（电工理论与新技术专业论文）基于avr的直流电机软启动器的设计.pdf

基于a v r 的直流电机软启动器的设计 d e s i g n o fad cm o t o rs o f ts t a r tb a s e do na v rm i c r o c o n t r o l l e r a b s t r a c t d cm o t o r sa r ei m p o r t a n ti n d u s t r i a lp r o d u c t s ，a n dt h es t a r t i n gs t a t u si sa ni m p o r t a n tf a c t o r o ft h e i rl i f e ，s op e o p l ep a yal o to fa t t e n t i o no ni t d i r e c t l ys t a r t i n gad cm o t o rw i l lg e n e r a t e f i v et ot e nt i m e so fr a t e dc u r r e n t t h es t a r t i n gc u r r e n tw i l ln o to n l yh a r mt h em o t o ra n dt h e d r a g g e de q u i p m e n t ，b u ta l s oa f f e c tt h eo t h e re l e c t r i c a le q u i p m e n t s s ot h ed c m o t o r sa r en o t a l l o w e dt ob es t a r t e dd i r e c t l yi ft h er a t e dp o w e rv a l u ei sm o r et h a n2 k w ，a n dm u s tb e i n s t a l l e ds t a r t i n ge q u i p m e n t t a k i n gt h es e p a r a t e l ye x c i t e dd c m o t o rs u p p l i e db ys t o r a g eb a t t e r i e sa st h er e s e a r c h o b j e c ta n dr e s t i n go nt h ed cm o t o rc o n t r o lp r i n c i p l ea n dp w mt e c h n o l o g y ，t h i sa r t i c l eh a s d e s i g n e dad cm o t o rc o n t r o le q u i p m e n to fs o f ts t a r t i n g ，s t o p p i n ga n dm a n yp r o t e c t i o n s f u n c t i o n s t h i sa r t i c lh a sa n a l y z e da n dd e s i g n e dt h ec i r c u i to ft h em a i nc i r c u i t ，d r i v i n gc i r c u i t ， c u r r e n td e t e c t i o nc i r c u i t ，a n dt e m p e r a t u r ed e t e c t i o nc i r c u i t c a r r y i n go nt h es t a r t i n gt e s tt o r a t e dp o w e rv a l u e5 5 k w ，a n dr a t e dv o l t a g ev a l u e2 2 0 v ，t h ee q u i p m e n tc a nc o n t r o lt h e s t a r t i n gc u r r e n tb e l o w2 5t i m e so fr a t e dc u r r e n t ，s t a r t i n gv o l t a g eb e l o w2 0 v ，a n ds t a r t i n gt i m e w i t h i n1 0s e c o n d t h ee q u i p m e n tc a na l s oc h o o s es t a r t i n gm o d e l sa c c o r d i n go nt h el o a d c o n d i t i o n w h e nt h ec o n d i t i o n so fo v e r - c u r r e n ta n do v e r h e a th a p p e n ，t h es y s t e mw i l l s e l p r o t e c t i o n t h i se q u i p m e n tn o to n l ys t a r t st h em o t o rs m o o t h l ya n dn o n i m p a c t l y ，b u tc a na l s os e tt h e p a r a m e t e r ss u c ha sl i m i t i n gc u r r e n t ，s t a r t i n gt i m e ，a n ds t a r t i n gm o d e l s t h i se l e c t r o n i cs o f t s t a r t e rs o l v e st h es h o r t c o m i n g so ft h et r a d i t i o n a ls t a r t e rr a d i c a l l y c o m p a r i n gt h et r a d i t i o n a l s t a r t i n gd e v i c e s ，i t sa d v a n t a g e sa r es t a r t i n gt h ed cm o t o rc o n t i n u o u s l ya n ds m o o t h l y ，l o w i m p a c tt o r q u ea n di m p a c tc u r r e n t ，e a s i l yc o n t r o l l e d ，g o o dr e p e a t a b i l i t y ，a n ds m a l lv o l u m e k e yw o r d ：d cm o t o r ；s o f ts t a r t ；a v rm c u ；d cc h o p p i n g ；i g b t ；d r i v i n gc i r c u i t i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了丈中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：蕉趟鱼日期：皇姓 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交 学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 导师签名： 季艘侵 攀年拿月上日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 本章主要介绍了直流电机软启动器的应用，然后重点概述了其发展现状、存在的问 题和发展趋势，最后论述了本文的选题思想和主要的研究内容。 1 1课题背景 直流电机产品是工业自动化，家庭现代化等各个领域广泛应用不可缺少的基础产 品。与其它类型的电机相比，直流电机具有调整平滑、调速范围广、过载能力大、热动 和制动转矩较大等优良的特性，因此直流电机在起动和调速要求较高的生产机械上广泛 地被应用，较为多见的是铁路机车直流牵引电机、地铁机车直流牵引电机、机车直流辅 助电机、矿用机车直流牵引电机、轧钢电机【1 2 l 。 电机运行系统中，对设备的使用寿命影响最大的是电机的起动和制动。因此能否解 决好电机的起动和制动问题，对于电机的运行和使用寿命有着非常重要的意义。直流电 机在启动时如果直接加全电压，会产生高于额定电流十几倍的冲击电流。这种有害的冲 击电流会使绕组由于过热而损坏，直接影响电机的运行，而且会浪费电能，降低绝缘寿 命。产生的启动转矩会对电动机及所拖动的设备造成电气和机械损伤，造成机械传动部 件的非正常磨损，加速设备老化，缩短设备使用寿命。直接启动还会对供电系统有冲击作 用，会产生大量的高次谐波，会与电网电路参数引起高频谐振，造成继电保护误动作、 自动控制失灵等故障，并会影响其他用电负载的正常工作【l 。 本设计控制的直流电机不是通过工频电网供电，而是通过蓄电池。供电的特殊是因 为整流器价格的原因，以及电网断电后启用蓄电池给直流电机供电的客观情况的存在， 另外舰船上安装的直流电机绝大多数也都是蓄电池供电，功率从几十瓦到数十千瓦不 等，分别应用在不同的场合，有的作为传动部位的主轴电机，有的作为风机水泵的动力 源，还有的使用在空压机中，它们对船舶的安全航行有着重要作用。这些直流电机工作 环境差，但性能要求高，因此，2 k w 以上的直流电机，不可直接启动，必须安装软启动 器装置。 顾名思义，软启动就是将电机的输入端一点一点地把电压从0 升高到额定电压，或 者频率由0 渐渐变化到额定频率，这样电机在启动过程中的启动电流，就由过去不可控 的过载冲击电流变成为可控的、可根据需要调解大小的启动电流。电机启动的全过程都 不存在冲击转矩，而是平滑的启动运行。这就是所谓的电动机的软启动。 一般对直流电动机的启动有如下要求1 5 j ： ( 1 ) 动转矩足够大( t c m t l ，电动机才能顺利启动) 。 ( 2 ) 动电流要限制在一定范围内。 ( 3 ) 起动过程中电动机有否机电共振等异常现象。 基于a v r 的直流电机软启动器的设计 ( 4 ) 起动装置允许的连续起动次数。 ( 5 ) 动设备操作方便，体积小，启动时间短，运行可靠，成本低廉。 ( 6 ) 起动装置所提供的起动和停止方式的多样性，软起动装置的起动重复性。 ( 7 ) 动装置所具备的对于装置本身以及电动机综合保护功能的完备性( 包括过压、 欠压、欠相、短路、过载、过热等，包括故障提示和显示、诊断、记忆等) 。 1 2 直流电机软启动器研究现状与趋势 我国的软起动技术起步于8 0 年代初期，目前生产电机启动器的厂家很多，国内的 知名的生产企业主要是索肯和平电气，现己推出针对轻负载和重负载等多种情况下的软 起动器产品。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。 从总体上看，我国软起动技术与国际先进水平尚有差距。 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 - - 一4 倍，且存在体积大、噪音大、维护费用高、无法适应舰船复 杂的环境等诸多弊端；三相反并联晶闸管则只适用于交流电动机，以及使用三相交流电 作为供电主电源，通过整流而获得直流电的直流电机。 然而针对蓄电池供电的直流电机软启动器，进行研发和生产的企业相对较少，只有 淄博凯隆电气等少数企业涉及，而且技术并不成熟，这主要是因为市场相对较小研发投 入不够的原因，这也是开展本课题的原因之一。 要突破传统的启动方式，离不开电力电子技术和微机控制技术的发展。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、功耗小的特点，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。 在8 0 年代初期出现t i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) ，又叫绝缘栅双极型功 率管，是由b j t ( 双极型三极管) 和m o s ( 绝缘栅型场效应管) 组成的复合全控型电压驱动 式电力半导体器件，兼有m o s f e t 的高输入阻抗和g t r 的低导通压降两方面的优点。非 常适合应用于直流电压为6 0 0 v 及以上的变流系统如交流电机、变频器、开关电源、照明 电路、牵引传动等领域。经过3 0 多年的发展，i g b t 的制造技术和应用技术越发成熟， 在各个领域得到了广泛应用1 6 j 。 随着计算机尤其是单片机技术的发展，数字直流p w m 调压系统正以其控制简便， 控制方案可灵活改变等优点引起人们的重视。另一方面，大功率器件驱动及保护技术以 及p 删变换结构的研究也日臻完善，这使直流调压系统向高电压、大功率容量、集成化、 小型化、模块化方向发展。新型电机控制专用微控制器能够完成更快的运算，实现更复 杂的控制规律、更快的响应速度、更快的调节性能和更高的控制精度，为高性能控制系 统提供了实现手段。以高速微处理器为核心的数字控制p w m 直流调压系统具有可靠性 大连理工大学硕士学位论文 高、参数调整方便、更改控制策略灵活、控制精度高、多机协同工作方便、电磁兼容性 好等优点。 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，采用这种方 法可以使交流电动机获得很好的起动性能。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。如美国a b 公司、英国c t 公司、 法国t e 公司、德国a e g 公司、瑞士a b b 公司等均推出了软起动器系列产品，如g e 公司生 产的最大功率达到8 5 0 k w ，额定电压5 0 q v ，额定电流1 1 8 0 a ，最大起动电流5 9 0 0 a ：a b b 公司生产的最大功率达到1 2 0 0 k w ，额定电压6 9 0 v ，额定电流1 0 0 0 a ；意大利s i e i 工公司 生产的额定电压6 9 0 v ，额定电流1 6 0 0 a ；美国b s 公司还生产中压6 - 1 3 8 k v 同步或异步 电动机软起动器，最大功率达到1 0 0 0 0 k w 7 1 。 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的数学模型，找到适宜的控制方法，从而使三 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、转 矩控制等等。 作为强弱电结合的软起动技术，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。因此其技术研究一方面向更加智能化的方向发展，使电机在起动时，起动 电流小，起动转矩大，在满负荷的情况下实现软起动。另一方面，随着电力电子技术的 发展，向更加可靠、方便性、小型化方向发展。 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，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、输出短路、过热 等进行实时监控，实现对系统工作状态的自诊断并对故障进行相应的声光报警。由于应 用数字直流p w m 调压技术，并且采用高性能的a v r 单片机作为系统的控制核心，使系 统具有控制快速准确、响应快、运行稳定、可靠的特点。 1 3 本文的主要意义与主要内容 为实现蓄电池供电的直流电机的软启动，满足船用直流电机启动控制系统可靠性、 易用性、耐用性、耐久性的需要，研制了一种直流电机软启动器，目的是使直流电机无 级平稳启动和停车，并实现多重保护功能。 本课题的研究思路就是应用现代电力电子技术、微处理器技术以及先进的控制理 论，无阶跃地平稳起动停止电机，避免因采用直接起动等传统的起动方式起动电机而引 起的机械与电气冲击等问题，并能有效地降低起动电流及配电容量，并且通过电压、电 流、温度等检测来实施过压、过流、过热保护等功能，延长机械设备的使用寿命，减少 设备的维修量，提高经济效益【8 j 。 本文主要对直流电机软启动器的主电路、过流保护、检测电路，驱动电路和显示电 基于a v r 的直流电机软启动器的设计 路进行了详细的分析与设计，研究了直流电机软启动器的设计原则并给出了实例，讨论 了i g b t 的散热与抗干扰问题，给出了实验波形与结果。该直流电机软启动器拟达到以 下设计要求【弘加1 ： ( 1 ) 输入电压：直流2 2 0 v ，幅压范围1 7 5 3 2 0 v 。 ( 2 ) 启动电流：不超过额定运转电流的2 5 倍。 ( 3 ) 启动时间：3 2 0 s 。 ( 4 ) 保护方式：过流、短路、欠压、过热。 ( 5 ) 启动方式：斜坡限流软起动、电压斜坡软起动、电流限幅软起动。 ( 6 ) 软启动器温升：2 5 环境温度下连续工作温升不大于6 5 。 ( 7 ) 使用寿命：超过3 0 0 0 t , b 时；其中主开关元件开关动作超过1 ，0 0 0 ，0 0 0 次。 ( 8 ) 主副接线端的电气绝缘性符合g j b 标准。 ( 9 ) 防护等级：普通型为i p 4 4 ；防爆型为i p 5 6 。 ( 1 0 ) 符合电磁兼容性，谐波含量及绝缘性的国际标准认证。 本装置的软启动电路主要由主控制电路和i g b t 驱动电路组成。主控电路的核心是 a v r 单片机，由它根据程序指令产生触发脉冲，经驱动电路驱动i g b t ，从而控制电枢 回路和励磁回路电压，使电枢电压逐渐升高，转速随之逐渐升高，达到软启动的目的。 最后针对轻载和重载的两种不同情况，选择不同的启动模式，并记录相应波形。 直流电机起动的一般要求为：有足够大的起动转矩，能够较快的达到正常运行：同时 又希望起动电流不要太大，以免过大的起动电流损害电机或机械，且引起电源电压的下 降，影响接在电网上的其它电气设备的正常工作【1 1 j 。 根据直流电机的机械特性可知，启动电流与电枢电压成正比，启动转矩与电枢电压 的平方成正比，因此电枢电压为本设计的控制目标。图1 1 为电枢电压的控制框刚1 2 j ： 图1 1 电枢电压的控制框图 f i g 1 1 t h eb l o c kd i a g r a mo fa r m a t u r ev o l t a g ec o n t r o l 图1 1 中可以看出，本设计的主要内容为利用p w m 技术、以i g b t 为主开关元件 对电枢电压进行调节，使其在低于额定电压的状态下起动，并且设计过流保护和温度保 一4 一 大连理工大学硕十学位论文 护电路。降低了电机的端电压就限制了起动电流，而直流电机的起动转矩与端电压的平 方成正比，因此，起动转矩也将随之减小，为了使启动转矩大于负载转矩，需要根据电 机实际情况和负载情况选择启动模式。 本课题研究思路是应用现代的电力电子技术、微处理器技术以及先进的控制理论， 无阶跃地平稳起动和停止电机，避免因采用直接起动等传统的起动方式起动电机而引起 的机械与电气冲击等问题，并能有效地降低起动电流及配电容量，延长机械设备的使用 寿命，减少设备的维修量，提高经济效益，其突出的优点体现在1 1 2 1 3 l ： ( 1 ) 电子软起动器是无级方式启动，能够连续稳定的调节电机的启动，而传统启 动的调节是分档的，即属于有级调节。 ( 2 ) 冲击转矩和冲击电流小。软起动器在启动电机时，通过逐渐增大i g b t 的占 空比，使电机起动电流限制在设定值以内，因而冲击转矩和电流都小，也可控制转矩平 滑上升，保护传动机械、设备和人员。 ( 3 ) 使用寿命长：由于无触点开关，使用寿命超过传统启动器1 倍以上。 ( 4 ) 设有多种保护功能，使设备运行更加可靠，而且使用了模块化设计，出现故 障，易于发现和维修。 ( 5 ) 这种软起动器体积小，噪音小，不影响船员的训练和休息。 ( 6 ) 能实现直接计算机通讯控制，为自动化智能控制打下良好的基础。 基于a v r 的直流电机软启动器的设计 2 软启动技术 本章首先分析了直流电机的数学模型，然后在介绍传统软启动器和目前普遍使用的 直流电机软启动器的基础上，对本设计的软启动器的原理和启动方式的控制原理做了概 括和分析。 2 1 直流电机的理论基础 本设计的控制对象是他励直流电机，其原理图见图2 1 【1 牛1 5 1 。因为励磁绕组与电枢没 有电的联系，励磁电路是由另外直流电源供给，因此励磁电流不受电枢端电压或电枢电 流的影响。 图2 1 他励直流电机原理图 f i g 2 1 t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo fs e p a r a t e l ye x c i t e dd cm o t o r 图2 1 中，m 表示他励直流电动机，u l 为电机电源电压，u 2 为励磁电源电压，r 。和 r 分别为分压滑动电阻，用以分压，调节电枢电流和励磁电流。 为了研究他励直流电机起动和停机时的电压、电流、转矩等变量的关系，就要研究 直流电机的机械特性和电动势平衡方程。电机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁 电流、电枢总电阻为恒指的条件下，电动机转速n 与电磁转矩t c m 的关系曲线n = f ( t e m ) 或 电动机转速n 与电枢电流工。的关系曲线n = f ( i a ) 。由于转速和转矩都是机械量，所以把它称 为机械特性。电动机的机械特性对分析电力拖动系统的启动、调速、制动等运动性能十 分重要【1 酗。他励直流电机的机械特性方程为f 1 “1 7 】： 叽尺口 咒昌一一： ，1 、 c 曲c e c r o _ z “7 6 一 大连理工大学硕士学位论文 其中，u n 为电枢电压，c 。为电动势常数，c t 为转矩常数，t c m 为转矩，f 为每极主 磁通，r 。为绕组电阻。其中c c 与c t 仅与电机结构有关，电机确定后为常数。 直流电机的电磁转矩为： t e m = c r 矽i ( 2 2 ) 其中，i a 为电枢电流，联立2 2 式可得： 露；u n - l r , , ( 2 3 一)露= ( z ) c 4 式2 3 中，c 。、f 不变，r 。为绕组电阻，阻值非常小，因此，阶一厶忌搿嘶，即直 流电机的转速与电枢电压近似成正比，而与磁通量f 成反比。为了使他励直流电机顺利 启动，启动转矩应该满足t m t l ( t l 为负载转矩) ，即启动转矩应该大于负载转矩。磁 通量f 由励磁电流i f 决定，由2 2 式可知，需要根据负载情况提供足够大的励磁电流i f 和启 动电流i a 【1 8 1 。电枢电压u n 最终应调整为额定值，即占空比为1 ，此时电机将稳定运行在 额定转速。 他励直流电机的电动势平衡方程为【1 9 】： u ，；厶+ 上次。：丝! 加+ 上次。；劬+ 讹 ( 2 4 ) 6 0 a 。 由此可得出电枢电流为： 厶：坐二鱼丝 尺4 ( 2 5 ) 在启动开始瞬间，由于机械惯性，电动机转速为0 ，因此电枢绕组感应电动势 邑= c 4 n = 0 。由式2 5 可知，启动电流为： 厶= u n r a ( 2 6 ) 其中，l s t 为启动电流，即启动瞬间转速为零时的电枢电流，其数值与电枢电压成正 比。 以额定电压2 2 0 v ，额定功率1 0 k w 的他励直流电机为例，电枢绕组r 。的阻值为1 q 左 右，启动电流因此高达2 0 0 a 以上，远高于额定电流值4 5 a 。 启动转矩为【2 0 j ： a = c r q 6 i , , = 9 5 5 x c 4 6 l , = 9 5 5 x ( 孤一厶磁) u n 厅 ( 2 7 ) r a 、。7 其中，t s t 为启动转矩，即启动电流对应的电磁转矩。电枢绕组r 。非常小，因此启 动转矩与起始电枢电压的平方近似成正比。 综上可知，当直流电机启动时，若将电机直接加于额定电压，电压的突变将会产生 很大的冲击电流和冲击转矩，对设备有很大的不利影响。 基- j = a v r 的直流电机软启动器的设计 2 2 传统启动方式的原理 直流电机的转子从静止状态开始转动，转速逐渐上升，最后达到稳定运行状态的过 程称为启动。本章将简述直流电机的传统启动方式，并对其原理进行分析。 2 2 1 直接启动 直接启动就是在直流电动机的电枢上直接加以额定电压的启动方式，机械特性曲线 见图2 2 。启动时先接通励磁电压建立磁场，然后直接接通电枢电压启动。 尼 挖0 o ，z 0 图2 2 直接启动的机械特性 f i g 2 2 t h ep r i n c i p l eo fd i r e c ts t a r t i n g 矗 由图2 2 中a 点可以看出，启动电流i 吼的值很大，这是因为在启动瞬间，电机转速为 零，从而反感应电动势为零，电枢电压全部加在绕组电阻上，而绕组电阻非常小，从而 产生大于额定电流值几倍甚至十几倍的冲击电流。 这种启动方式将使绕组过热而损坏，并且产生强烈的换向火花，造成换向困难，启 动时过大的转矩会造成机械冲击，易引起设备受损，大大降低电机的使用寿命。因此， 除个别容量很小的电动机外，一般直流电动机不允许直接启动。 2 2 2 电枢回路串电阻启动 电枢回路串电阻启动也叫做机械式启动，是目前舰船上普遍使用的启动方式，原理 图见图2 3 1 2 1 乏2 1 。 图2 3 机械式启动器原理图 f i g 2 3 t h ep r i n c i p l eo fm e c h a n i c a ls t a r t 一8 一 人连理工大学硕士学位论文 如图2 3 所示，启动时在电枢回路串入电阻，以减小启动电流i s l ，电动机启动后，再 逐渐切除电阻，使电机工作在额定电压状态。电动机启动前，应使励磁回路附加电阻为 零，以使磁通达到最大值，以产生较大的启动转矩，使电机顺利启动。 此种启动方式的的机械特性曲线图如图2 4 所示【2 3 】： 船 ，幻 o 图2 4 机械式启动机械特性 f i g 2 4 m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i co fm e c h a n i c a ls t a r t 由图2 4 可知，启动开始的瞬间，电枢电路中接入全部启动电阻，启动电流为： ，孤 ，一 s t 2 r o + r i + r 2 + r 3 l 2 芍)_ 由式2 8 可知，启动电阻起到分压限流的作用，可以降低启动电流。随着电动机转速 的增加，电枢电流和电磁转矩将逐渐减小，电动机沿着曲线1 的箭头所指方向变化。当 转速升高至n l ，电流降至k ( 图中b 点) 时，接触器i ( m 1 触头闭合，将电阻r 1 短接，由于机 械惯性转速不能突变，电动机将瞬间过渡到特性曲线2 上的c 点( c 点的位置可由所串电 阻的大小控制) ，电动机又沿曲线2 的箭头继续加速。当转速升高至1 1 2 电流又降至k ( 图 中d 点) 时，接触器k m 2 触头闭合，将电阻r 2 短接，由于机械惯性转速不能突变，电动 机将瞬间过渡到特性曲线3 上的e 点。依照同样的操作闭合接触器k m 3 ，将电阻r 3 短接， 电动机又沿曲线4 的箭头继续加速，最后稳定运行在固有特性曲线的h 点，启动过程结束 1 2 4 - 2 5 1 o 接触器的吸合状态可以通过电枢电流自动调节，随着电机的转动，电流逐渐降低， 启动用接触器线圈电压也随着降低，低到一定程度，启动用接触器不能保持吸合的状态， 其线圈绕组从电枢回路断开。 这种启动方式可以初步限制启动电流，但是由于原理上的原因，存在体积较大、噪 音大、接触器没有消弧装置、限流能力有限等缺点，而且小修小改难以解决。 基- f a v r 的直流电机软启动器的设计 2 2 3 降低电枢电压启动 降低电枢电压启动，即启动前将施加在电动机电枢两端的电源电压降低，以减小启 动电流k 1 ，电动机启动后再逐渐提高电源电压，使启动电磁转矩维持在一定数值，保证 电动机按照需要的加速度升速。原理图如图2 5 所示【1 3 】： 图2 5 降压启动原理图 f i g 2 5 t h ep r i n c i p l eo fr e d u c e dv o l t a g es t a r t 机械特性曲线如图2 6 ，其中，直线1 、2 、3 、4 x 。j 应着不同的直流电压，因此这种启 动方式需要直流调压电源，用以调节启动时的电枢电压。 o l 4 亲嘉仉一 3 2 1 死t 2n五m 图2 6 降压启动原理图 f i g 2 6 t h ep r i n c i p l eo fr e d u c e dv o l t a g es t a r t 启动时，先将励磁绕组接通电源，并将励磁电流调到额定值，然后从低向高调节电 枢回路的电压。启动瞬间加到电枢两端的电压u ，在电枢回路中产生的电流不应超过2 倍 大连理t 大学硕十学位论文 额定电流值。这时电动机的机械特性为图2 6 中的直线1 ，此时电动机的电磁转矩大于负 载转矩，电动机开始旋转。随着转速升高，e 。增大，电枢电流i 。逐渐减小，电动机的电 磁转矩也随之减小。当电磁转矩下降到t 2 时，将电源电压升高到u 2 ，其机械特性为图2 6 中的直线2 。在升压瞬间，1 1 不变，e 。也不变，因此引起i 。增大，电磁转矩增大，直到t 3 ， 电动机将沿着机械特性直线2 升速。逐级升高电源电压，直到u n 时电动机将沿着图中的 点a _ b c 一一h ，最后加速到p 点，电动机稳定运行，启动过程结剌1 3 】。 降低电枢电压启动的方式较早采用发电机一电动机组实现电压调节，或者需要一套 可调节的直流电源，而且调压精度不高，不易操作，仍然可能引起过大冲击，因此并为 普及。 2 2 4 晶闸管三相交流调压软启动 工业上使用的直流电机，一般使用三相交流电作为供电主电源，通过整流而获得直 流电作为输入。晶闸管调压启动是串接在电源与电动机之间的三组正反向并联的晶闸管， 通过微电脑控制触发导通角，实现交流调压，这种方式更多应用在异步电机的软启动中。 但是也可以通过交流斩波调压，从而调节直流电压输出，达到软启动的目的。晶闸管三 相交流调压软启动本质上还是降压启动方式，其主回路如图2 7 所示例： a b c 图2 7 晶闸管调压软启动主回路 f i g 2 7t h y r i s t o rv o l t a g er e g u l a t i o ns o f ts t a r tc i r c u i t 图2 7 中的六只晶闸管两两反向并联组成，串接于电动机的三相供电线路上。当起动 器的微机控制系统接到启动指令后，便进行有关的计算，输出晶闸管的触发信号，通过 控制晶闸管的导通角b ，使起动器按所设计的模式调节输出电压，以控制电动机的起动过 程。当起动过程完成后，一般起动器将旁路接触器吸合，短路掉所有的晶闸管，使电动 机直接投入电网运行，以避免不必要的电能损耗。 晶闸管调压软启动器适用于以三相交流电为主电源的异步电机和直流电机，是一种 无级启动方式，目前得到了比较广泛的普及。 基于a v r 的直流电机软启动器的设计 2 3 p f f m 技术的软启动原理 近年来，随着电力电子技术和计算机技术的发展，特别是i g b t 等新一代电力电子 器件的出现，使得对电枢电压进行脉宽调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，简称p w m ) 变为 可能。脉宽调制即固定开关管的工作频率，调节其导通的时问比例，从而调节输出量( 供 给负载的电压和电流) 的大小曙7 。本章主要结合p w m 技术介绍本设计的软启动原理。 2 3 。1p w m 的产生方式 本文的设计理念是利用p w m 直流斩波调节电枢电压的占空比，从而调节电枢电压 平均值，因此p w m 脉冲的发生与控制非常重要。p w m 信号产生方式有四种【冽： ( 1 ) 分立电子元件组成的p w m 信号发生器：这种方法是用分立的逻辑电子元组 成p w m 信号电路。它是最早期的方式，现在已经被淘汰。 ( 2 ) 软件模拟法：利用单片机的一个i o 引脚，通过软件对该引脚不断地输出高低 电平来实现p w m 波输出。这种方法要占用c p u 大量时间，使单片机无法进行其它的工 作，因此也逐渐被淘汰。 ( 3 ) 专用p w m 集成电路：从p w m 控制技术出现之同起，就有芯片制造商生产专 用的p w m 集成电路芯片，现在市场上已经有很多种型号，如1 ，i 公司的t i a 9 4 芯片，东芝 公司的2 s 硒1 3 1 芯片等。这些芯片除了有p w m 信号发生功能外，还有“死区 调节功能、 过流过压保护功能等。这种专用p w m 集成电路可以减轻单片机的负担，工作更可靠。 ( 4 ) 单片机的p w m 端口：新一代的单片机增加了许多功能，其中包括p w m 功能。 在新一代的单片机中通过初始化设置，使其p w m 输出口能够自动发出p w m 脉冲波，只 有在改变占空比时c p u 才进行干预。 在本设计中采用第四种软件编程方式产生p w m 脉冲，选用a v r 单片机a t m e g a 6 4 的 p b 5 口作为p w m 脉冲波的输出端口。a v r 单片机有两种p w m 输出模式，一种是相位修正 p w m 模式，其最大频率较小，但由于其对称的特性，特别适用于控制三相交流感应电 机；另一种为快速p w m 模式，工作频率比前种模式高一倍，启动时可以更有效的减小 电枢电压平均值，因此选用快速p w m 模式【2 9 。 a v r 单片机片内有一个具有1 6 位p w m 功能的定时计数器。在普通模式下，计数器 不停地累加，计到最大值( t o p = o x 觥) 后溢出，返回到最小值0 x 0 0 0 0 重新开始。当启 用p w m 功能即在单片机的快速p w m 模式下，通过调整o c r l a 的值可实现输出p w m 波的 占空比变化【圳。 a v r 单片机片产生p w m 波形的机理是：p w m 弓i 脚电平在发生匹配时( 匹配值为0 0 x f f f f 2 间的值，如图中的c ) ，以及在计数器清零( 从m a x 变为b o t t o m ) 的那一个 定时器时钟周期内发生跳变，快速p w m 模式时序图见图2 8 t 3 l 】： 大连理工大学硕士学位论文 匹配值 计数值 p 9 6 l 波形 y , - j 期 图2 8 快速p w m 模式时序图 f i g 2 8s e q u e n c ed i a g r a mo fq u i c kp w m m o d e 图2 8 中的c f 为o c r l a 匹配值，波形在每个匹配值处以及计数清零时输出发生变 化，从而实现了p w m 波。由于o c r l a 的值可以从0 】【o 0 0 0 到o x 筒，共有6 5 5 3 5 个值，因 此p w m 波的最大分辨率为1 6 5 5 3 5 ，满足系统分辨率设计要求。p w m 波的频率为【3 2 1 ： ff c l k _ i o p c 肝聊2 n ( 1 + t o p ) ( 2 1 0 ) j 、。工u 式中变量n 代表分频因子( 1 、8 、6 4 、2 5 6 或1 0 2 4 ) ，本程序中设定为1 ，触i o 为系 统时钟频率( 8 m h z ) ，。由以上参数可以得出f o c n p w m 为2 0 k h z ，臣i j p w m 周期为5 0 u s 。 t o p 值设定为3 9 9 ，即每一个p w m 周期分为4 0 0 等份。编程时通过调整o c n 的值逐改变占 空比，从而调节i g b t 的导通时间比，控制电枢电压平均值。例如o c n 的值为1 时的占空 比为1 4 0 0 ，o c n 的值为1 0 0 时的占空比为1 4 。本程序设定将占空比从1 0 开始增加( 对 应的o c n 值为4 0 ) ，o c n 每增加1 次，占空比增大1 4 0 0 ，并且保持1 5 m s 后继续增大【3 3 。4 1 。 2 3 2p w m 技术对电枢电压的控制原理 根据第二章第一节中对直流电机的理论分析可以看出，降低电枢电压的平均值可以 使启动电流i s t 保持在安全值之内，进而调节启动转矩，使电机克服负载转矩顺利启动。 因此平均电枢电压成为本系统的主要控制目标。 本设计的p w m 信号由单片机p w m 端口发生，通过驱动模块驱动功率开关器件，通 过通、断时间的变化来改变电枢电压的平均值，实际上就把直流电压“斩成一系列脉 冲，改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压，即将某一直流电变为平均值可调的直流 电压。图2 9 中所示为脉宽调制软启动器系统原理刚”】： 基于a v r 的直流电机软启动器的设计 + 图2 9 晶闸管调压软启动主回路 f i g 2 9 t h y r i s t o rv o l t a g er e g u l a t i o ns o f ts t a r t e rc i r c u i t 图2 9 中的u s 为电源电压，l d 为电枢电流，u d 为电枢电压，为主开关元件，用以 通、断开电枢电压。 假定v t 先导通t o n ，这期间电源电压u d 全部加到电枢上( 忽略v t 的管压降) ，然后关 断h ，电枢失去电源，经二极管v d 续流。如此周而复始，电枢电压波形如图2 1 0 所示【3 6 】： u 矾 u d 图2 1 0p 删控制的电枢电压示意图 f i g 2 1 0 a r m a t u r ev o l t a g ew a v ec o n t r o l l e db yp w m 图2 1 0 中电枢绕组两端的电压平均值u d 3 7 1 ： 砒：三产眦昌堕：一u s t o ；u s a t ( o s 口rsd ( 7 q ) t j 0t o n + 浙z 。7 a t 为一个周期t 中，v t 导通时间与t 的比率，称为p w m 电压的占空比。 由上式可知，控制v t 的通断时间，可以改变占空比a t ，从而改变电枢电压平均值 u d 。a t 的值可以使用下面三种方法中的任何一种改变1 3 8 j ： ( 1 ) 定宽调频法：保持t l 不变，只改变t 2 ，这样使周期( 或频率) 也随之改变。 ( 2 ) 调宽调频法：保持t 2 不变，只改变t 1 ，这样使周期( 或频率) 也随之改变。 ( 3 ) 定频调宽法：保持周期t ( 或频率) 不变，同时改变t l 和t 2 。 前两种方法由于改变了控制脉冲的周期( 或频率) ，当控制脉冲的频率与系统的固有 频率接近时，将会引起振荡。因此本设计采用定频调宽法来改变占空比，从而改变电枢 大连理工大学硕士学位论文 电压平均值u d 。 本系统启动时的占空比设定在1 0 左右，这个过程中v t 的导通时间只有微秒级别， 而电枢电流和电磁转矩随时间变化，是一个过渡过程，不能突变，从而可以有效抑制启 动电流和启动转矩。通过设定起始时的占空比，使电磁转矩大于负载转矩，从而顺利达 到软启动的目的。 2 4 软启动方式及控制策略 电子软起动器目前常用的主要有以下几种启动方式： ( 1 ) 限流启动。 图2 1 1 限流启动 f i g 2 1 1 c u r r e n tl i m i t i n gs t a r t i n g 如图2 1 1 所示，限流起动顾名思义是限制电动机的启动电流，即控制电机起动时 的电流为恒值i q l ，起动电流及启动时间均可在一定范围内预先调定。当必须限制最大启 动电流时，可使用此方式。它主要用于轻载起动的负载。由于在起动时难以知道启动压 降，不能充分利用压降空间，会损失启动力矧3 铆。 ( 2 ) 斜坡电压启动。 r j ( t ) o 图2 1 2 斜坡启动 f i g 2 1 2 s l o p es t a r t i n g 基于a v r 的直流电机软启动器的设计 如图2 1 2 所示，斜坡电压起动将电枢电压由小到大斜坡线性上升，一直到u n 。它 是将传统的降压启动从有级变成了无级，主要用在重载起动，它的缺点是初始转矩小， 转矩特性抛物线型上升对拖动系统不利，且启动时间长有损于电机。 ( 3 ) 转矩控制启动。 图2 1 3 转矩控制启动 f i g 2 1 3t o r q u ec o n t r o ls t a r t i n g 转矩控制启动用在重载起动，如图2 1 3 所示，它是将电动机的启动转矩由小到大线 性上升，它的优点是起动平滑，柔性好，对拖动系统有更好的保护，它的目的是保护拖 动系统，延长拖动系统的使用寿命。同时降低电机起动时对电网的冲击，是最优的重载 启动方式，它的缺点是启动时间较长。 ( 4 ) 转矩加突跳控制启动。 图2 1 4 转矩加突跳控制启动 f i g 2 1 4t o r q u ea n ds u d d e nj u m pc o n t r o ls t a r t i n g 如图2 1 4 所示，这种启动与转矩控制启动相仿也是用在重载起动，不同的是在启动 的瞬间用突跳转矩克服电机静转矩，使电机启动，然后与转矩控制相同，让转矩按某一 规律平滑上升，这种起动方式也缩短了启动时间。但是，突跳会给电网发送尖脉冲，干 扰其它负载，应用时也要特别注意【3 9 1 。 大连理工大学硕士学位论文 2 5 本章小结 本章是本设计的理论基础。在本章中，首先分析了直流电机的机械特性，从而得出 影响启动电流和启动转矩的参数；然后概述并分析了传统启动方式的工作原理及其不足 之处；接着