基于单片机的交流异步电动机软起动研究毕业设计论文(编辑修改稿)

基于单片机的交流异步电动机软起动研究毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

3。 31 参考文献 32 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 交流异步电机是电力拖动系统中一个极为重要的元件。 它兼备结构简单，制造容易，维护方便，运行可靠等优点。 此外，它运行效率高和工作特性特性好，能满足大多数机械的传动要求。 由此种种，交流异步电机在工农业生产、交通运输、国防工业、医疗等各行各业都有着较为广泛的应用。 据调查统计，三相感应电动机耗电量占全国总发电量的 30%以上，而在西方发达的工业化国家，其消耗量更是多达约 70%。 然而，电动机的起动特性并非理想。 三相交流电动机在全压起动时，其起动电流高出额定电流 5~8 倍。 如此巨大的电流加重了供电电网以及接在电动机前面的开关 电器的负荷，同时 ,起动时出现的巨大转矩也会对电动机及传动辅助设备和做功机械设备产生不可避免的机械冲击。 因此交流电动机的起动已成为当代电气行业的一个重要课题。 课题概述 课题研究背景 起动电流和起动转矩是交流电动机起动性能最重要的两个指标。 传统的直接起动是定子绕组直接与电网相接 ,由电网供应额定电压。 其优点是操作简便 ,起动设备简单。 但其起动电流很大，一般为电机额定电流的 倍，严重时可能达到十倍以上。 在不采用任何启动装置的情况下，过大电流会引起较大的电网电压骤降，从而影响电网中其它用电设备的正常运行。 同时，直接起动时的大起动电流会对电机定子线圈和转子鼠笼条造成很大的冲击，可能破坏绕组绝缘和造成鼠笼条断裂，引发电机故障。 大电流产生的大量焦耳热，也会损伤绕组绝缘，降低电机寿命。 电动机直接起动所产生的短时冲击电流，包含短暂的谐波电流，使得电网有大量的谐波分量产生。 而谐波含量的增加，将导致电气设备的损伤，电网发生谐振的可能性增加，继电保护和自动装置误动，干扰通信等诸多问题。 因此如何 降低大功率电机的起动电流已成为电力电子技术和运动控制系统研究领域罩越来越关注的一个问题。 采用软起动器对电动机进行软起动，可以降低电动机能耗，提高设备利用率，延长设备寿命。 为此，软起动器的研究有特大的现实意义和突出的经济效益。 第 1 章 绪论 2 课题研究的目的及意义 电动机是大多工业企业的重要用电装置。 据数据统计，我国电动机所消耗的电能占整体工业用电量的 60％ ~68％。 采用软起动装置起动电动机，能够有效减少电能损耗，达到节约能源，降低生产成本，提升企业经济效益。 软起动设备能通过降低电机输入电压，减小功率因素角， 降低电机的能耗，实现电机的节能。 此外，软起动装置还可于电机起动过程中，透过对电机运行参数的监测，判定电机是否处于过载、缺相等故障状态。 并以此为据，做出相应的保护方案，保障电机的安全可靠运行。 软起动器不仅能够解决电动机运行过程中实际问题，同时还可降低能源损耗，提高设备利用效率，减小设备投资和维护费用，延长设备寿命。 本文研究内容是基于单片机的软起动控制器。 使用配套的功率转换元件，于电机起动中，有效限制电动机起动电流，以免过大的起动电流对电机及负载造成损伤。 达到减小对电网的冲击，延长设备寿命的目标。 另以单片机为 控制系统价格便宜，能有效降低设备生产成本。 国内外研究现状 软起动技术发展迅速，现如今已有诸多应用。 比较常见的有变频软起动、反并联晶闸管串联软起动、可变电抗器软起动、液阻软起动、自耦变压器降压起动等。 可将以上起动方式分为固态软起动和液态软起动两种。 国外软起动装置以固态软起动为主，也就是晶闸管软起动和变频软起动。 在需兼备调速要求时，通常采用变频装置。 在没有调速要求的情况下，起动轻载荷时运用晶闸管软起动。 只有在重载或负载功率极大时，才用变频软起动。 变频软起动能够在恒流软起停过程中维持不小于额定值的起动转矩。 而且电动机的起动电流都限定于额定值之内，固变频软起动对电网和电动机的冲击很小，电磁转矩较大，起动时长短。 变频器起动电机，其起动性能很好，同时高压变频器价格也比较昂贵，技术难度高，维护技术跟不上要求，所以目前主要用于电机调速。 晶闸管软起动装置在国外发达国 家比较普遍。 国外早在 1970 年便开始了对晶闸管三相交流调压技术研究。 该技术在工业领域已应用广泛 ,在某些领域应用也显示出独特的技术优势。 诸如美国 AB 公司推出的 31520xxKW 交流调压式电子软起动装置，美国摩托托尼公司、德国 AEG 公司及欧洲 ABB 公司均推出了软起动器系列产品。 第 1 章 绪论 3 我国于 90 年代起开始晶闸管软起动技术的研究，且有了一定成果。 国内的电机软起动器多是效仿国外产品，且中低压产品占多，高压软起动产品依然处在初步阶段。 目前国内的软起动技术主要以液阻软起动为主。 液态软起动装置串接于电动机的定子回路中，完成降 压起动。 因为液态电阻器的电阻具有负温升特性，当电动机起动时，定子电流使得电阻器温度的逐渐上升，电阻逐渐下降。 在电机起动电流基本不变的情况下，电机起动转矩将随端电压上升而逐步增大，达到平滑起动。 液阻式的软起动装置易被环境温度影响，使得起动电流不能得到精确控制。 综上所述，国内软起动技术与国外技术相比还存在很大差距。 具体表现在固态软起动器所用半导体功率器件制造技术难题没有攻克，特别是高电压、大电流的电子器件仍未研制成功，如 GTO、 IGBT、 GCT 等。 上述软启动方式各有千秋。 但从经济效益、特性功能、维护量、能耗、高次谐波和可靠性等方面来说，固态软起动器的性价比要高。 固态软起动器的研制是大功率电机软起动技术发展的必然趋势。 本论文主要研究内容 软起动器有着很辉煌的应用前景。 本文以目前国内外软起动技术的现状为背景，在研究软起动技术的基础上，采用 89C52RC 单片机为微控单元构建了晶闸管串联软起动系统。 本文详细讲述了软起动控制器的硬件电路结构，并应用 PID 控制算法设计。 最后对软起动控制系统进行了仿真调试，对仿真效果做了简要分析。 论文研究的主要内容： (1) 软起动控制器结构设计； (2) 软起动控制器硬件设计； (3) 软起动控制器控制软件设计； (4) 软起动器控制算法； (5) 软起动器的仿真调试； 第 2 章 三相异步电动机的起动 4 第 2 章 三相异步电动机的起动 在三相异步电动机起动技术发展过程中，传统起动技术（如自耦变压器降压起动、定子串电阻电抗起动、 Y/△降压起动等）有着举足轻重的作用。 但随着电力电子技术的发展，电子软起动器因其电压可无极调节、转矩 /电流可闭环控制的特点得到深入而广泛的发展，成为软起动市场中的主流。 三相异步电动机的启动特性 为了研究三相异步电动机起停时电压、电流和转矩之间的关系，从而敲定启停方案，就有必要了解电动机的数学模型。 三相异步电动机有两种基本数学模型，即基于状态方程的数学模型和基于集中参数的等效数学模型。 就变频调速而言，多采用基于状态方程的数学模型。 而电动机软起动多采用基于集中参数等效数学模型。 借助于等效电路的分析方法， 在分析电动机内部电磁关系和电动势的基础上，对电机进行绕组归算和频率归算。 将异步电动机转子侧绕组的频率、相数以及各相有效串联匝数归算到定子侧，从而推导出异步电动机的等效电路。 三相异步电动机的 T 形等效电路如图 所示： 图 异步电动机的等效电路 图中， ：定子绕组的电阻； ：定子绕组的漏电抗； ：归算到定子侧的转子绕组的电阻； ：归算到定子侧的转子绕组的漏电抗； ：与定子铁耗相对应的励磁电阻； ：与主磁通相对应的铁心磁路的励磁电抗； ：定子电压向量； ：定子感应电动势向量； ：定子电流向量； ：磁电流向量。 为同步转速， s 为转差率。 由电机学知识可知，当异步电动机开始启动时，转速 n=0,即转差率 s=1，电动机的起动转矩 和起动电流 ： 第 2 章 三相异步电动机的起动 5 (21) (22) 当电源频率和电动机的参数都不变时，在一定的转差率下，起动转矩与定子端电压平方成正比，起动电流与定子端电压成正比。 由此可知控制定子电压便可实现对电动机起动转矩和起动电流的控制，从而有效避免起动电流过大。 软起动方法简介 传统软起动方法 传统直接起动操作简单、维护方便且起动速度快。 但正如前文所述，直接起动对电网、电机和其它用电设备的危害很大，如威胁设备和电网的安全可靠运行等。 因此 电动机一般不允许直接起动。 为解决直接起动存在的问题，常采用各种降压起动技术，较普遍的有 Y/△起动、自耦变压器降压动、定子回路串电阻 /电抗起动。 (1)定子回路串电阻 /电抗起动 定子绕组串电阻 /电抗相当于与定子绕组分电网电压。 由等效电路可知：起动电流与定子端电压成正比，因而该方法可以达到降低起动电流的目的。 而起动转矩与定子端电压的平方成正比，降低起动电压会使起动转矩降低很多。 因此，这种起动方法仅仅适用于空载或轻载起动场合。 其原理图如图 所示。 图 定子串电阻或电抗起动原理图 第 2 章 三相异步电动机的起动 6 (2) Y/△起动 Y/△ 起动是定子绕组以 Y 接法起动，当转速升至接近额定转速时，将绕组换为△接法，电动机转为正常运行。 定子绕组接成 Y 连接后，各相绕组的相电压为 △连接时的 ，故 Y/△ 起动时起动电流及起动转矩均下降为直接起动时的。 由于起动转矩小，该方法只适合于轻载起动的场合。 其原理图图。 图 星 三角形起动原理图 (3)自耦变压器起动 自耦变压器起动就是电动机起动时，电源经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，将自耦变压器切除，电动机转化为正常运行。 若自耦变压器的变比为 k，自耦变压器起动一次侧起动线电流和起动转矩都降至直接起动的。 自耦变压器起动的自动控制主回路如图 所示为 图 自耦变压器降压起动原理图 第 2 章 三相异步电动机的起动 7 新型电子式软起动方法 (1) 变频器作为软起动装置 变频器主要用于交流电动机调速。 特大型电动机由于没有合适的软起动装置，因此采用变频器作为软起动装置。 变频器作为软起动装置时，它的电压和频率皆可从零连续调节，并保持较小的转差率。 所以无过电流现象，且起动转矩也大，具倍极佳的起动性能。 同时它也存在不足，如开关损耗较大，结构复杂，价格昂贵等。 (2) 晶闸管串联式软起动装置 晶闸管串联式软起动装置是由 3 组反并联晶闸管组成，其实质是三相交流调压电路。 利用晶闸管的相控调压原理，通过改变其触发角来控制电机输入电压的大小。 这种装置能做到全方位的软起动（即电压、电流可从零起连 续调节），避免过电流对电网和电动机及其它机械设备的冲击。 但由于使用到晶闸管，因此对元件特性参数的一致性有很高的要求，且很难得到保证。 此外，元件特性参数还会随着使用时间发生变化，致使均压性能变差，极有可能造成整串元件的损坏，致使该装置的可靠性比较低。 (3) 液态电阻软起动方式 液态电阻是一种由电解液形成的电阻，它导电的本质是离子导电。 它的阻值正比于相对的二块电极板的距离，反比于电解液的电导率，极板距离和电导率都便于控制。 此方式为能量损耗型降压起动，启动时大量的能量消耗在水电阻上，然后逐渐向电动机转移能量，是 电动机提速。 其主要弱点有气化电阻与环境温度、极板等因素有关，起动电流的控制精度较差，对连续起动次数有限制。 另外，起动时产生的操作过电压会对电机的绝缘造成很大的伤害，较大的起动转矩冲击对电机和机械设备都会造成较大的伤害。 (4) 可变电抗器软起动 可变电抗软起动技术是利用可变电抗器来实现高低压隔离。 其基本设计思想是将可变电抗器的一次绕组直接与电机定子 (或转子 )串接 ,在电抗器中增加二次线圈 ,将二次线圈与功率变换器以及智能控制器连接。 通过智能控制器与电力电子功率变换单元来控制可变电抗器的二次绕组 ,达到改变可变电抗器一次阻抗的目的 ,进而改变交流电机的输入电压 ,使交流电机实现软起动。 可变电抗器式的软起动装置由于采用了可变电抗技术，元器件不用串联，因此相比其它软起动可靠性大大提高，也很方便维修。 可变电抗软起动和晶闸管串联软起动两者都是相控，都有产生谐波的情况。 但可变电抗器具有很大的电感量，谐波电压大部分加在可变电抗器上面，而加到电网和电机上的谐波电压则较小。 所以可变电抗式软起动要比晶闸管串联式软起动直接对电机的高次谐波伤害要小得多。 第 2 章 三相异步电动机的起动 8 综上所述，可变电抗式固态软起动装置与变频软起动、晶闸管串联软起动、液态软 起动方法相比具有明显的技术和价格优势，其综合性能如表 所示。 表 各种软起动方式比较 软起动控制方式 软起动器最主要的功能是实现电动机的软启动，按起动方式可分为限流起动、电压斜坡起动、转矩控制起动、转矩加突跳控制起动。 （ 1）限流起动 限流起动方式就是电机在起动过程中采用电流闭环设计，以限制起动电流不超过预先的设定值 (图 中为 或 )并进行。 在此前提下，逐渐升高电机的输入电 压， 直到转速到达额定转速后电流自动衰减下来，此时电压达到额定电压，起动过程结束，软起动器旁路。 电流限定值 一 般设定为 e，故 这种起动方式起动电流小且电流限定值可调，对电网电压影响小。 但这种起动方式具有难以确定起动压降，不能充分利用压降空间，损失起动转矩，起动时间较长的缺点，主要是应用于载起动的场合。 电机恒流软起动电流曲线，如图 所示。 第 2 章 三相异步电动机的起动 9 （ 2）电压斜坡起动 电机的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。 目前改进的方法是采用双斜坡起动：输出电压先迅速升至 ( 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。 电压斜坡软起动曲线，如图 所示。 图 电机恒流软起动示意图 图 电压斜坡软起动示意图 （ 3）转矩控制起动 转矩起动控制方式是指在电机的起动过程中，保持电机的起动转矩按照线性上升的规律进行起动。 在此过程中，需要按照一定规律适时调整晶闸管的触发角，使得起动转矩按照线性规律运行。 由于它的最终控制目的就是为了得到线性转矩，故这种方式下电机起动平滑，柔性好、对拖动系统有利，同时减少对电网的冲击，保护了拖动系统，延长了其使用寿命。 转矩控制起动方式主要用于重载起动场合，是非常好的重载起动方式之一。 它的缺点是起动时间较长，同时控制规律比较复杂，不易获得。 转矩起动控制曲线，如图 所示。 （ 4）转矩加突跳控制起动 转矩加突跳控 制起动方式和转矩控制起动方式类似，也应用在重载起动场合。 不同的是前者在电机起动的瞬间转矩多了突跳功能，目的就是为了克服电机起动伊始由负载带来的较大静阻力矩，然后转矩线性平滑上升，完成起动。 这种起动方式很好地克服了负载静阻力矩，缩短了起动时间，但是突跳的存在会给电网和周围设备造成影响，这也是本方式的一个缺憾。