三相异步电动机软启动器

. 整理文档 辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 电力电子技术电力电子技术课程设计（论文）课程设计（论文） 题目：题目：三相异步电动机软启动器三相异步电动机软启动器 院（系）： 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字） 起止时间 . 整理文档 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系）：电气工程学院 教研室： 电气 注：成绩：平时 20% 论文质量 60% 答辩 20% 以百分制计算 学 号学生姓名专业班级 课程设计 （论文） 题目 三相异步电动机软启动器三相异步电动机软启动器 课程设计（论文）任务 课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数课题完成的设计任务及功能、要求、技术参数 实现功能实现功能 利用晶闸管构成交流调压电路，使异步电动机的启动电压从零逐渐增加，从减 小电动机的启动电流，对电动机和电网起到保护作用，另外，也可以对异步电动机 进行小范围的调速。 设计任务设计任务 1、方案的经济技术论证。2、主电路设计。3、通过计算选择器件的具体型号。 4、触发电路设计。5、绘制相关电路图。6、进行 matlab 仿真。7、完成设计说明书。 要求要求 1、1、文字在 4000 字左右。 2、2、文中的理论分析与计算要正确。 3、3、文中的图表工整、规范。 4、元器件的选择符合要求。 技术参数技术参数 1、交流电源：三相 380V。2、输出电压 Ud在 0380V 连续可调。3、输出电流 最大值 20A。4、负载为 7.5kW 异步电动机。5、根据实际工作情况，最小控制角取 20300左右。6、三相异步电动机启动后，软启动器应能够自动撤出。 进度计划 第 1 天：集中学习；第 2 天：收集资料；第 3 天：方案论证；第 4 天：主电路设计； 第 5 天：触发电路设计及辅助电源设计；第 6 天：保护电路设计及散热设计；第 7 天：器件选择（电力电子器件、断路器或接触器、保护用熔断器、导线材料及截面 等）；第 8 天：软启动器投切设计、matlab 仿真；第 9 天：总结并撰写说明书；第 10 天：答辩 指导教师评语及成绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日 . 整理文档 摘 要 现在传动工程中最常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。如果直接启动，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。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，最佳保护电源系统及电动机。 本文设计的三相异步电动机软启动器主要包括主电路和控制电路两部分。采 用电压斜坡软启动，晶闸管脉冲触发，通过对电机启动过程中晶闸管的控制来实 现软启动器平滑启动的功能。 关键词：异步电动机；软启动器；晶闸管 . 整理文档 目 录 第 1 章 绪论.1 1.1 电力电子技术概况.1 1.2 本文设计内容.1 第 2 章 三相异步电动机软启动器电路设计.2 2.1 三相异步电动机软启动器总体设计方案.2 2.2 具体电路设计.3 2.2.1 主电路设计.3 2.2.2 控制电路设计.4 2.2.3 触发电路设计.5 2.2.4 同步电路设计.5 2.2.5 检测电路设计.6 2.2.6 保护电路设计.7 2.3 元器件型号选择.8 2.4 系统仿真.9 2.4.1 MATLAB 仿真软件简介.9 2.4.2 三相异步电动机软启动器仿真模型建立.10 2.4.3 三相异步电动机软启动器仿真波形及数据分析.10 第 3 章 课程设计总结.13 参考文献.14 . 整理文档 第 1 章 绪论 1.1 电力电子技术概况 电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，是使用电力电子器 件（如晶闸管，GTO，IGBT 等）对电能进行变换和控制的技术，主要用于电力 变换。电力电子技术的诞生是以 1957 年美国通用电气公司研制出的第一个晶闸管 为标志的，电力电子技术的概念和基础就是由于晶闸管和晶闸管变流技术的发展 而确立的。 从 20 世纪 50 年代中到 70 年代末，以大功率硅二极管、双极型功率晶体管和 晶闸管应用为基础的电力电子技术发展比较成熟。70 年代末以来，开发出更多的 新一代电力电子器件。80 年代中后期其工业产品最高电压达 1400 伏。同时场控 电力电子器件也得到发展。而后电力电子技术广泛应用于电气工程中，成为电气 工程学科中最为活跃的一个分支。电力电子技术的不断进步大大地推动了电气工 程实现现代化的进程。 1.2 本文设计内容 根据设计任务书所包含的要求，本文设计了一个三相异步电动机软启动器控 制系统，并主要设计了以下内容： 本文设计了晶闸管驱动电路，并为三相异步电机启动过程中提供了过电压及 过电流等多重保护。脉冲触发方式为晶闸管触发脉冲并利用晶闸管调压为三相交 流调压电路调压。软启动器的启动方式选择斜坡软启动，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，直至启动结束。 . 整理文档 第 2 章 三相异步电动机软启动器电路设计 2.1 三相异步电动机软启动器总体设计方案 根据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，可以充分发挥晶闸管及其组 成电路的控制功能，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。 本文为实现三相异步电动机的软启动，对三相晶闸管软起动系统进行硬件设 计包括主电路及触发电路、控制电路、检测电路、保护电路等。如图 2.1 所示。 图 2.1 总体设计方案结构图 主电路 控制电路 保护电路 电压检 测电路 晶闸管 触发 电流检 测电路 电机 . 整理文档 2.2 具体电路设计 2.2.1 主电路设计 主电路结构采用晶闸管调压原理，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。 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。主电路图 及电压电流曲线图如图 2.2、2.3 所示。 Q2 SCR Q1 SCRQ5 SCR Q3 SCRQ6 SCR Q4 SCR M M 1 机机 UVW S1 S3S2 图 2.2 主电路 图 2.3 电压电流曲线 电流 转速 电压 时间 . 整理文档 2.2.2 控制电路设计 1、线电压检测电路设计 为测定及分析电动机定子侧的线电压及线电流，设计的线电压检测电路 的控制部分如图 2.4 所示。 T1 NLT_PQ_4_10 R1 1k R2 1k R3 1k 12 0 U1 OPAMP_3T_BASIC C1 1uF R4 1k R5 1k 3 D1 1BH62 C4 1uF 4 60 D2 1BH62 D3 1BH62 R6 1k R7 1k R8 1kR9 1k Key=A 50% 7 9 58 10 11 0 12 C2 100pF C3 100pF C5 100pF 图 2.4 线电压检测电路图 2、晶闸管导通角控制电路设计 为方便测出电机的功率因数，且软启动器的启动原理是控制内部晶闸管 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， 设计了晶闸管导通角检测电路来测量晶闸管的导通角。如图 2.5 所示。 R1 1k D1 1BH62 C1 1uF C2 1uF C3 1uF D2 1BH62 D3 1BH62 D4 1BH62 4 5 1 C4 1uF R2 1k R3 1k R4 1k 8 U1 OPTOCOUPLER_VIRTUAL 2 3 6 7 0 GND GND 图 2.5 晶闸管导通角控制电路 . 整理文档 2.2.3 触发电路设计 软启动器晶闸管触发驱动电路设计，晶闸管驱动电路的功能是将控制器送来 的控制信号转化成为满足晶闸管所需要的触发信号。晶闸管对门极触发电路产生 的脉冲应能满足一些基本要求： 触发信号可以是交流，直流或脉冲，但触发信号只能在它使控制极为正、阴 极为负时起作用。由于晶闸管导通后控制极就失去控制作用，为了减少控制极损 耗，故一般触发信号常采用脉冲形式。使用脉冲信号，不仅便于控制脉冲出现时 刻，降低晶闸管门极功耗；还可以通过变压器的双绕组或多绕组输出，实现信号 间的绝缘隔离和同步传输。 触发脉冲必须有足够的电压和电流。晶闸管属于电流控制器件，为保证足够 的触发电流，考虑裕量，一般可取两倍左右门极触发电流。 触发脉冲宽度应要求触发脉冲消失前阳极电流已大于触发电流，以保证晶闸 管的导通。对于单相电阻负载，由于一般晶闸管开通时间为 6s,应要求脉宽大于 10s，最好有 2050s，电感性负载脉宽不应小于 100s。 触发脉冲与回路电源电压必须同步并有一定的移相范围。为了使晶闸管在每 一周波都能重复在相同的相位上触发，触发脉冲与主回路电源电压必须保持某种 固定相位关系。同时，触发延迟角应能根据控制信号的要求改变，即控制角 应 有一定的移相范围。晶闸管驱动电路如图 2.6 所示。 R1 1k R2 1k R3 1k Q2 2N2222A R4 1k D1 1BH62 R5 1k D2 1BH62 D3 1BH62 1 0 4 5 6 7 8 U1 OPTOCOUPLER_VIRTUAL 3 2 T1 NLT_PQ_4_10 GND GND 0 图 2.6 晶闸管触发驱动电路 . 整理文档 2.2.4 同步电路设计 软启动器同步电路设计: 要使三相交流调压主回路各个晶闸管的触发脉冲与其阳极电压保持严格的同 步相位关系，软起动器必须在一个电压周期内控制晶闸管的导通，通过确定电压 波形的过零点，延时一段时间输出触发信号来控制其导通角，故在系统中必须设 置同步电路。在本设计中，对于主回路中的晶闸管导通控制的同步信号采用 1 个 同步变压器，输出电压经过过零比较器 LM339 后得到同步方波信号，方波跳变点 对应于自然换流点。同步信号检测电路图如图 2.7 所示。 图 2.7 同步电路 2.2.5 检测电路设计 软启动器电机转速检测电路设计: 电机转速的检测通过安装在异步电动机转子处霍尔元件产生的霍尔脉冲信号 进行检测，霍尔元件和磁铁，即可构成基于磁电转换技术的传感器，安装于异步 电动机转子上的永磁铁随转子转动，经过霍尔元件一次，可在信号端产生一个计 量脉冲。转速检测的原理图如 2.8 所示。 图 2.8 转速检测电路图 TR1 TRAN-2P2S R1 15k R2 15k D1 DIODE D2 DIODE 7 6 1 312 U1:A LM339 R3 2k C1 1000pF C2 0.01F IP+ 4 IP- 5 VIOUT 3 VCC 1 GND 2 U3 ACS755XCB-050 5 4 2 312 U2:B LM339 R5 10k R6 10k C2 10uF R7 10k D3 DIODE R8 10k R9 10k 9 8 14 312 U2:C LM339 C3 10uF R10 10k R11 10k R12 10k R13 10k . 整理文档 2.2.6 保护电路设计 1、过电压保护 为保护主电路，采用交流调压电路作为主电路过电压保护电路，如图 2.9 所示。 D8 2N1599 D7 2N1599 C1 100nF R1 100 C2 100nF R2 100 R3 24.3 12 13 11 10 14 图 2.9 主电路过电压保护 2、过电流保护 软启动器电流检测电路设计，异步电动机起动时，若起动电流太大，则对电 网冲击大；若起动电流过小，则起动时间长。电流检测电路如图 2.10 所示。 U1 TPS2828_SOT23_5 NC 1 GND 2 IN 3 VCC 5 OUT 4 R1 1k R2 1k U2 3554AM 6 5 7 2 1 R3 1k 0 1 D1 1BH62 D2 1BH62C1 1uF R4 1k3 0 2 4 0 5 GND GND GND GND GND GND 图 2.10 过电流电流检测电路 . 整理文档 2.3 元器件型号选择 根据设计任务及技术参数进行参数计算与选择可知： 1、三相交流额定电压为 380V。 输出电流最大值为 20A 2、It(AV)是在环境温度为 40和规定的冷却条件下。带电阻负载的单相工频 正弦半波电路中，管子全导通（导通角 不小于 170）而稳定结温不超过 额定值时所允许的最大平均电流。按照标准，取其整数作为该器件的额定电 流值。同时考虑到波形系统 Kf 和留有一定的裕量，则晶闸管的通态平均电 流 It(AV)可根据公式（2-1）计算得到： （2-1） 57.1 )25.1( IVT It 晶闸管通态平均电流I dVT A I 10 2 20 2 3、晶闸管的耐压值应取为正常工作时电压峰值的 23 倍。精确设计晶闸管 的耐压值比较困难，这是因为它不仅和回路的接法有关，同时还与电动机的 容量、激磁电流等数值有关，为了安全起见，额定电压必须使用时的正常工 作电压峰值有 23 倍的裕量，在考虑有过电压吸收回路的情况下晶闸管额定 电压为： （2-2）V UN ) 6 . 933 3 . 622(2202)32( 4、根据晶闸管最大电流和额定电压值选择得出晶闸管型号应选择为 KP20/1000 型。 . 整理文档 2.4 系统仿真 2.4.1 MATLAB 仿真软件简介 MATLAB 是美国 MathWorks 公商司出品的数学软件，用于算法开发、数据可 视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括 MATLAB 和 Simulink 两大部分。 MATLAB 还具有许多功能强大的模块集或工具箱，如电力系统仿真工具箱， Sim powerSystem 等。MATLAB 中也提供了大量的数学、统计、最优化及工程方面 的函数，这些函数使用起来简单易懂。其还具有强大的图像处理功能：计算机中 的图形大部分以点阵形式存储，它们通常是三维矩阵，每一点需有三组数据，不 仅可以读写图像而且还可以对图像进行处理。 MATLAB 中的 Simulink 仿真软件实 际上提供了一个系统级的建模与动态仿真的图形用户环境，凭借 MATLAB 在科学 上的强大功能，建立了从设计构思到最终要求的可视化桥梁，大大弥补了传统设 计和开发的不足。 2.4.2 三相异步电动机软启动器仿真模型建立 根据前文推算出的元件参数值及电路构思在 MATLAB 软件上构出总体电路 图，总体电路图如图 2.11 所示。 图 2.11 仿真总体电路图 . 整理文档 2.4.3 三相异步电动机软启动器仿真波形及数据分析 根据连接好的总体电路图进行仿真实验，图示为三相交流调压电路的模拟仿 真结果。 根据仿真结果可以看出，在电阻性负载的情况下， 角越大，负载电阻上的 电压有效值越小。 图 2.12 串联 RLC 支路在 45调压角时的电压、电流波形，电阻负载 . 整理文档 图 2.13 串联 RLC 支路在 90调压角时的电压、电流波形，电阻负载， 图 2.14 串联 RLC 支路在 150调压角时的电压、电流波形，电阻负载 . 整理文档 第 3 章 课程设计总结 本文通过交流调压作为主电路设计的三相异步电动机软启动器，经过仿真测 试实现了控制电动机电压，使其在启动过程中逐渐升高，很自然地控制启动电流， 使电动机可以平稳启动，机械和电应力降至最小。 通过本次课程设计，再次掌握了多相交流调压、交流调功电路设计以及相关 的知识。本课程设计主要利用晶闸管触发电路、达到输出交流电压可调的目的。 初步做到学以致用。 电动机软启动器将来的发展方向是更加智能化和多功能化。目前看来，软启 动器仍然以电压斜坡软启动和限流软启动为主要方式。以后转矩控制的启动方式 将成为电机软启动的一种重要启动方式。并且因电力电子技术的快速发展，智能 型软启动器可对多种电机具有保护功能，这就从根本上解决了传统的降压启动设 备的诸多弊端，智能型软启动器也将得到广泛应用。 . 整理文档 参考文献 1 王兆安主编.电