电动机的软启动.docx
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电动机的软启动.docx
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电动机的软启动
摘要
异步电机在生产中广泛应用。
在低于额定负载时,电机的运行效率较低;动态调节电机端电压,使其跟随负载变化以降低能耗,提高电机效率。
在理论分析的基础上,本文针对异步电动机传统启动方式的缺陷,提出了智能软启动的控制方案,并对控制系统进行了实验仿真研究。
根据异步电动机的不同工作情况,设计了斜坡电压启动控制模式和限流启动控制模式。
同时,本论文还提出了不同于其他常见的节能方法即模糊控制节能。
该节能控制方法充分利用了当前较先进的模糊控制的优点,控制方案设计简单明了,在软硬件资源上都比传统方法有很大的节省,控制效果也比其他方法有很大改善。
该装置还兼具有各种保护功能实现了数字化多功能的保护。
关键词:
异步电动机;软启动;模糊控制;单片机
ABSTRACT
Asynchronousmotorhasanextensiveapplicationinmanufacture.Theefficiencyisquitelowwhenthemotorisrunningundertheratedload.Dynamicallyadjustingtheterminalvoltageofthemotoraccordingtothechangeoftheloadcangreatlyreducetheconsumption,andthusimprovetheefficiency.Thispaperprovidesdesignofthesoftstarenergysavingcontrollerofmotor,Tosolvetheproblemoftraditionalstartdefectofanasynchronousmotor,thispaperpresentsanewcontrolmethodofintelligentsoft-start.Experimentcertificate,thismethodovercomestraditionalstartdefectandachievesatisfyingresult.Meanwhile,toachievesatisfyingenergysavingeffect,fuzzycontrolmethodisappliedinthissystem.Fuzzycontrolhasmanystrongpoints.Fuzzycontrolmethodsavesresourcesofsoftwareandhardwareandenergysavingeffectisbetterthanothersmethods.Thissystemalsopossessesvariousprotectivefunctions.
Keywords:
asynchronousmotor;soft-start;fuzzycontrol;mcu
目录
1绪论1
1.1引言1
1.2传统启动与软启动的比较1
1.3软启动技术4
2软启动6
2.1软启动硬件电路6
2.1.1软启动器在三相交流电机主控制回路中的地位和作用6
2.1.2软启动器结构框图7
2.1.3启动装置主电路8
2.1.4晶闸管触发电路10
2.1.5电源电路11
2.1.6电压同步信号采样及处理电路12
2.1.7电流检测电路12
2.1.8单片机控制电路13
2.2移相触发控制算法14
2.2.1触发要求14
2.2.2斜坡电压控制模式15
2.2.3限流启动控制模式15
2.3软件设计16
2.3.1主程序16
2.3.2故障检测模块16
2.3.3软启动模块17
3节能运行19
3.1电动机实际运行的现状及节能重要性19
3.2常见的节能方法19
3.3模糊节能控制原理20
3.4模糊控制的建立22
3.4.1模糊控制器的语言变量23
3.4.2语言变量值的选取23
3.4.3量化因子与比例因子24
3.4.4隶属度函数与模糊控制规则24
4数字化多功能保护29
4.1引言29
4.2异步电动机故障的判据29
4.2.1热过载29
4.2.2断相30
4.2.3电源电压反相30
4.2.4短路30
4.2.5堵转和启动时间过长31
4.2.6接地31
4.3数据采集31
4.4保护部分的软件设计31
5结论34
参考文献35
致谢36
附录一37
附录二54
1绪论
1.1引言
三相异步电动机因其结构简单,性能稳定及无需维护等特点,在各行业中得到了广泛的应用。
但它是以反电势为主的负载,即以反电势来平衡外加电压。
电动机的反电势随着转子转速的增加而逐渐增大,电动机在启动开始时反电势为零,所以启动电流很大。
这样大的启动电流不仅加重了进线供电电网以及接在电动机前面的开关电器的负荷,而且对电网及其负载造成干扰,严重时甚至危害电网的安全运行;同时,由于启动应力较大,出现的巨大转矩又会使电动机发生猛烈的冲振,并且也给用作动力传输辅助设备(如三角皮带、变速机构)和做功机械设备带来不可避免的机械冲击。
所以,这种“硬启动”不仅会缩短传动单元和做功机械设备的使用寿命,而且过高的启动电流还会引起供电电网的电压骤然跌落,致使那些对电压敏感的用电设备产生负面影响。
1.2传统启动与软启动的比较
常用的三相异步电动机结构简单,价格便宜,而且性能良好,运行可靠。
对于小容量电动机,只要供电网络和变压器的容量足够大(一般要求比电机容量大4倍以上),而供电线路并不太长(启动电流造成的瞬时电压降落低于10%~15%),可以直接通电启动,操作也很简便。
对于容量大一些的电动机,问题就不这么简单了。
在式(1.1)和式(1.2)中已导出异步电动机的电流和转矩方程式,启动时,s=1,因此启动电流式(1.3)和启动转矩式(1.4)分别为
(1.1)
(1.2)
(1.3)
(1.4)
由上述二式不难看出,在一般情况下,三相异步电动机的启动电流比较大,而启动转矩并不大。
对于一般的笼型电动机,启动电流和启动转矩对其额定值的倍数大约为
启动电流倍数
启动转矩倍数
中、大容量电动机的启动电流大,会使电网压降过大,影响其他用电设备的正常运行,甚至使该电动机本身根本启动不起来。
这时,必须采取措施来降低其启动电流,常用的办法是降压启动。
由式(1-3)可知,当电压降低时,启动电流将随电压成正比地降低,从而可以避开启动电流冲击的高峰。
但是,式(1-4)又表明,启动转矩与电压的平方成正比,启动转矩的减小将比启动电流的降低更快,降压启动时又会出现启动转矩够不够的问题。
为了避免这个麻烦,降压启动只适用于中、大容量电动机空载(或轻载)启动的场合。
传统的降压启动方法有:
星-三角(Y-Δ)启动
定子串电阻或电抗启动
自耦变压器(又称启动补偿器)降压启动
它们都是一级降压启动,启动过程中电流有两次冲击,其幅值都比直接启动电流低,而启动过程时间略长,如图1.1所示。
图1.1异步电动机的起动过程与电流冲击
现代带电流闭环的电子控制软启动器可以限制启动电流并保持恒值,直到转速升高后电流自动衰减下来(图1.1中曲线c),启动时间也短于一级降压启动。
主电路采用晶闸管交流调压器,用连续地改变其输出电压来保证恒流启动,稳定运行时可用接触器给晶闸管旁路,以免晶闸管不必要地长期工作。
视启动时所带负载的大小,启动电流可在(0.5~4)IsN之间调整,以获得最佳的启动效果,但无论如何调整都不宜于满载启动。
负载略重或静摩擦转矩较大时,可在启动时突加短时的脉冲电流,以缩短启动时间。
软启动的功能同样也可以用于制动,用以实现软停车[2]
1.3软启动技术
近年来,随着电力电子技术、半导体技术及计算机技术的发展,采用晶闸管为主电路元件,单片机为控制核心的智能化软启动器成为可能[1]。
软启动是指通过交流电机的降压启动,限制电机的启动电流,从而达到在启动过程中减少电压降、避免开关跳闸、限制机械冲击的目的。
三相交流异步电动机的启动转矩Ma直接与所加电压U的二次平方有关,换句话说,只要降低电动机接线端子上的电压就会影响这些值。
以晶闸管为主电路的软启动技术其启动方式可选择恒流或斜坡启动;力矩匀速、平滑上升、无二次冲击力矩;冲击电流为1次;转换方式为闭路转换:
启动级数为连续无级;有过流、堵转过流、欠流缺相、电机过热和漏电保护;负载范围2.2-800kw、可带不超过50%Te的负载启动;启动时间2-200s可调。
所以用软启动来控制电动机的启动,不但能实现在启动过程中无冲击地平滑启动,而且可根据电动机负载特性来调整启动过程中的各种参数。
同时可实现节能运行和各种保护功能。
在电动机启动时应用软启动技术,通过对晶闸管的相位控制,使电动机接线端子上的电压从预先可灵活整定的启动值上升到电网电压,从而使电流以及初始转矩能最佳地与传动装置实际需要相适应。
总上,软启动器具有矿用真空磁力启动器和交流电压软启动的功能,是一种机电一体化及微电子技术的高科技智能产品。
其模块化的安装结构,特别适应使用和维修。
该软启动器适用于交流660V、1140V电压的异步电动机重负荷软启动,以及各种情况下的磁力启动。
软启动时具有启动电流小、启动速度平稳可靠、对电网冲击小等优点,且启动曲线可根据现场实际工况调整,从而减少了启动时的皮带机、刮板机冲击力,降低了对皮带机、刮板机的损害,延长了皮带机、刮板机的使用寿命。
2软启动
2.1软启动硬件电路
电子软启动器采用单片机进行智能化控制,不但克服了传统降压启动的弊端,而且从根本上解决了电动机启动时带来的问题。
该软启动器是一种集控制、自诊断和保护于一体的小型化,多功能控制器。
通过改变控制参数,就能改变电动机的启动特性,保证负载在要求的启动特性下平滑启动,并降低启动时对电网的冲击,充分体现了电子软启动灵活、方便、适应性强的特点[3]。
软启动器的晶闸管调压电路由6个晶闸管两两反向并联组成,串接于交流异步电机的三相供电线路之上。
加入启动信号后,系统软件首先施加若干毫秒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,通过控制晶闸管导通角α,使启动器按所设计的模式调节输出电压、控制电动机的启动过程。
启动过程完成后,单片机再发出控制信号,启动器将用于短接可控硅的旁路接触器吸合,短路掉所有的晶闸管,使单片机控制系统停止工作,电机直接投入电网运行,避免不必要的电能损耗。
2.1.1软启动器在三相交流电机主控制回路中的地位和作用
软启动器在三相交流电机主控制电路中的地位和作用如图2.1
在需要用软启动器来启动电动机时,把软启动器按上图所示的接法按入。
在启动过程中,旁路接触器KM2断开,KM1闭合,软启动器接入,由控制信号控制软启动器运行,从而实现电机的软启动。
经过一段时间的运行后,电动机达到正常状态,启动结束。
软启动器自动切除,旁路接触器KM2接通,从而实现电机的安全启动运行。
2.1.2软启动器结构框图
该软启动器系统硬件由主电路、脉冲产生及隔离电路和单片机控制电路三部分组成。
2.1.3启动装置主电路
该主电路采用大功率晶闸管,连接形式为反并联,由晶闸管触发装置输出两个互相差180
的触发脉冲。
主电路工作过程:
断开开关KM2后,控制电路的SB1按下,由单片机控制使KM1闭合接通启动电路。
启动过程中,由预先在单片机中设置的晶闸管的初始导通角和初始电压开始,由单片机控制,使电动机的端电压由预先设置的初始电压以一种线性函数的关系逐渐上升(其数学模型将在后面介绍),而这一过程则由单片机控制晶闸管的导通角来实现。
当电动机的端电压达到要求后,由单片机控制使KM2闭合KM1断开。
电动机进入正常运行状态。
该主电路元件过压保护由阻容元件实现。
2.1.4晶闸管触发电路
晶闸管触发电路采用集成芯片KJ004,因三相电动机主电路中有六只晶闸管,每一片KJ004可输出两个互相差180°的触发脉冲,故采用三片KJ004组成智能型电动机启动装置触发电路。
KJ004可控硅移相触发电路适用于单相、三相全控桥式供电装置中,作可控硅的双路脉冲移相触发。
KJ004器件输出两路相差180度的移项脉冲,可以方便地构成全控桥式触发器线路。
该电路具有输出负载能力大,移项性好,正负半周脉冲相位均衡性好、移相范围宽、对同步电压要求低,有脉冲列调制输出端等功能与特点。
该电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏移电压、移电压综合比较放大电路和功相率放大电路四部分组成。
该触发器1端为正向脉冲输出端,15为负向脉冲输出端,8为同步信号接收端,9为控制信号接收端,单片机输出的控制信号经D/A转换后再经运算放大器作为控制信号输入到9号端口[1]
下图为8、9、1、15各点的电压波形
2.1.5电源电路
该电源电路由控制变压器的电压经滤波、整流、稳压后变成标准工作电源供给整个控制系统[4]。
电源电路如图2.6所示。
2.1.6电压同步信号采样及处理电路
该电路中由来自同步变压器的电压信号经电压比较器、光电隔离及功率驱动后送入8051的外部中断(INT0)以保证8051控制晶闸管触发脉冲相位时使其能与主回路电压相位精确可调。
同时,由同步变压器来的电压信号不经过上述变换送到KJ004的8号端口即同步信号接受端[5]。
2.1.7电流检测电路
电流检测电路由电流互感器测出电动机的实时工作电流经整流、滤波、放大、A/D转换及光电隔离后送入单片机。
它能准确地反映主电路中的电流,又能使控制电路与主电路隔开,既安全又减少了干扰。
电流互感器、电阻R组成电动机电流检测电路;二极管D1、电容C1,电阻R2组成办波整流滤波电路,将R1上的交流信号电平转换为直流信号电平。
稳压Dz限制输出电平幅度不超过3V。
2.1.8单片机控制电路
单片机又称单片微处理器,其基本结构是将微型计算机的基本功能部件:
中央处理器、存储器、输入接口、输出接口、定时器/计时器、中断系统等全部集成在同一个半导体芯片上。
目前,单片机正朝着高性能和多品种发展,但是由于MCS-51系列8位单片机仍然能满足绝大多数应用领域的需要,可以肯定,以MCS-51系列为主的8位单片机,现在及将来的相当一段时期仍然将占据单片机应用的主导地位。
8051单片机内部是有CPU、4KB的ROM、256B的RAM、4个8位的I/O并行端口、一个串行接口、两个16位定时/计数器等组成并采用40脚双列直插式封装工艺。
8051单片机芯片定时器/计数器:
8051单片机有2个16位的定时/计数器:
定时器0(T0)和定时器1(T1)。
它们都有定时器或事件计数的功能,可用于定时控制、延时、对外部事件计数和检测等场合。
T0由2个特殊功能寄存器TH0和TL0构成,T1则由TH1和TL1构成。
作计数器时,通过引脚T0(P3.4)和T1(P3.5)对外部脉冲信号计数,当输入脉冲信号从1到0的负跳变时,计数器就自动加1。
计数的最高频率一般为振荡频率的1/24。
根据需要8051单片机芯片的串行口工作方式可设置为4种工作方式。
SM0SM1
方式
功能说明
波特率
00
方式0
移位寄存器方式
fosc/12
01
方式1
10位异步收发
可变
10
方式2
11位异步收发
fosc/64(32)
11
方式3
11位异步收发
可变
串行工作方式0,为同步移位寄存器输入/输出方式,常用于扩展并行I/O口。
串行工作方式1,它是波特率可变的10位异步通信方式,有TXD端发送数据,RXD端接收数据,以帧的格式传送数据。
串行工作方式2和串行工作方式3都是11位异步通信,操作方式完全一样,只是波特率不同,适用于多机通信。
如图2.9,单片机呈检测输入信号的状态。
单片机的输入信号为软启动的输出电压和输出电流采样值,将电压采样值作为状态信号,状态信号用来指示电机是否达到达速电压UR,若达到达速电压UR,8051发出信号通过驱动器使运行继电器得电,断开软控制电源,旁路接触器得电,软启动结束。
由于电机的达速电压不可能做到完全一致,所以采用电流检测的方式来判断是否达到达速电压。
电流采样值超过某个范围,将视作故障信号。
单片机接受到故障信号继电器动作,断开控制电源,同时旁路接触器也不得电,停车。
[4]
2.2移相触发控制算法
启动过程中,通过控制晶闸管的导通角,调节电动机的端电压,以限制启动电流,减小对电机的冲击。
下面就论文中的斜坡电压启动控制模式和限流启动模式,给出这两种算法的数学模型及关键参数[6]。
2.2.1触发要求
对晶闸管门极触发的要求一般应满足[7]:
①触发脉冲应有足够的功率,触发脉冲的电压、电流应大于晶闸管要求的数值,并留有一定的余量;②触发脉冲的相位应在规定的范围内移动;③触发脉冲与晶闸管主电路电源同步,同频,且具有固定的相位关系,使每一周期能在同样的相位上触发;④触发的波形一定要满足要求,对感性负载,一般大于50Hz的180°。
各相电压由负变正的过零点就是三相三线交流调压电路的门极起始控制点(即a=0的点)。
触发相位自UT1-UT6依次滞后60°。
当改变α时,电路有三类不同的工作状态(为防止电动机进入第三类工作状态),理论上的移相范围应为0—90°。
考虑触发波形的要求,移相范围应满足20°≤α≤70°。
2.2.2斜坡电压控制模式
电压斜坡启动用于重载启动。
输出电压由小到大斜坡线性上升,将传统的降压启动变有级为无级。
电压斜坡启动缺点是启动转矩小,转矩特性呈抛物线型上升,对启动不利,且启动时间长,对电机也不利。
改进的方法是采用双斜坡启动:
输出电压先迅速升至U1(电动机启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。
这种启动方式的特点是启动电流相对较大,但启动时间相对较短。
2.2.3限流启动控制模式
限流软启动主要用于轻载启动。
在启动过程中限制启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I 限流软启动的优点是启动电流小、对电网电压影响小,且可按需要进行调整(启动电流的限值Im必须根据电动机的启动转矩来设定,Im设置过小将会使启动失败或烧毁电机),缺点是在启动时难以知道启动压降,不能充分利用压降空间,损失启动转矩,启动时间相对较长。 2.3软件设计 该系统软件设计采用模块化程序设计,其特点是思路清晰,通用性强,易于查找故障。 整个系统软件主要由主程序、故障检测模块、软启动模块、节能运行部分组成[7]。 2.3.1主程序 主程序流程图如图2.10所示。 主要完成8051内部定时器、中断系统、堆栈指针、寄存器区、RAM,I/0口、A/D,D/A等单元的初始化。 2.3.2故障检测模块 该模块主要完成启动前后的异常故障检测,如断相、短路、然过载、堵转或启动时间过长等故障,并作出反应(如跳闸)其流程图将在第四章介绍[8]。 2.3.3软启动模块 采用限流或斜坡电压控制原则,根据互感器来的电流信号和电压同步信号,经单片机计算后,按照当前晶闸管触发角的大小,并严格按照顺序送出,实现电机的软启动。 其流程图如图2.11 采用斜坡电压启动时,在可调的时间内(t1为斜坡时间)通过微控制器将电动机接线端子电压线性地从初始电压(Us为启动电压)提高到全部电网电压[9]。 如果电动机在斜坡时间之前就己经达到它的额定转速斜坡就自动中断,电动机接线端子上就有全部电网电压。 通过限流控制模式实现软启动,在启动过程中将启动电流限制在预先设定的限流值IM上,IM可根据用户电网容量及电动机负载情况而定。 该值的设定范围在电动机额定电流Ie的0.4—4倍之间选择,这种限流可通过在限定时间(t2)内将启动电压限定在Ub上来实现。 [2] 3节能运行 3.1电动机实际运行的现状及节能重要性 三相异步电动机作为一种很重要的动力设备,约占电动机总数的70%,其用电量占发电量的50%以上。 三相异步电动机一般按最大负荷下能正常工作为条件来选取的。 但在实际运行中,一般都处于变负载甚至轻负载或空载的状况中,这样就出现“大马拉小车”的现象。 电动机的功率小、效率很低,电能的浪费严重。 因而研究电动机的节能运行技术时非常迫切和必要的。 更重要的是,我国是能源消耗大国,而人均占有的能源量相对较少,能源供应缺口较大。 而且,过度的能源开发,势必引起环境恶化等一系列危及人类自身健康及可持续发展的许多严重问题。 因此,在合理开发能源的问题时,必须研究如何合理地利用能源的问题即节能问题[11]。 3.2常见的节能方法 异步电动机的节能研究,无非是从2个方面入手: 制造工艺和运行控制。 制造工艺包括合理选择制造电机的材料,利用计算机辅助设计等高科技手段制造高效节能电机。 在电机制造业日趋发达的今天,这方面的研究己比较成熟。 因此,节能研究的重点就放在控制电机高效运行这一环节上[8]。 异步电动机节能运行的方法,常见的有最佳功率因数法、最小功率输入法及变频调速中的转矩补偿法等。 最佳功率因数法是通过检测电动机的功率来确定电动机是运行在轻载还是重载的工况下,从而确定电动机的运行电压。 但是由于电动机的功率因数因电动机的型号、制造工艺等方面的差异而存在一定离散性,使这种方法很难确定一个通用性的准则;而且理论和实践均证明,过高的功率因数并不节能。 最小功率输入法,是通过定时采样电机的输入功率,同时降低电机的输入电压来搜电机的最小功率运行点。 通常意义上的最小功率输入法,一般采用程序控制,逐次逼近的方法。 然而,降低的步距却随电机运行工况的不同而异。 轻载条件下,步距过小,会增加搜索时间: 重载情况下,步距过大,又会引起电机转矩振荡甚至堵转。 而且,电动机的参数变化时,固有的程序很难继续有效,这样,理论上成立的这种方法在实际应用中大打折扣。 变频调速应用于电机控制,具有良好的节能效果。 它主要是根据不同的工况通过选择不同的转矩补偿线来达到节能运行的目的。 但是,用户选择转矩补偿线时,需要一定的经验,因此,实际应用中变频调速系统设计的节能效果很难达到。 若运用最优化控制方法,事先计算出电机效率最优运行的v/f的数值,即最佳电压频率比。 稳态及电机参数变化不大时此法是较好的。 但是,如果电机参数发生较大变化,那么理论上计算结果与实际数值差距较大,己失去原有的节能效果。 从上面的分析可以看出,无论哪种方法,都存在不可避免的局限性,而其中的根本原因则在于这些方法对电机参数本身的依赖性太大,以至于对具有时变非线性等特征的异步电动机不完全适用。 区此如何寻找对电机参数不敏感,随电机参数的改变而自适应地改变控制策略是解决节能问题的关键。 3.3模糊节能控制原理 模糊数学是数学领域的一个新发展,也是一个新补充。 因为实际生活中有许多现象在人们头脑中的反应是模糊的,都是不能用以往的准确严密的分析方法处理,还有一些复杂的系统,如大规模处理信息处理系统,大规模电力系统,模式识别系统,神经网络等,也是由于其复杂性难以用传统的数学方法进行分析。 尤其是电力系统中有许多现象是不精确的、模糊的,而人们处理模糊信息的能力是很强的,在
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