离心泵电动机电子软启动器设计

辽宁科技大学本科生毕业设计 第 I 页离心泵电动机电子软启动器设计摘要离心泵作为一种液体传输的通用设备，在给水排水及农业工程、液体输送工程、石油及化学工业、航空航天和航海工程、能源和车辆工程等国名经济各个部门都有广泛应用。但作为离心泵的动力源，三相异步电动机启动方式存在局限性。电动机启动时有很大的电流冲击和转矩冲击。 电流冲击会造成电网冲击 ，降低电网电能质量。转矩冲击会造成机械应力冲击，使电动 机、离心 泵和传动机构等的使用寿命缩短甚至损坏等问题。针对电动机的启动问题，本文提出一种以 TMS320F240 数字信号处理器为控制核心单元的数字式电动机软启动器。 该软启动器采用晶闸管调压基本原理，通过改变晶闸管触发角，来实现 定子两端的电压调节， 实现了异步电动机 软启动、 软停车及保护等功能。本文同时还详细的阐述了晶闸管软启动器调压和工作原理以及系统硬件结构设计等。本软启动器操作简单、智能化程度高，达到改善电动机的启 动性能要求，使 电动机能平稳可靠的启动。关键字：单片机，异步电动机， 软启动器，晶闸管，离心泵辽宁科技大学本科生毕业设计 第 II 页The design of electric soft starter ofthree-phases asynchronous electromotorAbstractCentrifugal-pumps are widely applicated in industrial as a common fluid transmission equipment,are widely used in the Water Supply and Drainage and Agricultural Engineering, liquid delivery engineering, oil and chemical industry, aerospace and maritime engineering, energy and vehicle engineering and other countries of various sectors of the economy.But as a power source for centrifugal pump, Three-phase asynchronous motor start-up mode limitations.there is great current and torque impact. Current impact will cause grid impact,and reduce grid power quality .Torque impact will cause the impact of mechanical stress,will cause issues such as reduce the life of the motor, centrifugal pump and the transmission institutions or even damage. To solve Start-up problems of the motor, this article raised a high-performance digital soft start motor at the core of TMS320F240. This soft starter has used the basic principle that exchange voltage,by changing SCRs triggering angle to adjust the voltage of the ends of the stator, hus realized the asynchronous motor voltage pitch to start,soft park, protection and other function. Meanwhile, this article also elaborate describe the knowledge such as the thyristors exchange voltage and the soft starter principle of work,and the structural design of system hardware. This soft starter operates conveniently and simple, highly intelligent, achieves the requirement to improve the three-phase asynchronous motor starting performance,and akes the motor smooth and reliable start.Key words: Single-chip;Asynchronous motor; Soft start;Thyristor;Centrifugal-pumps; 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 III 页目录1概述 .11.1 离心泵简介 .11.1.1 离心泵在国民经济的地位和作用 .11.1.2 离心泵的分类和结构.11.1.3 离心泵工作原理 .21.1.4 离心泵的特点 .31.2 电动机软启动器简介 .31.2.1 软启动基本原理及特点 .31.2.2 软启动器研究状况及发展前景 .41.2.3 软启动器选择注意事项 .51.2.4 离心泵启停中存在的问题.72方案设计 .83.软启动器的原理和工作方式 .93.1 软启动器工作原理 .93.2 电动机的软启动与停车方式 .113.2.1 电动机的启动特性 .113.2.2 软启动器的启动方式 .123.2.3 软启动器的停车方式 .143.3 软启动与传统启动的比较分析 .164.电动机软启动器硬件系统设计 .194.1 数字信号处理器介绍 .204.2 主回路设计 .214.3 供电电源电路设计 .224.4 接口电路设计 .244.5 软启动器启动电路 设计.25辽宁科技大学本科生毕业设计 第 IV 页4.6 同步信号电路 设计 .264.7 控制回路设计 .274.7.1 电网电压检测电路 .274.7.2 控制输出电路 .284.8 晶闸管触发电路设 计 .284.9 晶闸管的选择及保护电路设计 .324.9.1 晶闸管的选 择 .324.9.2 晶闸管保护电路 .335.电动机软启动器软件系统设计 .355.1 系统主程序设计 .355.2 脉冲触发同步信号中断程序设计 .365.3 脉冲触发延时触发中断子程序设计 .37结 论 .39致 谢 .40参考文献 .41辽宁科技大学本科生毕业设计 第 1 页1概述 1.1 离心泵简介1.1.1 离心泵在国民经济的地位和作用泵是将原动机的机械能或其他能源传递给泵所输送的液体，使液体的能量增加的机械。离心泵 1是一种广泛使用的泵，在给水排水几农业工程、液体输送工程、石油及化学搞工业、航空航天工程、车辆工程等国民经济各个部门都有广泛的应用。1.1.2 离心泵的分类和结构一、离心泵的种类1、按工作叶轮数目来分类1） 、单级泵：即在泵轴上只有一个叶轮。2） 、多级泵.：即在泵轴上有两个或两个以上的叶轮，这时泵的总扬程为 n 个叶轮产生的扬程之和。2、按工作压力来分类1） 、低压泵：压力低于 100 米水柱；2） 、中压泵：压力在 100650 米水柱之间；3） 、高压泵：压力高于 650 米水柱。3、按叶轮进水方式来分类1) 、单侧进水式泵：又叫单吸泵，即叶轮上只有一个进水口；2) 、双侧进水式泵：又叫双吸泵，即叶轮两侧都有一个进水口。它的流量比单吸式泵大一倍，可以近似看作是二个单吸泵叶轮背靠背地放在了一起。4、按泵壳结合缝形式来分类1) 、水平中开式泵：即在通过轴心线的水平面上开有结合缝。2） 、垂直结合面泵：即结合面与轴心线相垂直。5、按泵轴位置来分类1） 、卧式泵：泵轴位于水平位置。2） 、立式泵：泵轴位于垂直位置。辽宁科技大学本科生毕业设计 第 2 页6、按叶轮出来的水引向压出室的方式分类1） 、蜗壳泵：水从叶轮出来后，直接进入具有螺旋线形状的泵壳。2） 、导叶泵：水从叶轮出来后，进入它外面设置的导叶，之后进入下一级或流入出口管。二、离心泵基本构造离心泵的基本构造是由六部分组成的，分别是：叶轮，泵体，泵轴，轴承，密封环，填料函。1、 叶轮是离心泵的核心部分，它转速高输出力大，叶轮上的叶片又起到主要作用，叶轮在装配前要通过静平衡实验。叶轮上的内外表面要求光滑，以减少水流的摩擦损失。2、 泵体也称泵壳，它是水泵的主体。起到支撑固定作用，并与安装轴承的托架相连接。3、 泵轴的作用是借联轴器和电动机相连接，将电动机的转距传给叶轮，所以它是传递机械能的主要部件。4、 轴承是套在泵轴上支撑泵轴的构件，有滚动轴承和滑动轴承两种。 5、 密封环又称减漏环。叶轮进口与泵壳间的间隙过大会造成泵内高压区的水经此间隙流向低压区，影响泵的出水量，效率降低，间隙过小会造成叶轮与泵壳摩擦产生磨损。为了增加回流阻力减少内漏，延缓叶轮和泵壳的所使用寿命，在泵壳内缘和叶轮外援结合处装有密封环，密封的间隙保持在 0.251.10mm 之间为宜。6、 填料函主要由填料，水封环，填料筒，填料压盖，水封管组成。填料函的作用主要是为了封闭泵壳与泵轴之间的空隙，不让泵内的水流不流到外面来也不让外面的空气进入到泵内。1.1.3 离心泵工作原理离心泵通常由电动机驱动。当启动离心泵后，泵轴带动叶轮高速旋转，流体从叶轮获得能量，并随之旋转。在离心力作用下流体在进行圆周运动的同时还作径向运动，从叶轮中心被到速甩向泵壳。流体进入泵壳后由于流道增大，其速度减小，大部分动能转化为静压能，使汇集到泵壳的流体形成高压液流从泵出口排出。当泵内流体自叶轮甩向泵壳时，在叶轮中心处形成低压区，进口阀处的流体在大气压力推动下，经吸辽宁科技大学本科生毕业设计 第 3 页入管吸入泵内。只要叶轮持续转动，流体就会被连续不断地吸入和排出，达到流体输送的目的。1.1.4 离心泵的特点离心泵具有转速高、体积小、重量轻、效率高、流量大、结构简单、输液无脉动、性能平稳、容易操作和维修方便等特点。1.2 电动机软启动器简介1.2.1 软启动基本原理及特点软起动器，国外称为 Soft Starter，是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置。软启动器采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间。使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。待电机达到额定转数时，启动过程结束，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，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。传统电动机启动方式包括全压直接启动、自耦减启起动、Y- 启动，都为减压启动。软起动与传统减压启动方式的不同之处是（1）无冲击电流。软启动器在启动电机时，通过逐渐增大晶闸管导通角，使电机起动电流从零线性上升至设定值。对电机无冲击，提高了供电可靠性，平稳起动，减少对负载机械的冲击转矩，延长机器使用寿命。 （2）有软停车功能，即平滑减速，逐渐停机，它可以克服瞬间断电停机的弊病，减轻对重载机械的冲击，避免高程供水系统的水锤效应，减少设备损坏。 （3）起动参数可调，根据负载情况及电网继电保护特性选择，可自由地无级调整至最佳的起动电流。软启动器启动性能特点：(1)启动电压可调，保证电机启动的最小启动转矩，避免电机过热和能源浪费；(2) 控制电机平滑启动，减少启动电流冲击；(3)启动电流可根据负载情况调整，减少启动损耗，以最小的电流产生最佳的转矩。(4)启动时间可调，在辽宁科技大学本科生毕业设计 第 4 页该时间范围内，电机转速逐渐上升，避免转速冲击。(5)对传动机械的机械保护，清除转矩浪涌并降低冲击电流。 (6)恒定的加减速，不需要测速机，即使当电机负载变化时也是如此。 (7)自由停车和软停车可选，软停车快慢可调。(8)有相序、缺相、过热、启动过程过流、运行过程过流和过载的检测及保护，其过流值和过载值可调。1.2.2 软启动器研究状况及发展前景：软启动器的原理是在七八十年代时提出的，那时叫做晶闸管移相启动器。但在那年代，我国的电力电子技术及其应用正处于起步阶段，晶闸管的生产制造也处于探索研究阶段，其一是制造成品率较低，因而售价较高，用晶闸管制造的产品在当时也是高技术、高价格产品。其二，当时可控硅的应用技术也处于探索研究阶段，应用技术不成熟造成晶闸管的损坏。由于已上两个原因就造成了当时的晶闸管移相启动器的价格很高，可靠性较差。因此，与自耦降压和 Y/等启动设备相比，用户自然不选择晶闸管移相启动器，因此也就无人问津，停留在原理阶段。现在随着制造水平的提高，能制造各种性能稳定，并朝着大电流（3000A）高电压（ 6000V）方向发展。中国软启动器的市场十分广大，如果电机的制造机理不发生革命性的变化，软启动器将成为电机起动设备的主流产品，也就是说该产品的市场仍将在 5 至 6 年内不断增长，因此，晶闸管软启动器的市场前景将十分看好。目前，在国内市场上软启动器品牌繁多，但是占主导地位的仍然是进口品牌，这主要是国内的用户大多觉得进口产品质量、性能高，再者就是目前国内一些生产软启动的企业急功近利，如过份的缩小体积，简易简化，从而存在质量问题，这只是发展中的问题，相信软启动器在未来几年内随着国产品牌质量的提高、改进，会逐步被越来越多的国内用户认同信赖，国产品牌将在这种产品上占主导地位，因为这种产品的关键元件晶闸管，国内制造水平已不逊国外，这就注定了国产软启动器的未来结果要好于国产变频器。发达国家软启动行业现状：从进口软启动产品看，发达国家的电动机软启动产品主要是固态软启动装置：晶闸管软启动和兼作软启动的变频器。在生产工艺兼有调速要求时，当然采用变频装置，在没有调速要求的使用场合下，启动负载较轻时采用晶闸管软启动，在重载或负载功率特别大的时候，才用变频软启动。晶闸管软启动装置是发达国家软启动的主流产品，各知名电气公司均有自己晶闸管软启动的品牌，在其辽宁科技大学本科生毕业设计 第 5 页功能上又各具特色。能够生产中压（610KV）晶闸管软启动产品的厂家不多。系列生产的晶闸管软启动装置的最高电压等级为 12KV，最大容量为 5000KW。我国软启动行业现状：国内的情况和国外有所不同。它的主要特点是：中压(310KV)晶闸管软启动产品还没有问世。我认为，国产中压晶闸管软启动装置推迟问世的原因，绝不在技术方面，而是在预期的利润空间不大等经济方面。国产液态软启动装置占据了很大的市场份额。因为国产装置比国外产品简单，成本更低，电解液配置不采用蒸馏水，液箱也作成不密封的。国产装置得以流行的原因是它比较适合现时我国的国情。它能够满足起码的软启动要求，售价低，维护虽然麻烦但难度不大。目前进口软启动器有：ABB、AB、施耐德、西门子松下、富士、菲利克斯等。而国产软启动器有：机平、雷诺尔、奥拓、西诺克、西普达等。国产软启动的价格仅相当于自耦降压柜的价格。目前软启动器国内的生产厂家很多，虽然多数没形成品牌效应，但也有一定的市场份额。从技术先进性和应用效果以及市场占有率来看，在整个国内市场能形成品牌和有影响力的大约有五家。一是“雷诺尔” ，二是“abb” ，三是“施耐德” ，四是“ab ”，五是 “西门子” 。到目前功能最多的、最先进的、最适用的、市场站有率最高的是中国的“雷诺尔” 。它是我国首先通过中国电工产品认证委员会CCEE 安全认证和首家通过 ISO9002 国际质量体系认证的，它的起动方式有四种，一是限流启动，二是电压控制启动，三是转矩控制启动，四是转矩加突跳启动。停车有三种。一是自由停车，二是软停车，三是制动停车。它是目前国内外唯一的一个带绿色单元的软启动器，彻底消除了无故障停机现象。 “雷诺尔” 、 “abb”均属非在线型，后三种均属在线型。 “abb”的起动方式是限流型和电压斜坡型，后三种是限流型和转矩加突跳型。停车除“abb”外都有制动停车。短期发展展望：软启动将仍然以各种形式的降压（限流）软启启为它的主要形式。从理论上说，性能价格比高的产品将占有更大的市场份额.但是，在各种应用场合，人们对于各种性能的侧重面不同，使各类启动产品 (包括传统的 Y/启动)都可能会赢得自己的市场。 长期长期展望：变频软启动将成为软启动的主流。各种形式的降压软启动将与Y/启动等技术一起归并为传统的启动技术。随着变频器价格的逐渐下降，可靠性的进一步提高，未来成为主流产品软启动装置将是带有软切换功能的廉价的变频器。辽宁科技大学本科生毕业设