三相异步电动机软启动器讲课稿

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辽宁工业大学
电力电子技术课程设计（论文）
题目：三相异步电动机软启动器
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指导教师：（签字）
起止时间：2011-12-26至2012-1-6
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：电气工程学院教研室：电气教研室
注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算
摘要
本文设计了交流异步电动机软启动器。

软启动器包括主电路和控制电路两部分。

控制电路利用晶闸管的导通角计算电机的功率因数；电机启动方式采用电压斜坡软启动；晶闸管脉冲触发脉冲，通过对电机启动过程中的晶闸管触发脉冲的控制，实现了电机的平滑起动，减少了电机对电网的冲击，起到了节能作用。

关键词：软启动器；异步电动机；晶闸管
目录
第1章绪论 (1)
1.1电力电子技术概况 (1)
1.2本文设计内容 (1)
第2章三相异步电动机软启动器电路设计 (2)
2.1三相异步电动机软启动器总体设计方案 (2)
2.2具体电路设计 (3)
2.2.1 主电路设计 (3)
2.2.2 控制设计 (4)
2.2.3 保护电路设计 (6)
2.3元器件型号选择 (7)
2.4系统调试或仿真、数据分析 (8)
第3章课程设计总结 (11)
参考文献 (12)
第1章绪论
1.1电力电子技术概况
电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术。

电力电子技术的发展史是以电力电子器件的发展史为纲的。

一般认为，电力电子技术的诞生是以1957年美国通用电气公司研制出第一个晶闸管为标志的。

1904年出现了电子管，他能在真空中对电子流进行控制，并应用于通信和无线电，从而开启了电子技术用于电力领域的先河。

1947年，美国著名的贝尔实验室发明了晶体管引发了电子技术的一场革命最先用于电力领域的半导体器件是硅二极管，晶闸管出现后，由于其优越的电气性能和控制性能使之很快就取代了水银整流器和旋转变流机组，并其应用范围迅速扩大。

晶闸管是通过对门极的控制能够使其导通而不能使其关断的器件，属于半控型器件。

20世纪70年代后期，以门极可关断晶闸管（GTO）,电力双极型晶体管（BJT）和电力场效应管（Power-MOSFET）为代表的全控型器件迅速发展。

20世纪80年代后期，以绝缘栅极双极晶体管（IGBC）为代表的复合型器件异军突起。

目前，电力电子集成技术的发展十分迅速。

随着全控型电力电子器件的不断进步，电力电子电路的工作频率也不断提高。

1.2本文设计内容
设计一个三相异步电动机软启动器控制系统，本文介绍了以下内容：
（1）三相交流调压电路采用晶闸管调压，晶闸管触发脉冲；
（2）软启动器的启动方式采用斜坡软启动；
（3）能够对电机启动过程中的过压、过流等提供多种保护；
（4）设计了晶闸管驱动电路，保证晶闸管可靠导通。

第2章三相异步电动机软启动器电路设计
2.1三相异步电动机软启动器总体设计方案
众所周知，三相异步电动机以其低成本、高可靠性和易维护等特点，被广泛应用在各个行业。

特别是机床设备中，它作为一种主要的动力设备，常常用来拖动主轴、工作台、冷却泵、油泵等装置。

但是它在直接启动时，由于启动电流高达额定电流的5～7倍，所以会对电网及负载造成很大的冲击，影响了周边电器的工作，增加了机械传动部件的磨损，降低了设备的寿命。

所以就需要软启动器来启动，使用软启动器可以避免以上情况的发生，增加设备的使用寿命。

三相异步电动机软启动控制系统在硬件方面分为两个部分，即主电路和控制电路。

主电路包括三相电源，三相反联的晶闸管，三相异步电动机。

控制部分一般由电流检测，晶闸管触发电路，保护电路等电路组成。

图2.1总体设计方案结构图
2.2具体电路设计
2.2.1主电路设计
主电路部分结构比较简单，主要采用晶闸管调压原理完成软启动器的各项功能。

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图2.2主电路图
图2.3主电路图过压保护
软启动器的工作原理；软启动器是一种用来控制三相交流电动机的专用产品，它实现了交流电动机的软启动，软停车，轻载节能和多种保护，其功能完善，性能优越，能够满足工业电机控制的需要，是传统Y|△启动和自耦变压器启动控制方式的理想换代产品。

软启动器采用三相反并联晶闸管（SCR）作为调压器，将其接入电源和电机定子之间，这种电路如三相全控整流电路。

软启动器起动电机时晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机的转速逐渐加速，直到晶闸管全部导通，电动机工作在额定
电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免了启动时过流跳闸，待电动机达到额定转速时，启动过程结束。

软启动器自动用旁路接触取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的寿命及提高工作效率。

软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转速逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。

软启动器的启动方式：
（1）斜坡升压软启动输出电压由小到大斜坡线性上升，将传统的有级降压起动变为无极降压起动主要用于重在起动。

（2）斜坡恒流软启动这种启动方式是电动机启动的前阶段电流逐渐增加，当电流达到预先所设定的值后保持恒定直到启动完毕。

（3）转矩控制启动这种启动方式主要用于重载启动，是按电动机的起动转矩线性上升的规律来控制输出电压。

（4）转矩加突跳控制启动方式这种启动与转矩控制启动相同，也使用在重载启动的场合，比如皮带传输机，挤压机，搅拌机等，由于其静阻力矩较大，必须施加一个短时的大启动力矩，克服大的静磨檫力，然后转矩平滑上升，缩短启动时间。

图2.4软启动器的启动方式原理图
2.2.2控制设计
软启动器电机线电压检测电路的设计，三相异步电动机的定子侧的相电压，相（线）电流是分析异步电动机的两个重要参数。

如图所示
图2.5控制电路图
软启动器晶闸管触发驱动电路设计，晶闸管驱动电路的功能是将控制器送来的控制信号转化成为满足晶闸管所需要的触发信号，如图所示
晶闸管对门极触发电路产生的脉冲应能满足一些基本要求：
触发信号可以是交流，直流或脉冲，但触发信号只能在它使控制极为正、阴极为负时起作用。

由于晶闸管导通后控制极就失去控制作用，为了减少控制极损耗，故一般触发信号常采用脉冲形式。

使用脉冲信号，不仅便于控制脉冲出现时刻，降低晶闸管门极功耗；还可以通过变压器的双绕组或多绕组输出，实现信号间的绝缘隔离和同步传输。

触发脉冲必须有足够的电压和电流。

晶闸管属于电流控制器件，为保证足够的触发电流，考虑裕量，一般可取两倍左右门极触发电流。

触发脉冲宽度应要求触发脉冲消失前阳极电流已大于电流，以保证晶闸管的导通。

对于单相电阻负载，由于一般晶闸管开通时间为6μs,应要求脉宽大于10μs，最好有20~50μs，电感性负载脉宽不应小于100μs，与负载功率因数。

触发脉冲与回路电源电压必须同步并有一定的移相范围。

为了使晶闸管在每一周波都能重复在相同的相位上触发，触发脉冲与主回路电源电压必须保持某种固定相位关系。

同时，触发延迟角应能根据控制信号的要求改变，即控制角α应有一定的移相范围。

图2.6晶闸管驱动电路
软启动器晶闸管导通角检测电路设计，电机的功率因数是根据线电压和线电流进行计算的，另一种方法就是利用硬件电路测出晶闸管的导通角。

图2.7晶闸管导通角检测电路
软启动器电流检测电路设计，异步电动机起动时，若起动电流太大，则对电网冲击大；若起动电流过小，则起动时间长。

如图所示
图2.8电流检测电路
2.2.3保护电路设计
三相异步电动机普遍运行在恶劣的工业环境中，由于环境温度，负载过大，电动机老化，电网波动等因素在成电动机损坏。

本系统通过控制继电器，进而控制接触器动作来对电动机提供过压，欠压，过流，缺相，掉相等电气保护，防止电动机因为过热而烧毁。

如图所示
图2.9保护电路
图2.10过流保护电路
2.3元器件型号选择
1、交流电源：三相380V。

2、输出电流最大值I=20A。

晶闸管参数的选择主要考虑其电流容量和耐压：晶闸管电流容量的选择：
It (A V)是在环境温度为40°和规定的冷却条件下。

带电阻负载的单相工频正弦半波电路中，管子全导通（导通角θ不小于170°）而稳定结温不超过额定值时所允许的最大平均电流。

按照标准，取其整数作为该器件的额定电流值。

同时考虑到波形系统Kf 和留有一定的裕量，则晶闸管的通态平均电流It (A V)为： I T =(1.25~2)*K*I N
Idvt=I/2=20/2=10
(2)晶闸管的耐压选择
精确设计晶闸管的耐压值比较困难，这是因为它不仅和回路的接法有关，同时还与电动机的容量、激磁电流等数值有关，为了安全起见，额定电压必须使用时的正常工作电压峰值有2~3倍的裕量，在考虑有过电压吸收回路的情况下，所选的晶闸管额定电压为
U N =(2~3)*2*220=622.3~933.6V
因为晶闸管的输出最大电流为20A 晶闸管的额定电压＜1000，所以应选晶闸管的型号为：KP20/1000
快速熔断器的选取：
快熔的额定电流I FU 应按它所保护的元件实际流过的平均电流(I dVT )来选择，而不是根据元件型号上标出的额定电流I T(AV)来选择，一般I FU =(1.2～1.5) I dVT ,
由 I dVT = =4.55A 得I FU =5.46～6.825A 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（汇
流排式）系列、RS3系列、RSF 系列等。

通过上述计算，我们选择熔断器型号为RS-308，管号Y4，额定电压为250V ，额定电流10A 的圆管型螺栓连接快速熔断器。

2.4 系统调试或仿真、数据分析
MATLAB 是集数值计算、符号运算及图形处理等强大功能于一身的科学计算工具，作为强大的计算平台，它几乎可以满足所有的计算要求。

另外，MATLAB 还针对许多功能强大的模块集或工具箱，如电力系统仿真工具箱（Sim powerSystem ）等。

一般来说，用户可以直接使用工具箱学习、应用和评估不同的模型而不需要自己编写代码。

当今社会高性能能、低成本以及生产和更新换代周期已经成为现代企业对产品设计的最基本要求，模块化、模型化以及动态仿真是产品设计者对设计工具的最基本要求，而MATLAB 中的Simulink 就是可以完全满足要求的几个
20I
工具软件之一。

MATLAB中的Simulink仿真软件实际上提供了一个系统级的建模与动态仿真的图形用户环境，凭借MATLAB在科学上的强大功能，建立了从设计构思到最终要求的可视化桥梁，大大弥补了传统设计和开发的不足。

下面是单相交流调压电路的模拟仿真。

1、电阻性负载。

从仿真结果上来看，随着α角的逐渐增大，负载电阻上的电压有效值逐渐减小。

2、阻感性负载。

从仿真结果上可以明显看出电感对电路的影响，移相角α较小时，由于电感的储能作用，在VT1关断后还会维持电流继续流过负载，当VT1的电流下降到0时，VT2的触发脉冲已经消失无法导通；随着移相角α的增大，负载的电压和电流变为正弦波。

图像如下图所示。

图1 串联RLC支路在0°调压角时的电压、电流波形（电阻负载）
图2 串联RLC支路在30°调压角时的电压、电流波形（电阻负载）
图3 串联RLC支路在60°调压角时的电压、电流波形（电阻负载）
第3章课程设计总结
通过本次课程设计让我对电力电子的理论知识得到了深化和理解，不但提高了自己的查找资料能力，同时也提高了独立思考、独立收集资料、独立设计的能力。

通过课程设计使我能够较全面地巩固和应用本课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握了单项交流调压、交流调功电路设计以及相关的知识。

本课程设计主要利用晶闸管触发电路、达到输出交流电压可调的目的。

通过本次课程设计，加深了我对电力电子的理论知识的理解，设计过程中，电路图是关键，电路图的设计需要潜心的琢磨，所有的这一切需要严紧的态度和科学作风。

参考文献
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[2] 郝万新主编.电力电子技术.化学工业出版社, 2002
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