三相異步電動機(jī)軟啟動器

1、遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計（論文） 題目：三相異步電動機(jī)軟啟動器 院（系）： 專業(yè)班級： 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： （簽字） 起止時間課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語學(xué) 號學(xué)生姓名專業(yè)班級課程設(shè)計（論文）題目三相異步電動機(jī)軟啟動器課程設(shè)計（論文）任務(wù)課題完成的設(shè)計任務(wù)及功能、要求、技術(shù)參數(shù)實(shí)現(xiàn)功能利用晶閘管構(gòu)成交流調(diào)壓電路，使異步電動機(jī)的啟動電壓從零逐漸增加，從減小電動機(jī)的啟動電流，對電動機(jī)和電網(wǎng)起到保護(hù)作用，另外，也可以對異步電動機(jī)進(jìn)行小范圍的調(diào)速。設(shè)計任務(wù)1、方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)論證。2、主電路設(shè)計。3、通過計算選擇器件的具體型號。4、觸發(fā)電路設(shè)計。5、繪制相關(guān)電路圖。6、進(jìn)行

2、matlab仿真。7、完成設(shè)計說明書。要求1、 1、文字在4000字左右。2、 2、文中的理論分析與計算要正確。3、 3、文中的圖表工整、規(guī)范。4、元器件的選擇符合要求。技術(shù)參數(shù)1、交流電源：三相380V。2、輸出電壓Ud在0380V連續(xù)可調(diào)。3、輸出電流最大值20A。4、負(fù)載為7.5kW異步電動機(jī)。5、根據(jù)實(shí)際工作情況，最小控制角取20300左右。6、三相異步電動機(jī)啟動后，軟啟動器應(yīng)能夠自動撤出。進(jìn)度計劃第1天：集中學(xué)習(xí)；第2天：收集資料；第3天：方案論證；第4天：主電路設(shè)計；第5天：觸發(fā)電路設(shè)計及輔助電源設(shè)計；第6天：保護(hù)電路設(shè)計及散熱設(shè)計；第7天：器件選擇（電力電子器件、斷路器或接觸器、

3、保護(hù)用熔斷器、導(dǎo)線材料及截面等）；第8天：軟啟動器投切設(shè)計、matlab仿真；第9天：總結(jié)并撰寫說明書；第10天：答辯指導(dǎo)教師評語及成績平時： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室： 電氣注：成績：平時20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計算摘 要現(xiàn)在傳動工程中最常用的就是三相異步電動機(jī)。在許多場合，由于其啟動特性，這些電機(jī)不可以直接連接電源系統(tǒng)。如果直接啟動，會產(chǎn)生較高的峰值轉(zhuǎn)矩，這種沖擊不但對驅(qū)動電機(jī)有沖擊，而且也會使機(jī)械裝置受載。而軟啟動器通過平滑的升高端子電壓，可以實(shí)現(xiàn)無沖擊啟動，最佳保護(hù)電源系統(tǒng)及電動機(jī)。本文設(shè)計的三相異步電動

4、機(jī)軟啟動器主要包括主電路和控制電路兩部分。采用電壓斜坡軟啟動，晶閘管脈沖觸發(fā)，通過對電機(jī)啟動過程中晶閘管的控制來實(shí)現(xiàn)軟啟動器平滑啟動的功能。關(guān)鍵詞：異步電動機(jī)；軟啟動器；晶閘管目 錄第1章 緒論11.1 電力電子技術(shù)概況11.2 本文設(shè)計內(nèi)容1第2章 三相異步電動機(jī)軟啟動器電路設(shè)計22.1 三相異步電動機(jī)軟啟動器總體設(shè)計方案22.2 具體電路設(shè)計32.2.1 主電路設(shè)計32.2.2 控制電路設(shè)計42.2.3 觸發(fā)電路設(shè)計52.2.4 同步電路設(shè)計52.2.5 檢測電路設(shè)計62.2.6 保護(hù)電路設(shè)計72.3 元器件型號選擇82.4 系統(tǒng)仿真92.4.1 MATLAB仿真軟件簡介92.4.2 三相

5、異步電動機(jī)軟啟動器仿真模型建立102.4.3 三相異步電動機(jī)軟啟動器仿真波形及數(shù)據(jù)分析10第3章 課程設(shè)計總結(jié)13參考文獻(xiàn)14第1章 緒論1.1 電力電子技術(shù)概況電力電子技術(shù)是一門新興的應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)，是使用電力電子器件（如晶閘管，GTO，IGBT等）對電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)，主要用于電力變換。電力電子技術(shù)的誕生是以1957年美國通用電氣公司研制出的第一個晶閘管為標(biāo)志的，電力電子技術(shù)的概念和基礎(chǔ)就是由于晶閘管和晶閘管變流技術(shù)的發(fā)展而確立的。從20世紀(jì)50年代中到70年代末，以大功率硅二極管、雙極型功率晶體管和晶閘管應(yīng)用為基礎(chǔ)的電力電子技術(shù)發(fā)展比較成熟。70年代末以來，開發(fā)出更多的新

6、一代電力電子器件。80年代中后期其工業(yè)產(chǎn)品最高電壓達(dá)1400伏。同時場控電力電子器件也得到發(fā)展。而后電力電子技術(shù)廣泛應(yīng)用于電氣工程中，成為電氣工程學(xué)科中最為活躍的一個分支。電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步大大地推動了電氣工程實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的進(jìn)程。1.2 本文設(shè)計內(nèi)容根據(jù)設(shè)計任務(wù)書所包含的要求，本文設(shè)計了一個三相異步電動機(jī)軟啟動器控制系統(tǒng)，并主要設(shè)計了以下內(nèi)容：本文設(shè)計了晶閘管驅(qū)動電路，并為三相異步電機(jī)啟動過程中提供了過電壓及過電流等多重保護(hù)。脈沖觸發(fā)方式為晶閘管觸發(fā)脈沖并利用晶閘管調(diào)壓為三相交流調(diào)壓電路調(diào)壓。軟啟動器的啟動方式選擇斜坡軟啟動，控制其內(nèi)部晶閘管的導(dǎo)通角，使電機(jī)輸入電壓從零以預(yù)設(shè)函數(shù)關(guān)系逐漸上升

7、，直至啟動結(jié)束。第2章 三相異步電動機(jī)軟啟動器電路設(shè)計2.1 三相異步電動機(jī)軟啟動器總體設(shè)計方案根據(jù)軟啟動器本質(zhì)上是一種調(diào)壓裝置，用來實(shí)現(xiàn)軟啟動、軟停車、實(shí)時監(jiān)測以及各種保護(hù)功能。為了保證系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行，可以充分發(fā)揮晶閘管及其組成電路的控制功能，由主控制電路對系統(tǒng)的關(guān)鍵器件和關(guān)鍵參數(shù)，例如過壓、欠壓、過流、過載、等進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控,使軟啟動器具有控制快速準(zhǔn)確、響應(yīng)快、運(yùn)行穩(wěn)定、可靠等優(yōu)點(diǎn)。本文為實(shí)現(xiàn)三相異步電動機(jī)的軟啟動，對三相晶閘管軟起動系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計包括主電路及觸發(fā)電路、控制電路、檢測電路、保護(hù)電路等。如圖2.1所示。電機(jī)晶閘管觸發(fā)電壓檢測電路電流檢測電路 保護(hù)電路控制電路 主電路 圖2

8、.1總體設(shè)計方案結(jié)構(gòu)圖2.2 具體電路設(shè)計2.2.1 主電路設(shè)計主電路結(jié)構(gòu)采用晶閘管調(diào)壓原理，控制其內(nèi)部晶閘管的導(dǎo)通角，使電機(jī)輸入電壓從零以預(yù)設(shè)函數(shù)關(guān)系逐漸上升，直至起動結(jié)束，賦予電機(jī)全電壓。在軟起動過程中，電機(jī)起動轉(zhuǎn)矩逐漸增加，轉(zhuǎn)速也逐漸增加。軟起動結(jié)束，旁路接觸器閉合，使軟起動器退出運(yùn)行，直至停車時，再次投入。主電路圖及電壓電流曲線圖如圖2.2、2.3所示。 圖2.2 主電路電流轉(zhuǎn)速電壓時間 圖2.3 電壓電流曲線 2.2.2 控制電路設(shè)計1、線電壓檢測電路設(shè)計為測定及分析電動機(jī)定子側(cè)的線電壓及線電流，設(shè)計的線電壓檢測電路的控制部分如圖2.4所示。圖2.4 線電壓檢測電路圖2、晶閘管導(dǎo)通角

9、控制電路設(shè)計 為方便測出電機(jī)的功率因數(shù)，且軟啟動器的啟動原理是控制內(nèi)部晶閘管的導(dǎo)通角，使電機(jī)輸入電壓從零以預(yù)設(shè)函數(shù)關(guān)系逐漸上升，直至起動結(jié)束，設(shè)計了晶閘管導(dǎo)通角檢測電路來測量晶閘管的導(dǎo)通角。如圖2.5所示。圖2.5 晶閘管導(dǎo)通角控制電路2.2.3 觸發(fā)電路設(shè)計 軟啟動器晶閘管觸發(fā)驅(qū)動電路設(shè)計，晶閘管驅(qū)動電路的功能是將控制器送來的控制信號轉(zhuǎn)化成為滿足晶閘管所需要的觸發(fā)信號。晶閘管對門極觸發(fā)電路產(chǎn)生的脈沖應(yīng)能滿足一些基本要求：觸發(fā)信號可以是交流，直流或脈沖，但觸發(fā)信號只能在它使控制極為正、陰極為負(fù)時起作用。由于晶閘管導(dǎo)通后控制極就失去控制作用，為了減少控制極損耗，故一般觸發(fā)信號常采用脈沖形式。使用

10、脈沖信號，不僅便于控制脈沖出現(xiàn)時刻，降低晶閘管門極功耗；還可以通過變壓器的雙繞組或多繞組輸出，實(shí)現(xiàn)信號間的絕緣隔離和同步傳輸。觸發(fā)脈沖必須有足夠的電壓和電流。晶閘管屬于電流控制器件，為保證足夠的觸發(fā)電流，考慮裕量，一般可取兩倍左右門極觸發(fā)電流。觸發(fā)脈沖寬度應(yīng)要求觸發(fā)脈沖消失前陽極電流已大于觸發(fā)電流，以保證晶閘管的導(dǎo)通。對于單相電阻負(fù)載，由于一般晶閘管開通時間為6s,應(yīng)要求脈寬大于10s，最好有2050s，電感性負(fù)載脈寬不應(yīng)小于100s。觸發(fā)脈沖與回路電源電壓必須同步并有一定的移相范圍。為了使晶閘管在每一周波都能重復(fù)在相同的相位上觸發(fā)，觸發(fā)脈沖與主回路電源電壓必須保持某種固定相位關(guān)系。同時，觸發(fā)

11、延遲角應(yīng)能根據(jù)控制信號的要求改變，即控制角應(yīng)有一定的移相范圍。晶閘管驅(qū)動電路如圖2.6所示。圖2.6 晶閘管觸發(fā)驅(qū)動電路 同步電路設(shè)計軟啟動器同步電路設(shè)計: 要使三相交流調(diào)壓主回路各個晶閘管的觸發(fā)脈沖與其陽極電壓保持嚴(yán)格的同步相位關(guān)系，軟起動器必須在一個電壓周期內(nèi)控制晶閘管的導(dǎo)通，通過確定電壓波形的過零點(diǎn)，延時一段時間輸出觸發(fā)信號來控制其導(dǎo)通角，故在系統(tǒng)中必須設(shè)置同步電路。在本設(shè)計中，對于主回路中的晶閘管導(dǎo)通控制的同步信號采用1個同步變壓器，輸出電壓經(jīng)過過零比較器LM339后得到同步方波信號，方波跳變點(diǎn)對應(yīng)于自然換流點(diǎn)。同步信號檢測電路圖如圖2.7所示。圖2.7同步電路 檢測電路設(shè)計 軟啟動器

12、電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測電路設(shè)計:電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測通過安裝在異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子處霍爾元件產(chǎn)生的霍爾脈沖信號進(jìn)行檢測，霍爾元件和磁鐵，即可構(gòu)成基于磁電轉(zhuǎn)換技術(shù)的傳感器，安裝于異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子上的永磁鐵隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，經(jīng)過霍爾元件一次，可在信號端產(chǎn)生一個計量脈沖。轉(zhuǎn)速檢測的原理圖如2.8所示。圖2.8 轉(zhuǎn)速檢測電路圖 保護(hù)電路設(shè)計 1、過電壓保護(hù) 為保護(hù)主電路，采用交流調(diào)壓電路作為主電路過電壓保護(hù)電路，如圖2.9所示。 圖2.9 主電路過電壓保護(hù)2、過電流保護(hù)軟啟動器電流檢測電路設(shè)計，異步電動機(jī)起動時，若起動電流太大，則對電網(wǎng)沖擊大；若起動電流過小，則起動時間長。電流檢測電路如圖2.10所示。圖2.10 過電流電流檢測電

13、路2.3 元器件型號選擇根據(jù)設(shè)計任務(wù)及技術(shù)參數(shù)進(jìn)行參數(shù)計算與選擇可知：1、三相交流額定電壓為380V。 輸出電流最大值為20A2、It(AV)是在環(huán)境溫度為40°和規(guī)定的冷卻條件下。帶電阻負(fù)載的單相工頻正弦半波電路中，管子全導(dǎo)通（導(dǎo)通角不小于170°）而穩(wěn)定結(jié)溫不超過額定值時所允許的最大平均電流。按照標(biāo)準(zhǔn)，取其整數(shù)作為該器件的額定電流值。同時考慮到波形系統(tǒng)Kf和留有一定的裕量，則晶閘管的通態(tài)平均電流It(AV)可根據(jù)公式（2-1）計算得到： （2-1）晶閘管通態(tài)平均電流3、 晶閘管的耐壓值應(yīng)取為正常工作時電壓峰值的23倍。精確設(shè)計晶閘管的耐壓值比較困難，這是因?yàn)樗粌H和回路

14、的接法有關(guān)，同時還與電動機(jī)的容量、激磁電流等數(shù)值有關(guān)，為了安全起見，額定電壓必須使用時的正常工作電壓峰值有23倍的裕量，在考慮有過電壓吸收回路的情況下晶閘管額定電壓為： （2-2）4、 根據(jù)晶閘管最大電流和額定電壓值選擇得出晶閘管型號應(yīng)選擇為KP20/1000型。2.4 系統(tǒng)仿真2.4.1 MATLAB仿真軟件簡介MATLAB是美國MathWorks公商司出品的數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。MATLAB 還具有許多功能強(qiáng)大的模塊集或工具箱，如電力系統(tǒng)仿真工具箱，Sim powerSyste

15、m等。MATLAB中也提供了大量的數(shù)學(xué)、統(tǒng)計、最優(yōu)化及工程方面的函數(shù)，這些函數(shù)使用起來簡單易懂。其還具有強(qiáng)大的圖像處理功能：計算機(jī)中的圖形大部分以點(diǎn)陣形式存儲，它們通常是三維矩陣，每一點(diǎn)需有三組數(shù)據(jù)，不僅可以讀寫圖像而且還可以對圖像進(jìn)行處理。 MATLAB 中的 Simulink 仿真軟件實(shí)際上提供了一個系統(tǒng)級的建模與動態(tài)仿真的圖形用戶環(huán)境，憑借 MATLAB 在科學(xué)上的強(qiáng)大功能，建立了從設(shè)計構(gòu)思到最終要求的可視化橋梁，大大彌補(bǔ)了傳統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)的不足。2.4.2 三相異步電動機(jī)軟啟動器仿真模型建立根據(jù)前文推算出的元件參數(shù)值及電路構(gòu)思在MATLAB軟件上構(gòu)出總體電路圖，總體電路圖如圖2

16、.11所示。圖2.11仿真總體電路圖2.4.3 三相異步電動機(jī)軟啟動器仿真波形及數(shù)據(jù)分析 根據(jù)連接好的總體電路圖進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，圖示為三相交流調(diào)壓電路的模擬仿真結(jié)果。 根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，在電阻性負(fù)載的情況下，角越大，負(fù)載電阻上的電壓有效值越小。 圖 2.12 串聯(lián) RLC 支路在 45°調(diào)壓角時的電壓、電流波形，電阻負(fù)載圖 2.13 串聯(lián) RLC 支路在 90°調(diào)壓角時的電壓、電流波形，電阻負(fù)載，圖 2.14 串聯(lián) RLC 支路在 150°調(diào)壓角時的電壓、電流波形，電阻負(fù)載第3章 課程設(shè)計總結(jié)本文通過交流調(diào)壓作為主電路設(shè)計的三相異步電動機(jī)軟啟動器，經(jīng)過仿真測試實(shí)

17、現(xiàn)了控制電動機(jī)電壓，使其在啟動過程中逐漸升高，很自然地控制啟動電流，使電動機(jī)可以平穩(wěn)啟動，機(jī)械和電應(yīng)力降至最小。通過本次課程設(shè)計，再次掌握了多相交流調(diào)壓、交流調(diào)功電路設(shè)計以及相關(guān)的知識。本課程設(shè)計主要利用晶閘管觸發(fā)電路、達(dá)到輸出交流電壓可調(diào)的目的。初步做到學(xué)以致用。電動機(jī)軟啟動器將來的發(fā)展方向是更加智能化和多功能化。目前看來，軟啟動器仍然以電壓斜坡軟啟動和限流軟啟動為主要方式。以后轉(zhuǎn)矩控制的啟動方式將成為電機(jī)軟啟動的一種重要啟動方式。并且因電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，智能型軟啟動器可對多種電機(jī)具有保護(hù)功能，這就從根本上解決了傳統(tǒng)的降壓啟動設(shè)備的諸多弊端，智能型軟啟動器也將得到廣泛應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1

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