三相异步电动机软启动器

1、 辽 宁 工 业 大 学电力电子技术课程设计（论文） 题 目： 三相异步电动机软启动器 院 （系）： 电气工程学院 专业班级： 电气 学 号： 学生姓名： 指导教师： 起止时间： 2015-12-24至2016-1-3 课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室： 电气学 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1、方案的经济技术

2、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1、交流电源：三相380V。2、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：选择器件；

3、第6天：确定变压器变比及容量；第7天：确定平波电抗器；第8天：触发电路设计；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 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要 三相异步电动机因具有结构简单、制造方便、运行可靠、价格低廉等优点，而广泛应用在工业、农业、交通运输业、国防工业以及其他各行各业中。但它也有明显的缺点，那就是起动转矩小，起动电流过大。这种情况对电机本身及周围电网都有非常不利的影响。为了减小异步电动机起动过程中对电网的冲击、消除传统降压起动设备的有级触点控制对异步电动机的冲击、改善

4、异步电动机的起动特性，对晶闸管调压软起动器进行讨论。本文设计了交流异步电动机软启动器。软启动器包括主电路和控制电路两部分。控制电路利用晶闸管的导通角计算电机的功率因数，电机启动方式采用电压斜坡软启动，晶闸管脉冲触发脉冲，通过对电机启动过程中的晶闸管触发脉冲的控制，实现了电机的平滑起动，减少了电机对电网的冲击，起到了节能作用。关键词； 软启动器；异步电动机；晶闸管目录第1章 绪论21.1 电力电子技术概况21.2 本文设计内容2第2章 三相异步电动机软启动器电路设计32.1 三相异步电动机软启动器总体设计方案32.2 具体电路设计42.2.1 主电路设计42.2.2 控制电路设计62.2.3 保

5、护电路设计92.3 元器件型号选择112.4 系统仿真122.4.1 Matlab仿真软件简介122.4.2 Matlab仿真模型建立122.4.3 Matlab的仿真波形及数据分析13第3章 课程设计总结15参考文献16第1章 绪论1.1 电力电子技术概况电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。一般认为，电力电子技术的诞生是以 1957 年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志的。 1904 年出现了电子管，他能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开启了电子技术用于电力领域的先河。 1947 年，美国著名的贝尔实验室发明

6、了晶体管引发了电子技术的一场革命最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管，晶闸管出现后，由于其优越的电气性能和控制性能使之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并其应用范围迅速扩大。 晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，属于半控型器件。 20 世纪 70 年代后期，以门极可关断晶闸管，GTO，,电力双极型晶体管，BJT，和电力场效应管，Power-MOSFET，为代表的全控型器件迅速发展。 20 世纪 80 年代后期，以绝缘栅极双极晶体管，IGBC，为代表的复合型器件异军突起。 目前，电力电子集成技术的发展十分迅速。随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子电路的工作频率也

7、不断提高。1.2 本文设计内容设计一个三相异步电动机软启动器控制系统，本文介绍了以下内容1， 三相交流调压电路采用晶闸管调压，晶闸管触发脉冲2， 软启动器的启动方式采用斜坡软启动 3， 能够对电机启动过程中的过压、过流等提供多种保护4， 设计了晶闸管驱动电路，保证晶闸管可靠导通。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众所周知，三相异步电动机以其低成本、高可靠性和易维护等特点，被广泛应用在各个行业。特别是机床设备中，它作为一种主要的动力设备，常常用来拖动主轴、工作台、冷却泵、油泵等装置。 但是它在直接启动时，由于启动电流高达额定电流的 5，7 倍，所以会

8、对电网及负载造成很大的冲击，影响了周边电器的工作，增加了机械传动部件的磨损，降低了设备的寿命。所以就需要软启动器来启动，使用软启动器可以避免以上情况的发生，增加设备的使用寿命。 三相异步电动机软启动控制系统在硬件方面分为两个部分，即主电路和控制电路。主电路包括三相电源，三相反联的晶闸管，三相异步电动机。控制部分一般由电流检测，晶闸管触发电路，保护电路等电路组成。 图 2.1 总体设计方案结构图2.2 具体电路设计 2.2.2主电路设计 主电路部分结构比较简单，主要采用晶闸管调压原理完成软启动器的各项功能。图 2.2 主电路图图 2.3 主电路图过压保护软启动器的工作原理，软启动器是一种用来控制

9、三相交流电动机的专用产品，它实现了交流电动机的软启动，软停车，轻载节能和多种保护，其功能完善，性能优越，能够满足工业电机控制的需要，是传统 Y|启动和自耦变压器启动控制方式的理想换代产品。软启动器采用三相反并联晶闸管，SCR，作为调压器，将其接入电源和电机定子之间，这种电路如三相全控整流电路。软启动器起动电机时晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机的转速逐渐加速，直到晶闸管全部导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免了启动时过流跳闸，待电动机达到额定转速时，启动过程结束。软启动器自动用旁路接触取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，

10、延长软启动器的寿命及提高工作效率。 软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转速逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。 软启动器的启动方式， 1，斜坡升压软启动 输出电压由小到大斜坡线性上升，将传统的有级降压起动变为无极降压起动主要用于重在起动。 2，斜坡恒流软启动 这种启动方式是电动机启动的前阶段电流逐渐增加，当电流达到预先所设定的值后保持恒定直到启动完毕。 3，转矩加突跳控制启动方式 这种启动与转矩控制启动相同，也使用在重载启动的场合，比如皮带传输机，挤压机，搅拌机等，由于其静阻力矩较大，必须施加一个短时的大启动力矩，克服大的静磨檫力，然后转矩平滑上升，缩短

11、启动时间。图2.4斜坡升压软启动 图2.5斜坡恒流软启动 图2.6转矩加突跳控制启动 2.2.2控制电路设计软启动器电机线电压检测电路的设计，三相异步电动机的定子侧的相电压，相，线，电流是分析异步电动机的两个重要参数。如图2.7所示图 2.7 控制电路图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，如图所示 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

12、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 6 s,应要求脉宽大于 10 s，最好有 2050 s，电感性负载脉宽不应小于 100 s，与负载功率因数。 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

13、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。图 2.8晶闸管驱动电路软启动器晶闸管导通角检测电路设计，电机的功率因数是根据线电压和线电流进行计算的，另一种方法就是利用硬件电路测出晶闸管的导通角。 图 2.9 晶闸管导通角检测电路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。如图2.10所示图 2.10 电流检测电路(1)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

14、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2.11(2)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，单片机通过在一定时间内对霍尔脉冲次数的采集来得到异步电动机的转速6。转速检测的原理图如2.12所

15、示图2.11同步信号检测电路图图2.12软启动器电机转速检测电路 2.2.3保护电路设计1.(1) 三相异步电动机普遍运行在恶劣的工业环境中，由于环境温度、负载过大、电动机老化、电网波动等因素在成电动机损坏。本系统通过控制继电器，进而控制接触器动作来对电动机提供过压、欠压、过流、缺相、掉相等电气保护，防止电动机因为过热而烧毁。保护电路的原理图如图所示，通过二极管D2、D5、D8取得三相电中电压最高的一相，通过二极管D3、D6、D9取得三相电中电压最低的一相，当电网电压出现故障时，电压比较器ICI输出高电平，经过Rp2和C9组成的延时电路延时一小段时间后再经过比较器IC2控制继电器J，进而控制交

16、流接触器，切断电网，保护电动机。(2) 同时由于在单片机对电动机定子侧线电压、线电流采样的过程中，AD转换及数据处理等环节需要耗费一定的时间，此后单片机才能做出相应动作，不能保证系统的实时性，软起动器在初始设定时会要求用户输入系统过流值，根据不同的电机容量输入的过流值不同，但是为防止用户的操作失误，过流保护硬件电路是必不可少的。在系统出现异常导致主回路电流急剧增加的情况下，系统能够立即采取动作，为此设计了反应迅速、无软件延迟的过流保护硬件电路6。软启动器相序检测电路图 2.13 保护电路2. 过电流保护电路一个优秀的过流保护环节应该是既能对过流反应迅速，又能够准确动作。本设计的过流保护和过压保

17、护环节相似。过流保护的信号取自电流反馈回路，整流、滤波电路与电流反馈电路相同。它与设定值相比较，一旦超过设定值，则输出一个低电平信号送入辅助单片机U2的外部中断口P3.3，然后再由软件处理，对过流的晶闸管实现脉冲封锁、故障报警和系统复位等。对过电流值的设定，一般选择大小为5.5倍的额定电流，这是因为一般的限流起动时，选择的最大限流幅度为5倍，因此要留出一定的余量来保证正常起动时不至于切断电路。过流保护的具体回路如下所示。图2.14过电流保护电路2.3 元器件型号选择I 021、交流电源，三相 380V。 2、输出电流最大值 I=20A。 管参数的选择主要考虑其电流容量和耐压， (1)管电流流量

18、的选择 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)为，IT=(1.252)*K*I N Idvt=I/2=20/2=10 (2)晶闸管的耐压选择 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，所选的

19、晶闸管额定电压为 UN=(23)* 2 *220=622.3933.6V 因为晶闸管的输出最大电流为 20A 晶闸管的额定电压，1000，所以应选晶闸管的型号为，KP20/1000 快速熔断器的选取， 快熔的额定电流 IFU 应按它所保护的元件实际流过的平均电流(IdVT)来选择，而不是根据元件型号上标出的额定电流 IT(AV)来选择，一般 IFU=(1.2，1.5) IdVT,由 IdVT = =4.55A 得 IFU=5.46，6.825A目前常用的快熔有，小容量 RLS(螺旋式)系列、大容量 RTK，插入式，系列、RS0，汇流排式，系列、RS3 系列、RSF 系列等。 通过上述计算，我们

20、选择熔断器型号为 RS-308，管号 Y4，额定电压为 250V，额定电流 10A 的圆管型螺栓连接快速熔断器。2.4 系统仿真 2.4.1 Matlab仿真软件简介MATLAB 是集数值计算、符号运算及图形处理等强大功能于一身的科学计算工具，作为强大的计算平台，它几乎可以满足所有的计算要求。另外，MATLAB 还针对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。一般来说，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的模型而不需要自己编写代码。当今社会高性能能、低成本以及生产和更新换代周期已经成为现代企业对产品设计的最基本要求，模块化、模型化以及动态仿真是

21、产品设计者对设计工具的最基本要求，而 MATLAB 中的 Simulink 就是可以完全满足要求的几个工具软件之一。 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。2.4.2MATLAB 仿真模型的建立根据以上的元件计算及参数选择，打开matlab选择相对应的元件连线，联出总电路图，图如2.15下所示图2.15 Matlab仿真总电路的建立2.4.2Matlab的仿真波形及数据分析下面是单相交流调压电路的模拟仿真。 电阻性负载。从

22、仿真结果上来看，随着角的逐渐增大，负载电阻上的电压有效值逐渐减小。图 2.17 串联 RLC 支路在 45调压角时的电压、电流波形，电阻负载图 2.18 串联 RLC 支路在 90调压角时的电压、电流波形，电阻负载，图 2.19 串联 RLC 支路在 150调压角时的电压、电流波形，电阻负载第3章 课程设计总结通过本次课程设计让我对电力电子的理论知识得到了深化和理解，不但提高了自己的查找资料能力，同时也提高了独立思考、独立收集资料、独立设计的能力。通过课程设计使我能够较全面地巩固和应用本课程中所学的基本理论和基础方法，并初步掌握了单项交流调压、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。通过本次课程设计，加深了我对电力电子的理论知识的理解，设计过程中，电路图是关键，电路图的设计需要潜心的琢磨，所有的这一切需要严紧的态度和科学作风。 参考文献1 王兆安主编.电力电子技术.第四版.北京，机械工业出版社,2003 2 郝万新主编.电力电子技术.化学工业出版社, 2002 3 孟志强