机电工程毕业论文：三相异步电动机软启动设计

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1、分 类 号 江苏食品职业技术学院 毕业设计（论文）学 号 0401061125 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1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

2、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

3、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 the thyristor accent the exchange asynchronous motor soft start.And realizes software and hardware expansi

4、on 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 circuit and the soft-starters thyristor voltage modualtor form a close circuit feedback system, by which

5、 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 factor control system is realized, and the energy saving operation is achieved. Keywords：asynchronous m

6、otor；thyristor; soft start；power factor；microcontroller; energy saving operation第1章 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。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

7、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

8、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

9、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

10、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2.4节 软起动器的工作方式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

11、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

12、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2.5节 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，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

13、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

14、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

15、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3.2节 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

16、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3-2第3.3节 基于单片机功率因数的计算将矩形波信号输入89C51单片机的INT0口。INT0 为单片机的外部中断源，定时器/计数器0为单片机的内部中断源。先通过软件对中断允许寄存器IE赋值，使INT0口关中断。因为，定时器/计数器0检测89C51的INT0口，其工作方式由寄存器TMOD来控制，其工作状态由寄存器TCON

17、来控制。由于程序需要当INT0脚由低电平变为高电平时，定时器/计数器0开始计时，为了消除外部干扰，须先将INT0口关中断。定时器/计数器0选择工作方式一（16位定时器），将定时器工作方式寄存器TMOD中GATE位置位，C/T位清零；将定时器控制寄存器TCON中TR0位置位；并将中断允许寄存器IE中EX0位清零。初始化状态确定后，通过检测INT0 口状态来保证定时器与相位信号同步工作。当电压首先过零变正而电流未过零时，INT0口就会由低电平跳变为高电平，定时器0同时开始计时；当滞后的电流也过零变正时，INT0口又由高电平跳变为低电平，定时器0停止计时。然后，程序将计时值送至指定单元。为提高检测精

18、度，又不使计时器溢出，程序连续纪录4个周期矩形波的时间，算得平均值作为检测值t。由于异步电机是在工频（50Hz）下工作，单片机的晶振频率也可知，那么就可以求出电压或电流一个变化周期所对应的定时器的计时值T。由 可知，t由单片机定时器/计数器0计时获得。而cos可通过事先在单片机内输入与cos相对应的数表，从而查询取得。第3.4节 基于单片机的PID调节单片机算出cos的值后送LED数码管显示，同时与系统给定的功率因数值相比较，其差值进行闭环PID调节，从而保证系统在恒功率因数下运行。检测到的功率因数经与设定值进行比较后得到偏差量；由PID算式算出晶闸管的控制角，再换算成相应的控制电压，经D/A

19、转换器和运算放大器后送到智能电机控制模块。根据控制电压0-10V的大小，智能电机控制模块可以相应地使晶闸管导通角在0-180之间调整，通过调节电机电压，达到根据负载调整电机转速的目的。在模拟系统中，PID算法的表达式为：其中，P(t)为调节器的输出信号，e(t)为调节器的偏差信号，KP、TI、TD分别为调节器的比例系数、积分时间和微分时间。由于计算机控制是一种采样控制，只能根据采样时刻的偏差值来计算控制量，因此在机算机控制系统中，必须进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，将积分项和微分项用求和及增量式表示。鉴于电机运行控制电路以晶闸管作为执行部件，因此应当采取位置型PID

20、算法，写出第k次采样时PID的输出表达式：其中，为积分系数；，为微分系数；T为系统采样周期。第4章 硬件电路的系统够成第4.1 节 硬件的选择名称型号数量作用异步电动机Y2-132M-41应用于一般无特殊要求的机械设备、如农业机械、食品机械、风机、水泵、机床、拌搅机、空气压缩机等同步变压器1将电机端电压降为频率相同的另一电压值的交流电电流互感器1将电机线电流变换为另一小电流电压比较器LM3931实现电流电压两模拟信号间电平比较，根据输出逻辑电平高低给出判断，比较结果为数字信号8位单片机Intel 89C511通过定时器0记录矩形波的时间，计算功率因数角D/A转换器DAC08321将单片机送来的

21、数字量进行存放，并将其转换为两模拟电流输出运算放大器1将电流输出转换为电压输出I/O接口芯片81551通用并行接口，实现多种数据传送智能电机控制模块1将晶闸管与相控电路集成一体化，移相控制电路全数字化处理方式，采用数码管显示，按键控制数码管显示器LED4显示键盘输入数值，采集的信息和系统的工作状态按键8实现对电机运行各参数的设定 修改 观察第4.2节 功率因数检测电路系统主要使用了8位的Intel 89C51单片机、双电压比较器LM393来进行功率因数的检测。电机端电压和线电流通过同步变压器和电流互感器转化为电压信号后，通过双电压比较器LM393获得两路矩形波。经与门、异或门后，与功率因数角对

22、应的矩形波即送89C51单片机的INT0口，由单片机通过定时器0记录矩形波的时间，计算功率因数角，从而得到功率因数的值。（图4-1）第4.3节 电机运行控制电路根据检测到的功率因数与设定值的偏差量， 89C51单片机通过PID算式给出一控制电压，经过8位数模转换器DAC0832和运算放大器送至智能电机控制模块，DAC0832采取单极性输出。智能电机控制模块的控制电压大小为0-10V，对应晶闸管导通角的0-180，各输出端接异步电机的三相。（图4-1）第4.4节 按键输入与显示电路系统的人机对话界面配有4位LED共阴极数码管显示器和的矩阵式键盘，上电或复位时起动并自检。键盘上8个按键的功能与名称

23、分别为电动机的起动（RUN）、停车(STOP)、设置(SET)、复位(RESET)、上调()、下调()、节能运行(SAVE)以及确定(OK)，电机运行各参数的设定与显示均通过这个界面完成。为兼顾键盘和显示，系统使用可编程并行扩展I/O接口芯片8155与单片机进行连接。8155的PA口提供字符的段选码，PB口提供字符的位选码及输出键盘的列扫描线，PC0和PC1则提供键盘的行输入。（图4-2）图4-1图4-2第5章 程序设计第5.1节 初始化参数设置键盘和显示是系统的核心部分。作为人机对话的界面，系统用了8个按键和4个LED显示器完成各种起动方式及运行参数的设定与修改，单片机软件采用C51语言编程

24、，编程效率高、代码易维护。本系统共设计了3种起动方式及2种停车方式，可由智能电机控制模块完成。分别为全压起动、电压斜坡起动、限流起动；软停车和自由停车。其在数码管上的显示代码分别为1、2、3；4（将软停车的停车时间设为0，即为自由停车）。运行参数包括给定电压US 可供用户选择的电压为80-300V；起动时间、停车时间TS 可供用户设定的时间为1-90S；电流限值Im由用户根据实际负载大小自己设定；额定功率因数cos等。第5.1节 主程序流程图初始化程序指对有关单元赋初值，处理软起动时间的设定，确定标准功率因数角的数值。该过程皆在智能电机模块中设定。主程序流程图5-1第5.2节 数据处理程序流程

25、图数据处理程序采样数据进行运算，与设定值比较并进行PID调节，控制晶闸管的导通角，对电动机进行调压，对系统实现闭环控制，使其运行于高效率状态。为了避免系统的频繁调节，在程序中设定只要误差小于一定的常数值就不再调节。第5.3节 键盘扫描程序流程图 矩阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。行、列线分别接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到+5V电源上。无键按下时行线处于高电平状态，而当有键按下时，行、列线将导通，行线电平状态将由与此行线相连的列线电平决定。单片机对键盘的控制为程序控制扫描方式。通过程序，控制单片机在空闲时调用键盘扫描子程序，并反复扫描键盘，直到用户从键盘上输入命令或

26、数据。第6章 操作流程（1）单片机上电或复位后，键盘和数码管显示起动。（2）按设置(SET)键数次，选择需要设定的起动、停车方式和运行参数。（3）各运行参数在数码管上显示时即被选中，再按上调()或下调()键则调整参数数值，数码管同步显示。（4）参数调整完毕后，按确认(OK)键，存储运行参数。此后如不作修改，则始终按当前参数运行，关机与掉电情况下也不会丢失。需要重新设定时，须按复位(RESET)键将各参数清零，再重复上述操作。（5）运行参数储存后，按起动（RUN）键，电机则根据设定的方式与参数开始软起动；（6）电机完成软起动过程，进入平稳运转后，按下节能运行(SAVE)键，即进入节能运行状态。数

27、码管此时能动态显示电机的实际功率因数，单片机则进入恒功率因数控制；（7）电机进入平稳运转后，按停车(STOP)键，则根据设定的方式与参数停车。软停车的停车时间设为0时，电机即为自由停车。第7章 结论本文在交流异步电机软起动器的基础上实现了恒功率因数控制，从而提高了电机效率，使节能运行成为可能。系统还添加了用于各参数设定与修改的人机界面，这是一般以单片机为控制核心的软起动器所不能比拟的。整个电路简单紧凑，安装、维护和使用都十分方便，控制精确、性能稳定，成本也较低廉。当电机为空载或轻载时节能效果显著，特别适用于短时满载或长时间空载的负载。但其最大的缺点是由于采取晶闸管移相控制，对电机和电网都存在谐波干扰。参考文献1电机与拖动基础 许建国主编 高等教育出版社 2004-82单片微型计算机原理与接口技术教程 祁伟主编 北京航空航天大学出版社 2007-3 3电力电子技术 西安交通大学 王兆安 黄俊主编 2007-64单片机在交流电机软起动器中的应用 戴广成 韩兵 2002-7-245基于DSP的三相异步电机软起动控制器 王毅 徐殿国 中小型电机2001-6-286电动机节能控制的研究 赵金宪，付家才 2002-107交流异步电机软起动及优化节能控制技术研究 徐甫荣 崔力电气传动自动化 2003.18电机节能控制器的设计 赵学军等 单片机与嵌入式系统应用2002-9