低压电动机软起动装置控制器设计方案.doc

低压电动机软起动装置控制器设计方案1 功能概述根据所设定的软起动或软停止方式及参数，控制晶闸管的触发角度变化，改变电动机进线电压，实现电动机的软起动或软停止。同时全程监测电动机电流，实现对电动机的多种保护。2 组成框图控制板旁路接触器电动机晶闸管电 网触发脉冲电压同步电流信号外部信号电源数码管、键盘状态、故障指示3 功能模块控制器按功能可以分为四个模块，分别分析如下：3.1 调节单元工作方式分为四种：斜坡电压起动、恒流起动、硬停止、软停止。通过对限流倍数的设定来实现起动方式的选择：限流倍数为0，为斜坡电压起动；限流倍数大于0，为恒流起动。通过对停止时间的设定来实现停止方式的选择：停止时间为0，为硬停止；停止时间大于0，为软停止。3.1.1 斜坡电压起动a. 检测到起动信号，且旁路接触器断开，参数限流倍数设置为0；b. 由设定的起始电压计算出触发角度，发出晶闸管触发脉冲，熄“停止”指示灯，亮“起动”指示灯；c. 按设定的起动时间，逐步移动触发角度，增大电机电压；d. 晶闸管触发角达到0度，即电机电压达到全压，起动完成触点闭合，使旁路接触器闭合；e. 检测到旁路接触器闭合信号，停止发触发信号，晶闸管全部关断，熄“起动”指示灯，亮“运行”指示灯，起动完成。全压U起始电压t起动完成3.1.2 恒流起动a. 检测到起动信号，且旁路接触器断开，参数限流倍数设置大于0；b. 由设定的起始电压计算出触发角度，发出晶闸管触发脉冲，熄“停止”指示灯，亮“起动”指示灯；c. 电机电流未达到限制值时，按程序内置的较大斜率，逐步移动触发角度，增大电机电压；d. 电机电流达到或大于限制值时，根据电流反馈对触发角度进行比例-积分调节，以保持电机电流稳定在限制值；e. 晶闸管触发角达到0度，即电机电压达到全压，起动完成触点闭合，使旁路接触器闭合；f. 检测到旁路接触器闭合信号，停止发触发信号，晶闸管全部关断，熄“起动”指示灯，亮“运行”指示灯，起动完成。全压U起始电压t起动完成限流阶段3.1.3 硬停止a. 检测到停止信号，且旁路接触器闭合，参数停止时间设置为0；b. 不发触发信号，晶闸管全部关断；c. 熄“运行”指示灯，闪亮“停止”指示灯； d. 起动完成触点断开，使旁路接触器断开；e. 检测到旁路接触器断开后，亮“停止”指示灯，停止完成。全压U停止t3.1.4 软停止a. 检测到停止信号，且旁路接触器闭合，参数停止时间设置不为0；b. 按触发角度0度发出触发脉冲，晶闸管全部开通；c. 熄“运行”指示灯，闪亮“停止”指示灯； d. 起动完成触点断开，使旁路接触器断开；e. 检测到旁路接触器断开后，按设定的停止时间，逐步增大触发角度，减小电机电压；f. 晶闸管触发角达到150度，即电机电压为0，停止发触发信号，晶闸管全部关断，亮“停止”指示灯，停止完成。U全压t停止开始停止完成3.2 保护单元（保护动作参数为暂定值）故障保护分为五种：电流缺相、过流、三相电流不平衡、超时、外部故障。控制器只需采集三相电流信号。3.2.1 电流缺相电流信号一相为0时，延时1s发出故障信号。起动、停止及运行时均有效。3.2.2 过流起动时：限流起动时，电流达到（限流倍数+0.5）Ie并持续3s，即发出故障信号。（斜坡起动时不进行过流保护。）运行时：电流与持续时间关系如下实际电流1.21.4Ie1.41.6Ie1.6-1.8Ie1.82.0Ie2.22.4Ie2.42.6Ie2.62.8Ie2.83.0Ie3.23.4Ie3.43.6Ie3.63.8Ie3.84.0Ie4Ie持续时间20s19s18s17s15s13s11s9s7s5s3s1s0.5s电流达到相应的持续时间后，即发出故障信号。3.2.3 三相电流不平衡当任意两相电流差值大于25%，持续1.5s，发出故障信号。起动、停止及运行时均有效。3.2.4 超时起动开始后60s，若旁路接触器没闭合，则触发角减为0，强制晶闸管全开通，起动完成触点闭合，闭合旁路接触器。检测到旁路接触器闭合信号，停止发触发信号，晶闸管全部关断，熄“起动”指示灯，亮“运行”指示灯，不发故障信号。起动开始后65s，若仍然没有检测到旁路接触器闭合信号，则发出故障信号。3.2.5 外部故障接线端子输入外部故障信号，执行故障保护。以上发出故障信号后，亮相应的故障指示灯，关闭晶闸管，断开旁路接触器，故障输出继电器动作，发出闭合/断开两种信号。故障信号具有保持功能，必须由外部的故障复位信号复位。3.3 触发单元采集三相电压的同步信号，将调节单元给出的调节量转换为触发角，产生触发脉冲，功率放大、隔离后可靠触发晶闸管。三相自动对相序。3.4 存储/显示单元 通过数码管和键盘读入各种参数并存储，运行时提供给调节和保护模块，并实时显示电机电流。通过发光二极管显示装置的运行状态和故障类别。4 输入输出接口输入输出接口如下表所示，共32个。名 称接点数说 明供电电源2380V:18V/2A 变压器输入晶闸管触发脉冲12六路，不分相序电机电流信号6主回路三相电流互感器输出软起动/软停止开始信号3短接有效；1个公共点起动完成触点2常开触点，完成时闭合；触点容量AC 250V/10A旁路状态输入2短接表示旁路闭合外部故障输入2短接有效故障输出触点3常开、常闭各一个，1个公共点；触电容量AC 250V/10A故障复位2短接有效合计：34个接点5 指示灯和按键在面板上通过发光二极管方便直观地显示装置的运行状态和故障类型。4位数码管和6个按键完成参数的显示和输入。5.1 状态指示停止（红色，常亮表示电机断电停机，闪亮表示电机软停止过 程中）、起动（黄色，亮表示电机软起动过程中）、运行（绿色，亮表示旁路接触器闭合，电机全压运行）。5.2 故障指示缺相、过流、三相不平衡、超时、外部故障，全部为红色。5.3 数码管4位，参数设定时提示输入和显示参数，运行时显示电机电流。5.4 按键共6个，分为上、下、左、右、确定、取消，输入参数用。6 操作界面参数设定共6个：1-电机额定电流、2-电流互感器变比、3-软起动起始电压、4-软起动时间（斜坡电压起动方式有效）、5-起动限流倍数（限流起动方式有效）、6-软停止时间。6.1 正常模式a 开机b 初始化完成，进入待机状态，显示电机电流c 按“确定”进入参数设置d 按“上”、“下”选择需要修改参数e 按“确定”进入修改，可修改位闪烁f 按“左”、“右”选择位g 按“上”、“下”修改数值h 按“确定”确认修改，返回3.状态；或按“取消”放弃修改，返回3.状态i 重复4.8.，直至完成修改j 按“取消”返回待机状态，显示电机电流k 正常工作时实时显示电机电流6.2 调试模式调试模式供控制板测试或整机现场调试用，功能为自动/手动调整触发角度，触发晶闸管。自动方式下，触发角度从150度移至0度，再从0度移至150度，重复，往返周期30秒。手动方式下，从控制面板手动调节触发角度。a. 开机b. 初始化完成，进入待机状态，显示电机电流c. 按“取消”进入调试模式d. 按“上”、“下”选择调试方式（1为自动/2为手动）e. 按“确定”开始调试过程，显示触发角度f. 自动方式下，触发角度自动变化；手动方式下，按“左”、“右”减小或加大角度g. 按“取消”退出调试过程h. 重复4.7.，直至完成调试i. 按“取消”返回待机状态，显示电机电流6.3 故障模式发生与控制板有关的故障时，操作界面会有相应的显示，详见7.3.3节。7 可靠性设计控制板的可靠工作与否，直接关系到软起动装置的可靠性，进而影响用户电动机系统的正常工作。因此针对控制板进行高可靠性设计十分必要。7.1 可靠性设计目标根据用户的要求，控制板可靠工作寿命需达5年以上。7.2 可靠性设计条件低压软起动装置一般安装在生产企业现场，控制板工作在高电压、大电流、强电磁干扰电气条件下。因此控制板可靠性设计需有针对性地采取绝缘、隔离、纠错、抗干扰等措施，确保控制板正常工作。7.3 可靠性设计针对控制板的工作环境，可靠性设计应从元器件的选取、控制电路的设计和发生故障后的保护三方面进行。7.3.1 元器件控制板工作在生产企业现场，环境条件较为恶劣，因此控制板的元器件均选用工业级，工作温度一般为-40+85，足以满足大多数工作现场的环境条件。7.3.2 电路设计（1）输入输出接口的隔离输入输出接口除“起动/停止开始信号”、“旁路状态输入”、“外部故障输入”、“故障复位”四个接口外，均通过光耦、电流互感器、脉冲变压器或继电器与主电路隔离，确保无高电压强电流串入。上述四个接口采集的是通/断的开关信号，由外部电路进行隔离。（2）故障模式分析分析控制板工作中可能出现的故障，进行针对性设计。序号故障模式故障后果严重程度发生机率检测方法故障原因保护措施备注1旁路接触器控制信号误动起动过程中，接触器提前闭合，电动机电流上升；停止过程中，接触器闭合，电动机重新运行；运行过程中，接触器断开，电动机硬停止。严重很小无电磁干扰单片机分两路分别发出接触器控制信号，两路信号相同才能控制接触器；控制信号加滤波，防止尖峰干扰；运行过程中，由“运行”指示灯信号锁定接触器状态，确保运行过程中电动机不断电。2晶闸管触发脉冲丢失偶尔丢失，电动机三相轻微、短暂不平衡轻微小无电磁干扰无长期丢失，电动机三相严重不平衡严重极小六路触发脉冲指示灯硬件损坏控制板检测到三相不平衡故障，进行保护动作，发出故障信号。3存储的控制参数错误控制过程不正确中等很小控制板上电自检电磁干扰参数分开备份存储，通过比较上下限自检纠错。极小硬件损坏控制板检测到电动机故障，进行保护动作，发出故障信号。4控制程序跑飞控制板失效，电动机突然断电严重很小无电磁干扰硬件看门狗，程序跑飞后将单片机复位。极小硬件损坏无5电流信号采集故障限流起动时，电动机加全压或过流保护；运行时，发生缺相或过流保护中等极小电流显示保持为0或999硬件损坏对电流信号采集电路进行限幅保护；控制板检测到故障，进行保护动作，发出故障信号。6故障输出误动外接的故障处理设备动作中等很小无电磁干扰单片机信号与故障指示灯信号两路同时控制输出；控制信号加滤波，防止尖峰干扰。7外部故障输入误动控制板进行保护动作，发出故障信号中等很小无电磁干扰输入信号加滤波，防止尖峰干扰。8故障复位误动起动、停止过程中，电动机突然断电中等很小无电磁干扰输入信号加滤波和0.1秒延时，防止尖峰干扰；9指示灯、按键故障指示灯、数码管无显示，按键无效轻微极小无显示硬件损坏无10控制板掉电电动机硬停止严重极小显示Erro电源过载电压检测芯片，电压低于4.6V时单片机转入保护动作，等待手动停止（硬/软停止）。无硬件损坏无7.3.3 控制板保护动作 控制板对自身的保护主要是工作过程中监测工作电压、电动机电流数据，以及复位后的自检。 （1）工作电压 配置专门的电压监测芯片，当工作电压低于4.6V时发出报警信号。此时控制板上的数码管显示Erro，控制板发出故障输出信号，等待手动停止（硬/软停止）。（2）电流数据电流信号超量程或A/D转换芯片损坏后，采集的电流数据保持为0或999。持续一个周期后，控制板发出故障输出信号，此时控制板上的数码管显示0或999。除此之外控制板仍正常工作，只是不进行电流监控（限流起动的转为斜坡起动），等待手动停止（硬/软停止）。（3）复位自检控制板上电复位或工作过程中复位后，处理过程如下：a. 关闭晶闸管。b. 检查硬件状态：接触器状态、起动/停止信号、电机电流信号、按键状态。c. 硬件状况判断：如果检测到接触器闭合且电动机电流为0、或接触器断开且电动机电流不为0、或有起动/停止信号、或有按键按下时，认为硬件发生故障，显示Erro，发出故障输出信号，等待故障复位；如果检测到接触器断开、电动机电流为0、无起动/停止信号且无按键按下时，认为电动机在停机状态，硬件正常；如果检测到接触器闭合且电动机电流不为0，认为电动机在运行状态，硬件正常。d. 软件状况判断：读出所有存储的控制参数（包括原本和备份），进行比较，相同后再与设定的上下限比较。比较无误，认为软件正常；比较错误，认为软件故障。电动机停机状态下，直接闪烁显示错误的参数，按“确定”进入参数设置，重新设定参数；电动机运行状态下，显示Erro，发出故障输出信号，不进行电流监控，等待手动停机（硬停止）后故障复位。f. 复位完成：硬件、软件检测正常后，自检完成。电动机停机状态下，等待按键信号或起动信号；电动机运行状态下，进入电动机电流监控。综上所述，控制板复位可以在停机、运行状态进行，不影响电动机状态；在起动、停止状态复位，则会使电动机断电（硬停止）。8 控制板安装8.1 外形控制板外形尺寸约200300（mm），板上含有脉冲变压器、指示灯、数码管、按键，因此不再需要其他的电路板。控制板外形如下图所示： 电源 电流输入 起动完成 故障输出脉冲变压器G1K1G4K4G3K3G6K6G5K5G2K2起动运行停止缺相故障过流故障三相不平衡故障超时故障外部故障起动/ 旁路 故障 故障停止 状态 输入 复位8.2 安装为了调试、检修方便，将软起动装置前面板设计成可开合式的，控制板安装在前面板背面，如下图所示：将控制板固定在前面板的背面，控制板元器件面朝装置壳体。指示灯、数码管和按键安装在元器件面的反面，直接与前面板的开孔吻合。该安装方式的优点是打开前面板就可以直接观察到控制板和装置内的晶闸管，调试、检修方便；不足之处是控制板引出线较多，都需从转角处转接，且引出线较长。8.3 主电路接线控制板与主电路的连接如附图所示。9. 可扩展性根据用户要求，控制板预留出RS232接口（不安装器件），以便今后增加与控制计算机传送数据的功能。无其他软、硬件预留。10. 结论本设计方案根据用户需求，从控制板的系统框图、模块功能分析、输入输出接口、人机界面操作、外形尺寸等方面进行了详细的说明，并有针对性地开展了提高可靠性的设计。方案较为全面的覆盖了控制板设计的各方面，可以作为控制板具体电路设计、测试、验收的依据和标准。附图 控制板与主电路的连接首先你要搞懂电机原理，定子绕组通电后产生旋转磁场，转子绕组中感应出电流，这个电流在旋转磁场中产生力（通电导体在磁场中受力的作用）电机就转动起来了，这就是三相感应电机的工作原理。常见的笼形电机转子绕组是一个铝或铜制的象笼子一样的东东，对外不引出接线，具有结构简单、牢固、低成本的优点，但缺点是起动电流大，起动转矩小。而这两个参数与转子绕组的电阻大小有关，转子绕组电阻大，起动电流就小，起动转矩就大，但电机起动后，转子电阻大却会造成转速升不上去，效率低的不良后果。因此理想的感应电机是希望起动时转子电阻大，运行时转子电阻小，这就出现了绕线式电机，转子绕组不再做成笼形，而是有三个引出端，起动时接入电阻，起动后切除电阻并把三个引出端短接起来，而且还可以利用接入电阻的大小来调速。绕线电机转子绕组短接时就相当于笼形电机绕线电机液体电阻起动器 工作原理在绕线电机的转子回路中串入特殊配制的电解液作为电阻，通过调整电解液的浓度及改变两极板间的距离，使串入电阻阻值在起动过程中始终满足电机机械特性对串入电阻值的要求，从而使电动机在获得最大起动转矩及最小起动电流的情况下均匀升速、平稳起动，起动结束后短接转子回路，完成电动机的起动。应用范围适用于三相交流50HZ，额定工作电压为380V10KV，额定功率为75KW10000KW绕线式交流异步电动机的重载平滑软起动，尤其是电网电压不稳或偏低的工矿企业。性能特点软起动，起动电流小Iq1.3Ie（A），降低电机起动升温，有效地延长电机使用寿命；起动时间预整定为1060s，现场可调；电液正常工作温度： 5-70C；可连续起动510次，起动性能优于频敏起动器；起动过程平滑，对机械设备无冲击；对电网要求不高，不会产生谐波而影响电网；具有起动超时、失压、超行程、超温等多重保护功能；订货须知订货时请提供下列资料：电动机型号、额定功率、额定电压、额定转子电流、转子电压、额定转速；电动机拖动的负载特征（工况说明）；柜体表面颜色；起动器带一次回路时电机最大功率不超过1250KW，柜体尺寸订制；若用户有特殊要求，请与我公司协商订货。三相绕线式异步电机，它具有启动电流小，且启动扭矩大，并能在一定范围内调节速度，它适合启动时间较长和启动较频繁的场合，被广泛应用于矿山、化工等各领域的球磨机、破碎机、风机、空压机等电机传动设备中。 根据电机转速公式（式一）可以得出要想改变电机的转速可以从以下几点入手：（1）改变电机的极对数；（2）电机工作电源频率；（3）电机的转差率；但是不同的调速方式无非是改变交流电动机的同步转速或不改变同步转速两种。 N0=(1s)60f/p （式1）（此公式适合所有的交流电机调速。） P电机极对数；s电机转差率；f电机工作电源频率；N0电机同步转速； 然而对于绕线电机调速，一般都是给转子中接串电阻达到调速的目的，接下来介绍几种绕线电机的简单调速方法： 一、串电阻启动调速。 原理：对于绕线式异步电动机，当电网电压及频率不变时，在转子回路中串入电阻后，可以改善电动机的起动转矩，在绕线电机转子中串接启动电阻，减小启动电流，电阻一般接为星形接法，根据公式： I0=U0/R0（式2） 当转子串接电阻时R0,在U0不变的情况下，I0,此分析忽略电机感抗的损耗。 启动前将电阻全部接入转子回路，随着启动过程的结束，启动电阻被逐级短接，KM1,KM2,KM3逐级吸合，保证始终有较大的起动转矩，短接方式可以遵循时间和电流调节原则，KA1,KA2,KA3中间继电器可以根据实际工作 情况而定。 串电阻优点：1、系统稳定，手动控制简单。 2、对检修维护要求低，对维护人员技术要求不高。 缺点：1、手动操作、起动性能不稳定、起动电流大（约为35le），转子能耗高。 2、技术落后，目前已逐渐被淘汰。 3、属有级调速，机械特性较软。 二、串频敏变阻器调速启动。 由于串电阻有以上缺点，经过不断的总结和改造，出现了串频敏变阻器调速启动，其原理：利用电感器的交流阻抗随着通过的电流频率的增大而增大的原理设计的，绕线电机在起动过程中，转子电流频率（式3），随着转速逐渐上升，而s下降，当很小时，f0也逐渐下降直到无穷小。 F0=s*f1（式3） F0转子电流频率；s电机转差率；f1定子电流频率； 频敏变阻器是一种无触点的电磁原件，可视为带铁心的三相电抗器，在电机起动过程中，它的阻抗会随着转子电流的频率变化而逐渐减少，故无需用人为去控制其阻抗数值，当转速达到额定转数时，可用接触器KM1，将其短接。如图一b 优点：1、实现无级平滑启动。 2、能实现自动与手动控制。 3、运行稳定，维护简单，目前在低压、小功率绕线电机中多采用此启动器。 缺点：1、对电压稳定性要求高，稍低即难起动。 2、不能连续起动，连续启动时间间隔为3分钟左右。 3、频敏包易烧毁，对绝缘要求高。 三、串极调速启动 串级调速是指绕线式电动机转子回路中串入可调节的附加电势来改变电动机的转差，达到调速的目的。 原理：假定异步电机的外加电源电压U0，及负载转矩ML都不变，则电机在调速前后转子电流近似保持不变。若在转子回路中引入一个频率与转子电势相同，而相位相同或相反的附加电势E1则转子电流I0为： I0=(E0E1)/(R2+X0)1/2（式4） E0-转子开路相电势；R2-转子回路电阻；X0-转子旋转时每相漏抗； 当电机在正常运行时，转差率s很小，故R2X0，忽略X0，上式中，E0取电动机的一个常数，所以改变附加电势E1就可以改变转差率s ，从而实现调速。实际E0E1常数（式四） 设当E1=0时电动机运行于额定转速，即n=n0,s=s0,当附件电势与转子相电势相位相反时，E1为负，改变E1的大小，可在额定转数以下调速，这称为低同步串级调速（即s0），当附件电势与转子相电势相位相同时，E1为正，改变E1的大小，可在额定转数以上调速，这称为超同步串级调速(即s0)。 根据转差功率吸收利用方式，串级调速，多采用晶闸管串级调速，晶闸管低同步串级调速系统是在绕线异步电动机转子侧用大功率的晶闸管或整流二极管，将转子的转差频率交流变为直流，再用晶闸管逆变器将转子电流返回电源以改变电机转速的一种方式。晶闸管低同步串级调速系统主回路见图二。 此控制调速系统效率利用率高，它能实现无级平滑调速，低速时机械特性也比较硬，但是在运行中也必须要注意以下两点： 1、必须有严格的启动和切换顺序，由于硅原件的赖压和额定电流的影响，必须保证电机转速达到规定的最低转速以上时才允许切换至串级调速运行状态，启动顺序是：给控制回路送电，接通逆变器主电源转子接入频敏变阻器，接通定子电源，启动电机，电机加速至规定转速时切换至串调运行，此后立即切断频敏变阻器。 2、必须有正确的停车顺序，由于绕线电机空载时励磁电流较大，为电机额定电流的25%，因此在电机分闸时不允许转子开路，否则将产生严重的过压，甚至击穿电机绝缘，停车时应保证逆变器比整流器迟脱离电网，停车顺序为，使串调装置脱离电机转子，同时接入频敏变阻器，切断电机定子电源，切断逆变器电源，切断控制回路。 串调装置优点：电能有效利用率高，能实现无级平滑调速，机械特性硬，晶闸管被广泛应用，技术难度不大，性能比较完善。 缺点：对操作人员要求比较高，一旦损坏，维护难度大。 四、绕线电动机转子串水电阻和转子变频调速启动。 目前在许多矿山设备中多采用高压（0.6KV-10KV）和大功率(650-2000KW)绕线异步电动机，如果继续采用以上的启动方式，则对设备和技术要求更高，系统保护更繁琐，面对此情况，开发出了转子串水电阻和转子变频调速启动。 1、转子串水电阻启动。 它是通过在电机转子回路中串入液体电阻，自动无级调整该电阻使其由大变小最后为零，实现电机降压无冲击地平滑起动。 水电阻启动的原理是：水电阻是利用一个水槽，将一定配比的碱性液体置于水槽中，水槽两边设铜质极板，一