三相异步电动机软启动器的研究.doc

皖西学院本科毕业论文 设计 1 三相异步电动机软起动器的研究三相异步电动机软起动器的研究 作 者储国良 指导教师俞 鹤 摘要摘要 三相异步电动机因为其独特的优点 使其在工农业及其他各行各业中都有广泛的应用 随着经济 的发展 对电动机的要求也越来越高 我们习惯用的传统的起动方式不能满足现代化的要求 传统的起 动方法起动时对电网的电流冲击大 启动转矩小 为了改善三相异步电动机的起动特征 本文设计了一 种以 TMS320LF2407 DSP 处理器为核心的高性能三相异步电动机软启动器 其主要是通过控制晶闸管的 触发角来达到控制电压的目的 本文阐述了软起动器晶闸管调压电路的工作原理 主电路 保护电路等 的设计 基于该方式的软启动器采用晶闸管调压式 通过改变晶闸管的导通角来实现对定子两端电压的调节 从而来实现三相异步电动机的软起动 软停车等功能 关键词关键词 三相异步电动机 DSP 晶闸管 软起动器 皖西学院本科毕业论文 设计 2 The study of asynchronous motor soft starter Abstract three phase asynchronous motor because of it advantages so that in the industrial agricultural and other industries are widely used With the development of economy the motors are increasingly high requirements we used the traditional starting mode can not satisfy the requirement of modernization the traditional method of starting at the starting grid on the current impact starting torque is small In order to improve the starting characteristics of three phase asynchronous motor this paper introduces a design of TMS320LF2407DSP processor as the core of a high performance three phase asynchronous motor soft starter This paper expounds the soft starter thyristor voltage regulating circuit working principle mainly for the thyristor soft starter of three phase asynchronous motor main circuit Based on the way of the soft starter using thyristor voltage regulating by changing the conduction angle of thyristor to realize on the both ends of the stator voltage regulator In order to realize the three phase asynchronous motor soft starting soft stop function Key words asynchronous motor DSP thyristor soft starter 皖西学院本科毕业论文 设计 3 目目 录录 1 引言 4 1 1 三相异步电动机软启动器研究的国内外现状 4 1 2本课题的目的 4 1 3本课题研究内容 5 2异步电动机的起动 5 2 1 三相异步电动机的起动方式 6 2 2 软起动与一般降压起动的区别 11 2 3异步电动机的等效电路 13 3 软起动器系统 15 3 1 晶闸管相控调压原理 15 3 2 负载端电压与触发角 之间的关系 16 3 2 1第一种工作情况 17 3 2 2第二种工作情况 17 3 3 软启动器的停车功能 20 3 4 软起动器系统运行的控制系统 21 4 软启动器电路的设计 21 4 1 软起动器主电路的设计 21 4 2 保护电路设计 23 5 TMS320LF2407A DSP 介绍 24 结束语 24 参考文献 25 致谢 26 皖西学院本科毕业论文 设计 4 1 1 引言引言 1 11 1 三相异步电动机软启动器研究的国内外现状三相异步电动机软启动器研究的国内外现状 我国软起动技术起步于上世纪 80 年代早期 目前有 200 多家公司生产电机启动器 先 后也推出了多种品牌的软起动器 虽然取得很大成绩 但由于基础薄弱 所以国内的自主开 发和生产的能力还相对较弱 还在相当程度上依赖着国外产品 在技术上与国外同类产品也 有一定的差距 所以在软起动器的市场上 占据统治地位的还是国外产品 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 计算机技术 自动控制技术的迅速发展 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 为实现三相异步电动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自动控制技术的发展的 目前在国外 发达国家的三相异步电动机软起动产品主要是晶闸管软起动和兼作软起动 的变频器起动 在生产工艺兼有调速要求时 采用变频装置 在没有调速要求使用的场合下 起动负载较轻时一般采用晶闸管软起动 在重载或负载功率特别大的时候 使用变频软起动 发达国家软起动的主流产品是晶闸管软起动装置 各知名电气公司都有自己的晶闸管软起 动品牌 在其功能上又各具特色 例如 GE 公司生产的 ASTAT 智能电机软起动器 ABB 公司 生产的 PST PSTB 系列电机软起动器 施耐德公司的 ATS46 软起动器 德国 SIEMENS 公司的 3RW22 SIKOSTART 软起动器等等 从总体上看 我国软起动技术水平较国际先进水平还差距 1015 年 1 2本课题的目的本课题的目的 如图 1 1 所示 通过比较异步电动机的各种起动方式 我们可以看出 当电动机全压起 动时 对电网的冲击最大 冲击电流最大 冲击时间也最长 而通常使用的降压起动 对电 网的冲击虽比较小 但因为涉及到一个线圈电压的切换过程 所以出现二次冲击 而软起动 时电流是缓慢增大至设定电流的 故没有冲击电流 所以对电网的影响最小 并且能够消除 起动力矩的冲击 皖西学院本科毕业论文 设计 5 图 1 1 各种起动方式 1 31 3 本课题研究内容本课题研究内容 本课题是以 DSP 处理器为控制核心 设计了一个三相异步电动机软启动器控制系统 在本文中先了国内外异步电动机软起动器技术发展的现状 再详细的分析了软启动器的工作 原理 并又介绍了另外的几种起动方法 将之与软起动做比较 发现传统的起动方式具有明 显的缺陷 而以 DSP 为核心处理器的软起动器能够克服这种不足 实现无级平滑起动 具 有明显的优势 2异步电动机的起动异步电动机的起动 当电动机并入电网时 异步电动机从静止状态过渡到稳定运行的状态的过程叫异步电动 机的起动过程 观察一个异步电机的起动性能主要就是看它的起动电流和起动转矩 因此我 们选择异步电动机的起动方式时要考虑如何尽可能的降低起动电流 增大启动转矩 目前应 用较为普遍的有自耦变压器起动 串电阻或串电抗起动 Y 起动等方法 这些传统的降 压起动方法虽然能够缩短电流冲击的时间 但并没有从本质上解决问题 为了实现电动机能够快速的达到它的额定转速并正常工作 要求电动机具有足够大的起 动转矩同时起动电流不能太大 因此 我们要想办法在起动电流较小的情况下 如何能获得 较大的起动转矩 近三十年来 随着电力电子技术 微机控制技术的发展 现代控制理论与 电力电子技术的紧密结合 出现了电动机软起动技术 这是一个从全新的思路去实现的电动 机的起动 软起动技术具有传统起动方法所无法比拟的优势 皖西学院本科毕业论文 设计 6 2 12 1 三相异步电动机的起动方式三相异步电动机的起动方式 2 1 12 1 1 直接起动直接起动 对于电动机来说最简单 最直接的起动方法就是直接起动法 只是在一般情况下 直 接起动会造成电流相当大而启动转矩却不大的结果 例如在鼠笼式三相异步电动机中 起动电流 2 1 启动转矩 2 2 较大的起动电流对于绕组是非常不利的 特别对于需要频繁起动的电动机 起动电流 过大会使电动机发热 缩短电动机的使用寿命 过大的起动电流 还会造成线路中的电压增 大 在输电压一定的情况下 其他设备的电压就相对下降 这可能就会影响到其它设备的正 常运行 而相对较小的起动转矩 又可能造成电机的起动困难 只有在 Tst 大于 1 1 1 2 Tl 时 电动机才能正常起动 一般情况下 异步电动机的功率小于 7 5kW 时允许可直接 起动 当功率大于 7 5kW 电源总容量也较大 且满足 1 1 1 1 3 4 st N kv AI K Ikw 电源总容量 起动电动总功率 2 3 时也可采用直接起动 如图 2 1 所示 我们可以看出 直接起动的起动线路是最简单的 M3 FU1FU2 FU3 KM 图 2 1 直接启动原理图 皖西学院本科毕业论文 设计 7 2 1 22 1 2 传统降压起动传统降压起动 降压起动是在起动时先降低定子绕组上的电压 起动后 再把电压恢复到额定值 降压 起动虽然可以减小起动电流 但是起动转矩也会同时减小 因此 降压起动方法一般只适用 于轻载或空载情况下起动 降压起动的具体方法很多 这里介绍下列四种降压起动的方法 1 阻抗起动 如下图所示 阻抗起动就是在电动机起动时 将电抗器接入定子绕组回路 启动后 当 转速达到一定程度后再短接电抗器 使电动机恢复在全压下运行 在定子回路接入电抗器 时 电抗器起到分压的效果 也就达到了降压的目的 2 4 2 5 从上式看出阻抗起动降低了起动电流 但一样也降低了起动转矩 所以阻抗起动只适用 于空载和轻载起动 图 2 2 阻抗起动原理图 2 Y 降压起动 Y 起动适用于正常运行时定子绕组为三角形连结的异步电动机 接线原理图如下所 皖西学院本科毕业论文 设计 8 示 启动时使接触器触头 KM 1 KM 3 闭合 定子三相绕组接成星形 这时每绕组的相电 压为三角形连接 全压 时的从而达到电动机降压起动的效果 Y 起动时起动电流和 1 3 启动转矩都减小为直接启动时的 1 3 所以也只适合用于空载或轻载起动 起动后 当转速 达到一定程度后 使 KM 3 断开 KM2 闭合 定子绕组改接成三角形联结 电动机全压运 行 图 2 3 Y 起动原理图 3 自耦变压器起动 三相异步电动机自耦变压器起动电路如图 2 4 所示 启动时 开关 Q 投向 2 端 三相自 耦变压器 T 的三个绕组接到三相电源上 达到了降压的效果 起动后 当转速达到一定程度 后 开关 Q 投向 1 端 使自耦变压器短接 恢复定子绕组的全压运行 图 2 4 自耦变压器起动原理图 采用自耦变压器降压起动时 其电压降为直接起动时的 N2 N1倍 起动电流和起动转矩 皖西学院本科毕业论文 设计 9 降低到直接起动时的 N2 N1 2倍 自耦变压起动时 启动转矩降低的相对较小 所以能拖 动较大的负载运行 2 1 3软起动的软起动的起动方法起动方法 前面介绍的起动方法都是有级起动 且都只是适合那些空载或轻载运行的电动机 电动 机在起动中从一级切换到另一级必然会产生瞬时的冲击电流 从而造成起动不平稳 随着电力电子技术 自动控制技术的发展 软起动器作为一种新的无级起动器越来越 被人们所认可 软起动以其良好的起动性能和保护性能被广泛应用与异步电动机的起动运行 中 软起动有很多起动方法 以下介绍几种常用软移动的起动方法 1 斜坡电压软起动 起动电压从较低的起始电压开始 以固定的速率上升 直至达到额定电压 这种电压 由小到大的斜坡线性上升 将传统的有级压降起动变为无级起动 斜坡电压软起动的原理图 如下所示 只是这种起动方式的起动转矩小 启动时间长 对电机不利 主要应用于重载起 动 图 2 5 斜坡电压软起动 2 斜坡恒流软起动 斜坡恒流软起动时 起动电流先逐渐的上升至预先设定的值 Im 并保持不变 当起 动完毕后 电流才降为正常运行电流 斜坡恒流软起动的原理图如下所示 起动电流 Im 1 5 4 5 In 该起动方法的优点是起动电流小 在起动过程中 电流上升速率越大 那么起动转矩越大 起动时间越短 其电流的限定值也可根据实际需要自行调整 所以该起 动方式是应用最多的一种起动 皖西学院本科毕业论文 设计 10 2 6 斜坡恒流软起动 3 转矩控制软起动 转矩控制软起动原理图如下所示 该软起动其输出电压是按电动机的启动转矩线性上升 的规律来控制的 它由于起动平滑 对电网的冲击最小 所以主要被应用于重载起动 它的 缺点是起动的时间长 图 2 7 转矩控制软启动 4 转矩加突跳控制起动 转矩加突控制起动和转矩控制起动一样 也是用在重载起动的场合 所不同的是在起动 的瞬间用突跳转矩 克服拖动系统的静转矩 然后转矩平滑上升 图 2 8 转矩加突跳控制起动波形 2 22 2 软起动与一般降压起动的区别软起动与一般降压起动的区别 皖西学院本科毕业论文 设计 11 上述介绍的几种传统降压起动方式与本文介绍的软起动是有明显差别的 传统的降压起 动是在电动机启动时 降低加到电动机定子绕组的电压 从而达到减小电动机的启动电流的 目的 但传统的降压启动时加在电动机定子绕组的电压变化是瞬间突变的 能够在电路中引 起二次冲击电流 所以属于有级降压起动 而软起动是连续 平滑地上升直到达到额定电压 属于无级起动 软起动能做到恒流起 动 确保电机平稳起动 启动过程中也不会出现冲击电流 电动机中的电流都是从小线性上 升至设定值的 所以电动机对电网无冲击 异步电动机采用软起动时不受电网电压波动的影 响 传统的控制起动方式在让电机停机时 一般都是直接断电使其停止运行 而采用软起动 时 可以通过控制晶闸管导通角从全导通逐渐的减小 经过一段时间平滑的达到关闭的过程 这也就是只有当软起动时才能实现的软停车功能 异步电动机的机械特性可用转速与转矩的关系式来表示 其特性曲线如下图所示 图 2 9 异步电动机的机械特性 图 2 9 中 Sm为电动机在最大转矩时的转差率 Tm为电动机最大转矩 TN为电动机额定电压 为电动机理想空载转速 0 n T 为电动机转矩 为电动机转速 n 从上图中我们可以看出 如果采用传统的降压启动 当定子回路分担电压后 起动电压 减小为 U 0 5U 此时电动机的启动转矩为 0 25Tm 即此时的启动转矩远小于其最大转矩 且当电压 U 在 0 5UN 0 8UN UN 几个值中变化时 电动机的转矩相应的在 0 25Tm 0 6 Tm Tm几个值间跳跃 采用这样的起动方法是不平滑的 具有明显的缺陷的 皖西学院本科毕业论文 设计 12 而软起动是从一开始电压就是连续平滑的增加 在图中从第一根曲线平行连续不断的向 右移动 直至增加到额定电压 U 这样电动机的转矩也就随之相应的平滑的增大 直至增大 到转矩的最大值 Tm 这样的运行过程不再像以前的那样跳跃 而整个过程都是平滑 平稳 的 所以软起动具有明显的优势 在下表中 详细的列出了各种起动方法的主要电气性能的具体数据 通过比较 我们很 容易得出 软起动是异步电动机的最优起动方式 表 1 各种起动方式基本性能对比表 起动 方式 电气 性能 全压起动星 三角起动 定子串电阻 起动 自耦变压器 起动软起动 起动级数 12 3 或 2 4 3 2 无级 起动转矩为真接 起动转矩的倍数100 33 33 49 30 40 或 60 可设定 启动电流为真接 起动电流的倍数100 33 58 70 30 40 或 60 可设定 起动电流为额定 电流的倍数 4 7 1 8 2 51 5 61 6 41 5 6 需要的接线端子 数 3 个最小 6 个3 个3 个3 个 2 3 异步电动机的等效电路异步电动机的等效电路 为了进一步了解认识电动机的起动过程 及起动过程中转矩 电流 电压等变量间的关 系 我们将抽象复杂的异步电动机简化等效为 T 型稳态电路 通过建立等效电路的数学模型 使我们对三相异步电动机的分析更加的明确 简便 三相异步电动机的 T 形等效电路如下所 示 皖西学院本科毕业论文 设计 13 X2r2x1r1 xm rm i1i2 imu1 1 s s r2 图 2 9 异步电动机的 T 型等效电路 其中 x1为定子绕组的漏电抗 x2为归算到定子方面的转子绕组的漏抗 r1为定子绕组 的电阻 r2为归算到定子方面的转子绕组的电阻 xm代表与主磁通相对应的铁心磁路的励 磁电抗 rm代表与定子铁心损耗所对应的励磁电阻 i1为定子电流向量 E1为定子感应电动 势向量 U1为定子电压向量 im为磁电流向量 对于 T 形等效电路的数学模型 11111111 uE Zi rjxEi 2 5 2 222 r EIjx s 2 6 12m iii 2 7 1 2 E mm mmm EIZIrjx 2 8 由上四式可得 2 2 1 112 112 1 1 mm mm r jx s rjx IU rjxr rjxjx rjxs 2 9 在异步电动机里 因为 r1 x1 rm xm 故可以近似省略 r1 rm 则式 2 9 可以又可表示 皖西学院本科毕业论文 设计 14 为 1 12 112 1 m m U II xr rjxjx xs 2 10 由等效电路可知 异步电动机输入的电功率 P1分别消耗在定子绕组的电阻中即为定子 铜耗 Pcu1 一部分消耗在定子铁心上即铁耗 PFe 剩余的为电磁功耗 Pem 其中 Pem为 1222122 cos em Pm EIm Irs 2 11 电磁转矩为 0 1 1 mecmecem em Ps PP T s 2 12 其中 为转子角速度 Pem为机械功率 为同步角速度 由 2 60 n 11 0 2 2 60 nf p 式 2 11 和式 2 12 可得 2 2 1 2 01 2 em em Prp Tm I fs 2 13 根据 T 形等效电路可得 1 2 22 2 112 U I r rxx s 2 14 将式 2 14 代入 2 13 得 2 2 1 1 2 21 2 112 2 2 em r U pm T f r rxx s 2 15 皖西学院本科毕业论文 设计 15 刚起动时 转子 n 0 转差率 s 1 此时启动转矩为 2 112 22 1 1212 2 st pmU r T f rrxx 2 16 同时 由于激磁电流相对较小即 近似为 1 由式 2 10 的得起动电流为 0mI 1 1 m x x 1 22 212 st U I rrxx 2 17 由式 2 16 和式 2 17 可知 起动转矩跟定子两端电压的平方成正比 起动电流跟定子电压成 正比 即当电子电压较低时 起动电流就较小 启动转矩也较小 反之亦然 3 软起动器系统软起动器系统 软启动器是包括软起动 软停车为一体的电动机运行装置 犹如其平滑的优良的性能得 到广泛的应用 是一种新型的电动机运行装置 软启动器最核心的原理就是通过控制接在电 源与定子间的三相并联的晶闸管的导通角 也就是通过改变晶闸管的触发角来控制调压器的 电压输出以满足不同的需要或实现不同的功能 这种通过改变相角的方式来控制电动机的输 出电压 即为移相调压 以移相调压的方式来实现的电动机起动 可使电动机实现平滑起动 所以称其为软启动器 3 13 1 晶闸管相控调压原理 为了便于研究计算 我们画出晶闸管调压的单相电路 其图如下 3 2 所示 UL为晶闸管 输出电压 Ui为电网相电压 ZL为电机一相等效阻抗 图 3 1 晶闸管单相调压电路 图 3 2 任意一相晶闸管的工作波形 皖西学院本科毕业论文 设计 16 上图 3 2 为任意一相晶闸管的工作波形输出图 阴影部分为晶闸管的导通时间 又上图 中可知 其导通的情况只与功率因数角和晶闸管的控制角有关 通过计算可得出晶闸管的输出电压为以下表达式 22 0 1 2sin2sin 11 sin2sin2 2 L UUwtd wtUwtd wt Uf U 3 1 从上式中我们和容易看出 输出电压的大小仅与供电电压 U 晶闸管控制角 及功率 因数角有关 而供电电源 U 为定值时 即输出电压只有和决定 所以说我们可以通过 控制晶闸管触发角的导通情况来控制晶闸管的电压输出 对于软启动器 不管是它的软起动功能还是其软停车功能 都是通过控制主电路中的晶 闸管的导通角实现的 也就是通过控制导通角来控制定子两端的电压的 控制定子两端 的电压以此来实现软启动器的软起动 软停车功能 为了更好的实现软启动器的功能 现在我们来分析触发角的大小变化与定子电压的关 系 3 2 负载端电压与触发角负载端电压与触发角之间的关系之间的关系 根据电压有效值定义 软起动器的输出电压的有效值为 2 1 sa UUt dt 3 2 根据对取值的不同 晶闸管工作的情况就会不同 通过分析总结我们得出调压器有两 种不同的工作状态 第一种情况是每相中有一只晶闸管关断 一只导通 第二种情况就是其 中一相的两只晶闸管都关断 而其他二相中都拥有一只晶闸管是导通的 因为三组反相并联 的晶闸管调压器是平衡对称的 以下我们只对其中的一相进行分析 3 2 1第一种工作情况第一种工作情况 此时每相中都有一个晶闸管是导通的 所以三相电流 电压 及控制角都是对称的 以 A 相为例 此时 A 相的定子电压为 sin saam UUUt 3 3 皖西学院本科毕业论文 设计 17 3 2 2第二种工作情况第二种工作情况 有一相中两只晶闸管都关断 而另两相中各有一只晶闸管导通 这时 电流只能在导通 的两只晶闸管间构成回路 这时 电动机定子 A 相电压为 1123 sinsinsin 22326 saabmmm UUUtUtUt 3 4 或者 1123 sinsinsin 22326 saacmmm UUUtUtUt 3 5 当晶闸管触发角不同时 输出电压波形也不同 从而计算的电压有效值就不同 三相电源波形图如下所示 对于触发角取值范围的不同 我们将其分为五种情况分别 来进行讨论 图 3 3 三相电源波形 1 当触发角 0 时 电路工作在第一种工作情况 此时输出电压 sin saam UUUt 的有效值为 22 0 1 sin220 2 m m U UUt dtV 3 6 皖西学院本科毕业论文 设计 18 2 当时 电路工作在第一种工作情况和第二种工作情况的交替中 电压波形0 3 分成六段 a 当时 a 相截止 0t 0 sa U b 当时 三相导通 3 t sin saam UUUt c 当时 a b 两相导通 33 t 13 sin 226 saabm UUUt d 当时 三相导通 2 33 t sin saam UUUt e 当时 两相导通 22 33 t 13 sin 226 saacm UUUt f 当时 三相导通 2 3 t sin saam UUUt 此时输出电压有效值的表达式为 2 222222 333 33 2 2222 3 22 33 3 sinsinsin 46 1 3 sinsin 46 mmm mm Ut dtUtdtUt dt U UtdtUt dt 3 7 通过计算 电压有效值的范围是 220V 184V 3 当时 电路工作在第二种工作情况 电压波形分成四段 32 a 当时 a 相截止 0t 0 sa U b 当时 两相导通 3 t 13 sin 226 saabm UUUt c 当时 a c 两相导通 2 33 t 13 sin 226 saacm UUUt d 当时 a 相截止 2 3 t 0 sa U 输出电压有效值的表达式为 2 2222 33 33 133 sinsin 4646 mm UUtdtUtdt 3 8 通过计算 电压有效值的范围是 184V 119V 皖西学院本科毕业论文 设计 19 4 当时 电路工作在第二种工作情况 电流处于断续状态 电压波形分成 5 26 四段 a 当 a 相截止 6 t 0 sa U b 当时 a b 两相导通 5 6 t 13 sin 226 saabm UUUt c a 相截止 5 63 t 0 sa U d 当时 a c 两相导通 7 36 t 13 sin 226 saacm UUUt 输出电压有效值的表达式为 57 2222 66 3 133 sinsin 4646 mm UUtdtUtdt 3 9 通过计算 电压有效值的范围是 119V 0V 5 当时 电路即不处于第一种工作情况也不处于第二种工作情况 此时三相都 5 6 不导通 0 sa U 从以上计算分析可知 对于纯电阻负载电路 其触发角的移相范围是 0 150 下图为相电压与触发角之间的关系曲线 图 3 4 定子相电压与触发角关系曲线 在上图中 我们能够更清晰的看出触发角与相电压间的关系 由图可知 当异步电动机软起 动时 亦即要增大相电压的值 我们可采取逐渐减小触发角 图中曲线是连续平滑变化的 所以相电压的变化也是相应的连续平滑的变化 从而做到软起动 3 3 软启动器的停车功能软启动器的停车功能 皖西学院本科毕业论文 设计 20 电动机的软启动器包括软起动 软停车等功能 所以我们在对其研究时 也要研究三 相异步电动机的软停车 软停车与软起动的运力一样 都是通过控制晶闸管的触发角从而来 控制动机定子两端电压 只不过起动时是通过控制使定子两端电压升高 而停车是使其电压 降低 下面我们简单的介绍几种不同的停车功能 1 自由停车 自由停车就是在需要停车时 使晶闸管直接关断 让电路马上断路 即使电动机定子 两端的电压减为 0 采用这种方式停车它的缺陷与直接起动是一样的 都会产生大的转矩冲 击 2 软停车 软停车是通过逐渐的减小晶闸管的导通角 至其到 0 为止 这样电动机的工作电压也就 相应的从额定值逐渐 一段时间后才下降为零 这样就实现了电动机的平滑停车 不会再产 生大的转矩冲击 这种停车即为软停车 3 能耗制动 突然断开运行中的电动机的三相交流电源 使定子两端的电压变为 0 同时把直流电流 通入任意两相中 这时就会产生一个制动转矩 电动机也就进入能耗制动中 我们还可以 通过控制直流电流的大小来控制制动转矩的大小 从而满足不同的停车需求 三种不同的停车特性的比较如图 3 4 所示 图 3 5 三种不同的停车特性 3 43 4 软起动器系统软起动器系统运行的控制系统运行的控制系统 为了更好的了解认识软起动器的工作过程 下图给出了软起动控制系统的结构框图 皖西学院本科毕业论文 设计 21 图 3 6 软起动控制系统结构框图 4 4 软启动器电路的设计软启动器电路的设计 4 1 软起动器主电路的设计软起动器主电路的设计 为了实现异步电动机的平滑起动 也就是要求定子两端的电压要连续平滑的变化 这里 主要是通过调节晶闸管的触发角来达到这种调压效果的 这里采用的是 3 组反并联的晶闸管 分别串接在电动机的三相线圈上 所以由此分析可知 软启动器最核心的原理就是通过控制 接在电源与定子间的三相并联的晶闸管的导通角 也就是通过改变晶闸管的触发角来控制调 压器的电压输出以满足不同的需要或实现不同的功能 这种通过改变相角的方式来控制电动 机的输出电压 即为移相调压 其主电路如下图所示 电路中有六只晶闸管 每两只反向并联 即组成三组每两只相反 向并联的晶闸管组 并分别连接于电源与电动机 我们就是通过改变晶闸管的导通角来控制 三组晶闸管组的输出电压的 特别注意的是 为了保证电路导通 我们要保证其中的两组晶 闸管组必须导通的 也就是要保证两只反相接的晶闸管必须同时导通 在这我们采用的是能 产生大于 60 的宽脉冲或者是双脉冲的触发信号电路 而且这种控制触发角的工作情况是 与负载的性质相关的 皖西学院本科毕业论文 设计 22 图 4 1 软起动器的主回路图 上面已经详细的介绍了软起动器的工作原理及晶闸管的触发角在什么时候电路是有效的 在这里我们只分析选择怎样的晶闸管 不同的晶闸管对异步电动机的运行的影响不同 晶闸 管由于是工作在不同的电流波形情况下 又由于其过电流和过电压的能力低 所以我们在选 取时首先要使选择的晶闸管能够满足电路的要求 其次还应尽量的降低其定额 来减小设备 的费用 对于软起动时 主要是选择额定电压 额定电流这两个参数 下面就介绍晶闸管的 选择 1 晶闸管电流容量的选择 晶闸管的额定电流定义为在环境温度 40 C 和规定的冷却条件下 带电阻性负载的单相 工频正弦半波电路中 管子全导通 导通角不小于 170 而额定结温不超过额定值时所允许的 最大平均电流 在实际的起动过程中 由于每一相的晶闸管的导通角为 0 180 所以在导 通角为 180 时 晶闸管有最大电流的平均值 考虑到留有一定的裕量 电流容量为 IN为晶闸管流过每相回路电流有效值 Kf为波形系数 如导通角 180 时 23 Naf IIK Kf此时等于 1 57 2 晶闸管的耐压选择 由于电动机的复杂性 很难准确的计算出晶闸管的耐压值 晶闸管工作过程中可能会遭 受一些意外的瞬时过压或过流 为了保证其安全运行 所选用的晶闸管的额定电压应为正常 工作电压峰值的 23 倍 在考虑有过电压吸收电路的情况下 所选用的晶闸管的额定电压 为 2 3 2 3 23801075 1612 NM UUV 其中 UN为反并联的晶闸管额定电压 UM为系统正常工作时的线电压 380V 4 2 保护电路设计保护电路设计 由于晶闸管的热容量小 击穿电压接近工作电压 所以承受的过电流 过电压能力弱 而软起动时 晶闸管又是运行在波形的状态下 很容易就产生了冲击电流 这时的过电流 过电压就会造成元件甚至整个电路的损坏 为了保护晶闸管使异步电动机能够顺利的实现软 起动的目的 我们就要设计对过电流 过电压的保护措施 1 电压保护 皖西学院本科毕业论文 设计 23 当电动机运行在不同的时期 加在电动机上的电压是不同的 例如若是在用电高峰时 线电压就会下降 10 而当其运行在用电低谷时 线电压却能达到 440V 所以异步电动机 运行的时期不同 其电压的变化范围也就会很大 这样就容易造成过压或欠压 影响异步电 动机的正常运行 所以设计电压保护电路是很有必要的 在这里选用电压互感器 输入的电 流 经过整流滤波后直接送入 DSP 的 AD 引脚 利用 DSP 的高精度和高速的运算能力 在 软件里面设置过压与欠压的阀值 直接对过压与欠压进行检测及产生相应的保护 其原理图 如图 5 1 所示 图 4 2 电压检测原理图 2 电流保护 异步电动机起动时 晶闸管运行在波形状态 很容易产生冲击电流 当电流过大时 就 会对电网产生冲击 影响异步电动机的正常运行 因此为了防止过电流对异步电动机产生 损害 电路中必须设置过电流保护电路 过电流保护跟电压保护的原理相似 这里可参照图 5 1 将电压互感器换成电流互感器 软起动器系统中通过电流互感器在异步电动机的输入 端取样 转换成电压信号 再经过整流滤波后 输入到 DSP 的 AD 引脚 5 5 TMS320LF2407ATMS320LF2407A DSPDSP 介绍介绍 本文中对异步电动机软启动器采用 TMS320LF2407A DSP 为核心处理器 完成软起动的 各项功能 相对于单片机控制 DSP 运行的更快 更符合系统的要求 TMS320 系列 DSP 的体系控制器将实时处理能力和控制器外设功能集于一身 为控制系 统应用提供了一个理想的解决方案 在 TMS320 处理器系列中 TMS320LF2407A 有其一些 特殊的优点 1 采用高性能静态 CMOS 技术 使供电电压减小 降低了控制器功耗 2 片内有更高的 FLASH 程序存储器 更高的数据 程序 RAM 544 字双口 RAM DARAM 和 2K 字的单口 RAM SARAM 皖西学院本科毕业论文 设计 24 3 两个事件管理器模块 EVA 和 EVB 每个包括两个 16 位通用定时器 8 个 16 位 的脉宽调制 PWM 通道 事件管理器模块适用于无刷直流电动机 步进电动机 多极电动机等多种不同的电机 4 可扩展的外部存储器总共 192K 字 64K 字程序存储器 64K 字数据存储器 64K 字 I 0 寻址空间 5 看门狗定时器模块 WDT 基于锁相环的时钟发生器模块 6 10 位 A D 转换器最小转换时间为 500ns 可选择由两个事件管理器来触发的两个 8 通道输入的 A D 转换器或一个 16 通道输入的 A D 转换器 7 控制器局域网络 CAN 2 0B 模块 8 串行通信接口 SCI 16 位的串行外设接口模块 SPI 9 高达 40 个可单独编程或复用的通用输入 输