【正文】 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................39南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）摘 要三相異步電動機(jī)因具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、運(yùn)行可靠、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、國防工業(yè)以及其他各行各業(yè)中。但它也有明顯的缺點(diǎn)，那就是起動轉(zhuǎn)矩小，起動電流過大。這種情況對電機(jī)本身及周圍電網(wǎng)都有非常不利的影響。為了減小異步電動機(jī)起動過程中對電網(wǎng)的沖擊、消除傳統(tǒng)降壓起動設(shè)備的有級觸點(diǎn)控制對異步電動機(jī)的沖擊、改善異步電動機(jī)的起動特性，本文對基于單片機(jī)控制的晶閘管調(diào)壓軟起動器進(jìn)行討論。本文首先闡述了軟起動器晶閘管調(diào)壓電路(即主電路)的工作原理，主要是基于晶閘管的三相異步電動機(jī)軟啟動器主電路設(shè)計和觸發(fā)電路設(shè)計。然后是對電動機(jī)軟啟動器模式的設(shè)計，但主要還是軟起動器的硬件電路設(shè)計。本文設(shè)計的軟起動器操作方便簡單，能夠使電機(jī)順利起動。使之能達(dá)到了改善三相異步電動機(jī)起動性能的要求。在滿足異步電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩要求及降低起動電流的前提下，使電機(jī)能夠平穩(wěn)可靠起動。關(guān)鍵詞：異步電動機(jī)；晶閘管；軟起動南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）21三相異步電動機(jī)軟啟動器的設(shè)計 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀我國軟起動技術(shù)起步于上世紀(jì) 80 年代早期，目前生產(chǎn)電機(jī)啟動器的廠家很多，先后也推出了多種品牌的軟起動器。但由于國內(nèi)自主開發(fā)和生產(chǎn)的能力相對較弱，對國外產(chǎn)品的依賴還是很嚴(yán)重。在技術(shù)上和可靠性上與國外同類產(chǎn)品尚有一定的差距。所以在整個軟起動器市場上，占據(jù)統(tǒng)治地位的還是國外產(chǎn)品，國內(nèi)產(chǎn)品所占的份額還是很低。目前市場上生產(chǎn)的軟啟動器主要以機(jī)械式和三相反并聯(lián)晶閘管方式為主。機(jī)械式啟動器是目前使用比較廣泛的啟動方式，但它是有級起動，會產(chǎn)生二次沖擊電流，啟動電流仍然為標(biāo)稱電流的 3~4 倍，且有體積大、噪音大、維護(hù)費(fèi)用高、無法適應(yīng)惡劣環(huán)境等諸多弊端。近三十年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，使無電弧開關(guān)和連續(xù)調(diào)節(jié)電流成為可能。電力半導(dǎo)體開關(guān)器件具有無磨損、壽命長、功耗小等特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)代控制理論及微機(jī)控制技術(shù)，為實現(xiàn)電機(jī)的軟起動提供了全新的思路。要突破傳統(tǒng)的啟動方式，是離不開電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展的。目前在國外，發(fā)達(dá)國家的電動機(jī)軟起動產(chǎn)品主要是固態(tài)軟起動裝置——晶閘管軟起動和兼作軟起動的變頻器。在生產(chǎn)工藝兼有調(diào)速要求時，采用變頻裝置。在沒有調(diào)速要求使用的場合下，起動負(fù)載較輕時一般采用晶閘管軟起動。在重載或負(fù)載功率特別大的時候，才使用變頻軟起動。晶閘管軟起動裝置是發(fā)達(dá)國家軟起動的主流產(chǎn)品，各知名電氣公司均有自己晶閘管軟起動的品牌，在其功能上又各具特色。例如 GE 公司生產(chǎn)的 ASTAT 智能電機(jī)軟起動器；ABB 公司生產(chǎn)的 PST、PSTB 系列電機(jī)軟起動器；施耐德公司的 ATS46 軟起動器；德國 SIEMENS 公司的 3RW22 SIKOSTART 軟起動器等等。目前，國外對晶閘管三相交流調(diào)壓電路的研究己經(jīng)從對控制電壓、控制電機(jī)電流的開環(huán)、閉環(huán)方式，發(fā)展到通過建立比較準(zhǔn)確實用的數(shù)學(xué)模型，找到適用于三相交流調(diào)壓電路電機(jī)負(fù)載的控制方法，從而使三相交流調(diào)壓電路電機(jī)負(fù)載性能更優(yōu) [3]。另一方面，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，異步電動機(jī)向更加可靠、方便性好、小型化方向發(fā)展。 本課題研究內(nèi)容南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）3軟啟動器本質(zhì)上是一種直流調(diào)壓裝置，用來實現(xiàn)軟啟動、軟停車、實時監(jiān)測以及各種保護(hù)功能。為了保證系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行，可以充分發(fā)揮單片機(jī)的強(qiáng)大控制功能，由主控制電路對系統(tǒng)的關(guān)鍵器件和關(guān)鍵參數(shù)，例如過壓、欠壓、過流、過載、等進(jìn)行實時監(jiān)控。隨著數(shù)字直流 PWM 調(diào)壓技術(shù)的應(yīng)用，以及采用高性能的單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心，可以使軟啟動器具有控制快速準(zhǔn)確、響應(yīng)快、運(yùn)行穩(wěn)定、可靠等優(yōu)點(diǎn)。在三相交流異步電動機(jī)不宜采用直接啟動的時候，可以考慮采用定子串電阻或串電抗器啟動、Y△啟動、自耦變壓器降壓啟動、轉(zhuǎn)子串電阻啟動、晶閘管電子軟啟動、分級變頻軟啟動、兩相變頻調(diào)壓軟啟動等方法。結(jié)合各方面的因素及實際情況，本課題研究的內(nèi)容主要有：(1)研究三相調(diào)壓軟起動的基本原理，對三相異步電動機(jī)的起動電流和起動轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分析，對軟起動控制策略進(jìn)行研究。(2)對三相晶閘管軟起動系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計。包括主電路，觸發(fā)電路，檢測電路，控制電路，驅(qū)動電路等。(3)實現(xiàn)三相異步電動機(jī)軟啟動器模式的設(shè)計和軟件的有關(guān)設(shè)計。(4)用 PROTEL 繪制系統(tǒng)的原理圖。本課題的目標(biāo)是實現(xiàn)三相異步電機(jī)的軟啟動，甚至使軟啟動器能夠根據(jù)電機(jī)負(fù)載的實際情況改變。南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）42 三相異步電動機(jī)的起動控制的研究 交流三相異步電動機(jī)的傳統(tǒng)啟動技術(shù)，如定子串電阻/電抗器啟動、自耦變壓器降壓啟動、星形三角形降壓啟動、轉(zhuǎn)子串電阻或頻敏變阻器啟動等，在交流電動機(jī)啟動技術(shù)發(fā)展過程中都有過重要應(yīng)用。但隨著晶閘管技術(shù)的發(fā)展，三相交流調(diào)壓軟啟動器因為具有性能良好、產(chǎn)品多樣、電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)以及轉(zhuǎn)矩或電流可閉環(huán)控制等優(yōu)點(diǎn)，使得電子軟啟動器得到了深入而廣泛的發(fā)展，成為軟啟動市場中的主流產(chǎn)品。 三相異步電動機(jī)的起動過程的分析 為了研究三相異步電動機(jī)的起動時的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩等變量的關(guān)系，進(jìn)而分析異步電機(jī)起動時的電流、起動轉(zhuǎn)矩和所外加電壓的關(guān)系，就要研究電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。對于電動機(jī)的軟起動而言，多采用基于集中參數(shù)等效電路的數(shù)學(xué)模型。在不改變異步電動機(jī)定子繞組中的物理量和異步電機(jī)的電磁性能的前提下，經(jīng)頻率和繞組的計算，把異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的頻率、相數(shù)、每相有效串聯(lián)匝數(shù)都?xì)w算成和定子繞組一樣，即可用歸算過的基本方程式推導(dǎo)出異步電動機(jī)的等效電路。三相異步電動機(jī)的 T 形穩(wěn)態(tài)等效電路如圖 21 所示：7X 2 r 2x 1r 1x mr mi 1 i 2i mu 11 ssr 2圖 21 異步電動機(jī)的等效電路其中，r 1 為定子繞組的電阻，x 1 為定子繞組的漏電抗，r 2 為歸算到定子方面的轉(zhuǎn)子繞組的電阻，x 2 為歸算到定子方面的轉(zhuǎn)子繞組的漏抗。r m 代表與定子鐵心損耗所對應(yīng)的勵磁電阻，x m 代表與主磁通相對應(yīng)的鐵心磁路的勵磁電抗。U 1 為定子電壓向量，E 1為定子感應(yīng)電動勢向量，i 1 為定子電流向量，i m 為磁電流向量?；?T 形等效電路的數(shù)學(xué)模型為：南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）5 (21) 111uE ()ZirjxEi?????? (22)2Is（ +） (23)12mii (24)??2E39。IZIrjx???????由以上四式可得： (25)211239。39。39。39。mrjxsIUjrjxjrx??????????在異步電動機(jī)里，因為 r1x1，r mxm，故可以省去 r1，r m，則式(25)可以表示為： (26)12139。()(39。)mIxjjs??????????由等效電路可見，異步電動機(jī)輸入的電功率 P1 一部分消耗在釘子繞組的電阻而稱為定子銅耗 Pcu1，一部分消耗在定子鐵心上而變成鐵耗 PFe，剩余的通過氣隙傳遞到轉(zhuǎn)子的功率成為電磁功耗 Pem。其中 Pem 為： (27)1221239。cos39。39。/emEImIrs???電磁轉(zhuǎn)矩為： (28)??0()1ececemsPT??其中， 為同步角速度； 為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度；P em 為機(jī)械功11026nfp???260n??率。由式(27)和式(28)可得： (29)21039。emrpTIfs??根據(jù) T 形等效電路可得：南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）6 (210)1222139。39。()(39。)UIrxs??將式(210)代入(29)得： (211)??211 239。239。39。emrpTfxs???????????????剛起動時，轉(zhuǎn)子 n=0，轉(zhuǎn)差率 s=1，此時啟動轉(zhuǎn)矩為： (212)???211239。239。39。stpUrTfx???????同時，由于激磁電流相對較小即 ， 近似為 1，由式(26)的啟動電流為：0mI??1mx?????? (213)???22139。39。st UIrx?由式(212)和式(213)可知，起動轉(zhuǎn)矩正比于定子端電壓的平方，起動電流正比于定子電壓。起動電壓較低時，起動轉(zhuǎn)矩較小，電流也較?。环粗?，如果電壓較高，則起動轉(zhuǎn)矩較大，但同時起動時的沖擊電流也很大。而異步電動機(jī)的起動特性主要表現(xiàn)在起動電流和起動轉(zhuǎn)矩兩個方面：希望電動機(jī)起動時能產(chǎn)生足夠的起動轉(zhuǎn)矩，以便帶動負(fù)載快速地達(dá)到正常轉(zhuǎn)速；同時，也希望起動電流不要太大。因為在供電變壓器的容量比較小的情況下，過大的起動電流將造成較大的線路壓降，從而影響接在同一電網(wǎng)上的其它電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。下面針對異步電動機(jī)的起動特性，分析起動方式的原理和應(yīng)用。 三相異步電機(jī)的啟動方法 三相異步電動機(jī)的起動方法主要有直接起動、傳統(tǒng)減壓啟動和軟啟動三種啟動方法。下面就分別做詳細(xì)介紹。南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）7 直接起動直接起動，也叫全壓起動。起動時通過一些直接起動設(shè)備，將全部電源電壓(即全壓)直接加到異步電動機(jī)的定子繞組，使電動機(jī)在額定電壓下進(jìn)行起動。一般情況下，直接起動時起動電流為額定電流的 3～8 倍，起動轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的 1～2 倍。根據(jù)對國產(chǎn)電動機(jī)實際測量，某些籠型異步電動機(jī)起動電流甚至可以達(dá)到 8～12 倍。直接起動的起動線路是最簡單的，如圖 22 所示。然而這種起動方法有諸多不足。對于需要頻繁起動的電動機(jī)，過大的起動電流會造成電動機(jī)的發(fā)熱，縮短電動機(jī)的使用壽命；同時電動機(jī)繞組在電動力的作用下，會發(fā)生變形，可能引起短路進(jìn)而燒毀電動機(jī)；另外過大的起動電流，會使線路電壓降增大，造成電網(wǎng)電壓的顯著下降，從而影響同一電網(wǎng)的其他設(shè)備的正常工作，有時甚至使它們停下來或無法帶負(fù)載起動。這是因為 Ts 及 Tm 均與電網(wǎng)電壓的平方成正比，電網(wǎng)電壓的顯著下降，可使 Ts 及 Tm 均下降到低于 Tz。一般情況下，異步電動機(jī)的功率小于 7．5kW 時允許直接起動。如果功率大于7．5kW，而電源總?cè)萘枯^大，能符合下式要求的話，電動機(jī)也可允許直接起動。 ??134stNkvAIKw??????????電 源 總 容 量起 動 電 動 總 功 率 如果不能滿足上式的要求，則必須采用減壓啟動的方法，通過減壓，把啟動電流Ist 限制到允許的數(shù)值。M3~F U 1 F U 2F U 3K M圖 22 直接啟動原理圖南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）8 傳統(tǒng)減壓起動減壓起動是在起動時先降低定子繞組上的電壓，待起動后，再把電壓恢復(fù)到額定值。減壓起動雖然可以減小起動電流，但是同時起動轉(zhuǎn)矩也會減小。因此，減壓起動方法一般只適用于輕載或空載情況。傳統(tǒng)減壓起動的具體方法很多，這里介紹以下三種減壓起動的方法：(1)定子串接電阻或電抗起動定子繞組串電阻或電抗相當(dāng)于降低定子繞組的外加電壓。由三相異步電動機(jī)的等效電路可知：起動電流正比于定子繞組的電壓，因而定子繞組串電阻或電抗可以達(dá)到減小起動電流的目的。但考慮到起動轉(zhuǎn)矩與定子繞組電壓的平方成正比，起動轉(zhuǎn)矩會降低的更多。因此，這種起動方法僅僅適用于空載或輕載起動場合。 對于容量較小的異步電動機(jī)，一般采用定子繞組串電阻降壓；但對于容量較大的異步電動機(jī)，考慮到串接電阻會造成銅耗較大，故采用定子繞組串電抗降壓起動。 如圖 23 所示：當(dāng)起動電機(jī)時，合上開關(guān) Q，交流接觸器 KM 斷開，使電源經(jīng)電阻或電抗 R 流進(jìn)電機(jī)。當(dāng)電機(jī)起動完成時 KM 吸合，短接電阻或電抗 R。K MM3~F U 2F U 3F U 1RF RQU V W圖 23 定子串電阻或電抗起動原理圖(2)星三角形(丫△) 起動星三角形起動法是電動機(jī)起動時，定子繞組為星形(丫)接法，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升至接近額定轉(zhuǎn)速時，將繞組切換為三角形(△)接法，使電動機(jī)轉(zhuǎn)為正常運(yùn)行的一種起動方式。南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）9星三角形起動方法雖然簡單，但電動機(jī)定子繞組的六個出線端都要引出來，略顯麻煩。 圖 24 為星 三角形起動法的原理圖。接觸器 KM2 和 KM3 互鎖，即其中一個閉合時，必須保證另一個斷開。KM2 閉合時，定子繞組為星形(丫)接法，使電動機(jī)起動。切換至 KM3 閉合，定子繞組改為三角形(△)接法，電動機(jī)轉(zhuǎn)為正常運(yùn)行。由控制電路中的時間繼電器 KT 確定星三角切換的時間。 定子繞組接成星形連接后，每相繞組的相電壓為三角形連接(全壓)時的 l/ ，故3星三角形起動時起動電流及起動轉(zhuǎn)矩均下降為直接起動的 1／3。由于起動轉(zhuǎn)矩小，該方法只適合于輕載起動的場合。K M 3K M 1M3~F U 2F U 3F U 1F RQU V WK M 2圖 24 星三角形起動法的原理圖(3)自耦變壓器起動自耦