（电气工程专业论文）初轧机高压大功率电动机的控制方案的研究和实施.pdf

江苏大学工程硕士学位论文 本文比较并分析传统起动方法的不足，对项目所采用的液体变阻 器进行较为全面的介绍和分析。为了实现较为理想的控制性能，采取 了较为新型的结构和控制保护。并结合项目实施的过程的具体工作， 对设备在后期使用和维护方面提出一些建议。 最后，对项目实施后电动机的起动性能进行了实际的测试。对液 体变阻器的功能的开发使用进行了设想。 关键词：电动机起动，起动电流，起动力矩，电阻，液体变阻器，过 电流，抑制过电流。 江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e ra im sa tt h ec o m p a r i s o na n dr e s e a r c ho fs u p p r e s s i o n a p p r o a c h e so ft h eh e a v yc u r r e n t t h a ti sg e n e r a t e dd u r i n gt h es t a r t i n g p r o c e s s ，i nw h i c h ；b l o o m i n gm i l ld r i v em o t o rt h a ti su s e di nm e t a lr o l l i n g p r o c e s s i n g d e t e r m i n e sa n di m p l e m e n t st h e r e a l i s t i cs t a r t i n gm e t h o d o fl i q u i dr h e o s t a ti ns e r i e si nt h er o t o rc i r c u i t s i m u l t a n e o u s l y , t h i sp a p e r r e s e a r c h e st h eo v e r l o a dp h e n o m e n o no fd r i v em o t o ra n di m p l e m e n t st h e a m e l i o r a t i v em e a s u r e m e n t a ca s y n c h r o n o u sm o t o ri sw i d e l yu s e db ye n t e r p r i s e si na l lw a l k so f l i f ei n l u g g i n gm e c h a n i c a le q u i p m e n t st h a n k s t oi t s s i m p l es t r u c t u r e ， c o n v e n i e n tc o n t r o l li n ga n dh i g he f f i c i e n c y t h em o t o r , h i g ht e n s i o n ( 6 k v ) ，h i g hp o w e r ( 3 0 0 0 k w ) ，a n dm e d i u ms p e e d ，h a sb e e ng r e a t l yu s e d i nh e a v yi n d u s t r ys u c ha sm e t a l l u r g ya n dm i n i n g b u tt r a d i t i o n a lc o n t r o l m e t h o dh a sg r e a td e f e c ti nm o t o rs t a r t i n g r e g a r d i n gc u r r e n tt e c h n o l o g y ，f u l ld i g i t a l i z e dc o m p r e h e n s i v em o t o r p r o t e c t i o n d e v i c ea n d f r e q u e n c yc o n v e r t e r , w h i c h a r e c l e a r l y c h a r a c t e r i z e db yp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e sa n dc o m p u t e rc o n t r o l ，c o u l d n o to n l yc o n t r o lt h es t a r t i n gc u r r e n to fm o t o r , a d j u s tt h er u n n i n gs p e e do f m o t o r , b u ta l s oe f f e c t i v e l yh o l df a u l tp r o t e c t i o n h o w e v e r , t h eh i g h t e n s i o na n dh i g hp o w e rm o t o rl u g g i n gc o n t r o ls y s t e mf o rt h em a i n p u r p o s eo fp o w e rt r a n s m i s s i o n ，a n dc o n t r o lm o d eo fa d v a n c e dt e c h n o l o g y 1 1 1 江苏大学工程硕士学位论文 m a k ear e q u i r e m e n tf o rh i g h e re q u i p m e n tp r i c e ，r u n n i n gc o s t ，a n d k n o w l e d g eo fo p e r a t o r s a n dm a i n t a i n e r s a n dt h i si sn o ts u i t a b l ef o r p r o d u c t i o nt e c h n o l o g ya n di t si m p r o v e m e n tw h i c hi sf o rt h ep u r p o s eo f b e t t e r i n gt h es u r v i v a ls t a t eo fe n t e r p r i s e s t h ep r o j e c tt h i sp a p e ra i m sa ti sam o t o rl u g g i n gt h eb l o o m i n gm i l l w h e ni t si nf u n c t i o n ，t h em o t o ri sn o tr e q u i r e dt or e g u l a t et h es p e e d ， a n di so n l yr e q u i r e dt oh a v es m a l l e rc u r r e n ta n dl a r g e rm o m e n ti ns t a r t a n dt h e s u p p r e s s i o n m e a s u r e m e n tt oa i ma t f r e q u e n t o v e r l o a d p h e n o m e n o nd u r i n gt h ew o r k i n gp r o c e s s t hi s p a p e rm a k e sac o m p a r i s o na n da n a l y s i so ft h ed e f i c i e n c yo f t r a d i t i o n a l s t a r t i n g m e t h o d a n di ta l s om a k e sa c o m p r e h e n s i v e i n t r o d u c t i o na n da n a l y s i so ft h el i q u i dr h e o s t a ta d o p t e di nt h i sp r o j e c t i n o r d e rt or e a li z ei d e a lc o n t r o lf u n c t i o n ，t h ep r o j e c ta d o p t sr e la t i v e l yn e w s t y l es t r u c t u r ea n dc o n t r o lp r o t e c t i o n t o g e t h e rw i t hd e t a i l e dw o r ki nt h e o p e r a t i o no ft h i sp r o l e c t ，t h ep a p e rm a k e ss 0 m es u g g e s t i o n s0 nt h e -v ， - 一一 l a t e r - p e r i o du s a g ea n dm a i n t e n a n c eo ft h ee q u i p m e n t f i n a l l y , t h i sp a p e rm a k e s ar e a l i s t i ct e s to ft h es t a r tf u n c t i o no fm o t o r a f t e rt h e i m p l e m e n t a t i o no ft h ep r o j e c t a n dt h ep a p e ra l s om a k e sa t e n t a t i v ep l a no ft h ed e v e l o p m e n ta n du s a g eo ft h ef u n c t i o no fl i q u i d r h e o s t a t k e y w o r d s ：m o t o rs t a r t ，s t a r t i n gc u r r e n t ，s t a r t i n gm o m e n t ，r e s i s t a n c e ， l i q u i dr h e o s t a t ，o v e rc u r r e n t ，s u p p r e s so v e rc u r r e n t i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囵。 学位论支作者签名：铘互并 7新虢宕、1 星衙 导师签名：7 1 、j 够彳审 签字日期：少r 年6 月歹日签字日期：，年多月岁日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 司互干 日期：p 7 年月5 日 江苏大学工程硕士学位论文 1 1 项目研究的意义 第一章前言 交流异步电动机由于结构简单、控制方便、效率高等优点而被各行j 比工业企 业广泛地应用于机械设备的拖动中心3 。特别是冶金、矿山等重工业行业，高压 ( 6 k v ) 大功率( 3 0 0 0 k w ) 中速( 5 0 0 6 0 0 转分左右) 的电动机的大量使用， 使得传统的控制方法表现出较大的缺陷盯3 。 大量的以电力电子器件和计算机控制为明显特点的全数字化电动机综合保 护装置对电动机在启动过程中表现的较大的启动电流、电动机运行过程中的过 载、缺相、等故障的保护、停机后制动都有较好设计他们心引。变频器还可以对电 动机运行过程中的速度变化要求进行高精度的满足。陋们汹3 但是，在以动力传动为主要目的的高压大功率电动机拖动控制系统，和较新 技术的控制方式同时产生的是较高的设备价格和运行费用以及对操作、维护人员 的较高知识要求。对于以改善企业生存状念为目标的企业生产工艺、生产设备技 术改造有高不可攀和不太适合的地方。 目前，对传统的电动机启动、控制研究在技术进步的层露可以说已经没有太 大的价值，但就解决生产现场的实际问题，在今天和今后的一段时问内还会有一 定的价值和市场需求。 1 2 项目的由来 在激烈的市场竞争中，传统的黑色金属压( 钢铁) 延加工企业，由于生产设备 的落后，生产工艺的落后，造成由于能力因素而导致成本较高，工厂能够获取利润 的空间越来越小。改进生产工艺，提高生产过程中，自动化的程度，特别是提高生 产效率( 简单地说就是高速生产线改造) 成为增加企业市场竞争能力的有效途径。 钢铁压延加工过程是将钢铁冶炼生产的体积较大的原料，加工成为适应工业 要求的其他规则形状( 圆型截面的线材，棒材，长方形截面的板材) 。由于钢铁本身 的硬度较大，所以在加工时必须进行加热，而且加工的过程是分步骤进行的。在材 料体积加大的加工初期，加工的速度不可z h 匕1 c , ，4 k 1 5 1 大，主要是加大的压延力矩在加工 江苏大学工程硕士学位论文 的中期和后期过程中，速度和控制的精度是决定产量和质量。必须采用较为先进 的控制方法和控制设备，才能达到要求。n 1 4 在初期加工中，由于每一道加工的压延量不可能很大，所以有次数必须经过 许多次加工才能达到中期加工要求的规格。( 线材，棒材，板材的胁期加工时相同 的) 由于在加工中，要求力矩较大，所以电动机的功率就较大而如果将其和后续 加工制作成连续式的话，前期的加工能力就有很大程度的富裕，所以一般的工厂 的做法是将前几次的加工交由一台轧机来进行多道次的加工，以达到节约设备投 资和节约生产场地的目的。这就是所谓的初轧工艺和初轧机。n 钔 1 3 控制对象的具体情况 初轧工艺和初轧机和传统的加工过程的初轧是相近的，而且生产设备也是不 必进行更新的但在控制的方法上应和后边的工艺过程有一定的衔接。 初轧机的拖动电动机由于功率较大，而整个加工生产线的电动机的总功率也 较大，但初轧机对电动机的速度条件却没有要求，所以从投资和维护技术的角度 出发，初轧电动机的控制手段应相应简单，以使得原有电气设备维护人员继续有 能力完成工作。 某钢铁厂的初轧机拖动电动机沿用原来的电动机，具体参数是： 电机型号为y r l 6 0 0 一1 0 额定功率：2 8 0 0 k w 定子电压：6 0 0 0y 定子电流：3 2 5a 转子电压：12 0 0v 转子电流：1 4 2 6a 额定转速：5 9 0r m i n 过载倍数：2 5 2 8 1 4 其他的考虑 由于电动机功率较大，而且在拖动系统中带有较大的飞轮，起动电流不能太 大和起动力矩要求较大成为必要。盯h 3 由于处在扎制工艺的头道工序，钢件的外 形尺寸较大，钢件加热的程度和均匀性都会引起电动机的过电流，如按常规进行 保护，电动机的使用可得到保障，但停转后的电动机恢复运行将更加困难抑制过 2 江苏大学工程硕士学位论文 电流的发生显得相当重要。1 3 州蚓 1 5 论文内容安排 本论文共分为十个章 第一章前言介绍本研究课题的意义，研究项目的来源及研究对象的具体情况。 第一章 起动方法的比较，介绍了控制行业中常用的起动方法，各种方法在起 动电流、起动力矩的性能特点，适用的范围。 第二章行业要求一种性能更良好的起动方法，介绍了在冶金行业金属压延机 械拖动方面所使用的大功率电动机的特性，和从控制、保护两个方面 的要求。 第三章具有实用意义的液体变阻器的起动方式，介绍了液体变阻器的电阻值 调节方法和原理，液体变阻器在控制电路中的位置和可实现的性能。 第四章液体变阻器本身，介绍了液体变阻器自身的结构，机构本身及为防止 电动机无措施起动的保护，分析了液体变阻器特有的较小起动电流而 起动力矩较大的原因。 第五章 液体电阻值的计算与导电液的配制，介绍了液体变阻器在起动开始时 应具有的电阻值的计算，液体变阻器自身电阻值的计算，阻值测量方 法，导电液的配制及阻值调整过程中相应的事项。 第六章液体变阻器的现场安装与调整，介绍了液体变阻器在安装过程中的事 项，在使用过程中、在闲置较长时间后启用所应进行的检查和必须进 行的调整。 第七章防止过载的措施，介绍了过载现象产生的原因、过载如果保护对轧钢 生产产生后果，利用机械系统的转动惯性来克服电机过载的方法和相 应的电路。 第八章使用后的效果，介绍了使用了液体变阻器后，电动机起动时实际起动 电流的变化情况。 第九章液体变阻器的使用功能扩充没想，介绍了液体变阻器在电动机运行过 程中进行速度调节、利用一台变阻器来实现多台电动机的轮流起动的 方法和条件、利用一台变阻器来实现不同功率的电动机起动等设想和 实现方法的展望。 3 江苏大学工程硕士学位论文 第二章常用起动方法的比较 2 1 电动机起动过程中的现象 交流异步电动机按电动机转子的结构可分为分鼠笼型感应和绕线型转子感 应，在电压等级上又分高压电动机和低压电动机。在速度是否与负载有关分为同 步电动机和异步电动机。三相交流电动机从发明以来，经历了1 0 0 多年的历程， 在这漫长的岁月罩，它为奠定与发展这项经典的传动技术树立了丰碑口引。又由于 其具有结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉，而广泛作用于电力拖动生产 机械的动力，在机械化工、纺织和石化等行业有大量的应用n 引。然而，电动机的 起动特性却一直举步维艰1 。这是冈为电动机在恒压下直接起动，其起动电流 约为额定电流的4 7 倍，其转速要在很短时间内从零升至额定转速，会在起动过 程中产生冲击，很容易使电力拖动对象的传动机构等造成严重磨损甚至损坏。特 别是高压电动机在起动瞬间大电流的冲击下，将引起电网电压降低，影响到电网 内其它设备的正常运行乜3 引1 4 2 。同时由于电压降低，电动机本身起动也难以完 成，造成电机堵转，严重时i 叮能烧坏电动机。因而如何减少异步电动机起动瞬间 的大电流的冲击，是电动机运行中的首要问题。为此必须设法改善电动机的起动 方法，使达到电动机的平滑无冲击的起动，于是各种限流起动方法也就应运而生。 2 2 传统的起动方法 2 2 1 直接起动 直接启动是将电动机定子用控制设备直接接入电网，也就是说：电动机在全 部电源电压下进行启动。州删 电动机丌始工作时，转子总是从静止状态丌始转动起来，这种从静止到正常 运转的加速过程叫做起动。由于起动瞬间电动机转速为0 ，转差率s = 1 ，也就是说 旋转磁场和静止转予问的相对速度很大，因此转子中感应电动势很大，转子电流 也就很大，定子电流随着转子电流的增大而增大。起动时的定子电流称为起动电 流。电动机在额定电压下起动称为直接起动。直接起动的电流约为额定电流的5 7 倍。起动电流大对电动机本身没有太大影响，且随着电动机转速的迅速升高， 4 江苏大学工程硕士学位论文 电流很快减小。但是过大的起动电流将会使：嘲 供电线路产生较大的电压降，造成电网电压显著下降，从而影响在同 一电网上的其他用电设备的正常工作； 对于正在起动的电动机本身，也会因电压下降过大，起动转矩减少，延长 起动时间，甚至不能起动。 因此，在供电变压器容量较大，电动机容量较小的6 i 提下，三相异步电动机 才可以直接起动。一般地说，额定功率在7 5 k w 以下的小容量异步电动机可直接 起动，否则异步电动机起动时应采用适当的起动方法。 三相异步电动机直接启动的条件( 满足一条即可) 瞳司h 容量在7 5 k w 以下的电动机均可采用。 电动机在启动瞬间造成的电网电压降不大于电源电压f 常值的1 0 ，对于不常 启动的电动机可放宽到1 5 。 可用经验公式粗略判断一台电动机能否可以直接启动： i s t i n 3 4 + ( s 4 p )( 2 一1 ) i s t - 一电机全压启动电流 i n 电机额定电流 s 电源变压器容量 p 电机功率 不满足直接启动的条件的均须采用其他方式进行起动。 2 2 2 定子回路降压启动 当鼠笼式异步电动机容量较大，而电源容量不够大时，为了限制起动电流， 避免电网电压显著下降，一般采用降压起动。降压起动是利用起动设备，在起动 时降低加在定子绕组上的电压；待起动过程结束，再给定子绕组加上全电压( j 下 常工作的额定电压) 。他1 由于电动机的电磁转矩正比于定子绕组电压的平方，所以电动机在起动电流 减小的同时，起动转矩也大大降低了。因此，降压起动只适合于空载或轻载起动， 负载不大的情况。选择起动方法时，要同时校核起动电流和起动转矩是否满足要 求。6 3 2 2 2 1 星形一三角形( y 一) 起动 5 江苏大学工程硕士学位论文 如果电动机在工作时其定子绕组是联接成三角形的，那么在起动时可把它 联成星形，等到转速接近额定值时再换接成三角形，这就是y 一起动。 当定子绕组接成星形，即降压起动时，相电流与线电流电等，每相绕相电压 等于线电压 3 “2 。当定子绕组联成三角形，即进入正常运转时，线电流等于相 电流的3 2 倍，线电压等于相电压。由此可以得出如下的结论：堙删 即y 降压起动时，起动时的线电流为正常运转时的线电流的1 3 。另 外，起动时定子每相绕组上的电压降到正常运转电压的1 3 “2 。由于转矩与电压 的平方成正比，所以起动转矩也减小到j 下常运转转矩的1 3 。可见，这种起动方 法只适用于空载或轻载情况下起动。乜砌n 羽 在y 一起动过程中，y 联接需要持续一定时间( 电动机的起动过程接近结束) 才能换接成联接，这就得用时f h j 继电器来控制。 在交流电路中，常采用的空气阻尼式时间继电器，它是利用空气阻尼作用柬 实现动作延时的。延时时间即为自电磁铁吸引线圈通电时刻起至微动开关动作时 为止的这段时f b j 。通过调节螺钉，调节进气孑l 的大小就可调节延时时问。这种调 节并不具有完全的线性，特别在调节范围的较小值和较大值附近。而且调节完成 后，经过一段时问的使用，这个延时的时间自己会发生变化，变化的幅度虽然不 大，但没有规律性。需要经常枪测并及时调整。d 们 如果这个时间控制不好，也就是说在电动机还没有起动结束就进行转换，就 会造成很大的冲击。( 大电流) 1 j l、l 三： 爻页 l 图2 1星一三角起动原理图 6 江苏大学工程硕士学位论文 2 2 2 2 自耦变压器降压起动 这种起动方法用于正常运行时定子绕组组接成星形而不能采用星形三 角形起动或容量较大的鼠笼式异步电动机，也适用于需要较大起动转矩的场合。 起动时自耦变压器高压端接电源，低压端接电动机，电动机便在低于额定电 压下起动。待电动机转速上升到接近额定转速时，再将自耦变压器脱离电源和电 动机，电动机直接与电源相接，进入全压运行。h 们h 6 删 自耦变压器降压器降压起动比星一三角形起动的价格高得多，但自耦变压器 有三个接头，其输出电压分别为8 0 、6 0 、4 0 ，可根据需要选用，使用较灵活。 在交流电路中，常采用的空气式时间继电器，它是利用空气阻尼作用来实 现动作延时的。延时时问即为自电磁铁i 吸引线圈通电时刻起至微动开关动作时为 止的这段时问。通过调节螺钉，调节进气孔的大小就可调节延时时间。现在也有 使用电子线路式的时间继电器来进行实现， 这种起动方法和y 一起动方法相同的，在减小了起动电流的同时，降低了 起动力矩，同样也存在起动时i 、j 设置的合理性问题 可以看出：星一三角换接起动和自耦变压器降压起动。虽然这两种起动方式 均可降低起动电流，但是在降压起动过程完成后的分档投切和加全压的瞬间，仍 将产生数倍额定电流的尖峰电流( 二次冲击电流) ，此电流将对配电系统造成冲 击，同时产生的破坏性的动念转矩会引起水泵电机的机械震动，对电机的转子、 中间齿轮等非常有害，并使供电线路电耗增大。n 1 7 江苏大学工程硕士学位论文 i 一一 喜赫 亡匕 l i l 一 田 一 图2 2 自耦变压起动原理图 2 2 2 3 定子回路中串接电阻、电感进行分压，实现降压启动 定子p l 路中串接了电阻、电感之后，由于交流电动机的定子相当于一个由 电阻和电感相串联的元件，那么电源的电压就有两部分相串联的元件组进行分 压，也就是说，电动机定子线圈r 卜的电压就只有其中的一部分。n 们工程上通常把 这样的方法叫作串联分压。 在串联分压的使用过程中，电压的降低，降低了电动机的启动电流，同样 也使得电动机的启动力矩变的较小。而这种方法的特点，使没有加在电动机定子 线圈的电压，加在串联进来的元件上，也就是说在电阻或电感上。但是电阻在这 种电路中会消耗很大的能量，而电感在这罩并不消耗能量。所以串联分压一般都 采用串联分压电感的方法。m 3 “7 3 和其他的降低电动机定子电压方法一样，这种方法同样存在有只能适用于 负载较轻的场合，而且电动机是否已经完成启动，有预先整定的时问继电器来控 制。 如果这个时间整定得不合理，那么在启动完成后( 其实电动机的启动过程 8 江苏大学工程硕士学位论文 并没有完全完成) 进行全电压运行的切换的过程中，会出现很大的冲击。 q 图2 3 三相异步电动机定子回路串联电阻起动示意图 由此可知上述几种起动方式的共同特点是控制电路简单，起动转矩基本固 定不可调，起动中都存在二次冲击电流，对负载机械有冲击转矩，且受电网电压 波动的影响，一旦出现电网电压下降，会造成电机堵转，起动困难。n 朝n 7 3 2 2 3 转子回路串接电阻起动 根据三相绕线式感应电动机的等效电路可以知道，电动机的定子电流是受 电动机转子电流影响的电动机起动时，由于转子和电动机定子旋转磁场的相对 速度最大，由此产生的感应电动势也最大，在转子回路中产生的转子电流达到最 大值( 是f 常运转时，转子电流的许多倍) 使得电动机的定子电流是额定电流的许 多倍。如果能够在起动时，在电动机的转子回路中，串入电阻，可以在同样的感 应电动势的作用下，产生较小的转子电流，那么电动机的定子电流就可以变得相 对小一些。2 1 删 9 江苏大学工程硕士学位论文 图2 _ 4 异步电动机等效电路图( 分析启动和运行性能用) 根据电动机的机械特性方程或机械特性曲线可以看出电动机在运行过程 中表现出来的力矩( 最大力矩) 和电动机定子所加电压的平方有关。( 此时电动 机由于转子回路未串入电阻，定子回路保持额度参数。) 但最火力矩( 临界力矩) 出现的时刻也就是临界转差率出现的时刻，和电动机转子回路的电阻值有关。 跏搿 墨三 x1 + x2 ( 2 - 2 ) 这就意味着，在电动机起动过程中可以在起动时做到；串入的电阻值使电 动机在转动速度为o 时出现临界转差率，( 此时的临界转差率s m = i ) ，此时电 动机的力矩可以达到最大，而电动机的电流却因为转子回路有了电阻后电流就变 小了。砷1 1 胡 2 2 3 1 转子回路串入金属电阻 绕线式三相异步电动机可以在转子回路中串入电阻进行起动，这样就减小 了起动电流。一般采用起动变1 5 且器起动，起动时全部 1 0 江苏大学工程硕士学位论文 s m s m = l 图2 - 5 计算绕线式电动机起动用电阻示意图 t 电阻串入转子电路中，随着电动机转速逐渐加快，利用控制器逐级切除起动电阻， 最后将转子绕组短接。用金属电阻器可以做到使启动力矩平均值在1 4 - - 1 6m e 这个最大可能值。从而使拖动系统能顺利启动。而且由于起动力矩 较大，使得电动机及拖动系统的加速度较大，起动过程的时间较小。电动机由于 起动电流的附加发热得到改善。大中容量卷线型异步电动机，一般采用三相平 衡启动系统，( 中小容量的绕线式电动机也有采用三相不平衡电阻进行起动的) 但 是要保征启动过程中的参数达到较理想的状态，所串入的电阻和逐段切除的电阻 值以及控制时间都要进行极其严格的计算。瞳删 从电动机的特性曲线中看出：不同的转子回路电阻对应于不同的临界转差 率。转子网路线圈电阻r 0 对应于固有特性的临界转差率，转子回路加入电阻后 就对应于认为特性的临界转差率。加入的电阻数值不一样，人为特性曲线的斜率 不一样，临界转差率的值就不一样。电动机固有特性的临界转差率可根据 跏= 勋( k + 疥) 沿3 ) 进行计算。公式中的s n 是电动机在额定工作状念的转差率。 江苏大学工程硕士学位论文 对于本文中的电动机有 s n n q n i l 6 0 0 5 9 0 n o 6 0 0 临界转差率 = 0 0 16 6 = 1 6 6 ( 2 4 ) s m = 1 6 6 ( 2 5 + 历) = 7 9 5 4 ( 2 _ 5 ) 出现这种临界转差率的转子电阻值可以通过公式 耻舞= 器1 7 3 2x1 4 2 6 - o 嘶 治6 ， ” ，宰3 ( z b 根据转子网路电阻和特性曲线的临界转差率成j f 比例的原则可以计算出起 动时，应加入转子回路的总电阻。 r0 r+r 0 = 一 ( 2 - 7 ) s m10 0 、 。 起动时，转子回路电阻全值为0 9 6 q ，除去电动机转子回路自身的电阻， 需要串进去的电阻值在o 9 5q 就可以了。 这种在转子叫路中串入电阻进行起动虽然可以做到启动电流较小，启动力 矩较大的效果，但在启动的过程中，用于控制分段电阻的接触器的数目较多，而 且其电流能力和抗冲击的能力要求很高，电阻本身消耗的能量使得金属电阻发热 量相当大。 而且转子回路中的电阻如果没有完全切除，电动机就不可能运转在固有机 械特性曲线上，也就是说，电动机的起动过程就没有结束。所以起动电阻的切除 过早或过晚，都会影响电动机的性能。而且每一级电阻的切除不可避免给电动机 和拖动系统造成冲击。删m 3 下图中，r 2 表示绕线式电动机转子回路的固有电阻值( 转子线圈的导线电阻 值) ，r s t l 、r s t 2 、r s t 3 分别表示串联进转子p l 路的金属电阻。为了达到相对平 稳和较小的冲击的效果，将此电阻分解为几个电阻串联的形式，在起动的过程中， 逐步进行切除。k m 。、k m ：、k m ：，就表示切除电阻朋的接触器的主触点。可以看出： 在接触器k m 。的触点闭合后，电阻r s t 3 就不再存在与转子叫路中。而当接触器 k m = 的触点闭合后，电阻r s t 2 也会在转子凹路中消失。在接触器k m ：，的触点闭合 1 2 江苏大学工程硕士学位论文 后，电阻r s t l 也在转子回路中消失。此时，仅有电动机转子回路的自身的线圈 电阻及固有电阻在起作用。可见，起动过程结束时，电动机运行在固有特性曲线 上。 l il 2l 3 图2 - 6 绕线式异步电动机转子回路串可分段的金属电阻示意图 2 2 3 2 转子回路串接频敏变阻器起动 频敏变阻器的电阻随线圈中所通过的电流频率而变。其本身的结构是在铁 芯上饶以扁铜线制成的线圈。由于其内部的铁芯采用的不是导磁能力很强的材 料，而且不是象变压器矽钢片那样进行加绝缘涂层后叠压成型，而是一整块的 钢铁。所以在通过线圈电流时，线圈的电阻要消耗能量，表现出电阻的特性。 当通过线圈的电流是具有一定频率的交流电时，在铁芯中，有较大的涡流损耗， 也表现出电阻耗能的特性，而且交流电的频率越高，涡流损耗就越大。“明7 3 由此可见，频敏变阻器在起动电路中相当于一个品质因数不高的电感。 转子网路串频敏变阻器的工作原理：频敏变阻器的阻抗能随通过电流的频 1 3 江苏大学工程硕士学位论文 率的变化而变化。在起动时，转子频率较高，频敏变阻器内与频率平方成j 下比的涡 流损耗较大，反映铁耗的等效电阻r f 值也因之较大，起限制起动电流及增大起 动转矩的作用。随着转速升高( 即转差率s 下降) ，转子电流频率( f 2 = s f l ) 不 断下降，频敏变阻器的涡流损耗及r f 值随之下降，和转子陋l 路串入金属电阻进 行逐级切除一样，使电动机的速度增加，平稳起动。 起动时，转差率s = l ，转子电流( 即频敏电阻线圈通过的电流) 频率最高， 等于电源频率。因此，频敏变阻器的电阻最大，这就相当于起动时在转子回路中 串接起动所要求的全部电阻，从而使起动电流减小，并配合临界转差率使得电动 机的起动力矩最大。随着电动机转速的加快转差率s 逐渐减小，转子电流频率逐 渐降低，频敏变阻器电阻也逐渐减小，这相当于在转子回路之串接固定的金属电 阻_ 束进行分步切除不过在这里，切除的过程是自动的和连续的保持在转子回路 中的变阻器电阻值有电动机的运行状态( 电动机转子电流的频率决定，电动机转 子电流频率由电动机的转动速度决定) ，其切除的数量和时问的合理性不需要通 过计算和整定就可以实现。同时，可以始终保持最大的起动力矩。6 1 图2 7 绕线式电动机转子回路串接频敏变阻器起动示意图 铷厶 饶缎 最后，电动机的转动速度接近额定转速，起动过程基本结束，把电动机的 转子绕组短接，频敏变阻器从转子电路中切除。电动机起动过程彻底结束时。在 电动机的转动速度接近电动机的额定转速时，转子和定子磁场问的相对运动很 1 4 江苏大学工程硕士学位论文 小，转子电流的频率接近o ，所以频敏变阻器的电阻值基本为o 。即使控制系统 不能及时将频敏变阻器从转子回路中切除，对电动机来说，影响不是太大。切除 过程的连续性，消除了电流和力矩的冲击。 采用频敏变阻器起动，具有起动平滑、操作简便、运行可靠、成本低廉等 优点，因此在中小型绕线式电动机中应用较广。啪3 在以上讨论的几种起动方式中，为了有一定的起动力矩，电动机的起动电流 的数值一般取值为电动机额度电流的2 5 倍，甚至更大。( 如果这个倍数小于2 的话就可能造成起动困难) 。这使得电动机在启动过程中的绕组发热对绝缘影响 很大( 电动机在起动过程中的冷却条件较正常运行时困难) 。同时较大的电流对供 电变压器的容量选择造成相当的浪费。 2 2 4 可以得出的结论 ( 1 ) 主电机起动时，起动电流还是偏大，最小为2 倍的额定电流i e ，起动功 率因数低，这个情况如果遇到电机容量大( 电动机额达电流就很大) ，起动时对主 传动系统冲击严重，对电网影响较大。 ( 2 ) 由于频敏变阻器是一个品质因数不高的电感，所以就具有电感的特性， 也就造成主电机转子回路功率因数低( 和转子回路串联金属电阻相比) ，造成工 作电流大，无功损耗高，致使电机负载能力低，同时发热严重，降低了电机的绝 缘，影响了电机的使用寿命： ( 3 ) 还有一个现实的问题，就是在大功率电动机的起动回路中，由于本身转 子电流的数值较大，由于起动结束时短接频敏变阻器的接触器很难选择。如果采 用两个普通的接触器相并联来完成的话，两个接触器动作的一致性相当重要。否 则，动作时i f j j 短的接触器实际上承担了全部电流，在运行的过程中极易损坏。专门 定制又存在费用过高的问题。 ( 4 ) 频敏变阻器经过几年的运行，设备绕组绝缘由于发热问题老化、由于 大电流的动力原因抖动严重而造成松动，急待维修，而维修费用高。 ( 5 ) 传统的启动方式及其弊端： 启动高达2 5 - - - 7 倍的启动电流，造成电动机绕组因过热引起高温，从而 加速绝缘老化； 供电网络电压降过大，当电压o 8 5 u n 时，影响其他设备的正常使用， 1 5 江苏大学工程硕士学位论文 尤其是欠压保护动作； 启动时能量损失过大，浪费电能，尤其是当频繁启动时； 对被带动的设备造成极大的冲击力，缩短设备使用寿命，影响精确度； 造成机械传动部件的非f 常磨损，加速设备老化，缩短寿命； 接触器等控制设备故障率较高。 2 2 5 传统起动方法对电动机过载保护和变压器容量选择的影响 由于各种起动方法中，虽然可以将起动电流降低，但出于对力矩的考虑， 起动电流还是比额定工作电流高出许多。( 至少是2 倍) 。对于大型电动机来说， 功率大，工作电流大，连续工作时问长，发热及其温度升高对电动机的绝缘本身 就是一种考验。由于大型电动机在工厂生产中的重要地位和较高的经济价值，对 出现在电动机上的任何不正常工作现象( 如电动机的过载现象) 都必须有严格有 效的保护措施。n 2 圳这样才能保证电动机更加有效地工作。 2 2 5 1 对继电保护的影响 冶金行业中的电动机是工作负载较重、工作条件较差的一种，生产制造过 程中考虑这一特点后，设计时留有一定的电流发热的裕量。一般允许过载能力是 1 6 倍额定电流不超过1 5 秒。而这种过载在电动机的工作过程中，一旦出现， 其持续的时间一般不会少于3 0 秒。也就是说，即使充分利用过载能力，对于超 出1 6 倍、半分钟的过载现象应进行及时的继电保护。简单有效的方法是，利用 电流互感器进行检测并采用过电流继电器进行保护。但在起动时期的2 倍电流已 经超出保护的基本值，这就要求过电流保护能够躲丌起动这个必须的过程。常用 的做法就是在过电流的保护凹路中加装时间继电器。利用时间继电器的延时功能 使在起动的时段内，过电流继电器的动作不起作用。只有在起动结束后，时间继 电器的控制 u l 路才将过电流继电器接入保护网路。啪5 2 1 这样保护系统的接线相 对就复杂了。保护动作的可靠性就有可能会受到影响。 2 2 5 2 对供电变压器的影响 较大的起动电流对供电变压器的容量选择形成一定的浪费。其原因是大型的 电动机由于功率很大，在供电变压器的容量中占有较高的比例。由于起动电流和 额定工作电流的差别，在电动机起动过程中，变压器在电动机起动的时段内的工 作电流就会超出币常的工作电流，也就是常说的过载，过载的时f h j 就是起动过程 1 6 江苏大学工程硕士学位论文 的时间。所以，这一类变压器在进行容量选择时，为了变压器的工作安全，都要 专门考虑起动电流的影响。( 行业的习惯做法；单台电动机的功率不超过供电变 压器容量的8 可以不单独考虑，而这罩的电动机功率已经接近变压器功率容量 的2 5 ) 关于这一点，供电系统的负荷计算中专门有一种叫做二项式系数的统计 方法，是专门针对电动机起动电流影响变压器容量选择的。“2 删考虑了起动电 流影响的变压器容量较正常工作需要容量有一个较大的差值，这个差值的容量在 非起动过程是不需要的，那么针对于此的投资和由此差值容量形成的固定变压器 损耗就只能算作是不可避免的浪费。 1 7 江苏大学工程硕士学位论文 第三章行业要求一种性能更良好的起动方法 3 1 起动电流对电动机自身的考验 由于工业生产中电动机的使用数鼍和使用单机功率的增加，电动机在起动 过程中所产生的较大冲击电流形成的电压降，对其他相邻的运行电动机的影响， 使得电动机的保护的实现很复杂电动机的起动电流同样使供电变压器的功率选 择形成浪费较大的起动冲击电流使电动机本身发热严重，再加上电动机在起动 期间的散热条件不好，电动机会有较高的温升，影响电动机绝缘材料的使用寿命。 起动电流使电动机的过流保护变得复杂。电动机起动过程中的较大冲击电流对供 电线路同样造成影响。电流的冲击还会形成机械的冲击，使其拖动系统中的齿轮 受到严峻的考验。n 5 仆1 1 3 2 良好起动性能的标准 综合电气和机械方面对电动机起动过程力矩，电流，时问，速度变化的连续性， 平滑性等要求提出一种较为理想的起动状态，就是： 起动冲击电流不能超出运行电动机额定电流的2 倍； 起动力矩不小于电动机的额定力矩； 起动时间不大于电动机绕组发热时间的1 0 ； 起动过程中，没有电流的跃变及速度的跳跃； 行业中将满足或基本满足上述指标的电动机起动方法叫做电动机的软起动 3 3 新型技术带来的新型起动方法和特性 随着电力电子技术的快速发展，软起动器得到广泛应用，国际上已广泛采用 交流电动机软启动技术。实现了交流电机软启动、软停止，功能完善，性能优异， 能满足工业电机控制的广泛需要，是降压、星角等传统启动控制方式的理想换代 产品。它不仅实现在整个起动过程中无冲击而平滑的起动电流，而且可根据电动 机负载的特性来调节起动过程中的参数，如限流值、起动时问等。”3 此外，它还 具有多种对电机保护功能，这就从根本上解决了传统的降压起动设备的诸多弊 1 8 江苏大学工程硕士学位论文 端。 3 3 1 软起动器的工作原理 软起动主要由串接于电源与被控电动机之间三对反并联晶闸管调压电路构 成。现代软起动器基本上都采用了电力电子技术和微机控制技术，以单片微机作 为中央控制器控制核心来完成测量及各种控制算法，因此，软起动器具备了很强 的功能和灵活性。整个起动过程是数字化程序软件控制下自动进行。利用三对晶 闸管的电子开关特性，通过起动器中的单片机，控制其触发脉冲的迟早来改变触 发角的大小。而触发导通角的大小，又改变晶闸管的导通时间，最终改变加到定 子绕组的三相电压的大小。异步电动机定子调压的结果，一方面其转矩近似与定 子电压的平方成化比，另一方面电动机的电流又和定子电压成正比。电动机的起 动转矩和初始电流的限制可以通过定子电压的控制束实现，而定子电压又是通过 可控硅的导通梢角来控制的，所以不同的初始相角可实现不同的端电压，以满足 不同的负载起动特性。电动机起动过程中，晶闸管的导通角逐渐增大，品闸管的 输出电压也逐渐增加，电动机从零开始加速，直到品闸管全导通，从而实现电动 机的无级平滑起动。啪矧电动机工作在额定电压的机械特性上。电动机的起动 转矩和起动电流的最大值可根据负载情况设定。 3 3 2 软起动器常用的几种起动方式 3 3 2 1 限流起动 电机的起动过程中限制其起动电流不超过某一设定值( i s ) 的软起动方式。 其输出电压从零开始迅速增氏，直到输出电流达到预先设置的电流限值i s ，然 后保持输出电流i 1 2 5 进行计算； 起动时液体变阻器的电阻值应为o 9 7q 。和前面的计算基本一致。 算法二 r o 2 老荨宰c 击一寺) 睁2 ， 式中n 。一串入启动电阻后启动电流与额定电流之比 垃l 江苏大学工程硕士学位论文 n 一未串启动电阻时启动电流与额