交流電機軟起動器控制系統設計畢業設計(論文)(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 便就地改造，如：附加限流功能和內接 /外接轉換選擇。該軟起動器可不帶旁路持續在線運行。軟起動器為旁路和故障單獨設置了控制繼電器。該軟起動器所有參數均通過面板上的三只旋鈕電位計和一只拔碼開關設定，直觀準確。它甚至可以工作在有振動和環境溫度較高的應用場合。當該軟起動器用于內接時因可控硅模塊上承受的是三角形接法時的相電流，所以相同電流的軟起動器在內接時可以負載比外接時大 倍的電機。如一臺 58A的 S型軟起動器內 接應用時可以負載 100A 的電機。 原則上，籠型異步電動機凡不需要調速的各種應用場合都可適用。應用范圍是交流電 380V天津理工中環信息學院 2020 屆本科畢業設計說明書 4 （也可 660V），電機功率從幾千瓦到 800 千瓦。軟起動器特別適用于各種泵類負載或風機類負載，需要軟起動與軟停車的場合。同樣對于變負載工況、電動機長期處于輕載運行，可廣泛用于紡織，冶金、石油化工、水處理、船舶、運輸、醫藥、食品加工，采礦和機械設備等行業。 軟啟動器的優點 對于大功率異步電動機而言，軟啟動比硬起動（即直接起動）和傳統降壓起動具有以下主要優點： 電網電壓降使之不影響同一供電網其它電氣設備的正常運行； ，降低電機起動過程中線路的沖擊電流，減少電動機（傳動機械）的沖擊電流及對電網和配電系統的沖擊，延長電動機（傳動機械）使用壽命； ：硬起動產生的沖擊電流會以電磁波的形式干擾電氣儀表的正常運行； ，用一臺起動器控制多臺電動機的起動，起動電流、起動時間可分別設置；多種起動模式：電壓斜坡起動、限流起動、脈沖突跳起動，具有軟停車功能； ：過載保護、斷相保護、過壓和欠 壓保護等。 國內外軟啟動現狀 隨著國民經濟的飛速發展，科學技術的日新月異，智能控制系統得到了廣泛的應用。如：智能大廈、無人值守泵站、無人值守供熱站、各種遙控調度系統、生產作業自動化等等。 這正是國家實現科學技術現代化的重要標志，也是每一個技術人員肩負的重要責任。智能控制技術的應用，給我們提出了很多要求。如電網的波動性，執行機構的智能配套等，都要求越來越嚴格。作為重要驅動執行機構的電動機來說，它的控制方式受到廣大技術人員的高度重視。既要為智能控制打下良好基礎，又要降低電動機起動時對電網的沖擊。所 以，不得不在電動機的起動設備上做工作。鼠籠型異步電動機電子軟啟動器的誕生給技術人員解決了這個問題。它既能改變電動機的 起動特性保護拖動系統，更能保證電動機可靠起動，又能降低起動沖擊 。 我國軟起動行業現狀與國外有所不同，國產液態軟起動裝置占據了很大的市場份額。國產液態軟起動裝置比國外產品簡單，成本更低，電解液配置不采用蒸餾水，液箱也做成不密封的。國產裝置得以流行的原因是它比較適合現時我國的國情。它能夠滿足起碼的軟起動要求，售價低，維護雖然麻煩，但難度不大。 在國家政策、經濟環境的影響下，用戶對電氣設備節能要求不斷 提高，加上近年來電力行業的快速發展，帶動了國內用戶對軟起動器產品認識的提高。國內廠商開始在軟起動器市場的研發、生產和制造加大投入，推出各類型 6～ 10kV 的國產固態軟起動系統，促進了整個軟啟動市場的開發和增長。單純起動功能的軟起動器產品已經不能滿足用戶的需求，評選 “設計師最喜愛的軟起動器品牌 ”活動正是希望從一線設計師的工作中總結軟起動器未來發展的方向。 天津理工中環信息學院 2020 屆本科畢業設計說明書 5 從國外軟啟動器的發展狀況看，發達國家的電動機軟起動產品主要是固態軟起動裝置和兼作軟起動的變頻器。在生產工藝兼有調速要求時，則采用變頻裝置；在沒有調速要求的使用 場合下，起動負載較輕時（例如風機、水泵）采用固態軟起動；在重載或負載功率特別大的時候，才用變頻軟起動。固態軟起動裝置是發達國家軟起動的主流產品，各知名廠家均有自己固態軟起動的品牌，在其功能上又各具特色 。 而液態軟起動產品，由于其種種缺點，在降壓軟起動領域的發展空間有限。發達國家生產的液態軟起動產品，一般用在中壓繞線轉子電動機軟起動中。進口的液態軟起動產品，主要是 60 年代到 90 年代的產品，在發達國家有被淘汰的趨勢。 本課題的意義及主要工作 電機直接起動存在較大的沖擊，消耗了大量電能。 看似 直接起動方 式起動簡單， 其實 電機在直接起動時會產生很大的瞬間電流沖擊，造成許多危害 ： A． 過大的熱應力極易導致繞組損壞，造成繞組絕緣提前老化，從而降低電動機的使用壽命 B． 過大的起動電流將使感應電動機的起動轉矩沖擊很大 C． 過大的起動電流還造成對電網的沖擊，造成能源浪費，傳統降壓起動方法無法從根本上解決這些問題。 因此研究 交流 電動機的軟起動器 控制系統 ，以此來克服上述電動機起動時的缺點，是很有現實意義和經濟效益的。 課題主要工作： （ a） 實現交流電機軟起動數字控制系統設計。 （ b）采用 51 單片機，設計單片機及其接口電路、 晶閘管主電路和驅動板。 （ c）應用 Keil 編程軟件，設計交流電機軟起動器控制軟件，對程序進行調試。 天津理工中環信息學院 2020 屆本科畢業設計說明書 6 第二章 軟啟動的基本原理和特點 軟啟動原理 軟啟動是指運用串接于電源與被控電機之間的軟啟動器，控制其內部晶閘管的導通角，使電機輸入電壓從零以預設函數關系逐漸上升，直至起動結束，賦予電機全電壓的起動方法。軟啟動器是一種集電機軟啟動、軟停車、輕載節能和多種保護功能于一體的新穎電機控制裝置，它的主要構成是串接于電源與被控電機之間的三相反并聯晶閘管及其電子控制電路，通過運用不同的方法 ，控制三相反向并聯晶閘管的導通角，使被控電動機的輸入電壓按不同的要求而變化，就可實現不同的功能。如圖 所示。 圖 Figure basic principle diagram 目前使用的軟啟動器，基本上是以單片機作為中央控制器控制核心來完成測量及各種控制算法，用程序軟件自動控制整個起動過程。它通過單片機及相應的數字電路控制晶閘管觸發脈沖的遲早來改變觸發角的大小，從而改變晶閘管的導通時間，最終改變加到電動機三相繞組的電壓大小。由于電動機轉矩近似與定子電壓的平方成正比，電流又 和定子電壓成正比。這樣，電動機的起動轉矩和起動電流的限制可以通過定子電壓的控制來實現，而定子電壓又是通過可控硅的導通相角來控制的，所以不同的初始相角可實現不同的端電壓，電動機的起動轉矩和起動電流的最大值可根據負載而設定 ,以滿足不同的負載起動要求。電動機起動過程中，晶閘管的導通角逐漸增大，晶閘管的輸出電壓也逐漸增加，電動機從零開始加速，直到晶閘管全導通，從而實現電動機的無級平滑起動，并使電動機工作在額定電壓的機械特性上。 天津理工中環信息學院 2020 屆本科畢業設計說明書 7 軟啟動常用的幾種啟動方式 電動機起動時，軟啟動器輸出電壓 從零迅速增加，直到輸出電流上升到設定的限流值 Iq，在輸出電流不大于 Iq 下，電壓逐漸上升，電機加速，直到起動完成。如圖 所示， Iq 可調， Ie 為電機額定電流。此方式的優點是起動電流小，且可按需要調整，對電網影響小。缺點是在起動時難以知道起動壓降，不能充分利用壓降空間；損失起動力矩，起動時間相對較長，對電動機不利。 圖 限流起動示意圖 Figure current limiting start schemes 指輸出電壓按預先設定的斜坡線性上升，即電壓由小到大斜坡線 性上升，它是將傳統的降壓起動從有級變成了無級。主要用在重載起動，它的缺點是初始轉矩小，轉矩特性拋物線型上升對拖動系統不利，且起動時間長對電動機不利。如圖 所示。 圖 電壓斜坡起動示意圖 Figure voltage ramp start schemes 也是用在重載起動，不同的是在起動的瞬間用突跳轉矩克服電機靜天津理工中環信息學院 2020 屆本科畢業設計說明書 8 轉矩，然后轉矩平滑上升，縮短起動時間。但是，突跳會給電網發送尖脈沖，干擾其它負荷，應用時要特別注意。如圖 。 圖 突跳控制起動示意圖 Figure turkestan jump control diagram starting 用在輕載起動的場合，在保證起動壓降下發揮電動機的最大起動轉矩，盡可能的縮短了起動時間，是最優的輕載軟啟動方式。 軟啟動常用的幾種停機方式 傳統的控制方式都是通過瞬間停電完成的，即慣性停車（斷電自停）。 如圖 ，在停車信號發出后，軟啟動器輸出電壓從額定電壓 Ue 迅速降到跌落電壓 Usd，再按所設定的時間降到起始電壓 Ui，軟啟動器停止輸出。 這種停車方式可以消除由于自由停車帶來的拖動系統反慣性沖擊，如皮帶運輸機、升降機等許多負荷并不宜突然停機，高層建筑的水泵系統也因自由停車，而產生巨大的“水錘”效應，使管道、水泵損壞。軟停車功能正好能滿足此要求。晶閘管在收到軟停機信號后，導通角漸減，經一定時間才過渡到全關， 即電動機端電壓漸減至零，停車時間可按實際需要設定。 圖 軟停車示意圖 天津理工中環信息學院 2020 屆本科畢業設計說明書 9 Figure soft parking schemes 向電機輸入直流電流，從而加快制動，制動時間可調，主要用于慣性力矩大的負載或需 快速停機的場合，在一定的場合代替了反接制動停車。 接觸器旁路工作 軟啟動器有在線型和旁路型。在線型是指起動完畢，不需要觸器旁路，一直帶電工作的工作方式，晶閘管長期在線運行功耗太大造成能源浪費、給電網帶來高次諧波污染等。旁路型是為了延長使用壽命，使電網避免諧波污染，減少軟啟動器中的晶閘管發熱損耗，在電動機達到滿速運行時用旁路接觸器取代已完成起動任務的軟啟動器。旁路型電路復雜化，系統可靠性降低。 軟啟動的基本 接線 KRQS110/P 型軟啟動器基本接線示意圖 如圖 所示 ： 圖 基本接線示意圖 Figure basic wiring diagram 全 數字電子軟啟動器不僅能有效控制鼠籠式三相異步電動機起動電流，減緩電流對電動機和電網的沖擊，還能在起動和運行過程檢測電流、電壓參數，對異常情況進行處理、顯示及報警，實現對電動機的綜合保護。 三相鼠籠式異步電動機以其結構簡單、性價比高和工作特性好等諸多優點，在當今工業應用的各個領域都有廣泛的應用，但它有一明顯缺點，就是起動電流過大 (一般起動電流為額定電流的 5～ 7倍甚至更大 )，這樣不論是對電動機本身，還是對電網以及 其他電氣設備，都會產生不利的影響。 電子軟啟動器的誕生，已經從很大程度上提供了解決這個技術難題的有效手段，而且近年來隨著電力電子技術以及智能控制技術的不斷發展，電子軟啟動器已經逐步取代了傳統的天津理工中環信息學院 2020 屆本科畢業設計說明書 10 起動方法，例如 “Y－ △ ”降壓起動、自耦變壓器降壓起動以及磁性調壓起動等。所謂電子軟啟動器，就是使用晶閘管調壓技術，采用單片機控制的起動器，在用戶規定的起動時間內自動地將起動電壓連續平滑地上升，直到達到額定電壓，從而達到有效控制起動電流的目的 。 電機軟啟動方式的選擇 作為應用最廣泛的鼠籠型異步電動機，它采用 降壓起動的條件：一是電動機起動時，機械不能承受全壓起動的沖擊轉矩；二是電動機起動時，其端電壓不能滿足規范要求；三是電動機起動時，影響其他負荷的正常運行。 對于降壓起動目前有兩種方式，一種是降壓起動，一種是軟啟動。他經過了三個發展階段，一是“ YΔ” 起動器和自藕降壓起動器，二是磁控式軟啟動器，三是目前最先進最流行的電子軟啟動器。電子軟啟動器一般都是采用 16 位單片機進行智能化控制，他既能保證電動機在負載要求的起動特性下平滑起動，又能降低對電網的沖擊，同時，還能實現直接計算機通訊控制，為自動化智能控制打下良好 的基礎。 它們的造價比較是：“ YΔ”起動器須六根出線而且故障率太高，維修費也高已不常采用，自藕方式每個千瓦 80 元左右，磁控的每千瓦 150 元左右，自藕和磁控的體積較大且故障率較高，維修費較高，電子軟啟動器每個千瓦在 100 元到 200 元之間，一般情況下，一臺開關柜能放多臺電子軟啟動器，節省工程造價，且故障率較低，維修費也低。所以，電子軟啟動器應是我們首選的目標。 與傳統啟動的比較 籠型電機傳統的減壓起動方式有 Y△ 起動、自耦減壓起動、電抗器起動等。這些起動方式都屬于有級減壓起動，存在明顯缺點， 即起動過程中出現二次沖擊電流。由于傳統的減壓起動方式技術落后，國家已明令淘汰。 軟啟動與傳統減壓起動方式的不同之處是： （ 1）無沖擊電流。軟啟動器在起動電機時，通過逐漸增大晶閘管導通角，使電機起動電流從零線性上升至設定值。對電機無沖擊，提高了供電可靠性，平穩起動，減少對負載機械的沖擊轉矩，延長機器使用壽命。 （ 2）有軟停車功能，即平滑減速，逐漸停機，它可以克服瞬間斷電停機的弊病，減輕對重載機械的沖擊。 （ 3）起動參數可調，根據負載情況及電網繼電保護特性選擇，可自由地無級調整至最佳的起動電流 。 天津理工中環信息學院 2020 屆本科畢業設計說明書