毕业设计(论文) 三相异步电动机软启动器的设计 毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名: 日 期: 指导教师签名: 日 期: 使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名: 日 期: 目 录 摘 要 I Abstract II 1 绪 论 1 32 4.2 控制软件设计 34 4.3 触发脉冲控制的软件设计 36 结束语 44 参考文献 45 致 谢 46 三相异步电动机软启动器的设计 摘 要 三相异步电动机因具有结构简单、制造方便、运行可靠、价格低廉等优点,而广泛应用在工业、农业、交通运输业、国防工业以及其他各行各业中。但它也有明显的缺点,那就是起动转矩小,起动电流过大。这种情况对电机本身及周围电网都有非常不利的影响。为了减小异步电动机起动过程中对电网的冲击、消除传统降压起动设备的有级触点控制对异步电动机的冲击、改善异步电动机的起动特性,本文对基于单片机控制的晶闸管调压软起动器进行讨论。 本文首先阐述了软起动器晶闸管调压电路即主电路的工作原理,主要是基于晶闸管的三相异步电动机软启动器主电路设计和触发电路设计。然后是对电动机软启动器模式的设计,但主要还是软起动器的硬件电路设计。 本文设计的软起动器操作方便简单,能够使电机顺利起动。使之能达到了改善三相异步电动机起动性能的要求。在满足异步电动机起动转矩要求及降低起动电流的前提下,使电机能够平稳可靠起动。 三相异步电动机,由于其结构简单、制造方便、价格低廉、坚固耐用、运行可靠、很少需要维护及可用于恶劣环境等优点,在工业、农业、交通运输、国防军事和日常生活中得到了广泛的应用,当前大部分工业拖动都是以交流异步电动机作为动力,包括风机、水泵、油泵、压缩机等。 但是,由于其固有的启动性能较差,直接起动又容易造成对周围电网的影响。通常要求采用专门的启动设备完成正常的启动工作,尤其频繁启动时更是如此。然而,它是以反电势为主的负载,即以反电势来平衡外加电压。电动机的反电势随着转子转速的增加而逐渐增大,电动机在起动开始时反电势为零,所以起动电流很大。电动机起动时刻出现的起动电流一般高出额定电流3~7倍,特殊情况下可达到10倍以上,这样大的起动电流不仅加重了进线供电电网以及接在电动机前面的开关电器的负荷,而且对电网及其负载造成干扰,特别是当电动机容量较大时,冲击电流会对电网及其负载造成干扰,严重时,甚至危害电网的安全运行[1]。启动电流过大时,将使电动机本身受到过大电磁力的冲击,如果经常启动 ,还有使绕组过热的危险。同时,由于启动应力较大,使得负载设备的使用寿命降低。还有,由于起动应力较大,出现的巨大转矩又会使电动机发生剧烈的冲振,并且也给用作动力传输辅助设备和做功机械设备带来不可避免的机械冲击。所以,这种“硬起动”不仅会缩短传动单元和做功机械设备的使用寿命,而且过高的起动电流还会引起供电电网的电压骤然跌落,致使那些对电压敏感的用电设备产生负面影响。因此,对三相感应电动机软起动情况进行研究是非常有现实意义的。 为了降低起动电流,人们采用了各种降压起动技术。比较传统和应用较普遍的有变压器降压起动,串电抗器起动和Y/△转换等等。采用这些传统起动方式起动时降低了加在定子绕组的电压,起到了一定的限流作用,但仍存在着很多问题,例如靠接触器切换电压来达到降压的目的,所以无法从根本上解决起动瞬时电流尖峰的冲击;起动转矩不可调,存在二次冲击电流;对负载产生冲击转矩,当电网电压下降时,可能造成电动机堵转;容易造成接触器触点的拉弧损坏。 近几年来随着电力电子技术和微机控制技术的发展,国内外相继开发出以晶闸管为核心的电路元件、以单片机为控制核心的异步电动机软启动设备。该软启动设备平滑了异步电动机加速过程,大大减缓了对电网及机械设备的冲击。采用电力半导体器件对电动机进行启动控制的电力电子软启动器解决了传统降压启动方法存在的二次电流冲击问题 ,具有无触点、 启动电流及启动时间可控、 启动过程平滑等优点,并且维护工作量小,具备完善的电动机保护功能。晶闸管软启动器是一种集软启动、软停车、轻载节能和多功能保护于一体的新颖电机控制装备。它不仅实现在整个启动过程中实现无冲击而平滑地启动电机,而且可根据电动机负载的特性来调节启动过程中的参数,如限流值、启动时间等。此外,它还具有多种对电机保护功能,这就从根本上解决了传统的降压启动设备的诸多弊端。本文详细介绍三相异步电动机软启动器的设计。 1.2 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。 随着这些技术的不断进步,电力电子软起动装置也取得了长足的进步,采用这些方法可以使三相异步电动机获得很好的起动性能。近三十多年来,国外对晶闸管三相交流调压电路进行了广泛的研究,在工业、农业领域得到广泛的应用。如美国AB公司、英国CT公司、法国TE公司、德国AEG公司、瑞士ABB公司等均推出了软起动器系列产品,如GE公司生产的最大功率达到850kW,额定电压500V,额定电流1180A,最大起动电流5900A;ABB公司生产的最大功率达到1200kW,额定电压690V,额定电流1000A;意大利SIEI工公司生产的额定电压690V,额定电流1600A;美国BS公司还生产中压6~13.8kV同步或异步电动机软起动器,最大功率达到10000kW[2]。 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3RW22 SIKOSTART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[3]。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。 1.3 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PROTEL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。 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 三相异步电动机的起动过程的分析 为了研究三相异步电动机的起动时的电压、电流、转矩等变量的关系,进而分析异步电机起动时的电流、起动转矩和所外加电压的关系,就要研究电机的数学模型。对于电动机的软起动而言,多采用基于集中参数等效电路的数学模型。在不改变异步电动机定子绕组中的物理量和异步电机的电磁性能的前提下,经频率和绕组的计算,把异步电动机转子绕组的频率、相数、每相有效串联匝数都归算成和定子绕组一样,即可用归算过的基本方程式推导出异步电动机的等效电路。三相异步电动机的T形稳态等效电路如图2-1所示: 图2-1 异步电动机的等效电路 其中,r1为定子绕组的电阻,x1为定子绕组的漏电抗,r2为归算到定子方面的转子绕组的电阻,x2为归算到定子方面的转子绕组的漏抗。rm代表与定子铁心损耗所对应的励磁电阻,xm代表与主磁通相对应的铁心磁路的励磁电抗。U1为定子电压向量,E1为定子感应电动势向量,i1为定子电流向量,im为磁电流向量。基于T形等效电路的数学模型为: 2-1 2-2 2-3 2-4 由以上四式可得: 2-5 在异步电动机里,因为r1x1,rmxm,故可以省去r1,rm,则式2-5可以表示为: 2-6 由等效电路可见,异步电动机输入的电功率P1一部分消耗在钉子绕组的电阻而称为定子铜耗Pcu1,一部分消耗在定子铁心上而变成铁耗PFe,剩余的通过气隙传递到转子的功率成为电磁功耗Pem。其中Pem为: 2-7 电磁转矩为: 2-8 其中,为同步角速度;为转子机械角速度;Pem为机械功率。由式2-7和式2-8可得: 2-9 根据T形等效电路可得: 2-10 将式2-10代入2-9得:2-11 刚起动时,转子n0,转差率s1,此时启动转矩为: 2-12 同时,由于激磁电流相对较小即,近似为1,由式2-6的启动电流为: 2-13 由式2-12和式2-13可知,起动转矩正比于定子端电压的平方,起动电流正比于定子电压。起动电压较低时,起动转矩较小,电流也较小;反之,如果电压较高,则起动转矩较大,但同时起动时的冲击电流也很大。 而异步电动机的起动特性主要表现在起动电流和起动转矩两个方面:希望电动机起动时能产生足够的起动转矩,以便带动负载快速地达到正常转速;同时,也希望起动电流不要太大。因为在供电变压器的容量比较小的情况下,过大的起动电流将造成较大的线路压降,从而影响接在同一电网上的其它电气设备的正常运行。 下面针对异步电动机的起动特性,分析起动方式的原理和应用。 2.2 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。 2.2.1 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2-2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。 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。 图2-2 直接启动原理图 2.2.2 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2-3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。 图2-3 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2-4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/,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。 图2-4 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2-5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。 图2-5 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。 2.2.3 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。 2.3 软起动的原理及分析 2.3.1 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起动过程。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2-6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。 图2-6软起动主回路原理图 为了方便分析,做以下假定: 1电源为三相对称的正弦电压源,内阻抗为零; 2各晶闸管的特性一致,对称触发,关断状态时,其阻抗为无穷大;导通状时压降为零; 3电机为理想电机,其定、转子绕组在空间产生正弦分布的磁通势; 4稳态运行时,电机的转速为常数。 由于主电路中没有中线,因此在工作时若要负载电流流通,至少要有两相构成通路。其中一相是正向晶闸管导通,另一相则是反向晶闸管导通。为了保证在电路起始工作时有两个晶闸管同时导通,以及在感性负载与控制角较小时仍能保证不同相的两个晶闸管同时导通,本系统采用了能够产生大于60°的双窄脉冲的触发电路。 要实现异步电动机的平稳起动,需要控制电机的输入电压,使其按照某种曲线由小到大逐渐上升。通过按照一定时序调整六个晶闸管的触发角就可以实现该目标。该电路的调压实质是对电源电压进行斩波。电机获得的电压是非正弦的,但是每相电压的正负半周是对称的。晶闸管任意一相的电压波形如图2-7所示,其中电网电压的波形是完整的正弦波,是晶闸管的触发角,是负载的功率因数角也叫晶闸管的续流角,是晶闸管的导通角。 由图2-7可以很容易地推导出触发角,功率因数角以及导通角之间的关系:公式2-15 图2-7 任意相晶闸管的工作波形 其中晶闸管的输出电压是介于导通角之间的波形。通过改变导通角的大小,就可以改变晶闸管的输出电压,从而改变了电机的输入电压。由式2-15可以得知,导通角与触发角、功率因数角都有关。对于恒定的负载而言,功率因数角是常量,导通角仅仅与触发角有关。此时,只要改变晶闸管触发角就可以改变晶闸管的输出电压。但是对于异步电动机而言,功率因数角是个变量,并且是电机转速的函数。在电机起动过程中,随着转速逐渐变大,功率因数角也在不断变化。因此,改变晶闸管触发角的同时也要兼顾功率因数角的变化情况。只有这样,才能实现异步电动机的输入电压按照预定规律变化的要求[4]。 2.3.2 软起动的起动方式 软起动器的功能主要是实现软起动和软停车,而软停车相当于是软起动的逆过程。三相异步电动机软起动器拥有多种起动模式,可以满足不同的起动要求。下面详细介绍: 1限流起动 限流起动就是在电动机的起动过程中限制其起动电流不超过某一设定值Im的软起动方式,起动波形如图2-8所示。主要用于轻载起动的降压起动,其输出电压从零开始迅速增长,直到其输出电流达到预先设定的电流限值Im,然后保持输出电流不大于该值的条件下逐渐升高电压,直到额定电压。这种起动方式的优点是起动电流小,且可按需要调整起动电流的限定值Im。其缺点是在起动时难以知道起动压降,不能充分利用压降空间,损失起动转矩,起动时间相对较长。该方法应用较多,适用于风机,泵类负载。 图2-8 限流启动波形 2电压斜坡起动 输出电压由小到大斜坡线性上升,将传统的有级降压起动变为无级,主要用在重载起动。它的缺点是起动转矩小,且转矩特性呈抛物线型上升对起动不利,起动时间长,对电动机不利。改进的方法是采用双斜坡起动,如图2-9所示。输出电压先迅速升至UU,为电动机起动所需的最小转矩所对应的电压值,然后按设定的斜率逐渐升高电压。直至达到额定电压,初始电压和电压上升率可根据负载特性调整。在加速斜坡时同期闻,电动机电压逐渐增加,加速斜坡时间在一定时间范围内可调整,加速斜坡时间一般在2~60秒之间。这种起动方式的特点是起动电流相对较大,但起动时间相对较短,适用于重载起动的电动机。 图2-9 电压斜坡启动波形 3转矩控制起动 主要用于重载起动,如图2-10所示。它是按照电动机的起动转矩线性上升的规律控制输出电压。其优点是起动平滑、柔性好、对拖动系统有利,同时减少对电网的冲击,使最优的重载起动方式。其缺点就是起动时间较长。 图2-10 转矩控制启动波形 4转矩加突跳控制起动 转矩加突跳控制起动与转矩控制起动一样,也是用在重载起动的场合。所不同的是在起动的瞬间用突跳转矩,克服拖动系统的静转矩,然后转矩平滑上升,可缩短起动时间。但是,突跳会给电网发送尖脉冲,干扰其他负荷。转矩加突跳控制起动如图2-11所示。 图2-11 转矩加突跳控制起动波形 5电压控制起动 电压控制起动是在保证起动压降一定的前提下使电动机获得最大的起动转矩,尽可能地缩短起动时间,是最优的轻载软起动方式,如图2-12所示。图2-12 电压控制起动波形 3 软启动器的硬件电路设计 3.1 主要器件的介绍 3.1.1 KJ004功能介绍 该电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏移电压、移电压综合比较放大电路和功相率放大电路四部分组成。元件引脚功能见表3-1:锯齿波的斜率决定于外接R6、RW1流出的充电电流和积分C1的数值。对不同的移项控制V1,只有改变R1、R2的比例,调节相应的偏移VP。同时调整锯齿波斜率电位器RW1,可以使不同的移相控制电压获得整个范围。触发电路为正极性型,即移相电压增加,导通角增大。R7和C2形成微分电路,改变R7和C2的值,可获得不同的脉宽输出。KJ004的同步电压为任意值表3-1 与分立元件的锯齿波移相触发电路相似,分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、脉冲分选及脉冲放大几个环节。 图3-2 KJ004电路原理图 KJ004参数及限制 电源电压:直流+15V、-15V,允许波动±5%(±10%时功能正常)。 电源电流:正电流≤15mA,负电源≤10 mA。 同步电压:任意值。 同步输入端允许最大同步电流:6mA(有效值)。 KJ041六路双脉冲形成器是三相全控桥式触发线路中常用的电路,它具有双脉冲形成和电子开关控制封锁双脉冲形成功能。使用两个有电子开关控制的KJ041电路组成逻辑控制,适用于正、反组可逆晶闸管电力电子成套装置(如正、反逻辑无环流直流调速的十二相晶闸管整流设备中)。 主要参数及限制 (1)电源电压:DC +15V±10% (2)电源电流: ≤20mA 1)输出引脚 引脚15:对应1与2的“或”输出端,使用中,接触发A相正半周晶闸管的功率放大单元输入端; 引脚14:对应3与2的“或”输出端,使用中,接触发C相负半周晶闸管的功率放大单元输入端; 引脚13:对应3与4的“或”输出端,使用中,接触发B相正半周晶闸管的功率放大单元输入端; 引脚12:对应4与5的“或”输出端,使用中,接触发A相负半周晶闸管的功率放大单元输入端; 引脚11:对应5与6的“或”出端,使用中,接触发C相正半周晶闸管的功率放大单元输入端; 引脚10:对应6与1的“或”输出端,使用中,接触发B相负半周晶闸管的功率放大单元输入端; 2)输入引脚: 引脚1和引脚4:对应于电网A相正、负半周的触发脉冲输入端; 引脚2和引脚5:对应于电网C相负、正半周的触发脉冲输入端; 引脚3和引脚6:对应于电网B相正、负半周的触发脉冲输入端; 3)引脚16:工作电源输入端。KJ041的工作电源范围为3~18V,使用中一般接+15V电源。 4)引脚8(GND):工作参考地端。使用中接用户系统供电电源的地端。 5)引脚9(NC):空脚。使用中,悬空。 6)引脚7(L):输出脉冲封锁端,该端高电平封锁输出。KJ041的输出引脚在L端为高电平时均变为低电平;而在L端为低电平时,KJ041的输出引脚按输入引脚的状态和KJ041的工作机理正常输出脉冲。使用中该端接保护电路的输出。 3.1.3 KJ042功能介绍 KJ042脉冲列调制形成器主要适用于作晶闸管三相桥式全控整流电路的脉冲列调制源,同样也适用于三相半控、单相半控、单相全控线路中作脉冲列调制源。电路具有脉冲占空比可调性好、频率调节范围宽、触发脉冲上升沿可与同步调制信号同步等优点,它还可作为可控制的方波发生器用于其他拓扑电路结构的电力电子设计中。 引脚的排列、名称、功能和用法 主要参数限制 (1)电源电压:DC +15V±10% 主电路的选择 3.2.1 调压方式的选择 在工频电源和负载之间接入晶闸管调压器,就可以改变负载端的电压。用晶闸管调压的方法有两种:一种是相控调压,另一种是斩波调压。斩波调压就是用双向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。但是斩波调压用在异步电动机上,通断交替的频率不能太低。否则一方面会引起电动机转速的波动,而另一方面每次接通电流相当于一次异步电动机重合闸过程。当电源断开时,电动机气隙中的磁场将由转子中的瞬态电流来维持,并随转子而旋转,气隙磁场在定子绕组中感应的电势频率将有所变化。当断流时间间隔稍长时,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相当大的差别,这样就会出现较大的电流冲击,可能危及晶闸管的安全.如通断交替频率较高,每次通断时间隔中交流电周波数较少,采用整周波斩波控制方法可能调压不够平滑,所以在异步电动机的调压控制中多用相控技术,当然采用相控技术在输出电压波形中含有相当大的谐波,在异步电动机中会引起附加损耗,产生转矩脉动等不良影响。此外,由于异步电动机是感性负载,当交流调压电路带感性负载时,只有当移相角大于感性负载的功率因数角时,才能起调压的作用,因为当时,电流导通的时间将始终保持在180°,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,还会出现只有一个方向的晶闸管在工作,负载上可能出现直流分量,危害晶闸管的安全。因此在使用相控晶闸管电路是必须采用宽脉冲或脉冲串触发,移相范围限制在°。 在晶闸管交流调压系统中,晶闸管可以借负载电流波形过零而自行关断,不需另加换流电路,所以其主要优点是线路简单、调压装置体积小,价格低廉、使用及维修方便。本系统采用晶闸管相控调压的技术,采用图3-1所示的主电路,用六个两两反向并联的晶闸管串连在电机主供电回路中。 图3-4 交流调压主电路 3.2.2 晶闸管相控调压原理 晶闸管调压单相等效电路如图3-5所示,其中ZL为电机一相等效阻抗,Ui为电网相电压,UL为晶闸管输出电压。设。 图 3-5晶闸管单相调压电路图3.6 晶闸管输出电压波形 图3-5为一路晶闸管输出波形示意图。晶闸管控制角和功率因数角决定了晶闸管的输出电压值。晶闸管正负半周的触发是对称的,晶闸管的输出电压有效值u。可由式(3-1计算: 公式3-1 可见,UL是晶闸管控制角、功率因数角及供电电压U的函数。当供电电压不变时,通过改变晶闸管的控制角,可以改变晶闸管的输出电压。 3.3 主回路设计 3.3.1 主回路电路 软起动器主回路设计电路如图3-7所示。 图3-7主回路电路 采用三组反并联晶闸管组成调压电路。在三组晶闸管和三相供电电源之间接入接触器,软起动时,接触器断开,软起动完成后接触器闭合。软停车开始时,接触器再次打到双向晶闸管端,软起动器投入到停车运行,如此重复来完成软起动和软停车。在三相电源侧通过隔离电路得到软起动器同步信号;在晶闸管输出侧即R、S、T通过电阻分压而得到较低幅值的三相电压,再经过整流电路送入单片机做故障检测。而TAl,TA2年TA3表示为霍尔传感器电流输出,该电流信号通过整流电路后转变成电压信号输入到控制回路[5]。 3.3.2 晶闸管参数选择 晶闸管的选择参数很多,但用于应用于软起动时,主要是额定电压、额定电流的计算与选择。晶闸管由于过电流过电压能力低,又常常工作在不同的电流波形情况下,给额定电流的选择带来一定的困难,如若额定值选择不当,会造成不必要的损失或浪费。根据实际工作条件,在满足需要的前提下,应尽量降低晶闸管的定额,以减少设备投资。需满足两个条件。 首先,晶闸管的正、反向峰值电压UDRM和URRM应为晶闸管实际承受最大峰值电压UM的2~3倍,即UDRM/RRM2~3UM。在本文设计中电机为220V的三步电动机,根据公式计算可得晶闸管耐压在622V933V范围内。 其次,晶闸管的额定通态电流ITAV指的是工频正弦半波平均值,其对应的有效值应满足IRMS1.57ITAV。为使晶闸管在工作过程中不因实际有效值应在乘以安全系数1.5~2后才能等于1.57 ITAV。本文中使用的异步电机功率4KW,额定电流0.55A。由于异步电机在直接起动时的电流为6~7倍的额定电流。因此晶闸管的ITAV范围在3.3A~3.85A。 3.3.3 晶闸管触发电路 本设计触发电路原理是首先用同步变压器对电网电压进行采样并降压,之后输入KJ004用来产生单脉冲,通过调节分压电阻可以实现对单脉冲占空比的调节,通过模拟开关4066来实现对KJ004宽窄脉冲模式的变换,使KJ004输出宽脉冲或者窄脉冲,KJ042则产生高频调制波对KJ004输出的宽脉冲或窄脉冲进行高频调制,使其输出宽窄脉冲列,当KJ004处于宽脉冲方式时,KJ004输出直接加到驱动电路,而KJ004处于窄脉冲方式时单脉冲3片KJ004产生6路输入到KJ041合成双脉冲,每组双脉冲相位相差60°,用于触发整流桥电路。 如图3-8为同步信号为锯齿波的触发电路,其输出可为双窄脉冲(适用于有两个晶闸管同时导通的电路),也可为单窄脉冲。电路结包括三个基本环节:脉冲的形成与放大、锯齿波的形成和脉冲移相、同步环节[6]。此外,还有强触发和双窄脉冲形成环节。 图3-8 脉冲发生电路图 1、脉冲形成环节 V4、V5 ?? 脉冲形成V7、V8 ?? 脉冲放大 控制电压uco加在V4基极上。uco0时,V4截止。V5饱和导通。V7、V8处于截止状态,无脉冲输出。电容C3充电,充满后电容两端电压接近2E130V时,V4导通,A点电位由+E1+15V 下降到1.0V左右,V5基极电位下降约-2E1-30V, V5立即截止。V5集电极电压由-E1-15V 上升为+2.1V,V7、V8导通,输出触发脉冲。电容C3放电和反向充电,使V5基极电位上升,直到ub5-E1-15V,V5又重新导通。使V7、V8截止,输出脉冲终止。脉冲前沿由V4导通时刻确定,脉冲宽度与反向充电回路时间常数R11C3有关。电路的触发脉冲由脉冲变压器TP二次侧输出,其一次绕组接在V8集电极电路中。 2、锯齿波的形成和脉冲移相环节 锯齿波电压形成的方案较多,如采用自举式电路、恒流源电路等。锯齿波电路由V1、V2、V3和C2等元件组成,V1、VS、RP2和R3为一恒流源电路。锯齿波是由开关V2管来控制的。 V2截止时,恒流源电流I1c对电容C2充电, 调节RP2,即改变C2的恒定充电电流I1c,可见RP2是用来调节锯齿波斜率的。V2导通时,因R4很小故C2迅速放电,ub3电位迅速降到零伏附近。V2周期性地通断,ub3便形成一锯齿波,同样ue3也是一个锯齿波。射极跟随器V3的作用是减小控制回路电流对锯齿波电压ub3的影响。 V4基极电位由锯齿波电压、控制电压uco、直流偏移电压up三者作用的叠加所定。如果uco0,up为负值时,b4点的波形由uh+up确定。当uco为正值时,b4点的波形由uh+up + uco确定。 M点是V4由截止到导通的转折点,也就是脉冲的前沿。加up的目的是为了确定控制电压uco0时脉冲的初始相位。 在三相全控桥

    绝缘体有阻止电流通过的特性，但若加上高电压时，会有少许的漏电流流过绝缘体的内部或表面。绝缘电阻是阻止漏电流通过的能力，阻值愈大愈好，通常以百万欧(MΩ)计。绝缘电阻会因材质劣化、表面附着之有机物、尘埃及水滴等而减小。

　　电动机绝缘电阻测量要求

　　1、高压电动机用2500V兆欧表测量，低压电动机用500V兆欧表测量。

　　2、电动机定子对地绝缘电阻数值每KV不得低于1MΩ。

　　3、电动机定子线圈相间绝缘电阻应为零。

　　4、 380V以下的电动机及绕线式电动机的转子绝缘电阻不得低于0.5 MΩ。

　　5、对装有装置或软启动装置的电动机测绝缘电阻时，为了避免测试电压加至变频装置或软启动装置上而造成内部元件损坏，必须先将上述装置输出刀闸拉开后方可测量。

　　下面就来讲讲如何测量三相异步电动机的绝缘电阻，以380V三相异步电动机为例：

　　1：对于380V电动机，选用500V或者1000V等级的摇表。

　　2：测量时候，要验电。要在没电情况下，没电的情况下，没电的情况下，重要的事情说三遍。

　　3：拆开各绕组之间的，用测量各个绕组的直流电阻，检查绕组是否完好。

　　4：先测量绕组对地的绝缘电阻，测试前先对摇表进行完好性测试，做一次开路和短路测试，正常后，摇表L端接绕组，E端接电机外壳，摇动摇表，保持匀速120r／min，1min后，读取读数，阻值不得低于0.5兆欧。

　　5：测量相间绝缘，摇表L端接一组绕组，E端接另外一组绕组，摇动摇表，保持匀速120r／min，1min后，读取读数，阻值不得低于0.5兆欧。然后更换绕组，三绕组两两相测。

　　6：测量完毕后，如果正常，恢复电动机的连接片和接线。如果不正常，要对电动机进行恢复绝缘处理，一般是烘干或者浸漆处理。

　　PS：电动机绝缘降低的原因和处理的方法：

　　（1）电动机绕组受潮。应进行烘干处理；

　　（2）绕组上灰尘及碳化物物质太多。需消除灰尘；

　　（3）引出线和接线盒内绝缘不良。应重新包扎；

　　（4）电动机绕组过热老化。应重新浸漆或重新绕制。