【正文】 ............................................................... 41 致 謝 ....................................................................................................................... 42 附 錄 Ⅰ ................................................................................................................... 43 附 錄Ⅱ 元器件清單 ............................................................................................. 52 附 錄Ⅲ 電路圖 ..................................................................................................... 55 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 第 1章 緒 論 電動(dòng)機(jī)的發(fā)展歷史 電動(dòng)機(jī)也稱(chēng)為 “ 馬達(dá) ” ， 是 把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的機(jī)器。利用電動(dòng)機(jī)可以把發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的大量電能，應(yīng)用到生產(chǎn)事業(yè)中去。 電機(jī)是一種基于電磁力定律而實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn) 換成機(jī)械能。 但無(wú)論是發(fā)電機(jī)還是電動(dòng)機(jī)，其工作原理都建立在電磁感應(yīng)定律、全電流定律、電路定律和電磁力定律等基礎(chǔ)之上。 構(gòu)造 上 基本上 是 一樣 的 ，原理卻正好相反，電動(dòng)機(jī)是通 過(guò) 轉(zhuǎn)子線圈以引起運(yùn)動(dòng)，而發(fā)電機(jī)則是借轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)中 的 運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電流。為了獲得強(qiáng)大的磁場(chǎng) ，不論電動(dòng)機(jī)還是發(fā)電機(jī)，都以使用電磁鐵為宜。1821 年英國(guó)科學(xué)家法拉第 首先證明 了 可以把電力轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。最先制成電動(dòng)機(jī)的人，據(jù)說(shuō)是德國(guó)的雅可比。他于 1834 年前后 制 成了一種簡(jiǎn)單的裝置：在兩個(gè) U型電磁鐵中間， 安 裝一 個(gè) 六臂輪，每臂帶兩根棒型磁鐵。通電后，棒型磁鐵與 U型 磁鐵之間產(chǎn)生相互吸引和排斥作用 ，帶動(dòng)輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)。后來(lái)，雅可比做了一個(gè) 大型的裝置。安在小艇上，用 320 個(gè)丹尼爾電池供電， 1838 年小艇在易北河上首次航行，時(shí)速只有 公里，與此同時(shí)，美 國(guó)的達(dá)文波特也成功地制出了驅(qū)動(dòng)印刷機(jī)的電動(dòng)機(jī)，印刷過(guò)美國(guó)電學(xué)期刊 《電磁和機(jī)械情報(bào)》。 1870 年比利時(shí)工程師格拉姆發(fā)明了直流發(fā)電機(jī)，在設(shè)計(jì)上，直流發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)很相似。后來(lái)，格拉姆證明向直流發(fā)動(dòng)機(jī)輸入電流，其轉(zhuǎn)子會(huì)象電動(dòng)機(jī)一樣旋轉(zhuǎn)。于是，這種格拉姆型電動(dòng)機(jī)大量制造出來(lái)。效率也不斷提高。 1888 年南斯拉夫出生的美國(guó)發(fā)明家特斯 拉發(fā)明了交流電動(dòng)機(jī)。它是根據(jù)電磁感應(yīng)原理制成，又稱(chēng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，這種電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用交流電，無(wú)需整流，無(wú)火花，因此被廣泛應(yīng)用于工業(yè)的家庭電器中，交流電動(dòng)機(jī)通常用三相交流供電。 三相異步 電動(dòng)機(jī) 的 工作原理 (1)當(dāng)三相異步電機(jī)接入三相交流電源 (各相差 120 度電角度 )時(shí)， 就產(chǎn)生了一個(gè)以同步轉(zhuǎn)速沿定子和轉(zhuǎn)子內(nèi)圓空間作順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。 三相定子繞組流過(guò)三相對(duì)稱(chēng)電流產(chǎn)生的三相磁動(dòng)勢(shì)（定子旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)）并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速 0n 沿定子和轉(zhuǎn)子內(nèi)圓空間作順時(shí)針?lè)较蛐?轉(zhuǎn)。 (2) 由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以 同步 轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體開(kāi)始時(shí)是靜止的， 該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 與轉(zhuǎn)子導(dǎo)體有相對(duì)切割運(yùn)動(dòng) ,根據(jù)電磁感應(yīng)原理 ,轉(zhuǎn)子導(dǎo)體 (轉(zhuǎn)子繞組是閉合通路 )產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)并產(chǎn)生感應(yīng)電流（感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向用右手定則判定）。 (3)根據(jù)電磁力定律，在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的作用下，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中將產(chǎn)生與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向基本一致的感生電流。載流的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體在定子產(chǎn)生的磁場(chǎng)磁場(chǎng)中受到電磁力作用 (力的方向用左手定則判定 )，電磁力對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子沿著旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)軸上帶機(jī)械負(fù)載時(shí)，便向外輸出機(jī)械能。由于沒(méi)有短路 環(huán)部分的磁通比有短路環(huán)部分的磁通領(lǐng)先，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方向相同。 三相異步電動(dòng)機(jī)的種類(lèi) 按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的不同，三相異步電機(jī)可分為籠式和繞線式兩種。 籠式轉(zhuǎn)子的異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、重量輕、價(jià)格便宜，得到了廣泛的應(yīng)用，其主要缺點(diǎn)是調(diào)速困難。 繞線式三相異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子一樣也設(shè)置了三相繞組并通過(guò)滑環(huán)、電刷與外部變阻器連接。調(diào)節(jié)變阻器電阻可以改善電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能和調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 三相異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方式 異 步電動(dòng)機(jī)的啟 動(dòng)問(wèn)題是它在運(yùn)行中的一個(gè)特殊問(wèn)題。常用的方法有全壓直接啟動(dòng)、 自耦 減壓?jiǎn)?dòng)、 YΔ 形 啟動(dòng)、 延邊三角形啟動(dòng) 、 軟啟動(dòng)、變頻啟動(dòng)等。為了保護(hù)供電系統(tǒng)不受啟動(dòng)電流峰值的沖擊，或者為了保護(hù)被加工物件不受此啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩帶來(lái)的過(guò)大的機(jī)械應(yīng)力的影響，通常采取降壓?jiǎn)?dòng)。 直接啟動(dòng) （全壓?jiǎn)?dòng)） 每臺(tái)鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)都按照它的結(jié)構(gòu)參數(shù)具有它自己的轉(zhuǎn)矩 /速度機(jī)械特性和電流 /速度特性。在直接接入電網(wǎng)啟動(dòng)的情況下，當(dāng)加上額定電壓時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)大于額定電流幾倍的啟動(dòng)電流，與此同時(shí)，在負(fù)載上作用的是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。對(duì)于絕大多數(shù)電動(dòng)機(jī)而言，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩值大于額定轉(zhuǎn)矩。 直接起動(dòng)的條件：（只需滿足下述三個(gè)條件中的一條即可） （ 1） 容量 在 以下的三相異步電動(dòng)機(jī)均可采用。 （ 2） 電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)瞬間造成的電網(wǎng)電壓降不大于電源電壓正常值的 10%，對(duì)于不經(jīng)常啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)可放寬到 15% 。 （ 3） 可用經(jīng)驗(yàn)公式粗估電動(dòng)機(jī)是否可直接啟動(dòng)，如果電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流倍數(shù) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 NSTII 小于下式右邊的數(shù)值時(shí)，可直接啟動(dòng)。 KWKV AII NST ??? 443 STI —— 啟動(dòng)電流 NI —— 額定電流 KVA —— 變壓器容量 KW—— 電動(dòng)機(jī)功率 定子串電阻或電抗器降壓?jiǎn)?dòng) 異步電動(dòng)機(jī)采用定子串電阻或電抗器的降壓?jiǎn)?dòng)原理接線圖如圖 11所示 。啟動(dòng)時(shí)，接觸器 KM1斷開(kāi)， KM閉合，將啟動(dòng)電阻串入定子電路，使啟動(dòng)電流減小；待轉(zhuǎn)速上升到一定程度后再將 KM1 閉合，啟動(dòng)電阻被短接，電動(dòng)機(jī)接上全部電壓而轉(zhuǎn)為穩(wěn)定運(yùn)行。 這種啟動(dòng)方法的缺點(diǎn)是： ，它只是用于空載或輕載啟動(dòng)的場(chǎng)合。 ，在啟動(dòng)過(guò)程中，電阻器上消耗能量大，不適用于經(jīng)常啟動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，若采用電抗器代替電阻器，則所需設(shè)備費(fèi) 用貴，且體積大。 圖 11 三相異步電動(dòng)機(jī)定子串電阻啟動(dòng) 繞線式異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng) 在三相繞線式轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電路中串入電阻，就可以有效的限制啟動(dòng)電流。串入電阻對(duì)理想空載轉(zhuǎn)速 n0、最大轉(zhuǎn)矩 Tm 沒(méi)有影響，但臨界轉(zhuǎn)差率 Sm則隨著串入電阻的增加而增大，適當(dāng)?shù)拇腚娮杓瓤梢燥@著的限制啟動(dòng)電流，還A C 3 80V MW 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 可以大大的提高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，理想情況下使啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩等于最大轉(zhuǎn)矩。 在轉(zhuǎn)子電路中串入電阻后特性變得很軟，隨著轉(zhuǎn)速的上升輸出轉(zhuǎn)矩迅速下降，啟動(dòng)過(guò)程緩慢。為了加快啟動(dòng)過(guò)程，像直流電動(dòng)機(jī)電樞串電阻啟動(dòng)一樣，可以采用逐級(jí)切換 啟動(dòng)電阻的辦法，以保持啟動(dòng)過(guò)程中的最大動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。 Y/Δ 形降壓?jiǎn)?dòng) 采用 Y/Δ 啟動(dòng)時(shí)， 接觸器的觸電 KM 和 KM1 閉合， KM2 斷開(kāi)，將定子繞組接成 Y形；待轉(zhuǎn)速上升到一定程度后再將 KM1 斷開(kāi)， KM2 閉合，將定子繞組接成 Δ形，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)完成而轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行。這適用于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)定子繞組接成 Δ 形的情況。 設(shè) 1U 電源線電壓， STYI 及 ?STI 為定子繞組分別接成 Y形及 Δ 形的啟動(dòng)電流，Z為電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)每相繞 組的等效阻抗，則有 ZUISTY 31? 13 UIST ?? 所以 3?? STSTY II ,即定子接成 Y形時(shí)的啟動(dòng)電流等于接成 Δ 形時(shí)的啟動(dòng)電流的 1/3,而接成 Y 形時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 21UIST?? ,所以 3?? STSTY II 。 Y/Δ 降壓?jiǎn)?dòng)的接線圖如圖 12所示： 圖 12 三相異步電動(dòng)機(jī) Y/Δ降壓?jiǎn)?dòng) Y/Δ 換接啟動(dòng)除了可用接觸器控制外，尚有一種專(zhuān)用的手操式 Y/Δ 啟動(dòng) 器，其特點(diǎn)是體積小、重量輕、價(jià)格便宜、不易損壞、維修方便。其缺點(diǎn)是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，且啟動(dòng)電壓不能按實(shí)際需要調(diào)節(jié)，故只適用于空載或輕載啟動(dòng)的場(chǎng)合，并只適用于正常運(yùn)行時(shí)定子繞組按 Δ 形接線的異步電動(dòng)機(jī)。我國(guó)規(guī)定 4KW 及以上的三L1 L2 L3K M 1 K M 1KMK M 2X Y ZA C 3 80 V 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 相異步電動(dòng)機(jī)，其定子額定電壓是 380V，連接方法是 Δ 形。當(dāng)電源線電壓為 380V時(shí)，它們就能采用 Y/Δ 換接啟動(dòng)。 延邊三角形啟動(dòng) 延邊三角形啟動(dòng)在啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)將電動(dòng)機(jī)的一部分定子繞組接成 Y形，另一部分接成 Δ 形，從 啟動(dòng)時(shí)定子繞組連接的 圖形上看 ， 就好像將一個(gè)三角形的三條邊延長(zhǎng)，因此稱(chēng)為延邊三角形。 這種接法與 Y/Δ 換接啟動(dòng)法比，延邊 Δ 形 接法的相電壓較 Y接法的大，所以，啟動(dòng)電流和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩都較大，具體大多少，則由Y形部分繞組與 Δ 形 部分繞組匝數(shù)之比來(lái)確定。 由于這種啟動(dòng)方法對(duì)電動(dòng)機(jī)定子繞組的出線有特殊要求，所以用的不是很多。 智能啟動(dòng)器的優(yōu)點(diǎn) 第一：有效降低了電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流、可減少配電容量，避免增容投資。 第二：減小了電動(dòng)機(jī)及負(fù)載設(shè)備的起動(dòng)應(yīng)力、延長(zhǎng)了電動(dòng)機(jī)及相關(guān)設(shè)備的使用壽命。 第 三 ：完善可靠的保護(hù)功能，有效地保護(hù)了電動(dòng)機(jī)及相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備的使用安全。 第 四 ：電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器智能化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù) 的應(yīng)用使得電機(jī)控制技術(shù)適應(yīng)了飛速發(fā)展的電力自動(dòng)化技術(shù)的更高要求。 本論文設(shè)計(jì)的任務(wù) 要求 熟悉 AVR 系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程，掌握電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程的保護(hù)要領(lǐng)，掌握工程開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)步驟與技巧。 利用 AVR 單片機(jī) 為控制核心，通過(guò)讀寫(xiě)控制芯片CH447L 和繼電器驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的智能控制，并按需要的形式輸出處理結(jié)果。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 第 2章 電機(jī)智能啟動(dòng)器的總體設(shè)計(jì)方案 本設(shè)計(jì)是針對(duì)小型電動(dòng)機(jī)，其最大功率不超過(guò) 千瓦。 主要采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，先對(duì)三相交流信號(hào)（電壓、電流）進(jìn)行整流和濾波，再由單片機(jī)的模擬 I/O 口輸入單片機(jī) ATmega16，在 ATmega16 內(nèi)部進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、比較、保護(hù)判斷等，最后 將信息輸出給繼電器模塊使其控制電機(jī)工作 。 如果存在危險(xiǎn)，由繼電器驅(qū)動(dòng)控制電路 進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作，同時(shí)將控制信號(hào)傳入 CH447L 來(lái)驅(qū)動(dòng)LED 顯示故障；如果沒(méi)有危險(xiǎn)，繼電器不運(yùn)作 。我們還可以通過(guò)鍵盤(pán)對(duì)顯示和時(shí)間等進(jìn)行設(shè)置，最終實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的智能控制和實(shí)時(shí)保護(hù)。 電機(jī)智能啟動(dòng)器 的方案論證 盡管直接啟動(dòng)方法簡(jiǎn)單， 啟 動(dòng)設(shè)備也簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜 ， 但其 缺點(diǎn)是對(duì)電動(dòng)機(jī)及電網(wǎng)有一定沖擊。 而且 電動(dòng)機(jī) 啟 動(dòng)電流 STI 為額定電流 NI 的 4~7 倍。過(guò)大的 啟動(dòng)電流一方面會(huì)造成電網(wǎng)電壓顯著下降，直接影響在 同一電網(wǎng)工作的其他電動(dòng)機(jī)及用電設(shè)備正常運(yùn)行；另一方面電動(dòng)機(jī)頻繁 啟 動(dòng)會(huì)嚴(yán)重發(fā)熱，加速線圈老化，縮短電動(dòng)機(jī)的壽命。 所以 為了限制 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì) 電 網(wǎng) 和機(jī)械的沖擊，以及保證電網(wǎng)的供 電質(zhì)量，在 很多 場(chǎng)合， 都 采取減壓 啟 動(dòng)方式，或者在繞線式異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子電路中串入阻抗進(jìn)行 啟 動(dòng)。 本設(shè)計(jì)中 的電動(dòng)機(jī)的智能啟動(dòng)器 采用減壓?jiǎn)?dòng)方式。 電機(jī)智能啟動(dòng)器的組成框圖 三相模擬信號(hào)在 進(jìn)入單片機(jī)之前，采用相關(guān)模擬電路先整流、濾波，將交流信號(hào)先轉(zhuǎn)化為直 流信號(hào)，再對(duì)直流信號(hào)進(jìn)行處理 。繼電器 驅(qū)動(dòng)電路模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)繼電器的開(kāi)通和關(guān)斷。繼電器驅(qū)動(dòng)控制電路模塊包括三個(gè)繼電器動(dòng)作的邏輯控制電路、信號(hào)放大驅(qū)動(dòng)電路和抗干擾電路等。電源設(shè)計(jì)要求提供 +12V 和 +5V 兩個(gè)電壓。 因?yàn)?單片機(jī)和 CH447L 均需 +5V直流電源驅(qū)動(dòng)，而繼電器需 +12V 直流電源驅(qū)動(dòng)，故電源模塊提供兩路電源信號(hào)。 讀寫(xiě)顯示模塊 的控制采用芯片 CH447L 來(lái)提高運(yùn)作效率，使設(shè)計(jì)模塊化。 CH447L 對(duì) LED 采用動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)， 顯示故障。 鍵盤(pán)電路 由用戶設(shè)定電機(jī)保護(hù)動(dòng)作的整定值。 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 整體框圖 如下： 圖 21 整體框圖 基于 AVR 單片機(jī) 的 電機(jī)智能啟動(dòng)器 ,采用減壓方式啟動(dòng)電動(dòng)機(jī) ,在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)和工作過(guò)程中對(duì)其運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控 , 電機(jī)在啟動(dòng)器的控制下首先以低電壓通電，當(dāng)通電一段時(shí)間后，啟動(dòng)器在定子上加上電機(jī)額定電壓。在此過(guò)程中啟動(dòng)器同時(shí)要對(duì)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)。由于不同用途的電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩不同，在實(shí)施減壓?jiǎn)?dòng)會(huì)使電機(jī)轉(zhuǎn)矩下降。如果啟動(dòng)過(guò)程中電機(jī)達(dá)不到啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩就會(huì)發(fā)生堵轉(zhuǎn)。電機(jī)保護(hù)在電機(jī)啟動(dòng)以后實(shí)施保護(hù)。包括：過(guò)電流，過(guò)電壓，斷相，三相不平衡，堵轉(zhuǎn)保護(hù)。 當(dāng) 出現(xiàn)異常時(shí)斷開(kāi)電動(dòng)機(jī)電源 ，防止電動(dòng)機(jī)使用過(guò)程中因過(guò)載、短路、缺相、過(guò)壓、欠壓而燒毀或損壞的情況發(fā)生。智能電機(jī)啟動(dòng)器可以對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行有效值轉(zhuǎn)換計(jì)算 ， 實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的電壓、 電流參數(shù)及時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量。由