1、包頭鋼鐵職業技術學院畢業實踐任務書包頭鋼鐵職業技術學院畢業實踐任務書題目：三相異步電動機的啟動方式的設計班級： 06五年制機電D 姓名： 劉偉 指導老師： 徐桂巖 完成日期： 2011.3.20 包頭鋼鐵職業技術學院制2011年3月12包頭鋼鐵職業技術學院畢業實踐任務書成績及評語表姓名劉偉性別男學號院（系）自動化專業機電一體化班級06五年制機電D評語總評成績：指導教師（簽名）：年月日系（教研室）主任審查意見簽字：年月日院領導審定意見簽字：年月日備注 論文（設計、報告）成績按五級記分制（優秀、良好、中等、及格、不及格）； 未安排答辯的學生，答辯成績注明“未安排答辯”。摘要三相異步電動機的起動電流

2、高達額定電流的58倍，對電網造成較大干擾，尤其在工業領域中的重載起動，有時可能對設備安全構成嚴重威脅。傳統的降壓起動方式，如星三角起動、自耦變壓器起動等，要么起動電流和機械沖擊過大，要么體積龐大笨重、損耗大，要么起動力矩小、維修率高等等，都不盡人意。軟啟動技術不僅實現在整個起動過程中無沖擊而平滑地起動電動機，而且可根據電動機負載的特性來調節起動過程中的參數如限流值、起停時間等，以達到最佳的起停狀態。關鍵詞 異步電動機；軟啟動；設計目錄1前言11.1 軟啟動的定義11.2 軟啟動器的簡單介紹11.2.1 軟啟動器的保護功能11.2.2 它與變頻器有的區別11.2.3 軟啟動的作用21.3 電動機

3、起動方式的選擇21.4 與傳統啟動的比較21.4.1 軟啟動器的應用范圍21.4.2 軟啟動與傳統減壓起動方式的不同之處22 軟啟動的基本原理42.1 軟啟動器的優點42.2 軟啟動器的控制接線53 軟啟動電路63.1 軟啟動器的控制原理圖63.2 硬件設計63.3 電壓同步信號檢測電路73.4 觸發脈沖形成電路84 總結10致謝11參考文獻121前言三相異步電機由于結構簡單、控制維護方便、性能穩定、效率高等優點而被廣泛地應用于生產和各種動力設備的拖動中。因其直接起動時產生的沖擊電流對電網及其負載造成沖擊，同時由于起動應力較大，使負載設備的使用壽命降低，因此常采用降壓起動方式來減少影響。但是，

4、傳統的降壓起動方式，如星三角起動、自耦變壓器起動等，要么起動電流和機械沖擊過大，要么體積龐大笨重、損耗大，要么起動力矩小、維修率高等等，都不盡人意。隨著電子技術的發展，使用軟啟動器可以無沖擊而平滑地起動電動機，而且可根據電動機負載的特性來調節起動過程中的參數達到最佳的起停狀態，從而延長機械設備的使用壽命，減少設備的維修量，提高經濟效益。1.1 軟啟動的定義軟啟動顧名思義，就是不直接啟動，而是慢慢的、一點一點的啟動。比如在電機的輸入端一點一點地把電壓從0升高到額定電壓，頻率由0漸漸的變化到額定頻率，這樣電機在啟動過程中的啟動電流，就由過去不可控的過載沖擊電流變成為可控的、可根據需要調解大小的啟動

5、電流。電機啟動的全過程都不存在沖擊轉矩，而是平滑的啟動運行。這就是所謂的電動機的軟啟動。1.2 軟啟動器的簡單介紹起動器是一種用來控制鼠籠型異步電動機的新設備，集電機軟啟動、軟停車、輕載節能和多種保護功能于一體的新穎電機控制裝置，國外稱為SoftStarter。它的要構成是串接于電源與被控電機之間的三相反并聯閘管及其電子控制電路。運用不同的方法，控制三相反并聯晶閘管的導通角，使被控電機的輸入電壓按不同的要求而變化，就可實現不同的功能。1.2.1 軟啟動器的保護功能(1)過載保護功能：軟啟動器引進了電流控制環，因而隨時跟蹤檢測電機電流的變化狀況。通過增加過載電流的設定和反時限控制模式，實現了過載

6、保護功能，使電機過載時，關斷晶閘管并發出報警信號。(2)缺相保護功能：工作時，軟啟動器隨時檢測三相線電流的變化，一旦發生斷流，即可作出缺相保護反應。(3)過熱保護功能：通過軟啟動器內部熱繼電器檢測晶閘管散熱器的溫度，一旦散熱器溫度超過允許值后自動關斷晶閘管，并發出報警信號。(4)其它功能：通過電子電路的組合，還可在系統中實現其它種種聯鎖保護。1.2.2 它與變頻器有的區別軟啟動器和變頻器是兩種完全不同用途的產品。變頻器是用于需要調速的地方，其輸出不但改變電壓而且同時改變頻率；軟啟動器實際上是個調壓器，用于電機起動時，輸出只改變電壓并沒有改變頻率。變頻器具備所有軟啟動器功能，但它的價格比軟啟動器

7、貴得多，結構也復雜得多。大多數軟啟動器在晶閘管兩側有旁路接觸器觸頭，其優點是：（1）在電機運行時可以避免軟啟動器產生的諧波（2）軟啟動的晶閘管僅在起動停車時工作，可以避免長期運行使晶閘管發熱，延長了使用壽命。（3）一旦軟啟動器發生故障，可由旁路接觸器作為應急備用1.2.3 軟啟動的作用軟啟動器采用三相反并聯晶閘管作為調壓器，將其接入電源和電動機定子之間。使用軟啟動器啟動電動機時，晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動機逐漸加速，直到晶閘管全導通，電動機工作在額定電壓的機械特性上，實現平滑啟動，降低啟動電流，避免啟動過流跳閘。待電機達到額定轉數時，啟動過程結束，軟啟動器自動用旁路接觸器取代已完成任務的晶

8、閘管，為電動機正常運轉提供額定電壓，以降低晶閘管的熱損耗，延長軟啟動器的使用壽命，提高其工作效率，又使電網避免了諧波污染。軟啟動器同時還提供軟停車功能，軟停車與軟啟動過程相反，電壓逐漸降低，轉數逐漸下降到零，避免自由停車引起的轉矩沖擊。1.3 電動機起動方式的選擇作為應用最廣泛的鼠籠型異步電動機，它采用降壓起動的條件：一是電動機起動時，機械不能承受全壓起動的沖擊轉矩；二是電動機起動時，其端電壓不能滿足規范要求；三是電動機起動時，影響其他負荷的正常運行。對于降壓起動目前有兩種方式，一種是降壓起動，一種是軟啟動。他經過了三個發展階段，一是“Y-”起動器和自藕降壓起動器，二是磁控式軟啟動器，三是目前

9、最先進最流行的電子軟啟動器。電子軟啟動器一般都是采用16位單片機進行智能化控制，他既能保證電動機在負載要求的起動特性下平滑起動，又能降低對電網的沖擊，同時，還能實現直接計算機通訊控制，為自動化智能控制打下良好的基礎。它們的造價比較是：“Y-”起動器須六根出線而且故障率太高，維修費也高已不常采用，自藕方式每個千瓦80元左右，磁控的每千瓦150元左右，自藕和磁控的體積較大且故障率較高，維修費較高，電子軟啟動器每個千瓦在100元到200元之間，一般情況下，一臺開關柜能放多臺電子軟啟動器，節省工程造價，且故障率較低，維修費也低。所以，電子軟啟動器應是我們首選的目標。1.4 與傳統啟動的比較1.4.1

10、軟啟動器的應用范圍原則上，鼠籠型異步電動機凡不需要調速的各種應用場合都可適用。目前的應用范圍是交流330（也可660V），電機功率從幾千瓦到800kW。軟啟動器特別適用于各種泵類負載或風機類負載，需要軟啟動與軟停車的場合。1.4.2 軟啟動與傳統減壓起動方式的不同之處籠型電機傳統的減壓起動方式有Y-起動、自耦減壓起動、電抗器起動等。這些起動方式都屬于有級減壓起動，存在明顯缺點，即起動過程中出現二次沖擊電流。由于傳統的減壓起動方式技術落后，國家已明令淘汰。軟啟動與傳統減壓起動方式的不同之處是：（1）無沖擊電流。軟啟動器在起動電機時，通過逐漸增大晶閘管導通角，使電機起動電流從零線性上升至設定值。對

11、電機無沖擊，提高了供電可靠性，平穩起動，減少對負載機械的沖擊轉矩，延長機器使用壽命。（2）有軟停車功能，即平滑減速，逐漸停機，它可以克服瞬間斷電停機的弊病，減輕對重載機械的沖擊。（3）起動參數可調，根據負載情況及電網繼電保護特性選擇，可自由地無級調整至最佳的起動電流。2 軟啟動的基本原理軟啟動是指運用串接于電源與被控電機之間的軟啟動器，控制其內部晶閘管的導通角，使電機輸入電壓從零以預設函數關系逐漸上升，直至起動結束，賦予電機全電壓的起動方法。軟啟動器是一種集電機軟啟動、軟停車、輕載節能和多種保護功能于一體的新穎電機控制裝置，它的主要構成是串接于電源與被控電機之間的三相反并聯晶閘管及其電子控制電

12、路，通過運用不同的方法，控制三相反向并聯晶閘管的導通角，使被控電動機的輸入電壓按不同的要求而變化，就可實現不同的功能。如圖2-1所示。圖2-1 基本原理圖目前使用的軟啟動器，基本上是以單片機作為中央控制器控制核心來完成測量及各種控制算法，用程序軟件自動控制整個起動過程。它通過單片機及相應的數字電路控制晶閘管觸發脈沖的遲早來改變觸發角的大小，從而改變晶閘管的導通時間，最終改變加到電動機三相繞組的電壓大小。由于電動機轉矩近似與定子電壓的平方成正比，電流又和定子電壓成正比。這樣，電動機的起動轉矩和起動電流的限制可以通過定子電壓的控制來實現，而定子電壓又是通過可控硅的導通相角來控制的，所以不同的初始相

13、角可實現不同的端電壓，電動機的起動轉矩和起動電流的最大值可根據負載而設定,以滿足不同的負載起動要求。電動機起動過程中，晶閘管的導通角逐漸增大，晶閘管的輸出電壓也逐漸增加，電動機從零開始加速，直到晶閘管全導通，從而實現電動機的無級平滑起動，并使電動機工作在額定電壓的機械特性上。2.1 軟啟動器的優點對于大功率異步電動機而言，軟啟動比硬起動（即直接起動）和傳統降壓起動具有以下主要優點：1）減少起動過程引起的電網電壓降使之不影響同一供電網其它電氣設備的正常運行；2）對電動機提供平滑的起動過程，降低電機起動過程中線路的沖擊電流，減少電動機（傳動機械）的沖擊電流及對電網和配電系統的沖擊，延長電動機（傳動

14、機械）使用壽命；3）減少電磁干擾：硬起動產生的沖擊電流會以電磁波的形式干擾電氣儀表的正常運行；4）有多臺電動機控制功能，用一臺起動器控制多臺電動機的起動，起動電流、起動時間可分別設置；多種起動模式：電壓斜坡起動、限流起動、脈沖突跳起動，具有軟停車功能；5）具有完善的保護功能：過載保護、斷相保護、過壓和欠壓保護等。2.2 軟啟動器的控制接線（以英杰電氣有限公司的KRQS系列為例）KRQS110/P型軟啟動器基本接線示意圖：圖2-6基本接線示意圖全數字電子軟啟動器不僅能有效控制鼠籠式三相異步電動機起動電流，減緩電流對電動機和電網的沖擊，還能在起動和運行過程檢測電流、電壓參數，對異常情況進行處理、顯

15、示及報警，實現對電動機的綜合保護。三相鼠籠式異步電動機以其結構簡單、性價比高和工作特性好等諸多優點，在當今工業應用的各個領域都有廣泛的應用，但它有一明顯缺點，就是起動電流過大(一般起動電流為額定電流的57倍甚至更大)，這樣不論是對電動機本身，還是對電網以及其他電氣設備，都會產生不利的影響。電子軟啟動器的誕生，已經從很大程度上提供了解決這個技術難題的有效手段，而且近年來隨著電力電子技術以及智能控制技術的不斷發展，電子軟啟動器已經逐步取代了傳統的起動方法，例如“Y”降壓起動、自耦變壓器降壓起動以及磁性調壓起動等。所謂電子軟啟動器，就是使用晶閘管調壓技術，采用單片機控制的起動器，在用戶規定的起動時間

16、內自動地將起動電壓連續平滑地上升，直到達到額定電壓，從而達到有效控制起動電流的目的。3 軟啟動電路3.1 軟啟動器的控制原理圖該軟啟動器它采用三相平衡調壓式主回路，將3對反向并聯的大功率晶閘管串接于電動機的三相電路上，通過控制其觸發角的大小來改變晶閘管的導通程度，由此控制電動機輸入電壓的大小，以達到實現電動機軟啟動的過程。當電動機起動完成并達到額定電壓時，閉合三相旁路接觸器KC，短接晶閘管，使電動機直接投入電網運行，以避免晶閘管元件的持續損耗。其中，主回路的晶閘管和接觸器隨系統容量不同可以選用不同的器件。主回路主要是晶閘管電子調壓裝置，由6個晶閘管V1V6組成，另外，利用3個霍爾傳感器來完成三

17、相定子的電流檢測。在起動過程中，晶閘管V1V6的觸發角由軟件控制，從而使加在交流電動機三相定子繞組上的電壓由零逐漸平滑地升至全電壓。同時，電流檢測裝置檢測三相定子電流送給單片機進行運算和判斷，當起動電流超過設定值時，軟件控制升壓停止，直到起動電流下降到低于設定值之后，再使電動機繼續升壓起動。若三相起動電流不平衡并超過規定的范圍，則停止起動。另外，由電動機理論可知，當電動機的輸入電源頻率不變時，電動機的輸出轉矩與輸入電壓的平方成正比。因此，軟啟動不僅使電動機定子電壓連續平滑地增加，實現了升壓限流起動，而且避免了電動機起動轉矩的沖擊和不平穩的現象。軟啟動的控制器采用16位的Intel80C196K

18、C芯片，這種芯片比一般的8位單片機有更高的運算速度和較高的集成度，而對比DSP芯片來講，雖然運算速度上稍微慢了點，但196芯片價格便宜這個特點又使其在性價比上占了一定優勢，而且196芯片的CPU晶振頻率現在也已達到了16MHz，再加上它自身具有乘除法運算指令，使其已經能夠滿足軟啟動過程中數據運算處理速度要求。另外，80C196KC芯片豐富的外圍部件功能，以及具有10位A/D高分辨率轉換的特點，可以在保證軟啟動器高可靠性的同時降低生產成本。3.2 硬件設計一個完整的軟啟動器一般由兩部分組成，即控制單元和功率單元。控制單元是核心部分，軟啟動器大部分功能都是在這一單元實現的，其中含有三相電源的電壓及

19、工作電流的檢測、鍵盤輸入和液晶顯示輸出信號的接收和處理，實現遠程通信和故障診斷及報警等；功率單元則擔負著形成所需觸發脈沖的職責。整個系統結構如圖3-1所示，下文也將從系統核心部分觸發控制部分重點說明軟啟動器的硬件設計。圖3-1 軟啟動器總體系統結構圖3.3 電壓同步信號檢測電路用如圖3-2所示的電路作為電壓同步信號檢測電路。從圖中可以看出，這個電路的功能就是將由電源側來的線電壓正弦信號轉為低壓方波信號以供單片機進行處理分析。由于這里的信號是從高壓轉為低壓送入單片機處理的，因此要利用一塊光耦P521對高低壓信號進行隔離，這樣保證了這兩種信號可以互不干擾地分離處理。整個工作過程大致是這樣的：由電源

20、側來的線電壓信號經過2個電阻和1個二極管，變成半波交流信號，這個交流信號在正半波時觸發光耦導通，從而使得右側輸入到單片機的是高電平信號；而當光耦左側交流信號處于低電平時，光耦則截止，那么右側輸入到單片機的信號也就是低電平。這樣周而復始，單片機所得到的就是幅值為5V(VCC=5V)的方波信號，周期等同于電源的周期即工頻50Hz，而高低電平持續的時間也基本與電源側正負交流信號所持續的時間大致相同，雖然其間存在著一定的時延，但可以通過軟件進行補償，從而既簡化了外圍硬件電路的設計，又得到了與電源電壓同步的信號，為下面給出晶閘管觸發信號提供了工作電壓零點的基準。這個電路的優點就在于：一方面，在起動未開始

21、或是開始瞬間，線路還沒有負載電流時，這個電路仍可以檢測到器件電壓零點，這就比電流過零同步方式要優越得多；另外，由于輸入的交流信號是直接從電源側獲取的，因此這就不需要像其他電路那樣需要先利用變壓器取得交流信號再進行處理，這樣就既節省了線路板的空間，也節約了成本。同時，可以利用圖3-2這個電路(以下稱為電路I)和另一套與電路基本相同的電路(以下稱為電路II)配合，進行電源的相序判斷和缺相檢測。在這里也大致介紹一下工作原理。電路II和電路I結構基本相同，存在的區別就是，假設電路I的輸入側U_1和U_2分別連接電源的A、B兩相，而電路II輸入側U_1和U_2連接的就是電源的B、C兩相，且輸出信號是送到

22、80C196KC芯片的另一個HSI(高速輸入引腳)口的。這里利用到芯片HSI引腳，它特有的功能，一是這種引腳能夠無需CPU干涉而快速響應事件，二是這種引腳不但可以設置事件發生產生中斷，還可以記錄事件發生時的時間和當時引腳的狀態。這里我們假設電路I的U_1和U_2接的是電源的A、B相，而電路II的U_1和U_2接的是B、C相，這樣在三相電源正常工作時，當AB線電壓發生正跳變(即從負半波轉為正半波)時，BC線電壓為負，那么電路II送入CPU的信號就為低電平；當AB線電壓發生負跳變時，BC線電壓為正，那么電路II送入CPU的信號是高電平(如果電路II的U_1和U_2接的是C、B相，那么兩次送入CPU

23、的信號高低電平情況就相反)。而當電源發生缺相故障時，AB線電壓無論發生何種跳變時，BC線電壓都同為正或同為負，這樣電路II送入CPU的信號將同為高電平或低電平。設置電路I接入CPU的HSI0引腳在信號每次跳變時都產生中斷，并在每次跳變中斷時記錄下電路II接入CPU的HSI1引腳的狀態，通過兩次對比HSI1引腳的電平情況，從而判斷出所連入電路中三相電源的相序，為下一步產生正確的脈沖觸發信號序列奠定基礎。同時在電源缺相時，也能判斷出故障狀況，并封鎖脈沖信號及給出報警信號和顯示信息。圖3-2 電壓同步信號檢測電路3.4 觸發脈沖形成電路起動器的工作原理就是通過改變主回路中晶閘管的導通時間，從而調整電

24、動機的起動電壓來實現的，那么如何按照要求形成所需的觸發脈沖信號就顯得尤為重要。晶閘管的觸發方式有很多種，在這個設計采用脈沖變壓器來產生符合要求的具有一定規律的脈沖，主要為的就是使觸發發生電路在同晶閘管相連接的同時，又可以使這兩部分電路之間具有電氣隔離。下面以單相觸發脈沖形成電路為例，具體說明是如何利用這個電路形成所需的六路觸發脈沖信號的。如圖3-3所示，電路中74LS02的2、3腳分別接Intel196KC芯片的PWM腳和HSO腳，而脈沖變壓器二次側輸出端GA1、KA1和GA2、KA2分別接的是某一相正反1對晶閘管的觸發極和陰極。這樣根據電路可分析得，由于PWM引腳是由軟件設置在不斷地產生一定

25、占空比的脈沖信號，因此如果想在某一時刻觸發該相的晶閘管，只要在這個時刻通過軟件設置將連接到該電路的HSO引腳置為低電平，并保持一定寬度時間就可以實現，而究竟是正向晶閘管還是反向晶閘管導通，那就取決于外部施加在該相晶閘管兩端的電源正負了。同理，如果想不輸出觸發脈沖，只要將該HSO引腳置為高電平就可以了。同時，還可利用HSO引腳同時通過軟件設置電平變化的特點，在軟啟動過程中如有檢測到故障信號需停止軟啟動操作，就只要兩條指令便可以令HSO引腳迅速置為高電平，即同步立即封鎖三相觸發脈沖信號，做到及時反應外部故障。1KA2PWMHSO74LS02VD3VD2VD1R4R3R2R12C2C13VTVCCGA1GA2圖3-3 單相觸發脈沖形成電路示意圖另外，電路中晶閘管控制用的脈沖變壓器采用111三線圈型，這樣在減少變壓器個數的同時，也可以將原先可能需要的6根輸出信號控制線減少至3根。同時在脈沖變壓器二次側串聯1個電阻，這樣既可以用來降低晶閘管的維持電流，還可在這種接有2個晶閘管的三線圈變壓器的場合中用來平衡控制極電流，同時這個加接電阻還能夠在存在高噪聲電平的場合防止誤觸發。此外，在此電阻旁還串聯1個二極管，這是為了在脈沖變壓器輸出電壓瞬變或反向時防止反向控制極電流，并且二極管同樣也可以降低晶閘管的維持電流。至于在接到晶閘管控制極和陰極兩端的輸出端并