电子软启动器主电路设计本科论文.doc

毕 业 论 文（2012 届）（电子软启动器主电路设计）学生姓名 马海堂 学 号 0408080122 系 别 信息与电子系 专业班级 自动化0801 指导教师 杜群羊 完成日期 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380V、额定电流20A。关键词：晶闸管；控制电路；脉冲变压器；软启动；保护电路ABSTRACTHigh-power induction motor inertia maybe big, if it starts up directly, the starting current produces high current shock for the grid, so other devices cannot run normally. Or starting current is more than the setting value of over current protection so that the power is turned off, that causes the motor can not startup or run. The soft start performance is good, low cost, and it for non-contact startup, start flowing. To implement this function have two kinds of methods, first is using the TRIAC, this paper chooses the second method that is two thrystors in reverse parallel. This subject mainly focus on hardware design using power electronics technology, realize soft start-up of three-phase asynchronous motor. And the three-phase asynchronous motor has rated power 10KW, rated voltage 380V and rated current 20A. Keywords: Thyristor; Control circuit; Pulse transformer; Soft start-up; Protection circuit目 录摘 要2ABSTRACT3目 录41 绪论51.1 课题背景51.2 本课题研究目的及意义错误！未定义书签。2 电子软启动相关的理论与技术72.1 电子软启动器有关知识72.1.1 电子软启动的概念以及它有哪些特性和变压器的差异性72.1.1.1电子软启动器的工作原理72.1.1.272.1.2 电子软启动特点和启动方法72.1.3 电子软启动器主要功能102.1.4 电子软启动器主要用于哪些场合132.1.5 最适宜软启动器作轻载运行的场合143 本课题的整体方案153.1 本课题分析和选择153.2 设计的思想166 参考数据和选择176.2 晶闸管选择176.2.1 选用kp20晶闸管要注意事项176.2.2 Rao Rbo Rco的选择错误！未定义书签。6.2.3 电源电路中电解电容的选择176.2.4 散热器的选择177 保护电路197.1 晶闸管过电流保护197.2 晶闸管过电压保护197.3 晶闸管的散热功能的保护197.2 过电流保护208 三相异步电动机软启动总结219 结论21致 谢22参考文献231 绪论1.1 课题背景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一”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 本课题研究目的及意义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。2 电子软启动相关的理论与技术2.1 电子软启动器有关知识2.1.1 电子软启动的概念和它有哪些特性以及变压器的不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。2.1.1.1 电子软启动器与传统减压起动方式的差异性 电子软起动与传统减压启动方式的不同之处是：（1）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。（2）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。（3）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。2.1.1.2 电子软启动器的工作原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。 2.1.2 软启动特点和启动方法2.1.2.1 电子软启动特点启动电压可调，保证电机启动的最小启动转矩，避免电机过热和能源浪费；控制电机平滑启动，使得启动电流冲击减少；启动电流可根据负载情况调整，使得启动损耗减少，以最小的电流产生最佳的转矩；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；对传动机械的机械保护，清除转矩浪涌并降低冲击电流；自由停车和软停车可选，软停车快慢可调；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；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。2.1.2.2 软启动方法斜坡升压软起动；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。斜坡恒流软起动；见图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。)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。阶跃起动；见图5在起动开始阶段，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 软启动器主要功能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。2.1.3.1 自检功能软启动器通电后，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.2.1.3.2 额定电流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.2.1.3.3 软启动功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0.560s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10%60%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2-1所示。M转矩100%转矩100%初始转矩起动运行t加速斜坡图2-1 软启动器的起动特性曲线2.1.3.4 脉冲突跳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0.42s。突跳起动的特性曲线如图2-2所示。u电压突跳起动运行起动软停图2-2 突跳起动的特性曲线2.1.3.5 平滑加速及平滑减速功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230s之间调整，停止时间可在2120s之间调整。平滑加速及平滑减速的特性曲线如图2-3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2.1.3.6 软停止功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0240s内。 2.1.3.7 旁路切换功能当起动结束、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。2.1.3.8 快速停止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%之间调整。2.1.3.9 低速制动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）；低速加速电流，当加速时间为2s时，可在50%400%之间调整；制动电流可在150%400%之间调整；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2-4所示。v速度运行停止起动低速图2-4 低速制动特性曲线如图2.1.3.10 电流限制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200%500%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2.1.3.11 节能功能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。2.1.3.12 保护功能过热保护：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。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。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。2.1.4 软启动器主要用于哪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：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；在正常运行时负载不允许减压、降速；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；电动机允许对电网电压要求严格，电压降10%Ue；设备的起动转矩不大，可进行空载或轻载起动；设备精密，设备起动不允许有起动冲击；中大型电动机不需要节能起动。从初投资看，功率在75kw以下电动机采用自耦减压启动器比较经济。功率在90250kw的电动机采用软启动器比较合算；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；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；长期高速、短时低速的电动机，当其负载率低35%时，采用软启动器有较好的节能效果；有多台电动机且这些电动机不需要同时起动的场合。2.1.5 最适宜软启动器作轻载运行的场合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：短时有负载、长期轻载运行的场合（负载率35%）,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；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；配套电动机功率太大，电动枪长期处于轻载运行的场合。3 本课题的整体方案3.1 本课题分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：三相交流异步电动机：额定功率10KW、额定电压380V、额定电流20A；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；停车模式：自由停车、软停车；轻载自动进入节能状态。3.2 设计的主电路图图3-2 电主电路图4 参考数据和选择4.1 晶闸管选择4.1.1 选用kp20晶闸管要注意事项在使用晶闸管中要正确的选用晶闸管中很有必要的，如果晶闸管选用不档会出现很多严重的问题。比如：晶闸管会被烧坏，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kp20晶闸管。可以参见附录5KP型晶闸管主要参数。I2=200mA*15/10=300mA而kp20晶闸管触发电流100mA就可以了所以满足条件普通晶闸管额定电流（即通态平均电流） It（1.31.6）I，额定电压由于瞬时过电压也会使晶闸管遭到破坏，额定电压是等于380v*(23)=760v1140v ，由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；晶闸管对过电压和过流的耐受量很小，即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；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；晶闸管应拧紧在散热片上；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10v。否则控制极会被击穿。4.1.3 电源电路中电解电容的选择本课题中有了一个变压220变成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2200uf/30的电解电容。4.1.4 散热器的选择4.1.4.1 散热片的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，使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。4.1.4.2 散热风扇的选择如公式6-1所示P=UI （6-1）U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10V可得：功率P=UI=300mA*10V=3W所以选择了5W散热风扇。5 保护电路5.1 晶闸管过电流保护5.1.1 快速熔断器保护普通熔断器由于熔断时间长，用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，应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 晶闸管过电压保护5.2.1 阻容保护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，在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，同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2。5.3 晶闸管的散热功能的保护由于在大功率的条件下必须配置散热器，当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 电流保护图如图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。如果正电压大于给定电压使得4脚接地。没有锯齿波输出。6 三相异步电动机软启动总结做本课题以来，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。7 结论 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，在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。参考文献1 谢运祥，欧阳森电力电子单片机控制技术M北京：机械工业出版社，20072 来瑞鹏各类软启动器的比较J电气技术，2006(5)3 赵承获，杨利军电机与电气控制技术M北京：高等教育出版社，20074 刘红樱，姜婷，周汉义异步电动机软启动器设计J机电工程，2007(3)5 刘华毅，龚勋三相异步电动机软起动器的设计J仪器仪表用户，2008(4)6 崔宗，IGBT软启动节能控制器的研究J山东电力高等专科学校学报，2004(2)7 王君艳交流调速M北京：高等教育出版社，20038 张金凤电机起动方式的选择和应用J电气时代，2004(3)9 陈刚电机软起动器起动与制动J电工技术，2005(9)10 冯垛生，刘希真电力电子技术M机械工业出版社，200811 王文郁，石玉，李秉象晶闸管变流技术应用图集M机械工业出版社，1989(10)12 方大千，郑鹏，朱丽宁电力及电力电子器件实用技术问答M金盾出版社，2009(10)附 录附录1：熔断器的选用参数晶闸管的通态平均电流（A）510203050100200300500熔体额定电流（A）815305080150300500800附录2：阻容参数的选择晶闸管的通态平均电流（A）5102050100200500电容C（）0.10.10150.20.250.51电阻R（）100100804020102附录3：铁芯的选择比较特性非晶合金薄硅钢片坡莫合金铁氧体饱和磁率BS/GS1500020000800030005000磁导率1000001800141451018000Fmax/KHz100010300100200000最高工作温度/200200200125温度影响中小小中铁损耗低高中低加工难易易易价格中低中低附录4：触发脉冲和锯齿波附录5：晶闸管的选用参数系列通态平均电流A断态重复峰值电压反向重复峰值电压V断态不重复峰值电流反向不重复平均电流mA额定结温门极触发电流mA门极触发电压V断态电压临界上升率通态电流临界上升率浪涌电流A序号123456789KP11100300011003302.5320KP55100300011005703.5390KP10101003000110051003.53190KP20201003000110051003.53380KP30301003000210081503.53560KP50501003000210081503.5330940KP10010010030004115102504100501880KP20020010030004115102504100803770KP30030010030008115203005100805650KP40040010030008115203005100807540KP5005001003000115203005100809420KP6006001003000911530350510010011160KP8008001003000911530350510010014920KP100010001003000101154040051001001860