王增强三相异步电动机软启动.docx
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王增强三相异步电动机软启动
附件2
理工学院本科毕业设计(论文)
三相异步电动机软启动器的设计
Designofsotf-starterinthree-phaseasynchronousmotor
学院(系):
电子系
专业:
电气工程及其自动化
学生姓名:
王增强
学号:
0
指导教师(职称):
张凤蕊(教授)
评阅教师:
完成日期:
理工学院
NanyangInstituteofTechnology
三相异步电动机软启动器的设计
电气工程及其自动化 王增强
[摘 要]该系统是基于C8051单片机的交流异步电动机的软启动器控制系统,电机启动方式采用电压斜坡软启动,由单片机控制晶闸管触发脉冲。
第二介绍了软启动器硬件电路的设计,包括主电路、控制电路、电流检测电路、相序检测电路、晶闸管触发及其驱动电路等,同时介绍了控制系统软件设计,包括主程序、电压斜坡启动程序、相序检测程序等,为了保护电机系统还设计了过压、欠压、过流等多种保护。
[关键词]软启动器;异步电动机;单片机;晶闸管
Designofsotf-starterinthree-phaseasynchronousmotor
ElectricalengineeringandautomationMajor WANGzeng-qiang
Abstract:
sotf-starterhasawiderangeofapplicationinmotorcontrolsystembecauseitsadvangtageofstartbrakeandenergy-savinginmotorthispaperintroducedthestructureandtheoperationprincipleofamotorsotf-starter.Thispaperdesignedasotf-startercontrolsysteminthree-phaseACasynchronousmotor,whichisbasedon8051singlechip,thecrystalthyratrontriggerpluseiscontroledbysinglesolpevoltagestartingofstartingmodeisusedtostartthe,thehardwaredesignandanalysisoftheintroduced,includingthemaincircuit,controlcircuit,detectcurrentcircuit,theelectriccurrentexaminationcircuit,phasesequencedetectioncircuit,thespringanddrivingofcrystalthyratron.Anddiseussedthesoftwaredesignofcontrolsystem,includingmainprogram,thesolpevoltageprogram,sequencedetectionprotcetthesystem,itprovideover-voltage,over-current,under-voltageprotectionmeasures.
Keywords:
sotf-starter;asynchronousmotor;singlechip;crystalthyratron
目 录
1前言
三相异步电动机软启动器的国内外研究现状
电力电子软起动的出现是随着晶闸管的出现而进展起来的,最先采用晶闸管三相交流调压电路对电动机的软起动应用是在1970年由英国人发明的,由于采用这种方式能够取得专门好的起动性能,所以曾引发人们普遍的注意。
近二十连年来,国外对晶闸管三相交流调压电路进行了普遍的研究,在工业应用领域取得应用,在某些领域应用显示出独特的技术优势。
90年代以后,国外一些著名厂商推出了软起动系列产品,技术已趋于成熟。
如美国的AB公司生产的315~2000KW的交流调压式电力电子软起动器,英国的CT公司,法国的TE公司,德国AEG公司及欧洲ABB公司等均推出了软起动产品;德国的西门子公司推出一系列产品:
SIRIUS3RW30/31适用于55KW以下电机,SIKOSTART3RW22适用于710KW以下电机,SIKOSTART2RW34适用于1050KW以下电机。
从软起动出此刻世界(1970年),就伴随着研究软起动器可否实现节约能源的问题。
英国人曾在八十年代初就对不同控制原理的软起动产品做过对比实验,并得出在40%~50%的额定负载下,软起动器有明显的节能效果的结论,从而使得这种控制器在轻载情形下大大被采用。
目前,国外对晶闸管三相交流调压电路的研究已从对控制电压控制电机电流的开环、闭环方式,进展到通过成立比较准确实用的数学模型,找到适于三相交流调压电路电机负载的控制方式,从而使三相交流调压电路电机负载性能更优。
如将原变频调速中的矢量控制和磁场定向控制引入,创建软起动技术的转矩控制。
国内在软起动器方面也有研究。
我国软起动技术起步于80年代初期,以后也推出了各类品牌的软起动器,但在技术上和靠得住性上与国外同类产品尚有必然的差距。
已推出JKR、NJR1、STR、JKB型软起动器和JQ、JQZ型固态节能软起动器等产品。
JQ型用于轻负载起动,JQZ型用于重负载起动,最大控制功率达800kW,并已在上海、广东、新疆、湖南等省市一些工程中应用10年。
我国一些高等院校对于软起动器技术也有必然研究,如浙江大学对此技术的节能控制策略的研究已进入实用化阶段。
(1)基于单片机的变频调速软启动器
软启动器采用了单片机技术做到平稳慢慢升高电压,同时考虑到由于电动机启动电压的下降而使电动机转矩减小(电动机的转矩与外接电压的平方成反比)。
按照只国U/F不变则转告力矩不变的原理,该系统除设定工频(50HZ)软启动外,还采用了变频技术进行启动,即在降低电压的同时降低频率,以保证电机启动时有一个较大的力矩,这种软启动器主要采用了16位单片机作为核心部件,外部扩展EEPROM,用来在寄存关键数据、工作信息及命令等。
并行I/O接口8255A的PA口及PB口的PB2-PB0用于键盘扫描,以便实现人机对话、对数设定及口令输入。
PB口除读出键盘扫描值外,主要用于显示(6位LED数码管)各类参数及信息。
PC口扩展LED信息灯,用于工作状态及故障指示。
调整输入接口用于控制及启动交频,高速接入接口用于对电机的电流进行检测。
扩展的GAL主要进行译码以便系统进行分时操作。
(2)基于MSP430F149单片机的软启动器
该系统的工作原理图如图1所示,该系统以MSP430F149单片机为核心部件,三相电压经分压后,别离送入比较器的3个输入端,分压网络的中点接入比较器的3个参考端。
比较器输出脉冲的起落沿与输入三相电压的过零点同步,那个脉冲经光电隔离整形后,送到单片机中断输入端;同时,三相电流经电流互感器耦合到整流、放大电路,并送到单片机的A/D输入端。
单片机第一检测三相电压的相序是不是正确,若是不正确将报警,且不启动电机;若正确,将按设定的方式(如斜坡电压启动、恒流启动或点动)触发晶闸管,同时检测三相电流,如发觉异样,将停止启动并报警。
图1基于MSP430F149软启动器的工作原理图
设计内容和要求
本课题要求以8051单片机为控制核心,设计一个三相异步电动机软启动器控制系统,其设计的具体内容和技术要求如下:
(1)三相交流调压电路采用晶闸管调压,由单片机控制晶闸管的触发脉冲;
(2)软启动器的启动方式采用斜坡软启动;
(3)设计同步电路以保证每一个晶闸管的触发脉冲与其阳极电压维持严格的相位关系;
(4)利用键盘实现各类启动参数的设定、电动机的启动和停止等命令的输入;
(5)显示电路要能够显示电路中的线电压、线电流、电机转速等运行参数;
(6)电机启动进程中能对电机进行过压、欠压、过流、缺相、掉相等多种保护;
(7)设计晶闸管驱动电路,以保证晶闸管靠得住导通。
系统设计可行性分析
就目前电子软启动器的研究技术而言,国内外软起动器产品的控制原理技术及主要回路设计已经日趋成熟了,差距也在不断拉近,查阅国内外有相关资料为自己设计异步电动机软启动器提供宝贵的资料。
软启动器主要包括两个方面:
主回路和控制回路。
主回路是晶闸管电路,控制电路主如果以微处置器为核心器件的控制系统,其中包括事件电路部份和软件部份,硬件部份主要包括晶闸管触发及驱动电路、电源相序检测、电源电压检测电路、电机电流检测电路、电机转速检测电路、键盘电路、显示电路及电机的保护电路;软件部份有主程序和与上述电路所对应的子程序。
PROTUES软件可提供本设计仿真所需的C8051核心原件及其他原件的仿真模型,通过KEIL在线编程及PROTUES及KEIL的完美结合能够使设计的电路得以仿真。
2 软启动器原理
软启动器及其工作原理
软启动器是一种用来控制三相交流电动机的专用产品,它实现了交流电动机的软启动、软停车、轻载节能和多种保护,其功能完善,性能优越,能够知足工业电机控制的需要,是传统Y/△启动和自耦变压器启动控制方式的理想换代产品。
软启动器采用三相反并联晶闸管(SCR)作为调压器,将其接入电源和电机定子之间,这种电路如三相全控整流电路。
软启动器启动电机时,晶闸管的输出电压逐渐增加,电动机的转速逐渐加速,直到晶闸管全数导通,电动机工作在额定电压的机械特性上,实现光滑启动,降低启动电流,避免了启动时过流跳闸,待电动机达到额定转速时,启动进程结束。
软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管,为电动机正常运转提供额定电压,以降低晶闸管的热损耗,延长软启动器的利用寿命及提高其工作效率。
软启动器同时还提供软停车功能,软停车与软启动进程相反,电压逐渐降低,转速逐渐下降到零,避免自由停车引发的转矩冲击。
软启动器启动方式
软启动器一般有下面几种启动方式:
(1)斜坡升压软启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成无级降压起动,主要用于重载起动。
它的缺点是起动转矩小,转矩特性呈抛物线形上升,对起动不利;起动时刻长,对电机不利。
改良的方式是采用双斜坡起动:
输出电压先迅速升至UI,U,为电机起动所需的最小转矩所对应的电压值。
然后按设定的速度逐渐升压,直至达到额定电压。
初始电压及电压上升率可按照负载特性调整。
这种起动方式的特点是起动电流相对较大,起动时刻相对较短。
图2斜坡升压软起动原理图
(2)斜坡恒流软启动这种启动方式是在电动启动的前阶段电流逐渐增加,当电流达到预先所设定的值后维持恒定,直到启动完毕。
启动进程中,电流上升转变速度是能够按照电动机负载调整设定。
电流上升速度大,则启动转矩大,启动时刻短。
这种启动方式的长处是起动电流小,且能够按需要调整起动电流的限定值,缺点是由于在起动时难以明白起动压降,不能充分利用降压空间,会损失起动力矩。
该启动方式是应用最
多的启动方式,尤其适用于风机、泵类负载的启动。
图3斜坡恒流软起动原理图
(3)转矩控制启动方式这种启动方式主要用于重载启动,是按电动机的启动转矩线形上升的规律来控制输出电压。
它的长处是启动光滑、柔性好,对拖动系统有利,同时减少对电网冲击,是最优的重载启动方式之一,缺点是启动时刻较长。
图4转矩起动方式原理图
(4)转矩加突跳控制启动方式。
这种启动与转矩控制启动相同,也利用在重载启动的场合,比如皮带传输机、挤压机、搅拌机等,由于其静阻力矩较大,必需施加一个短时的大启动力矩,克服大的静摩擦力,然后转矩光滑上升,缩短启动时刻。
转矩突跳这种启动方式所提供的辅助突跳力矩所需电流可达到满载电流500%,突跳启动时刻可在O~2秒内选择,可是突跳会给电网发送尖脉冲,干扰其他负荷,使历时应特别注意。
图5转矩加突跳控制起动方式原理图
软启动器的四种运行状态
软启动器有4种运行状态:
(1)跨越运行模式晶闸管处于全导通状态,电动机工作于全压方式,电压谐波分量能够完全忽略,这种方式常常利用于短时重复工作的电动机。
(2)接触器旁路工作模式在电动机达到满速运行时,用旁路接触器来取代已完成启动任务的软启动器,如此能够降低晶闸管的热损耗,提高系统的效率。
这种工作模式下,有可能用一台软启动器去启动多台电动机。
(3)节能运行模式当电动机负荷较轻时,软启动器自动降低施加于电动机定子上的电压,减少电动机励磁分量,从而提高了电动机的功率因数。
(4)调压调速模式软启动器既然是用晶闸管凋原理来实现,它就可以够进行调压调速运行,由于电动机转子内阻很小,要取得大范围的调速,就需在电动机转子中串入适当的电阻。
软启动器的四种停机方式
软启动器有4种停机方式可供选择
(1)自由停车直接切断电源,电机自由停车
(2)软停机在有些场合,并非希望电动突然停止,如皮带运输机、起落机等,采用软停机方式,在接收停机信号后,电动机端电压逐渐减小。
转速下降斜破时刻可调。
(3)泵停机或非线性软制动它适用于惯性力矩较小的泵的驱动。
泵停机功能是将离心泵的特性曲线事前存储在设备中,软启动器在启动和停止电机的进程中,实时检测电动机的负载电流,因此可按照泵的负载状况及速度调节其输出电压,使软启动器的输出转矩我与泵的我曲线最佳配合,从而消除“水锤效应”。
(4)直接制动能够向电动机输入直流电流,从而加速制动,直流制动时刻可在0~99S间选择。
主要利用于惯性力矩大的负载或需快速停机的场合。
软启动器的接线方案
软启动器的接线方案主要有带旁路接触器和不带旁路接触器2种
(1)不带旁路接触器接线方案笼型异步电动机是感性负载,运行中,定子电流滞后于电压。
若电动机工作电压不变,电动机处于轻载时,功率因数低:
电动机处于重载时,功率因数高。
软启动器能在轻载时通过降低电动机端电压,提高功率因数,减少电动机的铜耗、铁耗,达到轻载节能的目的;负载重时,则提高端电压,确保电动机正常运行。
因此,对可变工况负载,电动机长期处于轻载运行,只有短时或瞬时处于重载的场合,应采用不带旁路接触器的接线方案。
(2)带旁路接触器接线方案对于电动机负载长期大于40%的场合,应采用带旁路接触器的接线方案。
如此能够延长软启动器的寿命,避免对电网的谐波污染,还能减少软启动器的晶闸管热损耗。
3 软启动器硬件电路设计
软启动器硬件电路整体框图
三相异步电动机软起动控制系统在硬件方面能够分为两个部份,即主电路和控制电路。
主电路包括三相电源、三相反并联的晶闸管、三相异步电动机。
在主电路中,晶闸管的容量要按照所控制的三相异步电动机的容量选择,主电路的结构是相同的。
而控制的设计和所要控制的异步电动机的容量无关,能够设计成通用型的。
控制电路部份一般由电流检测、晶闸管触发驱动电路、触发脉冲同步电路、相序检测电路、保护电路及CPU等组成。
该系统的整体框图如下图
图6软启动器硬件整体框图
软启动器主电路的设计
电路的设计主要包括电路结构的肯定。
主电路部份结构比较简单,主要采用晶闸管调压原理完成软启动器的各项功能。
三相异步电动机的晶闸管调压系统主回路的接法有多种,最常常利用的控制方案是将六个反并联的晶闸管别离串接在电动机的三相线圈上,这种连接方式由于各相波形对称,输出电压不含偶次谐波,谐波比较少,因此功率能够做的较大,调速性能也比较优越。
本系统采用这种典型的调压电路,控制系统主回路电路图如下图。
图7软启动器主回路图
电路元件参数的选择
晶闸管参数的选择主要考虑其电流容量和耐压
(1)晶闸管电流容量(通态平均电流
)的选择
是在环境温度为+40口C和规定的冷却条件下,带电阻负载的单相工频正弦半波电路中,管子全导通(导通角
不小于
)而稳固结温不超过额定值时所允许的最大平均电流。
依照标准,取其整数作为该器件的额定电流。
按如实际电路考虑在软起动器工作时,晶闸管通态平均电流的选择应按照电动机的起动电流来选取。
若设限制起动电流倍数为K动机额定电流为吞,同时考虑到波形系统
和留有必然的裕量,则晶闸管的通态平均电流
为:
(2)晶闸管耐压选择
精准设计晶闸管的耐压值比较困难,这是因为它不仅和回路的接法有关,同时还与电动机的容量、激磁电流等数值有关,为了安全起见,额定电压必需使历时的正常工作电压峰值有2~3倍的储蓄,一般考虑有过电压吸收回路的情形下,所选用的晶闸管额定电压为
在选择双向反并联的晶闸管时,应仔细考虑其参数的选择。
同时由于双向反并联晶闸管多用于交流电路,因此通态时额定电流是指有效值电流,也就是说在选择晶闸管时要加大安全裕量,另外为了使晶闸管能够正常工作而不受损坏,还必需对过电压、过电流和太高的电流引发的器件或电动机温升等进行适当的保护和抑制。
软启动器控制电路的设计
软启动器键盘及LCD显示电路的设计
键盘接口按不同标准可有不同分类方式,按键盘排布方式可分为独立方式和行列方式。
按读入键值的方式可分为直读方式和扫描方式;按是不是进行硬件编码可分成非编码方式和硬件编码方式;按CPU响应方式可分成中断方式和查询方式。
将以上各类方式组合可组成很多不同的键盘接口方式。
键盘接口采用独立方式的键盘接口,采用查询的方式进行工作。
按照需要可设计起动键、停机键、增一键、减一键、设定键等。
显示电路部份采用显示器件LM016L,其核心组成部份为HD44780,基于HD44780的字符型液晶显示模块是一种常常利用的液晶显示器件,主控制驱动电路为HD44780(HITACHI),其他一些公司的电路与之全兼容。
由其控制的液晶显示器能够提供若干个5×7或5×10点阵块组成的显示字符群,每一个点阵块为一个字符位,字符间距和行距都为一个点的宽度,具有64B的自概念字符RAM,可自概念8个5×8点阵字符或4个5×11点阵字符。
能够提供8×1~40×4(字符数×行数)各类显示屏规格,普遍应用于智能仪表、通信、办公自动化及军工等领域。
其按键及显示电路如下图
图8软启动器键盘及LCD显示电路
软启动器保护电路的设计
(1)三相异步电动机普遍运行在恶劣的工业环境中,由于环境温度、负载过大、电动机老化、电网波动等因素在成电动机损坏。
本系统通过控制继电器,进而控制接触器动作来对电动机提供过压、欠压、过流、缺相、掉相等电气保护,避免电动机因为过热而烧毁。
保护电路的原理图如图所示,通过二极管D二、D五、D8取得三相电中电压最高的一相,通过二极管D3、D六、D9取得三相电中电压最低的一相,当电网电压出现故障时,电压比较器ICI输出高电平,通过Rp2和C9组成的延时电路延时一小段时刻后再通过比较器IC2控制继电器J,进而控制交流接触器,切断电网,保护电动机。
(2)同时由于在单片机对电动机定子侧线电压、线电流采样的进程中,AD转换及数据处置等环节需要花费必然的时刻,尔后单片机才能做出相应动作,不能保证系统的实时性,软起动器在初始设按时会要求用户输入系统过流值,按照不同的电机容量输入的过流值不同,可是为避免用户的操作失误,过流保护硬件电路是必不可少的。
在系统出现异样致使主回路电流急剧增加的情形下,系统能够当即采取动作,为此设计了反映迅速、无软件延迟的过流保护硬件电路。
图9三相异步电动机缺相、掉相、三相不平衡保护电路
软启动器同步电路设计
要使三相交流调压主回路各个晶闸管的触发脉冲与其阳极电压维持严格的同步相位关系,软起动器必需在一个电压周期内控制晶闸管的导通,通过肯定电压波形的过零点,延时一段时刻输出触发信号来控制其导通角,故在系统中必需设置同步电路。
在本设计中,对于主回路中的晶闸管导通控制的同步信号采用1个同步变压器,输出电压通过过零比较器LM339后取得同步方波信号,方波跳变点对应于自然换流点。
下图为同步信号检测电路图
图10同步信号检测电路图
软启动器晶闸管触发驱动电路设计
晶闸管驱动电路的功能是将控制器送来的控制信号转化成为知足晶闸管所需要的触发信号。
晶闸管对门极触发电路产生的脉冲应能知足一些大体要求:
(1)触发信号能够是交流、直流或脉冲,但触发信号只能在它使控制极为正、阴极为负时起作用。
由于晶闸管在触发导通后控制极就失去控制作用,为了减少控制极损耗,故一般触发信号常采用脉冲形式。
利用脉冲信号,不仅便于控制脉冲出现时刻,降低晶闸管门极功耗;还可通过变压器的双绕组或多绕组输出,实现信号间的绝缘隔离和同步传输。
(2)触发脉冲必需有足够的电压和电流。
晶闸管属于电流控制器件,为保证足够的触发电流,考虑裕量,一般可取两倍左右门极触发电流。
(3)触发脉冲宽度应要求触发脉冲消失前阳极电流已大于掣住电流,以保证晶闸管的导通。
对于单相电阻负载,由于一般晶闸管开通时刻为6us,应要求脉宽大于10微秒,最好有20~50微秒。
电感性负载脉宽不该小于100微秒,与负载功率因数有关,一般用到1ms,相当于50赫兹正弦波18°。
(4)触发脉冲与主回路电源电压必需同步并有必然的移相范围。
为了使晶闸管在每一周波都能重复在相同的相位上触发,触发脉冲与主回路电源电压必需维持某种固定相位关系。
同时,触发延迟角应能按照控制信号的要求改变,即控制角α应有必然的移相范围。
图11软起动器触发驱动电路
软启动器相序检测电路设计
软起动装置中不可缺少相序检测的功能。
应用微机控制的软起动装置,同步信号通常只有一路,其它脉冲信号都以此信号为基准,因此只有肯定相序,才能正确地发出脉冲来控制晶闸管的导通顺序,起到相序自适应的作用。
下图是相序检测电路。
在电路中先将三相电源电压分压,经RC滤波后送到差动过零比较器LM339,过零比较器将通过度压的三相正弦波整形成三相方波信号,通过光耦合隔离后送到单片机入口。
整形后的方波送入单片机的三个入口,直接循环采样相应接口的状态检测三相电源电压的相序和相位。
若检测到的数据顺序为,同为下相序,若检测到的数据顺序为,则为负相序。
图12软启动器相序检测电路
软启动器电流检测电路设计
异步电动机起动时,若起动电流太大,则对电网冲击大;若起动电流过小,则起动时刻长。
因此,在起动进程中,需要限流调节和过流保护。
而且,在有的场合,希望能控制电动机恒流起动。
所以在软起动控制器中,应有电流检测环节。
电流检测的方式多种多样,用电流互感器测得交流电流值,含有脉动成份,可采用硬件或软件的方式减小脉动的影响。
硬件实现可利用整流滤波电路。
软件实现一般采用平均值滤波法即让采样周期T与电源的频率维持严格的比例关系,在工频周期内进行累加求积分而滤除交流成份。
其电流检测原理电路图如下。
电机定子侧接入霍尔电流互感器ACS755,霍尔元件检测定子侧两相电流,定子侧第三相电流用软件来实现,以减少硬件系统的外围电路,最后输入A/D的转换器。
A/D将转换取得的数值输入单片机,由软件比较检测电流与给定电流的差值,依照PID调节算法完成限流调节和过流保护。
图13软启动器电流检测电路
软启动器电机转速检测电路设计
电机转速的检测通过安装在异步电动机转子处霍尔元件产生的霍尔脉冲信号进行检测,霍尔元件和磁铁,即可组成基于磁电转换技术的传感器,安装于异步电动机转子上的永磁铁随转子转动,通过霍尔元件一次,可在信号端产生一个计量脉冲,单片机通过在一按时刻内对霍尔脉冲次数的收集来取得异步电动机的转速,其转速检测的原理图如下
图14软启动器电机转速检测电路
软启动器电机线
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