三相异步电动机软启动器的设计毕业设计

1、I毕业设计（论文）三相异步电动机软启动器的设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指 导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致 谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包 含我为获得_及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说 明并表示了谢意。作者签名：_日期：_指导教师签名：_日期：_使用授权说明II本人完全了解_大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电

2、子版本；学 校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览 服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不 以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：_ 日 期：_3目录摘 要 .I.Abstract . II1绪 论 .1.1.1研究的目的、意义 .1.1.2国内外研究现状 .2.1.3本课题研究内容 .3.2三相异步电动机的起动控制的研究 .4.2.1三相异步电动机的起动过程的分析 .4.2.2三相异步电动机的起动方法 .6.2.2.1 直接起动 . 6.2.2.2 传统减压起动 .7.2.2.3 软启动 .1.0.2.3软起动的原

3、理及分析 .1.1.2.3.1 晶闸管调压原理 . 1.1.2.3.2 软起动的起动方式 . 1.3.3软启动器的硬件电路设计 .1.6.3.1主要器件的介绍 .1.6.(3)KJ004 功能介绍 .1.6.(4)KJ041 功能介绍 .1.8.(5)KJ042 功能介绍 .1.9.(5)主电路的选择 .2.0.3.1.5调压方式的选择 . 2.0.3.1.5晶闸管相控调压原理 . 2.1.(5)主回路设计 .2.1.3.1.5主回路电路 .2.2.3.1.5晶闸管参数选择 . 2.2.3.1.5晶闸管触发电路 . 233.1.5晶闸管保护电路 . 2.6.(5)电压检测回路 .2.6.3.1

4、.5同步信号检测 . 2.7.3.1.5电压反馈回路 . 2.8.(5)电流检测回路 .3.0.3.1.5电流反馈回路 . 3.0.3.1.5过电流保护电路 . 3.1.4基于单片机的软起动器的设计 .3.1.4.1单片机控制系统设计 .3.2.控制软件设计 .3.4.触发脉冲控制的软件设计 .3.6.结束语 .4.4.参考文献 .4.5.致 谢 .4.6.I三相异步电动机软启动器的设计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

5、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、 改善异步电动机的起动特性， 本文对基于单片机控制的晶闸 管调压软起动器进行讨论。本文首先阐述了软起动器晶闸管调压电路（即主电路）的工作原理，主要是基于晶闸 管的三相异步电动机软启动器主电路设计和触发电路设计。 然后是对电动机软启动器模 式的设计，但主要还是软起动器的硬件电路设计。本文设计的软起动器操作方便简单， 能够使电机顺利起动。 使之能达到了改善三相 异步电动机起动性能的要求。在满足异步电动机起动转矩要求及降低起动电流的前提 下，使电机能够平稳可靠起动

6、。关键词 ：异步电动机；晶闸管；软起动IIDesign of three-phase asynchronous motor soft starterAbstractThree-phase asynchronous motor has a wide range of application in industry,argriculture，transportation business，defense industry and other walks of lifeBut it also has the obviousshortcomings that starting torque, star

7、ting current. This kind of situation of motor and power arevery disadvantageous around. In order to reduce the asynchronous motor start-up process forgrid, eliminate the impact of traditional step-down start equipment has control of contacts in thelevel of asynchronous motor, improve the impact of a

8、synchronous motor starter characteristics,this article based on the single chip microcomputer control thyristor surge soft starter arediscussed.This article elaborates the soft starter thyristor regulating circuit, which is based on thyristorthree-phaseasynchronous motor soft starter main circuit de

9、sign and implement trigger circuitdesign. Then the motor soft starter, but the pattern design of main or soft starter hardware circuitdesign.This article designs the soft starter operation convenience simple, can make the motorstarts smoothly.To achieve improved three-phaseasynchronousmotor starting

10、 performancerequirements. In asynchronous motor starting torque requirements and reduce starting current,under the premise of the motor can be stable and reliable.Keywords：Asynchronous Motor; Thyristor; Soft StarterXX大学XX学院毕业设计（论文）11 绪论1.1 研究的目的、意义三相异步电动机，由于其结构简单、制造方便、价格低廉、坚固耐用、运行可靠、 很少需要维护及可用于恶劣环境等

11、优点，在工业、农业、交通运输、国防军事和日常生 活中得到了广泛的应用，当前大部分工业拖动都是以交流异步电动机作为动力，包括风机、水泵、油泵、压缩机等。但是，由于其固有的启动性能较差，直接起动又容易造成对周围电网的影响。通常 要求采用专门的启动设备完成正常的启动工作， 尤其频繁启动时更是如此。然而，它是 以反电势为主的负载，即以反电势来平衡外加电压。电动机的反电势随着转子转速的增 加而逐渐增大，电动机在起动开始时反电势为零，所以起动电流很大。电动机起动时刻出现的起动电流一般高出额定电流37倍，特殊情况下可达到10倍以上，这样大的起 动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，

12、而且对电网及其负载造成干扰，特别是当电动机容量较大时，冲击电流会对电网及其负载造成干扰， 严重时，甚至危害电网的安全运行 。启动电流过大时，将使电动机本身受到过大电磁 力的冲击，如果经常启动 ，还有使绕组过热的危险。同时，由于启动应力较大，使得 负载设备的使用寿命降低。还有，由于起动应力较大，出现的巨大转矩又会使电动机发 生剧烈的冲振，并且也给用作动力传输辅助设备和做功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 面影响。因此，对三相感应电动机软起动情况

13、进行研究是非常有现实意义的。为了降低起动电流， 人们采用了各种降压起动技术。 比较传统和应用较普遍的有变 压器降压起动，串电抗器起动和 丫/转换等等。采用这些传统起动方式起动时降低了 加在定子绕组的电压，起到了一定的限流作用，但仍存在着很多问题，例如靠接触器切换电压来达到降压的目的，所以无法从根本上解决起动瞬时电流尖峰的冲击； 起动转矩 不可调，存在二次冲击电流；对负载产生冲击转矩，当电网电压下降时，可能造成电动 机堵转；容易造成接触器触点的拉弧损坏。近几年来随着电力电子技术和微机控制技术的发展， 国内外相继开发出以晶闸管为 核心的电路元件、以单片机为控制核心的异步电动机软启动设备。该软启动设

14、备平滑了异步电动机加速过程，大大减缓了对电网及机械设备的冲击。 采用电力半导体器件对电 动机进行启动控制的电力电子软启动器解决了传统降压启动方法存在的二次电流冲击 问题，具有无触点、 启动电流XX大学XX学院毕业设计（论文）2及启动时间可控、启动过程平滑等优点，并且维护工作量小，具备完善的电动机保护功能。晶闸管软启动器是一种集软启动、软停车、轻载 节能和多功能保护于一体的新颖电机控制装备。它不仅实现在整个启动过程中实现无冲 击而平滑地启动电机，而且可根据电动机负载的特性来调节启动过程中的参数，如限流值、启动时间等。此外，它还具有多种对电机保护功能，这就从根本上解决了传统的降 压启动设备的诸多弊

15、端。本文详细介绍三相异步电动机软启动器的设计。1.2 国内外研究现状我国软起动技术起步于上世纪80年代早期，目前生产电机启动器的厂家很多，先 后也推出了多种品牌的软起动器。但由于国内自主开发和生产的能力相对较弱，对国外产品的依赖还是很严重。在技术上和可靠性上与国外同类产品尚有一定的差距。所以在整个软起动器市场上，占据统治地位的还是国外产品，国内产品所占的份额还是很低。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

16、弊端。近三十年来，随着电力电子技术的发展，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，结合现代控制理论及微机控 制技术，为实现电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 力电子技术和微机控制技术的发展的。随着这些技术的不断进步，电力电子软起动装置也取得了长足的进步，采用这些方法可以使三相异步电动机获得很好的起动性能。近三十多年来，国外对晶闸管三相交流 调压电路进行了广泛的研究，在工业、农业领域得到广泛的应用。如美国AB公司、英国CT公司、法国TE公司、德国AEG公司、瑞士ABB公司等均推出了软起动器系列 产品，如GE公司生产的最

17、大功率达到850kW，额定电压500V，额定电流1180A，最 大起动电流5900A；ABB公司生产的最大功率达到1200kW，额定电压690V，额定电 流1000A;意大利SIEI工公司生产的额定电压690V，额定电流1600A;美国BS公司 还生产中压613.8kV同步或异步电动机软起动器，最大功率达到10000kW2目前在国外，发达国家的电动机软起动产品主要是固态软起动装置一一晶闸管软起动和兼作软起动的变频器。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，才使用XX大学XX学院毕业设计(论文)3变

18、频软起动。晶闸管软起动装置是发达国家软起动的主流产品，各知名电 气公司均有自己晶闸管软起动的品牌，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。 目前，国外对晶闸管三相交流调压电路的研究己经从对控制电压、控制电机电流的开环、闭环方式，发展到通过建立比较准确实用的数学模型， 找到适用于三相交流调压电路电 机负载的控制方法，从而使三相交流调压电路电机负载性能更优3。另一方面，随着电力电子技术的发展，异步电动机向更加可靠、方便性

19、好、小型化方向发展。1.3 本课题研究内容软启动器本质上是一种直流调压装置， 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，可以充分发挥单片机的强大控制功能，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。随着数字直流PWM调压技术的应用，以及采用高性能的单片机作为系统的控制 核心，可以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。在三相交流异步电动机不宜采用直接启动的时候， 可以考虑采用定子串电阻或串电 抗器启动、Y-启动、自耦变压器降压启动、转子串电阻启动、晶闸管电子软启动、分 级变频软启动、两相变频调压软

20、启动等方法。结合各方面的因素及实际情况，本课题研究的内容主要有：研究三相调压软起动的基本原理，对三相异步电动机的起动电流和起动转矩进 行分析，对软起动控制策略进行研究。对三相晶闸管软起动系统进行硬件设计。包括主电路，触发电路，检测电路， 控制电路，驱动电路等。实现三相异步电动机软启动器模式的设计和软件的有关设计。用PROTEL绘制系统的原理图。本课题的目标是实现三相异步电机的软启动， 甚至使软启动器能够根据电机负载的 实际情况改变XX大学XX学院毕业设计（论文）42 三相异步电动机的起动控制的研究交流三相异步电动机的传统启动技术，如定子串电阻/电抗器启动、自耦变压器降压启动、星形-三角形降压启

21、动、转子串电阻或频敏变阻器启动等，在交流电动机启动 技术发展过程中都有过重要应用。但随着晶闸管技术的发展，三相交流调压软启动器因 为具有性能良好、产品多样、电压可连续调节以及转矩或电流可闭环控制等优点，使得电子软启动器得到了深入而广泛的发展，成为软启动市场中的主流产品。2.1 三相异步电动机的起动过程的分析为了研究三相异步电动机的起动时的电压、 电流、转矩等变量的关系，进而分析异 步电机起动时的电流、起动转矩和所外加电压的关系，就要研究电机的数学模型。 对于 电动机的软起动而言，多采用基于集中参数等效电路的数学模型。在不改变异步电动机 定子绕组中的物理量和异步电机的电磁性能的前提下， 经频率和

22、绕组的计算，把异步电 动机转子绕组的频率、相数、每相有效串联匝数都归算成和定子绕组一样， 即可用归算 过的基本方程式推导出异步电动机的等效电路。 三相异步电动机的T形稳态等效电路如 图2-1所示：其中，1为定子绕组的电阻，X1为定子绕组的漏电抗，2为归算到定子方面的转子 绕组的电阻，X2为归算到定子方面的转子绕组的漏抗。rm代表与定子铁心损耗所对应的 励磁电阻，Xm代表与主磁通相对应的铁心磁路的励磁电抗。U1为定子电压向量，E1为 定子感应电动势向量，i1为定子电流向量，im为磁电流向量。基于T形等效电路的数学 模型为：U1= -E1-讥1jxj =-巳i1Z11-Ss2(2-1)图 2-1

23、异步电动机的等效电路XX大学XX学院毕业设计(论文)5E2= I2(+jx2)si1i= im E2二E1= ImZm = Im扁jXm由以上四式可得:在异步电动机里，因为rixi,rmxm，故可以省去ri,rm，则式(2-5)可以表示为:由等效电路可见，异步电动机输入的电功率Pi一部分消耗在钉子绕组的电阻而称为定子铜耗Pcui, 部分消耗在定子铁心上而变成铁耗PFe,剩余的通过气隙传递到转子的功率成为电磁功耗Pemo其中Pem为：Rm= mE 2I 2cos2 = m I 2r 2/ s电磁转矩为:率。由式(2-7)和式(2-8)可得:根据T形等效电路可得:(2-2)(2-3)(2-4)I

24、Ui(2-5)Ui(ri+ jxj+ 1 +、, XiJ? Xm丿Sjx2)(2-6)(2-7)TemPmec(i一9Pmec-s -em肓0(2-8)Oo其中，2二n,60P 为同步角速度;2二n60为转子机械角速度；Pem为机械功Rm2二fim2女s(2-9)2 jX21汕_S rmjXmXX大学XX学院毕业设计（论文）6将式(2-i0)代入(2-9)得:(2-i0)XX大学XX学院毕业设计(论文)7刚起动时，转子n=0，转差率s=1，此时启动转矩为：St(2-13)由式(2-12)和式(2-13)可知，起动转矩正比于定子端电压的平方，起动电流正比于定 子电压。起动电压较低时，起动转矩较小

25、，电流也较小；反之，如果电压较高，则起动 转矩较大，但同时起动时的冲击电流也很大。而异步电动机的起动特性主要表现在起动电流和起动转矩两个方面：希望电动机起 动时能产生足够的起动转矩，以便带动负载快速地达到正常转速；同时，也希望起动电 流不要太大。因为在供电变压器的容量比较小的情况下， 过大的起动电流将造成较大的 线路压降，从而影响接在同一电网上的其它电气设备的正常运行。下面针对异步电动机的起动特性，分析起动方式的原理和应用。2.2 三相异步电机的启动方法三相异步电动机的起动方法主要有直接起动、传统减压启动和软启动三种启动方 法。下面就分别做详细介绍。2.2.1直接起动直接起动，也叫全压起动。起

26、动时通过一些直接起动设备，将全部电源电压(即全压)直接加到异步电动机的定子绕组，使电动机在额定电压下进行起动。一般情况下， 直接起动时起动电流为额定电流的38倍，起动转矩为额定转矩的12倍。根据对国 产电动机实际测量，某些笼型异步电动机起动电流甚至可以达到812倍。直接起动的起动线路是最简单的，如图2-2所示。然而这种起动方法有诸多不足。T- PBemU/212_7X1x2(2-11)2二f1* L $花X22(2-12)同时，由于激磁电流相对较小即1 m：0，ISt -1Xm近似为1,由式(2-6)的启动电流为:U_2 2r D 人 X2XX大学XX学院毕业设计（论文）8对于需要频繁起动的电

27、动机，过大的起动电流会造成电动机的发热，缩短电动机的使用寿命；同时电动机绕组在电动力的作用下，会发生变形，可能引起短路进而烧毁电动机； 另外过大的起动电流，会使线路电压降增大，造成电网电压的显著下降，从而影响同一 电网的其他设备的正常工作，有时甚至使它们停下来或无法带负载起动。这是因为Ts及Tm均与电网电压的平方成正比，电网电压的显著下降，可使Ts及Tm均下降到低于Tz。一般情况下，异步电动机的功率小于7.5kW时允许直接起动。如果功率大于7.5kW，而电源总容量较大，能符合下式要求的话，电动机也可允许直接起动。K listw 1 匕丄电源总容量（kv A1“匚一 43起动电动总功率（kw）如

28、果不能满足上式的要求，贝u必须采用减压启动的方法，通过减压，把启动电流1st限制到允许的数值。1 I IV V AFUi&ufFU3图 2-2 直接启动原理图2.2.2传统减压起动减压起动是在起动时先降低定子绕组上的电压， 待起动后，再把电压恢复到额定值。 减压起动虽然可以减小起动电流，但是同时起动转矩也会减小。因此，减压起动方法一 般只适用于轻载或空载情况。传统减压起动的具体方法很多，这里介绍以下三种减压起 动的方法：（1）定子串接电阻或电抗起动定子绕组串电阻或电抗相当于降低定子绕组的外加电压。由三相异步电动机的等效电路可知：起动电流正比于定子绕组的电压， 因而定子绕组串电阻或电抗可

29、以达到减小 起动电流的目的。但考虑到起动转矩与定子绕组电压的平方成正比，起动转矩会降低的 更XX大学XX学院毕业设计（论文）9多。因此，这种起动方法仅仅适用于空载或轻载起动场合。对于容量较小的异步电动机，一般采用定子绕组串电阻降压；但对于容量较大的异 步电动机，考虑到串接电阻会造成铜耗较大，故采用定子绕组串电抗降压起动。如图2-3所示：当起动电机时，合上开关Q,交流接触器KM断开，使电源经电阻 或电抗R流进电机。当电机起动完成时KM吸合，短接电阻或电抗R。星-三角形（丫-）起动星-三角形起动法是电动机起动时，定子绕组为星形（丫）接法，当转速上升至接近额 定转速时，将绕组切换为三角形（）接法，使

30、电动机转为正常运行的一种起动方式。星-三角形起动方法虽然简单，但电动机定子绕组的六个出线端都要引出来，略显麻烦。图2-4为星-三角形起动法的原理图。接触器KM2和KM3互锁，即其中一个闭合 时，必须保证另一个断开。KM2闭合时，定子绕组为星形（丫）接法，使电动机起动。切 换至KM3闭合，定子绕组改为三角形（）接法，电动机转为正常运行。由控制电路中 的时间继电器KT确定星-三角切换的时间。定子绕组接成星形连接后，每相绕组的相电压为三角形连接（全压）时的ir3，故星-三角形R图 2-3 定子串电阻或电抗起动原理图XX大学XX学院毕业设计（论文）10起动时起动电流及起动转矩均下降为直接起动的1/3。

31、由于起动转矩小，该方法只适合于轻载起动的场合。U V W图 2-4 星-三角形起动法的原理图（3）自耦变压器起动自耦变压器起动法就是电动机起动时，电源通过自耦变压器降压后接到电动机上， 待转速上升至接近额定转速时，将自耦变压器从电源切除，而使电动机直接接到电网上 转化为正常运行的一种起动方法。图2-5所示为自耦变压器起动的自动控制主回路。控制过程如下：合上空气开关Q接通三相电源。按启动按钮后KM1线圈通电吸合并自锁，其主触头闭合，将自耦变压 器线圈接成星形，与此同时由于KM1辅助常开触点闭合，使得接触器KM2线圈通电 吸合，KM2的主触头闭合由自耦变压器的低压抽头（例如65%）将三相电压的65

32、%接入 电动。当时间继电器KT延时完毕闭合后，KM1线圈断电，使自耦变压器线圈封星端 打开；同时KM2线圈断电，切断自耦变压器电源，使KM3线圈得电吸合，KM3主触 头接通电动机在全压下运行。自耦变压器一般有65%和80%额定电压的两组抽头。若自耦变压器的变比为k，与直接起动相比，采用自耦变压器起动时，其一次侧起 动线电流和起动转矩都降低到直接起动的I/k2。自耦变压器起动法不受电动机绕组接线方式（丫接法或接法）的限制，允许的起动 电流和所需起动转矩可通过改变抽头进行选择，但设备费用较高。XX大学XX学院毕业设计（论文）11自耦变压器起动适用于容量较大的低压电动机作减压起动用， 应用非常广泛，

33、有手 动及自动控制线路。其优点是电压抽头可供不同负载起动时选择；缺点是质量大、 体积 大、价格高、维护检修费用高。223软启动软起动可分为有级和无级两类， 前者的调节是分档的，后者的调节是连续的。 在电 动机定子回路中，通过串入限流作用的电力器件实现软起动，叫做降压或者限流软起动。 它是软起动中的一个重要类别。按限流器件不同可分为：以电解液限流的液阻软起动； 以磁饱和电抗器为限流器件的磁控软起动；以晶闸管为限流器件的晶闸管软起动。晶闸管软起动产品问世不过30年左右的时间，它是当今电力电子器件长足进步的 结果。10年前，电气工程界就有人预言，晶闸管软起动将引发软起动行业的一场革命。目前在低压（3

34、80V）内，晶闸管软起动产品价格已经下降到液阻软起动的大约2倍,甚至更低。而其主要性能却优于液阻软起动。与液阻软起动相比，它的体积小、结构紧凑， 维护量小，功能齐全，菜单丰富，起动重复性好，保护周全，这些都是液阻软起动无法 比拟的。但是晶闸管软起动产品也有缺点。一是高压产品的价格太高，是液阻软起动产品的510倍，二是晶闸管引起的高次谐波比较严重。2.3 软起动的原理及分析2.3.1晶闸管调压原理XX大学XX学院毕业设计（论文）12晶闸管的控制方式有两种：一是相位控制， 即通过控制晶闸管的导通角来调压； 二 是周波控制，即把晶闸管作为静止接触器， 交替的接通与切断几个周波的电源电压， 用 改变接

35、通时间与切断时间之比来控制输出电压的有效值，从而达到调压的目的。但周波控制用在异步电机定子上时，通断交替的频率不能太低，一方面会引起电动机转速的波 动，另一方面每次接通电流就相当于一次异步电动机的重起动过程。当电源切断时，电动机气隙中的磁场将由转子中的瞬态电流来维持，并随着转子而旋转，气隙磁场在定子绕组中感应的电动势频率将有所变化， 当断流时问隔较长时，这个旋转磁场在定子中感 应的电势和重新接通时的电源电压在相位上可能会有很大的差别，这样就会出现较大的电流冲击，可能危及晶闸管的安全。故在异步电动机的调压控制中，晶闸管调压一般采用相位控制。采用相位控制时，输出电压波形已不是正弦波，经分析可知，输

36、出电压不 含偶次谐波，奇次谐波中以三次谐波为主要成分。 谐波在异步电机中会引起附加损耗，产生转矩脉动等不良影响。此外，由于异步电机是感性负载，从电力电子学中可以知道， 当晶闸管交流调压回路带有感性负载时， 只有当移相角大于负载的功率因数角时， 才能 起到调压的作用。当a v时，电流导通的时间将始终保持在180。其情况与。=0时一 样，相控不起任何调压作用，甚至在晶闸管触发脉冲不够宽的情况下，出现只有一个方向上的晶闸管工作，负载上出现直流分量，对晶闸管造成危害。为了保证晶闸管的安全， 在使用相控晶闸管电路时采用宽脉冲触发，移相范围限制在：WV180。本系统软起动器采用晶闸管调压原理，通过调节电动

37、机定子输入端电压的大小和相 位实现软起动的各种功能。本系统软起动器采用了如图2-6所示的主电路。用三组反并 联晶闸管分别串联在星形接法的电机三相定子线圈上，这种连接方式谐波比较少，调压性能最为优越，控制系统简单、可靠。为了方便分析，做以下假定：XX大学XX学院毕业设计(论文)13电源为三相对称的正弦电压源，内阻抗为零；各晶闸管的特性一致，对称触发，关断状态时，其阻抗为无穷大；导通状时压降为零；电机为理想电机，其定、转子绕组在空间产生正弦分布的磁通势；稳态运行时，电机的转速为常数。由于主电路中没有中线，因此在工作时若要负载电流流通，至少要有两相构成通路。 其中一相是正向晶闸管导通，另一相则是反向

38、晶闸管导通。为了保证在电路起始工作时 有两个晶闸管同时导通，以及在感性负载与控制角较小时仍能保证不同相的两个晶闸管 同时导通，本系统采用了能够产生大于60的双窄脉冲的触发电路。要实现异步电动机的平稳起动，需要控制电机的输入电压，使其按照某种曲线由小 到大逐渐上升。通过按照一定时序调整六个晶闸管的触发角就可以实现该目标。该电路的调压实质是对电源电压进行斩波。电机获得的电压是非正弦的，但是每相电压的正负 半周是对称的。晶闸管任意一相的电压波形如图2-7所示，其中电网电压的波形是完整 的正弦波，是晶闸管的触发角，是负载的功率因数角(也叫晶闸管的续流角)，二是 晶闸管的导通角。由图2-7可以很容易地推

39、导出触发角:，功率因数角：以及导通角二之间的关系：公式(2-15)图 2-7 任意相晶闸管的工作波形其中晶闸管的输出电压是介于导通角 ，之间的波形。通过改变导通角 二的大小，就 可以改变晶闸管的输出电压，从而改变了电机的输入电压。由式(2-15)可以得知，导通角d与触发角：、功率因数角都有关。对于恒定的负载而言，功率因数角 是常量, 导通角d仅仅与触发角 有关。此时，只要改变晶闸管触发角:就可以改变晶闸管的输 出电压。但是对于异步电动机而言，功率因数角是个变量，并且是电机转速的函数。XX大学XX学院毕业设计(论文)14在电机起动过程中，随着转速逐渐变大，功率因数角也在不断变化。因此，改变晶闸管

40、触发角，的同时也要兼顾功率因数角的变化情况。只有这样，才能实现异步电动机 的输入电压按照预定规律变化的要求 。2.3.2软起动的起动方式软起动器的功能主要是实现软起动和软停车，而软停车相当于是软起动的逆过程。 三相异步电动机软起动器拥有多种起动模式， 可以满足不同的起动要求。下面详细介绍：限流起动限流起动就是在电动机的起动过程中限制其起动电流不超过某一设定值Im的软起动方式，起动波形如图2-8所示。主要用于轻载起动的降压起动，其输出电压从零开始 迅速增长，直到其输出电流达到预先设定的电流限值Im，然后保持输出电流不大于该值的条件下逐渐升高电压，直到额定电压。这种起动方式的优点是起动电流小，且可

41、按 需要调整起动电流的限定值Im。其缺点是在起动时难以知道起动压降，不能充分利用 压降空间，损失起动转矩，起动时间相对较长。该方法应用较多，适用于风机，泵类负 载。电压斜坡起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级，主要用在重载 起动。它的缺点是起动转矩小，且转矩特性呈抛物线型上升对起动不利，起动时间长， 对电动机不利。改进的方法是采用双斜坡起动，如图2-9所示。输出电压先迅速升至U(U，为电动机起动所需的最小转矩所对应的电压值)，然后按设定的斜率逐渐升高电压。 直至达到额定电压，初始电压和电压上升率可根据负载特性调整。在加速斜坡时同期闻， 电动机电压逐渐增加，加速斜坡时

42、间在一定时间范围内可调整，加速斜坡时间一般在260秒之间。这种起动方式的特点是起动电流相对较大，但起动时间相对较短，适用于 重载起动的电动机。XX大学XX学院毕业设计(论文)15图 2-9 电压斜坡启动波形转矩控制起动主要用于重载起动，如图2-10所示。它是按照电动机的起动转矩线性上升的规律 控制输出电压。其优点是起动平滑、柔性好、对拖动系统有利，同时减少对电网的冲击, 使最优的重载起动方式。其缺点就是起动时间较长。XX大学XX学院毕业设计(论文)16转矩加突跳控制起动转矩加突跳控制起动与转矩控制起动一样，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

43、矩平滑上升， 可缩短起动时 间。但是，突跳会给电网发送尖脉冲，干扰其他负荷。转矩加突跳控制起动如图2-11所示。图 2-11 转矩加突跳控制起动波形电压控制起动电压控制起动是在保证起动压降一定的前提下使电动机获得最大的起动转矩，尽可能地缩短起动时间，是最优的轻载软起动方式，如图2-12所示。XX大学XX学院毕业设计(论文)173 软启动器的硬件电路设计3.1 主要器件的介绍KJ004功能介绍该电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏移电压、移电压综合比较放大电路和功相率放大电路四部分组成。元件引脚功能见表3-1：锯齿波的斜率决定于外接R6、RW1流出的充电电流和积分C1的数值。对不同的移项控制V

44、1，只有改变R1、R2的 比例，调节相应的偏移VP。同时调整锯齿波斜率电位器RW1，可以使不同的移相控制 电压获得整个范围。触发电路为正极性型，即移相电压增加，导通角增大。R7和C2形成微分电路，改变R7和C2的值，可获得不同的脉宽输出。KJ004的同步电压为任 意值电路米用双列直插C16白瓷和黑瓷两种外壳封装，外型尺寸按电子工业部部颁 标准。半导体集成电路外型尺寸SJ1100-76日冋日用冋冋 Z 冋)KJ004(图 3 -1 KJ004 引脚图与分立元件的锯齿波移相触发电路相似，分为同步、锯齿波形成、移相、脉冲形成、 脉冲分选及脉冲放大几个环节。引线脚I 口.空锯齿波形成-Vee(1k Q

45、 空 地同步输入综合比较空微分阻容封锁调制输 出+Vcc2I456 78910 111213141516表 3-1 KJ004 的引脚功能表1输出XX大学XX学院毕业设计（论文）18图 3-2 KJ004 电路原理图KJ004参数及限制电源电压：直流+15V、-15V，允许波动i5%（10%时功能正常）。电源电流：正电流 15mA负电源w10mA。同步电压：任意值。同步输入端允许最大同步电流：6mA（有效值）。移相范围：170同步电压30V，同步输入电阻15KQ）。锯齿波幅度：10V（幅度以锯齿波平顶为准）。输出脉冲：（1）宽度：400卩厂2ms（通过改变脉宽阻容元件达到）。（2）幅度：13V

46、（3）KJ004最大输出能力：100mA（流出脉冲电流）。（4）输出管反压：BVCEO18V（测试条件Iew100Q）正负半周脉冲相位不均衡3使用环境温度为四级：C:070CR:-5585CE: -4085CM:-55125CR20RP4R7mu&鳥FJ&4DV DVvskR23+ 15V.-=-l=F-RP1R24i-i-o +15V+ 15VVSV625R8&V2J-&v17VRiVVV0SR2甩0312 13V3VD1-El(-15V)，V5又重新导通。使V7、V8截止， 输出脉冲终止。脉冲前沿由V4导通时刻确定，脉冲宽度与反向充电回路时间常数R11C3有

47、关。电路的触发脉冲由脉冲变压器TP二次侧输出，其一次绕组接在V8集电极电路 中。2、锯齿波的形成和脉冲移相环节illR2R3R7R9V10VDVDRVDW3F4RDHxV8Ri1ZJVDW1R5-1/1 ,VDWSIV12&4ZZF-MC413 14偏移电压(-)移相电压(+)3尺VD 乂 卫VDVDW4-RV3_TXX大学XX学院毕业设计（论文）锯齿波电压形成的方案较多，如米用自举式电路、恒流源电路等。锯齿波电路由Vi、V2、V3和C2等元件组成，Vi、Vs、RP2和R3为一恒流源电路。锯齿波是由开关V2管来控制的。V2截止时，恒流源电流lie对电容C2充电，调节RP2,即改变C2的

48、恒定充电电流lie,可见RP2是用来调节锯齿波斜率的。V2导通时，因R4很小故C2迅速放电，Ub3电 位迅速降到零伏附近。V2周期性地通断，Ub3便形成一锯齿波，同样Ue3也是一个锯齿波。 射极跟随器V3的作用是减小控制回路电流对锯齿波电压Ub3的影响。V4基极电位由锯齿波电压、控制电压Ue。、直流偏移电压Up三者作用的叠加所定。 如果Ueo=0 , Up为负值时，b4点的波形由Uh+Up确定。当Ueo为正值时，匕4点的波形由Uh+Up+ Ueo确定。M点是V4由截止到导通的转折点，也就是脉冲的前沿。力口Up的目的是为了确定控 制电压Uco=0时脉冲的初始相位。在三相全控桥电路中，接感性负载电

49、流连续时，脉冲初始相位应定在a=90;如果是可逆系统，需要在整流和逆变状态下工作，要求脉冲的移相范围理论上为180（由于考虑amin和 篩n,实际一般为120。），由于锯齿波波形两端的非线性，因而要求锯齿 波的宽度大于180,例如240,此时，令Uco=0，调节Up的大小使产生脉冲的M点移 至锯齿波240的中央（120处），相应于a=90的位置。如Uco为正值，M点就向前移，控制角a90，晶闸管电路处于逆变状态。3、同步环节同步指要求触发脉冲的频率与主电路电源的频率相同且相位关系确定。V2开关的频率就是锯齿波的频率，由同步变压器所接的交流电压决定。V2由导通变截止期间产生锯齿波，锯齿波起点基本

50、就是同步电压由正变负的过零点。V2截止状态持续的时间就是锯齿波的宽度，其大小取决于充电时间常数R1C1。4、双窄脉冲形成环节内双脉冲电路由V5、V6构成 或”门。当V5、V6都导通时，V7、V8都截止，没有 脉冲输出，只要V5、V6有一个截止，都会使V7、V8导通，有脉冲输出。第一个脉冲由 本相触发单元的Uco对应的控制角a产生。隔60的第二个脉冲是由滞后60相位的后一 相触发单元产生（通过V6）。晶闸管触发电路总图如图3-9所示。XX大学XX学院毕业设计(论文)26图 3-9 触发电路框图3.3.4晶闸管保护电路晶闸管由于击穿电压接近工作电压， 热容量又较小，所以承受过电压、过电流能力 较差

51、，短时间内的过电压、 过电流都可能造成元件损坏。 为了使晶闸管能正常工作， 除 了合理的选择元件外，还必须对过电流，过电压的发生采取保护措施。过电流保护晶闸管设备发生过电流有可能是晶闸管损毁、触发电路或控制系统有故障等。针对这些情况， 除了用软件来实现保护外， 还可以在硬件电路中加入快速熔断器来保护晶闸 管的过电流。过电压保护我们知道晶闸管有一个重要的特性参数，即断态电压临界上升率du/dt。它表明晶 闸管在额定结温和门极断路条件下，使晶闸管从断态转入通态的最低电压上升率。若电 压上升率过大，超过了晶闸管的电压上升率的值， 则会在无门极信号的情况下开通。 即 使此时加于晶闸管的正向电压低于其阳

52、极峰值电压，也可能出现这种情况 。为了限制电路电压上升率过大，确保晶闸管安全运行，本设计在晶闸管两端并联RC阻容吸收网络，禾I用电容两端电压不能突变的特性来限制电压上升率。如图3-7中所示。因为电路总是存在电感的，所以与电容C串联电阻R可起阻尼作用，它可以防 止R、L、C电路在过渡过程中，因振荡在电容器两端出现的过电压损坏晶闸管。同时，避免电容器通过晶闸管放电电流过大，造成过电流而损坏晶闸管。3.4 电压检测回路在电压检测回路中，尽量实现以下三个功能。其一是同步信号的检测功能，采样三 相电压的自然换相点，它作为晶闸管脉冲触发信号的同步信号； 其二是通过检测晶闸管 输出端可以得到晶闸管导通时刻的

53、检测，以便做电压反馈和缺相故障检测；其三是将三相晶闸管输出电压信号通过电阻降压后转变成直流信号，再经A/D转换后送入到单片机中，作为过压或欠压保护的信号。341同步信号检测XX大学XX学院毕业设计（论文）27为了保证三相交流调压器主回路中各个晶闸管的触发脉冲与其阳极电压保持严格 的相位关系。在电机软起动器的设计过程中，同步信号检测是很重要的一个环节。只有准确的测量出电压的过零点，才能精确的控制晶闸管的导通角，从而实现对电机两端电 压的无极加载，完成软起动的功能。采用如图3-10所示的电路作为电压同步信号检测 电路。从图中可以看出，这个电路的功能就是将由电源侧来的线电压正弦信号转为低 压方波信号

54、来供单片机进行处理分析。由于这里的信号是从高压转为低压送入单片机处 理的，因此要利用一块光耦对高低压信号进行隔离，这样保证了这两种信号可以互不干 扰地分离处理。整个工作过程大体是这样的：由电源侧来的线电压信号经过2个电阻和1个二极管，变成半波交流信号，这个交流信号在正半波时触发光耦导通，从而使得右 侧输入到单片机的是高电平信号；而当光耦左侧交流信号处于低电平时，光耦则截止。 那么右侧输入到单片机的信号也就是低电平。这样周而复始， 单片机所得到的就是幅值为5V的方波信号，周期等同于电源的周期即工频50Hz,而高低电平持续的时间也基本与电源侧正负交流信号所持续的时间大致相同，虽然其间存在着一定的时

55、延，但这可以通过软件进行补偿，从而既简化了外围硬件电路的设计，又得到了与电源电压同步的 信号，为下面给出晶闸管触发信号提供了工作电压零点的基准。图中右端接主控单片机芯片。这个电路的优点在于：一方面，在起动未开始或是开始瞬间，这个电路就可以检 测到器件电压零点；另外，由于输入的交流信号是直接从电源侧获取的，因此这就不需要像其他电路那样需要先利用变压器取得交流信号再进行处理，这样就既节省了线路板的空间，又节约了成本9o图 3-10 同步信号检测电路同时，可以利用图3-10这个电路（以下称为电路I）和另一套与电路I基本相同的电 路（以下称为电路II）配合，进行电源的相序判断和缺相检测。简要介绍一下工

56、作原理。电路II和电路I结构基本相同，存在的区别就是，假设电路I的输入侧连接电源的U、V两相，而电路II输入侧连接的就是电源的V、W两相，且输出信号是分别送入主控 单片机芯片的外部中断输入口。我们假设电路I接的是电源的U、V相，而电路II接的是V、W相，这样在三相电 源正常工XX大学XX学院毕业设计（论文）28作时，当UV线电压发生正跳变（即从负半波转为正半波）时，VW线电压为负， 那么电路II送入CPU的信号就为低电平；当UV线电压发生负跳变时，VW线电压为 正，那么电路II送入CPU的信号是高电平（如果电路II接的是W、V相，那么两次送 入CPU的信号高低电平情况就相反）。同步信号示意图如

57、下图 3-11 同步信号示意图而当电源发生缺相故障时，UV线电压无论发生何种跳变时，VW线电压都同为正 或同为负，这样电路II送入单片机的信号将同为高电平或低电平。 设置电路I接入单片 机的P3.2引脚在信号每次跳变时都产生中断，并在每次跳变中断时记录下电路II接入单片机的P3. 3引脚的状态，通过两次对比P3.2引脚的电平情况，从而判断出所连 入电路中三相电源的相序，为下一步产生正确的脉冲触发信号序列奠定基础。同时在电 源缺相时，也能判断出故障状况，并封锁脉冲信号及给出报警信号和显示信息。342电压反馈回路电压反馈回路如图3-12所示。下面的电路可以得到与晶闸管导通与关断时刻相匹配的工频50

58、Hz的矩形波。简单介绍一下电路构成：U为三相电源的一个输入端（即一组 晶闸管输入侧），R是与之相应的电机输入端（即相应晶闸管输出侧）。6N139是一块高速 达林顿光耦，既保证高压侧与单片机低压部分的隔离，又能快速反应出晶闸管导通/截止的时刻。通过计算单片机I/O口的高低维持时间，我们就可以计算出晶闸管的导通角， 作为输出电压反馈，同时可以检测出电压是否缺相，并发出报警信息，及时通知操作人员出现故障的某一相电源。图3-12显示的是一路电压反馈的检测，还有两路与之相似 的电路检测XX大学XX学院毕业设计（论文）29V、W相。整流桥3.4.3电压过/欠保护电路当电机经常处于过压运行时，铁损增加，效率

59、降低。同时铁损的增加，带来铁芯的 温升、电极的冷却、绝缘层寿命的缩短以及金属某些物理性质变坏等诸多问题，所以电 机不能长时间地运行在过电压状态，因此在系统中加入过压及欠压保护节很有必要。在实际工作中，当输入电压超过420V（即1.1倍额定电压）时则认是过电压，起动过电压 保护；而当输入电压低于340V（即0.9倍额定电压）时则认为是欠电压，起动欠电压保 护11。具体保护电路如图3-6所示。过压和欠压比较器先设定一个适当的值（该值由过 压值420V和欠压值340V转换得来），当采样到的电压一旦超过过压值或者低于欠压值 时，马上产生一个下降沿的中断送到辅助单片机）中的外部中断口P3. 2,迅速产生

60、中 断使得程序立即封锁晶闸管输出脉冲， 并发出过压或欠压报警信号。本设计采用硬件模 拟比较产生中断的方式，虽然它的精度比不上软件数字式，但是硬件模拟比较具有响应 速度快，反应灵敏的特点，这点在保护回路中具有很大的优势。另有一个缺点，本系统 中由于单片机的外部中断口仅有两个， 故过压和欠压都接到同一个外部中断口。在发生过/欠压报警后，需要操作人员简单测试一下电机输入侧的电压，以最终确定是过压报警还是欠压报警。XX大学XX学院毕业设计（论文）303.5 电流检测回路电流检测回路包括了电流反馈回路和保护回路两方面。通过霍尔传感器将三相电流 信号转换成电压信号，再将这个电压信号经过A/D转换后送入到单片机中作为电流负 反馈调节、故障检测和过流保