1、摘 要I本科毕业论文（20 届）基于 DSP 的电机起动的无功补偿装置设计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要II摘 要电机在国民经济各行业中都占据着十分重要的位置,其中三相异步电机以其结构简单，制造方便，运行性能好，并可节省各种材料，价格便宜的优点得到了广泛的应用! 例如，在工农业生应用中，它可以拖动风机、水泵、压缩机、各种轧钢设备、轻工设备、冶金和矿山机械等；在民用电器中，电扇、洗衣机、冰箱、空调都是有单相异步电动机拖动，总之，异步电机应用范围广泛，需求量大，是实现电气自动化不可缺少的动力设备。自然，三相异步电机的运行质量是人们一直所关心的问
2、题。电机的瞬时起动电流是电机额定电流的 5-7 倍，如果电机质量不好，甚至有到 15 倍的，虽然起动电流很大，但起动转矩并不是很大，通常是额定转矩的 2 倍。据资料统计，目前我国电机年用电量超过 2 万亿千瓦时，约占全国用电量的 60%，但高效节能电机市场份额不到 3%，电机系统整体运行效率比发达国家低 20%左右。本文介绍了电机的软启动装置，重点介绍了磁饱和电抗器的工作原理，控制方法，参数选择，对电机启动过程中的大电流进行的调节作用，并简要介绍了其发展史。电机软启动装置对电机启动时的大电流有一定的限制作用，从这种意义上说，电机软启动装置具有无功补偿的作用。但其无功补偿功能并不是十分强大，还需
3、再加上其他补偿装置，从能从根本上限制启动时的巨大电流。本文介绍了各种无功补偿装置的性能、优劣、性价比等等，从经济上考虑，只要各个部件参数选择得当，软启动加上并联电容器可以补偿电机起动时的大量无功功率。另外本系统采用数字信号处理器 DSP 作为控制器，并介绍了 WB1831BX传感器作为控制器输入信号的预处理装置，大大提高了控制系统的性能。关键词：软启动，无功补偿，磁饱和电抗器，并联电容器AbstractIIAbstractThe Motor in the national economy in various industries occupies a very important posit
4、ion, including three-phase asynchronous motor with its simple structure, easy fabrication, operating performance is good, and can save all kinds of materials, the price is cheap advantage a wide range of applications. For example, born in agricultural and industrial applications, it can drag fan, wa
5、ter pump, compressor, all kinds of rolling equipment, light industry equipment, metallurgy and mining machinery, etc.; In civil electrical appliances, electric fan, washing machines, refrigerators, air conditioning is a single phase asynchronous motor drive, in short, asynchronous motor wide applica
6、tion, demand is big, is to realize the electrical automation indispensable power equipment. Natural, three-phase asynchronous motor is running quality of people have been concern about.The motor is instantaneous starting current motor rated current of the five to seven times, if motor quality is bad
7、, or even to 15 times as much, although starting current is very big, but starting torque and is not very big, is usually rated torque of 2 times. According to statistics, Chinas current power more than 2 trillion kilowatt-hours motor, accounting for about 60% of the national power consumption, high
8、 efficiency and energy saving motor but less than 3% market share, motor system overall efficiency than developed countries low 20%.This paper introduces the soft start-up devices of the motor; this paper introduces the working principle of magnetic saturable reactor, control method, the parameters
9、of choice, for motor start process of the regulation effects of large current, and briefly introduces the history.Motor soft start devices on motor activated when the large current to have certain restriction role, in this sense, motor soft starter has the function of the reactive power compensation
10、. But the reactive power compensation function and not very strong, still need to add other compensation devices, from essentially limit activated when the great current. This paper introduces various kinds of reactive compensation device AbstractIIIperformance, actor, and the cost performance and s
11、o on, from the economic consideration, as long as each part parameter selection is proper, soft start plus parallel capacitor can compensate for motor starting a large number of reactive power.In addition the system USES the digital signal processor (DSP) as a controller, and introduced the WB1831BX
12、 sensor as the input signal controller pretreatment devices, greatly improving the control the performance of the system.Keywords: soft start, reactive compensation, magnetic saturation reactor, parallel capacitor 目 录IV目 录摘 要 IABSTRACTII第一章 绪 论 1 1.1 课题的来源与意义 1 1.2 国内外发展状况 2 1.2.1 无功补偿 21.2.2 电机软起动
13、5 1.3 本课题完成的主要工作 7第二章 电机软起动无功补偿装置设计 82.1 电机软起动无功补偿系统结构 82.2 饱和电抗器工作原理 82.2.1 饱和电抗器的理论计算 92.2.2 饱和电抗器的工作原理 102.2.3 单铁芯饱和电抗器的改进 112.2.4 磁饱和电抗器对负载电压的调节作用 122.3 无功补偿工作原理 132.3.1 并联电容器无功补偿原理 132.3.2 并联电容器的计算与图形分析 142.4 DSP 控制器简介 15第三章 系统硬件设计 173.1 电机型号 173.2 系统主电路设计 173.2.1 软启动装置 173.2.2 无功补偿装置 17 3.2.3
14、交流接触器 183.3 控制系统的设计 183.4 信号预处理装置 23目 录V3.5 电源电路设计 253.5.1 DSP 电源设计 253.5.2 直流可控电源设计 263.6 驱动电路设计 273.6.1 交流接触器驱动电路设计 273.6.2 PWM 驱动电路 28第四章 系统软件设计 294.1 主程序设计 294.1.1 无功补偿装置设计 294.1.2 软起动装置软件设计 30总 结 34参考文献 35致 谢 36第一章 绪 论- 1 -第一章 绪 论1.1 课题的来源与意义电机在国民经济各行业中都占据着十分重要的位置,其中三相异步电机以其结构简单，制造方便，运行性能好，并可节省
15、各种材料，价格便宜的优点得到了广泛的应用。例如，在工农业生产应用中，它可以拖动风机、水泵、压缩机、各种轧钢设备、轻工设备、冶金和矿山机械等；在民用电器中，电扇、洗衣机、冰箱、空调都是有单相异步电动机拖动。总之，异步电机应用范围广泛，需求量大，是实现电气自动化不可缺少的动力设备，故三相异步电机的运行质量是人们一直所关心的问题。异步电动机存在功率因数低等缺点：电机起动瞬间三相电动机起动时的瞬时起动电流是电机额定电流的 5-7 倍，如果电机质量不好，甚至有到 15 倍的，虽然起动电流很大，但起动转矩并不是很大，通常是额定转矩的 2 倍。据资料统计，目前我国电机年用电量超过 2 万亿千瓦时，约占全国用
16、电量的 60%，但高效节能电机市场份额不到 3%，电机系统整体运行效率比发达国家低 20%左右。电机起动电流大，导致母线电压将增大，因而影响同一供电网上其他用电设备的正常运行，而且电气元件(接触器、过载)必须选择能耐受满浪涌电流的规格，机械系统如齿轮箱、风扇皮带、电机轴、水泵轴寿命缩短，磨损加剧，易碎的产品碎裂、破裂、散落，定位产品的位移等，而起动转矩相对来说较小，定子漏阻抗压降大，功率因数也就很低，系统的损耗很大。因此电机起动时，对电机进行无功补偿和软起动具有重要的实际意义。对电机进行无功补偿，有以下意义：(1)补偿无功功率,可以增加电网中有功功率的比例常数。(2)减少发、供电设备的设计容量
17、，减少投资，例如当功率因数 cos=0.8增加至 cos=0.95时，装 1kVar 电容器可节省设备容量 0.52kW；反之，加0.52kW。对原有设备而言，相当于增大了发、供电设备容量。第一章 绪 论- 2 -(3)提高功率因数后，线损率下降了，减少设计容量。减少投资，增加电网中有功功率的输送比例，以及降低线损都直接决定和影响着供电企业的经济效益。因而，功率因数是考核经济效益的重要指标，规划、实施无功补偿势在必行。电机软起动就是在电动机起动过程中，在电动机主回路串接变频变压器件或分压器件，使电动机端电压从某一设定值自动无级上升至全压，电动机转速平稳上升至全速的一种电动机起动方式。所以软起动
18、有明显的优点，首先是起动电流可根据需要进行调节，不至于引起电网电压的大幅度变化引起周围用电设备的不正常运行，切换时也不会引起电流冲击，其次就是电机在起动过程中平稳的加速，避免了动力传输的辅助设备(例如三角皮带、变速机构)和做功的机械设备带来强大的机械冲击。 1.2 国内外发展状况随着世界经济的飞速发展，变压器、异步电机、风机、水泵等交流电机在工业、交通和电力系统等领域获得了更加广阔的应用。这些负载消耗过多的无功功率，增加电压电能损耗，降低电网运行效率，造成电力资源的巨大浪费！若不加治理，随着无功功率的需求量日益增大，功率因数的不断降低，用电质量进一步恶化，电力系统迫切需要进行无功补偿。为扭转局
19、面，20 世纪初，科学家在电路中连接一些设备，对负载进行补偿，用以提高功率因数，改善电能质量 1。1.2.1 无功补偿针对无功功率补偿技术的发展，就全球而言，无功补偿大致经历了四个阶段:并联电容器，同步补偿器，静止无功补偿器(SVC) ，静止无功发生器(SVG)。国外无功补偿装置主要发展情况：(1)并联电容器。20 世纪之初，专家们采用的无功补偿技术是并联电容器。一般并联在伏在附近，是就地补偿的一种。由于这种方法减少了输配电网络相第一章 绪 论- 3 -负载提供的无功功率，同时减少了输配电线路所需要输送的无功功率，从而降低了电网所需要承担的负载和传递无功功率所产生的电能损耗，在一定程度上提高了
20、电力系统的供电量，节约了能源在一定范围内使得运行时的损耗降低，也是的功率因数降低，提高了电能质量。这种装置有一定的优点，整体而言结构简单，安装容易，维修简单，补偿效率较高，运行成本低等等。但是由于在运行过程中电抗大小恒定，无法灵活的针对非线性元件所消耗的瞬时无功功率进行补偿 4。(2)同步调相机。20 世纪初随后的几年里，渐渐的出现了同步调相机、同步电动机、同步发电机等同步电机。同步调相机曾被广泛应用于枢纽变电站中，用于部长传递无功功率而造成的电压降和电能损耗。相对也并联电容器而言，这种旋转无功补偿方式具有一定的优势。能够较为灵活的地根据电路的需要而改变转速，以吸收或者产生不同大小的无功功率稳
21、定电网电压。当电路中有负载消耗感性无功时，电机就工作在过励磁状态，产生无功功率，从而能使电压上升。当电路中有负载消耗容性功率时，电机就工作在欠励磁状态，吸收无功功率，使得电压下降。运行过程中，损耗和噪音大，不能保证平稳运行 4。另外，这类装置故障率高，维护成本较高，这种无功补偿方式不利于大面积推广。(3)静止无功补偿器。并联电容器和静止无功补偿器在无功补偿方面各有弊端 2。电抗器有不同的用法，将电容器并联在感性电路中，能够补偿感性负载；同理，将电抗器并联在容性负载电路中，可以补偿容性功率；将电抗器串联在负载前，可限制电路短路电流。但电抗器存在一个缺点：电抗值是固定的，当电路中负载产生变化，无功
22、需求量产生变化时，电抗器就不能满足要求了。随着社会的发展，这种固定电抗器越来越显示出它的局限性。在二十世纪六十年代时，人们开始进行饱和电抗器进行研究。饱和电抗器包括可控饱和电抗器和自饱和电抗器。1967 年，作为最早的静止无功补偿装置，饱和电抗器静止无功补偿系统被英国的 GEC 公司成功的研发并成功的生产出来。接下来的几年时间里，各国知名的电气公司也相继制造出这种补偿装置。相对之前的同步补偿器而言，这种补偿具有很多优点：反应速度快、产生谐波小以及噪音影响小，主要应用在高压输电线路中 5。这种装置的缺点是损耗大，成本较高，调整速第一章 绪 论- 4 -度较慢，动态补偿时间长等。静止无功补偿装置之
23、所以称之为“静止”是相对于“旋转”而言的，在电路中不再使用电动机、发电机等旋转器件取而代之的是用静止的开关等等对电抗器进行调节或者控制，以达到产生或者吸收无功功率的目的 4。随着电力电子技术的发展，逐渐出现了以晶闸管为代表的半控型电力电子器件，于是另一种静止无功补偿装置静止无功补偿器也随之诞生。晶闸管充当投切开关或者输出功率的调节开关。这种开关克服了接触器等机械式开关，理论上其寿命是无限期的。1977 年美国通用公司研制出利用电力电子的静止无功补偿装置。接下来的一、二年内，各国纷纷投入人力、物力，相继研制出这类装置。其常见类型有晶闸管控制电抗器(TCR)，晶闸管投切电容器 (TSC)，以及二者
24、混合使用。这类装置可根据需要控制电抗值大小，控制灵活，损耗小，因此获得了大面积的使用。其缺点是系统产生谐波，对电力系统的影响不可忽视。(4)静止无功发生器(SVG) ，也叫 STATCOM，是目前最先进的无功补偿装置设计。随着电力电子技术的进一步发展，出现了 IGBT、IGCT、GTO 等全控型器件，同时电力电子技术中出现的相关技术如 PWM 技术( 脉宽调制技术)，整流技术，相控技术等也有了很大的发展 7。继 1977 年第一部电力电子器件控制的静止无功补偿装置诞生后，人们致力于一种更为先进的装置SVG 的研制，终于在 1980 年首部 SVG 在日本诞生，当然其他国家也竞相推出相关产品。这
25、类装置通过控制全控型器件的关断改变无功电流的输出 8。该装置在直流侧并上电容器为电压型补偿器，若并上电感则为电流型补偿器 9。这类装置很有优势，根据电力系统无功理论，总系统无功量为 0，所以并在直流侧的电抗器容量不必很大，能维持直流侧电压就行。占用空间小，补偿时间短，适用范围广，应用得当，可大幅度降低谐波。无功补偿装置在国内的发展情况：70 年代武汉钢铁公司 1.7cm 轧机工程进口了比利时的直流励磁饱和电抗器和日本的电容器组成的静补装置后，国内才对可变无功的补偿问题引起了注意。在国内，补偿无功用的最多的办法是并联电容器。在低压( 10kV 以下) 供电网络中大量地和在中压( 60kV、35kV) 配电网络中少量地装设并联电容器组，以
