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1、分分 类类 号号 江苏食品职业技术学院江苏食品职业技术学院毕业设计（论文）毕业设计（论文）学学 号号 04010611250401061125 题 目 三相异步电动机软启动设计 院(系)名 称江苏食品职业技术学院专 业 名 称机电工程系学 生 姓 名指 导 教 师二九 年 五 月 十二 日题目 三相异步电动机软起动器的设计 目 录摘 要ABSTRACT第第 1 1 章章 引言 第 1.1 节 异步电动机软起动的重要意义 第 1.2 节 本文任务第 2 章 异步电动机软起动技术概述 第 2.1 节 传统起动与软起动 第 2.2 节 软起动器的简介 第 2.3 节 软起动器的起动原理 第 2.4
2、节 软起动器的工作方式 第 2.5 节 软起动器的适用场合第 3 章 异步电动机软起动控制策略 第 3.1 节 恒功率因素控制的原理 第 3.2 节 功率因数的检测 第 3.3 节 基于单片机功率因数的计算 第 3.4 节 基于单片机 PID 调节第 4 章 硬件电路的系统够成第 4.1 节 硬件的选择 第 4.2 节 功率因数检测电路 第 4.3 节 电机运行控制电路 第 4.4 节 按键输入与显示电路第 5 章 程序设计第 5.1 节 初始化参数设置 第 5.2 节 主程序流程图 第 5.3 节 数据处理程序流程图 第 5.4 节 键盘扫描程序流程图第 6 章 操作流程第 7 章 结论参考
3、文献结束语摘 要本文介绍了一种基于晶闸管调压技术的交流异步电动机软起动器，以及在Intel 89C51 单片机基础上对其软硬件进行了适当扩展，并添加了人机界面，实现了对电机运行的各参数进行设定和修改。借助功率因数检测电路和软起动器的晶闸管调压电路组成的闭环反馈系统，由单片机根据负载变化相应地调整电机输出电压，使电机始终工作在设定功率因数下，从而实现交流异步电机的恒功率因数控制，达到节能运行的目的。关键词：异步电机；晶闸管；软起动；功率因素；单片机；节能运行ABSTRACTThis article introduced one kind presses technical based on th
4、e thyristor accent the exchange asynchronous motor soft start.And realizes software and hardware expansion based on single-chip microcomputer Intel-89C51.A interface between human and soft-starter, where the operation data of the motor could be modified has also been added. The power factor measure
5、circuit and the soft-starters thyristor voltage modualtor form a close circuit feedback system, by which the single-chip microcomputer can change the motors terminal voltage according to the load, and make the motor runs under the set power factor. In this way, the asynchronous motors constant power
6、 factor control system is realized, and the energy saving operation is achieved. Keywords：asynchronous motor；thyristor; soft start；power factor；microcontroller; energy saving operation第第 1 章章 引言引言第 1.1 节 异步电动机软起动的重要意义电动机是工农业生产中最重要的拖动设备之一。三相异步电动机由于结构简单、维修容易等优点，被广泛应用于工农业及其他生产当中。电动机起动特性中，最主要的是起动电流和起动转矩
7、。一台三相异步电动机不采取措施直接投入电网起动，起动电流过大，起动瞬间转矩造成的机械冲击也会影响其本身及拖动设备的使用寿命，过大的起动电流还加速了电机绝缘老化。除此，电动机起动时会引起较大的电网压降，影响电网供电和其他设备运行。频繁起动电动机的场合，还会因电机的短路、缺相、过流、欠压、堵转等故障影响设备运行。因此，宜采用软起动控制技术，改善电机的不良起动性能，延长电机寿命，减少电网冲击。采用电动机软起动技术势在必行。第 1.2 节本文任务本文将设计一种集电机软起动、软停车、轻载节能和各种保护于一体的电子软起动器，以 Intel89C51 单片机为中心，实现三相异步电动机的恒功率因数控制，达到节
8、能运行的目的。同时还添加人机界面，方便工作人员直观的了解系统的工作状态。第 2 章 异步电动机软起动技术概述第 2.1 节 传统起动与软起动异步电动机的传统起动方式有全压起动、星三角降压起动和自耦变压器降压起动等。全压起动又称直接起动，起动电流大，空载情况下可达到额定电流的 4-7 倍，对电网和电气设备冲击很大，影响电机本身及控制期间的寿命；后两者起动电流相对较小，但同样存在冲击电流，由于有切换触点，控制不连续，无法从根本上解决起动过程中给电动机造成的冲击，设备故障率较高，同时起动转矩降低，起动时间延长。所谓“软起动” ，是指按预先设定的控制模式进行的电机降压起动过程。也就是说使电动机输入电压
9、从 0 以预设函数关系上升，直至起动结束，赋予电机全电压。软起动的主要目的是降低异步电动机的起动电流，即降低电机输入电压，提高系统运行稳定性，延长电动机及相关设备的使用寿命。第 2.2 节软起动器的简介随着电力电子技术和单片机控制技术的发展，一系列电子式起动控制设备逐渐推广开来。软起动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和各种保护功能于一体的新型电动机控制装置，国外称为 Soft Starter。它运用串接于电源与被控电动机之间，实际是一个调压器，用于电动机起动时，输出只改变电压没有改变频率。软起动器的控制框图 2-1第 2.3 节软起动器的起动原理新型的电子式软起动器的主电路一般都采用晶闸
10、管调压电路，调压电路由六只晶闸管两两反向并联组成，串接于电动机的三相供电线路上。要实现电动机的平稳起动，需要控制电动机的输入电压，按其某种曲线由小到大逐渐上升。这个目标可以通过按一定时序调整六只晶闸管的导通角 来实现。当加入起动信号后系统软件首先施加若干毫秒的固定延时用于系统自检，然后进行有关计算，输出晶闸管触发信号，通过控制晶闸管的导通角,使起动器按所设计的模式调节输出电压,以控制电动机的起动过程。当起动过程完成后，一般起动器将旁路接触器吸合，短路掉所有的晶闸管主电路，使单片机控制系统停止工作，电动机直接投入电网运行，以避免不必要的电能损耗。 第第 2.42.4 节节 软起动器的工作方式软起
11、动器的工作方式1 起动方式(1).限流软起动主要用于轻载起动。在起动过程中限制起动电流不超过某一设定值(Im)，其输出电压从零开始迅速增长，直到其输出电流达到预先设定的电流限值Im，然后在保持输出电流IIm的条件下逐渐升高电压直到额定值，使电机转速逐渐升高，直到额定转速。限流软起动的优点是起动电流小、对电网电压影响小，且可按需要进行调整(起动电流的限值Im必须根据电动机的起动转矩来设定，Im设置过小将会使起动失败或烧毁电机)，缺点是在起动时难以知道起动压降，不能充分利用压降空间，损失起动转矩，起动时间相对较长。(2)电压斜坡软起动用于重载起动。输出电压由小到大斜坡线性上升，将传统的降压起动变有
12、级为无级。输出电压先迅速升至U1（电动机起动所需最小转矩所对应的电压值） ，然后按设定的速率逐渐升压，直至额定电压。初始电压及电压上升率可根据负载特性调整。这种起动方式的特点是起动电流相对较大，但起动时间相对较短。2 停车方式(1)软停车软停车的过程与软起动的过程相反，通过缓慢降低电动机两端电压，从而在停车过程中提供一个平滑递减的输出转矩。(2)自由停车直接切断三相电网对电动机的供电电压，使电动机在负载与摩擦作用下实现较快停车。第第 2.52.5 节节 软起动器的适用场合软起动器的适用场合1.生产设备精密，不允许起动冲击，否则会造成生产设备和产品不良后果的场合。2.电动机功率较大，若直接起动，
13、要求主变压器容量加大的场合。3.对电网电压波动要求严格，对压降要求10U的供电系统。4.对起动转矩要求不高，可进行空载或轻载起动的设备。严格地讲，起动转矩小于额定转矩 50%的拖动系统才适合用软起动器解决起动冲击问题。重载或满载只能采取变频软起动，实现无过流软起动，提供 1.2-2 倍额定转矩的起动转矩。5.软起动器的缺点是不能长时间应用于起动转矩要求很高的电机驱动装置上。这是因为电机软起动器实际上是将自身电压斜坡式抬升至最大值，停机过程中又逐渐下降至设定的关机水平来完成工作的。由于转矩与电压平方成正比，连接电机无法一开始就达到最大转矩，因此软起动器更适合于风扇、电梯、水泵、传送带等轻型易起动
14、设备。第 3 章 异步电动机软起动器控制策略第 3.1 节 恒功率因数的控制原理异步电动机通常总在全压下运行，电机从空载到满载，磁场几乎不变。因此磁化电流在所有负载上基本相同。当电机工作在空载或轻载时功率因数很低，造成电机效率低。实际上，轻载时电动机负载转矩并不要求电动机工作在满磁通的状态，减小电动机的主磁通，电动机铁芯损耗及磁化电流将减小。由于总定子电流的减小而有功损耗减小，从而电动机效率、功率因数均得到提高。由此可见，功率因数既能反映电动机负载的变化，又能反映供电电压波动，是一个理想的控制参数。因此，恒功率因数控制成为目前在异步电动机节能运行技术中采用最多的控制策略。恒功率因数的控制原理图
15、 3-1利用软起动器实现恒功率因数控制，就是单片机通过不断检测电机运行时的功率因数角（cos） ，并与设定的功率因数角比较，根据比较结果自动地调节软起动器晶闸管的导通角 ，cos数值低表明是轻载，要降低电动机的端电压；cos数值高表明是重载，则需升高电机的电压。实现了晶闸管输出电压的自动调节，使电动机始终工作在设定的功率因数下，减少了电机轻载运行时的损耗，提高了电机运行效率，这是一种间接节电法。第第 3.23.2 节节 功率因数的检测功率因数的检测电动机的功率因数与功率因数角呈简单的余弦关系，而功率因数角可以通过测量电压电流之间的相位差获得。三相异步电动机是个感性负载，在运行中，轴上电流滞后于
16、电压一个角度 j，单片机通过计算它们过零点的时间差，得到相差的延迟角，COSj 即为功率因数。电路使用同步变压器，将电机端电压降为同频的低电压信号 U1；使用电流互感器将流过晶闸管的电流取出，并通过电阻转化为相应的同频同相位电压信号 U2。为使软硬件得以简化，在功率因数角的测量中对两路信号采用过零检测，通过双电压比较器 LM393，将信号与微电平相比较，从而获得同频同相位的矩形波 U1和 U2。以电压的上升沿作为触发脉冲的同基准信号。将比较器输出的两路矩形波信号 U1和 U2 经与门 74LS08 相与，输出波形再同 U1 一起送异或门 74LS86,其输出波形显示的相位差角大小如图 3-2 所示。鉴相后，输出一组互补的相位信号，且输出脉冲信号不受输入信号幅度的影响。图图 3-
