交流异步电动机软起动器的硬件设计

交流异步电动机软起动器的硬件

设计

The Hardware Design of AC Asynchronous

Motor Soft Starter

毕业设计任务书

题 目 交流异步电动机软起动器的硬件设计 一、设计(论文)内容 利用单片机AT89C51控制晶闸管交流调压方式进行电子软启动器设计。主回路主要由三组反并联晶闸管和接触器组成，通过控制反并联晶闸管组的导通改变加载在电机两端的电压；而接触器的主要作用是在软启动过程完成以后，把反并联晶闸管组从三相电源中旁路。在需要软停车时，再把软启动器装置接入到电机回路中，完成软停车的功能。 二、基本要求 1. 分析软启动器工作原理，选定主电路设计方案 2. 系统主电路设计，晶闸管参数和型号选择 3. 软启动器控制回路、过压保护、过流保护、电流检测电路设计，选择设计参数和器件型号 三、主要技术指标 异步电动机参数： 额定功率：PN?4KM；额定电压：UN?380V； 额定电流：IN?8.2A；额定转速：nN?1450r/min； 效率：??86%；功率因数：cos??0.85； 过载系数：??2.2；电压波动：±10%；极对数：P=2。 四、应收集的资料及参考文献 [1] 彭鸿才. 电机原理及拖动[M]. 第二版. 北京: 机械工业出版社, 2010. [2] 陈伯时. 自动控制系统[M]. 北京: 机械工业出版社, 1981. [3] 周德泽. 电气传动控制系统的设计[M]. 北京: 机械工业出版社, 1985. 五、进度计划 第1-2周 开题报告 第3周 设定方案 第4-6周 系统主电路设计 第7周 中期答辩 第9-12周 控制电路设计 第11-13周 撰写毕业设计说明书 第14-15周 答辩 教研室主任签字 时 间

年 月 日 毕业设计开题报告

题 目 交流异步电动机软启动器的硬件设计 一、研究背景 由于交流异步电动机，特别是三相鼠笼式异步电动机，具有结构简单、制造容易、性价比高、坚固耐用、工作性能好等诸多优点，已经被广泛地应用于农业生产、厂矿企业、交通运输业、国防工业以及人们日常生活的各个领域。但是在启动过程中又存在着不少问题。电动机的启动过程是指当交流异步电动机投入电网时，从静止状态一直加速到稳定状态的过程。启动电源和启动转矩是衡量电动机启动性能好坏的两个指标。在研究启动的过程时，要求起动转矩要足够大，以保证电动机能够正常地起动，同时在保证一定大小起动转矩的前提下要求起动电流越小越好。 目前异步电动机普遍采用的起动方式是全压直接起动，但是这种方法优缺点各存在。优点是起动设备和操作简单，而且起动的转矩要比降压起动的方法大。缺点是起动时产生的冲击电流是其额定电流的2到7倍，这会造成好多影响，例如产生的机械冲击力会加速机械传动部件的磨损；电网电压值瞬间的改变，会影响电气设备及其他装置的运行；冲击电流会造成电动机局部温度上升，降低电动机的寿命等等。 如今，随着电力电子技术和微机控制技术的蓬勃发展，现代控制理论与电力电子技术的紧密结合，出现了以微处理器为控制核心的电动机软启动器。它是一种集电动机软启动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的电动机控制装置。相对于传统的降压起动方式，软启动的优点主要有：1.实现了电动机起动电压的无极调节，冲击转矩和冲击电流；2.通过电流闭环控制可以实现电动机的恒流起动，不但限制了起动电流，还确保了电动机的平稳起动；3.采用微机处理器控制，人机界面友好，控制简便，可以实现多种软启动模式和保护功能，可靠性高；4.可以实现直接计算机通讯控制，为自动化控制打下良好的基础。 综上所述，软启动器拥有良好的控制性能，具有很好的研究价值和应用前景。 二、国内外研究现状 1.国外研究现状 电力电子软起动的出现是随着晶闸管的出现而发展起来的。最早采用晶闸管三相交流调压电路对电动机软起动的应用出现在 1970年，采用这种方法可以获得很好的起动 性能，所以一开始就引起人们广泛的注意。三十多年来，国外对晶闸管三相交流调压电路进行了广泛的研究，在工业应用领域得到广泛的应用。在某些领域应用显示出独特的 技术优势。如美国AB公司、英国CT公司、法国TE公司、德国AEG公司、瑞士ABB 公司等均推出了软起动器系列产品。 目前在国外，晶闸管三相交流调压起动技术的研究已从对通过控制电机电流的开环，闭环方式，发展到通过建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法，从而便三相交流调压电路电机负载性能更好。如降压变频调速中的矢量控制和磁场定向控制的引入，创立软起动技术的转矩控制等等。 在国外，发达国家的三相异步电动机软起动产品主要是晶闸管软起动和兼作软起动的变频器起动。在生产工艺兼有调速要求时，采用变频装置。在没有调速要求使用的场合下，起动负载较轻时一般采用晶闸管软起动。在重载或负载功率特别大的时候，使用变频软起动。发达国家软起动的主流产品是晶闸管软起动装置 ，各知名电气公司都有自己的晶闸管软起动品牌，在其功能上又各具特色。例如GE公司生产的ASTAT智能电机软起动器；ABB公司生产的PST、PSTB系列电机软起

动器；施耐德公司的ATS46软起动器；德国SIEMENS公司的3RW22 SIKOSTART软起动器等等 2.国内研究现状 我国的软起动技术起步于80年代初期，现己推出JKB型软起动器和JQ， JQZ型固态节能起动器等产品。JQ型用于轻负载起动，JQZ型用于重载起动，最大的控制功率 可以达到800KW。虽然取得了一些成绩，但由于国内自行开发和生产的能力相对较弱，对国外产品的依赖还很严重。从总体上着，我国软起动技术与国际先进尚有差距。主要表现在以下几个方面: ①软起动器的整机技术落后，国内虽有很多单位投入了一定人力，物力，但由于分散，并没有形成一定的技术和生产规模。 ②软起动器产品所用的半导体功率器件的制造业规模较小。 ③相关配套产业及行业落后。 ④产销量少，可靠性及工艺水平不高。 作为强弱电结合的软起动是机电一体的综合性技术，既要处理巨大的电能转换，又要处理信息的搜集、变换和传输。因此其技术研究也会在两个方向进行。可以预见，未来的软起动器将沿着以下方向发展: ①提高起动转矩。采用分级变频起动，使电机低速起动时，起动电流小，起动转 矩大，可以在满负荷的情况下实现软起动。 ②实现高水平的控制，向智能化的方向发展。 ③起动器将向中压电机软起动方向发展。 ④向小型化方向发展。 三、主要工作 1.设计方案论证、比较及确定，分析软启动器工作原理，选定主电路设计方案。 2.设计完善的硬件电路，包含各个部分。 3.元器件选型及有关计算，晶闸管参数和型号选择。 4.软件仿真分析和相关调试。 四、所采用的方法与手段 本设计在查阅大量的相关知识的基础上，研究了国内外软启动器的研究现状和发展方向，对软启动器的工作原理和控制策略进行了详细的学习，设计以利用单片机AT89C51控制晶闸管交流调压方式进行电子软启动器设计。 主回路主要由三组反并联晶闸管和接触器组成，通过控制反并联晶闸管组的导通改变加载在电机两端的电压；而接触器的主要作用是在软启动过程完成以后，把反并联晶闸管组从三相电源中旁路。在需要软停车时，再把软启动器装置接入到电机回路中，完成软停车的功能。 五、预期达到的结果 通过晶闸管和接触器的组合，形成三组反并联晶闸管和接触器组成主回路，并通过控制反并联晶闸管组的导通改变加载在电机两端的电压，来达到调节电机的起动问题，变得更加的稳定和高效。 指导教师签字 时 间 年 月 日

摘 要

异步电动机的优点众多，比如低成本，简单结构，耐用等，所以很受欢迎，被广泛的应用。但是从发明电动机至今，电机的起动一直是无法很好解决的问题。电动机在起动时，转矩小，会导致电流很大。这样的结果就是对电网和电机本身都有很大的损害和影响。传统的起动方法都有一定的缺陷。本设计是用晶闸管设计一种软启动器，来解决电机的起动问题，提高电动机起动的稳定性和效率。

本设计主要是先分析了软启动器的工作原理，选定主电路的接线方案，利用晶闸管反并联，构成一种调压器。之后利用单片机AT89C51设计了一个完整的硬件电路，包含电压保护设计，电流保护设计等部分。根据硬件电路的电压和电流，详细的计算了每个模块的参数，并进行了器件选型。主电路的设计就是晶闸管构成的一种调压器，利用基于MATLAB的SIMULINK仿真平台进行仿真。仿真的目的，主要是调试出电动机转速和定子电流的波形，设计直接起动的波形和软启动进行对比，更好的体现出软启动的优点。

通过设计触发的方式，使调压器对电动机进行调压，最终达到控制电机起动的目的。通过调试和仿真，可以很好的看到，本设计中的软启动器能够很好的控制电机的转速和起动电流，使电机的起动更加平稳和高效。

关键词：软启动 晶闸管 异步电动机 SIMULINK

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