（电力电子与电力传动专业论文）软起动器的设计与仿真.pdf

a b s t r a c t t h ec u r r e n tw i l lb eg r e a tw h e nt h ea s y n c h r o n o u sm a c h i n es t a r td i r e c t l y , e s p e c i a l f o rt h eh i g h p o w e rm a c h i n e s i tc a nm a k ep o w e rs y s t e mi m p a c t i v ea n da f f e c to t h e r e q u i p m e n t so nt h es a m ep o w e rn e t w o r k s e c o n d l y , i tc a nd a m a g et h ee q u i p m e n t s 研 s h o r tt h ee q u i p m e n t sl i f e s p a nb e c a u s eo ft h ei m p a c tw h i c hc a u s e db yl a r g e l y s t a r t i n gt o r q u e f i n a l l y , t h ei m p a c to fc u r r e n tw i l la l s oh a v ea l li m p a c to n t h em o t o r i t s e l f h e n c e ，c o n t r o l i n ge x c e s s i v ec u r r e n t o ft h es t a r t i n gp r o c e s s ，r e d u c i n gt h e e x c e s s i v es t a r t i n gt o r q u e ，c a nt a k es i g n i f i c a n te c o n o m i cb e n e f i t s i nt h i sp a p e lp o w e r e l e c t r o n i c st e c h n o l o g yf o ra s y n c h r o n o u sm o t o rs o f ts t a r t e rh a sb e e ns t u d i e d f i r s t l y , t h i st h e s i si n t o d u c e sa ne l e c t r o n i cs o f ts t a r tt e c h n o l o g yi nt h ed e v e l o p m e n t o fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ls i t u a t i o na n dp r o s p e c t s ，m a k i n gt h et h e o r e t i c a la n a l y s i so f t h em o t o rs t a r t i n gp r o c e s sb a s e do nt h em o d e lo fa s y n c h r o n o u sm o t o r t h e np r o p o s et h e s o f t - s t a r tm e t h o da n dd e s c r i b et h ed e t a i l so fi t sw o r k i n gp r i n c i p l e ，w o r k i n gp a r e m t h r o u g ha n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ev a r i o u ss t a r t i n gm e t h o d s s e c a n d l y , t h eh a r d w a r ed e s i g no fs o f t s t a r t e ra r ei n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gt h e t r i g g e rc i r c u i t ，c u r r e n ts e n s i n gc i r c u i t ，z e r oc r o s s i n gd e t e c t i o nc i r c u i t ，c o m m u n i c a t i o n c i r c u i t a ne x t e r n a le e p r o mc i r c u i t ，t h eo u t p u tb y p a s sc i r c u i ta n df a u l to u t p u tc i r c u i t a sw e l la st h ea n a l y s i sa n dd e s i g no fc o n t r o lc i r c u i t i n r o d u c et h es o f t w a r ed e s i g no f c o n t r o ls y s t e m ，i n c l u d i n gk e y b o a r ds c a np r o g r a m ，d i s p l a yp r o g r a m ，s y n c h r o n i z a t i o n s i g n a ld e t e c t i o np r o g r a m ，c u r r e n tt e s t i n gp r o g r a m ，t r i g g e rs i g n a lp r o g r a m ，t h e e x t e r n a l e e p r o mp r o g r a m ，s e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o np r o g r a m ，a s w e l la st h e i m p l e m e n t a t i o no f s o f t s t a r ta r i t h m e t i cp r o g r a m f i n a l l y , b u i l tas o f t s t a r t e rm o d e li nm a t l a b ，a n ds i m u l a t et h r e e c o m m o n l y s t a r t i n gm o d e a f t e rt h a t ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e d a n da n a l y z e d ，a c c o r d i n g t oc o m p a r i s o n so fd i f f e r e n to c c a s i o n s ，g i v e nad i f f e r e n ts t a r t s t a r tm e t h o d t h e nt h e h a r d w a r ec i r c u i ti sp a r to ft h ee x p e r i m e n t , t h ee x p e r i m e n t a lw a v e f o r m s a r eg i v e na n d m a d ea na n a l y s i so f k e y w o r d s ：s o f ts t a r t e r ；t h y r i s t o r ；a s y n c h r o n o u sm a c h i n e l i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得蜜昌太堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名c 掏：恚卜。采签字嗍1 年阿 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解蛊昌太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 瑚：叁i 以茹 翩掏：卜孙黯 i u 签字日期：2 1 年一月7 日 签字日期： d3 年f 砂月弘日 i 7 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的 三相异步电机与其他各种电机相比，具有结构简单，容易制造，价格低廉， 运行可靠，坚固耐用，运行效率较高和具有适用的工作特点。三相异步电机主 要用作电动机，拖动各种生产机械。例如，在工业应用中，它可以拖动风机、 泵、压缩机、中小型轧钢设备、各种金属切削机床、轻工机械、矿山机械等。 在农业应用中，可以拖动水泵、脱粒机、粉碎机以及其他农副产品的加工机械 等。在民用电器中，电扇、洗衣机，电冰箱、空调机等都由单相异步电动机拖 动。总之，异步电动机应用范围广，是实现电气化不可缺少的动力设备【l 】。 三相异步电动机的起动方法主要有以下几种：第一种为直接起动，用这种 方式来起动电机，其优点是起动设备和操作比较简单。但是，直接起动电流可 以达到电机额定电流的4 7 倍，最大的甚至超过1 0 倍，过大的起动电流使得电 网电压波动过大，影响电网上其他设备的正常工作【2 】；同时，由于过大的起动电 流将在电机轴上产生过大的转矩，这一起动转矩可达到满转矩的1 6 0 0 o - - 2 0 0 ， 这对机械和传动部件会带来一定的损坏【3 】；第二种为y 起动，对于定子绕组为 d 联结的三相鼠笼型异步电动机，为了减小起动电流，可以采用v 降压起动 方法，即起动时，定子绕组y 联结，起动后换成d 联结，但有时会遇到起动时 烧y - 转换开关的问题，而且y - a 起动的电动机定子三相绕组六个出线端都要 引出来，对于高压的电动机有一定的困难；第三种为自耦减压起动，自耦变压 器体积大，价格高，也不能带重负载起动；第四种为定子串接电抗器起动，由 于外串了电阻，在电阻上有较大的有功损耗，特别对中型、大型异步电动机更 不经济，因此在降低了起动电流的同时、却付出了较大的代价一起动转矩降低 得更多，一般只能用于空载和轻载。这些传统降压起动方法虽然在很大程度上 缓解了大容量电机在相对较小容量电网上起动时的矛盾，它们只是缩短了大电 流冲击的时间，但是并没有从本质上解决问题。而且这些起动设备还存在一些 固有的缺点：如对负载的适应能力差、起动电流不连续、触点继电器控制、维 修工作量大以及浪费能源等等问题。 随电力电子器件的出现，人们开始用新的方法解决三相异步电动机起动时 第1 章绪论 存在的一系列的问题。 1 2 软起动器的特性及优点 软起动器的研究是利用晶闸管对电压电流的控制作用而实现对三相异步电 动机的软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置。 与传统的起动器相比较，电子软起动器的突出优点体现在： 1 ) 电力半导体具体开关速度快、开关时间短的特点是其它机械开关无法 比拟的，并且能使被测参数量精密控制，这使得它能实现三相异步电机的平滑 调节，这是传统分级调速呈阶跃上升无法相比的。 2 ) 采用单片机智能控制能对起动前的电路进行基本检测，如缺相检测， 并能在起动过程中对电路故障进行相应的处理，如三相不平衡，过热保护，这 使电机能避免在异常状态下工作，从而保护了电机。 3 ) 通过将起动导通角控制在一个特定值，而使起动电流得到相应的控制， 这使电机能避免大电流的冲击，对保护电机起到了很大的作用，同时也减少对 电网的污染。 4 ) 通过单片机可以实现各种通信，这使得软起动器可以被远程控制，这 就能使软起动器联入各种通信总线，而实现统一控制并能对采集到的参数进行 管理。 5 ) 能进行外部数据的采集，通过读取变送器的模拟量而进行系统的反馈 控制，使软启动器能用作大系统的p i d 调节。 1 3 国内外软起动器的发展状况 软起动器的原理七八十年代时已经提出，只不过那时叫做晶闸管移相启动 器。在七八十年代，我国的电力电子技术及其应用正处于起步阶段，晶闸管的 生产制造也处于探索研究阶段，其一是制造成品率较低，因而售价较高，用品 闸管制造的产品在当时也是高技术、高价格产品。其二，当时可控硅的应用技 术也处于探索研究阶段，应用技术的不成熟经常造成晶闸管的损坏，所以当时 应用研究人员戏称可控硅为“可怕硅”。由于以上两个原因就造成了当时的晶闸管 移相起动器的价格很高，可靠性较差。因此，与自耦降压和y 等起动设备相 比，用户自然不选择晶闸管移相起动器，因此也就无人问津，停留在原理阶段。 2 第1 章绪论 发达国家的电动机软起动产品主要是固态软起动装置和兼作软起动的变频 器。在生产工艺兼有调速要求时，则采用变频装置；在没有调速要求的使用场 合中，起动负载较轻时( 例如风机、水泵) 采用固态软起动；在重载或负载功 率特别大的时候，才用变频软起动。固态软起动装置是发达国家软起动的主流 产品，各知名厂家均有自己固态软起动的品牌，在其功能上又各具特色，如美 国的a b 公司生产的交流调压式电力电子软起动器，德国的西门子公司，英国的 c t 公司，法国的t e 公司，及欧洲a b b 公司等均推出了软起动器产品【4 】； 而液态软起动产品，由于其种种缺点，在降压软起动领域的发展空间有限。 发达国家生产的液态软起动产品，一般用在中压绕线转子电动机软起动中。进 口的液态软起动产品，主要是6 0 年代到9 0 年代的产品，在发达国家有被淘汰 的趋势。 八十年代末期至九十年代，由于我国电力电子行业的一大批人的努力拼搏， 可控硅( 晶闸管) 的制造工艺水平大大提高，同时，随着新的电子元器件、集 成电路、单板机、单片机的不断推出，终于迎来了我国电力电子行业快速发展 的春天，就在此时，晶闸管移相起动器有了新的发展。1 9 9 2 年十月西安西普电 力电子有限公司的科研人员根据国外的一篇文章，拟定了软起动器的研发课题， 9 3 年底完成了该产品的研制。当时召开新产品发布会，媒体称该产品问世是交 流电机起动设备革命性的进步。 1 4 软起动器的发展前景 现在中国软起动器的市场十分广大，年需求量应在6 亿人民币左右甚至更 高。如果电机的制造机理不发生革命性的变化，软起动器将成为电机起动设备 的主流产品，也就是说该产品的市场仍将在5 至6 年内不断增长，因此，该产 品市场前景将十分看好。但是也有业内人士设想，如果i g b t 等新的电力电子产 品的制造水平不断提高，销售价格不断下降，由此使得变频器的价格一降再降， 有可能夺走软起动器的部分市场，甚至取代，这亦未可知。从以下两个方面来 讲，这种可能在几年内出现的期望不大：1 ) 变频器与软起动器相比，毕竟多了 一个直流环节，因而价格不占优势；2 ) 许多场合电机满负载运行无需变频调速。 变频器的节能优势得不到发挥。所以，软起动器市场前景看好。 3 第1 章绪论 1 5 本文的所做工作 在目前，软起动器还有着很广泛的应用场合和重要的应用价值。但国内目 前还没有厂家研发出带有转矩控制的软起动器。本文在现有的电子软起动器的 基础上，以1 6 i n t e l 单片机作为控制和运算核心开发控制可靠，性能优越，具有 转矩控制功能的软起动器。围绕晶闸管交流调压方式做了一些研究工作，利用 单片机控制晶闸管交流调压方式进行了电子软起动器设计。论文的主要内容如 下： 1 从理论上分析了三相异步电动机的起动过程，分析得出异步电机的起动 性能的改善可以通过改变所加电压来调节。结合三相交流调压电路的特点，分 析了各种调压方案的原理及利弊。 2 对软起动的三种主要工作模式，并转矩斜坡控制起动公式进行了推导。 3 电流量的检测采用了直流检测法，这就比传统的将交流电参量整流滤波 成直流量的检测方法在检测与精度和计算上具有优势，而且不会受整流桥非线 性因数的影响。本课题采用的直流检测法并不是通过抬高电平的方式来检测的， 而是将正负半波变成两个正半波，经过二阶低通滤波电路滤成直流，这样在同样 的a d 转换口下，用这种检测法速度就更快。 4 增加了r s 4 8 5 接口，通过这个接口，在软件上可以采用不同的通信协议 和别的设备进行通信。这样就使软起动器可以接入大的系统中可以进行负反馈 调节j 也可以进行远程控制和监视，提高了自动化程度。 5 在电路上进行了高低压的光耦隔离，从而使硬件的安全性更高，系统更 加稳定可靠。 6 分析了传统晶闸管触发电路的缺点，对晶闸管的触发电路进行了改进， 使触发电路比传统的电路更优越更理想。 7 增加了液晶显示，从而使人机交互界面比起以前的数码管显示更加生动 直观。 8 增加了外部e e p r o m ，这就使得设置参数及得来的数据能够在掉电的情 况下得到保护。 4 第2 章软起动器的理论基础 第2 章软起动器的理论基础 2 1 三相异步电机的数学模型 为了研究异步电机的起动和停机时的电压、电流、转矩等变量的关系，首 先就需要研究异步电机的数学模型，异步电动机的数学基本模型有以下两种： 基于状态方程的数学模型和基于集中参数等效电路的数学模型f j l 5 1 。对于变频调 速而言，多采用前者；然而对于软起动而言，一般采用后者。当三相异步电动 机转子不转而转子绕组短路时可以得到以下五个基本方程式。 u = 一e + ( 墨+ ，x 1 ) ( 2 - 1 ) 置= i o ( 如+ 瓜) ( 2 - 2 ) 丘= 摩 ( 2 3 ) 易= 厶( 足+ 鹏) ( 2 - 4 ) 厶= 五十厶 ( 2 5 ) 式中，z 1 = r 1 + 瞄是定子漏阻抗； z 卅= 如+ 以是定子励磁阻抗， z = 砖+ 越是转子折合到定子侧的漏阻抗 根据以上五个方程式，可画出如图2 1 所示的等效电路。 图2 - 1 转子堵转，转子绕组短路时的等效电路 当三相异步电动机转子以转速n 恒速旋转时，转子回路的电压方程式为 易，= 厶，( r + ，) ( 2 - 6 ) 式中，忘，是转子转速为n 时，转子绕组的相电动势； 之，是上述情况下转子的相电流； 5 第2 章软起动器的理论基础 五。是转子绕组一相的漏电抗，和2 - 4 式中的置的数值不同； 尺，是转子一相绕组的电阻。 转子旋转时，转子绕组中感应电动势为 岛，= 4 4 4 f ：2 k 2 肌 = 4 4 4 颐2 2 脚 = 幔 。 ( 2 - 7 ) 式中，以是转子频率，z 是电网频率，易是转子不转时转子绕组中感应电 动势。 转子漏电抗五，是对应转子频率五时的漏电抗，它与转子不转时转子漏电抗 z 的关系为 五，= s 置 ( 2 8 ) 根据上面所得结论，把式( 2 6 ) 变换为 1 2 5 - - 丽e 2 5 = 盘 = 士= 厶 ( 2 9 ) = - = 一= ， z - y - 堡+ 似勺 r 式中，忘、五、之分别是电动机转子不转时，一相的电动势、电流和漏电 4 饥。 根据式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 3 ) 、( 2 - 5 ) 、( 2 - 9 ) 伽出如图2 - 2 的等效电路，与图 2 1 相比较，在转子回路里增加了一项值为! ! 寇的电阻。 图2 - 2 三相异步电动机的t 型等效电路 从图2 2 等效电路看出，当异步电动机空载时，转子的转速接近同步速，转 6 第2 章软起动器的理论基础 差率s 很小，哆多趋于o o ，电流之可以认为等于零，这时定子电流五就是励磁 e 流j o ，电动机的功率因数很低。 当电动机运行于额定负载时，转差率s o 0 5 ，。杉约为砭的2 0 倍左右，等 效电路里转子侧呈电阻性，功率因数c o s 仍较高。这时，定子侧的功率因数c 0 s 仍 也比较高，可达0 8 0 8 5 。 2 2 三相异步电机的功率与转矩关系1 1 l 2 2 1 功率关系 当三相异步电动机以转速刀稳定运行时，从电源输入的有功功率为露 暑= 3 u c o s q ，l( 2 l o ) 定子铜损耗为圪。为 如l = 3 1 1 2 r , ( 2 一1 1 ) 正常运行情况下的三相异步电动机，由于转子转速接近于同步转速，气隙 旋转磁通密度廖与转子铁心的相对转速很小，再加上转子铁心和定子铁心同样 是用0 5 m m 厚的硅钢片叠压而成，所以转子铁损耗很小，可忽略不计。因此，电 动机的铁损耗只有定子铁损耗气。，即 l = 3 露如 ( 2 1 2 ) 从图2 2 等效电路和式( 2 1 0 ) 、( 2 - 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 得出，传输给转子回路的电 磁功率乞等于转子回路全部电阻上的损耗。 毛= 丑一乇。一心。 转子绕组中的铜损耗最_ ：为 p c 2 = 3 彰r 2 带动转子以转速刀旋转的功率为乞 乞= 一圪： 2 2 2 转矩关系 在异步电动机中，机械功率己就是电磁转矩丁乘以转子机械角速度q ，即 7 第2 章软起动器的理论基础 已= 丁q 已知 己= 最+ + 见 把上式两边都除以q ，得转矩关系为 t = 互+ 乙+ 乙 = 互+ 瓦 式中，正为电动机转轴输出转矩； 乙为机械损耗转矩； 疋为电动机附加损耗转矩； t o = 毛+ 艺为空载转矩。 电磁转矩丁与电磁功率的关系为 r ：墨：土：堡 q 鲤( 1 - s ) 2 ；r n a 6 06 u ：益 q 。 2 2 3 转矩与输入电压关系 p3 譬堕3 i i 2 r _ _ l 2 q 2 万强2 x f 6 0 p 三相异步电动机等效电路中，由于励磁阻抗比定、转子漏阻抗大得多，把t 型等效电路中励磁阻抗这一段认为开路，计算出的厶误差很小。故 ：1 垒；一 ( 2 11 ) ( 墨+ 争2 地嘲2 代入上面电磁转矩公式中去，得到 t = 8 第2 章软起动器的理论基础 3 p u 2 r 2 ( 2 1 2 ) 这就是三相异步电动机机械特性的参数表达式。给定u 、z 及阻抗参数， t - - f ( s ) 画成的曲线便为r - s 曲线。 上式说明，电磁转矩丁与电压u 平方成正比，与漏阻抗成反比。 2 2 4 堵转转矩 电动机堵转时血= 0 ，j = 1 ) 的电磁转矩称为堵转转矩，将s = l 代入式( 2 1 2 ) 中，得到堵转矩z ，为 丁3 p 昕足 。一f _ = _ = 彳 3 2 万彳i ( 蜀+ 恐) 2 + ( 五+ 置) 2l 从式中看出，疋与电压u 成正比，漏电抗越大，堵转矩越小。 异步电动机的起动特性主要标志在起动电流和起动转矩两个方面：希望电 动机起动时能产生足够的起动转矩，以便带动负载快速地达到正常转速；同时， 也希望起动电流不要太大。 对异步电动机来说，异步电动机不存在换向问题，对不频繁起动的异步电 动机来说，短时大电流没什么关系。对频繁起动的异步电动机来说，频繁出现 短时大电流，会使电动机内部发热材料过热，但是，只要限制每小时最多起动 次数，电动机也是能承受得住的。因此，可以说，只考虑电动机本身，是可以 直接起动的。 。 对供电变压器的影响为：因为在供电变压器的容量比较小时，过大的起动 电流将会使变压器输出电压下降，从而影响接在同一电网上的其它电气设备的 正常工作。 下面分析针对异步电动机的起动特性，传统的起动方式和原理。 2 3 三相异步电传统起动方式和原理i l i 2 3 1 直接起动 由式( 2 1 0 ) 可以看出，当直接起动时，转差率s 为1 ，代入式中可得 9 第2 章软起动器的理论基础 2 0 2 而鬲了- - 雨i 雨 当电动机运行于额定负载时，转差率s o 0 5 ，嘭2 0 r 2 。电阻砭。远远小 于正常运行时的砭，从而导致刚起动时的电流厶远大于额定时的电流t ，而起 动转矩并不大的结果。图2 - 3 所示为三相异步电动机直接起动时的电流特性( 曲 线1 ) 与固有机械特性( 曲线2 ) 。 图2 - 3 直接起动电流特性与崮有机械特性 当自身容量不大或电动机拖动负载较轻时，三相异步电动机可以采用直接 起动。这种起动方式在电动机起动瞬间，电机转子转速n 为0 ，转差率s 为1 ， 转子与旋转磁场之间的相对转速达到最大，故它在转子导体上产生的感应电动 势和电流也最大。因为电动机的转矩与施加电压的平方成正比，所以起动转矩 大，起动迅速，操作简单。但是起动电流可以大到电动机额定电流的4 8 倍， 这么大的起动电流将造成电网电压的显著下降，影响同一电网其他电气设备和 电子设备的正常运行，甚至会使其他设备因电压过低而退出运行【6 j 。 要供电变压器容量较大，电动机容量较小的前提下，三相鼠笼型异步电动 机可以直接起动。一般地说，容量在7 5 k w 以下的小容量鼠笼型异步电动机都 可直接起动。 直接起动，不需要专门的起动设备，这是三相异步电动机的最大优点之一。 2 3 2 定子串接电抗器起动 三相异步电动机定子串电抗器起动，起动时电抗器接入定子电路；起动后， 1 0 第2 章软起动器的理论基础 切除电抗器，进入正常运行。 三相异步电动机直接起动时，其每相等效电路如图2 4 ( a ) 所示，电源额 定电压u 直接加在短路阻抗z r = + r 上。定子侧串入电抗x 起动时，每相 r r7 7t r 等效电路如图2 4 ( b ) 所示，u v 加在( + z r ) 上，而z 置上的电压是u l 。定子 侧串电抗器起动可以理解为增大定子侧电抗值也可以理解为降低定子实际所加 电压，其目的是减小起动电流来保护电机和减小对电网的冲击。 ( a ) 亘援起动 ( b ) 定子串接电抗器起动 图2 4 定子串接电抗器起动时的等效电路 根据图2 - 4 等效电路，电动机定子串了电抗x 后，其堵转电流为e i 一： 坠：堕 。= 二型一= 二上 q k + 体)z k 设串电抗时电动机定子电压q 与直接起动时定子额定电压巩比值为u ，则 篑器i 乙i + x 丢= 净= 器ul 乙i + x 署= 甜- ( 器 2 式中，t 、l 分别是定子串电抗与不串电抗时的堵转电流； f 、瓦分别是定子串电抗与不串电抗时的堵转转矩。 当选定u 值时，定子应串的电抗为 x = 竺i 乙i 第2 章软起动器的理论基础 2 3 3y - 一起动 对于运行时定子绕组为d 联结的三相鼠笼型异步电动机，为了减小起动电 流，可以采用y 一降压起动方法，即起动时，定子绕组y 联结，起动后换成d 联结，其接线图如图2 5 所示，开关墨闭合接通电源后，开关墨合到下边，电 动机定子绕组y 联结，电动机开始起动。当转速升高到一定程度后，开关墨从 下边断开合向上边，定子绕组d 联结，电动机进入正常运行。 图2 5j ，一起动接线图 “运行 k y 起动 电动机直接起动时，定子绕组d 联结，每一相绕组起动电压大小为u ，每 相起动电流为厶，线上的起动电流为= 弘。采用】，一起动，起动时，定子 绕组y 联结，每相起动电压为 “= 等 每相起动电流0 一么一l生：么巫： l u n 0 3 起动线电流c 为 i j s = i y = 隶i 、 1 ， 互：壁：! ls 4 3 1 , , 3 上式说明，l ，一起动时，尽管相电压和相电流与直接起动时相比降低到原 来的夕名了，但是，对供电变压器造成冲击的起动电流，则降低到直接起动时 1 2 第2 章软起动器的理论基础 的。 直接起动时堵转矩为疋，y - a 起动时堵转矩为 丢= 弓ii u 3 ，一起动方法简单，只需一个】，一转换开关( 做成l ，一起动器) ，价格便 宜，但有时会遇到起动时烧】，一转换开关的问题。】，一起动的电动机定子三相 绕组六个出线端都要引出来，对于高电压的电动机有一定的困难。 2 3 4 自耦减压起动 三相鼠笼型异步电动机采用自耦变压器降压起动称为自耦减压起动，其接 线图如图2 - 6 所示，起动时，开关k 投向起动一边，电动机的定子绕组通过自 耦变压器接到三相电源上，属降压起动。当转速升高到一定程度后，开关k 投 向运行边，自耦变压器被切除，电动机定子直接接在电源上，电动机进入正常 运行。 “运行” “起动” 图2 - 6 自耦减压起动 自耦减压起动时，一相电路如图2 7 所示，电动机起动电压下降为d 。，与 起动时的电压吼的关系为 1 3 第2 章软起动器的理论基础 un 、 一= 0 u nn l 电动机降压起动电流为f ，与直接起动时电流l 之间关系是 f ：un 。 = - = = 一= = _ is u nn i 因此，自耦变压器降压起动与直接起动相比，供电变压器提供的起动电流 的t 关系为 图2 7 自耦减压起动的一相线路 上式表明，采用自耦减压起动时，与直接起动相比较，电压降低到州必，倍， i 堵转电流与堵转转矩降低到( 乞戈) 倍。 与定子串电抗起动相比，自耦减压起动时当限定的起动电流相同时，堵转转 r 矩损失的较少，比】，一a 起动灵活，并且当川双，较大时，可以拖动较大的负载 。i 起动。但是，自耦变压器休积大，价格高，也不能带重负载起动。 1 4 为系关的间之 l 与丝m ， = t j妒，气 流电动起的边压高器压变耦 p m m ，l = 生c o 第2 章软起动器的理论基础 2 4 三相异步电软起动原理和方式 前面介绍的几种鼠笼型异步电动机降压起动方法，主要目的都是减小起动 电流，但存在起动过程呈跳跃式的跨越，因而电流也是跨越式的增大，对电网 和电机本身机械也会造成一定的冲击。 由于传统起动方式很难在起动过程中精确地调整电机参数以满足电机按照 某种要求平滑地起动，并且会对电网造成一定的冲击，为了解决这一问题：软 起动器就应运而生了1 7 j 。目前，在电力拖动领域内得到广泛应用的主要有两种方 案：一种是采用变频起动；另一种是采用的就是软起动器方案起动。前者通过 变频与调压来满足起动要求。电动机软起动是一种连续渐渐升压起动方式，主 要思想是通过软件控制晶闸管导通角，使电动机在起动时，定子电压由某一个 初始值逐渐上升至全电压。即软起动是以软件控制晶闸管导通角大小来代替常 规继电器线路控制来满足电动机平稳升压起动。 2 4 1 晶闸管工作原理 在异步电动机和电源之间串入晶闸管可以实现对输入电压有效值的控制。 其控制原理为通过改变晶闸管的导通角来实现对电压波形的控制，如下图2 8 所 示。 ，ul u 、缈 甜 墨 缈 甏 f 一 - (z 一 一 目 - 图2 石单相晶阐管工作波形 其中口角为触发角，缈为续流角，矽为晶闸管导通角，u o 为电网相电压 有效值，u 。为异步电动机一相电压。因正负电压是对称的，正半轴电压的有 效值即为u 的有效值： u i 怯弘d 研= 也f r 砌一也n 风s i n 卅d 研 经推导后得： 1 5 第2 章软起动器的理论基础 rrrr 2 刀+ 2 矽一s i n 2 s i n 2 a - 2 a u 一2 u o 、互另一十l r 设y = s i n 2 a 一2 a ，y = 2 c o s 2 a 一2 ，当0 a 万时，y 0 ，y 是一个递减函数 由上式可以得到u ，与触发角口，续流角缈的具体关系，其中缈为一个固定 值，输出电压有效值u 随着触发角口减小而减小。 从电力电子学中可以知道，当晶闸管交流调压电路带有感性负载时，只有 当移相角口大于感性负载的功率因数妒时，才能起到调压作用，因为当口 缈时， 电流导通的时间将始终为1 8 0 0 ，其情况与口= 0 时一样，相控起不了任何调压作 用，甚至在晶闸管触发脉冲不够宽的情况下，还会出现只有一个方向的晶闸管 在工作，负载上可能出现直流分量。因此口的下限幅值取为额定运行时的缈值， 而口上限幅值取为1 8 0 0 。 2 4 2 软起动器的工作原理及过程1 8 j 1 9 i 软起动器常采用的是三相交流调压电路，每相在电源和异步电动机之间接 入反并联晶闸管调压电路或单个双向晶闸管。晶闸管的控制方式一般采用相位 控制，即使晶闸管在电源电压每一周期中，在程序规定的时刻将晶闸管导通使 负载与电源接通，通过改变导通角可实现调压。 图2 - 9 软起动器执行电路 此电路由三对反相并联的晶闸管分别串到三相电源与三相异步电动机上。 习惯上希望晶闸管按从1 到6 的是顺序导通，为此将晶闸管按上图的顺序编号， 1 6 第2 章软起动器的理论基础 晶闸管的编号为：v t l 、v t 4 构成一对接到电源a 相；v t 3 、v t 6 构成一对接 到电源b 相；v t 5 、v t 2 构成另一对接到电源c 相。 对称三相电源是由3 个等幅值、同频率、初相依次相差1 2 0 。的正弦电压源连 成的电源如图2 - 9 所示，这3 个电源依次为a 相、b 相、c 相，它们的电压为： u j = 4 2 us i n ( c o t ) = 4 2 u s i n ( c o t 一1 2 0 。) u c = 4 2 u s i n ( c o t + 1 2 0 。) 灯k x x w 。 kxxxxx 义函 图2 - 1 0 三相电源 门极触发起始控制点时一般从相电压过零时刻开始。即，口= 0 的点应定在 各相电压过零点，从相电压由负变正的零点开始计算口。根据触发角口的不同 范围，三相电晶闸管的导通状态也不同。对电路的状态及晶闸管的触发有如下 基本特点： 1 ) 为了形成电流的回路，在每一瞬间，至少要有两个处于不同相的器件导 通。 2 ) 对触发脉冲的要求：6 个晶闸管的脉冲按啊。啊喝。隅。啊的 顺序，相位依次相差6 0 。；设啊、啊、隅为正向晶闸管，、氓为 反向晶闸管，正向晶闸管之间和反向晶闸管之间的脉冲依次相差1 2 0 。，同一相的 二个晶闸管相差1 8 0 。 设够为功率因数角，口为触发角。随触发角口不同，三相异步电动机工作在 不同的状态，第一种工作状态为三相晶闸管各有一个导通，每相的瞬时电压为 三相电源电压；第二种状态为只有二相各有一个晶闸管导通，形成一个回路； 第三种工作状态是没有一个晶闸管导通即三相全截止。因三相异步电机每相都 对称平衡，以下以a 相为例分情况来讨论其工作情况。 第一种工作状态的异步电动机瞬时电压为 = u 一= x 2 u s i n ( c o t ) 1 7 第2 章软起动器的理论基础 第二种工作状态的异步c a 动机瞬时电压为 = 丢甜彻= 兰( 面s i n ( 研) 一国s i n ( 研一1 2 0 。) ) = 坐2u s i n ( 研+ 3 0 。) 或 = 三“爿c = 圭( 西s i n ( 研) 一而s i n ( 纠+ 1 2 0 。) ) = 鱼2 u s i n ( 研一3 0 。) 由上式可知，三相三线电路中，两相间导通时是靠线c a 压导通的，而线电压 超前相电压3 0 度，因此口角的移相范围是0 度到1 5 0 度。 1 当o - 口矽时，电路全导通，相当于- - k l 电动机直接起动。 2 当矽 口矽+ 6 0 0 时，电路处于三个晶闸管导通与两个晶闸管导通的交替 状态，每个晶闸管导通角度为1 8 0 口+ 痧。根据晶闸管导通顺序其工作状态分为 6 个状态： 1 ) 当0 c o t 口时，a 相截止，b 、c 相导通，晶闸管喝、睨导通，u a u = 0 。 2 ) 当口c o t 0 + 6 0 0 时，三相导通，晶闸管啊、飓、吃导通， u a u = = 4 2 u s i n ( c o t ) ； 3 ) 当矽+ 6 0 0 c o t 0 + 6 0 0 + 口时，a 、b 二相导通，晶闸管嘲、导通， “= 扣b = 了, g 碱n 似+ 3 0 j ) ； 4 ) 当+ 6 0 0 + 口g o t 1 2 0 。+ 矽时，三相导通，晶闸管啊、嘎、睨导通， u 删= “爿= x 2 u s i n ( c o t ) ； 5 ) 当1 2 0 。+ c o t 1 2 0 。+ + 口时，a 、c 二相导通，晶闸管啊、导通， 以= 扛= 学“n ( c o t - 3 0 。) ； 6 ) 当1 2 0 。+ + 口sc o t 18 0 。+ 时，三相导通，晶闸管啊、嘎、喝导通， u 川= u = x 2 u s i n ( c o t ) ； 由此可以得出计算a 相有效值的等式： 铲( 昙( p 2 u 2s i i l 2 ( 州( 叭眇毛2 2 s i n 2 ( 研+ 融+ 蟊2 1 9 砒i n 2 ( 州( 删 第2 章软起动器的理论基础 露w 毛2 2 s i n 2 ( 研一融咖臣2 us i n 2 ( 喇； 当优矽时最大，为全导通状态，u 一= 2 2 0 v ； 当口= 矽+ 6 0 0 时为最小，u a = 1 8 4 9 5 0 3 v 。 3 当矽+ 6 0 0 口矽+ 9 0 0 时，电路只出现二相导通状态，每个晶闸管的导通 角度为1 2 0 0 。以下分三个工作过程讨论： 1 ) 当0 c o t 口时，a 相截止，u 删= 0 ； 2 ) 当口c o t 矽+ 6 0 0 + 口时，a 、b 相导通，晶闸管啊、睨导通， ，= i 1 口= 半u s i n ( 耐+ 3 0 m 3 ) 当4 + 6 0 0 + 口g o t 1 2 0 。+ + 口时，a 、c 相导通，晶闸管啊、导 通，v a n - - 吾甜朋= 誓u s i n ( 耐一3 0 。) ； 由此可以得出计算a 相有效值的等式： 驴( 三( p 争2 s i n 2 ( 硝+ 静啪孽妒毛2 2 s i n 2 c 耐+ 融删，； 当口= 痧+ 9 0 0 时为最小，u a 1 1 9 1 3 6 0 v 。 4 当矽+ 9 0 。 o c 4 + 1 5 0 。时，电路处于两个晶闸管导通与无晶闸管导通的交 替状态，每个晶闸管导通角度为3 0 0 。一2 a ，而且这个导通角度被分割为不连续 的两个部分，在半周波内形成两个断续的波头，各占1 5 0 。一口。以下分三个工作 过程讨论： 1 ) 当o g o t 口+ 时，a 相截止，= 0 ； 2 ) 当口+ 矽g o t 1 5 0 0 + 矽时，a 、b 相导通，晶闸管嘲、睨导通， = 丢= 坐2 n ( 鲥+ 3 0 ) ； 3 ) 当1 5 0 0 + 矽g o t 口+ 4 + 6 0 0 时三相全截止，- - 0 ： 4 ) 当口+ 4 + 6 0 0 c o t 4 + 2 1 0 0 时，a 、c 相导通，晶闸管啊、嘎导通， 1 9 第2 章软起动器的理论基础 ：昙：霉c ，s i n ( c o t 一3 0 。) - 由此可以得出计算a 相有效值的等式： 肾c 三c 露92 3 _ u 2s i n 2 c 耐+ 和咖露争2 s m 2 c 研+ 融删声 当a = # + 1 5 0 0 时为最小，u a = o v ，且处于临介位置。 5 矽+ 1 5 0 。 o f 时，三相全截止。 2 4 3 软起动器的工作模式 2 4 3 1 限流起动 限流起动就是在电动机的起动过程中限制其起动电流不超过某一设定值l 的软起动方式，起动波形如图2 1 1 所示。限流起动主要用于轻载起动的降压起 动，当电机起动时，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，然后保持输出电流i 1 8 ，即在电机拖动额 定转矩的负载而不致停转的前提下，电压占额定电压的： 1 0 0 = 7 4 5 ( 2 1 3 ) 即如果电机驱动恒转矩负载，则u - 5 3 8 8 8 7 7 v ，相应的反向最大瞬 时电压也和断态最大瞬时电压相等即鲋v r 删( 9 0 ) 5 9 8 7 6 4 1v 。 ( 3 ) 通态( 峰值) 电压这是晶闸管通以某一规定倍数的额定通态平均电 流时的瞬态峰值电压。在选取器件时这个电压应该选比较小的，因为压降太大 会在晶闸管上产生更多的损耗，这种损耗转化为更多的热量，这样就要求加大 晶闸管的散热面积。 通常取晶闸管的肼和“删中较小的标值作为该器件的额定电压。选用 时，额定电压要留有一定的裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受 峰值电压的2 3 倍。 2 电流定额 ( 1 ) 通态平均电流易f 爿p ，国标规定通态平均电流为晶闸管在环境温度为 4 0 0 c 和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频 正弦半波电流的平均值。这也是标称其额定电流的参数。这个参数是按照正向 电流造成的器件本身的通态损耗的发热效应来定义的。因此在使用时应按照实 际波形的电流与通态平均电流所造成的发热效应相等，即有效值相等的原则来 选取晶闸管和此项电流定额，并应留二定的裕量。一般取其通态平均电流为按 此原则所得计算结果的1 5 2 倍。 ( 2 ) 维持电流，维持电流是指使晶闸管维持导通所必需的最小电流，一般 为几十到几百毫安。，h 与结温有关，结温越高，则，h 越小。 2 8 第3 章软起动器系统的硬件设计 ( 3 ) 擎住电流，擎住电流是晶闸管从断态转入通态并移除触发信号后，能 维持导遥所需的最小电流。对同一晶闸管来说，通常 约为的2 q 倍a ( 4 ) 浪涌电流k 浪涌电流是指由于电路异常情况引起的使结温超过额定 结温的不重复性虽大正向