三相异步电动机软启动器的设计毕业设计

毕业设计（论文）

三相异步电动机软启动器的设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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目录

摘要 ............................................................................................................................ I Abstract ....................................................................................................................... II 1绪论 .. (1)

1.1研究的目的、意义 (1)

1.2国内外研究现状 (2)

1.3本课题研究内容 (3)

2三相异步电动机的起动控制的研究 (4)

2.1三相异步电动机的起动过程的分析 (4)

2.2三相异步电动机的起动方法 (6)

2.2.1直接起动 (6)

2.2.2传统减压起动 (7)

2.2.3软启动 (10)

2.3软起动的原理及分析 (11)

2.3.1晶闸管调压原理 (11)

2.3.2软起动的起动方式 (13)

3软启动器的硬件电路设计 (16)

3.1主要器件的介绍 (16)

3.1.1KJ004功能介绍 (16)

3.1.2KJ041功能介绍 (18)

3.1.3KJ042功能介绍 (19)

3.2主电路的选择 (20)

3.2.1调压方式的选择 (20)

3.2.2晶闸管相控调压原理 (21)

3.3主回路设计 (21)

3.3.1主回路电路 (22)

3.3.2晶闸管参数选择 (22)

3.3.3 晶闸管触发电路 (23)

3.3.4晶闸管保护电路 (26)

3.4电压检测回路 (26)

3.4.1同步信号检测 (27)

3.4.2电压反馈回路 (28)

3.5电流检测回路 (30)

3.5.1电流反馈回路 (30)

3.5.2过电流保护电路 (31)

4基于单片机的软起动器的设计 (31)

4.1单片机控制系统设计 (32)

4.2控制软件设计 (34)

4.3触发脉冲控制的软件设计 (36)

结束语 (44)

参考文献 (45)

致谢 (46)

三相异步电动机软启动器的设计

摘要

三相异步电动机因具有结构简单、制造方便、运行可靠、价格低廉等优点，而广泛应用在工业、农业、交通运输业、国防工业以及其他各行各业中。但它也有明显的缺点，那就是起动转矩小，起动电流过大。这种情况对电机本身及周围电网都有非常不利的影响。为了减小异步电动机起动过程中对电网的冲击、消除传统降压起动设备的有级触点控制对异步电动机的冲击、改善异步电动机的起动特性，本文对基于单片机控制的晶闸管调压软起动器进行讨论。

本文首先阐述了软起动器晶闸管调压电路(即主电路)的工作原理，主要是基于晶闸管的三相异步电动机软启动器主电路设计和触发电路设计。然后是对电动机软启动器模式的设计，但主要还是软起动器的硬件电路设计。

本文设计的软起动器操作方便简单，能够使电机顺利起动。使之能达到了改善三相异步电动机起动性能的要求。在满足异步电动机起动转矩要求及降低起动电流的前提下，使电机能够平稳可靠起动。

关键词：异步电动机；晶闸管；软起动

Design of three-phase asynchronous motor’soft starter

Abstract

Three-phase asynchronous motor has a wide range of application in industry,argriculture，transportation business，defense industry and other walks of life．But it also has the obvious shortcomings that starting torque, starting current. This kind of situation of motor and power are very disadvantageous around. In order to reduce the asynchronous motor start-up process for grid, eliminate the impact of traditional step-down start equipment has control of contacts in the level of asynchronous motor, improve the impact of asynchronous motor starter characteristics, this article based on the single chip microcomputer control thyristor surge soft starter are discussed.

This article elaborates the soft starter thyristor regulating circuit, which is based on thyristor three-phase asynchronous motor soft starter main circuit design and implement trigger circuit design. Then the motor soft starter, but the pattern design of main or soft starter hardware circuit design.

This article designs the soft starter operation convenience simple, can make the motor starts smoothly.To achieve improved three-phase asynchronous motor starting performance requirements. In asynchronous motor starting torque requirements and reduce starting current, under the premise of the motor can be stable and reliable.

Keywords：Asynchronous Motor; Thyristor; Soft Starter

1 绪论

1.1 研究的目的、意义

三相异步电动机，由于其结构简单、制造方便、价格低廉、坚固耐用、运行可靠、很少需要维护及可用于恶劣环境等优点，在工业、农业、交通运输、国防军事和日常生活中得到了广泛的应用，当前大部分工业拖动都是以交流异步电动机作为动力，包括风机、水泵、油泵、压缩机等。

但是，由于其固有的启动性能较差，直接起动又容易造成对周围电网的影响。通常要求采用专门的启动设备完成正常的启动工作，尤其频繁启动时更是如此。然而，它是以反电势为主的负载，即以反电势来平衡外加电压。电动机的反电势随着转子转速的增加而逐渐增大，电动机在起动开始时反电势为零，所以起动电流很大。电动机起动时刻出现的起动电流一般高出额定电流3～7倍，特殊情况下可达到10倍以上，这样大的起动电流不仅加重了进线供电电网以及接在电动机前面的开关电器的负荷，而且对电网及其负载造成干扰，特别是当电动机容量较大时，冲击电流会对电网及其负载造成干扰，严重时，甚至危害电网的安全运行[1]。启动电流过大时，将使电动机本身受到过大电磁力的冲击，如果经常启动，还有使绕组过热的危险。同时，由于启动应力较大，使得负载设备的使用寿命降低。还有，由于起动应力较大，出现的巨大转矩又会使电动机发生剧烈的冲振，并且也给用作动力传输辅助设备和做功机械设备带来不可避免的机械冲击。所以，这种“硬起动”不仅会缩短传动单元和做功机械设备的使用寿命，而且过高的起动电流还会引起供电电网的电压骤然跌落，致使那些对电压敏感的用电设备产生负面影响。因此，对三相感应电动机软起动情况进行研究是非常有现实意义的。

为了降低起动电流，人们采用了各种降压起动技术。比较传统和应用较普遍的有变压器降压起动，串电抗器起动和Y/△转换等等。采用这些传统起动方式起动时降低了加在定子绕组的电压，起到了一定的限流作用，但仍存在着很多问题，例如靠接触器切换电压来达到降压的目的，所以无法从根本上解决起动瞬时电流尖峰的冲击；起动转矩不可调，存在二次冲击电流；对负载产生冲击转矩，当电网电压下降时，可能造成电动机堵转；容易造成接触器触点的拉弧损坏。

近几年来随着电力电子技术和微机控制技术的发展，国内外相继开发出以晶闸管为核心的电路元件、以单片机为控制核心的异步电动机软启动设备。该软启动设备平滑了

异步电动机加速过程，大大减缓了对电网及机械设备的冲击。采用电力半导体器件对电动机进行启动控制的电力电子软启动器解决了传统降压启动方法存在的二次电流冲击问题，具有无触点、启动电流及启动时间可控、启动过程平滑等优点，并且维护工作量小，具备完善的电动机保护功能。晶闸管软启动器是一种集软启动、软停车、轻载节能和多功能保护于一体的新颖电机控制装备。它不仅实现在整个启动过程中实现无冲击而平滑地启动电机，而且可根据电动机负载的特性来调节启动过程中的参数，如限流值、启动时间等。此外，它还具有多种对电机保护功能，这就从根本上解决了传统的降压启动设备的诸多弊端。本文详细介绍三相异步电动机软启动器的设计。

1.2 国内外研究现状

我国软起动技术起步于上世纪80年代早期，目前生产电机启动器的厂家很多，先后也推出了多种品牌的软起动器。但由于国内自主开发和生产的能力相对较弱，对国外产品的依赖还是很严重。在技术上和可靠性上与国外同类产品尚有一定的差距。所以在整个软起动器市场上，占据统治地位的还是国外产品，国内产品所占的份额还是很低。

目前市场上生产的软启动器主要以机械式和三相反并联晶闸管方式为主。机械式启动器是目前使用比较广泛的启动方式，但它是有级起动，会产生二次冲击电流，启动电流仍然为标称电流的3~4倍，且有体积大、噪音大、维护费用高、无法适应恶劣环境等诸多弊端。

近三十年来，随着电力电子技术的发展，使无电弧开关和连续调节电流成为可能。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。要突破传统的启动方式，是离不开电力电子技术和微机控制技术的发展的。

随着这些技术的不断进步，电力电子软起动装置也取得了长足的进步，采用这些方法可以使三相异步电动机获得很好的起动性能。近三十多年来，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、农业领域得到广泛的应用。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，如GE公司生产的最大功率达到850kW，额定电压500V，额定电流1180A，最大起动电流5900A；ABB公司生产的最大功率达到1200kW，额定电压690V，额定电流1000A；意大利SIEI工公司生产的额定电压690V，额定电流1600A；美国BS公司还生产中压6~13.8kV同步或异步电动机软起动器，最大功率达到10000kW[2]。

目前在国外，发达国家的电动机软起动产品主要是固态软起动装置——晶闸管软起动和兼作软起动的变频器。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，才使用变频软起动。晶闸管软起动装置是发达国家软起动的主流产品，各知名电气公司均有自己晶闸管软起动的品牌，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。目前，国外对晶闸管三相交流调压电路的研究己经从对控制电压、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，找到适用于三相交流调压电路电机负载的控制方法，从而使三相交流调压电路电机负载性能更优[3]。另一方面，随着电力电子技术的发展，异步电动机向更加可靠、方便性好、小型化方向发展。

1.3 本课题研究内容

软启动器本质上是一种直流调压装置，用来实现软启动、软停车、实时监测以及各种保护功能。为了保证系统安全可靠地运行，可以充分发挥单片机的强大控制功能，由主控制电路对系统的关键器件和关键参数，例如过压、欠压、过流、过载、等进行实时监控。随着数字直流PWM调压技术的应用，以及采用高性能的单片机作为系统的控制核心，可以使软启动器具有控制快速准确、响应快、运行稳定、可靠等优点。

在三相交流异步电动机不宜采用直接启动的时候，可以考虑采用定子串电阻或串电抗器启动、Y-△启动、自耦变压器降压启动、转子串电阻启动、晶闸管电子软启动、分级变频软启动、两相变频调压软启动等方法。

结合各方面的因素及实际情况，本课题研究的内容主要有：

(1)研究三相调压软起动的基本原理，对三相异步电动机的起动电流和起动转矩进行分析，对软起动控制策略进行研究。

(2)对三相晶闸管软起动系统进行硬件设计。包括主电路，触发电路，检测电路，控制电路，驱动电路等。

(3)实现三相异步电动机软启动器模式的设计和软件的有关设计。

(4)用PROTEL绘制系统的原理图。

本课题的目标是实现三相异步电机的软启动，甚至使软启动器能够根据电机负载的实际情况改变。

2 三相异步电动机的起动控制的研究

交流三相异步电动机的传统启动技术，如定子串电阻/电抗器启动、自耦变压器降压启动、星形-三角形降压启动、转子串电阻或频敏变阻器启动等，在交流电动机启动技术发展过程中都有过重要应用。但随着晶闸管技术的发展，三相交流调压软启动器因为具有性能良好、产品多样、电压可连续调节以及转矩或电流可闭环控制等优点，使得电子软启动器得到了深入而广泛的发展，成为软启动市场中的主流产品。

2.1 三相异步电动机的起动过程的分析

为了研究三相异步电动机的起动时的电压、电流、转矩等变量的关系，进而分析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。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。在不改变异步电动机定子绕组中的物理量和异步电机的电磁性能的前提下，经频率和绕组的计算，把异步电动机转子绕组的频率、相数、每相有效串联匝数都归算成和定子绕组一样，即可用归算过的基本方程式推导出异步电动机的等效电路。三相异步电动机的T 形稳态等效电路如图2-1所示：

11-s s r 2

图2-1 异步电动机的等效电路 其中，r 1为定子绕组的电阻，x 1为定子绕组的漏电抗，r 2为归算到定子方面的转子绕组的电阻，x 2为归算到定子方面的转子绕组的漏抗。r m 代表与定子铁心损耗所对应的励磁电阻，x m 代表与主磁通相对应的铁心磁路的励磁电抗。U 1为定子电压向量，E 1为定子感应电动势向量，i 1为定子电流向量，i m 为磁电流向量。基于T 形等效电路的数学模型为：

11111111u E ()Z i r jx E i =-++=-+ (2-1)

2222r E I jx s =（+） (2-2)

12m i i i += (2-3)

()

12E'm m m m m E I Z I r jx ????==-=-+ (2-4) 由以上四式可得： 221112112''1'1'm m m m r jx s r jx I U r jx r r jx jx r jx s ??+++=??+++++ ?+?? (2-5)

在异步电动机里，因为r 1

1

12112'()1(')m m U I I x r r jx jx x s ??=+??++++ ??? (2-6)

由等效电路可见，异步电动机输入的电功率P 1一部分消耗在钉子绕组的电阻而称为定子铜耗P cu1，一部分消耗在定子铁心上而变成铁耗P Fe ，剩余的通过气隙传递到转子的功率成为电磁功耗P em 。其中P em 为：

1222122''cos '''/em P m E I m I r s =?= (2-7) 电磁转矩为：

()0(1)1mec mec em em P s P P T s -===Ω-ΩΩ (2-8)

其中，1102260n f p πΩ==π为同步角速度；260n πΩ=为转子机械角速度；P em 为机械功率。由式(2-7)和式(2-8)可得：

22

1201''2em em P r p T m I f s π==Ω (2-9) 根据T 形等效电路可得：

2'I =

(2-10)

将式(2-10)代入(2-9)得：

()22112212112'2

2''em r U pm T f r r x x s π=

????+++?? ??????? (2-11) 刚起动时，转子n=0，转差率s=1，此时启动转矩为：

()()21122211212'2''st pm U r T f r r x x π=??+++?? (2-12)

同时，由于激磁电流相对较小即0m I ?≈，

11m x x ??+ ???近似为1，由式(2-6)的启动电流为：

st I ≈ (2-13)

由式(2-12)和式(2-13)可知，起动转矩正比于定子端电压的平方，起动电流正比于定子电压。起动电压较低时，起动转矩较小，电流也较小；反之，如果电压较高，则起动转矩较大，但同时起动时的冲击电流也很大。

而异步电动机的起动特性主要表现在起动电流和起动转矩两个方面：希望电动机起动时能产生足够的起动转矩，以便带动负载快速地达到正常转速；同时，也希望起动电流不要太大。因为在供电变压器的容量比较小的情况下，过大的起动电流将造成较大的线路压降，从而影响接在同一电网上的其它电气设备的正常运行。

下面针对异步电动机的起动特性，分析起动方式的原理和应用。

2.2 三相异步电机的启动方法

三相异步电动机的起动方法主要有直接起动、传统减压启动和软启动三种启动方法。下面就分别做详细介绍。

2.2.1 直接起动

直接起动，也叫全压起动。起动时通过一些直接起动设备，将全部电源电压(即全压)直接加到异步电动机的定子绕组，使电动机在额定电压下进行起动。一般情况下，直接起动时起动电流为额定电流的3～8倍，起动转矩为额定转矩的1～2倍。根据对国产电动机实际测量，某些笼型异步电动机起动电流甚至可以达到8～12倍。

直接起动的起动线路是最简单的，如图2-2所示。然而这种起动方法有诸多不足。

对于需要频繁起动的电动机，过大的起动电流会造成电动机的发热，缩短电动机的使用寿命；同时电动机绕组在电动力的作用下，会发生变形，可能引起短路进而烧毁电动机；另外过大的起动电流，会使线路电压降增大，造成电网电压的显著下降，从而影响同一电网的其他设备的正常工作，有时甚至使它们停下来或无法带负载起动。这是因为Ts 及Tm 均与电网电压的平方成正比，电网电压的显著下降，可使Ts 及Tm 均下降到低于Tz 。

一般情况下，异步电动机的功率小于7．5kW 时允许直接起动。如果功率大于

7．5kW ，而电源总容量较大，能符合下式要求的话，电动机也可允许直接起动。

()()111134st N kv A I K I kw ???=≤+????电源总容量起动电动总功率 如果不能满足上式的要求，则必须采用减压启动的方法，通过减压，把启动电流

Ist 限制到允许的数值。

FU

图2-2 直接启动原理图

2.2.2 传统减压起动

减压起动是在起动时先降低定子绕组上的电压，待起动后，再把电压恢复到额定值。减压起动虽然可以减小起动电流，但是同时起动转矩也会减小。因此，减压起动方法一般只适用于轻载或空载情况。传统减压起动的具体方法很多，这里介绍以下三种减压起动的方法：

(1)定子串接电阻或电抗起动

定子绕组串电阻或电抗相当于降低定子绕组的外加电压。由三相异步电动机的等效电路可知：起动电流正比于定子绕组的电压，因而定子绕组串电阻或电抗可以达到减小起动电流的目的。但考虑到起动转矩与定子绕组电压的平方成正比，起动转矩会降低的

更多。因此，这种起动方法仅仅适用于空载或轻载起动场合。

对于容量较小的异步电动机，一般采用定子绕组串电阻降压；但对于容量较大的异步电动机，考虑到串接电阻会造成铜耗较大，故采用定子绕组串电抗降压起动。

如图2-3所示：当起动电机时，合上开关Q ，交流接触器KM 断开，使电源经电阻或电抗R 流进电机。当电机起动完成时KM 吸合，短接电阻或电抗R 。

R

U V W

图2-3 定子串电阻或电抗起动原理图

(2)星-三角形(丫-△)起动

星-三角形起动法是电动机起动时，定子绕组为星形(丫)接法，当转速上升至接近额定转速时，将绕组切换为三角形(△)接法，使电动机转为正常运行的一种起动方式。星-三角形起动方法虽然简单，但电动机定子绕组的六个出线端都要引出来，略显麻烦。 图2-4为星-三角形起动法的原理图。接触器KM2和KM3互锁，即其中一个闭合时，必须保证另一个断开。KM2闭合时，定子绕组为星形(丫)接法，使电动机起动。切换至KM3闭合，定子绕组改为三角形(△)接法，电动机转为正常运行。由控制电路中的时间继电器KT 确定星-三角切换的时间。

定子绕组接成星形连接后，每相绕组的相电压为三角形连接(全压)时的故星-三角形起动时起动电流及起动转矩均下降为直接起动的1／3。由于起动转矩小，该方法只适合于轻载起动的场合。

KM 3

U V W

图2-4 星-三角形起动法的原理图

(3)自耦变压器起动

自耦变压器起动法就是电动机起动时，电源通过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，将自耦变压器从电源切除，而使电动机直接接到电网上转化为正常运行的一种起动方法。

图2-5所示为自耦变压器起动的自动控制主回路。控制过程如下：合上空气开关Q 接通三相电源。按启动按钮后KM1线圈通电吸合并自锁，其主触头闭合，将自耦变压器线圈接成星形，与此同时由于KM1辅助常开触点闭合，使得接触器KM2线圈通电吸合，KM2的主触头闭合由自耦变压器的低压抽头(例如65％)将三相电压的65％接入电动。当时间继电器KT 延时完毕闭合后，KM1线圈断电，使自耦变压器线圈封星端打开；同时KM2线圈断电，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。自耦变压器一般有65％和80％额定电压的两组抽头。

若自耦变压器的变比为k ，与直接起动相比，采用自耦变压器起动时，其一次侧起动线电流和起动转矩都降低到直接起动的l ／k 2。

自耦变压器起动法不受电动机绕组接线方式(丫接法或△接法)的限制，允许的起动电流和所需起动转矩可通过改变抽头进行选择，但设备费用较高。

图2-5 异步电动机的自耦变压器起动法

自耦变压器起动适用于容量较大的低压电动机作减压起动用，应用非常广泛，有手动及自动控制线路。其优点是电压抽头可供不同负载起动时选择；缺点是质量大、体积大、价格高、维护检修费用高。

2.2.3 软启动

软起动可分为有级和无级两类，前者的调节是分档的，后者的调节是连续的。在电动机定子回路中，通过串入限流作用的电力器件实现软起动，叫做降压或者限流软起动。它是软起动中的一个重要类别。按限流器件不同可分为：以电解液限流的液阻软起动；以磁饱和电抗器为限流器件的磁控软起动；以晶闸管为限流器件的晶闸管软起动。

晶闸管软起动产品问世不过30年左右的时间，它是当今电力电子器件长足进步的结果。10年前，电气工程界就有人预言，晶闸管软起动将引发软起动行业的一场革命。目前在低压(380V)内，晶闸管软起动产品价格已经下降到液阻软起动的大约2倍，甚至更低。而其主要性能却优于液阻软起动。与液阻软起动相比，它的体积小、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，这些都是液阻软起动无法比拟的。

但是晶闸管软起动产品也有缺点。一是高压产品的价格太高，是液阻软起动产品的5～10倍，二是晶闸管引起的高次谐波比较严重。