电子软启动器主电路设计-毕业论文

毕论（电子软动器主电路计）系

别

信息与电子系专业班级

自动化

摘

要大功率感应电动机因为转动惯量很大，如果直接启动的话，其起动电流往往会很高，会对电网产生电流冲击，影响电网其它设备不能正常运行，或者启动电流超过过电流保护整定值而动作，造成电动机无法起动、无法运行等现象。软启动降压启动性能好，成本低，而且它为无触点启动，启动平滑。而实现这个功能有两种方法第一是用双向晶闸管来触发，本文选用了第二种单向晶闸管反并联的方法实行。本课题主要针对硬件设计，以电力电子技术相关知识进行工程设计。实现三相异步电动机软启动。而三相异步电动机额定功率10KW、额定电压、额定电流20A。关键词闸管；控制电路；脉冲变压器；软启动；保护电路High-powerinductionmotorinertiamaybebig,ifitstartsupdirectly,the

startingsootherdevicescannotrunnormally.Orstartingcurrentismorethanthesettingvalueofovercurrentprotectionsothatthepoweristurnedoff,thatcausesthemotorcannotstartuporrun.Thesoftperformancegood,cost,itfornon-contactstartup,startthishaveofmethods,istheTRIAC,thispaperchoosesthesecondmethodthatistwothrystorsinreverseparallel.Thissubjectmainlyfocusonhardwaredesignusingpowerelectronicstechnology,realizesoftstart-upofthree-phaseasynchronousmotor.Andthethree-phasemotorhaspower10KW,rated380Vcurrent20A.Keywords:Thyristor;Controlcircuit;Pulsetransformer;Softstart-up;Protectioncircuit目

录摘

............................................................................................................................................

ABSTRACT....................................................................................................................................2目12

............................................................................................................................................绪..........................................................................................................................................1.1课题背.........................................................................................................................1.2本课题研究目的及意...............................................................误！未义书签电子软启动相关的理论与技..............................................................................................2.1电子软启动器有关知.................................................................................................6

电子软启动的概念以及它有哪些特性和变压器的差异...............................6电子软启动器的工作原.

电子软启动特点和启动方电子软启动器主要功电子软启动器主要用于哪些场最适宜软启动器作轻载运行的场36

本课题的整体方................................................................................................................3.1本课题分析和选.......................................................................................................3.2设计的思...................................................................................................................16参考数据和选......................................................................................................................16.2晶闸管选.....................................................................................................................

选用kp20晶闸管要注意事.Rao的选..........................................................错！未定书签。

电源电路中电解电容的选散热器的选789

保护电..................................................................................................................................37.1晶闸管过电流保.........................................................................................................7.2晶闸管过电压保.........................................................................................................7.3晶闸管的散热功能的保.............................................................................................37.2过电流保.....................................................................................................................三相异步电动机软启动总..................................................................................................5结..........................................................................................................................................

致

............................................................................................................................................参考文........................................................................................................................................1.1

绪课题背电动机的应用领域十分广泛，是工业、农业和交通运输重要设备。改革开放以来，随着我国经济的不断发展，许多工业企业的生产能力迅速提高和随之而来的大、重型生产设备不断涌现，其生产设备的驱动电机容量也越来越大。同步电动机以其可调的功率因数和输出转矩对电网电压波动不敏感等良好的运行性能，在大功率电气传动领域独占鳌头，是

驱动大型风机、水泵、压缩机、高炉鼓风机、短路实验机组的优势机型，更是抽水蓄能电站必不可能少的关键设备。鼠笼式异步电动机以其低成本、高可靠性和易维护等优点在各行业中应用广泛。三相异步电动机的启动性能主要是启动电流和启动转矩的大小。为了提高工作效率和电动机寿命增长，选择一种更好的起动方式对功率和寿命的增长是不可缺少的。电子软起动器的诞生，已经从很大程度上提供了解决这个技术难题的有效手段，而且近年来随着电力电子技术以及智能控制技术的不断发展，电子软起动器已经逐步取代了传统的起动方法，例如“Y△”降压起动、自耦变压器降压起动以及磁性调压起动等。所谓电子软起动器，就是使用晶闸管调压技术，采用单片机控制的起动器，在用户规定的起动时间内自动地将起动电压连续平滑地上升，直到达到额定电压，从而达到有效控制起动电流的目的。1.2

本课题究目的及意电子软起动器是一种能实现电机软起动、软停车和多种保护功能的电机控制装置。软起动器起动电机，电压由零慢慢提升到额定电压，起动电流就由传统的过载；中击电流不可控，变成为可控。而且，可根据需要调节起动电流的大小，起动全过程平滑的起动运行不存在；中击。待电机达到额定转速时，起动过程结束，软起动器中晶闸管旁路的接触器闭合，这样可以降低品闸管的热损耗，延长软起动器的使用寿命，还可以提高工作效率，使电网避免谐波污染。软起动器同时还能够实现软停车，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零。本课题主要意义有二大方面：第一改善电动机电流过大使电动机使用寿命降低和电网安全运行的问题。第二电动机启动时，会产生短时间的谐波电流，使电网的谐波大量增加因此电动机软启动对社会的发展起到了重要意义，也是社会文明进步不可缺少的重要部分。电软动关理与术2.1

电子软动器有关知电子软启的概念它有哪些特以及变器的同之处电子软启动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置。电子软启动器具有很多优点比如：无冲击电流、恒流起动、可自由地无极

调压至最佳起动电流以及节能等。电子软启器与传减压起动方的差异电子软起动与传统减压启动方式的不同之处是：（）无冲击电流。软启动器在起动电机时，通过逐渐增大晶闸管导通角，使电机起动电流从零线性上升至设定值。对电机无冲击，提高了供电可靠性，平稳起动，减少对负载机械的冲击转矩，延长机器使用寿命。（）有软停车功能，即平滑减速，逐渐停机，它可以克服瞬间断电停机的弊病，减轻对重载机械的冲击，避免高程供水系统的水锤效应，减少设备损坏。（）起动参数可调，根据负载情况及电网继电保护特性选择，可自由地无级调整至最佳的起动电流。

电子软动器的工作理软起动器结合了电力电子技术、自动控制技术和单片机技术，是专为三相异步电动机设计的一种全数字智能化起动设备。其基本原理是通过对功率器件即可控硅的控制而实现对电动机的起动和停止控制，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，之后电机全电压运行。在软起动过程中，电机起动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。主要工作原理为：三对反并联的晶闸管串接于电动机的三相电路上，通过单片机输出触发信号，改变导通程度，调节电机的起动电压，并引入电压和电流反馈，实现电动机的软起动，并可控制电动机起动电流的大小。

软启动点和启动方

电子软动特点①启动电压可调，保证电机启动的最小启动转矩，避免电机过热和能源浪费；②控制电机平滑启动，使得启动电流冲击减少；③启动电流可根据负载情况调整使得启动损耗减少最小的电流产生最佳的转矩；④启动时间可调，在该时间范围内，电机转速逐渐上升，避免转速冲击；⑤对传动机械的机械保护，清除转矩浪涌并降低冲击电流；⑥自由停车和软停车可选，软停车快慢可调；

⑦恒定的加减速，不需要测速机，即使当电机负载变化时也是如此；⑧有相序、缺相、过热、启动过程过流、运行过程过流和过载的检测及保护，其过流值和过载值可调。

软启动法①斜坡升压软起动；见图2这种起动方式最简单，不具备电流闭环控制，仅调整晶闸管导通角使之与时间成一定函数关系增加其缺点是由于不限流在电机起动过程中，有时要产生较大的冲击电流使晶闸管损坏，对电网影响较大，实际很少应用。②斜坡恒流软起动图3这种起动方式是在电动机起动的初始阶段起动电流逐渐增加，当电流达到预先所设定的值后保持恒定，直至起动完毕。起动过程中，电流上升变化的速率是可以根据电动机负载调整设定。电流上升速率大，则起动转矩大，起动时间短。该起动方式是应用最多的起动方式，尤其适用于风机、泵类负载的起动。③)脉冲冲击起动；见图4开机即以最短时间使起动电流迅速达到设定值，即为阶跃

起动。通过调节起动电流设定值，可以达到快速起动效果。④阶跃起动；见图5在起动始阶段，让晶闸管在极短时间内，以较大电流导通一段时间后回落，再按原设定值线性上升，连人恒流起动。该起动方法在一般负载中较少应用，适用于重载并需克服较大静摩擦。2.1.3软动器主要功为了使软启动器更佳完美必须借助于单片机进行控制，它通常具备以下主要功能。

自检功软启动器通电后单片机系统内部进行自检功能如果出现故障则立即开启警报功能.

额定电设定

电动机额定电流应为软启动器额定电流的70%~100%.一旦软启动器的额定电流确定下来，那么也同时设定了电子过载保护器的跳闸等级

软启动能软启动器接到单片机起动命令，软启动器会自动进入起动过程序在规定的是时间内（一般在0.5~60s可调）输出一个呈线性上升的电压给电动机。初始电压为电动机的起动电压。初始电压一般设定为的电动机额定电压；终于电压为电动机的额定电压。在起动操作前，起动电压的大小、上升时间等参数均可预先设定。对电动机的转矩可在5%~90%的锁定转矩值之间调节。软启动器的起动特性曲线如图所示。M加速斜坡转矩100%初始转矩t起动

运行图2-1软启动器的起动特性曲线

脉冲突起动功能如果负载在静止状态和具有较大阻力距的状态下起动，可在斜坡软启动开始之前用脉冲突跳起动。比如向电动机施加95%的额定电压、时间0.5s，以克服电动机起动时的助力距。软启动器可提供500%额定电流的电流脉冲，调整时间范围为。突跳起动的特性曲线如图2-2所示。

u电压

突跳起动起动

运行

软停

图2-2突起动的特性曲线平滑加及平滑减速能通过单片机分析电动机变量的状态并发出控制命令，可对类似离心泵负载的起动及停止平滑地加速及减速，来减小系统中出现的喘振。起动时间可在之间调整，停止时间可在2~120s之间调整。平滑加速及平滑减速的特性曲线如图所示。v速度起动

运行

停止图2-3平滑加速及平滑减速的特性曲线

软停止能软启动器在接到软停机的指令后，自动执行软停止程序，输出电压从额定值线性降压至起动时的初始值。软停止斜坡时间可根据需要设定，一般在内。

旁路切功能

当起动结束、电动机达到额定转速时，软启动器输出切换信号，将电机机旁路切换至电网供电，以降低软启动器长期运行的热损耗。可以采用一台软启动器分别控制多台电动机的起动。

快速停功能该功能用在比自由停车快的场合。制动设有附加的接触器或附加电源设、备的情况下完成。制动电流的大小可在满载电流的150%~400%间调整。

低速制功能该功能主要用于电动机序正向低速定位停车和需要制动控制停车的场合。慢速调制速度为额定速度的7%（低）或额定速度的15%（高速加速电流，当加速时间为2s时，可在50%~400%之间调整；制动电流可在150%~400%间调整；低速电流限制可在满载电流的50%~450%之间调整；千万要记得不能采用突跳起动。低速制动特性曲线如图所示。v速低速

起动

运行

停止图2-4低速制动特性曲线如图0

电流限功能最大软启动电流可以设置。若起动电流超过该设定值，电动机电压将受到限制不在升高，直到电动机电流降到电流设定值为止。通常电流限制的设定值为的电动机额定电流（可调在起动过程中若在规定时间内电流无法降至电流限制的设定值水平之下，则过电流切除功能投入运行，终止起动操作1

节能功如果电动机负载较轻时，软启动器自动降低施加于电动机上的电压，使得提高了电动机的功率因数，而且达到节能的目的。

2

保护功①过热保护：当软启动器散热器的温度超过设定值时，温度传感器动作，保护电路切换软启动输出。②晶闸管损坏保护：当一个或多个晶闸管损坏时，软启动器会自动警报，并且停止电动机运转。③缺相保护：当三相交流电源发生缺相故障时，软启动器将立即关断并显示故障。软启动器要用于些场合软启动器已经全面取代了传统的星—三角形启动器、自耦减压启动器等。根据软启动的功能，适用于哪些场合比如：①正常运行时电动机不需要具有调整功能，只要解决起动过程的工作状态；②在正常运行时负载不允许减压、降速；③电动机功率较大（如大于100KW），起动时，会给主变压器运行照成不良影响；④电动机允许对电网电压要求严格，电压降≤；⑤设备的起动转矩不大，可进行空载或轻载起动；⑥设备精密，设备起动不允许有起动冲击；⑦中大型电动机不需要节能起动。从初投资看，功率在75kw下电动机采用自耦减压启动器比较经济。功率在90~250kw的电动机采用软启动器比较合算；⑧短期重复工作的机械。即指长期空载（轻载＜35%），短时重载，空载率较高的机械，或者负载持续率较低的机械。比如：起重机、皮带输送机、金属材料压延机、车床、刨床、剪床等；⑨需要具有突跳、平滑加速、平滑减速、快速停止、低速制动、准确定位等功能的工作机械；eq\o\ac(○,10)长期高速、短时低速的电动机，当其负载率35%时，采用软启动器有较好的节能效果；eq\o\ac(○,11)有多台电动机且这些电动机不需要同时起动的场合。最适宜软动器作载运行的场软启动器最合适在以下场合软启动器作轻载降压运行，它具有较好的节电效果：①短时有负载、长期轻载运行的场合（负载率＜）比如：油田磕头式抽油机，水

泥厂粉碎机，机械制造厂冲床、剪床等；②电网电压长期偏高（如长期在400v以上而电动机额定电压为380V的场合，用软启动器作降压运行；③配套电动机功率太大，电动枪长期处于轻载运行的场合。

3.1

本题整方本课题析和选择本课题主要是完成一台小容量电子软启动样机主电路的设计。目标和要求：①三相交流异步电动机：额定功率10KW、额定电压、额定电流20A；②起动模式：电压斜坡起动、斜坡限流起动、带突跳的电压斜坡起动、带突跳的斜坡限流起动、限压起动、带突跳的限压起动；③停车模式：自由停车、软停车；④轻载自动进入节能状态。

3.2

设计的电路图图3-2电电路图

参数和择4.1晶闸管选择选用kp20晶闸要注意项在使用晶闸管中要正确的选用晶闸管中很有必要的果晶闸管选用不档会出现很多严重的问题。比如闸管会被烧坏异步电动机启动不了有可能会坏掉等保护元件的选用也很重要而本文选用了晶闸管可以参见附录5KP型晶闸管主要参数。V1I2IN22I110200mI2=200mA*15/10=300mA而kp20晶闸管触发电流100mA就可以了所以满足条件①普通晶闸管额定电流（即通态平均电流）It≥（1.3~1.6I，额定电压由于瞬时电压会使晶闸遭破坏，额定电是等于380v*(2~3)=760v~1140v于在电子市场中没有能找到1200v电压的晶闸管所以本文选用了1000v的电压。为了更好的保护晶闸管用到了保护元件；②晶闸管对过电压和过流的耐受量很小使短时间的超过规定值的过电压或过电流都会造成元件损坏，所以必须采取过电压和过电流保护；③晶闸管及其电路的抗干扰和抗静电能力差容易引起误动作因此必须采取防干扰、防静电措施；④晶闸管应拧紧在散热片上；⑤测试或检查晶闸管时，控制极和阴极之间瞬时电压不应超过否则控制极会被击穿。

电源电中电解电容选择本课题中有了一个变220变24v的交流电在经过桥使的输出点电压大于24v，小于30v。进行滤波以及保护。所以选择了的电解电容。

散热器选择

散热片选择

本课题选择散热片是根据晶闸管来选择的，而本课题选择的是螺旋状晶闸管基本上能有旋转的散热片适合晶闸管就行了散热片在使用中要在电子元件与散热片接触面涂上一层导热硅脂元器件发出的热量更有效的传导到散热片上，在经散热片散发到周围空气中去。

散热风的选择如公式6-1所示P=UIU—晶闸管触发电压I—晶闸管触发点流本课题选择KP20的晶闸管能触发晶闸管额定电压、额定电流。在本课题中输出的额定电流为300mA、额定电压可得：功率P=UI=300mA*10V=3W所以选择了5W散热风扇。

（6-1）

保电5.1晶闸管过电流护5.1.1

快速熔器保护普通熔断器由于熔断时间长来保护晶闸管时可能在熔断器的熔体还没熔断之前晶闸管就已经损坏了因此起不到保护作用快速熔断器系专门为晶闸管保护用，其熔断速度非常快。选用快速熔断器时按电路电流有效值选用而不是按所用晶闸管的通态平均电流It选择。而选择了KP20它的It=20A，有效值为1.57*20=30.14A熔断器过载能力必须与晶闸管实际工作电流有效值过载情况相比配。快速熔断器的选择如附录。5.2晶闸管过电压护5.2.1

阻容保由于电容两端的电压不能突变将阻容元件并联在晶闸管两端当发生过电压使电容器先冲电而充电需要一定时间电容器两端电压还未充到很高时，短暂的过电压已经消失，从而抑制了过电压的峰值，使晶闸管不致击穿时对于限制晶闸管正向电压上升率过大也是有效的与电容器串联的电阻用以消除电磁振荡和限制放电电流。阻容保护元件的选择如附录。5.3晶闸管的散热能的保由于在大功率的条件下必须配置散热器晶闸管过热时必须要用到散热器使得晶闸管不会因为过热而损坏保护了三相异步电动机正常输出所以散热的保护很重要。

5.2过电流保护图7-1电保护图如图7-1所示可以得出通过电流互感器感应到的电流（交流电）要经过全控整流在经过比较器果正电压大于给定电压使得4脚接地有锯齿波输出。

三异电机启总做本课题以来经过几个月不断交流研究本课题完成了三相异步电动机软启动主电路设计。在完成过程中了解到电子软起动器的起动方式及独特功能是其他降压起动方式不能比拟的既能保证电动机在负载要求的起动特性下平滑起动降低对电网的冲击又能保证电动机可靠起动，降低起动冲击，还能实现直接计算机通讯控制为自动化智能控制打下良好的基础，有着广阔的应用前景所以在工程设计和工程改造中当电动机在直接起动不能满足要求时首先应考虑电子软起动器。结本文是根据软启动器代替了传统鼠笼异步电动机的起动方式有星-三角起动、自耦减压起动、延边三角形起动、电抗器减压起动等，而提出了新的启动方式、软启动器的特点与变压器的不同点软启动器的功能和适合哪些用于哪些场合，然后提出软启动器的主电路设计本课题满足了之前主要技术指标而知道了书上的理论知识重要学会了在书上找解决办法以及用到实际当中去。明白了多问、多做、多实际、多操作。

致

谢在这里我最感谢是吴老师他为人热情随和，学问非常厉害在出现问题时都能是能像知心朋友一样鼓励你学术上的问题都总会以“专业标准”严格要求你，从选题、定题开始，一直到最后论文的反复修改，吴老师一直始终认真负责地给予我深刻而细致地指导，帮助我开拓研究思路，细心点拨、不断鼓励。正是吴老师的无私

的帮助和热情的鼓励。他使我懂得了很多东西。知道了多学习、多看书、多做事、多想想、多问、多想办法解决问题，才使我能够顺利的完成毕业论文，吴老师谢谢您。

参文[1]谢祥，欧阳森．电力电子单片机控制技[．北京：机械工业出版社2007．[2]来鹏．各类软启动器的比[J]．电气技术2006(5)[3]赵获，杨利军．电机与电气控制技[M]北京：高等教育出版社，2007．[4]刘樱，姜婷，周汉义．异步电动机软启动器设[J]．机电工程，2007(3)．[5]刘毅，龚勋．三相异步电动机软起动器的设[J]仪器仪表用户，2008(4)．[6]崔，IGBT软启节能控器的研[J]山东电力高等专科学校学报2004(2)．[7]王艳．交流调[M]．北：高等教育出版社，2003．[8]张凤．电机起动方式的选择和应[J]电气时代2004(3)．[9]陈．电机软起动器起动与制J]电工技术2005(9)[10]冯垛，刘希真．电力电子技[M]．机械工业出版社2008．[11]王文，石玉，李秉象．晶闸管变流技术应用图[M]．机械工业出版社1989(10)．[12]方大鹏宁及电力电子器件实用技术问[M]盾出版社2009(10)．

附

录附录熔断器选用数晶闸管的通态平均电流（A）熔体额定电流（A）

510815

2030

3050

5080

100150

200300

300500

500800

附录阻容参的选晶闸管的通态平均电流（A）电容C（μ）电阻R（Ω）

50.1100

100.1100

200．1580

500.240

1000.2520

2000.510

50012

附录铁芯的择比特性

非晶合金薄硅钢片坡莫合金铁氧体饱和磁率BS/GS磁导率Fmax/KHz

150001000001000

20000180010

800014~145300

3000~500010~18000100~200000最高工作温度/＜℃200温度影响中铁损耗低加工难价格中

200小高易低

200小中易中

中低易低

125

附录触发脉和锯波

附录晶闸管选用参数系列

通态平均

断态重复峰值电压反向

断态不重复峰值电

额定

门极触发电流

门极触发

断态电压临界

通态电流临界

浪涌电流电流

重复峰值电

流反向不

结

mA

电压

上升率

上升率AA

压V

重复平均电流

温℃

V

A

mA序号

1

2

3

4

56

78

9KP1KP5KP10KP20KP30KP50

1510203050

100~3000100~3000100~3000100~3000100~3000100~3000

≤1≤1≤1≤1≤2≤2

1003~301005~701005~1001005~1001008~1501008~150

≤2.53≤3.53≤3.53≤3.53≤3.53≤3.53

—————30

2090190380560940KP100KP200KP300KP400KP500KP600KP800

100200300400500600800

100~3000100~3000100~3000100~3000100~3000100~3000100~3000

≤4≤4≤8≤8≤≤9≤9

11510~250≤411510~250≤411520~300≤511520~300≤511520~300≤511530~350≤511530~350≤5

100100100100100100100

5080808080100100

188037705650754094201116014920KP10001000100~3000

≤10

11540~400≤5

100

100

1860

毕业设计论文）原创声明和使用授说明原创性声人在所知含我为获

签名：

使用授权明

不以

学位论原性声明文

学位论版使用授书

采用

指导教师阅书指导教评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神□优□良□中□及格□不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度□优□良□中□及格□不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力□优□良□中□及格□不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性□优□良□中□及格□不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况□优□良□中□及格□不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？□优□良□中□及格□不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？□优□良□中□及格□不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格建议成：优□良□中□及格□不格（在所选等级前的□内画“√”）指导教：（签名）

单位：（盖章）年

月

日

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月

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教室或辩组及学意教研室或答辩小组评价：一、答过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况□优□良□中□及格□不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况□优□良□中□及格□不及格3、学生答辩过程中的精神状态□优□良□中□及格□不及格二、论（设计）质1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？□优□良□中□及格□不及格三、论（设计）水1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？□优□良□中□及格□不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格评定成：优□良□中□及格□不格（在所选等级前的□内画“√”）教研室任（或答辩组组长：（签名）年

月日教学系见：系主任（签名）年

月

日

学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人