交流异步电动机软起动器的硬件设计Word文档格式.docx
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四、应收集的资料及参考文献
[1]彭鸿才.电机原理及拖动[M].第二版.北京:
机械工业出版社,2010.
[2]陈伯时.自动控制系统[M].北京:
机械工业出版社,1981.
[3]周德泽.电气传动控制系统的设计[M].北京:
机械工业出版社,1985.
五、进度计划
第1-2周开题报告
第3周设定方案
第4-6周系统主电路设计
第7周中期答辩
第9-12周控制电路设计
第11-13周撰写毕业设计说明书
第14-15周答辩
教研室主任签字
时 间
年 月日
毕业设计任务书
毕业设计开题报告
题目
交流异步电动机软启动器的硬件设计
一、研究背景
由于交流异步电动机，特别是三相鼠笼式异步电动机，具有结构简单、制造容易、性价比高、坚固耐用、工作性能好等诸多优点，已经被广泛地应用于农业生产、厂矿企业、交通运输业、国防工业以及人们日常生活的各个领域。
但是在启动过程中又存在着不少问题。
电动机的启动过程是指当交流异步电动机投入电网时，从静止状态一直加速到稳定状态的过程。
启动电源和启动转矩是衡量电动机启动性能好坏的两个指标。
在研究启动的过程时，要求起动转矩要足够大，以保证电动机能够正常地起动，同时在保证一定大小起动转矩的前提下要求起动电流越小越好。
目前异步电动机普遍采用的起动方式是全压直接起动，但是这种方法优缺点各存在。
优点是起动设备和操作简单，而且起动的转矩要比降压起动的方法大。
缺点是起动时产生的冲击电流是其额定电流的2到7倍，这会造成好多影响，例如产生的机械冲击力会加速机械传动部件的磨损；
电网电压值瞬间的改变，会影响电气设备及其他装置的运行；
冲击电流会造成电动机局部温度上升，降低电动机的寿命等等。
如今，随着电力电子技术和微机控制技术的蓬勃发展，现代控制理论与电力电子技术的紧密结合，出现了以微处理器为控制核心的电动机软启动器。
它是一种集电动机软启动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的电动机控制装置。
相对于传统的降压起动方式，软启动的优点主要有：
1.实现了电动机起动电压的无极调节，冲击转矩和冲击电流；
2.通过电流闭环控制可以实现电动机的恒流起动，不但限制了起动电流，还确保了电动机的平稳起动；
3.采用微机处理器控制，人机界面友好，控制简便，可以实现多种软启动模式和保护功能，可靠性高；
4.可以实现直接计算机通讯控制，为自动化控制打下良好的基础。
综上所述，软启动器拥有良好的控制性能，具有很好的研究价值和应用前景。
二、国内外研究现状
1.国外研究现状
电力电子软起动的出现是随着晶闸管的出现而发展起来的。
最早采用晶闸管三相交流调压电路对电动机软起动的应用出现在1970年，采用这种方法可以获得很好的起动性能，所以一开始就引起人们广泛的注意。
三十多年来，国外对晶闸管三相交流调压电路进行了广泛的研究，在工业应用领域得到广泛的应用。
在某些领域应用显示出独特的技术优势。
如美国AB公司、英国CT公司、法国TE公司、德国AEG公司、瑞士ABB公司等均推出了软起动器系列产品。
目前在国外，晶闸管三相交流调压起动技术的研究已从对通过控制电机电流的开环，闭环方式，发展到通过建立比较准确实用的数学模型，找到适于三相交流调压电路电机负载的控制方法，从而便三相交流调压电路电机负载性能更好。
如降压变频调速中的矢量控制和磁场定向控制的引入，创立软起动技术的转矩控制等等。
在国外，发达国家的三相异步电动机软起动产品主要是晶闸管软起动和兼作软起动的变频器起动。
在生产工艺兼有调速要求时，采用变频装置。
在没有调速要求使用的场合下，起动负载较轻时一般采用晶闸管软起动。
在重载或负载功率特别大的时候，使用变频软起动。
发达国家软起动的主流产品是晶闸管软起动装置，各知名电气公司都有自己的晶闸管软起动品牌，在其功能上又各具特色。
例如GE公司生产的ASTAT智能电机软起动器；
ABB公司生产的PST、PSTB系列电机软起动器；
施耐德公司的ATS46软起动器；
德国SIEMENS公司的3RW22SIKOSTART软起动器等等
2.国内研究现状
我国的软起动技术起步于80年代初期，现己推出JKB型软起动器和JQ，JQZ型固态节能起动器等产品。
JQ型用于轻负载起动，JQZ型用于重载起动，最大的控制功率可以达到800KW。
虽然取得了一些成绩，但由于国内自行开发和生产的能力相对较弱，对国外产品的依赖还很严重。
从总体上着，我国软起动技术与国际先进尚有差距。
主要表现在以下几个方面:
①软起动器的整机技术落后，国内虽有很多单位投入了一定人力，物力，但由于分散，并没有形成一定的技术和生产规模。
②软起动器产品所用的半导体功率器件的制造业规模较小。
③相关配套产业及行业落后。
④产销量少，可靠性及工艺水平不高。
作为强弱电结合的软起动是机电一体的综合性技术，既要处理巨大的电能转换，又要处理信息的搜集、变换和传输。
因此其技术研究也会在两个方向进行。
可以预见，未来的软起动器将沿着以下方向发展:
①提高起动转矩。
采用分级变频起动，使电机低速起动时，起动电流小，起动转矩大，可以在满负荷的情况下实现软起动。
②实现高水平的控制，向智能化的方向发展。
③起动器将向中压电机软起动方向发展。
④向小型化方向发展。
三、主要工作
1.设计方案论证、比较及确定，分析软启动器工作原理，选定主电路设计方案。
2.设计完善的硬件电路，包含各个部分。
3.元器件选型及有关计算，晶闸管参数和型号选择。
4.软件仿真分析和相关调试。
四、所采用的方法与手段
本设计在查阅大量的相关知识的基础上，研究了国内外软启动器的研究现状和发展方向，对软启动器的工作原理和控制策略进行了详细的学习，设计以利用单片机AT89C51控制晶闸管交流调压方式进行电子软启动器设计。
五、预期达到的结果
通过晶闸管和接触器的组合，形成三组反并联晶闸管和接触器组成主回路，并通过控制反并联晶闸管组的导通改变加载在电机两端的电压，来达到调节电机的起动问题，变得更加的稳定和高效。
指导教师签字
时间
年月日
摘 要
异步电动机的优点众多，比如低成本，简单结构，耐用等，所以很受欢迎，被广泛的应用。
但是从发明电动机至今，电机的起动一直是无法很好解决的问题。
电动机在起动时，转矩小，会导致电流很大。
这样的结果就是对电网和电机本身都有很大的损害和影响。
传统的起动方法都有一定的缺陷。
本设计是用晶闸管设计一种软启动器，来解决电机的起动问题，提高电动机起动的稳定性和效率。
本设计主要是先分析了软启动器的工作原理，选定主电路的接线方案，利用晶闸管反并联，构成一种调压器。
之后利用单片机AT89C51设计了一个完整的硬件电路，包含电压保护设计，电流保护设计等部分。
根据硬件电路的电压和电流，详细的计算了每个模块的参数，并进行了器件选型。
主电路的设计就是晶闸管构成的一种调压器，利用基于MATLAB的SIMULINK仿真平台进行仿真。
仿真的目的，主要是调试出电动机转速和定子电流的波形，设计直接起动的波形和软启动进行对比，更好的体现出软启动的优点。
通过设计触发的方式，使调压器对电动机进行调压，最终达到控制电机起动的目的。
通过调试和仿真，可以很好的看到，本设计中的软启动器能够很好的控制电机的转速和起动电流，使电机的起动更加平稳和高效。
关键词：
软启动晶闸管异步电动机SIMULINK
Abstract
Theadvantagesofasynchronousmotorisnumerous,suchaslowcost,simplestructure,durable,etc.,soitwasverypopularandwidelyapplication.Butsincetheinventionofthemotor,themotorstarterhasbeentheproblemcannotbesolved.Motorstartingtorquelarge,willleadtoasmallelectriccurrent．Theresultisthatofpowergridandthemotoritself,thereisalotofdamageandimpact.Thetraditionalstartmethodhavesomedefects.Thisdesignisusedtodesignathyristorsoftstarter,startermotorproblemstosolve,improvethestabilityandefficiencyofthemotorstarting.
Thisdesignmainlyisfirstanalyzedtheworkingprincipleofsoftstarter,maincircuitwiringschemes,selectedwiththeparallelthyristor,constituteavoltageregulator.AfterusingSCMAT89C51designedacompletehardwarecircuitcomprisingvoltageprotection,currentprotectiondesignsection.Accordingtothehardwarecircuitofthevoltageandcurrent,calculatedtheparametersofeachmoduleindetail,andadeviceselection,wascarriedout.Thedesignofmaincircuitiscomposedofthyristorvoltageregulator,usingSIMULINKplatform.Simulation,debuggingthemainmotorspeedandstatorcurrentwaveform.
Triggeredbythedesignwayofthevoltageregulatorforregulatingmotor,ultimatelyachievethegoalofcontrolmotorstarting.Bydebuggingandsimulation,canbeverygoodtosee,thedesignsoftstartercanwellcontrolthemotorspeedandthestartingcurrentofthemotorstarterismorestableandefficient.
Keywords：
AsynchronousmotorThyristorSoftstartingSimulink
第1章 绪 论
1.1 课题研究的目的意义
在现实生活中三相鼠笼式异步电动机是最常用的。
可以在社会的各个领域用到。
比如农业生产中浇灌农业土地，农业耕地时的机器。
厂矿企业中，工厂机器的运行，各种矿业的运行，开发和挖掘都会用到电动机。
国防以及交通运输行业，都离不开电动机。
电动机如此广泛的被应用，正是因为它的众多优点。
首先电动机，尤其是异步电动机，结构特别简单，而且材料也不是很复杂，在同样的情况下，成本越低的肯定是越受欢迎的。
但是不能一味的追求价格低廉，易损坏的设备，不仅不会节省费用，反而会浪费人力、物力、财力等。
电动机的第二个优点就是性价比超高，不仅牢固，耐用，而且效率也是比较高的。
但是不肯能所有的东西都完美，电动机虽被广泛的应用，但是它的起动一直是无法很好解决的问题。
这也是电机起动的问题所在，控制不好电流的大小和转矩的大小。
一直以来人们都在努力的研究，但是传统的起动方法措施，并不能完全解决这个问题，都有一定的缺陷。
近些年来，由于微控电子技术的快速发展，工业中也逐渐开始采用软启动技术来代替传统的起动方法。
三对反并联的晶闸管是常用的软起动技术[1]。
软启动的工作原理很简单。
传统的起动既然被发明出来，肯定有它的优势，但是现代要求的越来越高，传统的方法已经跟不上时代的节奏。
软起动的发明可以说是应时代而生。
以下简单的来分析一下其工作原理。
通俗来讲，本身可以算作一种调节电压的设备。
其中的晶闸管更是软启动的经典。
首先，晶闸管可以整流，其次晶闸管还是可控的器件。
这种器件的搭配，将是最佳合理的调节电压的设备。
但是控制交流电源，输出的不是连续的。
为了能够让设备更加合理的工作，在此将晶闸管反并联起来，这样无论是正负脉冲，晶闸管都可以连续的工作，输出稳定的电压。
并不是所有的调压设备都是完美的，有的连接方式不是很科学。
这种晶闸管做成的调压器虽然也能导通，也能控制电压，功能都能实现。
但是一些保护措施，一些滤波设计的并不是很好。
就像有一些软启动器，能产生谐波，自身没有滤波的功能，这对电网和设备都有很大的影响。
总体来说正是因为它有诸多的优点，例如保护传动系统不受磨损，提高电网的质量，安全性能，功能多样，且维护等。
所以才会被广泛的应用。
1.2国内外研究现状
软启动大概在七十年代发明。
三对反并联的晶闸管是常用的软起动技术。
软启动的工作原理很简单[2]。
目前在国外，为了使三相交流调压电路的负载性能更好，好多专家都已经摒弃原来旧的方法，如开环，闭环方式，改用完整的、准确的数学模型来控制晶闸管三相交流调压起动，电机负载的控制方法，从而使三相交流调压电路电机负载性能更好[3]。
国外软启动器大概有两种，一种是晶闸管构造，另一种是变频器[4]。
晶闸管软启动一般用在起动负载较轻时和在没有调速要求使用的场合下。
变频软启动用在重载或负载功率特别大的情况下。
晶闸管软启动装置不仅是发达国家软起动的主流产品，各知名电气公司都有自己的研发品牌，但是在其功能上又各具特色。
ABB公司产的PST、PSTB系列也有软起动；
德国SIEMENS公司的3RW22SIKOSTART软起动器等等[5]。
我国的软启动大概在80年代兴起。
现在我国自主研发的软启动设备有两种，一种是JKB型软起动器，另一种是JQ，JQZ型固态节能起动器。
根据市场的调查报告分析，以及客户的需求可知，结合国外的技术，再加上自主研制和不断的实验，我国的软启动将会有一个质的飞越，这只是未来的一种假设。
现实中尽管取得了一些成绩，
技术方面和人才方面的缺乏，加上对国外产品的严重依赖，导致我国的软启动技术一直处于相对较低水平。
和国外的技术相比，我国的科学技术还不是很成熟，整体的是差距是明显的。
下面是一些明显的举例。
（1）国家整体技术落后，虽然投入很多金钱和物力，但是科技的差距，文化地域的不同，导致国内到现在都没有形成产业规模。
（2）半导体功率器件在我国制造业规模较小，不能大规模生产。
（3）相关配套产业及行业落后于国外。
（4）销售产量少，可靠性，耐用性等工艺水平均不高。
因为软启动可以在很好的结合强弱电，又可以很好的和其它设备完美的结合在一起。
而且它是微控技术控制的设备，不仅可以控制电压，还可以根据它来采集信息等，为测量提供了很好的基础。
随着科技的发展，软启动有以下的发展方向：
（1）随着科技的发展，适应科技时代的要求，设计的时候可以提高起动转矩。
（2）实现高水平的控制，向智能化的方向发展。
（3）随着起动器广泛的应用，将向最合理的电压方向发展，变得更加完美。
（4）向小型化方向发展。
1.3设计的内容和主要工作
（1）设计的内容
主电路比较简单，主要是调节电压的设备和一个接触器组成。
调节电压的设备内部是一组晶闸管反并联组成。
接触器的作用相当于一个开关，它并联在软启动的两端，当起动结束后，合上接触器，短路软启动，使电机直接接入电源工作。
（2）主要工作
设计方案论证、比较及确定，分析软启动器工作原理，选定主电路设计方案。
设计完整的硬件电路图，包含各个部分。
元器件选型及有关计算，晶闸管参数计算和型号选择。
软件仿真分析机相关的调试。
第2章 三相异步电动机的起动控制的研究
交流三相异步电动机的传统起动方法在很长的时间内，起着重要的作用。
但是都有一定的缺陷。
当发明了以晶闸管控制的软启动器后，因为新型的起动方法优点众多，不仅高效，省钱而且节能，符合时代发展的规律。
所以很快的取代了传统的起动方法。
2.1三相异步电机的启动方法
目前异步电动机的起动方法有两大种，分为全压起动和减压起动。
全压起动的道理相对来说，很简单，就是直接通电，没有别的设备辅助，俗称直接起动。
减压起动又分为两个方面，一个是传统的减压起动，一种是现在特别流行的电子软启动。
旧的减压起动的方法也包含了很多，传统的有三种，比如有定子回路串电抗器减压起动，星—三角减压起动和自耦变压器减压起动[6]。
每一个起动，都有自己的特点。
虽然本身的设计有一定的问题，但是不同的场合，需要不同的起动方法，并不是一个起动方法，就适合所有的场合。
本设计的任务书要求用单片机控制晶闸管制成的电子软启动器。
所谓的这种电子软启动器，属于软启动的一种，原理也是降低电压起动。
为了更好的介绍本设计中设计的软启动器，以下选取了同样是减压起动原理的串电抗器减压起动来做对比。
下面就传统和新兴的起动方法分别做详细介绍。
2.1.1传统的起动方法介绍
为了更能清晰的，简洁的了解各个起动方法的优缺点。
特此制作了一个表格。
如表2-1所示。
为了能够更好的和新兴的软启动作对比，体现设计的软启动的优点，选取一种方法，即详细的介绍了串电抗器减压起动。
这是最简单的一种起动方法。
原理也是很简单，通俗的解释就是电路中串一个电阻。
当然这个电抗器也要根据电机的参数来选择型号。
设备串一个类似于电阻的器件，根据基本电路原理，电抗器是分压的作用。
电机两端的电压变小，起动的电流就变小，这就是串电抗的原理。
当起动结束之后，再切除电抗器，这就是串电抗起动。
这种方法起动时，优点是起动电流减小，但是也有很多缺点，比如起动转矩和电压二次方关系降低，电流下降的会更多，所显示的起动特性也不是很好，所以这样方法经济适用性比较低，生产中很少使用。
表2-1异步电动机传统启动方式
启动方式
启动电流
启动转矩
优点
缺点
应用场合
直接启动
1
启动设备简单
启动冲击电流大，冲击力矩大
中小功率电动机轻载或空载启动
定子串电阻启动
有级调速、启动转矩小
适用于空载或轻载启动
Y一△启动
1/3
启动设备简单，可频繁启动
有极、有二次冲击
正常运行为△接法，空载或轻载启动
自藕变压器降压启动
启动转矩较大
有极、设备体积大、不能频繁启动、多次冲击
较大容量电机、较大负载不频繁启动
2.1.2三相异步电动机的软起动
三对反并联的晶闸管是常用的软起动技术[7]。
在上一节的内容中，已经介绍了电机起动的好多方法。
这些方法既然被发明出来，肯定有它的优势，但是现代要求的越来越高，传统的方法已经跟不上时代的节奏。
并不是所有的调压设备都是完美的，有的连接方式不是很合理，虽然也能导通，也能控制电压。
总体来说，软启动的整体优势还是很明显的，比如减少起动过程因为电流的冲击，对其它设备的影响；
减小了起动电流，不会让电机因为长时间发热，损坏电动机，能延长电机电机的寿命。
软启动器不仅可以起动，还可以停车，特别方便，效率超级高，所以它能取代传统的方法，被广泛应用。
2.2软起动的原理及分析
2.2.1软启动器介绍及原理
软启动器是一种有具有多种功能的新型电机起动控制设备。
因为它突出的实用特性，所以在现代绝大多数的场合，都取代了传统的起动方法。
软启动器工作原理很简单，通俗来讲，就是一种很常见的调节电压的设备，只不过构造比较特别。
晶闸管因为特点突出，整流（单相整流和三相桥整流最常见）；
可控的开关，平时的开关就是一个比较简单的结构，可控开关，从字面的意思理解也很简单，可以控制，而且晶闸管可以精确到每一个细节。
因为它是通过脉冲触发，来控制输出电压的大小。
现实中，交流是不连续的。
所以产生的脉冲也是不连续的，为了能一直连续，将两个晶闸管反并联，无论正半轴，还是负半轴，都可以进行工作，这样的话，输出的电压和电流是连续的、稳定的值。
本设计的任务书中，要求安装接触器。
这是一种很简单的设备，通俗来讲，就相当于一个简易开关。
软启动工作的时候，开关不用动作。
软启动不工作了，开关动作，将软启动器短路。
不要忽视了这一个简单的接触器，在软启动的设计中，这个开关占据很重要的地位，不仅可以很好的保护设备，延长其寿命，还能提高工作的效
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