（控制科学与工程专业论文）高压液态软起动器智能控制系统研究.pdf

武汉理工人学硕士论文 摘要 电机软起动器是集电动机软起动、节能和多种保护功能于一体的电动机控 制装置。电动机在起动时电流很大，并且大的冲击电流容易对电网和电机本身 造成损害。利用软起动器可以有效地控制电机的起动电流，实现电机的平滑起 动，提高了电网的利用率和延长了电机的使用寿命。 本文查阅了大量有关国内外电机软起动技术资料，归纳比较了几种软起动 方式的特点，从技术性、可靠性和经济性方面综合考虑，在方案设计上，选定 液态软起动作为电机软起动方案。通过分析液态软起动原理，对液态软起动系 统进行了构建。 本文设计了以嵌入式微处理器l p c 2 2 9 0 为核心的液态软起动控制器硬件电 路，包括最小系统、模数和数模转换电路、开关量输入输出电路、c a n 总线通 信电路、i o 扩展电路、按键和指示灯电路、触摸屏接口电路、n a n df l a s h 存储 电路以及电源电路等；以硬件电路为基础，采用模块化的设计思想对液态软起 动控制器进行软件设计，描述了各模块的软件流程并列出其部分重要程序。针 对电动机在起动中非线性、时变的特点，着重对液态软起动的控制算法进行分 析，将模糊控制和p i d 控制进行融合，结合两者的优点对液态软起动进行分段 控制，使得本系统具有良好的静态特性和动态特性。 本文结合实验数据分析和解决了在调试和实验中所遇到的问题，并通过实 验验证了以嵌入式微处理器为控制核心的液态软起动控制方案的可行性。实验 表明，基于嵌入式为控制核心的液态软起动器能有效地控制电机的起动电流， 操作方便，基本达到了电动机的软起动性能要求。 关键词：液态软起动，电动机，模糊p i d ，微处理器 武汉理工大学硕： = 论文 a b s t r a c t m o t o rs o f ts t a r t e rh a sm u l t i f u n c t i o no fs t a r t i n gm o t o r , e n e r g y - s a v i n ga n dv a r i o u s p r o t e c t i o n m o t o rs t a r t i n gc u r r e n ti sl a r g e ，a n dt h ei m p u l s ec u r r e n tc a ne a s i l yd a m a g e p o w e r 面da n dm o t o r s o f ts t a r t e rc a ne f f e c t i v e l yc o n t r o ls t a r t i n gc u r r e n to fm o t o r , r e a l i z es m o o t hm o t o rs t a r t i n g , e n h a n c eu t i l i z a t i o no fp o w e rg r i da n de x t e n dt h e s e r v i c el i r eo fm o t o r b a s e do nc o n s u l t i n gp l e n t yo ft e c h n o l o g i c a ll i t e r a t u r em a t e r i a l so fd o m e s t i ca n d o v e r s e a sm o t o rs o f ts t a r t e r b yc o m p a r i n gc h a r a c t e r i s t i c so fs e v e r a lm e t h o d so fs o f t s t a r t e r , a n db yc o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o no ft e c h n o l o g y , r e l i a b i l i t ya n de c o n o m y , l i q u i ds o f ts t a r t e ri s s e l e c t e da st h es o l u t i o no fm o t o rs o f ts t a r t i n g t h r o u g ht h e a n a l y s i so fp r i n c i p l eo fl i q u i ds o f ts t a r t e r , l i q u i ds o f ts t a r t i n gs y s t e mi sc o n s t r u c t e d t h i st h e s i sd e s i g n sal p c 2 2 9 0p r o c e s s o rw i t he m b e d d e dm i c r o c o n t r o l l e ra st h e c o r eo fh a r d w a r eo fl i q u i ds o f ts t a r t i n gc o n t r o l l e r , i n c l u d i n gm i n i m u mc o n t r o l l e r h a r d w a r es y s t e m ，d i g i t a l - t o a n a l o ga n da n a l o g t o d i g i t a lc i r c u i t ，s w i t c h i n gi n p u ta n d o u t p u tc i r c u i t ，c a nb u sc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t ，i oe x p a n s i o nc i r c u i t ，b u t t o n sa n d l i g h tc i r c u i t ，i n t e r f a c ec i r c u i to ft o u c hs c r e e n , n a n df l a s hs t o r a g ec i r c u i t , p o w e r c i r c u i t b a s e do nt h eh a r d w a r ec i r c u i t ，s o f t w a r eo fl i q u i ds o f ts t a r t i n gc o n t r o l l e ri s d e s i g n e dw i mm o d u l a r i z i n gd e s i g nm e t h o d ，t h es o f t w a r ef l o wo ft h em o d u l ei s d e s c r i b e da n dt h ei m p o r t a n tp a r t so ft h ep r o g r a ma r eg i v e n a sm o t o rh a st h e c h a r a c t e r i s t i co fn o n l i n e a ra n dt i m e - v a r y i n gw h e ns t a r t i n g , c o n t r o la l g o r i t h mo fl i q u i d s o f ts t a r t i n gc o n t r o li sa n a l y z e d f u z z yc o n t r o la n dp i dc o n t r o li sc o m b i n e dw i t h s e g m e n t e dc o n t r o lo nl i q u i ds o f ts t a r t i n g ，w h i c hi sb a s e do na d v a n t a g e so fb o t h c o n t r o l ，a n dt h es y s t e mh a sag o o dd y n a m i ca n ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s b a s e do na n a l y s i so fe x p e r i m e n t a ld a t aa n dp r o b l e m ss o l v e di nt h ee x p e r i m e n t ， i t i sv e r i f i e dt h a tm i c r o p r o c e s s o r se m b e d d e da sc o n t r o lc o r eo fl i q u i ds o f ts t a r t i n g c o n t r o ls c h e m ei sf e a s i b l e i nt h em e a n w h i l e ，e x p e r i m e n t sr e s u l t ss h o wt h a tl i q u i d s o f ts t a r t e rw i t hm i c r o p r o c e s s o r se m b e d d e dc a ne f f e c t i v e l yc o n t r o lm o t o rs t a r t i n g c u r r e n t t h eo p e r a t i o no fc o n t r o li sc o n v e n i e n t t h el i q u i ds o f ts t a r t i n gs y s t e m b a s i c a l l ym e e t st h er e q u i r e m e n t so fm o t o rs o f ts t a r t i n gp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：l i q u i ds o f ts t a r t i n g ，m o t o r ，f u z z yp i d ，m i c r o p r o c e s s o r s i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特另l j j j n 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过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大 学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 一w 签名：! 垄、l 釜日期：丝凸：i ：! 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本 学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使 用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 徽) 1 孙溯。- 武汉理工入学硕十论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景目的及意义 1 1 1 课题的研究背景 电动机应用范围非常广泛，常用于冶金、机械、水厂、电站、建材、矿山、 港口等行业，由于交流异步电动机结构简单、运行可靠、价格便宜、过载能力 强，使用、安装、维护方便，因而它是工业、农业、交通运输业的重要动力装 置。随着我国经济建设的发展，高压大容量的电动机设备日益增多，其中 6 - 1 0 k v 的交流电动机发展尤为迅速，高压大容量交流电机运行的首要问题是 起动，因此电机的起动问题日益重要。 当电动机在电网中从停止状态达到稳定运行状态的这一过程称之为起动。 一般来说，交流电机的起动性能取决于电机的起动电流和起动转矩的大小。直 接起动具有简单、经济，起动时间短等优点，起动时通过闸刀或接触器将电动 机直接接到电网上。在起动过程中电网压降小于1 5 和起动转矩满足允许的情 况下可以直接起动电机。虽然直接起动设备很简单，起动速度快，但是电机在 直接起动时，空载起动电流为额定电流的4 - 7 倍，带动负载起动时的起动电流 为额定电流8 - 1 0 倍，起动转矩为额定转矩的0 4 1 6 倍，过大的起动电流、过 小的起动转矩以及过长的起动时间均会给电机和电网造成极大地危害瞳1 。 实践证明，即使电网容量允许电机直接起动，其直接起动电流对电网的降 压冲击、对电机产生的热冲击以及电力冲击的危害是不容忽视的口3 。电机直接 起动即使在十几秒的短时间内，就可以使温度急剧上升1 5 0 左右，往往容易 引起电机的损坏并缩短其使用寿命，特别是当电机重载运行时，起动时间延长， 直接起动的危害将更大。另外，有些设备和工艺要求电机起动相对平缓，直接 起动将对设备产生冲击，甚至影响产品的质量h 1 ，这就需要对电机的起动性能 引起重视。 直接起动时所产生的大起动电流会造成电网电压跌落，可能引起欠压保护 动作，导致设备跳闸，严重时会使得电机起动失败并且影响其它用电设备的正 常运行。过大的起动电流会使电机绕组快速发热，线圈发热量是电机在j 下常运 行时的3 6 4 9 倍，产生的电磁力同样达到了3 6 - 4 9 倍，过高的温度和电磁力产 生了极大地破坏力，加快其绝缘老化，从而影响了电机的使用寿命。如某公司 烧结厂2 9 m 2 烧结主风机电机为两台1 0 0 0 k w 鼠笼式电机，全电压直接起动， 武汉理t 大学硕士论文 1 9 9 7 年内共累计烧毁电机六次。直接起动产生的强大冲击转矩容易造成电动机 转子笼条、断环断裂，定子端绕组绝缘磨损、击穿或转矩扭曲等。陡然的冲击 转矩容易损害与电动机相连的联轴节或者传动齿轮，甚至撕裂传动皮带。过大 的冲击也会使得其它传动设备非正常的磨损和老化，影响设备精度，减小其使 用周期。另外，电机的供电装置是按照电机的额定电流大小进行配置的，起动 电流过大会使得供电装置的触头迅速发热，温度升高，触头附近的绝缘体老化， 因此大起动电流也是损坏供电装置一个主要原因。如某炼油厂丙烷装置，其供 电变压器容量为8 0 0 k v a ，电机的最大容量只有1 3 0 k w ，完全具备电机直接起 动的条件，在2 0 0 1 年中，由于电机起动电流过大的原因，三次造成低压开关柜 短路，迫使生产装置停产检修，给该厂造成了很大的经济损失瞄3 。 众所周知，在工业中有相当多的异步电机及其拖动系统处于非经济运行状 态，白白地浪费掉大量的电能。对于电动机的非经济运行情况，早已引起国家 相关部门的重视，并分别于1 9 9 0 年和1 9 9 5 年制定和修订了三相异步电机经 济运行( g b l 2 4 9 7 1 9 9 5 ) 1 的强制性国家标准。此标准的发布对低压电动机的 经济运行起到了很大的促进作用，但对中高压电动机则收效甚微。究其原因， 就是大部分电机采用直接起动方式，除了造成对电网、电机以及拖动系统的冲 击和损害外，4 7 倍的起动电流造成了相当大的能量消耗。 因此，为了节省能耗，提高设备的利用效率，延长设备使用周期，我们应 该极力避免采取电动机直接起动的起动方式，而采用软起动器进行软起动。所 以，软起动器的研究具有巨大的实际意义和显著的经济效益。 1 1 2 课题目的及意义 电动机是各行业生产过程及日常生活中普遍使用的基础设备，它是进行电 能量和机械能量转换的主要器件。在工业、农业、矿山冶金、石油化工等诸多 领域中，大量使用交流电动机驱动各种类型的机械设备和其它生产设备， 8 0 8 5 的工业用电直接与电机有关。中国各类电动机的装机容量已超过4 亿 k w ，其中异步电动机约占9 0 ，中小型电动机约占8 0 ，拖动风机水泵及压 缩类机械的电动机约占1 3 亿k w ，因而电动机是一种应用量大、适用范围广 的高能耗动力设备h 1 。我国大容量高压电机发展较快，一些大容量电动机常常 因起动困难而长期处于空转等待状态，长时间的空转会产生很大的能源损耗， 软起动器能够实现降低供电容量，节约电能，减少企业的生产成本，提高企业 的经济效益。 电动机直接起动的冲击电流短路容量有限的电网，引起电网电压下降，影 响同一电网中的其它电气设备正常运行，造成电动机及其所带动设备的电气和 2 武汉理t 大学硕+ 论文 机械冲击，加速电动机的老化和机械的损坏。软起动装置睛，能够抑制电机的起 动电流，在一定时间内保证电机逐步达到额定转速。并在必要情况下允许多次 连续起动，同时还兼具保护功能，能对短路、过载、起动超时、起动过流、欠 压、过压、系统异常等故障出现后作出相应的保护并发出报警信号进行提示。 降低电机的起动电流能够有效地保护设备正常运行，提高资源设备利用效率， 延长设备使用寿命，从而相应的提高企业经济效益。 本文研究基于模糊p i d 复合控制算法的液态软起动控制器，通过配套的液 态软起动柜，有效地降低了电机起动时的起动电流，同时将电网、电机及其相 应设备的损害减小至最低。 1 2 软起动技术的发展和国内外研究现状 1 2 1 软起动技术的发展过程 在十几年前软起动器还鲜为人知。实际上，软起动器瞪3 的原理早提出于上 世纪七八十年代，当时软起动器叫晶闸管移相起动器。那时，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在研究探索中，由于其制 造成品率较低，所以其生产成本较高，当时用晶闸管研制出来的产品算是高技 术、高价格的产品。与此同时，晶闸管的应用技术也相当不成熟，晶闸管往往 在使用过程中被损坏。因此，晶闸管移相起动器的价格不菲，而且可靠性很差， 相比自耦降压和星三角等起动设备相比，晶闸管移相起动器无人问津，停留在 原理阶段。 有生命力的东西总会在适当的时机破土而来，软起动器的发展既是如此。 八十年代末至九十年代，经过大批电力电子行业人的不断努力，晶闸管的工艺 制造水平大幅提高，同时，随着新型电子元件、集成电路、单板机、单片机的 不断涌现，我国电力电子行业高速发展，晶闸管移相起动器也迈出了快速发展 的脚步。1 9 9 2 年1 0 月西安某电力电子公司的科研人员根据国外的一篇文章， 拟定了软起动器研发课题，并于9 3 年底完成了该产品的研制。为了培育市场， 该公司编写了大量类似科普读物的产品宣传资料，越来越多的人开始认同软起 动器。到9 5 年软起动器丌始走向广泛应用阶段。 当前大容量异步电机的起动方式n 町主要有串电抗器起动、自耦变压器起动、 高压变频器起动、液态软起动等。 ( 1 ) 串电抗器起动是一种传统的起动方式，在高压电动机定子回路中串电 抗器降压起动，以其电感作用限制起动电流，起动完毕后切断电抗器。该装置 体积庞大，工艺落后，起动电抗器产品参数在出厂时就固定，只能靠抽头粗调， 武汉理：r 人学硕+ 论文 无法根据现场电机及负载的工作情况作精细的调整，很难达到理想的起动效果， 起动时噪声严重，起动时间长，起动容量也受到限制，该方法仅能减小对电网 的冲击，而且实现不了软停止功能，不具备应用的保护功能，已不适应高电压、 大容量电机的起动运行。 ( 2 ) 自耦变压器降压起动是指电动机起动时利用自耦变压器来降低加在电 动机定子绕组上的起动电压。待电动机起动后，再使电动机与自耦变压器脱离， 从而在全压下正常运动。对于供电质量要求较高的化工企业，采用自耦变压器 起动，其最高档抽头电压为7 5 的额定电压，再考虑到系统压降，显然，不易 满足化工企业大容量电机对起动转矩的要求。 ( 3 ) 高压变频器是一种高效率的起动和调速方式，通过改变电机定子端的 频率与电压来实现起动和调速，具有可连续起动，起动时耗能少，调速范围大、 精度高、节能效果好、控制策略灵活等优点，但产品价格极高，投资回收期长， 容易对电网产生谐波干扰，技术相对复杂，要求维护及检修水平较高。 ( 4 ) 液态软起动的起动时间和起动电流可根据工况进行调整，电解液变阻 均匀，起动电流平稳，可控制在额定电流的三倍左右，同时可实现连续多次起 动并能实现软停止，对电网没有谐波干扰，操作简单，自动化程度高，运行可 靠，使用寿命长，投入的成本低，无须其它配套设备，费用只有相同功率变频 调速器的3 0 左右，维护简单。 另外，对具有相同功率的电动机，由于工艺参数、起动负载、起动次数及 频繁程度、工况环境等条件不同，在理论上需要配备不同的起动阻抗才能获得 良好的起动特性。也就是说，不同的电机应配置与自身最相适的起动电阻，以 软起动的方式将电机成功起动，同时又保证起动电流控制在一定的范围内，从 而降低起动电流对电机、电网以及相关起动设备的冲击。液态软起动装置在这 方面具有明显的优势，电解液变阻起动器的优点在于它的阻值可塑性好，通过 改变电解液中导电介质的浓度来改变本身的电阻率，其可调整范围是很大的。 表1 1 为上述几种起动方式的比较，从技术性，经济性，可靠性等方面来 看，运用液态软起动技术作为电机的起动方案是相对可行的。 表1 1 几种起动方式的比较 高压自耦变压器液态软起动器高压变频器 高压电抗器 适用功率( k w )2 0 0 - - , 5 0 0 0 ( 电抗)2 0 0 - - 3 0 0 0 01 0 0 0 0 以上 5 0 0 0 8 0 0 0 ( 自耦) 起动电流 4 - - 5 i e2 3 i eo 3 1 i e 起动时间1 0 - 4 0 s1 0 5 0 s6 0 一1 2 0 s 4 武汉理t 大学硕士论文 起动回路功率因数 o 1 0 2o 7 o 8 5o 8 o 9 对系统影响大，压降大于1 0 小，压降小于1 0 无 适用机械轻载 轻重载各种负载 可控性不可控不可控可控 谐波无无有 使用维护简单可靠，免维护简单可靠，免维护维修工作量 大，技术难度 大 价格约3 0 元依w约5 0 元l ( w约3 0 0 5 0 0 元 k w 1 2 2 软起动的国内外研究现状 电动机软起动，是一项技术，一类产品，一个行业。从进口软起动产品来 看，发达国家的电动机软起动产品n 嵋主要是固态软起动装置，即是晶闸管软起 动器和兼作软起动的变频器。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，起动负载较轻时采用晶闸管软起动，在重载时 则采用变频器软起动。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。如a b 、 a b b 、施耐德、西门子、g e 、摩托托尼、t e 、c t 、a e g 等。 据了解，发达国家生产的液态软起动产品，一律用在中压绕线转子电动机 软起动中。我国进口液态软起动产品u 羽的生产年代，6 0 年代到9 0 年代都有， 各年代进口软起动装置如表1 2 所示。 表1 - 2进口软起动装置一览表 使用地点 首钢中板厂武钢烧结厂 首钢制氧山西水泥厂 厂 用途主轧机1 2 5 0 k w 风机空压机球磨机 投运时间5 0 年代 6 0 年代7 0 年代9 0 年代 串在定转转子侧转子侧转子侧转子侧 子侧 供货厂家日本日本日立 日本三菱 加拿大 随着现代电力电子技术及微电子技术的快速发展，国内交流电机软起动器 的生产技术和产品质量都得到了很大的提高。国内的一些厂家借鉴国外产品的 先进技术“利，结合不同的起动对象情况进行技术再开发，推广应用非常广泛， 形成了覆盖面甚广的产品系列，凭借着性价比上的巨大优势和良好的售后服务， 5 武汉理下大学硕+ 论文 已经在建材、化工、冶金、给排水、石油等行业推广，同时占据了相当大的市 场份额，并有部分产品远销东南亚、南美和中非地区。国内软起动产品u 幻的生 产厂家很多，如孝感大禹电气公司、襄樊追日公司、大力公司、长沙奥托公司、 上海雷诺尔公司、沈阳前特兰公司等。国内生产软起动器的厂家越来越多，竞 争也越趋激烈，反过来竞争又推动了产品的技术进步并促进市场成长，现在已 经进入了软起动器的黄金发展阶段。当前中国软起动器的市场非常广阔，年需 求量应在6 亿人民币左右甚至更高。如果电机的制造机理不发生革命性的变化， 软起动器将成为电机起动设备的主流产品。 我国软起动行业情况和国外有所不同n5 | 。它的主要特点是中压( 3 - 1 0 k v ) 晶闸管软起动产品还没有问世。另外，磁控软起动装置问世已有l o 年，并未像 液态软起动装置那样在国内遍地开花，在国外也似乎未引起广泛的关注。究其 根源，在于它的性能价格比与晶闸管软起动产品不相上下。但是，磁控软起动 装置在2 0 0 2 年由于在电压等级方面有了新的突破已将应用领域扩展到冶金、石 化等广泛采用大容量电动机的行业。新的突破加大了磁控软起动技术的在大容 量电动机软起动方面的比较优势，它必然会为这一技术带来新的生机。 国产液态软起动装置占据了很大的市场份额n 引。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，液箱也不密封。国产装置得以流行的原 因是它比较适合我国的国情。它能够满足软起动要求，售价低，维护虽然麻烦 但难度不大。此外，液态软起动有二个值得注意的相反的发展动向u7 l ，一是以 牺牲可控性为代价将软起动装置简化成与传统的星三角起动相似的系统，二是 通过完善伺服机构的方法引入电流反馈，实现软起动的闭环控制。 从目前来看，软起动将仍然以各种形式的降压( 限流) 软起动为它的主要 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，使各类起动产品( 包括传统的 星三角起动) 在市场上都可能会赢得自己的一席之地。 从长远来看变频软起动将成为软起动的主流。各种形式的降压软起动将与 星三角起动等技术一起归并为传统的起动技术。由于i g b t 等新的电力电子产 品的制造水平不断提高，销售价格不断下降，因此使得变频器的价格一降再降， 有可能夺走软起动器的部分市场。同时，随着变频器价格的逐渐下降，可靠性 的进一步提高，仅仅为软起动而选用变频器将不再会被人们认为是一种奢侈。 1 3 论文主要研究内容 本文在介绍电动机软起动的应用背景和发展背景的基础上，阐述了本课题 所研究的目的和意义，分析比较了几类常用的软起动方法。描绘了液态软起动 6 武汉理工人学硕士论文 器的系统构建和软起动控制器的软硬件结构。着重进行叙述液态软起动控制器 的硬件电路设计以及软件控制流程设计，将模糊和p i d 融合的复合控制算法应 用于电动机的液态软起动控制中，最后对系统进行调试和联调。 论文研究的主要内容： ( 1 ) 液态软起动的起动原理及其系统构建，控制器方案和结构设计。介绍 液态软起动的起动原理，通过归纳比较几种控制方案的优缺点，选定 嵌入式微处理器a r m 作为液态软起动器的控制核心，针对液态软起 动的控制要求设计其控制器结构； ( 2 ) 液态软起动控制器的硬件和软件设计。硬件电路主要包括开关量输入 输出电路、模数和数模转换电路、通信电路、人机界面电路等。软件 设计采用模块化设计思路将整个系统分为若干功能模块，紧密围绕硬 件电路进行设计； ( 3 ) 液态软起动控制算法设计。将模糊算法和p i d 算法进行融合，利用两 者的优势进行分段控制，使得液态软起动系统具有良好的动态特性和 静态特性； ( 4 ) 系统的调试和联调。系统按照各个功能部分进行分块调试，及时分析 和解决了在调试过程中所出现的问题，成功实现系统联调。 1 4 本章小结 本章讨论了本课题的研究背景及其目的意义，电动机的应用范围非常广泛 但起动过程中的大电流会冲击电网以及对电机自身造成损害，电机在起动时通 过使用软起动器，能够减小起动变压器的容量，降低供电容量从而节约电能， 延长设备的使用寿命。然后介绍了软起动器的发展过程以及国内外软起动技术 的发展现状，国外主要以变频器软起动和晶闸管软起动为主导，而液态软起动 以其明显的经济优势和可靠的起动技术在国内软起动市场占有相当大的份额。 最后概述了本文主要的研究内容，并通过实现和现场调试来验证本设计的可行 性和可靠性。 7 武汉理工人学硕士论文 第2 章液态软起动系统构建与方案设计 2 1 液态软起动工作原理 液态软起动装置的核心部分是水电阻，该部分包括箱体部分、传动部分和 液阻部分。 水电阻与电机的连接示意图如图2 1 所示。将液态电阻串入电机定子回路 中，在电机的起动过程中，水电阻通过改变电解液变阻箱内极板间的距离进行 调节，从而实现限流，电机转速随着电阻值的减小而平滑提升，在起动完成后 将液态电阻短接，减小了电流的冲击，达到延时软起动的目的。 高压 捌 、 1 叫多 f 图2 1 水电阻与电机连接示意图 水电阻n 8 1 结构图如图2 2 所示。 电 动极板 传动装置 静极板 捧 图2 2 水电阻结构图 将配置好的电解液放入采用耐压、耐腐蚀、高强度绝缘材料制成的箱体内， 武汉理工人学硕士论文 三相可靠绝缘，电极板为圆盘型，静极板与母排相连，动极板与传动机构相连， 传动机构带动动极板向下移动，从而改变电解液阻值。 液态软起动器中的电阻叫液态电阻，它是由水和电解质配置的液态电阻， 其导电的本质是离子导电。它的阻值正比于相对的二块电极板的距离，反比于 电解液的电导率，电导率随温度的升高而增加，其温度灵敏度随电解质元素和 浓度而异，液态电阻阻值可塑性好，通过改变电解液的浓度来改变本身的电阻 率。 导电率p 在一定限度的电场强度内的欧姆定律基本成立，当电解液大于某 浓度的一定范围时，p 值对温度的变化曲线是平坦的，以上两点为液态软起动 装置的可行性设计提供了理论依据。 r = ( p x l ) s ( 2 1 ) 式子中i 卜串入电机回路电解液的电阻值，q p 一电解液的电导率，q m 卜两极板间的距离，m s 一极板相对面积，m 2 在液态软起动的水阻箱中，s 和p 基本保持不变，通过改变两极板间的相 对距离来改变l 的大小，从而实现阻值的无级变化，因此起动电流可无级变化， 短接时不会产生电流冲击。 液态电阻的最佳配置是控制适宜的起动电流、起动时间以及能否克服静转 矩正常起动的关键。液态电阻配置的参考公式如下： r ，2 毒厨i 姆) 2 - 1 q 乞 式子中r 。一液体电阻的最大值，q u 一电源线电压，v i 。一直接起动时电机的起动电流，a i 阳一串入液态软起动时的起动电流，a 根据电动机的起动参数，如u = 6 0 0 0 v ，i z q = 7 0i e ，i y q = 2 8 3 8i e ，i e = 5 0 0 a ， i e 为电机的额定电流，带到上面式子，即得 6 0 0 0 r 。= 再而6 0 0 0 愿7 0 i 再e 2 乩5 3 ，q 、ff露70i e 再2 以2 6 8 q 9 武汉理丁大学硕十论文 即三相液阻每箱配制的最大电阻为1 5 3 1 2 2 6 8 q 左右。单相水电阻柜电液 箱需加入大约5 吨水，为了不增加起动柜安装就位的难度，一般水电阻在软起 动柜安装完毕并加水后再进行配制。 将液体电阻的动极板移动至初始位置，测量液阻箱内两极板间的电压差以 及电流大小，液态电阻由公式r = u i 算出，其测量电路图如图2 3 所示。 图2 3 液态电阻的测量电路图 用交流a c 6 3 v 作为测量电源，配置液阻时按照图连接电流表、电压表、 水电阻，并运用上面的公式就可以计算出实际配制的液体电阻阻值。由于液态 电阻的动电极初始位可随机调整，以及切换液态电阻的电动执行器速率可随机 调整，使得液态电阻的阻值及变化速率均可根据系统负载的实际情况进行调整， 从而充分发挥了液态电阻可无级切换及现场可随机调整的优势。 2 2 液态软起动系统结构构建 液态软起动系统由控制器，变 频器和水电阻等部分组成。其系统 结构图如图2 - 4 所示。电网电压为 1 0 k v 高压，g l 是隔离开关，t c 是负荷开关，m 为电机，y z q 是水 电阻，j k 为水阻短接开关。 液态软起动器通过机械传动装 置使导电液体中两平行极板的距离 逐渐减小直至为零，使串入电机回 路中的电阻值由最大逐渐平滑减小 为零，当电动机转速逐渐平滑上升 至额定转速，此时短接开关j k 将 水电阻短接，电机起动完成。控制 器根据设定的电机起动方式及策略 对采集到的起动电流信号进行智能 1 0 图2 4 液态软起动系统结构图 武汉理t 大学硕十论文 控制，并产生输出电压信号来控制变频器的输出频率，变频器拖动传动机构带 动动极板向下靠近静极板，从而调节电机的起动电流，实现大中型绕线式电动 机的重载平滑起动。 2 3 智能控制器方案及结构设计 2 3 1 智能控制器方案设计 目前，液态软起动的控制方案有传统的模拟仪表控制、继电接触器控制、 专用的工业控制机控制、p l c 控制、微处理器控制等。随着技术的不断发展， 模拟仪表控制和继电接触器因其控制性能差已逐步被淘汰，专用的工业控制机 控制效果理想，但是价格昂贵，灵活性差，只能用在特定的场合。因此，本设 计对智能方案的选择主要是对p l c 方案和微处理器方案两者之间进行选择。 p l c 的内部电路采用了先进的抗干扰技术，某公司生产的p l c 平均无故障 时间竟高达3 0 万小时，具有很高的可靠性。p l c 还带有故障自检功能，使用 者还可以将故障自诊断程序写入p l c 的外围器件，不言而喻，整个系统的可靠 性非常高。另外，p l c 编程易学易用，可运用于开关量逻辑控制、模拟量控制、 运动控制的工业领域。但是如果将较为复杂的控制算法应用到p l c 上，其实现 难度相当大，并且p l c 对数据的处理能力也不尽人意。并且p l c 的价格不菲， 如果系统需要i o 扩展或者进行模拟量控制，需要购买配套的i o 扩展模块和 模拟量输入输出模块，不能满足低成本的要求。 本设计选用微处理器作为液态软起动的智能控制器。微处理器在实现复杂 的控制算法时相对简单，程序维护方便且容易修改。而且，微处理器的外围资 源更加丰富，可供选择的模块种类多样，价格便宜。但是微处理器所设计的智 能控制器在抗干扰方面与p l c 有一些差距，因此在设计过程中必须采取一些有 效的抗干扰措施。 2 3 2 智能控制器结构设计 在液态软起动控制过程中，液态软起动控制器要控制电动机的起动电流使 其平滑起动。另外，控制器不但要控制开关量输入来接收设备回路闭合或断开 的状态信号及操作人员按键指示，而且需要控制开关量输出使得继电器的导通 或关断以及指示灯显示。动极板是靠变频器驱动传动机构来运动的，因此控制 器要控制变频器；人机界面靠控制器来显示电机起动时的各项参数功能等。于 是，根据液态软起动的控制要求对智能控制器的结构进行了设计。 液态软起动控制器结构图如图2 5 所示。 武汉理：j = 人学硕士论文 图2 5 液态软起动控制器结构图 控制器是控制系统中最核心的部分，本课题主要研究液态软起动的控制器。 液态软起动控制器的结构包括人机界面、a r m 处理器和输入输出信号等。人 机界面采用触摸屏作为上位机，用以显示电机起动时的运行状态、电机的各项 参数以及当前时间日期，并提示故障和报警，另外还设有密码设置和电机的部 分参数设置等：软起动信号有起动电流信号和起动电压信号，两个信号经传感 器进入a d 到a r m 处理器进行运算处理；开关量输入信号进入a r m 处理器 并通过它来判断开关的闭合或关断状态，开关量输出信号由a r m 处理器驱动 开关闭合或关断；a r m 处理器通过d aj 签片输出o 1 0 v 的电压信号来控制变 频器的输出0 - 5 0 h z 的频率，以调节极板的运行速度。 2 4 本章小结 本章介绍了水电阻的基本原理及其配置检测的整个流程，探讨了电动机液 态软起动的工作原理。然后对液态软起动的系统结构进行设计，通过比较传统 的模拟仪表控制、继电接触器控制、专用工控机控制、p l c 、微处理器这几种 控制方案的优缺点，选定用微处理器作为液态软起动的智能控制器核心，最后 分析了智能控制器的结构及其各个功能模块。 1 2 武汉理工人学硕七论文 第3 章液态软起动控制器硬件设计 3 1 液态软起动控制器硬件结构 3 1 1 微处理器的选定 微处理器是目前嵌入式系统工业的主流，微处理器的片上外设资源一般都 比较丰富，适合于控制，微处理器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而 使功耗和成本下降，可靠性提高。常用的微处理器有m c s 5 1 、d s p 、f p g a 、 a r m 7 等等。嵌入式微处理器的代表是单片机，8 位m c s 5 1 在嵌入式设备中 有着极其广泛的应用，但其处理速度相对较慢。d s p 具有快速计算的特点，主 要用来计算，比如进行加密解密、调制解调，优势是强大的数据处理能力和较 高的运行速度。f p g a 灵活性强，由于能够进行编程、除错、再编程和重复操 作，因此可以充分地进行设计开发和验证。a r m 7 具有比较强的事务管理功能， 可以用来跑界面以及应用程序等，其优势主要体现在控制方面。由于a r m 7 系 列微处理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，调试开发非常方便，代码密度高， 而且对操作系统的支持广泛，主频最高可达1 3 0 m i p s ，高速的运算处理能力能 胜任绝大多数的复杂运用，这些优势都是m c s 5 1 系列产品所不能达到的，另 外各个芯片差价不是太多，所以a r m 7 具有很高的性价比。因此，本系统选用 a r m 7 作为微处理器芯片。 本系统采用恩智浦公司的一款l p c 2 0 0 0 系列a r m 7 微处理器l p c 2 2 9 0 。 l p c 2 2 9 0 是一款基于1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s ，并支持实时仿真和跟踪的c p u 。 对代码规模有严格的控制，可使用1 6 位t h u m b 模式将代码规模降低超过3 0 ， 而性能的损失却很小。这款微处理器特别适合于自动化应用，它们还适用于工 业控制、医疗系统、访问控制和故障容限维护总线等应用领域。通过总线的设 置，l p c 2 2 9 0 拥有7 6 个g p i o 。由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非 常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器以及其它各种类型的 应用。 l p c 2 2 9 0 的主要特性有几下几个方面： ( 1 ) 1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s 核，l q f p l 4 4 封装： ( 2 ) 1 6k b 片内s r a m ； ( 3 ) 片内b o o t 装载程序可通过u a r t 0 提供在线系统下载及编程特性； 武汉理工大学硕+ 论文 ( 4 ) e m b e d d e di c e r t 可实现断点和观察点。当使用片内r e a l m o n i t o r 软件 对前台任务进行调试时，中断服务程序可继续运行； ( 5 ) 2 路互连c a n 接口，带有先进的验收滤波器，另有2 路u a r t ( 1 6 c 5 5 0 ) ， 高速i i c ( 4 0 0 k b i t s ) 及2 路s p i 总线； ( 6 ) 8 路1 0 位a d 转换器，转换时间为2 4 4 i r t s ； ( 7 ) 2 个3 2 位定时器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p w m 单元r 6 路输出) 、 实时时钟和看门狗； ( 8 ) 向量中断控制器。可配置优先级和向量地址； ( 9 ) 可设置的外部存储区( 寻址最大范围为1 6 m b ，支持8 1 6 3 2 位数据宽度； ( 1 0 ) 多达7 6 个通用i o 口( 可承受5 v 电压) ，9 个边沿或电平触发的外部 中断引脚； ( 1 1 ) c p u 工作晶振最大为6 0 m h z ，并内嵌可编程锁相环p l l ； ( 1 2 ) 片内晶振频率范围：1 - - - 3 0m h z ； ( 1 3 ) 两种低功耗模式，空闲掉电； ( 1 4 ) 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒； ( 1 5 ) 外设功能可单独使能禁止，实现功耗最优化； ( 1 6 ) 双电源 - - c p u 操作电压范围：1 6 5 1 9 5v ( 1 8v 士o 1 5 ； - - i o 操作电压范围：3 0 - 3 6v ( 3 0v 士l o ) ，可承受5 v 电压。 3 1 2 液态软起动控制器系统组成 根据液态软起动的控制要求，液态软起动控制器系统主要包括最小系统、 电源、信号采集调理电路、a d 转换、d a 转换、液晶显示、开关量输入输出、 图3 1 液态软起动控制器系统结构框图 1 4 武汉理r 大学硕士论文 a d 转换将模拟量信号转换成数字量信号，然后微处理器识别数字量信号 并通过换算处理来完成对数据的采集。d a 转换将数字量信号转换成模拟量信 号。当微处理器输出一定的数字信号量，经由d a 转换器就能将对应的数字量 转换成模拟量信号。 开关量输入信号是开关断开或闭合的状态信号，由开关量输入电路将输入 信号转化为电平信号，微处理器通过判断电平的高低来判断开关量的断开或闭 合。开关量输出信号是由微处理器发出高电平信号，然后通过驱动电路驱动中 间继电器，控制相应器件的断开或闭合。由于液态软起动器需要控制很多开关 量，每个开关量都占用一个i o 口，l p c 2 2 9 0 微处理器的i o 口资源有限，因 而要进行i o 口扩展。 人机界面采用的是一款液晶触摸屏，触摸屏可以直接在上面进行菜单操作， 而传统的液晶显示屏需要按键来执行菜单项的选择，所以触摸屏操作方便快捷， 且显示效果不亚于传统显示屏。 存储器选用5 1 2 m 的n a n df l a s h ，n a n df l a s h 是f l a s h 内存的一种，其 内部采用非线性宏单元模式，它的单元密度高，可以实现较高的存储密度， 为固态大容量内存的实现提供了廉价有效的解决方案，。n a n df l a s h 存储器 容量较大，写入和擦除速度快，适用于大量数据的存储。此外还有低功耗、 低成本和高性能等特点，并且像磁盘一样可以通过接口轻松升级。在本系统中， 将n a n df l a s h 用来存储参数和保存历史数据，如存储电机额定功