畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）基于可變電抗的軟起動(dòng)器設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)</b></p><p>　　題 目 基于可變電抗的軟起動(dòng)器設(shè)計(jì) </p><p>　　學(xué)院(系)： 自動(dòng)化學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí)： 電氣0303班 </p><p>　　學(xué)生姓名：

2、 汪 旭 祥 </p><p>　　指導(dǎo)教師： 袁佑新 教授 </p><p><b>　　學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包括任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)

3、發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。</p><p><b>　　作者簽名：</b></p><p>　　2007年6月14日</p><p>　　學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書</p><p>　　本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保障、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)學(xué)位論文管理部門或機(jī)構(gòu)送交

4、論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)省級(jí)優(yōu)秀學(xué)士論文評(píng)選機(jī)構(gòu)將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。</p><p>　　本學(xué)位論文屬于1、保密囗√，在10年解密后適用本授權(quán)書</p><p><b>　　2、不保密囗。</b></p><p>　　(請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)

5、方框內(nèi)打“√”)</p><p><b>　　作者簽名：</b></p><p>　　2007年6月14日</p><p><b>　　導(dǎo)師簽名：</b></p><p>　　2007年6月14日</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書</p><p&

6、gt;　　學(xué)生姓名 汪旭祥 專業(yè)班級(jí) 電氣0303班 </p><p>　　指導(dǎo)教師 袁佑新 教授 工作單位 武漢理工大學(xué) </p><p>　　設(shè)計(jì)(論文)題目: 基于可變電抗的軟起動(dòng)器設(shè)計(jì) </p><p>　　設(shè)計(jì)(論文)主要內(nèi)容：</p><p>　　在對(duì)

7、軟起動(dòng)器的國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)進(jìn)行綜合分析的基礎(chǔ)上，探討軟起動(dòng)器的起動(dòng)方法，對(duì)可變電抗式軟起動(dòng)器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)軟起動(dòng)控制器進(jìn)行硬件和軟件設(shè)計(jì)，完成軟起動(dòng)系統(tǒng)仿真和試驗(yàn)。</p><p>　　要求完成的主要任務(wù):</p><p>　　(1)外文資料翻譯不少于20000印刷符；</p><p>　　(2)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料(中文15篇，英文3篇)；</p>&l

8、t;p>　　(3)撰寫開題報(bào)告；</p><p>　　(4)熟悉電機(jī)各種軟起動(dòng)方法；</p><p>　　(5)掌握可變電抗技術(shù)及原理；</p><p>　　(6)用可變電抗器技術(shù)進(jìn)行軟起動(dòng)器硬件設(shè)計(jì)；</p><p>　　(7)繪制的電氣圖紙符合國標(biāo)；</p><p>　　(8)撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)不少于100

9、00漢字。</p><p>　　指導(dǎo)教師簽名 系主任簽名 </p><p>　　院長簽名(章) </p><p>　　武漢理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告</p><p><b>　　目錄</b></p

10、><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</p><p><b>　　緒論1</b></p><p>　　1 軟起動(dòng)器方案設(shè)計(jì)5</p><p>　　1.1 軟起動(dòng)原理5</p><p>　　1.2 軟起動(dòng)方

11、法6</p><p>　　1.2.1 變頻器軟起動(dòng)6</p><p>　　1.2.2 晶閘器串聯(lián)軟起動(dòng)6</p><p>　　1.2.3 水電阻和液態(tài)電阻軟起動(dòng)7</p><p>　　1.2.4 基于可變電抗的軟起動(dòng)7</p><p>　　1.3 軟起動(dòng)方法選擇9</p><p>　

12、　1.4 軟起動(dòng)控制方式11</p><p>　　1.4.1 電壓斜坡式軟起動(dòng)11</p><p>　　1.4.2 脈沖突跳式軟起動(dòng)12</p><p>　　1.4.3 恒流式軟起動(dòng)12</p><p>　　2 軟起動(dòng)器硬件設(shè)計(jì)13</p><p>　　2.1 主電路原理設(shè)計(jì)13</p>&l

13、t;p>　　2.1.1 功率變換器原理設(shè)計(jì)13</p><p>　　2.1.2 可變電抗變換器原理設(shè)計(jì)14</p><p>　　2.2 控制電路原理設(shè)計(jì)15</p><p>　　2.2.1 鍵盤和顯示電路設(shè)計(jì)16</p><p>　　2.2.2 信號(hào)檢測電路設(shè)計(jì)17</p><p>　　2.2.3 A/

14、D和D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)18</p><p>　　2.2.4 開關(guān)量輸入/輸出電路設(shè)計(jì)20</p><p>　　2.2.5 觸發(fā)電路設(shè)計(jì)22</p><p>　　2.2.6 輔助電源電路設(shè)計(jì)22</p><p>　　3 軟起動(dòng)器軟件設(shè)計(jì)24</p><p>　　3.1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)24</p>

15、<p>　　3.2 軟件功能模塊設(shè)計(jì)24</p><p>　　3.2.1 初始化程序設(shè)計(jì)25</p><p>　　3.2.2 看門狗程序設(shè)計(jì)25</p><p>　　3.2.3 人機(jī)交互程序設(shè)計(jì)26</p><p>　　3.2.4 軟起動(dòng)程序設(shè)計(jì)27</p><p>　　3.3 軟起動(dòng)器控制算法

16、30</p><p>　　3.3.1 單神經(jīng)元PID控制30</p><p>　　3.3.2 單神經(jīng)元PID控制的學(xué)習(xí)算法32</p><p>　　3.3.3 單神經(jīng)元PID控制軟件流程37</p><p>　　4 系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)38</p><p>　　4.1 系統(tǒng)仿真38</p><

17、p>　　4.1.1 主要環(huán)節(jié)的仿真38</p><p>　　4.1.2 軟起動(dòng)系統(tǒng)的仿真41</p><p>　　4.1.3 仿真結(jié)果41</p><p>　　4.2 系統(tǒng)試驗(yàn)43</p><p>　　4.2.1 系統(tǒng)調(diào)試44</p><p>　　4.2.2 電機(jī)起動(dòng)試驗(yàn)45</p>&

18、lt;p><b>　　結(jié)束語48</b></p><p><b>　　致謝49</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)50</b></p><p><b>　　附錄152</b></p><p><b>　　附錄253<

19、;/b></p><p><b>　　附錄354</b></p><p><b>　　附錄455</b></p><p><b>　　附錄556</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　為了

20、減小三相交流異步電機(jī)全電壓直接起動(dòng)過程中起動(dòng)電流和沖擊力對(duì)電機(jī)自身、電機(jī)負(fù)載、電網(wǎng)以及同電網(wǎng)其它設(shè)備造成的不利影響和損害，本文對(duì)可變電抗式軟起動(dòng)技術(shù)和裝置進(jìn)行了分析和研究，并尋求一種新的軟起動(dòng)方法。</p><p>　　本文對(duì)可變電抗式軟起動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了分析，比較了幾種常用的電機(jī)軟起動(dòng)方法，闡述了可變電抗式軟起動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)可變電抗器阻抗變換原理，討論了軟起動(dòng)控制器的構(gòu)思和設(shè)計(jì)方案。</p><

21、p>　　本文介紹了以微處理器AT89S52為核心的軟起動(dòng)控制器硬件電路設(shè)計(jì)，包括微處理器系統(tǒng)、模擬量和開關(guān)量輸入/輸出通道、人機(jī)交互模塊和電源電路的分析和設(shè)計(jì)；介紹了軟起動(dòng)控制軟件的設(shè)計(jì)，包括控制流程和各相關(guān)部分程序設(shè)計(jì)；對(duì)基于單神經(jīng)元PID控制算法的恒流起動(dòng)進(jìn)行了分析。</p><p>　　本文使用Matlab/Simulink構(gòu)建軟起動(dòng)系統(tǒng)仿真模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了軟起動(dòng)控制器方案的可行性。對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行

22、了調(diào)試和系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，得出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)表明，可變電抗式電機(jī)軟起動(dòng)器能有效控制電機(jī)起動(dòng)沖擊電流，達(dá)到異步電機(jī)軟起動(dòng)的要求。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：可變電抗器 交流異步電機(jī) 軟起動(dòng)器 單神經(jīng)元PID控制</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　In ord

23、er to reduce the adverse influence and damage to the motor itself, the load,the electric net and other equipment under the same net that brought by the direct start process of 3-phase asynchronism motor, the soft start b

24、ased on variable reactance technique is analyzed and the controller of this soft start system is studied,and seek a new way of soft start.</p><p>　　In this thesis, the soft start based on variable reactance

25、system is analyzed, compared with several traditional soft start methods, base on the transpositional theory of variable reactance,the construct and blue print of the controller is discussed. </p><p>　　In th

26、is dissertation, hardware circuit based on a microprocessor AT89S52 is introduced, including the system of microprocessor, the input/output channels of analog and switch signals, man-machine conversation module and the D

27、C power, every part of the circuit is analyzed in detail. The software of the controller is discussed; include the flow of soft start and several important parts. Single neuron control algorithm is adopted to design soft

28、ware which is mostly fit for limiting current start mod</p><p>　　The model of the soft start system is set up and simulated by Matlab/Simulink, the feasibility of the controller is proved by the simulation r

29、esults. At last, system debugging is illuminated and experimental results are presented.</p><p>　　The experiments show that the intelligent controller of solid soft starter can availably control shock curren

30、t of starting, and the current is lower than 3 times rating current. The operation of the controller is simple and easy, it has high degree in intelligence, and reaches the requests of the soft start of asynchronous moto

31、r.</p><p>　　Key Words: Variable Reactance AC asynchronous motor Soft Starter Single Neuron Algorithm and PID Control</p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　軟起動(dòng)器設(shè)計(jì)的目的和意義</p&g

32、t;<p>　　三相異步電動(dòng)機(jī)廣泛用于工礦企業(yè)、交通運(yùn)輸和國防工業(yè)等國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域的機(jī)械設(shè)備中，使用量大、范圍廣，其用電量占全國發(fā)電總量的60%以上。應(yīng)用交流異步電動(dòng)機(jī)的行業(yè)十分廣泛，如冶金、鋼鐵、石油、化工、水廠、電廠、機(jī)械加工等，幾乎遍及所有的行業(yè)。而電機(jī)的直接起動(dòng)會(huì)產(chǎn)生很大的起動(dòng)電流，一般為額定電流的5～7倍，這樣大的電流會(huì)在電機(jī)的定子線圈和轉(zhuǎn)子的鼠籠條上產(chǎn)生很大的沖擊力，會(huì)破壞繞組的絕緣和造成鼠籠條的斷裂，引起電

33、機(jī)的故障，大電流還會(huì)產(chǎn)生大量的焦耳熱，損傷繞組的絕緣，縮短電機(jī)的使用壽命；同時(shí)電機(jī)直接起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩約為額定轉(zhuǎn)矩的2倍，對(duì)齒輪傳動(dòng)設(shè)備來說，很大的沖擊力會(huì)使齒輪磨損加快甚至破碎，而對(duì)于皮帶傳動(dòng)設(shè)備來說，加大了皮帶磨損甚至拉斷皮帶[1]。</p><p>　　對(duì)異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流的限制，一般通過降低定子輸入電壓的方式來實(shí)現(xiàn)，過去人們采取的降壓措施有定子串電抗降壓、自耦變壓器降壓、Y-△降壓、延邊三角形降壓等方法，

34、對(duì)于繞線式異步電動(dòng)機(jī)，還可以采取在轉(zhuǎn)子回路串接頻敏電阻、水電阻的方法。這些方法雖然可以限制電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流，但它們對(duì)于電機(jī)的定子電壓的調(diào)節(jié)是非連續(xù)的，導(dǎo)致電機(jī)在起動(dòng)過程中存在一定的沖擊電流。</p><p>　　從相關(guān)資料可以看出，通過降壓來降低電機(jī)起動(dòng)電流的應(yīng)用由來已久。1967年，英國首先提出電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)問題，并率先用半導(dǎo)體分離元件制造了第一臺(tái)電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器。從20世紀(jì)80年代開始推廣利用晶閘管交流調(diào)壓技術(shù)

35、制作的軟起動(dòng)器。由于從1973年開始世界性的能源危機(jī)，世界各國開始注重節(jié)能問題，而電動(dòng)機(jī)消耗的電能占發(fā)電量的很大部分，因此，電動(dòng)機(jī)的能源問題被視為節(jié)能工作的主要課題之一，除通過優(yōu)化設(shè)計(jì)來提高電動(dòng)機(jī)本身的效率和其它的運(yùn)行性能，同時(shí)還致力于探索如何使現(xiàn)有的電動(dòng)機(jī)節(jié)能運(yùn)行。1975年NASA(美國航天航空管理局)在研究太陽能加熱和冷卻系統(tǒng)時(shí)，為了降低驅(qū)動(dòng)水泵和風(fēng)機(jī)所用的電動(dòng)機(jī)功率損耗，NASA的工程師Frank Nola發(fā)明了一種功率因數(shù)控制

36、器，它能起到控制和改進(jìn)功率因數(shù)的作用，更重要的是它還能降低損耗，使原有的電動(dòng)機(jī)效率提高，1977年申請(qǐng)了美國專利，還向其它國家申請(qǐng)了專利。進(jìn)而研究人員將功率因數(shù)控制技術(shù)結(jié)合到軟起動(dòng)技術(shù)中，制造出最初的節(jié)能軟起動(dòng)器。自此，國外的眾多學(xué)者、專家對(duì)電子式電機(jī)調(diào)壓裝置進(jìn)行了大量的研究。90年代初期，隨著電力電子器件和電力電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了以SCR、MOSFE</p><p>　　迄今為止，國內(nèi)外對(duì)晶閘管控制的軟起動(dòng)器

37、進(jìn)行了大量研究，而且開發(fā)了相關(guān)的產(chǎn)品。隨著研究的不斷深入，其重點(diǎn)由最初的分析其結(jié)構(gòu)原理、建立數(shù)學(xué)模型逐漸發(fā)展到為獲得更好的起動(dòng)特性以及輕載時(shí)節(jié)能控制策略的研究，其控制方法也由開始的PID控制過渡到更為適合于非線性系統(tǒng)的模糊控制。根據(jù)不同的控制目標(biāo)，相應(yīng)的控制變量也不同，在諸多方法中，主要應(yīng)用的控制變量有定子電流、定子電壓、功率因數(shù)、輸入功率等。在最近的文獻(xiàn)中，關(guān)注的熱點(diǎn)是如何減小電磁轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)和提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的問題，但是所采用的控制策略因

38、為晶閘管的半控性都比較復(fù)雜；另一個(gè)被廣泛關(guān)注的問題是電機(jī)的輕載節(jié)能問題，研究表明，在電機(jī)輕載運(yùn)行時(shí)，通過降低定子上的電壓能夠減小電機(jī)的內(nèi)部損耗，如銅耗、鐵耗和雜散損耗等，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。但是在眾多文獻(xiàn)中，對(duì)于軟起動(dòng)的諧波問題并沒有給予足夠的重視，由于在實(shí)現(xiàn)輕載節(jié)能的過程中，電流的斷續(xù)不可避免的產(chǎn)生諧波，而諧波的存在不僅影響電機(jī)的工作特性而且還增加了損耗，這勢(shì)必削弱節(jié)能的效果，特別在大型電機(jī)的起動(dòng)控制中，諧波還會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成很大的影響，由于晶

39、閘管相控軟起動(dòng)器本身的特點(diǎn)所限，電機(jī)在起動(dòng)的過程中不可避免產(chǎn)生大量的諧波，因此如何</p><p>　　軟起動(dòng)器作為一個(gè)完整的控制系統(tǒng)，除了具有限制沖擊電流、改善電機(jī)起動(dòng)特性和實(shí)現(xiàn)節(jié)能的功能外，還應(yīng)具有配套的監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)。國內(nèi)在這個(gè)領(lǐng)域還處于起步階段，且基本集中在低壓電機(jī)的軟起動(dòng)器的研究上，特別是在中壓電機(jī)的軟起動(dòng)器幾乎為空白，近兩年出現(xiàn)中壓磁控軟起動(dòng)器由天津先導(dǎo)公司在2002年5月研制成功，電壓等級(jí)為6kV和

40、10kV，現(xiàn)在做到最大容量為7000kw，國內(nèi)中壓電機(jī)起動(dòng)基本采用傳統(tǒng)的起動(dòng)方法和水電阻起動(dòng)。</p><p>　　電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器由于受到晶閘管耐壓的限制一直解決不好，近幾年來市場上出現(xiàn)了國外少數(shù)廠家采用晶閘管串聯(lián)技術(shù)的中壓電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)裝置。由于中壓異步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用越來越多且向大型化的方向發(fā)展，其起動(dòng)問題擺在我們的面前，近年來也有其它的起動(dòng)方法的出現(xiàn)，但都有一定的缺點(diǎn)而沒有被普遍的采用。</p>

41、<p>　　軟起動(dòng)器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p><b>　　國外研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　國外的一些學(xué)者及大公司都在致力于開發(fā)適合普通三相異步電機(jī)的專用軟起動(dòng)控制器，很多學(xué)者在這方面做了大量工作。國外軟起動(dòng)的產(chǎn)品主要是固態(tài)軟起動(dòng)裝置，即晶閘管軟起動(dòng)和兼做軟起動(dòng)的變頻器。在生產(chǎn)工藝有調(diào)速需求時(shí)，采用變頻裝置，無調(diào)速要求的場合，輕載起動(dòng)采用晶閘管

42、軟起動(dòng)，負(fù)載功率比較大或重載起動(dòng)的場合采用變頻軟起動(dòng)，晶閘管軟起動(dòng)裝置是發(fā)達(dá)國家的主流產(chǎn)品。自1970年以來，國外對(duì)晶閘管三相交流調(diào)壓技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，在某些領(lǐng)域應(yīng)用顯示出獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。如美國AB公司生產(chǎn)的315~2000kw的交流調(diào)壓式電力電子軟起動(dòng)器，英國的CT公司，法國的TE公司，德國的AEG公司以及歐洲的ABB公司等均推出了軟起動(dòng)器系列產(chǎn)品[2]。</p><p>　　國外軟

43、起動(dòng)技術(shù)高速發(fā)展的原因如下[3]:</p><p>　　市場需求量大隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高和能源全球性短缺，變頻器和軟起動(dòng)器越來越廣泛的應(yīng)用于機(jī)械、紡織、化工、造紙、冶金、食品等各行各業(yè)，以及水泵、風(fēng)機(jī)類節(jié)能場合，并取得了顯著經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　功率器件的發(fā)展各種高電壓大電流的SCR、GTO、IGBT、IGCT等器件的生產(chǎn)及功率器件并聯(lián)、串聯(lián)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，使高壓、大功率

44、軟起動(dòng)產(chǎn)品的生產(chǎn)及應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。</p><p>　　控制理論和微電子技術(shù)的發(fā)展，矢量控制、磁通控制、轉(zhuǎn)矩控制、模糊控制等新的控制理論為高性能的變頻器和軟起動(dòng)器提供了理論基礎(chǔ)，16位、32位高速微處理器，信號(hào)處理器DSP，專用集成電路ASIC的快速發(fā)展為實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)器高精度多功能化提供了途徑。</p><p><b>　　國內(nèi)研究現(xiàn)狀</b></p>&l

45、t;p>　　我國對(duì)晶閘管軟起動(dòng)器的研究始于90年代，一些研究機(jī)構(gòu)對(duì)此技術(shù)有一定研究成果。國內(nèi)全數(shù)字晶閘管軟起動(dòng)產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家，其產(chǎn)品均是對(duì)國外產(chǎn)品一定程度的仿制，而且多為低壓產(chǎn)品，自己研制生產(chǎn)的高壓軟起動(dòng)裝置基本上處于起步階段。技術(shù)狀況如下[2][4]：</p><p>　　(1)軟起動(dòng)器的整機(jī)技術(shù)落后；</p><p>　　(2)軟起動(dòng)產(chǎn)品所用半導(dǎo)體功率器件的制造業(yè)幾乎是空白，尤其

46、是高電壓、大電流的電力電子器件諸如門級(jí)可關(guān)斷(GTO)晶閘管、絕緣柵雙級(jí)晶體管(IGBT )、門極換流晶閘管(GCT)等尚未研制成功；</p><p>　　(3)相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)及行業(yè)落后；</p><p>　　(4)可靠性及工業(yè)水平低。</p><p>　　軟起動(dòng)技術(shù)是強(qiáng)弱電混合，機(jī)電一體化的綜合技術(shù)，既要處理巨大電能的轉(zhuǎn)換，又要處理信息的收集變換和傳輸。因此它的共性

47、技術(shù)必定是分成功率和控制兩大部分，前者要解決與高壓大電流有關(guān)的技術(shù)問題和新型電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)問題，后者要解決(基于現(xiàn)代控制理論的控制策略和基于智能控制策略問題)硬軟件開發(fā)問題。</p><p><b>　　主要研究內(nèi)容</b></p><p>　　本文結(jié)合國內(nèi)外最新研究成果，比較幾種常用的電機(jī)軟起動(dòng)方法。討論了基于可變電抗技術(shù)的軟起動(dòng)器的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)構(gòu)建。詳細(xì)描述

48、了電機(jī)軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、電路設(shè)計(jì)，并應(yīng)用單神經(jīng)元PID控制算法進(jìn)行了控制算法設(shè)計(jì)，最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和調(diào)試，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。</p><p>　　論文研究的主要內(nèi)容：</p><p>　　(1)可變電抗式軟起動(dòng)控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；</p><p>　　(2)軟起動(dòng)控制器硬件設(shè)計(jì)；</p><p>　　(3)軟起動(dòng)軟件和控制算法設(shè)

49、計(jì)；</p><p>　　(4)軟起動(dòng)控制的仿真和試驗(yàn)。</p><p>　　1 軟起動(dòng)器方案設(shè)計(jì)</p><p><b>　　1.1 軟起動(dòng)原理</b></p><p>　　電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，降低加到電動(dòng)機(jī)定子繞組的電壓，可以減小電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流。一般降壓起動(dòng)是電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中，加在電動(dòng)機(jī)定子繞組的電壓的變化是瞬間突變的

50、，主要有降壓起動(dòng)和自耦變壓器降壓起動(dòng)等。而軟起動(dòng)是使用調(diào)壓裝置在規(guī)定的起動(dòng)時(shí)間內(nèi)，自動(dòng)地將起動(dòng)電壓連續(xù)平滑地上升，達(dá)到額定電壓，也就是本文介紹的軟起動(dòng)器所要完成的功能[4]。</p><p>　　異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性可用n=f(M)來表示，其特性曲線如圖1-1所示。</p><p>　　圖1-1 異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性</p><p>　　圖1-1中n表示電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；

51、n0表示電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)速；M表示電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩；Ue表示電動(dòng)機(jī)額定電壓；Mm表示電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩；Sm表示電動(dòng)機(jī)在最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)差率。</p><p>　　從圖1-1可以看出若采用一般降壓起動(dòng)，假若起動(dòng)電壓U=0.5Ue，則電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩為0.25Mm，即起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩只有電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩的1/4，如果在此時(shí)將電壓U加大到電動(dòng)機(jī)額定電壓Ue，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩一下子就從1/4跳到Um，這樣的起動(dòng)過程是跳躍的、不平滑的，所以又

52、叫作硬起動(dòng)，對(duì)生產(chǎn)工藝要求穩(wěn)定起動(dòng)的場合就不宜采用。</p><p>　　而軟起動(dòng)從初始電壓開始電壓連續(xù)平穩(wěn)的增大，從圖中的0.5Ue的那根曲線連續(xù)平滑的不斷向右平行移動(dòng)，一直平穩(wěn)到與額定電壓Ue那根曲線重合時(shí)為止，那么電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩就會(huì)平滑地增大，一直到轉(zhuǎn)矩為最大值Mm時(shí)為止，起動(dòng)過程也就結(jié)束，這樣在起動(dòng)過程中電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩是平滑的而不是跳躍的，起動(dòng)過程是平穩(wěn)的，所以被稱為軟起動(dòng)。</p><p

53、><b>　　1.2 軟起動(dòng)方法</b></p><p>　　低壓電機(jī)軟起動(dòng)裝置現(xiàn)在已有很多應(yīng)用，它通過調(diào)節(jié)反并聯(lián)可控硅導(dǎo)通角的辦法來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的端電壓，使電動(dòng)機(jī)端電壓逐漸上升，達(dá)到軟起動(dòng)的作用，它限制了電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流(一般3倍額定電流以下)，減小了對(duì)電網(wǎng)的沖擊，提高了供電質(zhì)量，提高了電機(jī)及機(jī)械設(shè)備的壽命，減少了停工臺(tái)時(shí)，提高了生產(chǎn)效率。</p><p>　　

54、高壓電機(jī)的軟起動(dòng)裝置由于受可控硅器件耐壓的限制一直不好解決，但由于高壓電機(jī)的應(yīng)用越來越多且向大型化發(fā)展，其軟起動(dòng)問題便是必須解決的問題而擺在人們的面前，經(jīng)過不斷地努力，已有幾種軟起動(dòng)方法出現(xiàn)，下面是幾種被采用的軟起動(dòng)方法[1]。</p><p>　　1.2.1 變頻器軟起動(dòng)</p><p>　　變頻軟起停是以變頻器實(shí)現(xiàn)交流電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)和軟停止，變頻器在其中的作用不是調(diào)速，而是軟起停。它僅

55、僅在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)或停止時(shí)投運(yùn)，而在結(jié)束時(shí)退出。變頻軟起停相對(duì)于一切形式的降壓軟起停的優(yōu)點(diǎn)是在限流軟起停的過程中保持不小于電動(dòng)機(jī)額定值的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，由于可以將電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流始終限制在額定值以下，所以對(duì)電網(wǎng)和電動(dòng)機(jī)的沖擊很小，電磁轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)時(shí)間短。變頻軟起動(dòng)是交流電機(jī)最理想的起動(dòng)方式，由于變頻器采用電壓頻率按比例平滑上升的VVVF控制方式，能提供1.1~1.2倍的低頻起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，有利于電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)起動(dòng)。由于頻率、電壓按比例平滑上升，在起動(dòng)過程中不

56、存在大的轉(zhuǎn)差功率，因此可實(shí)現(xiàn)額定電流起動(dòng)，消除了起動(dòng)沖擊，避免了起動(dòng)功耗，且可控制起動(dòng)速度，是一種真正平滑的軟起動(dòng)方式。</p><p>　　電動(dòng)機(jī)的變頻軟起動(dòng)方案主要有高—低—高變頻方式和直接中壓變頻方式兩種，兩種控制方式的起動(dòng)性能相差無幾，但高—低—高變頻方式效率低，中間低壓環(huán)節(jié)電流大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性差，但其價(jià)格便宜。用變頻器來起動(dòng)電機(jī)，其起動(dòng)性能很好，但由于中壓變頻器價(jià)格昂貴，并且變頻技術(shù)還處于發(fā)展階段，

57、其可靠性還不是很好，用戶的維護(hù)技術(shù)還跟不上，所以還沒有得到廣泛的使用，一般都在進(jìn)口設(shè)備上采用。</p><p>　　用變頻器起動(dòng)電動(dòng)機(jī)，可以做到無操作過電壓，但變頻器的輸出電壓中含有大量的高次諧波，這些高次諧波會(huì)對(duì)電機(jī)造成傷害。</p><p>　　1.2.2 晶閘器串聯(lián)軟起動(dòng)</p><p>　　采用晶閘管串聯(lián)技術(shù)的中壓異步電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)器，這種軟起動(dòng)方式對(duì)元器件

58、參數(shù)的一致性要求比較高，元器件的篩選率比較低，而且篩選儀器的價(jià)格比較昂貴，另外使用一段時(shí)間后，元器件的參數(shù)發(fā)生變化，使元器件的均壓性能降低，一旦元器件損壞，用戶很難修復(fù)，另外價(jià)格也很高，所以現(xiàn)在應(yīng)用還很少，只有少數(shù)國外大公司生產(chǎn)這種裝置，如ROCKWELL、SIEMENS、ABB等大公司，如美國的BS公司采用晶閘管串聯(lián)技術(shù)生產(chǎn)的中壓6~13.8kV的軟起動(dòng)器，最大功率可達(dá)l0mw。</p><p>　　1.2.3

59、 水電阻和液態(tài)電阻軟起動(dòng) </p><p>　　水電阻和液變電阻軟起動(dòng)器電路，起動(dòng)時(shí)將水電阻或液變電阻接入，電機(jī)起動(dòng)，起動(dòng)完備開關(guān)閉合，水電阻或液變電阻被切除。</p><p>　　水電阻是靠極板移動(dòng)和大電流使水氣化(極板表面)形成的高電阻來控制電機(jī)的起動(dòng)電流。液阻是一種由電解液形成的電阻，它導(dǎo)電的本質(zhì)是離子導(dǎo)電，液阻是靠摻入雜質(zhì)的多少、極板的大小及大電流使極板附近的水氣化產(chǎn)生的高電阻來

60、控制起動(dòng)電流，它的阻值正比于電極板距離和電解液電阻率，極板距離可實(shí)時(shí)控制，液阻的熱容量大，成本低，二者都是串在定子電路中。</p><p>　　水電阻和液變電阻式的軟起動(dòng)裝置受環(huán)境溫度的影響比較大，因此起動(dòng)電流控制不準(zhǔn)確，另外二者在起動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的能量損耗，使水溫迅速升高，所以對(duì)連續(xù)起動(dòng)的次數(shù)是有限制的。</p><p>　　液阻軟起動(dòng)裝置可串在繞線型轉(zhuǎn)子中實(shí)現(xiàn)重載軟起動(dòng)，這也是它的獨(dú)到

61、之處。液變電阻軟起動(dòng)裝置以電流調(diào)節(jié)為變量，由于液變電阻受環(huán)境溫度的影響比較大，有時(shí)會(huì)發(fā)生汽化電阻太大，起動(dòng)電流不能達(dá)到所需的起動(dòng)電流，這時(shí)電機(jī)會(huì)長時(shí)間達(dá)不到額定轉(zhuǎn)速，造成起動(dòng)失敗。如果第二次起動(dòng)則必須等待降溫，可能需要幾個(gè)小時(shí)，這種情況對(duì)連續(xù)生產(chǎn)的工廠是不允許的。水電阻式的軟起動(dòng)裝置由于極板是移動(dòng)的，不會(huì)產(chǎn)生上述問題，但水的汽化壓力會(huì)使極板劇烈振動(dòng)，使其壽命縮短，在大功率的情況下，這個(gè)問題將變得非常嚴(yán)重。</p><

62、p>　　1.2.4 基于可變電抗的軟起動(dòng)</p><p>　　基于可變電抗器技術(shù)的軟起動(dòng)器是利用可變電抗器來隔離高壓和低壓，其基本設(shè)計(jì)思想是將可變電抗器的一次繞組直接與電機(jī)定子(或轉(zhuǎn)子)串接，在電抗器中增加二次線圈，將二次線圈與功率變換器以及控制器連接。通過控制器與電力電子功率變換單元來控制可變電抗器的二次繞組，達(dá)到改變可變電抗器一次阻抗的目的，進(jìn)而改變交流電機(jī)的輸入電壓，使交流電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)[2]。<

63、;/p><p>　　圖1-2 基于可變電抗的軟起動(dòng)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。將電抗器LB的一次線圈與高壓電機(jī)M串接，在電抗器LB中增加二次線圈，將其二次線圈與功率變換單元以及控制器連接。</p><p>　　系統(tǒng)工作過程為：首先，閉合Kl，三相交流電經(jīng)可變電抗器一次側(cè)與電機(jī)相連。運(yùn)用電磁理論、電力電子變流技術(shù)和控制算法，通過控制器與電力

64、電子功率變換單元改變電抗器LB二次線圈的電壓或電流，從而改變電抗器LB的一次電抗值(即可變電抗器)，進(jìn)而改變交流電機(jī)的輸入電壓，使高壓電機(jī)按控制要求實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)。</p><p>　　起動(dòng)完成后，K2閉合，K1斷開，電機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)，軟起動(dòng)設(shè)備部分處于非工作狀態(tài)。</p><p>　　可變電抗器是可控晶閘管和電抗器的結(jié)合，是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)控制觸發(fā)三組獨(dú)立的反并聯(lián)晶閘管組件的延時(shí)導(dǎo)通電角

65、度，使晶閘管在開通與關(guān)斷間變化，因晶閘管與電抗器低壓控制繞組組成了閉合回路，所以低壓側(cè)繞組處于開路與短路狀態(tài)間變化。電抗器的兩個(gè)繞組是通過磁路發(fā)生耦合的，高壓繞組串在電動(dòng)機(jī)繞組中，軟起動(dòng)裝置在起動(dòng)前，高壓繞組上就施加了交流電壓，并有交流電流流動(dòng)，從而形成磁動(dòng)勢(shì)，因此鐵心中出現(xiàn)交變磁通，這種交變磁通通過兩個(gè)繞組，使其分別感應(yīng)出一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)晶閘管處于關(guān)斷狀態(tài)，可變電抗器為空載，高壓繞組自身只有很微弱的勵(lì)磁電流流過，這種勵(lì)磁電流是漏電抗產(chǎn)生

66、的，由于高壓交流工作繞組的交流阻抗遠(yuǎn)大于電動(dòng)機(jī)繞組的交流阻抗，此時(shí)高壓電源電壓大部分施加在電磁調(diào)壓器的高壓交流工作繞組側(cè)，電動(dòng)機(jī)的端電壓很小，當(dāng)晶閘管從關(guān)斷到開通中變化時(shí)，中低壓控制繞組便有二次電流流過，而此電流則產(chǎn)生一個(gè)消磁磁動(dòng)勢(shì)，從而破壞了施加給高壓側(cè)的電壓和反電動(dòng)勢(shì)間的平衡，為了恢復(fù)平衡，就必須從電源吸取更大的電流來提供一個(gè)完全相等的磁動(dòng)勢(shì)，當(dāng)高壓側(cè)增加的電流使高壓側(cè)與低壓側(cè)達(dá)到安匝平衡時(shí)，電動(dòng)勢(shì)達(dá)到平衡，既I1/N2=I2/N1

67、由此式便可看</p><p>　　1.3 軟起動(dòng)方法選擇</p><p>　　本文擬采用可變電抗器軟起動(dòng)方案，調(diào)查研究表明，該技術(shù)處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。</p><p>　　可變電抗器軟起動(dòng)裝置可使高低壓電機(jī)軟起動(dòng)裝置成為一種可靠性非常高的設(shè)備，原則上講最大容量可以做到50000kw，該裝置的起動(dòng)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)起動(dòng)方法，在此不作性能比較。以下主要從高壓電機(jī)的軟起動(dòng)方法

68、進(jìn)行比較，其綜合性能如表1-1所示[2]。</p><p>　　表1-1 各種軟起動(dòng)方式比較</p><p>　　①可變電抗式軟起動(dòng)器與變頻器軟起動(dòng)裝置比較：</p><p>　　變頻裝置主要是用在交流電機(jī)的調(diào)速上，具有明顯的節(jié)能效果。若把變頻裝置用來做軟起動(dòng)，則在整個(gè)起動(dòng)過程中電機(jī)不會(huì)有過流現(xiàn)象，具有很好的起動(dòng)性能。但它也存在一些不足，諸如價(jià)格昂貴，高次諧波大等。

69、</p><p>　　與變頻裝置相比，本裝置的不足之處僅僅是在起動(dòng)過程中有過流現(xiàn)象，但時(shí)間并不長，僅10~20s；過電流倍數(shù)也不大，空載起動(dòng)不超過額定電流的2倍，負(fù)載起動(dòng)(風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)荷)不超過額定電流的3倍。</p><p>　?、诳勺冸娍故杰浧饎?dòng)器與晶閘管串聯(lián)軟起動(dòng)器比較：</p><p>　　二者都是相位控制調(diào)壓軟起動(dòng)裝置，主要性能有許多相近之處。二者比較尚有

70、如下差別：在可靠性方面，晶閘管串聯(lián)式軟起動(dòng)裝置由于采用晶閘管串聯(lián)，對(duì)元器件特性參數(shù)的一致性要求很高，易出現(xiàn)整串元器件的損壞的現(xiàn)象，且難修復(fù)。而可變電抗器式的軟起動(dòng)裝置由于采用了可變電抗器技術(shù)，元器件不用串聯(lián)(一般僅用單只反并聯(lián)即可)，因此可靠性大大提高。在高次諧波方面，二者都是相控，產(chǎn)生諧波的情況是一樣的。但可變電抗器具有很大的電感量。諧波電壓大部分加在可變電抗器上面，而加到電網(wǎng)和電機(jī)上的諧波電壓則較小。所以可變電抗器式軟起動(dòng)要比晶閘管

71、串聯(lián)式軟起動(dòng)直接對(duì)電機(jī)的高次諧波傷害要小得多。</p><p>　?、劭勺冸娍故杰浧饎?dòng)器與液態(tài)軟起動(dòng)器比較：</p><p>　　a 控制的靈活性與控制精度方面</p><p>　　裝置為純電氣裝置，控制參數(shù)及曲線的調(diào)整范圍大、靈活性強(qiáng)。液態(tài)軟起動(dòng)裝置用控制電機(jī)帶動(dòng)水電阻的極板運(yùn)動(dòng)，電阻只能單方向變化，靈活性較差。裝置的控制精度非常高，且不受環(huán)境條件的影響，每次起動(dòng)

72、都能按設(shè)定的方式工作，而液態(tài)軟起動(dòng)裝置的水電阻受環(huán)境條件的影響很大，起動(dòng)電流控制不準(zhǔn)確，這很容易產(chǎn)生意想不到的后果。</p><p><b>　　b 能量損耗方面</b></p><p>　　裝置采用可變電抗器分壓，只有很小的銅損和鐵損。而液態(tài)軟起動(dòng)裝置采用水電阻分壓，起動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的焦耳熱，為有損耗起動(dòng)。</p><p>　　c 起動(dòng)瞬間的

73、電流尖峰問題</p><p>　　液態(tài)軟起動(dòng)裝置的起動(dòng)電流是靠汽化電阻來限制的，在水汽化之前的很短時(shí)間內(nèi)，水電阻很小，這時(shí)的電流會(huì)遠(yuǎn)大于設(shè)定值。在電網(wǎng)容量不是很大的情況下，此大電流會(huì)使電網(wǎng)電壓急劇下降，還很有可能導(dǎo)致起動(dòng)失敗。</p><p>　　d 起動(dòng)電流調(diào)節(jié)范圍方面</p><p>　　液態(tài)軟起動(dòng)裝置，對(duì)于大容量電機(jī)其起動(dòng)電流不可能較小，否則將使水箱體積更大、

74、尖峰電流沖擊更大，增加了控制的難度。而可變電抗器軟起動(dòng)裝置不存在這樣的問題，電機(jī)再大也不影響起動(dòng)電流的調(diào)節(jié)范圍。</p><p><b>　　e 過電流時(shí)間問題</b></p><p>　　裝置在起動(dòng)時(shí)，開始電機(jī)電流很小，隨著電機(jī)的加速度增加電流，達(dá)到設(shè)定電流的時(shí)間很短，對(duì)電機(jī)的傷害小。而液態(tài)軟起動(dòng)裝置在起動(dòng)過程中使電機(jī)始終保持較大的設(shè)定電流，直至起動(dòng)結(jié)束，過電流時(shí)間

75、長，對(duì)電機(jī)的傷害大。</p><p>　　f 關(guān)于起動(dòng)失敗與連續(xù)起動(dòng)問題</p><p>　　裝置損耗很小，可連續(xù)起動(dòng)。液態(tài)軟起動(dòng)裝置有起動(dòng)失敗的情況，且不能連續(xù)起動(dòng)。由于熱變電阻受外界溫度變化的影響較大，有時(shí)會(huì)發(fā)生汽化電阻太大，起動(dòng)電流不能跨過門坎值，造成起動(dòng)失敗，要再次起動(dòng)，可能要等2~3個(gè)小時(shí)降溫。另外起動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的熱量損耗，對(duì)連續(xù)起動(dòng)次數(shù)是有限制的。</p>&l

76、t;p><b>　　g 操作過電壓</b></p><p>　　裝置使電機(jī)端電壓由小緩慢上升，消除了操作過電壓。而用水電阻起動(dòng)，開關(guān)閉合時(shí)，全壓加在電機(jī)繞組的首端，產(chǎn)生操作過電壓的情況與直接全壓起動(dòng)的情況是一樣的。</p><p><b>　　h 其他方面</b></p><p>　　裝置的軟起動(dòng)開關(guān)投入時(shí)主電路電流

77、很小，運(yùn)行開關(guān)投入時(shí)兩端電壓很小，有利于延長主開關(guān)壽命。而液態(tài)軟起動(dòng)裝置的合閘電流很大，對(duì)開關(guān)壽命不利。</p><p>　　裝置無可移動(dòng)部件，檢修周期長、使用壽命也較長。液態(tài)軟起動(dòng)器裝置要周期性換水，另外其電極驅(qū)動(dòng)部份有可移動(dòng)部件要經(jīng)常檢查其工作狀況。</p><p>　　裝置的體積遠(yuǎn)比液態(tài)軟起動(dòng)裝置小，安裝方便、土建投資少、總造價(jià)低。</p><p>　　綜上所

78、述，基于可變電抗器技術(shù)的軟起動(dòng)器的起動(dòng)方法與變頻器軟起動(dòng)方法、晶閘管串聯(lián)交流調(diào)壓軟起動(dòng)方法以及液態(tài)軟起動(dòng)方法相比，具有明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)與價(jià)格優(yōu)勢(shì)。所以，綜合來講，可變電抗器高低壓電機(jī)軟起動(dòng)裝置應(yīng)該是高低壓電機(jī)軟起動(dòng)裝置中很有前途的產(chǎn)品。</p><p>　　1.4 軟起動(dòng)控制方式</p><p>　　所謂“軟起動(dòng)”就是按照預(yù)先設(shè)定的控制模式進(jìn)行的降壓起動(dòng)過程，降壓起動(dòng)的目的是減少起動(dòng)電流。目前

79、的軟起動(dòng)有以下的幾種起動(dòng)方式。</p><p>　　1.4.1 電壓斜坡式軟起動(dòng)</p><p>　　電壓斜坡軟起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電壓由小到大緩慢上升，所以起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也緩慢上升。在此起動(dòng)過程中，一般設(shè)置一個(gè)整定電壓值U1，當(dāng)電機(jī)一起動(dòng)時(shí)就把電壓加至U1的大小，這樣做的目的是讓電機(jī)在起動(dòng)時(shí)就具有一定的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，避免了電機(jī)起動(dòng)時(shí)的沖擊轉(zhuǎn)矩。隨后電機(jī)兩端電壓根據(jù)起動(dòng)的時(shí)間設(shè)定逐漸上升，直至達(dá)到電網(wǎng)額定電

80、壓為止。這種起動(dòng)方式的起動(dòng)沖擊電流主要在電壓由0跳到U1時(shí)產(chǎn)生。在起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求不是很高的場合，可以減小起動(dòng)電壓整定值U1的大小，從而減小起動(dòng)沖擊電流。這種起動(dòng)方法雖然只是通過控制電壓來完成軟起動(dòng)，但是起動(dòng)的沖擊電流不大[5]。</p><p>　　根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)：異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩過載能力為Mmax /MN > 1.8，那么當(dāng)電機(jī)在拖動(dòng)額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載時(shí)，在不致停轉(zhuǎn)的前提下，假設(shè)電壓為額定電壓的百分比是X，則：<

81、;/p><p><b>　　(1-1)</b></p><p>　　當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，且U < 74.5 %UN時(shí)，如果電機(jī)仍未能起動(dòng)，此時(shí)，流過電機(jī)的電流會(huì)非常大，因此這種起動(dòng)方式不適合恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的起動(dòng)。</p><p>　　1.4.2 脈沖突跳式軟起動(dòng)</p><p>　　在起動(dòng)的瞬間加以突跳，使電壓迅速上升，

82、然后即刻回落，讓晶閘管在極短的時(shí)間內(nèi)大角度導(dǎo)通用以克服拖動(dòng)系統(tǒng)的最大靜摩擦力，然后回落，再按原設(shè)定得知線性上升，進(jìn)入電壓斜坡起動(dòng)過程。與轉(zhuǎn)矩控制起動(dòng)一樣也是適用于重載起動(dòng)的場合，所不同的是在起動(dòng)的瞬間用突跳轉(zhuǎn)矩，克服拖動(dòng)系統(tǒng)的靜轉(zhuǎn)矩，然后轉(zhuǎn)矩平滑上升，可縮短起動(dòng)時(shí)間。但是，突跳會(huì)給電網(wǎng)發(fā)送尖脈沖，干擾其它負(fù)荷，使用時(shí)應(yīng)特別注意[6][7]。</p><p>　　1.4.3 恒流式軟起動(dòng)</p>&l

83、t;p>　　恒流軟起動(dòng)顧名思義就是異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程中限制其起動(dòng)電流不超過某一設(shè)定值Im的軟起動(dòng)方式。</p><p>　　通常感應(yīng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)差率SN很小，SN為0.01~0.05，因此若要獲得較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，必須有較大的起動(dòng)電流。恒流起動(dòng)時(shí)，若電流較大，則此時(shí)電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst也大，因此電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的時(shí)間就越短，起動(dòng)也就越迅速。恒流起動(dòng)方式保證了一定的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，同時(shí)防止了電流的沖擊[1]。<

84、;/p><p>　　2 軟起動(dòng)器硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 主電路原理設(shè)計(jì)</p><p>　　可變電抗式軟起動(dòng)方法利用可變電抗器來隔離高壓和低壓，其研究思路是將電抗器的一次線圈與電機(jī)相串接，在電抗器中增加二次線圈，將二次線圈與功率變換及控制器連接。通過控制器與功率變換器改變電抗器二次線圈的電壓或電流，從而改變電抗器一次電抗值，進(jìn)而改變交流電機(jī)的輸入電壓，使交

85、流電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)。</p><p>　　本設(shè)計(jì)中電壓為380V。電機(jī)軟起動(dòng)系統(tǒng)主電路由電機(jī)、功率變換器和電抗器組成，如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1 主電路框圖</p><p>　　2.1.1 功率變換器原理設(shè)計(jì)</p><p>　　功率變換器主要由三組獨(dú)立的反并聯(lián)晶閘管組件構(gòu)成，如圖2-2所示。晶閘管在開通與關(guān)斷間變化，因晶閘

86、管與電抗器低壓控制繞組組成了閉合回路，所以低壓側(cè)繞組處于開路與短路狀態(tài)間變化。當(dāng)晶閘管處于關(guān)斷狀態(tài)，可變電抗器為空載，高壓繞組自身只有很微弱的勵(lì)磁電流流過，當(dāng)晶閘管從關(guān)斷到開通中變化時(shí)，低壓控制繞組便有二次電流流過。 </p><p>　　圖2-2 功率變換器</p><p>　　2.1.2 可變電抗變換器原理設(shè)計(jì)</p><p>　　如圖2-3所示為交流可變電抗器

87、原理圖，其特點(diǎn)是在傳統(tǒng)電抗器的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)變換，將傳統(tǒng)電抗器設(shè)計(jì)成可變電抗變換器和電力電子功率變換器兩部分，并構(gòu)成可變電抗器。可變電抗器分設(shè)原邊和副邊，原邊主線圈與負(fù)載串(或并)接，構(gòu)成交流串(并)聯(lián)電路，副邊控制線圈與電力電子功率變換器相連。</p><p>　　可變電抗器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2-4所示。圖2-4 a)是傳統(tǒng)電抗器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這是電抗器的最基本的形式；圖2-4 b)為可變電抗變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它由

88、主線圈和控制線圈構(gòu)成；圖2-4 c)是基于單相功率變換器的可變電抗器，其原邊與圖2-4 b)一致，而副邊由單相功率變換器構(gòu)成；圖2-4 d)為基于三相功率變換器的可變電抗器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其副邊由三相功率變換器構(gòu)成。由圖2-4可知，當(dāng)主線圈中有電流通過時(shí)，就會(huì)在鐵心中產(chǎn)生主磁通，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，此磁通在控制線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。</p><p>　　通過控制功率變換器的導(dǎo)通條件就可以改變控制線圈的電流大小，控制線圈上

89、的電流產(chǎn)生相對(duì)主磁通的反向磁通并改變電抗器鐵芯磁阻，從而改變電抗器的電感值。當(dāng)控制線圈上的功率變換器完全導(dǎo)通時(shí)，控制線圈上的電流即達(dá)到最大值，這時(shí)主線圈上的電流同時(shí)達(dá)到最大，使電抗器的一次電抗減?。划?dāng)功率變換器關(guān)斷時(shí)，控制線圈上無電流，主線圈上的電流也降到最小，此時(shí)電抗器的一次電抗增大,因此，在一個(gè)電源周期內(nèi)可以通過調(diào)節(jié)功率變換器的導(dǎo)通角來改變電抗器的電抗值，對(duì)于三相電路來說，若將可變電抗器接入電路,則可以平滑地調(diào)節(jié)電抗值。</p

90、><p>　　2.2 控制電路原理設(shè)計(jì)</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)需求，采用Atmel的AT89S52作為軟起動(dòng)的微處理器。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8k在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。AT89S52還具有256字節(jié)RAM，32位 I/O口線，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，

91、一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止[9]。電路中還包括進(jìn)行A/D和D/A轉(zhuǎn)換的模擬量輸入通道和模擬量輸出通道，以配合微處理器完成數(shù)據(jù)采集和給定信號(hào)輸出?？梢岳?279來

92、實(shí)現(xiàn)顯示和鍵盤的功能。另外還有一個(gè)控制電路專用的電源，保證控制電路的可靠性?？刂齐娐返目驁D如圖2-5所示。</p><p>　　圖2-5 控制電路框圖</p><p>　　2.2.1 鍵盤和顯示電路設(shè)計(jì)</p><p>　　8279是一種功能較強(qiáng)的鍵盤/顯示接口電路，可直接與Intel公司的各個(gè)系列的單片機(jī)接口，可以外接多種規(guī)格的鍵盤和顯示器。圖2-6是AT89S5

93、2與8279的一般接口框圖。圖中，8279外接4×4鍵盤，16位顯示器，由SL0~SL1譯出鍵掃描線，由4-16譯碼器對(duì)SL0~SL3譯出顯示器的位掃描線。</p><p>　　圖2-6 鍵盤和顯示電路</p><p>　　2.2.2 信號(hào)檢測電路設(shè)計(jì)</p><p>　　2.2.2.1 電流檢測電路</p><p>　　本文研究的

94、電壓軟起系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓380V，電機(jī)工作電流較大。這些電壓與電流是起動(dòng)過程的重要參數(shù)，必須將其轉(zhuǎn)換成A/D轉(zhuǎn)換器所能接受的量程范圍內(nèi)，才能將相應(yīng)數(shù)字量送到微處理器，進(jìn)行運(yùn)算和處理。所以設(shè)計(jì)了信號(hào)檢測模塊。</p><p>　　圖2-7 電流檢測電路</p><p>　　三相電流檢測電路如圖2-7所示。軟起動(dòng)電流信號(hào)取自軟起動(dòng)器起動(dòng)回路中，采用三個(gè)相同型號(hào)的電流互感器TA1、TA2、TA3

95、，得到三相電流信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過三相全波整流、濾波和分壓后得到一個(gè)直流信號(hào)，經(jīng)過一個(gè)電壓跟隨器，由AI端接入A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809模擬量輸入端。因?yàn)锳DC0809量程最大為5V，所以在輸出端添加了限幅環(huán)節(jié)，以保證A/D轉(zhuǎn)換器的安全。</p><p>　　2.2.2.2 電壓檢測電路</p><p>　　三相電壓信號(hào)也要變換成A/D轉(zhuǎn)換器允許的量程范圍。電壓的測量采用電壓互感器，它是一次電

96、氣系統(tǒng)與二次電氣系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)互相聯(lián)絡(luò)的重要一次設(shè)備，其主要作用為：供給測量儀表、繼電器等，正確地反映電氣系統(tǒng)的各種運(yùn)行情況；使測量儀表、繼電器等二次系統(tǒng)與一次系統(tǒng)的高電壓隔離，保證工作人員和二次設(shè)備安全；將一次電氣系統(tǒng)的高電壓變換為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的低電壓值(100伏，100/1.732伏，100/3伏)，以利于儀表和繼電器的標(biāo)準(zhǔn)化。其接線方式有：單臺(tái)接線，三臺(tái)單相三繞組的接線，兩臺(tái)單相按V/V接線，還有三相五柱三繞組接線。</p>

97、<p>　　在這里，電壓互感器PT采用三相五柱三繞組接線方式，380V三相電壓經(jīng)該P(yáng)T后輸出五個(gè)端子，如圖2-8所示，A000、B000、C000為三相端子，N000為中性點(diǎn)，L000為和端子，當(dāng)高壓電網(wǎng)絕緣正常時(shí)，由于電網(wǎng)中的三相電壓是對(duì)稱的，其相量和為零，所以和端上的電壓為零。當(dāng)高壓電網(wǎng)發(fā)生接地故障時(shí)，在和端上出現(xiàn)零序電壓，從而起動(dòng)接地堡裝置或接地故障信號(hào)回路。圖中，A000與N000之間，B000與N000之間，C0

98、00與N000之間均為100V。</p><p>　　圖2-9 電壓檢測電路</p><p>　　在軟起動(dòng)中，只需將100V電壓信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步轉(zhuǎn)換即可。三相電壓檢測電路與三相電流檢測電路類似，如圖2-9所示(只畫出A相電路圖，B、C相類似)，電壓傳感器所得信號(hào)經(jīng)降壓整流濾波后，分壓得直流信號(hào)，通過調(diào)理后轉(zhuǎn)化為A/D轉(zhuǎn)換器量程范圍內(nèi)直流電壓。</p><p>　　2.

99、2.3 A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)</p><p>　　2.2.3.1 A/D轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　單片機(jī)只能識(shí)別和處理數(shù)字量，因此信號(hào)檢測模塊輸出的模擬信號(hào)必須經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量，才能完成軟起動(dòng)信號(hào)的采集，所以設(shè)計(jì)中采用A/D轉(zhuǎn)換電路完成這一信號(hào)轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換器是A/D轉(zhuǎn)換電路的核心，本設(shè)計(jì)中采用的是8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809，它帶8個(gè)模擬量輸入通道，芯片內(nèi)

100、帶通道地址譯碼鎖存器，輸出帶三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器，啟動(dòng)信號(hào)為脈沖啟動(dòng)方式，第一通道轉(zhuǎn)換大約100μs。</p><p>　　ADC的0809的啟動(dòng)信號(hào)ST由片選線P3.0與寫信號(hào)的“或非”產(chǎn)生。這要求一條向ADC0809寫操作指令來啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。ALT與ST相連，即按打入的通道地址按通模擬量并啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。輸出允許信號(hào)OE由讀信號(hào)與片選P3.0“或非”產(chǎn)生，即一條ADC0809的讀操作使數(shù)據(jù)輸出。</p><

101、;p>　　A、B、C分別接地址鎖存器提供的低三位地址，只要把三位地址寫入0809中的地址鎖存器，就實(shí)現(xiàn)了模擬通道選擇。對(duì)系統(tǒng)來說，地址鎖存器是一個(gè)輸出口，為了把三位地址寫入，還要提供口地址。圖2-10中使用的是線選法，口地址由P3.0確定，同時(shí)和相或取反后作為開始轉(zhuǎn)換的選通信號(hào)。</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換后得到的是數(shù)字量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)應(yīng)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)傳送的關(guān)鍵問題是如何確認(rèn)A/D轉(zhuǎn)換完成

102、，因?yàn)橹挥写_認(rèn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后，才能進(jìn)行傳送。為此，可采用下述三種方式。</p><p><b>　　1)定時(shí)傳送方式</b></p><p>　　對(duì)于一種A/D轉(zhuǎn)換器來說，轉(zhuǎn)換時(shí)間作為一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是已知的和固定的。例如，ADC0809轉(zhuǎn)換時(shí)間為128μs，相當(dāng)于6 MHz的MCS-51單片機(jī)的 64個(gè)機(jī)器周期。可據(jù)此設(shè)計(jì)一個(gè)延時(shí)子程序，A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)后即調(diào)用這個(gè)延時(shí)子

103、程序，延遲時(shí)間一到，轉(zhuǎn)換肯定已經(jīng)完成了，接著就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。</p><p><b>　　2)查詢方式</b></p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換芯片有表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(hào)，例如ADC0809的EOC端。因此，可以用查詢方式，軟件測試EOC的狀態(tài)，即可確知轉(zhuǎn)換是否完成，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。</p><p><b>　　3)中斷方式<

104、;/b></p><p>　　把表明轉(zhuǎn)換完成的狀態(tài)信號(hào)(EOC)作為中斷請(qǐng)求信號(hào)，以中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。</p><p>　　在圖2-10中，EOC信號(hào)經(jīng)過反相器后送到單片機(jī)的UMDJ，因此可以采用查詢?cè)撘_或中斷的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)的傳送。</p><p>　　不管使用上述哪種方式，一旦確認(rèn)轉(zhuǎn)換完成，即可通過指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。 </p>&l

105、t;p>　　圖2-10 A/D轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　2.2.3.2 D/A轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　本設(shè)計(jì)中，需要由微處理器系統(tǒng)提供控制信號(hào)給功率變換單元，該信號(hào)為0～10V直流電壓信號(hào)。為了把控制信號(hào)由數(shù)字量轉(zhuǎn)換成符合觸發(fā)控制模塊需要的模擬電壓信號(hào)，設(shè)計(jì)了D/A轉(zhuǎn)換電路，采用典型D/A轉(zhuǎn)換器芯片DAC0832，DAC0832是一個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器。單電源供電，從+5 V

106、~+15 V均可正常工作?；鶞?zhǔn)電壓的范圍為±10 V，電流建立時(shí)間為1μs，CMOS工藝，低功耗20 mw。</p><p>　　DAC0832由8位輸入寄存器、8位DAC寄存器和8位D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。DAC0809中有兩級(jí)鎖存器，第一級(jí)即輸入寄在器，第二級(jí)即DAC寄存器。因?yàn)橛袃杉?jí)鎖存器，故DAC0832可以工作在雙緩沖方式下，在輸出模擬信號(hào)的同時(shí)可以采集下一個(gè)數(shù)字量。這樣能夠有效地提高轉(zhuǎn)換速度。另外

107、，有了兩級(jí)鎖存器，可以在多個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器同時(shí)工作時(shí)，利用第二級(jí)鎖存信號(hào)實(shí)現(xiàn)多路D/A的同時(shí)輸出。單緩沖方式就是使DAC 0832的兩個(gè)輸入寄存器中有一個(gè)處于直通方式，而另一個(gè)處于受控的鎖存方式，或者說兩個(gè)輸入寄存器同時(shí)受控的方式。在實(shí)際應(yīng)用中，如果只有一路模擬量輸出，或雖有幾路模擬量但并不要求同步輸出時(shí)，就可采用單緩沖方式。雙緩沖方式，就是把DAC0832的兩個(gè)鎖存器都接成受控鎖存方式。為了實(shí)現(xiàn)寄存器的可控，應(yīng)當(dāng)給寄存器分配一個(gè)地址，以

108、便能按地址進(jìn)行操作?？刹捎玫刂纷g碼輸出分別接和來實(shí)現(xiàn)，然后再給和提供寫選通信號(hào)，這樣就完成了兩個(gè)鎖存器都可控的雙緩沖接口方式。 雙緩沖方式用于多路D/A轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)多路模擬信號(hào)同步輸出的目的。本系統(tǒng)只有一路模擬量輸出，采用單緩沖方式，如圖2-11所示。</p><p>　　圖2-11 D/A轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　2.2.4 開關(guān)量輸入/輸出電路設(shè)計(jì)</p><

109、;p>　　2.2.4.1 開關(guān)量輸入電路</p><p>　　開關(guān)量輸入電路主要用于接受各設(shè)備狀態(tài)信號(hào)和工作人員的操作命令，包括：電機(jī)起動(dòng)、警報(bào)接觸、急停、故障報(bào)警、開關(guān)和斷路器的反饋信號(hào)等。開關(guān)量輸入電路原理圖如圖2-12所示。</p><p>　　開關(guān)量輸入電源由+24V直流電源提供。輸入的開關(guān)量IN1通過光耦TLP521隔離后由DI端輸送到微處理器，微處理器根據(jù)輸入開關(guān)量進(jìn)行相