三相異步電動機(jī)軟啟動器

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。三相異步電動機(jī)軟啟動器摘 要遼 寧 工 業(yè) 大 學(xué)電力電子技術(shù)課程設(shè)計（論文）題目：三相異步電動機(jī)軟啟動器院（系）： 專業(yè)班級： 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： （簽字）起止時間：2011-12-26至2012-1-6 1-3課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語院（系）：電氣工程學(xué)院 教研室： 電氣教研室學(xué) 號學(xué)生姓名專業(yè)班級課程設(shè)計（論文）題目三相異步電動機(jī)軟啟動器課程設(shè)計（論文）任務(wù)課題完成的設(shè)計任務(wù)及功能、要求、技術(shù)參數(shù)實現(xiàn)功能利用晶閘管構(gòu)成交流調(diào)壓電路，使異步電動機(jī)的啟動電壓從零逐漸增加，從減小電動機(jī)的

2、啟動電流，對電動機(jī)和電網(wǎng)起到保護(hù)作用，另外，也可以對異步電動機(jī)進(jìn)行小范圍的調(diào)速。設(shè)計任務(wù)與要求1、方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)論證。2、主電路設(shè)計。3、通過計算選擇器件的具體型號。4、觸發(fā)電路設(shè)計。5、軟啟動器投切電路設(shè)計6、保護(hù)電路設(shè)計7、繪制相關(guān)電路圖。8、在實驗室進(jìn)行模擬驗證或matlab仿真。9、完成4000字左右的設(shè)計說明書。技術(shù)參數(shù)1、交流電源：三相380V。2、出電壓Ud在0380V連續(xù)可調(diào)。3、輸出電流最大值20A。4、負(fù)載為7.5kW異步電動機(jī)。5、根據(jù)實際工作情況，最小控制角取20300左右。6、三相異步電動機(jī)啟動后，軟啟動器應(yīng)能夠自動撤出。進(jìn)度計劃第1天：集中學(xué)習(xí)；第2天：收集資料；第

3、3天：方案論證；第4天：主電路設(shè)計；第5天：選擇器件；第6天：確定變壓器變比及容量；第7天：確定平波電抗器；第8天：觸發(fā)電路設(shè)計；第9天：總結(jié)并撰寫說明書；第10天：答辯指導(dǎo)教師評語及成績 平時： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日注：成績：平時20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計算摘 要本文設(shè)計了交流異步電動機(jī)軟啟動器。軟啟動器包括主電路和控制電路兩部分?？刂齐娐防镁чl管的導(dǎo)通角計算電機(jī)的功率因數(shù)；電機(jī)啟動方式采用電壓斜坡軟啟動；晶閘管脈沖觸發(fā)脈沖，通過對電機(jī)啟動過程中的晶閘管觸發(fā)脈沖的控制，實現(xiàn)了電機(jī)的平滑起動，減少了電機(jī)對電網(wǎng)的沖擊，起到了節(jié)能作用。關(guān)鍵

4、詞： 軟啟動器；異步電動機(jī)；晶閘管VI目 錄 第1章 緒論11.1 電力電子技術(shù)概況11.2 本文設(shè)計內(nèi)容1第2章 三相異步電動機(jī)軟啟動器電路設(shè)計22.1 三相異步電動機(jī)軟啟動器總體設(shè)計方案22.2 具體電路設(shè)計32.2.1 主電路設(shè)計32.2.2 控制設(shè)計42.2.3 保護(hù)電路設(shè)計62.3 元器件型號選擇72.4 系統(tǒng)調(diào)試或仿真、數(shù)據(jù)分析8第3章 課程設(shè)計總結(jié)11參考文獻(xiàn)12第1章 緒論1.1 電力電子技術(shù)概況 電力電子技術(shù)就是應(yīng)用于電力領(lǐng)域的電子技術(shù)。電力電子技術(shù)的發(fā)展史是以電力電子器件的發(fā)展史為綱的。一般認(rèn)為，電力電子技術(shù)的誕生是以1957年美國通用電氣公司研制出第一個晶閘管為標(biāo)志的。1

5、904年出現(xiàn)了電子管，他能在真空中對電子流進(jìn)行控制，并應(yīng)用于通信和無線電，從而開啟了電子技術(shù)用于電力領(lǐng)域的先河。1947年，美國著名的貝爾實驗室發(fā)明了晶體管引發(fā)了電子技術(shù)的一場革命最先用于電力領(lǐng)域的半導(dǎo)體器件是硅二極管，晶閘管出現(xiàn)后，由于其優(yōu)越的電氣性能和控制性能使之很快就取代了水銀整流器和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，并其應(yīng)用范圍迅速擴(kuò)大。晶閘管是通過對門極的控制能夠使其導(dǎo)通而不能使其關(guān)斷的器件，屬于半控型器件。20世紀(jì)70年代后期，以門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）,電力雙極型晶體管（BJT）和電力場效應(yīng)管（Power-MOSFET）為代表的全控型器件迅速發(fā)展。20世紀(jì)80年代后期，以絕緣柵極雙極晶體管（IGB

6、C）為代表的復(fù)合型器件異軍突起。 目前，電力電子集成技術(shù)的發(fā)展十分迅速。隨著全控型電力電子器件的不斷進(jìn)步，電力電子電路的工作頻率也不斷提高。1.2 本文設(shè)計內(nèi)容設(shè)計一個三相異步電動機(jī)軟啟動器控制系統(tǒng)，本文介紹了以下內(nèi)容：（1） 三相交流調(diào)壓電路采用晶閘管調(diào)壓，晶閘管觸發(fā)脈沖；（2） 軟啟動器的啟動方式采用斜坡軟啟動；（3） 能夠?qū)﹄姍C(jī)啟動過程中的過壓、過流等提供多種保護(hù)；（4） 設(shè)計了晶閘管驅(qū)動電路，保證晶閘管可靠導(dǎo)通。第2章 三相異步電動機(jī)軟啟動器電路設(shè)計2.1 三相異步電動機(jī)軟啟動器總體設(shè)計方案眾所周知，三相異步電動機(jī)以其低成本、高可靠性和易維護(hù)等特點，被廣泛應(yīng)用在各個行業(yè)。特別是機(jī)床設(shè)備

7、中，它作為一種主要的動力設(shè)備，常常用來拖動主軸、工作臺、冷卻泵、油泵等裝置。但是它在直接啟動時，由于啟動電流高達(dá)額定電流的57倍，所以會對電網(wǎng)及負(fù)載造成很大的沖擊，影響了周邊電器的工作，增加了機(jī)械傳動部件的磨損，降低了設(shè)備的壽命。所以就需要軟啟動器來啟動，使用軟啟動器可以避免以上情況的發(fā)生，增加設(shè)備的使用壽命。三相異步電動機(jī)軟啟動控制系統(tǒng)在硬件方面分為兩個部分，即主電路和控制電路。主電路包括三相電源，三相反聯(lián)的晶閘管，三相異步電動機(jī)?？刂撇糠忠话阌呻娏鳈z測，晶閘管觸發(fā)電路，保護(hù)電路等電路組成。電壓檢測晶閘管觸發(fā)驅(qū)動電路控 制 系 統(tǒng)電流檢測電機(jī)保護(hù)電路圖2.1總體設(shè)計方案結(jié)構(gòu)圖2.2 具體電路

8、設(shè)計2.2.1 主電路設(shè)計主電路部分結(jié)構(gòu)比較簡單，主要采用晶閘管調(diào)壓原理完成軟啟動器的各項功能。 圖2.2主電路圖M3圖2.3主電路圖過壓保護(hù)軟啟動器的工作原理；軟啟動器是一種用來控制三相交流電動機(jī)的專用產(chǎn)品，它實現(xiàn)了交流電動機(jī)的軟啟動，軟停車，輕載節(jié)能和多種保護(hù)，其功能完善，性能優(yōu)越，能夠滿足工業(yè)電機(jī)控制的需要，是傳統(tǒng)Y|啟動和自耦變壓器啟動控制方式的理想換代產(chǎn)品。軟啟動器采用三相反并聯(lián)晶閘管（SCR）作為調(diào)壓器，將其接入電源和電機(jī)定子之間，這種電路如三相全控整流電路。軟啟動器起動電機(jī)時晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速逐漸加速，直到晶閘管全部導(dǎo)通，電動機(jī)工作在額定電壓的機(jī)械特性上，實現(xiàn)

9、平滑啟動，降低啟動電流，避免了啟動時過流跳閘，待電動機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時，啟動過程結(jié)束。軟啟動器自動用旁路接觸取代已完成任務(wù)的晶閘管，為電動機(jī)正常運轉(zhuǎn)提供額定電壓，以降低晶閘管的熱損耗，延長軟啟動器的壽命及提高工作效率。軟啟動器同時還提供軟停車功能，軟停車與軟啟動過程相反，電壓逐漸降低，轉(zhuǎn)速逐漸下降到零，避免自由停車引起的轉(zhuǎn)矩沖擊。軟啟動器的啟動方式：（1）斜坡升壓軟啟動 輸出電壓由小到大斜坡線性上升，將傳統(tǒng)的有級降壓起動變?yōu)闊o極降壓起動主要用于重在起動。（2）斜坡恒流軟啟動 這種啟動方式是電動機(jī)啟動的前階段電流逐漸增加，當(dāng)電流達(dá)到預(yù)先所設(shè)定的值后保持恒定直到啟動完畢。（3）轉(zhuǎn)矩控制啟動 這種啟動

10、方式主要用于重載啟動，是按電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩線性上升的規(guī)律來控制輸出電壓。（4）轉(zhuǎn)矩加突跳控制啟動方式 這種啟動與轉(zhuǎn)矩控制啟動相同，也使用在重載啟動的場合，比如皮帶傳輸機(jī)，擠壓機(jī)，攪拌機(jī)等，由于其靜阻力矩較大，必須施加一個短時的大啟動力矩，克服大的靜磨檫力，然后轉(zhuǎn)矩平滑上升，縮短啟動時間。圖2.4軟啟動器的啟動方式原理圖2.2.2 控制設(shè)計 軟啟動器電機(jī)線電壓檢測電路的設(shè)計，三相異步電動機(jī)的定子側(cè)的相電壓，相（線）電流是分析異步電動機(jī)的兩個重要參數(shù)。如圖所示圖2.5控制電路圖軟啟動器晶閘管觸發(fā)驅(qū)動電路設(shè)計，晶閘管驅(qū)動電路的功能是將控制器送來的控制信號轉(zhuǎn)化成為滿足晶閘管所需要的觸發(fā)信號，如圖所示晶

11、閘管對門極觸發(fā)電路產(chǎn)生的脈沖應(yīng)能滿足一些基本要求：觸發(fā)信號可以是交流，直流或脈沖，但觸發(fā)信號只能在它使控制極為正、陰極為負(fù)時起作用。由于晶閘管導(dǎo)通后控制極就失去控制作用，為了減少控制極損耗，故一般觸發(fā)信號常采用脈沖形式。使用脈沖信號，不僅便于控制脈沖出現(xiàn)時刻，降低晶閘管門極功耗；還可以通過變壓器的雙繞組或多繞組輸出，實現(xiàn)信號間的絕緣隔離和同步傳輸。觸發(fā)脈沖必須有足夠的電壓和電流。晶閘管屬于電流控制器件，為保證足夠的觸發(fā)電流，考慮裕量，一般可取兩倍左右門極觸發(fā)電流。觸發(fā)脈沖寬度應(yīng)要求觸發(fā)脈沖消失前陽極電流已大于電流，以保證晶閘管的導(dǎo)通。對于單相電阻負(fù)載，由于一般晶閘管開通時間為6s,應(yīng)要求脈寬大

12、于10s，最好有2050s，電感性負(fù)載脈寬不應(yīng)小于100s，與負(fù)載功率因數(shù)。觸發(fā)脈沖與回路電源電壓必須同步并有一定的移相范圍。為了使晶閘管在每一周波都能重復(fù)在相同的相位上觸發(fā)，觸發(fā)脈沖與主回路電源電壓必須保持某種固定相位關(guān)系。同時，觸發(fā)延遲角應(yīng)能根據(jù)控制信號的要求改變，即控制角應(yīng)有一定的移相范圍。圖2.6晶閘管驅(qū)動電路軟啟動器晶閘管導(dǎo)通角檢測電路設(shè)計，電機(jī)的功率因數(shù)是根據(jù)線電壓和線電流進(jìn)行計算的，另一種方法就是利用硬件電路測出晶閘管的導(dǎo)通角。圖2.7晶閘管導(dǎo)通角檢測電路軟啟動器電流檢測電路設(shè)計，異步電動機(jī)起動時，若起動電流太大，則對電網(wǎng)沖擊大；若起動電流過小，則起動時間長。如圖所示圖2.8電流

13、檢測電路2.2.3 保護(hù)電路設(shè)計三相異步電動機(jī)普遍運行在惡劣的工業(yè)環(huán)境中，由于環(huán)境溫度，負(fù)載過大，電動機(jī)老化，電網(wǎng)波動等因素在成電動機(jī)損壞。本系統(tǒng)通過控制繼電器，進(jìn)而控制接觸器動作來對電動機(jī)提供過壓，欠壓，過流，缺相，掉相等電氣保護(hù)，防止電動機(jī)因為過熱而燒毀。如圖所示圖2.9保護(hù)電路圖2.10過流保護(hù)電路2.3 元器件型號選擇1、交流電源：三相380V。2、輸出電流最大值I=20A。晶閘管參數(shù)的選擇主要考慮其電流容量和耐壓：晶閘管電流容量的選擇： It(AV)是在環(huán)境溫度為40°和規(guī)定的冷卻條件下。帶電阻負(fù)載的單相工頻正弦半波電路中，管子全導(dǎo)通（導(dǎo)通角不小于170°）而穩(wěn)定

14、結(jié)溫不超過額定值時所允許的最大平均電流。按照標(biāo)準(zhǔn)，取其整數(shù)作為該器件的額定電流值。同時考慮到波形系統(tǒng)Kf和留有一定的裕量，則晶閘管的通態(tài)平均電流It(AV)為： IT=(1.252)*K*INIdvt=I/2=20/2=10(2)晶閘管的耐壓選擇 精確設(shè)計晶閘管的耐壓值比較困難，這是因為它不僅和回路的接法有關(guān)，同時還與電動機(jī)的容量、激磁電流等數(shù)值有關(guān)，為了安全起見，額定電壓必須使用時的正常工作電壓峰值有23倍的裕量，在考慮有過電壓吸收回路的情況下，所選的晶閘管額定電壓為UN=(23)*220=622.3933.6V因為晶閘管的輸出最大電流為20A晶閘管的額定電壓1000，所以應(yīng)選晶閘管的型號為

15、：KP20/1000快速熔斷器的選?。嚎烊鄣念~定電流IFU應(yīng)按它所保護(hù)的元件實際流過的平均電流(IdVT)來選擇，而不是根據(jù)元件型號上標(biāo)出的額定電流IT(AV)來選擇，一般IFU=(1.21.5) IdVT, 由 IdVT = =4.55A 得IFU=5.466.825A 目前常用的快熔有：小容量RLS(螺旋式)系列、大容量RTK（插入式）系列、RS0（匯流排式）系列、RS3系列、RSF系列等。通過上述計算，我們選擇熔斷器型號為RS-308，管號Y4，額定電壓為250V，額定電流10A的圓管型螺栓連接快速熔斷器。2.4 系統(tǒng)調(diào)試或仿真、數(shù)據(jù)分析MATLAB是集數(shù)值計算、符號運算及圖形處理等強(qiáng)大

16、功能于一身的科學(xué)計算工具，作為強(qiáng)大的計算平臺，它幾乎可以滿足所有的計算要求。另外，MATLAB還針對許多功能強(qiáng)大的模塊集或工具箱，如電力系統(tǒng)仿真工具箱（Sim powerSystem）等。一般來說，用戶可以直接使用工具箱學(xué)習(xí)、應(yīng)用和評估不同的模型而不需要自己編寫代碼。當(dāng)今社會高性能能、低成本以及生產(chǎn)和更新?lián)Q代周期已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)對產(chǎn)品設(shè)計的最基本要求，模塊化、模型化以及動態(tài)仿真是產(chǎn)品設(shè)計者對設(shè)計工具的最基本要求，而MATLAB中的Simulink就是可以完全滿足要求的幾個工具軟件之一。MATLAB中的Simulink仿真軟件實際上提供了一個系統(tǒng)級的建模與動態(tài)仿真的圖形用戶環(huán)境，憑借MATLAB

17、在科學(xué)上的強(qiáng)大功能，建立了從設(shè)計構(gòu)思到最終要求的可視化橋梁，大大彌補了傳統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)的不足。下面是單相交流調(diào)壓電路的模擬仿真。1、電阻性負(fù)載。從仿真結(jié)果上來看，隨著角的逐漸增大，負(fù)載電阻上的電壓有效值逐漸減小。2、阻感性負(fù)載。從仿真結(jié)果上可以明顯看出電感對電路的影響，移相角較小時，由于電感的儲能作用，在VT1關(guān)斷后還會維持電流繼續(xù)流過負(fù)載，當(dāng)VT1的電流下降到0時，VT2的觸發(fā)脈沖已經(jīng)消失無法導(dǎo)通；隨著移相角的增大，負(fù)載的電壓和電流變?yōu)檎也?。圖像如下圖所示。 圖1 串聯(lián)RLC支路在0°調(diào)壓角時的電壓、電流波形（電阻負(fù)載）圖2 串聯(lián)RLC支路在30°調(diào)壓角時的電壓、電流波形

18、（電阻負(fù)載）圖3 串聯(lián)RLC支路在60°調(diào)壓角時的電壓、電流波形（電阻負(fù)載）第3章 課程設(shè)計總結(jié)通過本次課程設(shè)計讓我對電力電子的理論知識得到了深化和理解，不但提高了自己的查找資料能力，同時也提高了獨立思考、獨立收集資料、獨立設(shè)計的能力。通過課程設(shè)計使我能夠較全面地鞏固和應(yīng)用本課程中所學(xué)的基本理論和基本方法，并初步掌握了單項交流調(diào)壓、交流調(diào)功電路設(shè)計以及相關(guān)的知識。本課程設(shè)計主要利用晶閘管觸發(fā)電路、達(dá)到輸出交流電壓可調(diào)的目的。通過本次課程設(shè)計，加深了我對電力電子的理論知識的理解，設(shè)計過程中，電路圖是關(guān)鍵，電路圖的設(shè)計需要潛心的琢磨，所有的這一切需要嚴(yán)緊的態(tài)度和科學(xué)作風(fēng)。參考文獻(xiàn)1 王兆安主編.電力電子技術(shù).第四版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,20032 郝萬新主編.電力電子技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社, 20023 孟志強(qiáng)主編.電力電子技術(shù).晶閘管中頻感應(yīng)逆變電源的附