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2.2.1全压起动8
2.2.2传统降压起动9
2.2.3自耦变压器起动10
2.3无极软起动的介绍与比较11
2.4基于晶闸管软起动的原理与分析12
2.4.1晶闸管调压原理12
2.4.2软起动的起动方式13
第三章软起动器的硬件电路设计16
3.1主要器件的介绍17
3.1.1单片机AT89C5117
3.1.2同步变压器19
3.1.3开关变压器20
3.2晶闸管相控调压原理20
3.3主回路的设计22
3.3.1主回路电路22
3.3.2晶闸管参数的选择23
3.3.3晶闸管触发电路23
3.4电压检测回路24
3.4.1同步信号检测电路25
3.4.2电压反馈回路26
3.4.3电压过/欠保护电路26
3.5电流检测电路27
3.5.1电流反馈电路27
3.5.2过电流保护电路29
3.6芯片电源电路29
3.7HMI电路30
3.7.1键盘电路30
3.7.2显示电路32
第四章移相触发脉冲控制的软件设计33
4.1KEILuVISION4介绍33
4.2移相触发脉冲控制的流程框图33
4.3移相触发脉冲控制程序35
第五章软起动控制装置的仿真41
5.1MATLAB7.1介绍41
5.2仿真模型的建立42
5.2.1三相电源模块42
5.2.2触发脉冲模块42
5.2.3晶闸管调压模块43
5.2.4其他模块44
5.2.5软起动总仿真模型45
5.3仿真波形处理与分析45
总结与展望55
参考文献56
致谢58
第一章绪论
1.1本课题研究背景
由文献[1][2]可知,三相异步电动机以其优良的性能在工矿企业得到了广泛的应用,但三相交流电机的最大缺点是起动性能较差。
一台普通的三相交流异步电动机接至电网时,如果不采取任何措施,它的起动电流(指线电流)通常可达额定电流的5~7倍,因此,直接起动电机,将产生较大的冲击电流并会造成多方面的危害。
据文献[3]可知,直接起动主要存在以下几点危害:
(1)起动电流很大对电网冲击大,由此造成电网电流瞬间增加,导致电压下降,影响其他运行中的电设备,还可能触发低电压保护,威胁配套设备运行的安全,增加了电机本身及系统的继电保护整定和配合的难度,降低了保护的灵敏度。
(2)过大的起动电流会增加电机绕组热耗,加速绝缘老化,缩短电机使用寿命,此外机械冲击过大从而会造成电动机定子端部绕组绝缘磨损、转子笼条和端环断裂,导致电机击穿烧毁,联轴节损伤、转轴扭曲、传动齿轮损伤和皮带撕裂等。
(3)直接起动时,电机机械系统容易受到电气系统的突变而对其内部造成冲击,如:
风机、水泵等受到电机起动过程中压力的突变通常造成泵系统管道及阀门的损伤,缩短使用寿命;
降低传动精度,甚至影响过程控制的正常运行。
为了克服电机直接起动的诸多弊端,出现了一些有极调压措施,下面作简要的阐述,在第三章将全面描述。
(1)全压起动:
最常用的起动方式,也称为直接起动。
(2)星三角Y-Δ起动:
在起动过程中,通过改变定子绕组的三角接法为星形接法,从而起到降压作用。
(3)自耦变压器降压起动:
通过接入自耦变压器来降低定子端电压以达到降压的目的。
由于有极调压方式存在的缺点,人们开发出了无极调压模式。
其中随着电力电子技术的发展,晶闸管调压电路发展迅速,它以优良的软起动特性广泛应用于工业。
由文献[4]它主要由以下几种软起动方法,第三章将详细阐述。
(1)斜坡升压软起动:
起动时,使起动电压以一定斜率不断上升,直至起动完毕。
阶跃起动:
起动一开始在极短的时间内,使晶闸管接近全导通,然后恢复到较小
(2)导通角进行正常恒流软起动。
(3)小斜率软起动:
这种起动特点是电流上升速率缓慢,适应于对电机转矩、速度敏感的场合。
(4)恒流软起动:
起动时,电流以一定斜率上升至设定值,其后维持恒定,直至起动完毕。
1.2本课题的目的和意义
本课题通过比较全压直接起动、星三角Y-Δ起动、自耦变压器降压启动和软起动的优缺点,总结出软起动较其他方式的突出特点。
并结合文献中的JJR2000型软起动器的设计原理和思想,用自己的设计理念来实现其中部分主要功能。
主要体现在实现电机的软起动、软停车、并可以通过人机界面根据负载特性设置相关起动参数,对过流、过压、欠压、缺相进行监控,保护电机的稳定运行。
文献[5]中指出了此次设计的意义,具体阐述如下:
(1)能够使电机起动电流以一定的斜率上升至设定值,大大降低对电网的冲击。
(2)在起动过程中引入电流负反馈,当起动电流上升至设定值后,电机平稳运行。
(3)不受电网电压的影响,通过设定起动电流值,当电网电压上下波动时,只要增减晶闸管的导通角,调节电机的端电压,从而可使起动电流保持恒值,保证电机正常起动。
(4)针对电机的不同负载特性,可以通过人机界面无级调整电流设定值,改变电机起动时间,实现最佳起动时间控制。
1.3国内外研究现状
软起动技术是随着晶闸管的诞生而发展起来的,在1970年英国人首先尝试采用晶闸管三相调压原理对电机进行软起动。
我国软起动应用起步于上世纪80年代早期,目前生产软起动器的厂家众多,先后推出了多种品牌。
但由于国内自主研发和生产的能力相对较弱,对国外产品的依赖性还是很严重,在技术和可靠性上与国外同类产品仍有一定的差距。
所以在国内软起动器市场上,占据统治地位的仍是国外产品,国内产品所占的份额还是很低。
近三十年来,随着电力电子技术的发展,使无电弧开关和电流连续调节成为可能。
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。
要突破传统的起动方式,需要电力电子技术和微机控制技术的不断发展与提高。
另外,据文献[6]中所述,目前在国外,工业强国的软起动器主要以晶闸管软起动器和变频软起动器为主的固态软起动仪器。
当工业生产中要求调速时,选择变频软起动。
在其他对调速要求不高的场合,且电机所带负载较轻,一般选择晶闸管软起动。
如果所处场合电机负载过大,才会考虑变频起动装置。
工业强国以晶闸管软起动装置为主要产品,很多大型电气公司都有自己的主打软起动器,它们具备各自的特性与功能。
例如ABB公司研发的PSTB、PST系列软起动控制器;
GE公司开发的ASTAT智能型电软起动控制器;
施耐德公司的ATS46软起动装置;
SIEMENS公司的3RW22SIKOSTART软起动装置等。
目前,国外研究晶闸管三相交流调压电路的方法从减小定子电流、改变电压的闭环和开环方式,提升到通过建立比较准确实用的数学模型,从而找出适用于晶闸管交流调压电路的电机的控制方法,进而优化晶闸管交流调压电路的电机负载特性。
随着电力电子技术的不断发展,软起动器向着易操作,多功能,更可靠,小型化方向发展。
1.4本课题研究内容
由于直接起动的诸多弊端,产生了一系列更优的起动方法:
定子串电阻或串电抗起动、Y-△起动、自耦变压器降压起动、转子串电阻起动、晶闸管电子软起动、分级变频软起动、两相变频调压软起动等方法。
软起动器本质上是一种斩波调压装置,用来实现软起动、软停车、实时监测以及各种保护功能。
为了充分发挥单片机的强大控制功能,同时兼顾系统的稳定性及偏多的接口数量,沿用JJR2000的控制思想并自主创新,采用双单片机AT89C51作为整个系统的控制核心。
通过人机界面设置关键参数来满足相应负载特性,增强了软起动器对负载的适应性,同时还可以对过压、欠压、过流、过载等进行实时监控。
结合各方面的因素和实际情况,本课题研究的主要内容如下:
(1)通过建立三相异步电机的数学模型,分析其起动过程中电压、电流、转矩等变量的关系。
在比较各种起动方式优缺点的基础上,并结合原模型JJR2000部分设计理念,提出初步软起动控制策略。
分析晶闸管调压原理,熟悉AT89C51各引脚功能,在文献中对单片机做了详细的描述。
对软起动器硬件部分进行设计,包括主电路、触发电路、检测电路、保护
电路、芯片电源电路、HMI电路等。
(2)建立部分软件框图。
利用KeilC软件对移相触发脉冲控制程序进行编程。
(3)利用MATLAB/SIMULINK软件建立三相反并联晶闸管组控制异步电机的模型,在不同触发角下对电机两端电压及定子的电流进行仿真,打印出仿真图。
(4)用PROTEL绘制系统原理图。
第二章三相异步电机起动过程的研究
国外对晶闸管三相交流调压技术的研究已经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,从而优化电机负载特性。
接下来将对三相异步电机起动过程的数学模型进行分析。
2.1三相异步电机起动过程的数学模型分析
为了研究三相异步电动机起动时的电流、电压、转矩等变量的关系,进而分析三相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。
由文献[7][8]可知,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。
采用集中参数等效电路的数学模型时通常给出合理假设,由电机拖动可知,如下:
(1)对时间谐波和空间谐波的干扰进行忽略;
(2)不考虑磁饱和的情况;
(3)不计铁损;
在不改变异步电动机定子绕组中的相关量和三相电机的电磁性能的前提下,通过严格归算频率和相数,把异步电动机的转子相数、频率和每一相的有效串联匝数都换算为和定子绕组一样。
基于T型的异步电机稳态等效电路如图2-1所示:
图2-1异步电机等效电路
其中,
是定子绕组总电阻,
是定子绕组总漏电抗,
是换算到定子侧的转子绕组总漏电抗,
是换算到定子侧的转子绕组总电阻。
为与主磁通相对应的铁心磁路的励磁电抗,
是与定子铁心损耗所对应的励磁电阻。
为定子电压向量,
为定子电流向量,
为磁化电流向量,
为定子感应电动势向量。
基于T形等效电路的数学分析如下:
(2-1)
(2-2)
(2-3)
(2-4)
由以上四式可得:
(2-5)
而在异步电机中,由于
,所以可以省去
,则式(2-5)可以表示为:
(2-6)
由T型电路可知,异步电动机输入电功率
一部分消耗在定子铁心上称为铁耗
,另一部分消耗在定子绕组的电阻上称为定子铜耗
,剩余其他的通过间隙传递到转子侧的功率称作电磁功耗
。
其中
为:
(2-7)
磁性转矩可表示为:
(2-8)
由式(2-7)和(2-8)可得:
(2-9)
根据等效稳态电路得到:
(2-10)
将(2-10)代入式(2-9)得:
(2-11)
在刚起动时,由于转子n=0,转差率s=1,所以起动时转矩为:
(2-12)
由于电磁电流相对较小即
接近零,
近似为1,所以由式(2-6)得起动时电流:
(2-13)
从算式(2-13)和式(2-12)得出,起动时转矩正比于定子侧电压值的平方,起动时电流正比于定子侧电压值。
起动时电压降低时,起动转矩相对较小,电流也较小;
相反,如果起动电压升高,此时起动转矩偏大,但同时起动时的冲击电流也很大。
由于三相异步电机的起动性能主要体现在起动电流和起动转矩两个方面。
在起动时我们既希望起动转矩足够大,能够使负载电机快速达到正常转速;
同时,应尽可能减小起动电流。
因为供电变压器的容量较小,过大的起动电流会造成整个线路的压降,从而影响同一电网上的其他设备正常工作。
针对三相异步电机的起动特性,接下去将分析传统起动方式的原理及应用。
2.2三相异步电机传统起动分析
三相异步电机传统起动方式有全压起动、传统降压起动、自耦变压器起动。
根据文献[9][10]所述,下面将逐一介绍。
2.2.1全压起动
全压起动是最常用的起动方式,也称为直接起动。
它是将电动机定子绕组直接接入电源,在额定电压下起动,具有起动转矩大,起动时间短的特点,是最简单,最经济的起动方式。
但这种起动方式的起动电流可达到额定电流的4
8倍,对电网冲击大。
而且会导致整个电网的压降,影响同一电网上的其他设备的正常工作。
其原理图如下:
图2-2三相异步电机的直接起动
图中包含元器件空气开关Q、接触器KM、热继电器FR和三相异步电机。
在设计规范中,对起动电机而造成电力系统的降压作了明确规定。
JGJ/T16-92《民用建筑电气设计规范》第10.2.1.1条规定:
“起动交流电动机时,其定子上的有效电压应满足以下要求:
(1)如果频繁起动电机,起动电压不能低于90%的额定电压;
反之,不频繁起动时,不能低于85%的额定电压。
(2)不能与对电压波动敏感和照明的负载共用变压器,且起动不频繁时,不可低于80%的额定电压。
(3)当有单独的变压器给电机供电时,应按机械性能确定其起动转矩。
通常规定,当三相异步电机的额定功率低于7.5KW时允许直接起动;
反之,当其额定功率大于7.5KW,且电源容量较大情况下,满足下面公式时,电机也允许直接起动:
(2-14)
如果电机无法满足上述两种情况,则必须采用降压起动,把起动电流
限制在允许的范围内。
2.2.2传统降压起动
所谓降压起动是指在起动时降低定子绕组上的电压,等起动完成后,再把电压恢复到额定电压。
由于降压起动在减小起动电流的同时,起动转矩也降低了。
所以,降压起动适合轻载或空载的情况。
下面介绍两种传统降压起动方法:
(1)定子串接电阻或电抗起动
定子绕组串接电阻或电抗从而降低定子绕组两端电压。
由上述三相异步电机的等效数学模型可知:
起动电流正比于定子绕组电压,通过降压可以减小起动电流。
但起动转矩与定子绕组电压的二次方成正比,也就是说起动转矩会下降的更多。
总结来看,这种方法适合空载或轻载的情况。
其原理图如下所示:
图2-3定子串电阻或电抗起动原理图
从原理图可以看出当电机起动时,闭合空气开关Q,电机定子绕组串接电阻或电抗R,电机降压起动。
当电机起动结束后,接触器线圈KM闭合,电机电压恢复到额定电压正常运行。
(2)星-三角形(丫-△)起动
星-三角形起动方法是在起动时将电机定子绕组接成星形,每相绕组承受的电压为电源的相电压(220V),减小了起动电流对电网的冲击。
在起动后期按预设的时间转换成三角形连接,每相绕组承受电压变为电源线电压(380V),电机进入正常运行状态。
星-三角形起动虽然简单,但由于定子绕组六端都要引出来,所以硬件上面比较麻烦。
星-三角起动时,起动电流和起动转矩均变为全压起动时的
因此,这种方法适合空载或轻载。
除此之外,当负载较轻时,可以让电机在星形接法下运行。
图2-4星-三角形起动原理图
图中接触器KM2和KM3形成互锁,任意时刻两者之间只能有一个闭合。
当空气开关Q和接触器KM1闭合的情况下,闭合KM2时,电机星形接入;
当转换为KM3闭合时,电机变为三角形接法。
其中,通过控制回路时间继电器KT的设置,来确定星-三角形转换的时间。
2.2.3自耦变压器起动
所谓自耦变压器起动是串接自耦式变压器降压来减小加在电机定子绕组上的起动电压,待电机完成起动后,使自耦式变压器与电动机分离,从而使电机在全压下运行。
自耦式变压器起动原理图见图2-5:
图2-5自耦式变压器起动原理图
其控制过程为:
闭合开关Q后接入三相交流电源,然后按下起动按钮,使KM1线圈通电吸合并自锁,随后主触头闭合,自耦变压器以星形接入。
与此同时因为其辅助常开触点闭合,从而使得接触器KM2线圈通电并吸合,其主触头闭合。
通过自耦变压器的低压抽头将三相电压的60%接入电机。
当时间继电器KT延时完毕后,线圈KM1断开,使自耦变压器的线圈断电;
同时KM2线圈断开,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。
自耦变压器起动的优点在于起动电压降为额定电压的
,但起动转矩减小的更多;
且自耦变压器不允许频繁起动,设备费用较高。
2.3无极软起动的介绍与比较
基于传统起动方式及有级调压存在的问题,发展出现在的无极软起动,包括液阻软起动,磁控软起动和晶闸管软起动,由文献[11]分别简要介绍它们的特点。
(1)液阻软起动:
液阻是一种由电解液形成的电阻,它导电的本质是离子导电。
它的热容量大,且阻值正比于二块电极板的相对距离,反比于电解液的电导率,其极板距离和电导率都便于控制。
但其存在诸多缺点:
液阻箱容积大,若减小容积,电解液温升将增加,使软起动重复性差;
移动极板需要一套伺服系统,且移动速度较慢,难以实现起动方式的多样化;
液箱中的水需要定期补充,且电极板长期浸泡于电解液中,表面会有一定的锈蚀,需要做表面处理(2、3年一次)。
(2)磁控软起动:
通过控制直流励磁电流,改变铁心的饱和度实现限流作用的强弱变化。
在起动开始时限流作用较强,在软起动过程中限流作用逐渐减弱,电抗器在起动完成后被旁路。
由于磁控式软起动器体积大,耗电量多,故障率较高及较高维修费用的问题,不适合频繁起动。
(3)晶闸管软起动:
随着电力电子技术的快速发展,晶闸管软起动技术已取得长足进步的结果。
利用晶闸管相控调压原理,通过控制电机定子绕组端的电压,实现电机的软起动。
晶闸管调压装置具有体积小、结构紧凑,维护量小,功能齐全,菜单丰富,起动重复性好,保护周全等特点。
下面对三种软起动方式列表比较:
表2-1三种软起动方式比较
技术指标
液阻式软起动
晶闸管软起动
磁控式软起动
软起动的基本性能
通过改变电极板距离实现无级降压起动,调节快速性差,
1秒级的惯性,属于开环控制,有一定的维护量。
通过微电子和晶闸管实现软起动,调节快速性好,0.01
秒级的速率,闭环控制,
可实现起动方式的
菜单化。
通过微电和子磁饱和实现软起动,调节速率是0.1秒级的,闭环控制,可实现起动方式菜单化。
实现软停止的难易程度
难
易
较易
电动机保护功能
初级保护功能
完善
高次谐波
小
大
较大
价格比
1
5~10
1~2
体积比
0.2
0.3~0.5
噪音
较小
维护工作量
软起
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