三相異步電動機軟啟動器設計

1、課題來源發(fā)達的工業(yè)化國家，三相感應電動機消耗了大約70%的電能。電機直接起動存在較大的沖擊，消耗了大量電能。直接起動方式雖然起動 簡單，但是電機在直接起動時會產(chǎn)生很大的瞬間電流沖擊，造成許多危 害，如過大的熱應力極易導致繞組損壞，造成繞組絕緣提前老化，從而 降低電動機的使用壽命；過大的起動電流將使感應電動機的起動轉矩沖 擊很大；過大的起動電流還造成對電網(wǎng)的沖擊，造成能源浪費，傳統(tǒng)降 壓起動方法無法從根本上解決這些問題。因此研究三相感應電動機的軟 起動器，以此來克服上述電動機起動時的缺點，是很有現(xiàn)實意義和經(jīng)濟 效益的。本文設計了三相交流電動機軟起動器， 主電路由三組反并聯(lián)的晶閘 管構成。通過控制

2、品閘管的觸發(fā)角，可降低三相感應電動機定子電壓， 從而達到抑制起動電流沖擊的目的。 本設計采取開環(huán)控制系統(tǒng)利用移相 電路控制品閘管導通角，控制電路由積分電路、加法電路、反向電路及 限幅電路形成觸發(fā)模塊的控制電壓，觸發(fā)?？煊蒏C04、KC41及功放電路組成。4 / 43軟啟動器是一種集電機軟起動、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護功能課 題 的 目 的*、 意 義于一體的新穎電機控制裝置，國外稱為 Soft Starter。它的主要構成是 用接于電源與被控電機之間的三相反并聯(lián)閘管及其電子控制電路。運用不同的方法，控制三相反并聯(lián)閘管的導通角，使被控電機的輸入電壓按 不同的要求而變化，就可實現(xiàn)不同的功能。軟啟

3、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)的自耦減壓、星- 角等啟動器的趨勢.由于軟啟動器是近年來新發(fā)展起來的啟動設備，在 設計、安裝、調(diào)試和使用方面還缺少指導性的規(guī)范與規(guī)程 .我們在軟啟 動器的安裝、調(diào)試工作中也遇到了一些實際技術問題.例如：不同啟動負 載軟啟動器的選型、軟啟動沖擊電流與過流保護定值的配合、軟啟動設 備容量與變壓器容量的關系等問題.(1)能使電機起動電壓以恒定的斜率平穩(wěn)上升，起動電流小，對電網(wǎng) 無沖擊電流，減小負載的機械沖擊。(2)起動電壓上升斜率可調(diào)，保證了起動過程的平滑性，起動電 壓可依據(jù)不同的負載在30%70%U

4、e(Ue 為額定電壓)范圍內(nèi)連續(xù)可 調(diào)。(3)可以根據(jù)不同的負載設定起動時間。(4)起動器還具有可控硅短路保護、缺相保護、過熱保護、欠壓 保護。(1)軟啟動器發(fā)展(2)電機軟啟動的發(fā)展；(3)進行方案選擇，確定控制方案；熟悉(4)建立交流異步電機軟起動控制的控制模型；(5)設計主電路、驅(qū)動電路和接口電路，畫出電路原理圖和總框圖；(6)熟悉KeilC仿真調(diào)試環(huán)境；(7)畫出軟件流程圖、軟件編程及調(diào)試；(8)撰寫畢業(yè)論文說(9)畢業(yè)設計答辯。課 題 主 要 內(nèi)三相交流電機廣泛應用于拖動風機、皮帶機、水泵、真空泵、潛水泵及壓縮機等，故電機的起動、控制、運行及安全可靠性顯得十分重要，尤其是大功率電機的

5、起動及系統(tǒng)的保護。針對電機起動的優(yōu)良性、控制的可靠性、保護功能的全面性，設計一種軟起動控制系統(tǒng)，從而改善電機起動效果，提高系統(tǒng)保護與控制功能的完善性與可靠性。系統(tǒng)設計原理圖通常，當電機功率大于7.skw時，須采用降壓起動，故本文所設計的控制系統(tǒng)是針對廣泛使用的大功率三相電機降壓起動進行設計。目錄摘 要 11 三相異步電動機軟啟動器的設計21.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 21.2 本課題研究內(nèi)容 22 三相異步電動機的起動控制的研究 42.1 三相異步電動機的起動過程的分析 42.2 三相異步電機的啟動方法 62.2.1 直接起動 72.2.2 傳統(tǒng)減壓起動 82.2.3 軟啟動 102.3 軟起動的原

6、理及分析 112.3.1 晶閘管調(diào)壓原理 112.3.2 軟起動的起動方式 133 軟啟動器的硬件電路設計163.1 主要器件的介紹 163.1.1 KJ004 功能介紹163.1.2 KJ041 功能介紹183.2 主電路的選擇 193.2.2晶閘管相控調(diào)壓原理 203.3 主回路設計 213.3.1 主回路電路 213.3.2 晶閘管參數(shù)選擇 213.3.3 晶閘管觸發(fā)電路 223.3.4 晶閘管保護電路 243.4 電壓檢測回路 253.4.1 同步信號檢測 253.4.2 電壓反饋回路 273.4.3 電壓過欠保護電路 273.5 電流檢測回路 273.5.1 電流反饋回路 283.5

7、.2 過電流保護電路284 基于單片機的軟起動器的設計294.1 觸發(fā)脈沖控制的軟件設計29結束語 38參考文獻39摘要三相異步電動機因具有結構簡單、制造方便、運行可靠、價格低廉等優(yōu)點，而廣泛應用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、 交通運輸業(yè)、國防工業(yè)以及其他各行各業(yè)中。但它也有明顯的缺點，那就是起動轉矩小，起動電流過大。這種情況對電機本身及周圍電網(wǎng)都有非常不利的影響。為了減小異步電動機起動過程中對電網(wǎng)的沖擊、消除傳統(tǒng)降壓起動設備的有級觸點控制對異步電動機的沖擊、改善異步電動機的起動特性，本文對基于單片機控制的晶閘管調(diào)壓軟起動器進行討論。本文首先闡述了軟起動器晶閘管調(diào)壓電路（ 即主電路 ） 的工作原理，主要是基于

8、晶閘管的三相異步電動機軟啟動器主電路設計和觸發(fā)電路設計。然后是對電動機軟啟動器模式的設計，但主要還是軟起動器的硬件電路設計。本文設計的軟起動器操作方便簡單，能夠使電機順利起動。使之能達到了改善三相異步電動機起動性能的要求。在滿足異步電動機起動轉矩要求及降低起動電流的前提下，使電機能夠平穩(wěn)可靠起動。關鍵詞 ：異步電動機；晶閘管；軟起動1 三相異步電動機軟啟動器的設計1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀我國軟起動技術起步于上世紀80 年代早期，目前生產(chǎn)電機啟動器的廠家很多，先后也推出了多種品牌的軟起動器。但由于國內(nèi)自主開發(fā)和生產(chǎn)的能力相對較弱，對國外 產(chǎn)品的依賴還是很嚴重。在技術上和可靠性上與國外同類產(chǎn)品尚有一

9、定的差距。所以在 整個軟起動器市場上，占據(jù)統(tǒng)治地位的還是國外產(chǎn)品，國內(nèi)產(chǎn)品所占的份額還是很低。目前市場上生產(chǎn)的軟啟動器主要以機械式和三相反并聯(lián)晶閘管方式為主。機械式啟動器是目前使用比較廣泛的啟動方式，但它是有級起動，會產(chǎn)生二次沖擊電流，啟動電流仍然為標稱電流的34倍，且有體積大、噪音大、維護費用高、無法適應惡劣環(huán)境等諸多弊端。 近三十年來，隨著電力電子技術的發(fā)展，使無電弧開關和連續(xù)調(diào)節(jié)電流成為可能。電力半導體開關器件具有無磨損、壽命長、功耗小等特點，結合現(xiàn)代控制理論及微機控 制技術，為實現(xiàn)電機的軟起動提供了全新的思路。要突破傳統(tǒng)的啟動方式，是離不開電 力電子技術和微機控制技術的發(fā)展的。目前在國

10、外，發(fā)達國家的電動機軟起動產(chǎn)品主要是固態(tài)軟起動裝置晶閘管軟起動和兼作軟起動的變頻器。在生產(chǎn)工藝兼有調(diào)速要求時，采用變頻裝置。在沒有調(diào)速要 求使用的場合下，起動負載較輕時一般采用晶閘管軟起動。在重載或負載功率特別大的 時候，才使用變頻軟起動。晶閘管軟起動裝置是發(fā)達國家軟起動的主流產(chǎn)品，各知名電氣公司均有自己品閘管軟起動的品牌，在其功能上又各具特色。例如 GE公司生產(chǎn)的 ASTAT?能電機軟起動器；ABB公司生產(chǎn)的PST PSTB系列電機軟起動器；施耐德公司 的ATS4琳起動器；德國 SIEMENS的3RW2名IKOSTAR軟起動器等等。目前，國外 對晶閘管三相交流調(diào)壓電路的研究己經(jīng)從對控制電壓、

11、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，找到適用于三相交流調(diào)壓電路電機負載的控制方法，從而使三相交流調(diào)壓電路電機負載性能更優(yōu)3 。另一方面，隨著電力電子技術的發(fā)展，異步電動機向更加可靠、方便性好、小型化方向發(fā)展。1.2 本課題研究內(nèi)容軟啟動器本質(zhì)上是一種直流調(diào)壓裝置，用來實現(xiàn)軟啟動、軟停車、實時監(jiān)測以及各種保護功能。為了保證系統(tǒng)安全可靠地運行，可以充分發(fā)揮單片機的強大控制功能，由主控制電路對系統(tǒng)的關鍵器件和關鍵參數(shù)，例如過壓、欠壓、過流、過載、等進行實時監(jiān)控。隨著數(shù)字直流PW蜩壓技術的應用，以及采用高性能的單片機作為系統(tǒng)的控制核 心，可以使軟啟動器具有控制快速準確、

12、響應快、運行穩(wěn)定、可靠等優(yōu)點。在三相交流異步電動機不宜采用直接啟動的時候，可以考慮采用定子串電阻或串電抗器啟動、Y- 啟動、自耦變壓器降壓啟動、轉子串電阻啟動、晶閘管電子軟啟動、分級變頻軟啟動、兩相變頻調(diào)壓軟啟動等方法。結合各方面的因素及實際情況，本課題研究的內(nèi)容主要有：(1) 研究三相調(diào)壓軟起動的基本原理，對三相異步電動機的起動電流和起動轉矩進行分析，對軟起動控制策略進行研究。(2) 對三相晶閘管軟起動系統(tǒng)進行硬件設計。包括主電路，觸發(fā)電路，檢測電路，控制電路，驅(qū)動電路等。(3) 實現(xiàn)三相異步電動機軟啟動器模式的設計和軟件的有關設計。(4)用PROTE繪制系統(tǒng)的原理圖。本課題的目標是實現(xiàn)三相

13、異步電機的軟啟動，甚至使軟啟動器能夠根據(jù)電機負載的實際情況改變。27 / 432三相異步電動機的起動控制的研究交流三相異步電動機的傳統(tǒng)啟動技術，如定子用電阻/電抗器啟動、自耦變壓器降壓啟動、星形-三角形降壓啟動、轉子用電阻或頻敏變阻器啟動等，在交流電動機啟動 技術發(fā)展過程中都有過重要應用。但隨著晶閘管技術的發(fā)展，三相交流調(diào)壓軟啟動器因 為具有性能良好、產(chǎn)品多樣、電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)以及轉矩或電流可閉環(huán)控制等優(yōu)點，使得 電子軟啟動器得到了深入而廣泛的發(fā)展，成為軟啟動市場中的主流產(chǎn)品。2.1三相異步電動機的起動過程的分析Xmm三X為了研究三相異步電動機的起動時的電壓、電流、轉矩等變量的關系，進而分析異

14、步電機起動時的電流、起動轉矩和所外加電壓的關系，就要研究電機的數(shù)學模型。對于 電動機的軟起動而言，多采用基于集中參數(shù)等效電路的數(shù)學模型。在不改變異步電動機 定子繞組中的物理量和異步電機的電磁性能的前提下，經(jīng)頻率和繞組的計算，把異步電 動機轉子繞組的頻率、相數(shù)、每相有效串聯(lián)匝數(shù)都歸算成和定子繞組一樣，即可用歸算 過的基本方程式推導出異步電動機的等效電路。 三相異步電動機的T形穩(wěn)態(tài)等效電路如 圖2-1所示：7riXii-scn i iUi圖2-1異步電動機的等效電路其中，ri為定子繞組的電阻，xi為定子繞組的漏電抗，r2為歸算到定子方面的轉子 繞組的電阻，X2為歸算到定子方面的轉子繞組的漏抗。rm

15、代表與定子鐵心損耗所對應的 勵磁電阻，Xm代表與主磁通相對應的鐵心磁路的勵磁電抗。 Ui為定子電壓向量，Ei為 定子感應電動勢向量，ii為定子電流向量，im為磁電流向量?；赥形等效電路的數(shù)學 模型為：由以上四式可得:uE 1 ii(rijXi)TiiZiE2 = I 2( +jx 2)si1i2 = i mE'2 = E1 - - 1mzm - - 1m rmjxmI =U1 r! + jX1 + 1 +jX2 1+Srm jXml jX,2(2-1)(2-2)(2-3)(2-4)(2-5)在異步電動機里，因為r1<X1, rm<<Xm,故可以省去r1, rm,則式

16、(2-5)可以表示為: U1I = I m(r1 + jx”'1+ x1；Xm(r2+jX'2) s(2-6)由等效電路可見，異步電動機輸入的電功率P1 一部分消耗在釘子繞組的電阻而稱為定子銅耗Pcu1, 一部分消耗在定子鐵心上而變成鐵耗PFe,剩余的通過氣隙傳遞到轉子的功率成為電磁功耗Pemo其中Pem為:Pem = mEi I '2 cos 2' = mJ '2 r '2/ s(2-7)電磁轉矩為:TemPmecQ(1 - s)Pmec1-s11Rm0(2-8)其中，2n1- f11 = 2"-60p為同步角速度;60為轉子機械角速

17、度；Pem為機械功率。由式(2-7)和式(2-8)可得:TemPem P2 r2' m112's(2-9)根據(jù)T形等效電路可得:(2-10)將式(2-10)代入(2-9)得:Tem2n17IF2sU12史1 2X1 X 2(2-11)剛起動時，轉子n=0,轉差率s=1,此時啟動轉矩為:PEU122,2n f1+2' j +(x +X2,j(2-12)U1I 2'.(1 -)(X1 , X2 ')1 二同時，由于激磁電流相對較小即1XmJ近似為1,由式(2-6)的啟動電流為:I stU12(2-13)由式(2-12)和式(2-13)可知，起動轉矩正比于定子

18、端電壓的平方，起動電流正比于定 子電壓。起動電壓較低時，起動轉矩較小，電流也較小；反之，如果電壓較高，則起動 轉矩較大，但同時起動時的沖擊電流也很大。而異步電動機的起動特性主要表現(xiàn)在起動電流和起動轉矩兩個方面：希望電動機起 動時能產(chǎn)生足夠的起動轉矩，以便帶動負載快速地達到正常轉速；同時，也希望起動電 流不要太大。因為在供電變壓器的容量比較小的情況下，過大的起動電流將造成較大的 線路壓降，從而影響接在同一電網(wǎng)上的其它電氣設備的正常運行。下面針對異步電動機的起動特性，分析起動方式的原理和應用。2.2三相異步電機的啟動方法三相異步電動機的起動方法主要有直接起動、傳統(tǒng)減壓啟動和軟啟動三種啟動方法。 卜

19、面就分別做詳細介紹。2.2.1 直接起動直接起動，也叫全壓起動。起動時通過一些直接起動設備，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 38倍，起動轉矩為額定轉矩的12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以達到812倍。直接起動的起動線路是最簡單的，如圖 2-2所示。然而這種起動方法有諸多不足。 對于需要頻繁起動的電動機，過大的起動電流會造成電動機的發(fā)熱，縮短電動機的使用 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

20、電壓降增大，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動。這是因為Ts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Ts及Tm均下降到低于Tzo一般情況下，異步電動機的功率小于7.5kW時允許直接起動。如果功率大于7.5kW, 而電源總容量較大，能符合下式要求的話，電動機也可允許直接起動。I同 1 ：電源總容量（kv A） 1K1 = 3 W - 3 +I1N 4起動電動總功率（kw）如果不能滿足上式的要求，則必須采用減壓啟動的方法，通過減壓，把啟動電流 1st限制到允許的數(shù)值。圖2-2直接啟動原理圖2.2.2 傳統(tǒng)減壓起動減壓

21、起動是在起動時先降低定子繞組上的電壓， 待起動后，再把電壓恢復到額定值。 減壓起動雖然可以減小起動電流，但是同時起動轉矩也會減小。因此，減壓起動方法一 般只適用于輕載或空載情況。傳統(tǒng)減壓起動的具體方法很多，這里介紹以下三種減壓起 動的方法：定子用接電阻或電抗起動定子繞組用電阻或電抗相當于降低定子繞組的外加電壓。由三相異步電動機的等效電路可知：起動電流正比于定子繞組的電壓，因而定子繞組用電阻或電抗可以達到減小 起動電流的目的。但考慮到起動轉矩與定子繞組電壓的平方成正比，起動轉矩會降低的 更多。因此，這種起動方法僅僅適用于空載或輕載起動場合。對于容量較小的異步電動機，一般采用定子繞組用電阻降壓；但

22、對于容量較大的異 步電動機，考慮到申接電阻會造成銅耗較大，故采用定子繞組用電抗降壓起動。如圖2-3所示：當起動電機時，合上開關 Q,交流接觸器KM斷開，使電源經(jīng)電阻 或電抗R流進電機。當電機起動完成時 KM吸合，短接電阻或電抗 RoU V W（2）星-三角形（¥-）起動星-三角形起動法是電動機起動時，定子繞組為星形（丫）接法，當轉速上升至接近額 定轉速時，將繞組切換為三角形（）接法，使電動機轉為正常運行的一種起動方式。星 - 三角形起動方法雖然簡單，但電動機定子繞組的六個出線端都要引出來，略顯麻煩。圖2-4為星-三角形起動法的原理圖。接觸器 KM2和KM3互鎖，即其中一個閉合 時，必

23、須保證另一個斷開。KM2閉合時，定子繞組為星形（丫）接法，使電動機起動。切 換至KM3閉合，定子繞組改為三角形（）接法，電動機轉為正常運行。由控制電路中的 時間繼電器KT確定星-三角切換的時間。定子繞組接成星形連接后，每相繞組的相電壓為三角形連接（全壓）時的1/J3,故星-三角形起動時起動電流及起動轉矩均下降為直接起動的1/3。由于起動轉矩小，該方法只適合于輕載起動的場合。U V W圖2-4星-三角形起動法的原理圖（3）自耦變壓器起動自耦變壓器起動法就是電動機起動時，電源通過自耦變壓器降壓后接到電動機上， 待轉速上升至接近額定轉速時，將自耦變壓器從電源切除，而使電動機直接接到電網(wǎng)上 轉化為正常

24、運行的一種起動方法。圖2-5所示為自耦變壓器起動的自動控制主回路?？刂七^程如下：合上空氣開關Q接通三相電源。按啟動按鈕后 KM1線圈通電吸合并自鎖，其主觸頭閉合，將自耦變壓 器線圈接成星形，與此同時由于KM1輔助常開觸點閉合，使得接觸器KM2線圈通電吸 合，KM2的主觸頭閉合由自耦變壓器的低壓抽頭（例如65%）將三相電壓的65%接入電 動。當時間繼電器KT延時完畢閉合后，KM1線圈斷電，使自耦變壓器線圈封星端打開;同時KM2線圈斷電，切斷自耦變壓器電源，使 KM3線圈得電吸合，KM3主觸頭接通 電動機在全壓下運行。自耦變壓器一般有 65%和80%額定電壓的兩組抽頭。若自耦變壓器的變比為k,與直

25、接起動相比，采用自耦變壓器起動時，具一次側起 動線電流和起動轉矩都降低到直接起動的l / k2。自耦變壓器起動法不受電動機繞組接線方式（丫接法或接法）的限制，允許的起動 電流和所需起動轉矩可通過改變抽頭進行選擇，但設備費用較高。自耦變壓器起動適用于容量較大的低壓電動機作減壓起動用，應用非常廣泛，有手 動及自動控制線路。具優(yōu)點是電壓抽頭可供不同負載起動時選擇；缺點是質(zhì)量大、體積 大、價格高、維護檢修費用高。2.2.3軟啟動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 動機定子回路中，通過用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

26、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。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，電氣工程界就有人預言，晶閘管軟起動將引發(fā)軟起動行業(yè)的一場革命。目前在低壓（380V）內(nèi)，晶閘管軟起動產(chǎn)品價格已經(jīng)下降到液阻軟起動的大約2倍，甚至更低。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

27、的510倍，二是品閘管引起的高次諧波比較嚴重。2.3軟起動的原理及分析2.3.1 晶閘管調(diào)壓原理品閘管的控制方式有兩種：一是相位控制，即通過控制品閘管的導通角來調(diào)壓；二 是周波控制，即把晶閘管作為靜止接觸器，交替的接通與切斷幾個周波的電源電壓，用 改變接通時間與切斷時間之比來控制輸出電壓的有效值，從而達到調(diào)壓的目的。但周波 控制用在異步電機定子上時，通斷交替的頻率不能太低，一方面會引起電動機轉速的波 動，另一方面每次接通電流就相當于一次異步電動機的重起動過程。當電源切斷時，電 動機氣隙中的磁場將由轉子中的瞬態(tài)電流來維持，并隨著轉子而旋轉，氣隙磁場在定子 繞組中感應的電動勢頻率將有所變化，當斷流

28、時問隔較長時，這個旋轉磁場在定子中感 應的電勢和重新接通時的電源電壓在相位上可能會有很大的差別，這樣就會出現(xiàn)較大的電流沖擊，可能危及品閘管的安全。故在異步電動機的調(diào)壓控制中，晶閘管調(diào)壓一般采 用相位控制。采用相位控制時，輸出電壓波形已不是正弦波，經(jīng)分析可知，輸出電壓不 含偶次諧波，奇次諧波中以三次諧波為主要成分。諧波在異步電機中會引起附加損耗， 產(chǎn)生轉矩脈動等不良影響。此外，由于異步電機是感性負載，從電力電子學中可以知道， 當品閘管交流調(diào)壓回路帶有感性負載時，只有當移相角大于負載的功率因數(shù)角時，才能 起到調(diào)壓的作用。當口平時，電流導通的時間將始終保持在 180 o其情況與口=0時一 樣，相控不

29、起任何調(diào)壓作用，甚至在晶閘管觸發(fā)脈沖不夠?qū)挼那闆r下，出現(xiàn)只有一個方 向上的品閘管工作，負載上出現(xiàn)直流分量，對晶閘管造成危害。為了保證品閘管的安全，CD在使用相控品閘管電路時采用寬脈沖觸發(fā)，移相范圍限制在駕180 o本系統(tǒng)軟起動器采用晶閘管調(diào)壓原理， 通過調(diào)節(jié)電動機定子輸入端電壓的大小和相位實現(xiàn)軟起動的各種功能。本系統(tǒng)軟起動器采用了如圖2-6所示的主電路。用三組反并聯(lián)品閘管分別串聯(lián)在星形接法的電機三相定子線圈上，這種連接方式諧波比較少，調(diào)壓 性能最為優(yōu)越，控制系統(tǒng)簡單、可靠。圖2-6軟起動主回路原理圖為了方便分析，做以下假定：(1)電源為三相對稱的正弦電壓源，內(nèi)阻抗為零；(2)各品閘管的特性一致

30、，對稱觸發(fā)，關斷狀態(tài)時，其阻抗為無窮大；導通狀時壓降 為零；(3)電機為理想電機，其定、轉子繞組在空間產(chǎn)生正弦分布的磁通勢；(4)穩(wěn)態(tài)運行時，電機的轉速為常數(shù)。由于主電路中沒有中線，因此在工作時若要負載電流流通，至少要有兩相構成通路。 其中一相是正向晶閘管導通，另一相則是反向晶閘管導通。為了保證在電路起始工作時 有兩個品閘管同時導通，以及在感性負載與控制角較小時仍能保證不同相的兩個品閘管 同時導通，本系統(tǒng)采用了能夠產(chǎn)生大于 60°的雙窄脈沖的觸發(fā)電路。要實現(xiàn)異步電動機的平穩(wěn)起動，需要控制電機的輸入電壓，使其按照某種曲線由小 到大逐漸上升。通過按照一定時序調(diào)整六個晶閘管的觸發(fā)角就可以實

31、現(xiàn)該目標。該電路 的調(diào)壓實質(zhì)是對電源電壓進行斬波。電機獲得的電壓是非正弦的，但是每相電壓的正負 半周是對稱的。品閘管任意一相的電壓波形如圖 2-7所示，其中電網(wǎng)電壓的波形是完整 的正弦波，”是晶閘管的觸發(fā)角，中是負載的功率因數(shù)角(也叫晶閘管的續(xù)流角)，8是 品閘管的導通角。由圖2-7可以很容易地推導出觸發(fā)角"，功率因數(shù)角中以及導通角H之間的關系：e = n a + 中公式(2-15)圖2-7任意相晶閘管的工作波形其中晶閘管的輸出電壓是介于導通角10之間的波形。通過改變導通角10的大小，就 可以改變晶閘管的輸出電壓，從而改變了電機的輸入電壓。由式（2-15）可以得知，導通角日與觸發(fā)角口

32、、功率因數(shù)角中都有關。對于恒定的負載而言，功率因數(shù)角 中是常量, 導通角9僅僅與觸發(fā)角有關。此時，只要改變晶閘管觸發(fā)角 口就可以改變晶閘管的輸 出電壓。但是對于異步電動機而言，功率因數(shù)角 中是個變量，并且是電機轉速的函數(shù)。 在電機起動過程中，隨著轉速逐漸變大，功率因數(shù)角中也在不斷變化。因此，改變品閘管觸發(fā)角口的同時也要兼顧功率因數(shù)角，的變化情況。只有這樣，才能實現(xiàn)異步電動機 的輸入電壓按照預定規(guī)律變化的要求4。2.3.2 軟起動的起動方式軟起動器的功能主要是實現(xiàn)軟起動和軟停車，而軟停車相當于是軟起動的逆過程。 三相異步電動機軟起動器擁有多種起動模式， 可以滿足不同的起動要求。下面詳細介紹： 限

33、流起動限流起動就是在電動機的起動過程中限制其起動電流不超過某一設定值Im的軟起動方式，起動波形如圖2-8所示。主要用于輕載起動的降壓起動，具輸出電壓從零開始 迅速增長，直到其輸出電流達到預先設定的電流限值Im,然后保持輸出電流不大于該值的條件下逐漸升高電壓，直到額定電壓。這種起動方式的優(yōu)點是起動電流小，且可按 需要調(diào)整起動電流的限定值Im。其缺點是在起動時難以知道起動壓降，不能充分利用 壓降空間，損失起動轉矩，起動時間相對較長。該方法應用較多，適用于風機，泵類負 載。/(o圖2-8限流啟動波形(2)電壓斜坡起動輸出電壓由小到大斜坡線性上升，將傳統(tǒng)的有級降壓起動變?yōu)闊o級，主要用在重載 起動。它的

34、缺點是起動轉矩小，且轉矩特性呈拋物線型上升對起動不利，起動時間長， 對電動機不利。改進的方法是采用雙斜坡起動，如圖 2-9所示。輸出電壓先迅速升至 U(U ,為電動機起動所需的最小轉矩所對應的電壓值)，然后按設定的斜率逐漸升高電壓。 直至達到額定電壓，初始電壓和電壓上升率可根據(jù)負載特性調(diào)整。在加速斜坡時同期聞， 電動機電壓逐漸增加，加速斜坡時間在一定時間范圍內(nèi)可調(diào)整，加速斜坡時間一般在2 60秒之間。這種起動方式的特點是起動電流相對較大，但起動時間相對較短，適用于重 載起動的電動機。圖2-9電壓斜坡啟動波形(3)轉矩控制起動主要用于重載起動，如圖 2-10所示。它是按照電動機的起動轉矩線性上升

35、的規(guī)律 控制輸出電壓。具優(yōu)點是起動平滑、柔性好、對拖動系統(tǒng)有利，同時減少對電網(wǎng)的沖擊, 使最優(yōu)的重載起動方式。具缺點就是起動時間較長。圖2-10轉矩控制啟動波形(4)轉矩加突跳控制起動轉矩加突跳控制起動與轉矩控制起動一樣，也是用在重載起動的場合。所不同的是 在起動的瞬間用突跳轉矩，克服拖動系統(tǒng)的靜轉矩，然后轉矩平滑上升，可縮短起動時 問。但是，突跳會給電網(wǎng)發(fā)送尖脈沖，干擾其他負荷。轉矩加突跳控制起動如圖2-11所示。(5)電壓控制起動電壓控制起動是在保證起動壓降一定的前提下使電動機獲得最大的起動轉矩，盡可能地縮短起動時間，是最優(yōu)的輕載軟起動方式，如圖 2-12所示。圖2-12電壓控制起動波形3

36、軟啟動器的硬件電路設計3.1 主要器件的介紹3.1.1 KJ004 功能介紹該電路由同步檢測電路、鋸齒波形成電路、偏移電壓、移電壓綜合比較放大電路和功相率放大電路四部分組成。元件引腳功能見表3-1:鋸齒波的斜率決定于外接 R6、RW1 流出的充電電流和積分C1的數(shù)值。對不同的移項控制 V1,只有改變R1、R2的比例， 調(diào)節(jié)相應的偏移VP。同時調(diào)整鋸齒波斜率電位器 RW1 ,可以使不同的移相控制電壓獲 得整個范圍。觸發(fā)電路為正極性型，即移相電壓增加，導通角增大。R7和C2形成微分電路，改變R7和C2的值，可獲得不同的脈寬輸出。KJ004的同步電壓為任意值表3-1 KJ004的引腳功能表功能輸 出

37、空鋸齒波形 成-Vee(1k Q空地同步輸 入綜合比 較空微分阻 容封鎖調(diào) 制輸 出+Vcc引線腳 號12345678910111213141516電路采用雙列直插C16白瓷和黑瓷兩種外殼封裝，外型尺寸按電子工業(yè)部部頒標 準。半導體集成電路外型尺寸 SJ110O- 76R同同舊回同N同KJ004國0國圖K目目國圖3 -1 KJ004引腳圖與分立元件的鋸齒波移相觸發(fā)電路相似，分為同步、鋸齒波形成、移相、脈沖形成、 脈沖分選及脈沖放大幾個環(huán)節(jié)。產(chǎn)4 us 心R1R7mu6R &S2浜 L V V z z4 7 1 R rivsr2V2DV) 9 v2BR1v176立年一DV5 DvV3Dv

38、161VVS9V15R21V13nVD7VS8入 '''.LvV5TUs V4 R148rm 7s V+ 15VVD1Rl31215VS53.4、 91112 1314圖3-2 KJ004電路原理圖KJ004參數(shù)及限制電源電壓：直流+15V、-15V,允許波動 b% （由0%時功能正常）。電源電流：正電流 0 15mA負電源0 10mA。同步電壓：任意值。同步輸入端允許最大同步電流：6mA （有效值）。移相范圍：170°（同步電壓30V,同步輸入電阻15KQ）。鋸齒波幅度：10V （幅度以鋸齒波平頂為準）。輸出脈沖：（1）寬度：400小廠2ms（通過改變脈寬阻

39、容元件達到）。（2）幅度：13V（3） KJ004最大輸出能力：100mA （流出脈沖電流）。（4）輸出管反壓：BVCEO18V （測試條件Ie 100正負半周脈沖相位不均衡 ±3°使用環(huán)境溫度為四級：C:070c R:-5585c E:-4085c M:-55125c3.1.2 KJ041 功能介紹KJ041六路雙脈沖形成器是三相全控橋式觸發(fā)線路中常用的電路，它具有雙脈沖形成和電子開關控制封鎖雙脈沖形成功能。 使用兩個有電子開關控制的 KJ041電路組成邏輯控制，適用于正、反組可逆品閘管電力電子成套裝置(如正、反邏輯無環(huán)流直流調(diào)速 的十二相晶閘管整流設備中)。主要參數(shù)及限

40、制(1)電源電壓：DC +15V± 10%(2)電源電流： 0 20mA(3)輸出脈沖最大負載電流：0 20mA(4)輸出脈沖幅值：>1V(5)輸入端二極管最高承受反壓：> 30V(6)控制端正向電流：0 3mA(7)允許使用環(huán)境溫度：I類品為-55+125 C; II類品為-55+85°C;出類品為-40+85° C; IV類品為-10+70° CFin 目閆口門口KJ041目 blLJLJLWIO 7圖3-3 KJ041的引腳排列(引腳向下)各引腳的功能及用法：1)輸出引腳引腳15:對應1與2的放大單元輸入端；引腳14:對應3與2的放大單

41、元輸入端；引腳13:對應3與4的 放大單元輸入端；引腳12:對應4與5的或"輸出端，使用中，接觸發(fā) 或"輸出端，使用中，接觸發(fā) 或"輸出端，使用中，接觸發(fā) 或"輸出端，使用中，接觸發(fā)A相正半周晶閘管的功率C相負半周品閘管的功率B相正半周晶閘管的功率A相負半周晶閘管的功率放大單元輸入端；引腳 11：對應 5 與 6 的“或”出端，使用中，接觸發(fā) C 相正半周晶閘管的功率放大單元輸入端；引腳10：對應6 與 1 的“或”輸出端，使用中，接觸發(fā) B 相負半周晶閘管的功率放大單元輸入端；2)輸入引腳：引腳1 和引腳4：對應于電網(wǎng)A 相正、負半周的觸發(fā)脈沖輸入端；

42、引腳2 和引腳5：對應于電網(wǎng)C 相負、正半周的觸發(fā)脈沖輸入端；引腳3和引腳6:對應于電網(wǎng)B相正、負半周的觸發(fā)脈沖輸入端；3)引腳16:工作電源輸入端。KJ041的工作電源范圍為318V,使用中一般接+15V 電源。4)引腳8 (GND):工作參考地端。使用中接用戶系統(tǒng)供電電源的地端。5)弓I腳9 (NC):空腳。使用中，懸空。6)引腳7 (L):輸出脈沖封鎖端，該端高電平封鎖輸出。KJ041的輸出引腳在L端為高電平時均變?yōu)榈碗娖剑欢贚 端為低電平時，KJ041 的輸出引腳按輸入引腳的狀態(tài)和 KJ041 的工作機理正常輸出脈沖。使用中該端接保護電路的輸出。3.2 主電路的選擇在晶閘管交流調(diào)壓系

43、統(tǒng)中，晶閘管可以借負載電流波形過零而自行關斷，不需另加換流電路，所以其主要優(yōu)點是線路簡單、調(diào)壓裝置體積小，價格低廉、使用及維修方便。本系統(tǒng)采用晶閘管相控調(diào)壓的技術，采用圖3-1 所示的主電路，用六個兩兩反向并聯(lián)的晶閘管串連在電機主供電回路中。圖3-4交流調(diào)壓主電路3.2.2晶閘管相控調(diào)壓原理品閘管調(diào)壓單相等效電路如圖 3-5所示，其中Zl為電機一相等效阻抗，Ui為電網(wǎng)相電壓，Ul為晶閘管輸出電壓。設Ui =42U sin wt1q uL 4圖3.6晶閘管輸出電壓波形圖3-5晶閘管單相調(diào)壓電路圖3-5為一路品閘管輸出波形示意圖。晶閘管控制角日和功率因數(shù)角中決定了晶閘管的輸出電壓值。晶閘管正負半周

44、的觸發(fā)是對稱的，晶閘管的輸出電壓有效值 式（3-1）計算：u?？捎蒛l=V，'0( 2U sin wt ) d (wt )+V2u sin wt ) d (wt。=U /卜元 + 中 一8 ) + (sin26一sin2中)=f (U ,日，平)公式(3-1)可見，Ul是晶閘管控制角6、功率因數(shù)角邛及供電電壓U的函數(shù)。當供電電壓不變時，通過改變晶閘管的控制角，可以改變晶閘管的輸出電壓。3.3 主回路設計3.3.1 主回路電路 軟起動器主回路設計電路如圖3-7所示圖3-7主回路電路采用三組反并聯(lián)品閘管組成調(diào)壓電路。 在三組晶閘管和三相供電電源之間接入接觸 器，軟起動時，接觸器斷開，軟起動

45、完成后接觸器閉合。軟停車開始時，接觸器再次打 到雙向晶閘管端，軟起動器投入到停車運行，如此重復來完成軟起動和軟停車。在三相 電源側通過隔離電路得到軟起動器同步信號；在晶閘管輸出側即R、S、T通過電阻分壓而得到較低幅值的三相電壓，再經(jīng)過整流電路送入單片機做故障檢測。而 TAl , TA2 年TA3表示為霍爾傳感器電流輸出，該電流信號通過整流電路后轉變成電壓信號輸入 到控制回路5。3.3.2 晶閘管參數(shù)選擇品閘管的選擇參數(shù)很多，但用于應用于軟起動時，主要是額定電壓、額定電流的計 算與選擇。品閘管由于過電流過電壓能力低，又常常工作在不同的電流波形情況下，給 額定電流的選擇帶來一定的困難，如若額定值選

46、擇不當，會造成不必要的損失或浪費。 根據(jù)實際工作條件，在滿足需要的前提下，應盡量降低品閘管的定額，以減少設備投資 需滿足兩個條件。首先，晶閘管的正、反向峰值電壓UDRM 和 URRM 應為晶閘管實際承受最大峰值電壓Um的23倍，即Udrm/rrm=（23）Um。在本文設計中電機為 220V的三步電動機，根 據(jù)公式計算可得晶閘管耐壓在 622V 933V范圍內(nèi)。其次，晶閘管的額定通態(tài)電流I TAV 指的是工頻正弦半波平均值，其對應的有效值應滿足Irms=1.57Itav。為使晶閘管在工作過程中不因?qū)嶋H有效值應在乘以安全系數(shù)1.52后才能等于1.57 Itavo本文中使用的異步電機功率 4KW,額

47、定電流0. 55Ao由于異 步電機在直接起動時的電流為 67倍的額定電流。因此晶閘管的Itav范圍在3. 3A 3 85A。3.3.3 晶閘管觸發(fā)電路本設計觸發(fā)電路原理是首先用同步變壓器對電網(wǎng)電壓進行采樣并降壓，之后輸入KJ004 用來產(chǎn)生單脈沖，通過調(diào)節(jié)分壓電阻可以實現(xiàn)對單脈沖占空比的調(diào)節(jié)，通過模擬開關4066來實現(xiàn)對KJ004寬窄脈沖模式的變換，使KJ004輸出寬脈沖或者窄脈沖，KJ042則產(chǎn)生高頻調(diào)制波對KJ004 輸出的寬脈沖或窄脈沖進行高頻調(diào)制，使其輸出寬窄脈沖列，當 KJ004 處于寬脈沖方式時，KJ004 輸出直接加到驅(qū)動電路，而KJ004 處于窄脈沖方式時單脈沖（3 片 KJ0

48、04 產(chǎn)生 6 路 ）輸入到KJ041 合成雙脈沖，每組雙脈沖相位相差60°，用于觸發(fā)整流橋電路。如圖 3-8 為同步信號為鋸齒波的觸發(fā)電路，其輸出可為雙窄脈沖（適用于有兩個晶閘管同時導通的電路），也可為單窄脈沖。電路結包括三個基本環(huán)節(jié)：脈沖的形成與放大、鋸齒波的形成和脈沖移相、同步環(huán)節(jié)6。此外，還有強觸發(fā)和雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)。U/0GtR劫5 V1611R旦R7VD1盡R6將VD,V2R9西VDV6V4V西VD4V73VDW3V83RoRI2Ri、VDWiV雙 “VRR5TVDW4仟VDW5IV121R3£1竺IFW,R22卜1314偏移電壓（-）旦3 ，一1_o 移相 電

49、壓一 （+）圖3-8脈沖發(fā)生電路圖1、脈沖形成環(huán)節(jié)V4、V5脈沖形成V7、V8脈沖放大控制電壓Uco加在V4基極上。Uco=0時，V4截止。V5飽和導通。V7、V8處于截止狀 態(tài)，無脈沖輸出。電容 C3充電，充滿后電容兩端電壓接近 2E1（30V）時，V4導通，A點 電位由+E1（+15V）下降到1.0V左右，V5基極電位下降約-2E1（-30V） , V5立即截止。V5 集電極電壓由-E1（-15V）上升為+2.1V, V7、V8導通，輸出觸發(fā)脈沖。電容 C3放電和反 向充電，使V5基極電位上升，直到Ub5>-E1（-15V） , V5又重新導通。使V7、V8截止，輸 出脈沖終止。脈沖

50、前沿由V4導通時刻確定，脈沖寬度與反向充電回路時間常數(shù)R11C3有關。電路的觸發(fā)脈沖由脈沖變壓器 TP二次側輸出，其一次繞組接在V8集電極電路中。2、鋸齒波的形成和脈沖移相環(huán)節(jié)3、同步環(huán)節(jié)4、雙窄脈沖形成環(huán)節(jié)內(nèi)雙脈沖電路由V5、V6構成 或"門。當V5、V6都導通時，V7、V8都截止，沒有脈 沖輸出，只要75、V6有一個截止，都會使V7、V8導通，有脈沖輸出。第一個脈沖由本 相觸發(fā)單元的uco對應的控制角a產(chǎn)生。隔60°的第二個脈沖是由滯后60°相位的后一相 觸發(fā)單元產(chǎn)生(通過V6)。晶閘管觸發(fā)電路總圖如圖3-9所示。3.3.4較差，短時間內(nèi)的過電壓、過電流都可能

51、造成元件損壞。為了使晶閘管能正常工作，除 了合理的選擇元件外，還必須對過電流，過電壓的發(fā)生采取保護措施。過電流保護品閘管設備發(fā)生過電流有可能是晶閘管損毀、觸發(fā)電路或控制系統(tǒng)有故障等。針對 這些情況，除了用軟件來實現(xiàn)保護外，還可以在硬件電路中加入快速熔斷器來保護品閘 管的過電流。(2)過電壓保護我們知道品閘管有一個重要的特性參數(shù)，即斷態(tài)電壓臨界上升率du/dt。它表明晶閘管在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。即 使此時加于晶閘管的正向電壓低于其陽極峰值電壓，也可能出現(xiàn)這種情況7。為了限

52、制電路電壓上升率過大，確保品閘管安全運行，本設計在晶閘管兩端并聯(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。如圖 3-7中所示。因為電路總是存在電感的，所以與電容C 串聯(lián)電阻R 可起阻尼作用，它可以防止R、 L、 C 電路在過渡過程中，因振蕩在電容器兩端出現(xiàn)的過電壓損壞晶閘管。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。3.4 電壓檢測回路在電壓檢測回路中，盡量實現(xiàn)以下三個功能。其一是同步信號的檢測功能，采樣三相電壓的自然換相點，它作為晶閘管脈沖觸發(fā)信號的同步信號；其二是通過檢測晶閘管輸出端可以得到晶閘管導通時刻的檢測，以便做電壓反饋和缺相故障檢測；

53、其三是將三相晶閘管輸出電壓信號通過電阻降壓后轉變成直流信號，再經(jīng) A/D 轉換后送入到單片機中，作為過壓或欠壓保護的信號。3.4.1 同步信號檢測為了保證三相交流調(diào)壓器主回路中各個晶閘管的觸發(fā)脈沖與其陽極電壓保持嚴格的相位關系。在電機軟起動器的設計過程中，同步信號檢測是很重要的一個環(huán)節(jié)。只有準確的測量出電壓的過零點，才能精確的控制晶閘管的導通角，從而實現(xiàn)對電機兩端電壓的無極加載，完成軟起動的功能。采用如圖3-10 所示的電路作為電壓同步信號檢測電路 8。從圖中可以看出，這個電路的功能就是將由電源側來的線電壓正弦信號轉為低壓方波信號來供單片機進行處理分析。由于這里的信號是從高壓轉為低壓送入單片機

54、處理的，因此要利用一塊光耦對高低壓信號進行隔離，這樣保證了這兩種信號可以互不干擾地分離處理。整個工作過程大體是這樣的：由電源側來的線電壓信號經(jīng)過2 個電阻和1 個二極管，變成半波交流信號，這個交流信號在正半波時觸發(fā)光耦導通，從而使得右側輸入到單片機的是高電平信號；而當光耦左側交流信號處于低電平時，光耦則截止。那么右側輸入到單片機的信號也就是低電平。這樣周而復始，單片機所得到的就是幅值為 5V 的方波信號，周期等同于電源的周期即工頻50Hz， 而高低電平持續(xù)的時間也基本與電源側正負交流信號所持續(xù)的時間大致相同，雖然其間存在著一定的時延，但這可以通過軟件進行補償，從而既簡化了外圍硬件電路的設計，又

55、得到了與電源電壓同步的信號，為下面給出晶閘管觸發(fā)信號提供了工作電壓零點的基準。圖中右端接主控單片機芯片。這個電路的優(yōu)點在于：一方面，在起動未開始或是開始瞬間，這個電路就可以檢測到器件電壓零點；另外，由于輸入的交流信號是直接從電源側獲取的，因此這就不需要 像其他電路那樣需要先利用變壓器取得交流信號再進行處理，這樣就既節(jié)省了線路板的空間，又節(jié)約了成本90圖3-10同步信號檢測電路同時，可以利用圖3-10這個電路（以下稱為電路I）和另一套與電路I基本相同的電 路（以下稱為電路II）配合，進行電源的相序判斷和缺相檢測。簡要介紹一下工作原理。電路II和電路I結構基本相同，存在的區(qū)別就是，假設電路 I的輸入側連接電源的U、 V兩相，而電路II輸入側連接的就是電源的 V、W兩相，且輸出信號是分別送入主控 單片機芯片的外部中斷輸入口。我們