电力电子课程设计 软启动器.doc

辽宁工程技术大学课程设计引言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34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。1 三相异步电动机软启动器的概述1.1为什么要使用软启动器现在传动工程中最长用的就是三相异步电动机。在许多场合，由于其启动特性，这些电机不可以直接连接电源系统。如果直接在线启动，将会产生电动机额定电流6倍的浪涌电流，该电流可以使供电系统和串联开关设备过载。如果直接启动，也会产生较高的峰值转矩，这种冲击不但对驱动电机有冲击，而且也会使机械装置受载。例如，辅助动力传动部件。为了降低启动电流，应使用启动辅助装置，如启动用电抗器或自耦变压器。但是该方法只可以逐步降低电压，而软启动器通过平滑的升高端子电压，可以实现无冲击启动。可以最佳的保护电源系统以及电动机。1.2 本课题研究内容软启动器本质上是一种调压装置，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,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。包括触发电路，检测电路，控制电路，驱动电路等。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软启动器工作原理和主接线图软启动器的工作原理：控制其内部晶闸管的导通角，使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至起动结束，赋予电机全电压，即为软起动，在软起动过程中，电机起动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。软起动结束，旁路接触器闭合，使软起动器退出运行，直至停车时，再次投入，这样即延长了软起动器的寿命，又使电网避免了谐波污染，还可减少软起动器中的晶闸管发热损耗。软启动的接线图、电压、电流曲线图：图2-1 接线图电流转速电压时间图2-2 带有电压斜坡的软启动器3软启动器流程图本软起动器是以双STC89C52RC单片机为控制芯片的三组反并联晶闸管调压电路构成的。该软起动器的系统流程图如图3-1所示：图3-1 流程图本软起动器由输入和输出部分组成。输入部分分为键盘和检测信号的输入，键盘可以设置一些参数，进行人机交互；检测信号把系统运行的信息反馈给单片机，供单片机处理。输出由晶闸管驱动电路和LCD显示部分组成。晶闸管驱动电路是三组反 并联晶闸管，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起动过程完成以后，把反并联晶闸管组从三相电源中旁路。在需要软停车时，再把软起动器装置接入到电机回路中，完成软停车的功能。 LCD显示部分由12864液晶屏显示必要的信息（电压、电流、转速等）。4各部分电路设计 图4-1 单片机最小系统单片机最小系统组成：STC89C52RC单片机，复位电路，时钟电路，上拉电阻。此单片机最小系统为经典电路，其中P0口因为内部没有上拉电阻，当做为数据口使用时必须外接上拉电阻。 图4-2 键盘 图4-3 报警电路键盘采用5个独立按键，构成方向导航式，更符合人们的操作习惯。报警电路是三极管驱动蜂鸣器发声，当电压、电流等参数出现异常时，系统切断电源，并由蜂鸣器发出报警信号，做出及时提示。图4-4 液晶显示电路液晶显示电路是根据12864液晶使用手册连接的，经试验能稳定工作，其中滑动变阻器是调节液晶屏的对比度，以达到合适的视觉效果。 图4-5 晶闸管驱动电路晶闸管驱动电路由单片机引脚控制光耦来驱动单向可控硅。电路中的电阻值是资料中给出的最佳数值，使用光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。电路亮点：单片机引脚与光耦发光二极管的阴极相连，这样能有效防止单片机上电时高电平造成的误动作，这是工程中不允许的。 图4-6 过零检测电路过零检测的作用可以理解为给主芯片提供一个标准，这个标准的起点是零电压，可控硅导通角的大小就是依据这个标准。也就是说电机高、中、低、微转速都对应一个导通角，而每个导通角的导通时间是从零电压开始计算的，导通时间不一样，导通角度的大小就不一样，因此电机的转速就不一样。该电路通过两个光耦分别检测交流电的正负半个周期的过零点，将检测信号传送给单片机，单片机做出相应的判断，以控制晶闸管的导通时间，实现软启动。 图4-7 电压检测电路该电压检测电路主要由五部分组成：1、变压隔离。2、整流。3、滤波。4、电阻分压。5、电压跟随。变压隔离实现了单片机的弱电系统与三相异步电机的强电系统的隔离，同时把电压转换成ADC能转换的合适的电压范围。整流电路将交流电转换成波动的电压，再经过滤波变成直流电，分压电阻的作用是把电压二等分，以适合ADC的电压转化范围。电压跟随器作用是进行阻抗匹配，提高带载能力，使ADC获得一个更加精确的模拟电压。 图4-8 电流检测电路电流检测电路使用霍尔电流传感器，当线路中电流大小不同时，相应的感应磁场也不同，由于导线穿过霍尔电流传感器，传感器的感应电动势也不同，在经过内部的一系列处理，最后输出一个供单片机ADC检测的模拟电压。在传感器的输出端同样加了一个电压跟随器，保证电压尽可能精确的进入ADC。 图4-9 测速电路应用本测速电路需要在电机的轴上粘贴一反光片，用来反射红外发射管的光线。大致原理是红外发射管发出红外线，当电机的轴每转过一周时，都有一个发射信号被红外接收管接收，在比较器的正向输入端产生一个低电平，使比较器的输出端输出低电平，单片机根据低电平来处理信号，计算得出速度。电路电阻值均为经验值，能适应不同场合稳定工作。5软件设计思路6结论广泛应用的三相异步电动机起动时刻出现的起动电流一般高出额定电流的37倍，会对进线、供电电网、电动机以及其他设备造成严重危害。传统的降压起动存在着降压效果不明显、耗能大、有机械触点或不能平滑调节电压等缺点。由高性能控制芯片技术与电力电子技术的紧密结合产生的软起动器可以实现更灵活的实现降压起动。本文在查阅有关中外文献的基础上对晶闸管移相交流调压感应电动机软起动系统的硬件设计方面进行了主要的研究，而对于软件方面由于实验条件等方面的原因未作深入探讨，总结本课题研究的内容如下。1在分析了三相感应电动机的起动过程和三相交流调压电路的基础上，研究设计了晶闸管调压的触发方案。2采用单片机作为主控单元，主要设计了软起动系统的硬件电路。由于时间及实验条件等的限制，仍还有许多问题有待于进一步研究，例如软件设计方面阐述及论证的内容不够详实等。电机软起动器将来的发展方向是更加智能化和多功能化。目前来看，软起动仍以电压斜坡软起动和限流软起动为主要形式，以后转矩控制的起动方式将成为电机软起动的一种重要起动方式。从更长期来看，变频软起动将成为软起动的主流。这是因为变频软起动可以在限流(起动电流不超过电机额定电流值)的同时获得大的起动转矩，完成包括软停车在内的各种起动功能。7体会经过一周的课程设计，通过查阅相关书籍和上网搜索资料，我学会了很多知识，明白了软启动的器的大体控制思路，懂得了单向可控硅的使用方法，通过绘制原理图，熟练了绘图软件，也学会了使用一些常用的电子器件。通过亲身的实践设计，对书本上的东西有了更深层次的了解，这一周很累，很忙，但当设计结束回首我的设计文章时感觉很欣慰，很值得。参考文献1 张乃国UPS供电系统应用手册.电子工业出版社，2001.62 钱希森.小型UPS原理及应用.科学出版社，2000.93 李成章.现代UPS电源及电路图集.电子工业出版社，2001.74 刘凤君.市电电能质量补偿技术.科学出版社，2005.105 李成章.现代UPS电源及电路图集.电子工业出版社，2001.76 王其英.UPS电源分册.辽宁科学技术出版社,2002.67 陈翔宇，江和异步电机电子软起动器的现状和展望J电气开关，2003，6(2)：31-338 蒋家久中压交流电机软启动技术问题探讨C机车电传动，2004，3(3)：8-11 9 许宏纲，徐方逸软起动器原理及其应用能源技术，2002，23(3)：121-1