电力电子装置及系统课程设计异步电机调压软起动触发板硬件电路设计.doc

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1、课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目: 异步电机调压软起动触发板硬件电路设计 初始条件：对异步电机进行晶闸管调压软起动时，需要得到三相调压晶闸管的触发脉冲，使用集成触发器KJ004来设计调压软起动触发板硬件电路。要求完成的主要任务: （1） 利用KJ004设计触发板的硬件电路；（2）根据所设计的硬件电路画出相应的PCB；时间安排：2012年6月18日至2012年6月27日，历时一周半，具体进度安排见下表具体时间设计内容6.18指导老师就课程设计内容、设计要求、进度安排、评分标准等做具体介绍；学生确定选题，明确设计要求6.196.21开始查阅资料，完成方案的初步设

2、计6.226.24由指导老师审核系统结构图，学生修改、完善流程图、并仿真6.256.26撰写课程设计说明书6.27上交课程设计说明书，并进行答辩参考文献：1王兆安,黄俊.电力电子技术（第四版）.北京：机械工业出版社，2007：92-96指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日摘要 交流异步电机结构简单、运行可靠、环境适应性强和拖动性能好,因而获得广泛应用。在额定电压空载起动(直接起动)时电流通常为额定电流4-7倍,过大电流不仅在定子线圈和转子笼条上产生很大冲击力,破坏绕组绝缘和造成笼条断裂,引起电机故障；而且还会产生大量焦耳热,损伤绕组绝缘,缩短电机寿命；特别是对于高压

3、电机来说,过大的起动电流会使得电网电压急剧下降从而导致同一电网上其它设备不能正常运行,甚至使电网失去稳定造成更大的事故；所以电机起动电流大,对电机自身、电网、负载均有不利的影响；另外起动转矩脉动大、转矩小,也限制了电机的应用范围。 为了克服起动电流大的弊端通常采用降压起动方式起动,传统的降压起动种类繁多,包括：定子串电阻/电抗软起动、频敏变阻器软起动、水电阻/液阻软起动、Y/软起动、自藕变压器软起动、延边三角形起动、磁控软起动等,具有体积重量大、占地面积广、技术含量比较低的弊端但都不产生谐波。在降压起动中由于转矩大小跟电压平方成正比,所以电压降低一点转矩下降得更多,从而起动转矩更小。 到了20

4、世纪70年代随着电力电子器件的飞速发展,开始采用晶闸管移相触发降压软起动(即电子式软起动),克服了传统软起动上述弊端,同时又带来谐波含量比较大、价格也比较高、晶闸管参数一致性要求高和一旦损坏难以修复等弊端。本文设计的软起动触发电路操作方便简单，能够使电机顺利起动。使之能达到了改善三相异步电动机起动性能的要求。在满足异步电动机起动转矩要求及降低起动电流的前提下，使电机能够平稳可靠起动。关键词：异步电动机 软启动 触发电路目录摘要21设计任务及要求41.1设计要求41.2设计任务42调速系统结构设计52.1三相异步电动机起动方法52.1.1绕线式异步电动机转子回路串电阻调速52.1.2降压调速62

5、.1.3软启动62.2方案确定72.3软启动原理及分析83硬件电路设计103.1主电路103.2触发电路的设计113.2.1主要器件的介绍113.2.2三相调压触发电路133.2.3三相调压触发电路PCB设计144总结15参考文献16附录17异步电机调压软起动触发板硬件电路设计1设计任务及要求1.1设计要求在对异步电动机进行晶闸管调压软起动时，需要得到三相调压晶闸管的六路触发脉冲，使用集成触发器KJ004来设计调压软起动触发板硬件电路，KJ004输出两路相差180度的移相脉冲,可以方便地构成全控桥式触发器线路，三块KJ004并联即可输出六路触发信号。1.2设计任务（1）利用KJ004设计触发板

6、的硬件电路；（2）根据所设计的硬件电路画出相应的PCB。2调速系统结构设计2.1三相异步电动机起动方法2.1.1绕线式异步电动机转子回路串电阻调速 我们知道，改变转子回路串入电阻值的大小，例如转子绕组本身电阻为 ，分别串入电阻 、 、 时，其机械特性如图2.1所示，当拖动恒转矩负载时电动机的转差率由 分别变为 、 、 。显然。所串电阻越大，转速越低。图2.1 绕线式异步电动机转子回路串电阻调速可见，转子回路串电阻是属于恒转矩调速方法。这种调速方法的调速范围不大，一般为（2）:1。负载小时，调速范围就更小。由于转子回路电流很大，使电阻的体积变重，抽头不易，所以调速的平滑性不好，基本上属有级调速。

7、2.1.2降压调速 三相异步电动机降低电源电压的认为机械特性，其同步转速 不变，电磁转矩 。若电动机拖动恒转矩负载，降低电源电压可以降低转速，如图2.2所示。图2.2 三相异步电动机降压调速降压调速方法比较简单，但是对于一般的鼠笼型异步电动机，降压调速的范围很窄，没有多大的使用价值。2.1.3软启动软起动可分为有级和无级两类，前者的调节是分档的，后者的调节是连续的。在电动机定子回路中，通过串入限流作用的电力器件实现软起动，叫做降压或者限流软起动。它是软起动中的一个重要类别。按限流器件不同可分为：以电解液限流的液阻软起动；以磁饱和电抗器为限流器件的磁控软起动；以晶闸管为限流器件的晶闸管软起动。晶

8、闸管软起动产品问世不过30年左右的时间，它是当今电力电子器件长足进步的结果。10年前，电气工程界就有人预言，晶闸管软起动将引发软起动行业的一场革命。目前在低压(380V)内，晶闸管软起动产品价格已经下降到液阻软起动的大约2倍，甚至更低。而其主要性能却优于液阻软起动。与液阻软起动相比，它的体积小、结构紧凑，维护量小，功能齐全，菜单丰富，起动重复性好，保护周全，这些都是液阻软起动无法比拟的。2.2方案确定从三相异步电动机的功率关系知道，电磁功率 、转子回路总铜损耗 和机械功率 三者的关系为 异步电动机采用降压调速或者串电阻调速时，欲扩大调速范围，必须增大转差率s。这样一来，将使转子回路总铜耗增大，

9、降低了电机的效率。例如，s=0.5时，电磁功率中只有一半转换为机械功率输出，其余的一半则损耗在电机转子回路中。转速降低，情况越严重。这种调速方式多用于断续工作的生产机械上，这类机械在低速运行的时间不长，且要求调速性能不高，如桥式起重机。软起动相对于上两种调速方法而言，电动机软起动技术的应用可以实现拖动系统节能，其中包含两方面：1、降低电机起动对电力系统的要求，电力变压器选用可保证始终运行在经济运行区，降低电力变压器运行损耗，从而节能；2、电动机起动问题交由软起动装置来解决，避免大马拉小车现象，电动机的选择可以更科学，更经济、更合理。软起动器在选择节能功能的状态下，PF开关热拨至Y位，在电流反馈

10、的作用下，正艺软起动器自动降低电动机电压。减少了电动机电 流的励磁分量。从而提高了电动机的功率因数(COS)。(国产软起动器多无此功能)在接触器旁路状态下无法实现此功能。TPF开关提供了节能功能的两种反应时间；正常、慢速。节能运行模式：自动节能运行。正常、慢速两种反应速度）空载节能40%，负载节能5%。此外，软启动还具有过载保护功能、缺相保护功能、过热保护功能和联锁保护等。因而，在条件允许的情况下，选择软启动更为合理。2.3软启动原理及分析异步电机启动性能主要有两个指标，启动电流倍数和启动转矩倍数，软启动器是就是在启动时通过改变加在电机上的电源电压，以减小启动电流、启动转矩。电动机传统启动方式

11、有自耦减压、Y/减压等方式，其共同特点是控制线路简单，启动转矩不可调并有二次冲击电流，对负载有冲击转矩。软启动可以有效地降低电动机的启动电流，其启动电流仅为标准电机硬启动电流的 50%，是高效电动机硬启动电流的 20%（见图2.3）。软启动的限流特性可有效限制浪涌电流，避免不必要的冲击力矩以及对配电网络的电流冲击，有效地减少线路刀闸和接触器的误触发动作；对频繁启停的电动机，可有效控制电动机的温升，大大延长电动机的寿命。目前应用较为广泛、工程中常见软启动器时晶闸管（SCR）软启动。 图2.3 软启动与硬启动特性比较图 晶闸管软启动原理：在三相电源与电机间串入三相联晶闸管，利用晶闸管移相控制原理（

12、见图2.4），改变晶闸管的触发角，启动时电机端电压随晶闸管的导通角从零逐渐上升，就可调节晶闸管调压电路的输出电压，电机转速逐渐增大，直至达到满足启动转矩的要求而结束启动过程；软起动器的输出是一个平滑的升压过程（且可具有限流功能），直到晶闸管全导通，电机在额定电压下工作；此时旁路接触器接通（避免电机在运行中对电网形成谐波污染，延长晶闸管寿命），电机进入稳态运行状态；停车时先切断旁路接触器，然后由软启动器内晶闸管导通角由大逐渐减小，使三相供电电压逐渐减小，电机转速由大逐渐减小到零，停车过程完成。 图2.4晶闸管移相控制电压波形图晶闸管软启动器在设计上也完全不同于传统的变频调速技术，它采用了电流电压

13、矢量传感动态监控控制技术，不改变电机原有的运行特性；采用锁相环技术和单片机，根据压控振荡器锁定三相同步信号的逻辑关系设计出的一种可控硅触发系统，控制输出脉冲的移相，通过对电流的检测，控制输出电压按一定线性加至全压，限制起动电流，实现电机的软起动。软启动从技术特性、可靠性及操作使用方面均优越于常规的自耦变压器降压起动和（Y/）转换起动装置，无冲击电流、起动参数可调、有软停机功能、轻载功能等明显的技术优势，它克服了自耦降压起动设备接触器易烧坏，体积庞大，与负载相匹配及电动机转矩很难控制等缺点；消除了因（Y/）电压切换瞬间出现的二次冲击电流尖峰，避免了电动机在起动时的冲击电流对电网电压波动的影响。是

14、常规的自耦变压器降压起动和Y/转换起动装置的较理想替代产品。3硬件电路设计3.1主电路根据三相联结形式的不同，三相交流调压具有星形联结、支路控制三角形联结、中点控制三角形联结等多种形式。这里采用如图3.1所示时星形联结方式，这种电路又可分为三相三线和三相四线两种情况。三相四线时，相当于三个单相交流调压电路的组合，三相互相错开 工作。单相交流调压电路的工作原理和分析方法均适用于这种电路。在单相交流调压电路中，交流中含有基波和各次谐波。组成三相电路后，基波和3的整数次以外的谐波在三相之间流动，不流过中性线。而三相的3的整数次谐波时同相位的，不能在各相之间流动，全部流过中性线。因此中性线会有很大的3

15、次谐波及其他3的整数次谐波电流。当 时，中性线电流甚至和各相电流的有效值接近。在选择导线直径和变压器时必须注意这一问题。图3.1 三相交流调压主电路工作时，任一相在导通时必须和另一相构成回路，因此和三相桥式全控电路一样，电流流通路径中有两个晶闸管，所以应采用双脉冲或宽脉冲触发。三相的触发脉冲应依次相差 。同一相的两个反并联晶闸管触发脉冲应相差 。因此，和三相桥式全控整流电路一样，触发脉冲顺序也是 ，依次相差 。3.2触发电路的设计3.2.1主要器件的介绍本设计主要用到了两种芯片KJ004和KJ041。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。器

16、件输出两路相差180度的移相脉冲,可以方便地构成全控桥式触发器线路。电路具有输出负载能力大、移相性能好、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。图3.2 KJ004内部原理图 电路由同步检测电路、锯齿波形成电路、偏形电压、移相电压及锯齿波电压综合比较放大电路和功率放大电路四部分组成。电路原理见图3.2：锯齿波的斜率决定于外接电阻R6、RW1,流出的充电电流和积分电容C1的数值。对不同的移相控制电压VY,只有改变权电阻R1、R2的比例,调节相应的偏移电压VP。同时调整锯齿波斜率电位器RW1,可以使不同的移相控制电压获得整个移相范围。触发电路为正极性

17、型,即移相电压增加,导通角增大。R7和C2形成微分电路,改变R7和 C2的值,可获得不同的脉宽输出。的同步电压为任意值。 KJ004引脚图和各引脚功能分别见图3.3和表3.1图3.3 KJ004引脚图表3-1 KJ004的引脚功能表功 能输出空锯齿波形成-Vee(1k)空地同步输入综合比较空微分阻容封锁调制输出+Vcc引线脚号12345678910111213141516KJ041六路双脉冲形成器是三相全控桥式触发线路中必备的电路，它具有双脉冲形成和电子开关的功能。图3.4 KJ041内部原理图当把移相触发器的触发脉冲输入到KJ041电器的16端时，由输入二极管完成“或”功能，形成双脉冲，再由

18、T1T6电流放大分六路输出。补脉冲按+A-C，-C+B，+B-A，-A+C，+C-B，-B+A顺序列组合。T7是电子开关，当控制7端接逻辑“0电平时T7截止，各路输出触发脉冲。当控制7端接逻辑“1”电子(+15V)时T7导通，各路无输出触发脉冲。KJ041电路内部原理图如下，图中输出端如果接3DK4作功率放大，可得到800mA的触发脉冲电流。3.2.2三相调压触发电路图3.6 三相触发电路 对于三相全控整流或调压电路，要求顺序输出的触发脉冲依次间隔60。本设计采用三相同步绝对式触发方式。根据单相同步信号的上升沿和下降沿，形成两个同步点，分别发出两个相位互差180的触发脉冲。然后由分属三相的此种

19、电路组成脉冲形成单元输出6路脉冲，再经补脉冲形成及分配单元形成补脉冲并按顺序输出6路脉冲。本设计课题是三相全三相全控桥整流电路中有六个晶闸管，触发顺序依次为：VT1VT2VT3VT4VT5VT6，晶闸管必须严格按编号轮流导通，6个触发脉冲相位依次相差60O，可以选用3个KJ004集成块和一个KJ041集成块，即可形成六路双脉冲，再由六个晶体管进行脉冲放大，就可以构成三相全控桥整流电路的集成触发电路。如图3.6。3.2.3三相调压触发电路PCB设计图3.7触发电路PCB本PCB采用Altium Designer来设计，Altium Designer提供了方框图的绘制以及工程层次间的连接。顶层的原

20、理图看起来就跟用户自己画的方框图一样，每个框图都用一个指向独立原理图或者一组原理图的“图表符”来表示。信号通过连接线或总线在图纸符号中传输，然后通过图表符间的连线传到其他子图纸的端口。画出顶层原理图后，用户可以为每个图表符设计完整的功能电路。同步功能使用户能够很容易地保持设计层次的完整性和准确性。4总结通过这次课程设计，我对异步电机调压软起动有了更深入的理解。尤其是三相交流调压这部分极为深刻，对这个电路的工作原理，电压电流波形有了更深一步的认识，还有器件KJ004，以前不甚了解，通过设计，对它的内部结构以及其他方面了解了很多，有些知识是课堂上学不到的，涉及到了电力电子装置及系统、电力电子技术、

21、电力拖动电机学等众多学科。通过做课程设计，我从中得了不少收获。不仅在理论上，知道课本的理论知识的最要性，而且也知道实践如何运用理论，理论联系实践。虽然，在做设计的过程中克服了很多困难，解决了不少问题，但是我坚持到底，尽自己的力量做到最好。相信通过这次的设计将在以后的工作中给我不少的启发。我也会在今后更多的时间学习各种新知识。给自己不断的充电，增值。完成本设计用到了很多书本以外的知识，单用书本上的知识是设计不出来的，现在的系统设计都会涉及到多方面的知识，因此学好书本上的基本知识点以后还要做相应的拓展学习，将其他的与之相关的内容联系起来，对开阔我们的知识面有很大的帮助。参考文献1 杨荫福.电力电子装置及系统.北京：清华大学出版社，20062 陈伯时.电力拖动自动控制系统.北京：，20093 王兆安.电力电子技术.北京：机械工业出版社，20094 李发海.电机与拖动基础.北京：清华大学出版社，20085 Charles K.Alexander.电路基础.北京：清华大学出版社，20066 刘纯厚.近代交流调速.北京：冶金工业出版社，1995附录总电路图