关于皮带机软启动毕业论文

1、山东科技大学继续教育学生毕业论文用纸1.引言1.1问题的提出异步电动机自发明一百年以来，因其结构简单牢固、成本低、可靠性高和高性能，已经成了工业应用的宠儿，成为经典传动的核心成员。标准三相感应异步电动机被广泛应用于各种机电能量转换场所，煤矿带式输送机就是其典型的应用。带式输送机作为输送散料的最可靠、最经济的设备,已成为我国矿山的主要运输设备之一。早期带式输送机由于其功率小、运距短、速度低、电机与减速器之间一般采用刚性联轴器或液力联轴器即可满足起动要求。但随着矿山生产能力的不断提高,带式输送机朝着大功率、长距离、大运量、高速度方向发展,输送机的起动将直接影响到该机能否正常运行。主要表现在以下几个

2、方面：(1) 带式输送机满载起动是不可避免的。对于长距离、大运量带式输送机,运行过程中一旦发生紧急停车,再起动时仍为满载起动,因而满载起动是设计中必须考虑的。(2) 必须延长起动时间,确保起动的平稳性。由于带载起动,且带速较高,起动时间过短会引发物料与输送带之间的相对运动,从而发生滚料现象,这一点对倾角运输尤为重要。因此要控制带式输送机的起动加速度。(3) 由于大功率、高带速的直接起动,使输送带的动张力增加了好几倍,对输送机的元部件产生较大的冲击,影响了各元部件、胶带及整机的稳定性及使用寿命。(4) 起动张力增大引起输送带强度提高。由于输送带成本在带式输送机整机费用中占40%60%,因而采取有

3、效措施控制起动张力,降低输送带强度,具有很可观的经济效益。(5) 由于大功率多电机同时起动,对电网的电流及电压都会产生较大的影响。1.2异步电机的起动鼠笼式异步电机起动和直流电动机一样，异步电动机拖动生产机械在起动过程中，要求电动机具有足够大的起动转矩，使生产机械较快地达到正常运行；同时又希望起动电流不要太大，以免过大的起动电流引起电源电压的下降，从而影响接在电网上的其他电气设备的正常工作。不同负载和不同供电电网的容量，对电动机起动性能的要求是不一样的。对异步电动机起动性能的基本要求有：足够大的起动倍数；尽可能小的起动电流倍数；起动时间短，能符合生产技术要求；起动设备简单、经济、可靠等。其中最

4、主要的是起动转矩和起动电流的倍数。1.2.1 直接起动在电力拖动中使用最广泛的电动机时三相鼠笼式异步电动机，小容量的鼠笼异步电动机一般都可以直接起动。直接起动即全压起动，通过开关或接触器将额定电源直接加在电动机的定子绕组上，使电动机由静止状态逐渐加速到稳定运行。这种起动方法的优点是所需设备少，线路简单，但起动电流大。这是由于当电动机刚投入电网，转子尚未开始转动时，起动电流就是短路电流，而限制短路电流的短路阻抗的数值一般很小，因此起动电流较大。一般笼型异步电动机直接起动时的电流倍数为，这往往不能满足起动要求。就电动机本身而言，笼型异步电动机都允许在额定电压下直接起动。但是否采用此法起动，主要取决

5、于供电变压器容量的大小。一般情况下，对于经常起动的电动机，起动电流引起供电母线的电压降落不超过，而不经常起动的电动机，起动电流引起供电母线的电压降落如不超过，才允许采用直接起动。因为，按国家标准GB755-65规定，异步电动机的过载能力，这样，当供电电源电压降低时，接在同一电源上的其它异步电动机的最大电磁转矩变为,此时尚能在额定转矩的负载下运行。在电网容量足够大，起动电流不致引起显著的电压降落时，如果没有其他特殊的起动要求，应优先采用直接起动。如果直接起动引起电压降落超过，可采用降压起动的方法1.2.2 降压起动降压起动就是降低电机端电压的方法来限制起动电流，待起动完毕后，再切换到额定端电压下

6、运行。由于异步电动机的起动转矩与端电压平方成正比，因此，降压起动时，起动转矩也随之减小。可见，这种起动方法只能适用于对起动转矩要求不高的场合，例如用于驱动离心泵、风机等。常用的几种降压起动方法有：1. 定子电路串电抗起动定子电路串电抗起动，接通电源前，先将电抗串入定子绕组，起动时合上电源开关，待转速稳定后，再将电抗切除。由于起动时定子绕组串入的电抗器起到分压作用，使加在电机上的端电压降低，故减小了起动电流。由于起动电流正比于定子的端电压，而起动转矩正比于定子端电压的平方。如果起动时电机端电压降到额定电压的倍，则起动电流降到额定电压时起动电流的倍，但起动转矩降到原来的倍。因此，该起动方法只能用于

7、空载或轻载起动。2. 星型三角型转换降压起动（），起动的方法只适用于正常运行时定子绕组接成三角形的电动机。起动时定子绕组接成星形，起动完毕后再换成三角形。设电动机每相短路阻抗为常值。当定子绕组为接法时，电动机直接起动时的线电流为：，式中，为电动机额定线电压。当电动机定子绕组改为星形接法起动时，这时施加在定子每相绕组上的电压降为，因此接法时起动电流，可见起动时，电源供给的起动电流仅为接法直接起动时的。在不考虑参数的变化情况下，由于(为相电压)，因而改为接法起动时的起动转矩也减小到接法起动时的起动转矩的。起动设备简单，操作方便，故系列中以上的电动机，定子绕组都按接法设计，以便采用起动。现在星三角磁

8、力起动器依然应用很普遍。3. 自耦变压器起动这种起动方法是利用一台降压的自耦变压器又称起动补偿器，使加在定子绕组上的电压降低，待起动完毕后，再把电动机直接接到电源。设电动机在额定电压下，直接起动时的起动电流为，起动转矩为。自耦变压器原、副边电压之比为，于是经过自耦变压器降压后，加在电动机上的端电压降为，则电动机的起动电流。而只是自耦变压器的副边电流，自耦变压器的原边电流才是由电源提供的起动电流，其值为：.由于电机端电压降为（），所以自耦变压器和起动具有相同的性质，其起动和由电源提供的起动电流减少的倍数是一样的。而自耦变压器起动的优点在于不受定子绕组接法的限制并且变比可以改变。一般起动补偿器备有

9、电源电压的几个抽头。使用时可根据起动电流和所需要的起动转矩来选择，这种起动方法的缺点是增加了设备费用。4. 延边三角形起动 起动方法设备简单、经济性好，但起动转矩只有额定电压起动时的，因此只能适用于空载或轻载起动，不适用于各种不同起动要求。延边三角形起动方法是从起动方法演变而来的，不同之处仅在定子每相绕组中多一个中间抽头。电动机正常运行时定子绕组接成三角形。起动时，定子绕组的一部分仍接成三角形，剩下的部分接成星形。它象一个三角形的三个边延长，故称延边三角形起动。根据延边三角形接法时的特点，定子每相绕组所承受的电压，小于三角形接法时的电压,但大于星形接法时的。因此，起动电流和起动转矩比直接起动时

10、小，但比起动时大。采用不同的抽头比例，即可适应不同的起动要求。这样起动方法的缺点是定子绕组的制造比较负载。5. 部分绕组起动若正常运行电动机的定子每相绕组由两条或多条并联支路组成。起动时，仅将各相绕组中的一条支路接入电源。这时，由于定子绕组阻抗的增加，使起动电流减小，起动完毕后再将其余支路接入电源。6. 电机的软起动前面介绍异步电动机的起动方法与设备，如降压起动、自耦变压器降压起动等，较大程度地缓解了在供电变压器容量相对不够大时电动机起动的矛盾。但它们还存在着明显不足之处，如没解决电动机起动瞬间电流冲击问题，而且上述起动设备在起动过程中需进行电压切换，电动机也将有瞬时大电流冲击问题。另外，起动

11、设备的触点多，发生故障也多，维护工作量大等。随着电力电子技术的进步和发展，一种称为软起动器(或固态软起动器)的新型起动设备正在工业中推广应用。这种软起动器使得电动机起动平稳，对电网冲击小，还可以实现电动机软停车、软制动，以及电动机的过载、缺相等保护，还能实现电动机轻载节能运行等。2. 电动机的软起动与传统起动设备相比，软起动器具有更好的起动控制性能及保护性能。随着它的推广和应用，软起动器将很快成为替代传统起动设备的产品。2.1 软起动的由来与发展三相交流电动机发明以来，经历了100多年的历程。在这漫长的岁月中，它为奠定与发展这项经典的传动技术树立了丰碑，然而，电动机的起动特性却一直举步维艰，难

12、以跨出“硬起动”的框框。众所周知，电动机起动时刻出现的起动电流最高可达电动机额定电流的15倍，这样大的电流不仅加重了进线、供电电网以及接在电动机前面的开关电器的负荷，而且同时出现的巨大转矩又会使电动机发生猛烈的冲振，并且也给用作动力传输的辅助设备（例如三角皮带、变速机构）和做功的机械设备带来不可避免的机械冲击。所以，这种“硬起动”不仅会缩短传动单元和做功机械设备的使用寿命，而且过高的起动电流还会引起供电电网的电压骤然跌落，致使那些对电压敏感的用电设备产生负面的影响。为了降低这种高倍的起动电流，迄今为止使用得最普遍的是星三角磁力起动器。在电动机绕组星形接线时，电动机电流仅为三角形接线时的，遗憾的

13、是电动机的转矩也同样降低到三角形接线时的。为了使电动机在额定转速时达到它的额定转矩，在经历了预先设定的时间后，又从星形接线转换到三角形接线，在转换过程中出现的电流峰值反作用于供电电网；同样，此时产生的转矩冲击使传动单元还是落入“硬起动”的俗套。近年来，随着电子技术与控制技术突飞猛进的发展，人们终于在20世纪90年代初找到了令人满意的起动特性，电子式软起动器就此应运而生，它的问世立即受到广大用户的重视与青睐。该类电子式软起动器以晶闸管为主电路，微控制器作为核心控制单元来完成电动机的起动过程，已成为可能。国内外已有各种SCR为主体的电子式固态起动器出现在市场上。软起动的方式主要指软起动装置按什么原

14、则规律将电动机从零速升至额定转速。其中出现了各种起动方式“斜坡电压起动方式“”恒电流或限流起动方式“、脉冲突跳方式”等等。典型产品有雷诺尔公司的软起动器，提供起动方式有：限流起动、斜坡电压起动、转矩加突跳控制起动、转矩控制、电压控制5种。其他软起动装置 有西门子、AB、ABB等公司的产品，其中不外乎上面集中起动方式，各软起动装置厂家为方便用户、增加产品的适应性。均提供了众多的可资遴选的起动方式；其中SIEI公司提供的起动方式就有10种之多：普通负载标准起动、高起动转矩负载、常用泵、需带突跳起动的泵、轻型传输带、重型传输带、小惯量风机、大惯量风机、往复式压缩机、螺旋式压缩机。在电动机起动过程中通

15、过控制电路控制晶闸管导通角的大小，使电动机的起动电流根据工作要求所设定的规律进行变化,这样，电动机起动电流大小、起动方式均可任意调整与选择，使电动机处于最佳起动过程，同时还可以减少起动功率损耗。2.2 一般软起动方式 1. 斜坡电压起动早期的软起动器是以起动电压为控制对象进行软起动的。图2-1斜坡电压控制示意图。 图2.1中，起动电压先以设定的速率增加，然后再转为额定电压。这种起动方式比传统的自精变压器或YA降压起动有了较大的进步，但在某些工况应用时，还会出现较大的二次冲击电流，而且容易损坏晶闸管。2. 恒电流起动目前的软起动器大都以起动电流为控制对象进行软起动的。起动时电动机的起动电流保持恒

16、定(即限定起动电流)，其电流限定值Ism通常在电机额定电流的1.54.5倍之间选择。恒流起动时间图2-2表示了这种恒流软起动方式的电流特性。 设定的电流限定值Ism大，起动转矩大，起动时间短；Ism小，起动转矩就小，起动时间长。这种起动方式一般适用于起动惯性大的场合3. 斜坡恒流软起动若控制起动电流以一定的速率平稳地增加，当起动电流增大到所设定的电流限定值时，就将起动电流保持恒定直至起动结束。斜坡起动时间恒流起动阶段图2.3表示了斜坡恒流软起动方式的电流特性。从图中可以看出，电动机的起动过程分为两个阶段，先为斜坡起动阶段，后为恒流起动阶段。当起动即将结束时起动电流会自动减下来。起动电流上升变化

17、率和恒流值都可以任意设定，恒流值大小决定起动时间的长短。因此，起动电流上升变化率和恒流值一般应根据负载情况与生产要求来设定，以便软起动器获得最佳的起动过程，并减小起动损耗。 斜坡恒流软起动方式一般适用于空载或轻载起动，也适用于起动转矩随转速增加而增大的负载设备，如通风机、水泵等。4. 脉冲恒流软起动 这种起动方式在起动初始阶段有一个较大的起动冲击电流，该电流值大于设定的恒流值，从而能产生较大的起动冲击转矩去克服较大的静摩擦阻转矩，使设备能够起动；然后进入恒流起动阶段，直至起动结束。图2-4表示了脉冲恒流软起动方式的电流特性。脉冲起动时间恒流起动阶段 图中脉冲起动阶段电流的幅值和脉冲维持时间是可

18、以设定的。显然，这种起动方式的起动转矩大，适用于重载起动，如皮带输送机、磨煤机的带载起动。 除了上面介绍的软起动方式外，还有电压与电流控制的各种组合方式，如斜坡电压与电流限制下的软起动，起动脉冲、斜坡电压与电流限制下的软起动等。2.3 软起动的控制对一个好的软起动过程：应该是对电网影响（包括谐波公害）小的；起动耗时短的；冲击电流量小的；机械冲击力小的；噪声小的；电动机温升小的过程；对于不同的用户其对每一指标的侧重点不同，所以产生厂家为一产品会配置如此多的起动方式，以满足不同的用户需求，以达到占有市场的目的。市场上真正达到智能化软起动装置的很少，许多软起动装置均冠以“智能化”的名字无非是提升自身

19、产品的市场策略。目前除了以SCR为主体的固态软起动装置,应用中还有液压耦合软起动装置,本文主要讨论以晶闸管为主体的固态软起动装置。从晶闸管的触发角控制出发，前人对于这种固态软起动器的装置做了许多改进和提供，如以基于FPGA技术对触发电路的设计，提高触发脉冲控制的可靠性，用IGBT等大功率可关断控制器件替代晶闸管，都取得了一定的成果，但一定程度使硬件设计变得复杂，成本提高。对于一个智能化的软起动装置，首先应该包含对软起动过程作出评价的体系，其次能对对象作至少时离线辨识，最后装置应工作在反馈或前馈控制原则下，控制是在检测的基础上实现的。对于无速度反馈环节的SCR软起动装置，电流和电压是目前SCR软

20、起动装置所能感知的变量或者还有若干点的温度和起动时间。SCR软起动装置无法超越它的感知能力。本课题拟对煤矿皮带运输机的软起动作出分析，比较分析目前各种软起动实施方案，根据特定的运行工况设计合理的软起动方式，同时通过电流闭环实现SCR多方式软起动。 通过电流闭环实现SCR多方式软起动控制理论认为，任何确定型多变量控制系统，都可以由输入变量到输出变量的映射来描述：，其中是各输入、，的向量表示；是各输出、，的向量表示；表示映射关系，是“象源“，是”象“。如果指定中某一分量（应该是某一曲线），可以激励出此的一般不唯一，其中，、，的某一组合可以实现，则另一组合也可以实现。但是如果对单输入系统输入变量为，

21、且非零映射的非零，则可以实现的就是唯一的。这是11对应的映射系统。这类系统中的任一变量都可以视为“象源“，其他一切变量均是其映射生成的”象“。SCR软起动装置和对象组成的系统，在对象情况不变得条件下，在起动过程范围内，正好就是这样的系统。输入变量SCR触发角就是”象源“，它通过系统映射为“象”：由、等变量表征的整个软起动过程。也可以将电动机电压或定子电流视为“象源“，软起动过程中一切物理量（包括）的变化过程均是由”象源“或映射产生的”象“。由于SCR软起动装置电压或电流闭环的响应速度很快，又可以把电流给定视同，电压给定视同，只要精心构建好或就可以演绎出任一种起动方式所期望的结果。控制对象情况的

22、变异（例如电网电压、电动机温升、负载强弱的变化）是破坏上述映射关系的扰动，由于电流闭环的抗扰动性优于电压闭环，我们多选择为“象源“。只有存在对象较大变异频发的条件下，才需要对电流闭环无法抑制的扰动作补偿，就是按照获悉的扰动的性质和强队对电流给定在线修正。所以对于SCR软起动装置只要构建一恰当地，然后建立一个好的软起动过程评价体系，不断改进，实现软起动装置的真正智能化。我们软起动器的初级智能化可以通过软件实现。首先是软起动过程的评价，综合特定应用对象，考虑特定起动要求，如起动电流冲击，发热，能量损耗、传动系统的平均加速度等指标来衡量。在硬件上落实对SCR软起动装置各项要求的可感知性的基础上，将要

23、求量化，再根据每一要求的重要程度给量化加权，得出评价函数，给出软起动过程的质量评价。其次是电流给定与起动过程映射关系离线仿真，为了软起动映射关系仿真软件，我们必须掌握对象的数学模型，特别是电网的输出阻抗，电动机的机械特性和负载特性以及折算到电动机的总飞轮惯量。仿真软件的任务就是预测由给定的电流曲线引起的整个软起动过程。仿真软件的输入包括对象的数学模型和既定的，它的输出则包括、网压、及其电机的发热量等。是否可用应以仿真输出图形是否适宜为标准。离线辨识，让SCR软起动装置对象系统按任意方式作一次软起动，在这一过程中，采集电流、电压，电网电压、电机功率因数等，结合某些已知数据和先验猜测，通过不断改进

24、吻合程度的方法获取对象的数学模型。起动过程中，如果同时采集数据对于建模的精度是大好处的，但是从硬件的组成上比较麻烦，这就需要权衡。最后是通过软起动过程质量评价体系生成比较理想的电流曲线。2.4 电动机起动的安全要求电动机起动，是指电动机按正常工作条件接通电源时，从静止状态过渡到以一定的转速稳定运行的过程。为了使电动机能够转动起来，并能很快地达到所需的转速而正常工作，要求电动机具有足够大的起动转矩，同时又希望起动中的电流不太大。起动转矩和起动电流是电动机起动性能中最重要的两项指标、一般在电动机技术条件标准中都对它们规定了限值，以保证电动机的起动能力。如果电动机的起动转矩相对于负载转矩来说不够大，

25、那么拖动负载从静止到达所需转速的起动时间就会延长，严重时会出现抖动、低速爬行甚至不能起动的现象，同时会导致电动机发热。如果电动机的起动电流很大，在电网容量不够大时，就会使电网电压显著下降。这会带来两方面的危害：一是使电动机的起动转矩减小，不利于起动；二是会影响接在同一电网上的其他电动机和电气设备的正常工作。在电动机直接接到电源上起动(即直接起动)时，通常都将出现很大的起动电流。因此，起动电动机时必须根据电网容量和机械负载对起动转矩的要求等来选择适当的起动方法。在电网容量不够大或者电动机本身不允许通过很大电流的情况下，必须采用限制或减小起动电流的起动方法。三相异步电动机在直接起动时，一般起动电流

26、为其额定电流值的47倍，起动转矩为额定转矩的12倍。在一般情况下，直接起动时起动电流引起的电压降落，对经常起动的电动机只要不超过，对不经常起动的只要不超过，就允许采用直接起动方法，而不致影响接在同一电网上的其他异步电动机的正常工作。如果电网容量不够大而不能直接起动时，可以采用降低电压的办法即降压起动。当然，电压降低后，起动转矩也随之降低了，因此降压起动方法只适用于对起动转矩要求不高的场合(如驱动风机、离心泵等)。如果既要求起动电流小、同时又要求起动转矩大，那么就需要采用起动性能好的异步电动机，如深榴式、双鼠笼式异步电动机，或绕线式异步电动机。目前矿山长距离带式输送机的起动主要采用以下3种技术（

27、1） 差动轮系液粘调技术。差动轮系液粘调速装置主要由行星齿轮减速器与可控液粘离合器组成，其主要工作原理通过调节离合器中的油压利用摩擦片间所形成的油膜的动力粘性来传递动力，并控制减速器输出轴的转速，达到输送机的软起动。该装置起动时调速精度高，可以变速运行，缺点是其成本和维护费用高。（2） 变频调速装置，变频调速装置主要由功率器件IGBT绝缘栅极可控晶体管、控制器与电抗器组成。其工作原理:通过控制器来调节功率器件中的栅极，使进入功率器件的交流电源频率发生变化，根据公式，改变频率则改变电动机转速，可使电机按一定设定的速度起动实现电机的软起动，该装置起动时调速精度高，可以变速运行。调速范围大，缺点是控

28、制装置成本高，控制系统变得复杂，使用维护费用也高。（3） 液力调速装置。液力调速装置主要由液力耦合器、电动执行器，稀油润滑装置与油箱等组成。其工作原理是利用传动介质来传递动力。通过调节耦合器工作腔内充液量的多少，来控制耦合器输出轴的速度，达到输送机的软起动。该装置起动时的调速精度高，也可变速运行，运行可靠，结构简单，操作维护方便，价格低廉，缺点调速范围小。2.5 电机起动特性分析电力拖动系统一般是由电动机，生产机械、传动机构、工作机构和电源组成，如图所示，在电力拖动系统中，电动机将取自电网的电能转变为机械能，带动生产机械按照预期的运行规律实现生产工艺过程。虽然生产系统的具体结构和负载特性各部相

29、同，但是从理论分析的角度均可以把它们抽象为单一转轴的动力学系统。该系统只具有一个负载转矩和一个转动惯量。这样便于研究图25 电力拖动系统一般组成作用于电力拖动系统的转矩有电动机的轴转矩和负载转矩,设系统的转动惯量为，角速度为，则角动量为,根据动力学规律，可得到系统运动方程式的一般形式： (21)一般为常量，则 (2-2)拖动系统在起动过程中，描述系统状态的运动方程为： (23)2.5.1 带式输送机的起动参数选择对于带式输送机起动参数的要求，判断某种软起动起动是否满足要求的主要依据是该软起动系统能否保证输送机的张力（决定了输送带和各机械部件的设计强度）和起动性能在给定的安全度内。在起动时，最大

30、张力不大于输送带许用动张力，对钢绳芯胶带D2N22101标准规定动安全系数起动中，又为了保证输送机平稳，避免发生共振等动力学现象，输送机的起动时间应大于下分支输送机带纵向应力波由机头传到机尾的时间 , (24)输送机带纵向应力波的传递速度输送机的带长1带式输送机软起动参数的计算输送带许用最大加速力根据DIN22101设计标准，输送带许用的最大起动张力为： (25)式中 带强，带宽，动安全系数因此输送带许用的最大加速度力为： (26)式中 满载起动时的张力，满载运行阻力传动系统最大有效驱动圆周力 (27)电机功率；起动系数，；传动系数比；传动滚筒直径；电机额定速度；单个传动单元折算到传动滚筒外圆

31、的等效直线运动质量满载输送机等效总质量由起动中作用到输送带上的最大起动力不超过许用值，即，因此传动系统在任何时刻的最大起动系数满足： (28)最小的起动系数满足要提供足够的起动力矩（最小起动力矩）克服输送机的静止力矩，并使输送带和载荷在给定的起动时间内加速到额定带速，因此传动系统最小起动系数应满足： (29)传动系统平均起动系数 传动系统平均起动系数决定了输送机的起动时间，为了保证输送机起动平稳，避免发生潜在地动力学问题，输送机的满载起动时间应满足下列两个公式，应根据计算取大值。， (210)式中：额定带速，；满载平均起动加速度，因此传动系统平均起动系数应满足： (211)、将作为设计的依据，

32、用于判断软起动系统是否满足输送机的起动要求。2.5.2 异步电动机起动的机械特性由电机学原理，可作如下假设a忽略空间和时间谐波、b忽略磁饱和、c忽略铁损耗，可画出如图所示的感应电机等效电路图：图2-6 异步电动机型等效电路图中，为定子电压；为定子电势；为定子电流； 为励磁电流；为转差率；、为定子绕组的电阻和漏抗；、为转子绕组的电阻和电抗的折算值；为与定子铁芯损耗相对应的等值电阻；为与主磁通相对应的定子绕组电路的电抗；为与输出功率相对应的附加电阻。因为起动时，很小和转子电流相比可以忽略，即在忽略铁损耗和励磁电流下，电流为： (212)电磁功率，同步机械角速度，则电机的电磁转矩为： (213)我们

33、将起动过程分成两个部分，在约束条件下的起动，直接起动的阶段所以起动过程的时间： (214) (215)由前面等效电路， (216)在时，有，此时有： （217)解得： （218）在时间内，电磁力矩为： 或 （219）将式（215）代入式（219）： （220）负载力矩可典型地表示为： （221）由拖动系统运动方程式有： （222）对负载力矩可以改写成如下形式： （223）将式（223）与（220）代入（222）解得： （224）a 对于恒电流起动有，限流倍数，（225）以代入式（224）得： （225）由（222）可知起动时间取决于电磁力矩和负载力矩之差，这涉及到负载的机械特性和的变化。当时，

34、即为恒转矩负载此时，式（225）变为： （226）可求得解析解 （227）给定一个和值，由式（215）和式（216）求出与时间的关系，以式（218）求得值，代入式（227）求得值。对于或2，只能用数值积分的方法计算式（225），对于皮带运输机可近似看成恒转矩负载，所以本文只对的负载情形讨论。图27电压比曲线b.恒转矩起动时24起动条件， （228）由前面式（8）得 （229）由式（222），起动时间，恒转矩起动时间 （229）式中： . 由于是常数，设,从式（229）解得： （230）式（230）代入（229）则： （231）式（230）和式（231）代入（228）得与的关系：（232）图28

35、 恒转矩起动时的电流曲线图29 电压比曲线 c. 电机以一定加速度起动由于胶带机在起停过程中会在胶带中产生很大地应力波动，严重影响着胶带机的安全使用，为了限制起动过程中的应力波动，国外资料推荐使用三角形或正弦形加速度曲线，该文献中推荐了一如图所示的梯形加速度曲线，可以满足胶带机安全起动过程中，很好抑制应力波动的影响。图中取加速时间为,其中设 （基波振动周期），加速度曲线的计算式为： （233）式中：胶带机的速度；按上式涉及的加速度曲线可有效消除胶带机起动时的应力波动，使胶带的动应力达到最小。 电机转速的加速度曲线响应如下： （234）第一阶段电机加速度加速运动， （235）时， （236）第二

36、段电机速度 （237）时， （238）第三段电机速驱曲线 （239）令时，,代入上式得： （240）则起动时间 （241）对电机以该加速度曲线起动的特性分析加速度加速起动阶段 （242）在这段时间内，电磁转矩为：，对负载转矩，对很转矩负载考虑， （243）起动时间为(基波振动周期)，设对应的转差为，. （244）将式代入上式。 （245）由解得： （246）上式代入 （245），解得： （247）第二段恒加速度起动过程， （248）同样解得电流： （249）同理可得第三段加速度递减起动过程电流： （250）式中： 将转差、代入式：，得到与的关系曲线212 分段加速起动时的电流曲线2.6 软起动

37、性能的判别2.6.1软起动过程是否满足起动要求a 由起动曲线计算出该起动器的最大过载系数：, 将结果与式（28）的许用最大起动系数比较b 根据起动特性曲线，计算的平均起动系数：，将结果和式（211）比较。c 根据起动特性曲线，计算最小起动系数：最小起动系数分别与皮带机软起动参数进行比较是否满足起动要求。2.6.2 电机起动能耗分析起动过程中转子回路的能量损耗包括铜损和铁损两部分。在起动过程中电机的磁场和正常运行时的值差不多，只是此时的转子频率比正常运行高，故转子的铁损稍有增大，但即使在50HZ下，铁损的比重也是很小的。在起动过程中转子电流比正常工作时高出许多倍，铜损与电流的平方成正比，因此在讨

38、论起动过程的能量损耗时，主要考虑的是铜损，将铁损忽略不计。设转子每相电阻为，起动过程中，转子电流是变化的，即。起动过程中转子回路的总能量损耗 （251）由定子穿过气隙传递到转子回路的电磁功率,其中一部分传到电动机轴上作为机械功率输出，即,另一部分则作为铜损消耗在转子回路中，因此铜损功率为 （252）转子回路的总能耗： （253）电动机定子绕组在起动过程中的能量损耗可表示为 （254）在起动过程中可以认为定子电流和转子电流(折算到定子侧的值)是相等的，即,因此定子绕组损耗可表示为 （255）则起动过程中电机总能量损耗： （256）式中为加速转矩由前面的推导可以看出，影响起动能耗及起动时间的主要因

39、素有：a 电机起动能耗及起动时间均随增大而减小b 起动能耗与同步角速度的平方成正比c 起动能耗及起动时间均与转动惯量J成正比d 起动能耗随转子电阻折算值得增大而减小。 有上面考虑的几个因素可以发现减小起动能耗的基本原则：全压直接起动方式，由于起动能耗及起动时间都随加速转矩的增大而减小，而异步电机的转矩与端电压成正比，降压起动时，转矩随而减小，而异步电动机加速转矩也随之减小，导致起动时间及起动能耗均增加，由式（330）中的项可以看出分母随减小的程度大于分子项减小的程度，这也反映了起动能耗随电压降低而增高的趋势。所以在鼠笼型异步电机的常规起动方法中以直接起动的起动能耗最小，所以在软起动中对起动电流

40、的抑制，加速转矩越小，起动过程愈长，能耗愈大，所以以恒流方式等限流方式软起动时，对限流的选择应该考虑起动时间的长短设置合理的起动倍数，以尽量减小损耗。由前面对恒电流起动、恒转矩起动、分段加速起动三种情形，分析电机的起动特性，对于以晶闸管为主体的固态软起动装置，在减小硬件配置的复杂性，降低成本的要求下，所能达到的比较理想的软起动装置可以以电流为主要控制对象，为某一特定应用生成一比较理想的电流控制曲线，来实施较好的软起动过程。对于由该电流曲线映射的电机软起动过程是否理想，可以通过软起动过程的评价系统作出判别，这可以由软件实现。本设计只对带式输送机这样特定的应用提出比较合理的电流控制曲线，该电流曲线

41、可以通过仿真映射出起动过程中的等其他曲线是否合理。对于带式输送机的软起动系统，就应该在给定的安全度范围内，选择最经济可靠的软起动系统何参数。3. 软起动控制器的硬件设计3.1 软起动的主电路构成在工业应用中，例如三相异步电动机的调压调速，常常消消到三相交流调压电路，即所谓的三相交流电压变换器。如下图所示，将三对反并联的晶闸管分别接至Y形的三相负载上就构成一个典型的三相交流调压电路。不管是对单相或三相交流调压器，对晶闸管的控制方式有：整周波控制，这是一种脉冲电压的方式，又称交流开关。如果采用这种控制方式进行调压调速时，其优点是：晶闸管可以在电压或电流的过零时刻关断，则开关的损耗将减至最小，且输出

42、的电压和电流波形为正弦波。但在调速时，切断交替的频率不能太低，否则一方面会引起电机转速的波动，另方面每次接通电源相当于一次异步电动机的重新合闸的过程，电源关断时，电机气隙中的磁场将由转子中的瞬态电流来维持，并随转子旋转，气隙磁场在定子绕组中感应的电动势频率将有所变化，当断流间隔时间较长时，这样的感应电动势和重新接通时的电源电压在相位上可能会有相当大的差别，这样就会出现大的冲击电流、甚至会损坏晶闸管。但如通断频率较高，每次通断时间隔的交流周波数较少，则采用的这种整周波控制方法又不能无级调速。所以多采用相位控制，电路应满足以下要求：a： 为使三相电流形成通路，要求当一相中有正向晶闸管导通时，在它的

43、相邻相必须有反向晶闸管导通；b： 为保证电路的起动工作和在小导通角情况下的正常运行，晶闸管应采用双脉冲或宽脉冲触发；c： 为保证输出电压对称并有相应的控制范同要求触发信号必须与交流电源有一致的相序和相位差。在图 4-2a所示电路中，要求T1、T3、T5(或T2、T4、T6)管的触发信号相位差为，T1与T4、T2和T5、T3与T6的触发信号相位差均为180°，因此，晶闸管的触发顺序为T1、T2、T3、T4、T5、T6相位差为。 图31 三相交流调压电路及其输出波形（a）三相调压电路 （b） (c) (d) 当控制角后例如，分析管子导通状况可知，在任何时刻只可能有两个晶闸管管同时导通，其

44、输出相电压的波形如图4-2d所示。由图可见此时晶闸管在区间，因电压过零点两次出现二次导通现象，故而晶闸管的触发脉冲应是间隔的双脉冲或大干的宽脉冲。从波形的进一步分析可知，当时的交变输出电压为零。因此，三相交流调压电路控制角由0变化到150时。输出的交流电压可连续地由最大调节至零。三相交流调压电路带电阻和电感混合负载时，功率因数角时，分析工作很复杂，输出电压与电流存在相位差，在线电压过零瞬间晶间管的导电并不停止，负载中仍有电流流过。此时晶问管的导通角不仅与控制角 有关，而且还与负载功率因数角有关。如果负载是感应电动机，则功牢因数角还要随电机运行情况的变化而变化。这更使波形分析复杂化。3.2 微机

45、控制的晶闸管触发在直流调速系统和交流调速系统中所用的晶闸管验流电路及有源逆变器都要进行控制角的控制，以改变大小。3.2.1同步电路 在晶闸管整流装置和晶闸管有源逆变器的触发电路中，为了使每一周波重复地在相同的相位上触发晶闸管，所发信号必须与电源电压同步，即触发信号与电源电压保持固定的相位关系。在用计算机进行数字式触发控制时，计算机向晶闸管发出触发信号的时刻也应与阳极电压同步。常用的同步电路有两种；单相同步电路和多相同步电路。 1. 单相同步电路 所谓单相同步电路是指在三相整流电路或有源逆变电路中利用某一相电源作为同步信号。先找到该相晶闸管导电自然换相点的位置，从这点开始每隔产生一个脉冲信号，从

46、而得到三相整流电路的各个自然换相点。从各自然换相点算起，根据计算出的值对晶闸管进行移相触发控制。 单相同步变压器原边是电源相，副边电压经RC电路移相后加到晶体三极管的基极上，每隔在点获得一个同步脉冲电压。由于交流同步信号向后移相。电压恰好是晶闸管VT1的自然换相点，被接到CTCl的CLKTRG1输入端，作为CTCl的外触发信号。CTCl工作于计时工作方式，定时3.3ms(即)，利用CTCl的5次回零脉冲经ZC/T01送出与相加，便得到六个自然换相点。为了消除单相同步电路触发脉冲的不对称，可以采用带锁相环的单相同步电路。交流相同步信号接至锁相环的相位给定输入端上。压控振荡器输出信号的频率是交流电

47、源频率的6倍，经六分频后接至相位反馈输入端，这样锁相环输出信号的频率就被“锁定”为交流电源频率的六倍。将这锁相环的输出脉冲作为六相同步脉冲，这样同步脉冲的对称度将不再受电源频率波动影响。 2. 三相同步电路三相同步电路是利用三相交流同步信号，以使各相触发脉冲均与晶闸管阳极电压保持严格的相位关系。它可用于三相零式整流电路三相桥式整流电路和三相桥式有源逆变器。同步变压器的原边接三相交流电源，副边电压经RC移相后使同步信号的过零点正好都落在六个自然换相点上。由三个电压比较器把正弦信号变换成电源同频率的方波。方波信号的上下跳变在六个自然换相点上。 本设计中的同步电路设计在本设计中用线电压，作为同步信号

48、。将电压信号变成同频率的方波信号，输入单片机的高速输入HSI（High Speed In）HIS.0。高速输入器HIS用于记录某一外部时间发生的时间，时间基准由定时器1提供。共可记录8个事件。有4根输入线，本设计采用用HSO.0口。HIS可以靠事件形式寄存器来选择每一引脚可以检测到的外部事件形式。高速输入口捕捉每一次方波的正跳变，则每个周期有一次跳变，通过高速输出的时间寄存器可以读出每次跳变得时刻，这样就可以算出信号的频率。同步信号到达时，通过设定一个软件定时器，用于六路脉冲的触发时间间隔控制。由前面的高速输入HIS锁定信号频率。根据计算的频率计算六路脉冲触发的时间间隔，根据同步信号设定高速输

49、出口HSO的命令字，促使高速输出安一定的顺序发出脉冲，软件部分给出部分设计子程序。4 软起动控制器的软件设计4.1 软起动控制器主程序设计控制器的主程序流程图如图41所示：主程序主要由初始化、系统诊断、设定最大触发角、读取给定的电流值，设置软件定时器，在软件定时中断程序中，完成采样和PID计算及其完成触发脉冲。系统的故障诊断为了检测单片机工作是否正常，在系统投入工作之前可以设置检测CPU、内存、接口等功能是否正常工作的检测程序。对CPU的诊断方法，对两个常数A、B进行试算，使它们满足的关系。如试算正确，则表示CPU工作正常，可以采样及数据处理了。如不正确，则表明CPU有故障，程序转故障处理。若

50、CPU工作正常，则可进一步检测内存。对内存的诊断分为对EPROM程序存储器和数据存储器进行诊断。对EPROM程序存储器的检查可采用调用源程序中某一程序段，连续调用三次的办法，若计算结果均相同，表明EPROM工作正常。对数据存储器RAM的检查则采用以55H和A4H作为测试数据，采用这种方法可检测出每个存储单元是否能存储“0”或“1”以及能否正确地读出“0”或“1”，且可以确定对某一存储单元读写数据时，是否会对其它单元有影响，实践表明这种检测效果较为有效，可以发现芯片的问题。对单片机输入输出口功能的检测，可采用全“0”及全“1”的代码对各口进行读写操作，检测结果是否正确。图41主程序流程图4.2 软件定时器中断程序设计42 软件定时器中断程序流程图5结论在完成硬件和软件设计后，对仪器进行了整体实验。实验系统