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基于单片机的电机软启动技术研究与设计
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"基于单片机的电机软启动器设计" 这篇文档主要探讨了电机软启动器,特别是基于单片机的设计。电机软启动器是一种用于降低三相异步电动机启动时电流冲击的设备,旨在改善电机启动过程中的电气性能和机械应力。文档指出,中国的软启动技术虽然有一定发展,但在国际市场上仍落后于发达国家,主要依赖进口产品。 在电机软启动技术方面,文档提到机械式启动器虽然广泛应用,但存在缺点,如启动电流大、噪音大、维护成本高等。随着电力电子技术的进步,尤其是电力半导体开关器件的发展,无电弧开关和连续电流调节成为可能,这为电机软启动提供了新的解决方案。国外的主流产品通常是固态软起动器,比如晶闸管软起动器和变频器,这些产品在功能和性能上各有优势。 论文的课题研究内容集中在以下几个方面: 1. 研究三相调压软起动的基本原理,分析电机的启动电流和转矩,并探讨软启动控制策略。 2. 设计基于三相晶闸管的软启动系统硬件,包括主电路、触发电路、检测电路、控制电路和驱动电路。 3. 设计三相异步电动机软启动器的模式,进行相关软件设计。 4. 使用Protues软件绘制系统原理图,以实现三相异步电机的软启动,并期望软启动器能根据电机负载情况动态调整。 文中还介绍了三相异步电机的传统启动方法,包括直接起动、减压启动和软启动,以及它们各自的优缺点。直接起动虽然简单,但会导致过大的启动电流,而软启动则可以有效减少这些影响。 整个项目的目标是利用单片机技术开发一个能够实现三相异步电机软启动的系统,以提高电机的启动效率和使用寿命,同时减少对电网的影响。通过这种方式,可以实现电机启动的平滑过渡,避免启动过程中产生的过大机械应力和电气冲击。
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2.2 软起动的原理及分析
2.2.1 晶闸管调压原理
晶闸管的控制方式有两种:一是相位控制,即通过控制晶闸管的导通角来调
压;二是周波控制,即把晶闸管作为静止接触器,交替的接通与切断几个周波的
电源电压,用改变接通时间与切断时间之比来控制输出电压的有效值,从而达到
调压的目的。但周波控制用在异步电机定子上时,通断交替的频率不能太低,一
方面会引起电动机转速的波动,另一方面每次接通电流就相当于一次异步电动机
的重启动过程。当电源切断时,电动机气隙中的磁场将由转子中的瞬态电流来维
持,并随着转子而旋转,气隙磁场在定子绕组中感应的电动势频率将有所变化,
当断流时问隔较长时,这个旋转磁场在定子中感应的电势和重新接通时的电源电
压在相位上可能会有很大的差别,这样就会出现较大的电流冲击,可能危及晶闸
管的安全。故在异步电动机的调压控制中,晶闸管调压一般采用相位控制。采用
相位控制时,输出电压波形已不是正弦波,经分析可知,输出电压不含偶次谐波,
奇次谐波中以三次谐波为主要成分。谐波在异步电机中会引起附加损耗,产生转
矩脉动等不良影响。此外,由于异步电机是感性负载,从电力电子学中可以知道,
当晶闸管交流调压回路带有感性负载时,只有当移相角大于负载的功率因数角时,
才能起到调压的作用。当
a
<
j
时,电流导通的时间将始终保持在 180°。其情况
与
a
=0 时一样,相控不起任何调压作用,甚至在晶闸管触发脉冲不够宽的情况
下,出现只有一个方向上的晶闸管工作,负载上出现直流分量,对晶闸管造成危
害。为了保证晶闸管的安全,在使用相控晶闸管电路时采用宽脉冲触发,移相范
围限制在
j
≤
a
<180°。
本系统软起动器采用晶闸管调压原理,通过调节电动机定子输入端电压的大
小和相位实现软起动的各种功能。本系统软起动器采用了如图 2.5 所示的主电路。
用三组反并联晶闸管分别串联在星形接法的电机三相定子线圈上,这种连接方式
谐波比较少,调压性能最为优越,控制系统简单、可靠。
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图 2.5 软起动主回路原理图
为了方便分析,做以下假定:
(1)电源为三相对称的正弦电压源,内阻抗为零;
(2)各晶闸管的特性一致,对称触发,关断状态时,其阻抗为无穷大;导通
状时压降为零;
(3)电机为理想电机,其定、转子绕组在空间产生正弦分布的磁通势;
(4)稳态运行时,电机的转速为常数。
由于主电路中没有中线,因此在工作时若要负载电流流通,至少要有两相构
成通路。其中一相是正向晶闸管导通,另一相则是反向晶闸管导通。为了保证在
电路起始工作时有两个晶闸管同时导通,以及在感性负载与控制角较小时仍能保
证不同相的两个晶闸管同时导通,本系统采用了能够产生大于 60°的双窄脉冲的
触发电路。
要实现异步电动机的平稳起动,需要控制电机的输入电压,使其按照某种曲
线由小到大逐渐上升。通过按照一定时序调整六个晶闸管的触发角就可以实现该
目标。该电路的调压实质是对电源电压进行斩波。电机获得的电压是非正弦的,
但是每相电压的正负半周是对称的。晶闸管任意一相的电压波形如图 2.7 所示,
其中电网电压的波形是完整的正弦波,
a
是晶闸管的触发角,
j
是负载的功率因
数角(也叫晶闸管的续流角),
q
是晶闸管的导通角。
由图 2.6 可以很容易地推导出触发角
a
,功率因数角
j
以及导通角
q
之间的
关系:
q p a j
= - +
公式(2.1)
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