交流电机软起动器控制系统设计毕业设计(论文)(编辑修改稿)

交流电机软起动器控制系统设计毕业设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

便就地改造，如：附加限流功能和内接 /外接转换选择。 该软起动器可不带旁路持续在线运行。 软起动器为旁路和故障单独设置了控制继电器。 该软起动器所有参数均通过面板上的三只旋钮电位计和一只拔码开关设定，直观准确。 它甚至可以工作在有振动和环境温度较高的应用场合。 当该软起动器用于内接时因可控硅模块上承受的是三角形接法时的相电流，所以相同电流的软起动器在内接时可以负载比外接时大 倍的电机。 如一台 58A的 S型软起动器内 接应用时可以负载 100A 的电机。 原则上，笼型异步电动机凡不需要调速的各种应用场合都可适用。 应用范围是交流电 380V天津理工中环信息学院 2020 届本科毕业设计说明书 4 （也可 660V），电机功率从几千瓦到 800 千瓦。 软起动器特别适用于各种泵类负载或风机类负载，需要软起动与软停车的场合。 同样对于变负载工况、电动机长期处于轻载运行，可广泛用于纺织，冶金、石油化工、水处理、船舶、运输、医药、食品加工，采矿和机械设备等行业。 软启动器的优点 对于大功率异步电动机而言，软启动比硬起动（即直接起动）和传统降压起动具有以下主要优点： 电网电压降使之不影响同一供电网其它电气设备的正常运行； ，降低电机起动过程中线路的冲击电流，减少电动机（传动机械）的冲击电流及对电网和配电系统的冲击，延长电动机（传动机械）使用寿命； ：硬起动产生的冲击电流会以电磁波的形式干扰电气仪表的正常运行； ，用一台起动器控制多台电动机的起动，起动电流、起动时间可分别设置；多种起动模式：电压斜坡起动、限流起动、脉冲突跳起动，具有软停车功能； ：过载保护、断相保护、过压和欠 压保护等。 国内外软启动现状 随着国民经济的飞速发展，科学技术的日新月异，智能控制系统得到了广泛的应用。 如：智能大厦、无人值守泵站、无人值守供热站、各种遥控调度系统、生产作业自动化等等。 这正是国家实现科学技术现代化的重要标志，也是每一个技术人员肩负的重要责任。 智能控制技术的应用，给我们提出了很多要求。 如电网的波动性，执行机构的智能配套等，都要求越来越严格。 作为重要驱动执行机构的电动机来说，它的控制方式受到广大技术人员的高度重视。 既要为智能控制打下良好基础，又要降低电动机起动时对电网的冲击。 所 以，不得不在电动机的起动设备上做工作。 鼠笼型异步电动机电子软启动器的诞生给技术人员解决了这个问题。 它既能改变电动机的 起动特性保护拖动系统，更能保证电动机可靠起动，又能降低起动冲击。 我国软起动行业现状与国外有所不同，国产液态软起动装置占据了很大的市场份额。 国产液态软起动装置比国外产品简单，成本更低，电解液配置不采用蒸馏水，液箱也做成不密封的。 国产装置得以流行的原因是它比较适合现时我国的国情。 它能够满足起码的软起动要求，售价低，维护虽然麻烦，但难度不大。 在国家政策、经济环境的影响下，用户对电气设备节能要求不断 提高，加上近年来电力行业的快速发展，带动了国内用户对软起动器产品认识的提高。 国内厂商开始在软起动器市场的研发、生产和制造加大投入，推出各类型 6～ 10kV 的国产固态软起动系统，促进了整个软启动市场的开发和增长。 单纯起动功能的软起动器产品已经不能满足用户的需求，评选 “设计师最喜爱的软起动器品牌 ”活动正是希望从一线设计师的工作中总结软起动器未来发展的方向。 天津理工中环信息学院 2020 届本科毕业设计说明书 5 从国外软启动器的发展状况看，发达国家的电动机软起动产品主要是固态软起动装置和兼作软起动的变频器。 在生产工艺兼有调速要求时，则采用变频装置；在没有调速要求的使用 场合下，起动负载较轻时（例如风机、水泵）采用固态软起动；在重载或负载功率特别大的时候，才用变频软起动。 固态软起动装置是发达国家软起动的主流产品，各知名厂家均有自己固态软起动的品牌，在其功能上又各具特色。 而液态软起动产品，由于其种种缺点，在降压软起动领域的发展空间有限。 发达国家生产的液态软起动产品，一般用在中压绕线转子电动机软起动中。 进口的液态软起动产品，主要是 60 年代到 90 年代的产品，在发达国家有被淘汰的趋势。 本课题的意义及主要工作 电机直接起动存在较大的冲击，消耗了大量电能。 看似 直接起动方 式起动简单， 其实 电机在直接起动时会产生很大的瞬间电流冲击，造成许多危害 ： A． 过大的热应力极易导致绕组损坏，造成绕组绝缘提前老化，从而降低电动机的使用寿命 B． 过大的起动电流将使感应电动机的起动转矩冲击很大 C． 过大的起动电流还造成对电网的冲击，造成能源浪费，传统降压起动方法无法从根本上解决这些问题。 因此研究 交流 电动机的软起动器 控制系统 ，以此来克服上述电动机起动时的缺点，是很有现实意义和经济效益的。 课题主要工作： （ a） 实现交流电机软起动数字控制系统设计。 （ b）采用 51 单片机，设计单片机及其接口电路、 晶闸管主电路和驱动板。 （ c）应用 Keil 编程软件，设计交流电机软起动器控制软件，对程序进行调试。 天津理工中环信息学院 2020 届本科毕业设计说明书 6 第二章 软启动的基本原理和特点 软启动原理 软启动是指运用串接于电源与被控电机之间的软启动器，控制其内部晶闸管的导通角，使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至起动结束，赋予电机全电压的起动方法。 软启动器是一种集电机软启动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联晶闸管及其电子控制电路，通过运用不同的方法 ，控制三相反向并联晶闸管的导通角，使被控电动机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功能。 如图 所示。 图 Figure basic principle diagram 目前使用的软启动器，基本上是以单片机作为中央控制器控制核心来完成测量及各种控制算法，用程序软件自动控制整个起动过程。 它通过单片机及相应的数字电路控制晶闸管触发脉冲的迟早来改变触发角的大小，从而改变晶闸管的导通时间，最终改变加到电动机三相绕组的电压大小。 由于电动机转矩近似与定子电压的平方成正比，电流又 和定子电压成正比。 这样，电动机的起动转矩和起动电流的限制可以通过定子电压的控制来实现，而定子电压又是通过可控硅的导通相角来控制的，所以不同的初始相角可实现不同的端电压，电动机的起动转矩和起动电流的最大值可根据负载而设定 ,以满足不同的负载起动要求。 电动机起动过程中，晶闸管的导通角逐渐增大，晶闸管的输出电压也逐渐增加，电动机从零开始加速，直到晶闸管全导通，从而实现电动机的无级平滑起动，并使电动机工作在额定电压的机械特性上。 天津理工中环信息学院 2020 届本科毕业设计说明书 7 软启动常用的几种启动方式 电动机起动时，软启动器输出电压 从零迅速增加，直到输出电流上升到设定的限流值 Iq，在输出电流不大于 Iq 下，电压逐渐上升，电机加速，直到起动完成。 如图 所示， Iq 可调， Ie 为电机额定电流。 此方式的优点是起动电流小，且可按需要调整，对电网影响小。 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；损失起动力矩，起动时间相对较长，对电动机不利。 图 限流起动示意图 Figure current limiting start schemes 指输出电压按预先设定的斜坡线性上升，即电压由小到大斜坡线 性上升，它是将传统的降压起动从有级变成了无级。 主要用在重载起动，它的缺点是初始转矩小，转矩特性抛物线型上升对拖动系统不利，且起动时间长对电动机不利。 如图 所示。 图 电压斜坡起动示意图 Figure voltage ramp start schemes 也是用在重载起动，不同的是在起动的瞬间用突跳转矩克服电机静天津理工中环信息学院 2020 届本科毕业设计说明书 8 转矩，然后转矩平滑上升，缩短起动时间。 但是，突跳会给电网发送尖脉冲，干扰其它负荷，应用时要特别注意。 如图。 图 突跳控制起动示意图 Figure turkestan jump control diagram starting 用在轻载起动的场合，在保证起动压降下发挥电动机的最大起动转矩，尽可能的缩短了起动时间，是最优的轻载软启动方式。 软启动常用的几种停机方式 传统的控制方式都是通过瞬间停电完成的，即惯性停车（断电自停）。 如图 ，在停车信号发出后，软启动器输出电压从额定电压 Ue 迅速降到跌落电压 Usd，再按所设定的时间降到起始电压 Ui，软启动器停止输出。 这种停车方式可以消除由于自由停车带来的拖动系统反惯性冲击，如皮带运输机、升降机等许多负荷并不宜突然停机，高层建筑的水泵系统也因自由停车，而产生巨大的“水锤”效应，使管道、水泵损坏。 软停车功能正好能满足此要求。 晶闸管在收到软停机信号后，导通角渐减，经一定时间才过渡到全关， 即电动机端电压渐减至零，停车时间可按实际需要设定。 图 软停车示意图 天津理工中环信息学院 2020 届本科毕业设计说明书 9 Figure soft parking schemes 向电机输入直流电流，从而加快制动，制动时间可调，主要用于惯性力矩大的负载或需 快速停机的场合，在一定的场合代替了反接制动停车。 接触器旁路工作 软启动器有在线型和旁路型。 在线型是指起动完毕，不需要触器旁路，一直带电工作的工作方式，晶闸管长期在线运行功耗太大造成能源浪费、给电网带来高次谐波污染等。 旁路型是为了延长使用寿命，使电网避免谐波污染，减少软启动器中的晶闸管发热损耗，在电动机达到满速运行时用旁路接触器取代已完成起动任务的软启动器。 旁路型电路复杂化，系统可靠性降低。 软启动的基本 接线 KRQS110/P 型软启动器基本接线示意图 如图 所示 ： 图 基本接线示意图 Figure basic wiring diagram 全 数字电子软启动器不仅能有效控制鼠笼式三相异步电动机起动电流，减缓电流对电动机和电网的冲击，还能在起动和运行过程检测电流、电压参数，对异常情况进行处理、显示及报警，实现对电动机的综合保护。 三相鼠笼式异步电动机以其结构简单、性价比高和工作特性好等诸多优点，在当今工业应用的各个领域都有广泛的应用，但它有一明显缺点，就是起动电流过大 (一般起动电流为额定电流的 5～ 7倍甚至更大 )，这样不论是对电动机本身，还是对电网以及 其他电气设备，都会产生不利的影响。 电子软启动器的诞生，已经从很大程度上提供了解决这个技术难题的有效手段，而且近年来随着电力电子技术以及智能控制技术的不断发展，电子软启动器已经逐步取代了传统的天津理工中环信息学院 2020 届本科毕业设计说明书 10 起动方法，例如 “Y－ △ ”降压起动、自耦变压器降压起动以及磁性调压起动等。 所谓电子软启动器，就是使用晶闸管调压技术，采用单片机控制的起动器，在用户规定的起动时间内自动地将起动电压连续平滑地上升，直到达到额定电压，从而达到有效控制起动电流的目的。 电机软启动方式的选择 作为应用最广泛的鼠笼型异步电动机，它采用 降压起动的条件：一是电动机起动时，机械不能承受全压起动的冲击转矩；二是电动机起动时，其端电压不能满足规范要求；三是电动机起动时，影响其他负荷的正常运行。 对于降压起动目前有两种方式，一种是降压起动，一种是软启动。 他经过了三个发展阶段，一是“ YΔ” 起动器和自藕降压起动器，二是磁控式软启动器，三是目前最先进最流行的电子软启动器。 电子软启动器一般都是采用 16 位单片机进行智能化控制，他既能保证电动机在负载要求的起动特性下平滑起动，又能降低对电网的冲击，同时，还能实现直接计算机通讯控制，为自动化智能控制打下良好 的基础。 它们的造价比较是：“ YΔ”起动器须六根出线而且故障率太高，维修费也高已不常采用，自藕方式每个千瓦 80 元左右，磁控的每千瓦 150 元左右，自藕和磁控的体积较大且故障率较高，维修费较高，电子软启动器每个千瓦在 100 元到 200 元之间，一般情况下，一台开关柜能放多台电子软启动器，节省工程造价，且故障率较低，维修费也低。 所以，电子软启动器应是我们首选的目标。 与传统启动的比较 笼型电机传统的减压起动方式有 Y△ 起动、自耦减压起动、电抗器起动等。 这些起动方式都属于有级减压起动，存在明显缺点， 即起动过程中出现二次冲击电流。 由于传统的减压起动方式技术落后，国家已明令淘汰。 软启动与传统减压起动方式的不同之处是： （ 1）无冲击电流。 软启动器在起动电机时，通过逐渐增大晶闸管导通角，使电机起动电流从零线性上升至设定值。 对电机无冲击，提高了供电可靠性，平稳起动，减少对负载机械的冲击转矩，延长机器使用寿命。 （ 2）有软停车功能，即平滑减速，逐渐停机，它可以克服瞬间断电停机的弊病，减轻对重载机械的冲击。 （ 3）起动参数可调，根据负载情况及电网继电保护特性选择，可自由地无级调整至最佳的起动电流。 天津理工中环信息学院 2020 届本科毕业设计说明书。