交流电动机减压软启动系统的设计

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1、摘要三相交流异步电动机因其结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉等优点而广泛应 用于商业、工农业生产、国防和日常电气设备中。随着现代工业技术和生产工艺的发 展，人们对电机的起动控制要求越来越高。传统的降压起动方式因不能真正消除电 流冲击，已经无法满足工业生产的需要。软启动器的问世则解决了上述难题，他平滑 了电机的起动过程，消除了电流冲击，真正实现了电机的无级起动控制。在三相交流异步电动机不宜采用直接启动的时候，可考虑采用电动机降压启动或 其它启动方式。三相晶闸管调压软启动是近年来发展的新技术，采用反并联接线的晶 闸管接在电动机的三相绕组上，在电动机启动过程中通过控制晶闸管导通角的大小， 使电动

2、机的启动电流可根据工作要求设定的规律变化。本文详细分析了调压软启动的 原理并且建立了相应的仿真模型并对其进行了验证。关键词：直接启动 ：启动电流 ：软启动 ：仿真目录1 交流电动机传统启动技术 31.1 三相交流异步电动机的直接启动及其存在的问题 31.2 三相交流异步电动机的简化数学模型 31.3 直接启动所存在的问题 41.4 三相交流异步电动机的传统启动技术及其存在的问题 42 交流电动机降压软启动技术 62.1 限流软启动 82.2 电压斜坡启动 82.3 转矩控制启动 82.4 转矩加突跳控制启动 82.5 停车方式 83系统仿真及结果93.1功能模块设计113.2仿真实验134 总

3、结 13参考文献15jX2U1 交流电动机传统启动技术从交流电机发展至今，三相交流异步电动机得到了广泛的应用，其性能和功率也 不断的提高，电压也从低压发展到高压。随着三相交流异步电动机功率的提高，其启 动过程也出现诸多弊端。在本章中我们将对电机的启动问题进行简要分析和论述。 （一）三相交流异步电动机的直接启动及其存在的问题1.1 三相交流异步电动机的简化数学模型为了研究异步电动机的启动和制动时的电压、电流、转矩等变量的关系，要先从 三相异步电动机的运行状态和生产机械的负载特性出发。异步电动机的简化T型等效 电路如图1.1所示。其中R、X分别为定子的电阻和漏抗，R /s、X 分别为折算11C2后

4、转子的电阻和漏抗，R、X分别为励磁电阻和励磁电抗，s为转差率。mmRjX11o图1.1异步电动机简化T型等值电路由异步电动机简化等值电路可以求出三相异步电动机的转子电流因为电机启动时，转子转速n=0,转差s=1，此时的启动电流为:沁st(R + R )2 + (X + X )2lo2oV 1 2由上式可知，电机启动电流和电压U成正比。1由异步电动机的功率平衡及转矩平衡关系可知，异步电动机的电磁转矩为:312 R2(1 - S)2 s312 R2(1 - S)2 s60式中：Q1为旋转磁场的同步角速度601(1 - s)R31222 sQ12兀n 2兀 60 f 2兀f。二 1 = X 1 =1

5、1 60 60 p p将I代入T中可得：2 R13U 2 2T = 1 s0 (R + R / s)2 + (X + X )2112lo2o由上式可知，当频率不变时，同步角速度及电机参数为常数，电磁转矩T是定子电压U 和转差率 s 的函数。在电动机启动瞬间， s=1 ，则启动转矩为：13U 2 RT = 1 sst 0 (R + R)2 + (X + X )21 1 21o 2o由此可知，在电机参数一定的情况下，启动转矩只和U有关，两者为平方的关系。1综上所述，当电源的频率和电动机参数都不变的情况下，启动转矩和 U 成平方1关系，启动电流和U成正比，即在降低启动电压的情况下，启动电流和启动转矩

6、都1 相应降低。因此，可以通过控制定子电压对启动转矩和启动电流进行控制，这即是大 部分启动方式所采用的理论依据。1.2直接启动所存在的问题如果全电压直接启动，由 1中所分析的结论可知，启动转矩较大，而冲击电流也 很大。我们首先来看一下较大的启动电流对电动机本身的影响。对于频繁启动的异步电 动机，频繁出现短时大电流会使电动机内部过热，会对电动机产生不良影响。再来看启动电流对供电变压器的影响。配电变压器的容量是按照其供电的负载总 容量来设计的，正常运行条件下由于电流不超过额定电流，其输出的电压比较稳定。 三相异步电动机启动时，如变压器相对容量不是很大，电动机短时较大的启动电流会 使变压器输出的电压

7、短时下降幅度很大，超出正常允许的范围，这时就会产生如下影 响：启动电动机本身由于电压太低，使启动转矩下降很大，当负载较重时，有可能 启动不了； Q会对同一变压器供电的其他负载产生不良影响，如电灯变暗，重载电动 机停转等。由以上分析可知，异步电动机直接启动有其突出的缺陷，所以对容量较大的电动 机都采用一些特殊的技术来进行启动。(二)三相交流异步电动机的传统启动技术及其存在的问题在三相交流异步电动机不宜采用直接启动的时候，可考虑采用电动机降压启动。 传统的电动机降压启动方式有定子串电阻电抗器降压启动、转子串电阻降压启动、Y 一降压启动、自偶变压器降压启动等。表1对这几种启动方式进行了比较。由表1可

8、以看出，这些启动方式虽然在一定程度上解决了启动电流过大的问题，但是都是采取的有级调速方式；多数存在二次甚至多次冲击；同时启动设备带载切换容易拉弧损坏，设备维护量大等问题。随着电力电子技术的发展，一种新的启动技术软启动以其优良的启动、保护性能得到了广泛的关注。表1.1 异步电动机传统启动方式启动方式启动电流启动转矩优点缺点应用场合以直接启动为1直接启动11启动设备简 单启动冲击电流 大，冲击力矩 大中小功率电动 机轻载或空载 启动定子串电阻启 动uu 2启动设备简 单有级调速、启 动转矩小适用于空载或 轻载启动Y启动1/31/3启动设备简 单，可频繁启动有极、有一次 冲击正常运行为 接法，空载或

9、轻 载启动自藕变压器降 压启动1/ k 21/ k 2启动转矩较 大有极、设备体 积大、不能频 繁启动、多次 冲击较大容量电机、 较大负载不频 繁启动2 交流电动机降压软启动技术降压软启动是近年来发展的新技术，采用反并联接线的晶闸管接在电动机的三相 绕组上，在电动机启动过程中通过控制晶闸管导通角的大小，使电动机的启动电流可 根据工作要求设定的规律变化。这样，电动机的启动电流大小、启动方式均可以任意 调节和选择，可使电动机根据继电器保护特性而处于最佳的启动过程。（一）降压软启动器调节原理利用交流电机的电压特性曲线来控制交流电机的启动，是电子软启动器的主要控 IS、TU、V、WR控制单元电压检测电

10、流检测驱动电路指令和显示图2.1 电子软启动系统框图制思想。采用三对反并联的晶闸管串联于电动机的三相供电电路上，利用晶闸管的电 子开关特性，通过控制其触发脉冲、触发角的大小来改变晶闸管的开通时间，从而改 变电动机定子输入电压，以控制电动机的软启动过程。当电动机启动完成后，即端电 压升至额定电压时，三相旁路接触器K吸合，使电动机直接并网运行。启动时，晶闸 管的导通角从0开始上升，逐渐增大，电动机的端电压也从零开始上升，直至达到 满足启动转矩要求，保证启动成功。电子软启动器的基本电路框图如图2所示。（二）降压软启动器的主电路结构 降压软启动器的电路原理如图3所示。在电机定子三相进线电路上串联六个反

11、并 联晶闸管（或三个双向晶闸管），可控制电压的双向通断。通过改变晶闸管的导通角 来改变加到定子端的电压。由电机转矩和定子端电压的关系T * U 2以及定子电流和 定子端电压的关系I * U可知，改变电压的有效值，即可改变交流电机启动时的冲击 电流和转矩。w图 2.2 晶闸管调压软启动主电路示意图三）晶闸管调压原理在工频电源和负载之间接入晶闸管调压器，就可以改变负载端的电压。用晶闸管 调压的方法有两种：一种是相控调压，另一种是斩波调压，即用双向晶闸管作为静止 接触器，交替的接通与切断几个周波的电源电压，但是斩波调压用在异步电动机定子 上，通断交替的频率不能太低。否则一方面会引起电动机转速的波动，

12、另一方面每次 接通电流相当于一次异步电动机重合闸的过程。当电源断开时，电动机气隙中的磁场 将由转子中的瞬态电流来维持，并随转子而旋转，气隙磁场在定子绕组中感应的的电 势频率将有所变化，当断流时间间隔稍长时，这个旋转磁场在定子中感应的电势和重 新接通时的电源电压在相位上可能会有相当大的差别，这样就会出现较大的冲击电 流。可能危及晶闸管的安全。如通断交替频率较高，每次通断时间间隔中交流电周波 数较少，采用整周波斩波控制方法可能调速不够平滑，所以在异步电动机的调压控制 中多用相控技术。由于异步电动机是感性负载，所以当晶闸管调压时，只有当移相角a大于感性负 载的功率因数角申时，才能起到调压作用，因为当

13、ap时，电流导通的时间将始终 为180。，其情况与a = 0时一样，相控不起任何作用，因此申的下限取为额定运行时 的申值，而上限取180。在调压时，负载上所得到的电压与电流波形在根据触发角a的不同而改变，单相 晶闸管电路的电压输出波形如图4所示，其中a为触发角，申为续流角，6为导通角, 由图4可知，6角决定了晶闸管的输出电压，故改变6角的大小就可以调节电机的输 入电压，并且有：6二兀-a+甲。可见电机的输入电压与触发角和续流角都有关系。由于没有中线，所以要想形成电流通路，至少要两相同时导通。为了保证在电路 起始工作时能使两个晶闸管同时导通，以及在感性负载与控制角较小时仍能保证不同 相的两个晶闸

14、管同时导通，要求采用能够产生大于60。的宽脉冲或双窄脉冲的触发电 路，以免在ap的情况下交流调压电路中可能只有一个方向的晶闸管在工作，负载 上的电压和电流波形将出现正负半波不对称的情况，产生直流分量。具体的触发方式为：触发角a =0点应该定在各相电压的过零点，调压电路从相 电压的过零点处开始计算触发角；六只晶闸管的触发相序是VT1、VT3、VT5依次滞 后120。，VT4、VT6、VT2又分别滞后VT1、VT3、VT5 180。，这样触发相位自VT1 到VT6依次滞后60。图 2.3 单相晶闸管工作波形（四）降压软启动的启动方式及其控制策略 从电机启动性能的角度出发，以不同的参量为控制目标，使

15、得降压软启动器有多种启动方式和控制策略，先分别进行分析。2.1限流软启动限流软启动顾名思义即在电动机的启动过程中限制其启动电流不超过某一设定 值（Im）的软启动方式。主要用在轻载启动负载的降压启动，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Im，然后在保持输出电流IvIm 的条件下逐渐升高电压，直到额定电压，使电动机转速逐渐升高，直到额定转速。其 缺点是在启动时难以知道启动压降，不能充分利用压降空间，损失启动转矩，启动时 间相对较长。2.2电压斜坡启动输出电压由小到大成斜坡规律线性上升，将传统的降压启动变有级为无级，刚启 动时，电压迅速上升到初始转矩对应的电压，然后按照

16、设定的启动时间逐渐上升，直 到达到额定电压。主要用在重载启动中。它的缺点是启动转矩小，且转矩特性呈抛物 线型上升，对启动不利，且启动时间长，对电机也不利。改进的方法是采用双斜坡启 动，输出电压先迅速升至UU 1为电动机启动所需最小转矩所对应的电压值，然后按 设定的速率逐渐升压，直至达到额定电压。初始电压及电压上升率可根据负载特性调 整。这种启动方式的特点是启动电流相对较大，但启动时间相对较短，适用于重载启 动的电机。（1）转矩控制启动主要用在重载启动，它是按电动机的启动转矩线性上升的规律控制输出电压，它 的优点是启动平滑、柔性好，对拖动系统有利，同时减少了对电网的冲击，是最优的 重载启动方式，

17、其缺点是启动时间较长。（2）转矩加突跳控制启动 与转矩控制启动一样也是用在重载启动的场合。所不同的是，突跳控制在启动的瞬间用突跳转矩，克服拖动系统的静转矩，然后转矩平滑上升，可缩短启动时间。但 是，突跳会给电网发送尖脉冲，干扰其它负荷，使用时应特别注意。（ 3）停车方式停车方式有三种：一是自由停车，二是软停车，三是制动停车。软启动器带来的 最大好处是软停车和制动停车，软停车消除了拖动系统的反惯性冲击，对于水泵就是 “水锤”效应，制动停车则在一定场合代替了反接制动停车功能。3 系统仿真及结果在对软启动进行了上述分析后，我们选择目前比较常用的电压斜坡控制方式来进 行降压软启动的深入研究。本设计中利

18、用现在比较流行的MATLAB工具进行计算机 仿真研究。（一）Matlab/Simulink工具简介MATLAB是 一种科学计算软件，早期MATLAB主要用于解决科学和工程的复杂 数学计算问题。由于它使用方便、输入便捷、运算高效、适应科技人员的思维方式， 并且有绘图功能，有用户自行扩展的空间，因此特别受到用户的欢迎。1993年出现了SIMULINK,这是基于框图的仿真平台，SIMULINK挂接在 MATLAB环境上，以MATLAB强大的计算功能为基础，以直观的模块框图进行仿真 和计算。SIMULINK提供了各种仿真工具，尤其是它不断扩展的、内容丰富的模块库， 为系统的仿真提供了极大的便利。从SI

19、MULINK4.1版开始，有了电力系统模块库 （Power System Blockset），利用该模块库的模块，可以方便的进行RLC电路、电力电 子电路、电机控制系统和电力系统的仿真。本设计就利用Power System Blockset和基 本的SIMULINK库对降压软启动系统进行模型搭建和仿真。（二）异步电动机直接启动仿真 在设计降压软启动系统之前，我们首先对异步电动机全电压直接启动进行建模和仿真。全电压直接启动模型中，将三相交流电源直接和电动机定子相连，用示波器观察 启动过程中的启动电流、启动转矩以及转速曲线，具体仿真模型如图3.1所示。其中 异步电动机采用默认配置，只是把额定电压和

20、额定频率改为380V和50Hz即可。图3.1 全电压直接启动模型仿真时间设为0.5S，观察定子启动电流、转矩、转速曲线如图3.1.13.1.3所示。 因为电动机直接启动过程中主要是启动电流的冲击，由图中可以发现，启动过程中 电流的脉动较大，启动电流是额定电流的710倍，且冲击电流持续时间较长，将对电动机本身及电网造成很大的冲击；转矩在启动过程中波动也很大；转速上升比较迅速。图3.1.1 全电压启动定子电流图3.1.2 全电压启动转速图3.1.3 全电压启动转矩（三）异步电动机降压软启动仿真晶闸管软启动器可以通过电压的调节，限制启动电流，并且使电动机有较大的启 动转矩。软启动电路由三相晶闸管调压

21、电路和软启动控制器（给定积分器）、触发器 等组成，启动时通过控制器使晶闸管控制角从大到小变化，而电动机电压从小到大逐 次上升，仿真电路由图9所示。图3.2 降压软启动仿真模型3.1功能模块设计调压主电路模块反并联的两个晶闸管组成了交流双向开关，在交流输入电压的正半周，VT1导通， 在交流输入电压的负半周，VT2导通，控制晶闸管的导通时刻，可以调节负载两端的 电压。模块构成如图3.3所示。In 1和In2分别是两个晶闸管的触发端。本系统共需要3 个这样的功能模块构成调压主电路。图3.3 双向晶闸管模块触发器模块交流调压晶闸管触发角的移相范围是180。，= 0的位置定在电源电压过零时。 在阻感负载

22、时，按触发角与负载阻抗角申二arctan(L/R)的关系，电路有两种工作状 态。a. a 180。调压器输出电压和电流的正负半周是不连续的，在这个范围内调节触发角，负载 的电压和电流将随之变化。b. 0。 a 120 kTim已 offset: 0图3.2.2 降压软启动转速图3.2.3 降压软启动转矩总结本文首先总结了异步电机软启动的方法和发展历程；随后分析了晶闸管电子降压 软启动的原理及系统组成方式；在此基础上，利用 MATLAB 工具搭建了降压软启动的 仿真模型，并利用这个模型进行了仿真实验，得到了系统输出结果的波形。通过这次毕业设计，使我对电动机的软启动理论有了更深入的理解，对我在今后

23、 工作中一定会起到很大的帮助作用。并且通过这次设计，使我了解了 MATLAB 仿真的 方法，相信在以后的工作中也会发挥一定作用。参考文献1 毛幸，关于交流异步电动机软启动器的探讨，上海电器技术.2001,(4 ):26-282 胡永红，软起动技术在排灌站水泵控制中的应用，水电站设计，2003, (9):20-233 孟彦京、谢仕宏，交流电机两相变频软启动控制原理，机电产品开发与创新，2003,(4):30-34 陈建国、游钟平，孙玉鸿等高压鼠笼式电动机电液变阻软启动技术的开发与应用，电气传动， 1999,(5):9105 苗济国，中压大容量异步电动机起动，电工技术杂志，2002,(3):54556 徐甫荣、崔力，交流异步电动机软启动及优化节能控制技术的研究，电气传动自动化， 2003,25(1):177 罗琴华、季国瑜，交流电机软起动，微特电机，1997,(6):1818 徐甫荣，对变频器切换控制及循环软起动的看法，电工技术杂志，2002(8):5659 丁学文、金大海，交流电机变频软起动时的问题及解决方法，电力电子技术2001,35(5):1-310 王宝国、王凤翔，两相电机的线电压控制方式变频调速研究，电力电子技术，2001,(1):33-311 陈伯时，电力拖动自动控制系统，机械工业出版社:200312 薛定宇，控制系统仿真与计算机辅助设计，机械工业出版社:2005