉合的，但因測量儀表和保護裝置的串聯(lián)繞組的阻抗很小，電流互感器的工作情況接近短路狀態(tài)，一次電流所產(chǎn)生的磁化力大部分被二次電流所補償，總磁通密度不

42、大，二次繞組電勢也不大。當電流互感器開路時，二次回路阻抗無限大，電流等于零，一次電流完全變成了勵磁電流，在二次繞組產(chǎn)生很高的電勢，威脅人身安全，造成儀表、保護裝置、互感器二次絕緣損壞。電流互感器二次回路必須接地， 以防止一次絕緣擊穿，二次串入高壓，威脅人身安全， 損壞設備。下圖為電流互感器接線圖圖3-7 電流互感器接線圖d. 交流接觸器交流接觸器廣泛用作電力的開斷和控制電路。 交流接觸器利用主接點來開閉電路，用輔助接點來執(zhí)行控制指令。主接點一般只有常開接點，而輔助接點常有兩對具有常開和常閉功能的接點，小型的接觸器也經(jīng)常作為中間繼電器配合主電路使用。交流接觸器的接點，由銀鎢合金制成，具有良好的導

43、電性和耐高溫燒蝕性。交流接觸器的動作動力來源于交流電磁鐵，電磁鐵由兩個“山”字形的幼硅鋼片疊成，其中一個固定，在上面套上線圈，工作電壓有多種供選擇。為了使磁力穩(wěn)定，鐵芯的吸合面，加上短路環(huán)。交流接觸器在失電后，依靠彈簧復位。另一半是活動鐵芯，構造和固定鐵芯一樣，用以帶動主接點和輔助接點的開短。20安培以上的接觸器加有滅弧罩，利用斷開電路時產(chǎn)生的電磁力，快速拉斷電弧，以保護接點。3.3.2 控制電路元件介紹 MCS-51單片機 8051單片機引腳排列如圖： 圖3-8 8051單片機引腳排列圖下面按其引腳功能分為四部分敘述這40條引腳的功能。1. 主電源引腳VCC和VSS。VCC（40腳）接+5V

44、電壓； VSS（20腳）接地。2外接晶體引腳XTAL1和XTAL2 XTAL1（19腳）接外部晶體的一個引腳。在單片機內(nèi)部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構成了片內(nèi)振蕩器。當采用外部振蕩器時，對HMOS單片機，此引腳應接地；對CHMOS單片機，此引腳作為驅動端。 XTAL2（18腳）接外晶體的另一端。在單片機內(nèi)部，接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩器時，對HMOS單片機，該引腳接外部振蕩器的信號，即把外部振蕩器的信號直接接到內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端；對XHMOS，此引腳應懸浮。 3. 控制或與其它電源復用引腳RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP RST/

45、VPD（9腳）當振蕩器運行時，在此腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平將使單片機復位。推薦在此引腳與VSS引腳之間連接一個約8.2k的下拉電阻，與VCC引腳之間連接一個約10F的電容，以保證可靠地復位。 VCC掉電期間，此引腳可接上備用電源，以保證內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)不丟失。當VCC主電源下掉到低于規(guī)定的電平，而VPD在其規(guī)定的電壓范圍（5±0.5V）內(nèi)，VPD就向內(nèi)部RAM提供備用電源。 ALE/PROG（30腳）：當訪問外部存貯器時，ALE（允許地址鎖存）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE端仍以不變的頻率周期性地出現(xiàn)正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此，它可用

46、作對外輸出的時鐘，或用于定時目的。然而要注意的是，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。ALE端可以驅動（吸收或輸出電流）8個LS型的TTL輸入電路。 對于EPROM單片機（如8751），在EPROM編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖（PROG）。 PSEN（29腳）：此腳的輸出是外部程序存儲器的讀選通信號。在從外部程序存儲器取指令（或常數(shù)）期間，每個機器周期兩次PSEN有效。但在此期間，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的PSEN信號將不出現(xiàn)。PSEN同樣可以驅動（吸收或輸出）8個LS型的TTL輸入。 EA/VPP（引腳）：當EA端保持高電平時，訪問內(nèi)部程序存儲器，但在PC（程序計

47、數(shù)器）值超過0FFFH（對851/8751/80C51）或1FFFH（對8052）時，將自動轉向執(zhí)行外部程序存儲器內(nèi)的程序。當EA保持低電平時，則只訪問外部程序存儲器，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。對于常用的8031來說，無內(nèi)部程序存儲器，所以EA腳必須常接地，這樣才能只選擇外部程序存儲器。 對于EPROM型的單片機（如8751），在EPROM編程期間，此引腳也用于施加21V的編程電源（VPP）。 4. 輸入/輸出（I/O）引腳P0、P1、P2、P3（共32根） P0口（39腳至32腳）：是雙向8位三態(tài)I/O口，在外接存儲器時，與地址總線的低8位及數(shù)據(jù)總線復用，能以吸收電流的方式驅動8個LS型的T

48、TL負載。 P1口（1腳至8腳）：是準雙向8位I/O口。由于這種接口輸出沒有高阻狀態(tài)，輸入也不能鎖存，故不是真正的雙向I/O口。P1口能驅動（吸收或輸出電流）4個LS型的TTL負載。對8052、8032，P1.0引腳的第二功能為T2定時/計數(shù)器的外部輸入，P1.1引腳的第二功能為T2EX捕捉、重裝觸發(fā)，即T2的外部控制端。對EPROM編程和程序驗證時，它接收低8位地址。 P2口（21腳至28腳）：是準雙向8位I/O口。在訪問外部存儲器時，它可以作為擴展電路高8位地址總線送出高8位地址。在對EPROM編程和程序驗證期間，它接收高8位地址。P2可以驅動（吸收或輸出電流）4個LS型的TTL負載。 P

49、3口（10腳至17腳）：是準雙向8位I/O口，在MCS-51中，這8個引腳還用于專門功能，是復用雙功能口。P3能驅動（吸收或輸出電流）4個LS型的TTL負載。 作為第一功能使用時，就作為普通I/O口用，功能和操作方法與P1口相同。 作為第二功能使用時，各引腳的定義如表所示。 值得強調(diào)的是，P3口的每一條引腳均可獨立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。 P3各口線的第二功能定義 口線 引腳 第二功能 P3.0 10 RXD（串行輸入口） P3.1 11 TXD（串行輸出口） P3.2 12 INT0（外部中斷0） P3.3 13 INT1（外部中斷1） P3.4 14 T0（定時器0外部輸入）

50、P3.5 15 T1（定時器1外部輸入） P3.6 16 WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫脈沖） P3.7 17 RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖）單片機的引腳除了電源、復位、時鐘接入，用戶I/O口外，其余管腳是為實現(xiàn)系統(tǒng)擴展而設置的。這些引腳構成MCS-51單片機片外三總線結構，即： 地址總線（AB）：地址總線寬為16位，因此，其外部存儲器直接尋址為64K字節(jié)，16位地址總線由P0口經(jīng)地址鎖存器提供8位地址（A0至A7）；P2口直接提供8位地址（A8至A15）。 數(shù)據(jù)總線（DB）：數(shù)據(jù)總線寬度為8位，由P0提供。 控制總線（CB）：由P3口的第二功能狀態(tài)和4根獨立控制線RESET、EA、ALE、PSEN組成

51、A/D轉換芯片從電流互感器送來的電流信號是模擬信號，為了把模擬信號轉換成單片機所使用的數(shù)字信號，從而進行控制，我們需要加入A/D轉換電路。A/D轉換器種類很多，按工作原理分為：逐位比較型、并行比較型、雙積分式、電壓頻率(V/F)型及計數(shù)比較型等。逐位比較型轉換速度適中，轉換精度從低到高都有，是集成A/D轉換器中最普通的形式；并行比較型轉換速度快，但精度不高；雙積分式抗干擾能力強，精度較高，但轉換速度慢；電壓頻率(V/F)型用于模擬量到脈沖量的轉換，精度較高，芯片成本低；計數(shù)比較型有中高精度芯片，但轉換速度高。 ADC0809是CMOS工藝制造的、采用DIP28封裝的逐次逼近型8位A/D轉換芯片。片內(nèi)除A/D轉換部分外還有多路模擬開關部分，多路開關最多允許8路模擬量分時輸入，共享一個A/D轉換器進行轉換。ADC0809由8路模擬開關8位A/D轉換器、8位轉換結果三態(tài)輸出鎖存器及地址鎖存譯碼器等組成。ADC0809為8位逐次逼近式A/D轉換器。其特點是：（1）電路中的多路模擬開關可以選通8個模擬通道，允許8路模