（电工理论与新技术专业论文）异步电动机软起动器的研究.pdf

异步电动机软起动器的研究 t h en s 龃r c h “t h e f ts 纽r t 盯f o ra s y n c h m n o u smo t i 盯 a b s t r a c t i no r d e rt or e d u c et h es t n k et ot h ee l e c t n cn e 甜o r k 够a s y n c h r o n o u sm o t o rs t a r t su p d i r e c t l ya n de l i m i n a t et l l en e g a t i v ei n 以u e n c et h a tb r o u g h ta b o u tb ys 谢t c h i n go fc o n t a c tw h e n i ts t a r t su p 谢m r c d u c e d v o l t a 瞎em e a l l s ，an c w m e 也o db a s e d0 np o w e re l c c t r o n i c st e c h n o l o g y f o ri m p r o v i n gm es t a n i n gc h a r a c t e r i s t i c so f 3 - p 1 1 a s ea s y n c h r o n o u sm o t o ri sp r e s e m e d n ea p p l i c a t i o no f 也es o f ts 洲e ri sq u 硷a m p l i 恤d ef o r a d v 蚰t a g e si to w n s n l es 0 矗 s t a r t e rl l a so u t s 钲m d 协g 姊r e s e n t a 缸o n 主i ls a v i n ge n e r g y ，s o 也es o ns t a m r h 船b m a dm a 出巳ta l l o v e rm ew o r l d t h ef o r c i 驴p m d u c t sa w nt l l em o s tp e 麟m ti nd o m e s 廿c 彻咄e t t h o u g l l 血c f o r c i 凹p r o d u c t s1 1 a _ v eh i 曲q u a l i t y ，也eq u a l 埘v a l u er 撕oi sq u i 钯l o w ni sv e r yh a r dt o 删i z ep o p i l l a r i 删o ni nd o m e s t i c 蛐畦e t s oas o f ts 协r t e rw i ml o wp r i c e 觚dh i 出 鲫怖蛐髓c eb a s e d 0 nt h ed s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ai sp r e s e n t e di n1 1 1 i sp 印c r av o l t a g e 确u 蚰gm o d e l 埘ms c ri su di nt 量l i s 8 0 盘s t a r 瞬b yr c g l l l a 血g 也e a m p l i t i l d eo f 鼬”l c h r o n o u sm o t o r sv o l t a g 岛i tf e a l i z e st 1 1 ef i l n c t i o 璐o f t h ev o h a g e s i o p es 跚， t h ec u 铷l t - l i m i ts t a r t ，t h es o n 曲o p 舡l ds oo n t h e3 - p h a r e g u l a t 主i l gc i 删to f 船y n c h r n n a u s 啪t o rs y s t e mi sa n a l y z e d 姐ds i m u l a t 酣 b ym a t l a b t h er e s u n so ft l l es i m u l a t i o ns h o wt 1 1 a tt h es y s t lb 弱e do nt h e3 p h a s e r e g i l l a t i n gc i r c 试tc a n 心d u c em el l i 曲s 乜n i n gc l l r r e n t 鼬硒y n c h m o l l sm o t o r ss t a f tu pd h c t l y 啦sa r t i d ea l s oi 睹o d u c e s 也e 啪妇g p r i i l c i p l eo f 也cs c r 删u s d n gv o l t a g ec i r c u i t 鼬du l e s t a r 钯r sm a i nc i r c u i t 、t 1 屺h 印旧伽es t n l c t t l l _ ea n d 磊l n c 垃o n so ft h es o 最s _ 亡a r t e rl m dt h e s o r w a r cp r 0 乎锄nd e s i g n t h eo p e r a t i o no ft h i s s o f tg t a r t e ri s s 妇p l e 锄de a s y “h a sv e r yh i 曲d e 伊c ei n i n t e l l i g e n c e ，i ta l s oc o u l db ea _ b l et 0f o l l o w 豫c l l 8 n g eo f m el o 甜t om 出s u r e 也a tm e a s y n c u sm o t o rs t e i r t su ps m o o t h l y t h es 礤s 饶咖rr e 粒h e st h er e q u e s t so fi m p r o v 访gm e p e r f b 皿a n c eo f 也ea s y n c h m n o u sm o t o rs t a n su pt 量l f o u g ht e s t i n 舀i tc o 山ds t a nu ps m o o t h l y a l l dr e l ia _ b l yu n d c r 也ec o n d i t i o nt 王l a tt h es t a r t c u n _ c n to f t l l e 船y n c h m n o u sm o t o ri sc o r l 仃o l l e d k 呵w o r d s ：a s y n c h m n o 岫m o t o r ；d s p ；t h y r i s t ；s o r s t n r t e r 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料，与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名 大连理工大学硕十学位论文 1 绪论 1 1 异步电动机的起动问题 电机是现代工农业生产和交通运输的重要设备，与电机配套的控制设备的性能已经 成为用户关注的焦点。电机的控制包括电机的起动、调速和制动。异步电动机由于具有 结构简单、体积小、价格低廉、运行可靠、维修方便、运行效率较高、工作特性较好等 优点，因而在电力拖动平台上等到了广泛应用。据统计，其耗电量约占全国发电量的4 0 左右。当电机并入电网时，电机转速从静止加速到额定转速的过程称为电机的起动过程。 异步电动机的起动性能最重要的是起动电流和起动转矩。因此在电机的起动过程中，如 何降低起动电流，增大起动转矩，一直是机电行业的专家们探讨的重要课题【1 捌。 三相异步电机是一种反电势负载，即以反电势来平衡外加电压。电机在起动开始时 反电势为零，冲击电流很大。当电机容量较大时，冲击电流会对电网及其负载造成干扰， 严重时甚至危害电网的安金运行；起动电流过大时，将使电枫本身受到过大电磁力的冲 击，频繁起动，绕组会过热。同时，由于起动应力较太，使得负载使用寿命降低。 目前最常见的是直接起动方式。就是甩阐刀开关或卷接触器把电机的定子绕组直接 接到电网上。这种方式的优点是操作和起动设备简单，缺点是起动电流很大。一般鼠笼 式异步电机直接起动的电流是额定电流的4 0 倍，某些国产电机甚至可达跏1 2 倍，起 动转矩是额定转矩的1 2 倍。按国家标准g b 7 5 5 。6 5 规定，三相感应电机的最大转矩至 少不低予1 6 倍的额定转矩，当电网鼠压降低1 5 时，仍有1 6 0 8 5 t n ；1 1 5 6 t n ，使 接在同一电网的其它电机不致停转。因此，直接起动通常只限于起动时在电网中引起的 电压降落不超过1 0 ，1 5 绚 对于经常起动的电机取l 蝴。对于不经常起动的电机取1 5 呦 的场合。同时，直接起动方法的应用还受到电网容量的限制。若电网容量不够大，则电 机的起动电流可能使得电网电压显著下降，影响接在同一电网的其它电机和电气设备的 正常运行。 为了解决直接起动带来的一系列问题，人们采用了各种降压起动的技术，目前应用 较为普遍的有自耦变压器起动、串电阻或串电抗起动、y 一起动和延边三角形起动等方 法。这些传统降压起动方法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，但它们只是缩短了大电流冲击的时间，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。随着自动化、机械化要求日益提高，这些 矛盾变得更加突出。 异步电动机软起动器的研究 为了使电机能够迅速达到额定转速正常工作，要求电机具有足够大的起动转矩且起 动电流不能太大。因此，总是希望在起动电流较小的情况下，能获得较大的起动转矩。 近三十年来，随着电力电子技术的发展，使无电弧开关和连续调节电流成为可能。电力 半导体器件的开关功能实际上无磨损、寿命长、功耗小，加之微机控制技术，现代控制 理论与电力电子技术的紧密结合，为电机的起动节能提供了全新的思路f 蛐】。从而出现 了电机软起动技术。软起动技术具有传统起动方法无法比拟的优势。 1 2 软起动的方式 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，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 ”。 1 2 1 液阻软起动 液阻是一种由电解液形成的电阻，它导电的本质是离子导电。液阻有两个特点：一 是它的阻值正比于相对的二块电极板的距离，反比于电解液的电导率，极板距离和电导 率都便于控制；二是液阻的热容量大。液阻的这两大特点恰恰是软起动所需要的。加上 另一个十分重要的优势即低成本使液阻软起动得到广泛的应用。 液阻软起动也有缺点，一是液阻箱容积大，其根源在于阻性限流，减小容积引起温 升加大。一次软起动后电解液通常会有1 0 0 的温升，使软起动的重复性差。二是 移动极板需要有一套伺服机构，它的移动速度较慢，难以实现起动方式的多样化。三是 液阻软起动需要维护，液箱中的水，需要定期补充。电极板长期浸泡于电解液中，表面 会有一定的锈蚀，需要作表面处理。四是液阻软起动装置不适合于置放在易结冰或颠簸 的现场。 近年出现热变液阻软起动装置，通过液阻本身在软起动过程中的温升，借助电解液 电导率与温度的正相关性实现无极板伺服机构的软起动。但是，其可行性大可质疑：它 的限流器件不具备限流能力易控性，装置对使用环境温度要求高，软起动重复性差。 液阻软起动装置可以串在绕线电动机转子回路实现重载软起动，售价低廉，在软起 动过程中不产生高次谐波等等，则是它突出的优点。 1 2 2 磁控软起动 磁控软起动是从电抗器软起动衍生出来的。用三相电抗器串在电动机定子实现降压 是两者的共同点。磁饱和软起动不同于电抗器软起动的主要点是其限流作用可控。总体 大连理r 大学硕士学位论文 说来，起动开始时限流作用较强，在软起动过程中逐渐减弱。电抗器在起动完成后被旁 路。 限流作用的强弱变化是通过控制直流励磁电流，改变铁芯的饱和度实现的，所以口q 做磁控软起动。因为磁饱和电抗器的输出功率比控制功率大几十倍，它也可以称为“磁 放大器”。磁饱和电抗器有三对交流绕组和三相共有的一个直流励磁绕组。在交流绕组 里流过的是电动机定子电流，它必然会在直流励磁绕组上感应出电势。后者会影响励磁 回路的运行。不是用一个，丽是用一对交流绕阻的主要原因就是为了抵消这种影响。 显然，限流作用的强弱调节是静止的、无接触的、非机械式的。所以，在工作原理 上磁控软起动与晶闸管软起动是完全相同的。高压磁饱和电抗器在原理和结构上与低压 磁饱和电抗器没有本质区别，只是在某些方面需要采取一些特殊处理罢了。磁饱和电抗 器具有o 1 秒量级的惯性，这使磁控软起动的快速性比晶闸管软起动慢一个数量级。对 于电动机系统的大懊性来说，磁控软起动的惯性是很小的。有人说磁控软起动不产生高 次谐波。这是错误的。只耍饱和，就一定会有非线性，就一定会引起高次谐波。只是磁 饱和电抗器产生的高次谐波会比工作子斩波状态的晶闱管要小一些。磁控软起动装置需 要有相对较大功率的辅助电源，噪声较大则是其不足之处。 1 2 3 晶阐管软起动 晶闸管软起动产品问世不过3 0 年左右的时间。它是当今电力电子器件长足进步的 结果。1 0 年前，电气工程界就有人指出，晶闸管软起动将引发软起动行业的一场革命。 目前在低压( 3 8 0 伏) 范围内，摄闸管软起动产品价格已经下降到液阻软起动的大约2 倍。 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。 但是晶闸管软起动产品也有缺点。一是高压产品的价格太高，是液阻软起动产品的 5 一1 0 倍，二是晶闸管引起的高次谐波较严重。 1 3 异步电动机软起动器的研究现状和发展趋势 软起动器是一种用于控制鼠笼式异步电动机的新设备，集电机软起动、软停车、轻 载节能且多种保护功能于一体的新型电机控制装鼹。电动机软起动器一般以大功率双向 晶闸管构成三相交流调压电路。通过控制晶阕管的触发角，调节晶闻管调压电路的输出 电压，实现电动机的无触点降压软起动、软停车和轻载节能的目的【8 - l2 1 。 软起动器起动是一项近代发展最快的新技术，可调起动电流，又可调起动转矩、软 停车等功能，在保护传动系统不受磨损、维护电网质量方面有突出的表现，是一种理想 的起动方式。其主回路采用过载能力很强的晶闸管作为相控元件，通过调节晶闸管的导 异步电动机软起动器的研究 通角方式降压起动。在参数设定中，有起动电压设定、起动时间、起动电流设定和停车 曲线时间的设定，以及起动电流超限选择。与传统的y d 、自耦变压器、串电抗起动相 比，无论从功能、性能、负载适应能力、接线、维护及可靠性方面均有其优势。 软起动器己广泛应用在石油、化工、冶金、电力、建材等领域，取得了显著的经济 效益。原则上，异步电动机软起动器凡不需要调速的各种应用场合都可适用。目前的应 用范围是交流3 8 0 v ( 或6 6 0 v ) ，电机功率从几千瓦到8 0 0 k w 。软起动器特别适用于各种泵 类负载或风机类负载。另外，对于变负载工况、电动机长期处于轻载运行，只有短时或 瞬间处于重载场合，应用软起动器( 不带旁路接触器) 则具有轻载节能的效果。 1 3 1 国外软起动技术的发展现状 电力电子软起动的出现是随着晶闸管的出现而发展起来的。最早采用晶闸管三相交 流调压电路对电动机软起动的应用出现在1 9 7 0 年，采用这种方法可以获得很好的起动 性能，所以一开始就引起人们广泛的注意。三卡多年来，国外对晶闸管三相交流调压电 路进行了广泛的研究，在工业应用领域得到广泛的应用。在某些领域应用显示出独特的 技术优势。如美国a b 公司、英国c t 公司、法国t e 公司、德国a e g 公司、瑞士a b b 公司等均推出了软起动器系列产品。 目前在国外，晶闸管三相交流调压起动技术的研究已从对通过控制电机电流的开 环，闭环方式，发展到通过建立比较准确实用的数学模型。找到适于三相交流调压电路 电机负载的控制方法，从而使三相交流调压电路电机负载性能更好【1 3 - 1 5 1 。如降压变频调 速中的矢量控制和磁场定向控制的引入，创立软起动技术的转矩控制等等。 国外软起动的主要产品是固态软起动装置，即晶闻管软起动器和兼作软起动的变频 器。在生产工艺需要调速要求时，当然采用变频装置，在没有调速要求的场合，轻载起 动采用晶闸管软起动，负载功率比较大或重载的场合采用变频软起动，晶闸管软起动装 置是发达国家的主流产品。 1 3 2 国内软起动技术的发展现状 我国的软起动技术起步于8 0 年代初期，现己推出j k b 型软起动器和j o ，j 0 z 型固 态节能起动器等产品。j q 型用于轻负载起动，j q z 型用于重载起动，最大的控制功率 可以达到8 0 0 k w 。虽然取得了一些成绩，但由于国内自行开发和生产的能力相对较弱， 对国外产品的依赖还很严重。从总体上看，我国软起动技术与国际先进尚有差距。主要 表现在以下几个方面： ( 1 ) 软起动器的整机技术落后，国内虽有很多单位投入了一定人力，物力，但由于 分散，并没有形成一定的技术和生产规模。 大连理1 大学硕士学位论文 ( 2 ) 软起动器产品所用的半导体功率器件的制造业规模较小。 ( 3 ) 相关配套产业及行业落后。 ( 4 ) 产销量少，可靠性及工艺水平不高。 作为强弱电结合的软起动是机电一体的综合性技术，既要处理巨大的电能转换，又 要处理信息的搜集、变换和传输。因此其技术研究也会在两个方向进行。可以预见，未 来的软起动器将沿着以下方向发展： ( 1 ) 提高起动转矩。采用分级变频起动，饺电机低速起动时，起动电流小，起动转 矩大，可以在满负荷的情况下实现软起动。 ( 2 ) 实现高水平的控制，向智能化的方向发展。 ( 3 ) 起动器将向中压电机软起动方向发展。 ( 4 ) 向小型化方向发展。 1 4 本课题的目的与任务 1 4 1 本课题的目的 通过比较异步电动机的各种起动方式，如图1 1 所示。当电机全压起动时，对电网 的冲击最大，冲击时间也最长；而通常使用的降压起动也就是硬起动，对电网的冲击虽 比较小，但是由于涉及到一个线圈电压切换过程，所以出现二次冲击的不利环节；软起 动由于在起动前设定了一个不对电网产生影响的起动电流，电流是缓慢增大至设定电 流，故无冲击电流，所以对电网的影响最小，并且消除起动力矩的冲击。 0 图i 1 各种起动方式 f 喀1 。ld i 虢r e ms t a n u p m o d e s 异步电动机软起动器的研究 由于软起动器所具有的优点及其它控制设备无法比拟的性价比，使得软起动器的应 用前景十分广阔。加上现在国内电力供应紧张，软起动器在节能方面有突出的表现。因 此软起动器拥有十分广阔的市场。但是在国内软起动器市场，以国外产品屠多。国外产 品质量高，但是价格昂贵，性价比不高，在国内彻底普及有困难。针对该现状，本文设 计出一种低价格，高性能的异步电动机软起动器。 1 4 2 本课题的任务 本文在深入分析电力电子软起动原理和控制方式的基础上，着重研究和解决一下五 个方面的问题： ( 1 ) 对d s p t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 a 处理器应用于异步电动机软起动控制进行研究，完成了基于 d s p 处理器的软起动器硬件电路的设计。 ( 2 ) 完成s 咖l i n k 对异步电动机软起动的仿真。 ( 3 ) 完成软起动器的软件设计，并对样机进行试验测试。 ( 4 ) 完成软起动器中文汉化界面以及通讯接口的设计。 大连理1 大学硕士学位论文 2 交流异步电动机的起动原理 2 1 三相异步电动机的起动方法 三相笼型异步电动机有直接起动与减压起动两种起动方法l l 。 2 1 1 直接起动 直接起动，也叫全压起动。起动时通过一些直接起动设备，将全部电源电压( 即全 压) 直接加到异步电动机的定子绕组，使电动机在额定电压下进行起动。一般情况下， 直接起动时起动电流为额定电流的和7 倍，起动转矩为额定转矩的l 2 倍。根据对国产 电动机实际测量，某些笼型异步电动机起动电流甚至可达8 1 2 倍。 直接起动的起动线路是最简单的，如图2 1 所示。然而这种起动方法有许多不足。 对于需要频繁起动的电动机，过大的起动电流将造成电动机的发热，影响电动机的寿命； 同时电动机绕组在电动力的作用下，会发生变形，可能引起短路，进而烧毁电动机；另外 过大的起动电流，会使线路压降增大，造成电网电压的显著下降，从而影响同一电网的 其他设备的正常工作，有时甚至使它们停下来或无法带负载起动。这是因为l 及t 。均 与电网电压的平方成正比，电网电压的显著下降，可使t s 。及t m 均下降到低于t z 。 一般规定，异步电动机的功率低于7 5 k w 时允许直接起动。如果功率大于7 5 k w ， 而电源总容量较大，能符合下式要求的话，电动机也可允许直接起动。 耳= 每s 扣蒜鬻蒜等势 眨t ， “7 k 一4 起动电动机容量( k v a ) 。 一 如果不能满足式( 2 1 ) 的要求，则必须采用减压起动的方法，通过减压，把起动电 流k 限制到允许的数值。 异步电动机软起动器的研究 3 ( f 3 k m 图2 1 直接起动原理图 f i g 2 11 1 1 ep 一皿c i p l eo f d i r e c ts 协r t 2 1 2 减压起动 减压起动是在起动时先降低定子绕组上的电压，起动后，再把电压恢复到额定值。 减压起动虽然可以减小起动电流，但是起动转矩也会同时减小。因此，减压起动方法一 般只适用于轻载或空载情况下起动。减压起动的具体方法很多，这里介绍下列四种减压 起动的方法。 ( 1 ) 星形- 三角形( y d ) 起动 y d 起动是一种降压起动方法。起动时将异步电动机三相定子绕组接成星形，等起 动完成后，再接成三角形。从而异步电机需要六个出线端。其起动电路如图2 2 所示。 起动时，先接通电源开关k ，使电源经熔断器f 1 、f 2 、f 3 到接触器触头，然后使接触 器k m l 和k m 3 得电，将异步电动机接成星形起动，当电机转速达到一定转速时，使接 触器1 0 m 3 断电，并使接触器k m 2 得电，使异步电动机运行于三角形连接。 由于定子绕组接成星形连接后，每相绕组的相电压为三角形连接( 全压) 时的1 3 ， 所以y d 起动时起动电流及起动转矩均下降为直接起动的1 3 。因此，y d 起动适合于 电动机的轻载起动，并且局限于正常运转时为三角形接法的异步电动机。 人连理r 丁大学硕士学位论文 图2 2y d 起动原理图 f i g 2 21 1 埔p 血c i p l eo f y - ds t 8 r t ( 2 ) 阻抗起动 阻抗起动是在电动机起动时，在定子绕组回路中串入电抗器( 有时也串接电阻器) ， 当转速达到一定程度后，短接电抗器使电动机运行于全压。 阻抗起动的原理图如图2 3 所示。起动时，使电源开关k 接通，电源经阻抗z 接到 电动机的定子端。起动完成质，接触器k m 得电使其主触点闭合，将起动阻抗短接，把 全电压加到了定子绕组上。 异步电动机软起动器的础f 究 3 图2 3 阻抗起动原理图 f i 昏2 31 1 1 ep r i n c i p l eo f r e s i s t a n c es 伽t z 但是电压降低后，t s t 和电压的平方成正比的减小，因此阻抗起动方法一般用在轻载 起动的场合。阻抗起动还有另一个缺点，当外串接电阻器时，由于电阻上有较大的有功 功率损耗，对大中型异步电动机将不经济。 阻抗减压起动有手动及自动等多种控制线路。由于成本较高，起动时电能损耗较多， 因此实际应用不多。 f 3 ) 自耦变压器起动 三相异步电动机自耦变压器起动电路如图2 4 所示。起动时，开关q 投向起动边， 即2 端，电动机的定子绕组通过自耦变压器t 接到三相电源上，属于降压起动。当转速 上升到一定程度后，开关q 投向运行边1 端，自耦变压器t 被短接，电动机的定子绕 组被接上全压，进入正常运行。 若自耦变压器的变比为k ，则自祸变压器起动时起动电流( 进线口) 为全压起动的 ，1 三，同时起动转矩也下降到全压起动转矩的去。因此自耦变压起动时，转矩的损失 k 直 相对较小，可以拖动较大的负载起动。 人连理工大学硕士学位论文 图2 4 自耦变压器起动原理图 f 培2 41 1 l ep f i n c i p l eo f 粕t 0 衄1 m 衄e rs t a r t 自耦变压器起动适用于容量较大的低压电动机作减压起动用，应用很广泛，有手动 及自动控制线路。其优点是电压抽头可供不同负载起动时选择：缺点是体积大、质量大、 价格高、需维护检修。 ( 4 ) 延边三角形起动 延边三角形起动用于三相定子绕组接法的鼠笼式异步电动机降压起动。这种电动 机每相绕组有三个出线端，如图2 5 ( a ) 所示。其中端子1 、2 、3 为首端，端子4 、5 、6 为尾端，端子7 、8 、9 为中间抽头。起动时，电源电压为额定值，三相绕组的卜7 、2 8 、 3 9 部分为星接，7 4 、8 5 、9 6 为接法，如图2 5 ( b ) 所示。当转速上升到一定值后， 三相绕组又接成如图2 5 ( a ) 的三角形连接。延边三角形起动时，起动电流及起动转矩 的大小取决于中间抽头的位置。 采用不同的抽头比例，可以改变延边三角形连接法的相电压。其值比y d 起动时y 连接法高，因此起动转矩较h d 起动时大，能用于重载起动。 异步电动机软起动器的研究 w ；j 。 u v ( a )( b ) 图2 5 延边三角形起动原理图 f i g 2 5t h ep r i n c i p l eo f p m l o n g e dd e l t ac o n i l e c t e ds t a n 延边三角形起动具有体积小、质量小、允许经常起动、节省有色金属与黑色金属等 优点，因此预期将获得进一步推广，并逐步取代自耦补偿的起动方法。其缺点是电动机 内部接线较为复杂。 2 2 软起动与一般降压起动的区别 上述介绍的四种降压起动方式是传统的起动方法，与本文中介绍的软起动是有所区 别的。传统的起动方法属于有级减压起动，存在明显缺点，即起动过程中出现二次冲击 电流。而软起动与传统减压起动的不同之处是h 。7 】： ( 1 ) 无冲击电流。软起动器在起动电机时，通过逐渐增大晶闸管的导通角，使电动 机起动电流从零线性上升到设定值。 ( 2 ) 恒流起动。软起动器可以引入电流闭环控制，使电机在起动过程中保持恒流， 确保电机平稳起动。 ( 3 ) 根据负载情况及电网继电保护特性选择，可自由的无级调整至最佳的起动电流。 在电动机起动时，降低加到电动机定子绕组的电压，可以减小电动机的起动电流。 一般降压起动是电动机在起动过程中，加在电动机定子绕组的电压的变化是瞬间突变 的，主要有降压起动和自耦变压器降压起动等。而软起动是使用调压装置在规定的起动 时间内，自动地将起动电压连续平滑地上升，达到额定电压，也就是本文介绍的软起动 器所要完成的功能。 异步电动机的机械特性可用n = f ( m ) 来表示，其特性曲线如图2 6 所示。 图2 6 中”表示电动机转速；表示电动机空载转速；m 表示电动机转矩；u ，表 示电动机额定电压；m 。表示电动机最大转矩；s 。表示电动机在最大转矩时的转差率。 人连理工大学硕士学位沦文 从图26 可以看出若采用一般降压起动，假若起动电压 ，= o 5 玑，则电动机起动时 的转矩为o 2 5 m 。，即起动时的转矩只有电动机最大转矩的l 4 ，如果在此时将电压u 加 大到电动机额定电压u 。，则电动机的转矩一下子就从1 4 跳到m 这样的起动过程是 跳跃的、不平滑的，所以又叫作硬起动，对生产工艺要求稳定起动的场合就不宜采用。 o 锻娴t m km 图2 6 异步电动机的机械特性 f i g 2 6 n 壕m 扯l i i c h 黜蚓时量s 吐c o f 酗朔d 咖咖s m o t o 鸭 而软起动从初始电压开始电压连续平穗的增大，从图中的o 5 玑的那根曲线连续平 滑的不断向右平行移动，一直平稳到与额定电压以那根曲线重合时为止，那么电动机 的转矩就会平滑地增大，一直到转矩为最大值m ：时为止，起动过程也就结束，这样在 起动过程中电动机的转矩是平滑的而不是跳跃的，起动过程是平稳的，所以被称为软起 动。 为了进一步研究异步电动机的起动和制动时，电压、电流、转矩等变量之间的关系， 同时简化计算的复杂程度，很有必要进行异步电动机的简化分析。这样就可以更容易理 解软起动的控制过程。下面就进行介绍异步电动机的简化电路。 2 3 异步电动机的等效电路 三相异步电动机的定子电路和转子电路之间只有磁的联系，并无直接电的联系。如 果能用一个等效电路来代替它，则可使三相异步电动机的运行分析更加简单，方便。 经过频率和绕组折算，得到三相异步电动机的每相t 型等效电路如图2 7 所示【”j 。 异步电动机软起动器的研究 等效电路中元件r ，为定子电阻，为定子漏电抗，r ，为归算以后的转子电阻，。 为归算以后的转子漏电抗，r 。为定子铁心损耗所对应的等效电阻，。为励磁电抗。图 中的物理量d 。为定子电压向量，重，为定子感应电动势向量，岛为转子感应电动势向量， ，；为定子电流向量，l 为磁化电流向量，j 。为转予电流向量。 坚册 s 图2 7 异步电动机的t 型等效电路 f 塘2 7tb 僻e q u i v a l tc i r c u no f 哟q l c i n o i 】sm 悯 由于异步电动机的定子、转子之间有气隙存在，空载电流( 流经励磁支路) 相对来 说比较大，一般不可以忽略。但是为了简化计算，可以把励磁支路移到等效电路的输入 端，从而变成简化等效电路。图2 8 为三相异步电动机的简化等效电路。 堕鼢 s 图2 8 异步电动机简化等效电路 f i g 2 8t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to f 粘y n c l 邶n o u sm o t o r s 当然，利用简化等效电路计算的结果会有一定的误差，但是对于一般容量不太小的 异步电动机而言，这种误差是不大的，因此能满足工程上所要求的精度。 夫连理r 大学硕士学位论文 为了研究异步电动机的起动和制动时电压、电流、转矩等变量的关系，从三相异步 电动机的运行状态和生产机械的负载转矩特性出发。 由异步电动机简化等效电路可以求出三相异步电动机械特性的数学表达式： 3 珂u ；二 t = _ 二一 ( 2 2 ) 2 矾【( r ，+ ! 二) 2 十( ，+ x 月) 2 其中表示磁极对数，石表示电源频率。 起动时，转子转速为o ，转差率s = l ，此时的机械特性表达式为： 驴一= 一当娶丝l 而 ( 2 3 ) ，= _ - _ - - - _ _ _ - 、6 o ， “ 2 萌t ( 置，+ 耳) 2 + ( 置+ ) 2 】 因为电动机起动时，( 只+ r ，) + ，c 以+ j k ) 要比( 凡+ 硝- 厨) 小很多，所以简化等效 电路的等效阻抗为： z x * ( r 。+ 冗，) 2 + ( z 。+ k ) 2 ( 2 4 ) 由式( 2 4 ) ，可以求得异步电动机的起动电流为： l 。芝2 丽若隶雨 眨印 由式( 2 3 ) 、式( 2 5 ) 可知，在转速或转差率一定时，起动转矩与定子两端电压u 。平 方成正比，起动电流与定子两端电压以成正比。同时电动机定子、转子漏抗在电动机 起动时，由于定子、转子电流比额定电流大很多，使得漏磁路中的铁磁部分发生饱和， 引起总的漏磁路磁阻变大，从而以和瓦变小，磊变小，起动转矩矗与起动电流l 变 大。因此当电动机起动时，如果将电压直接加到定子两端，将产生极大的冲击转矩和冲 击电流，对设备很不利。所以采取降低定子两端电压的方法，此时起动电流按比例减小， 起动转矩按平方减小。软起动器就是根据该原理进行设计的，采用的是晶闸管交流调压 电路，降低加在定子两端的电压，从而减小起动电流。然后逐渐升高电压值，使异步电 动机平稳起动。 异步电动机软起动器的硼究 3 软起动器的工作原理及功能 软起动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能且多种保护功能于一体的新犁电 机摔制装置。电动机软起动器般叭大功率双向晶闸管构成三相交流调压电路。以微处 理器及信号采集、保护环节构成控制器，通过控制晶闸管的触发角，调节晶闸管调压电 路的输出电压，实现电动机的无触点降压软起动、软停车和空载、轻载的节能及保护功 能。其特点尾电动机转矩近似与定子电压的平方成正比。用软起动器起动电机时，晶闸 管的输山电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直至晶闸管全导通，电动机工作在额定电压 的机械特性上。 3 1 软起动器主电路的工作原理 软起动器采用图3 1 所示的三相交流调压电路。在电源和异步电动机之间接入反并 联的晶闸管调压电路，通过改变晶闸管的触发角来改变电动机定予两端电压，进而改变 电机的转速和定子电流等物理量【1 9 j 。晶闸管的控制方式有两种：一是相位控制，即通过 控制晶闸管的导通角来调压；二是周波控制，即把晶闸管作为静止接触器，变替的接通 与切断几个周波的电源电压，用改变接通时间与切断时间之比来控制输出电压的有效 值，从而达到调压的目的。本文所论述的交流调压方式均指相位控制。 离3 1 晶闸管三相交流调压电路 f i g 3 13 - p h a 8 e a ca d j u 劬l g v o h a g ec h u j t o f s c r 软起动器采用了图3 1 所示的主电路。由于所示的电路中没有中线，因此在工作时 若要负载电流流通，至少要有两相构成通路。其中一相是正向晶闸管导通，另一相则是 反向晶闸管导通。为了保证在电路起始工作时有两个晶闸管同时导通，以及在感性负载 反向晶闸管导通。为了保证在电路起始工作时有两个品闸管同时导通，毗及在感性负载 大连理工大学硕士学位论文 与控制角较小时仍能保证不向相的两个晶闸管同时导通，本系统采用了能够产生大于 6 0 0 的宽脉冲或双窄脉冲的触发电路。 和整流电路一样，交流调压电路的工作情况和负载性质有很大关系。因此下面就分 别予以讨论。单相交流调压电路是三相交流调压电路的基础，这里就用单相交流调压电 路为例进行讨论( 2 f 】i 。 ( 1 ) 电阻负载 图3 2 为电阻负载的单相交流调压电路图。图中的晶闸管v t l 和v t 2 也可以用一个 双向晶闸管代替。在交流电源“的正半周和负半周，分别对v t l 和v t 2 的控制角甜进行 控制角可以调节输出电压。正负半周口起始时间( a = o ) 均为电压过零时刻。在稳态情 况下，应使正负半周的口相等。从而可以得出，负载电压波形是电源电压波形的一部分， 而且负载电流和负载电压波形相同。原因在于负载为纯电阻性负载，电流与电压同相位。 图3 2 电阻负载原理图 f i g 3 2 耽e 研咀c i p l eo f r 酷i s 诅n c el o a d r 图0 z 甲任拦制用力d 叼，负载咀比有双值“o 、负载电流硐双僵j o 、晶削雷电流 有效值岛和电路的功率因数五分别为： 砜= 仁r ( 厨。s i n 耐蚴) = u 压s i n 2 口+ 等 ( 3 _ 1 ) 厶= 睾= 等去如2 口+ 等 c 。z ， = j 去r c 华归c 硼= 等冉e ，一詈+ 专 s ， 五：妄：磐：粤：1 圭。i 。2 口+ 型 ( 34 ) s u l ，ou v2 z z 异步电动机软起动器的研究 由卜述各式可以看出，口的移相范围为o s 口万。甜= 0 叫，相当于晶闸管一直导 通，输出电压为最大值，“= u 。随着甜的增大，逐渐降低，直到口= 石时，乩= o 。 此外，口= o 时，功率因数 = 1 ，随着口的增大，输入电流滞后于电压并且发生畸变， 也逐渐降低。 ( 2 ) 阻感负载 图3 3 为阻感负载的单相交流调压电路图。设负载的阻抗角为妒= a r c t a n ( 础r ) 。 如果用导线把晶闸管完全短接，稳态时负载电流应该是正弦波，其相位滞后于电源电压 玑的角度为p 。用晶闸管进行控制时，很显然只能进行滞后控制，使负载电流更加滞后， 而无法使其超前。为了方便，把口= o 的时刻仍定在电源电压过零时刻。 u 1 图3 3 阻感负载原理图 f i g 3 3t h ep r m c i p l eo f r 鹤i s t a 鹏e 柏di n d u c 协n c el d 当在耐= 口时刻开通晶闸管v t l ，负载电流应该满足如下微分方程式和初始条件： 上等讽= 厄s 血耐 乇| 耐：。= o 解方程( 3 5 ) 可以求得： f 0 ：孚 s i n ( 帅n ( 唧) e 嚣 ( 3 5 ) ( 3 6 ) 口叫d + 1 9 ( 3 7 ) 式( 3 7 ) 中，z = “f 丽；臼为晶闸管的导通角。 v t 2 导通时，上述表达式完全相同，只是f 0 的极性相反，并且相位相差1 8 0 。 大连理l ：人学硕二 。学位论文 上述电路在控制角为a 时，负载电压有效值砜、负载电流有效值l 、晶闸管电流 有效值，。分别为： u 0 _ 也n 皿s i n 斫蛔) 叫拦+ 扣n 2 m ( 2 删绷 ( 3 t8 ) 协摆雎孚【s i n ( 耐一加嘶刊e 嚣 ) 2 蛔) ：粤，砖堕塑塑型塑 ( 3 9 ) 2 万zv c o s p 厶= 嘞；箍f 堂掣 ( 3 l o ) 由上所各式可以推导出，阻感负载时触发角口的移相范围为口s 口 ，。 由于异步电动机是感性负载，由上述分析可以得知，当交流调压电路带感性负载时， 只有当触发角口大于负载的功率因数角妒时，才能起到调压的作用。当口 矿时，电流 导通的时间将始终保持在1 8 0 0 。其情况与口 f 一样，相控不起任何调压作用，甚至在 晶闸管触发脉冲不够宽的情况下，出现只有一个方向上的晶闸管工作，负载上出现直流 分量，对晶闸管造成危害。为了保证晶闸管的安全，在使用相控晶闸管电路时采用宽脉 冲触发，移相范围限制在舻口 1 8 0o 。 如图3 1 所示，主电路的每相由反并联的两个晶闸管构成。要实现异步电动机的平 稳起动，需要控制电机的输入电压，使其按照某种曲线由小至b 大逐渐上升。通过按照一 定时序调整六个晶闸管的触发角盯就可以实现该目标。该电路的调压实质是对电源电压 进行斩波脚_ 2 2 】。电机获得的电压是非正弦的，但是每相电压的正负半周是对陈的。晶闸 管任意一相的电压波形如图3 4 所示，其中电网电压的波形时完整的正弦波，a 是晶闸 管的触发角，妒是负载的功率因数角( 也日q 晶闸管的续流角) ，目是晶闸管的导通角。 异步电动机软起动器的研究 f 弋 一k 飞 j j 、。一_ k 一 _ _ - ，- i 一 图3 4 任意一相晶闸管的工作波形 f 唔3 4 t h e w o 州n g w a v eo f s c r 由上图可以很容易地推导出触发角口、功率因数角p 以及导通角p 之间的关系： 口= 万一口+ 妒( 3 1 1 ) 其中晶闸管的输出电压是介于导通角口之间的波形。通过改变导通角p 的大小，就 可以改变晶闸管的输出电压，从而改变了电机的输入电压。由式( 3 1 1 ) 可以得知，导通 角口与触发角口、功率因数角尹都有关。对于恒定的负载而言，功率因数角p 是常量， 导通角口仅仅与触发角口有关。此时，只要改变晶闸管触发角口就可以改变晶闸管的输 出电压。但是对于异步电动机而言，功率医数角驴是个变量，并且是电机转速n 的函数。 在电机起动过程中，随着转速逐渐变大，功率因数角p 也在不断变化。因此，改变晶闸 管触发角口的同时也要兼顾功率因数角妒的变化情况。只有这样，才能实现异步电动机 的输入电压按照预定规律变化的要求【2 3 1 。 3 2 软起动器的功能及运行模式 软起动器的功能主要是实现软起动和软停车。下面进行详细的介绍。 3 2 1 起动功能 异步电动机软起动器拥有多种起动模式，可以满足不同的起动要求。 ( 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，。的软起 动方式，起动波形如图3 5 所示。主要用于轻载起动的降压起动，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l ，然后保持输出电流i ，。的条 件下逐渐升高电压，直到额定电压。这种起动方式的优点是起动电流小，且可按需要调 整起动电流的限定值，。其缺点是在起动时难以知道起动压降，不能充分利用压降空间， 损失起动转矩，起动时间相对较长。该方法应用较多，适用于风机，泵类负载。 大连理二l 大学硕士学位论文 j j 工 0 图3 5 限流起动波形 f i g 3 5t h ew a v eo f t h