交流电动机软启动分析与设计

《交流电动机软启动分析与设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《交流电动机软启动分析与设计（51页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、中北大学2010届毕业论文1绪论交流电动机是工农业中用得最多的一种电动机，其容量从几十瓦到几千千瓦， 在国民经济的各行各业应用极为广泛。例如：在工业方面：中小型的轧钢设备、各 种金属切削机床、轻工机械、矿山上的卷扬机和鼓风机等，都用交流电机来拖动； 农业方面：水泵、脱粒机、粉碎机和其他农副产品加工机械，也都是用交流电动机 拖动。此外，在日常生活中，交流电动机也用得很多。但是交流电机的也有缺点，特别是在其起动过程中。交流电动机起动时的大电 流对电网造成了很大的冲击，急激变化的起动转距增大了电机振动与噪声，也使机 械负载遭受较大冲击，影响设备精度。特别是大容量电机的起动问题，一直困扰着 人们。本课

2、题就是研究交流电机的起动方法进而解决交流电动机的软起动以及安全 生产所需要的各种保护而进行的。1.1交流电动机的起动过程分析1.1.1交流异步电动机的起动分析当交流电动机加上三相对称电压，如果电磁转矩大于负载转矩时，电动机就从 静止状态过渡到稳定运行状态。这个过程就交流电动机的起动。普遍使用的异步电 动机（鼠笼式）的主要起动性能是指起动电流（I ）和起动转矩（M ）。stst1.1.2交流异步电动机起动电流分析异步电动机起动时，转速n=0，转差率s=1,旋转磁场以同步速切割转子， 在短路的转子绕组中感应很大的电流，引起定子电流也跟着急剧增加，以至定子电 流很大。图（1-1）为三相异步电动机的等

3、值电路图。其中T s几分别表示定子绕组电阻和转子绕组电阻折合值；xx2分别表示第1页共42页定子漏抗和转子漏抗折合值；r、x为励磁电阻和励磁电抗；I为定子电流；I三 m m 1 2为转子电流折合值；I为励磁电流；s为转差率。0由图可见(其中s=1, c = 1 +住),若忽略激磁电路。可把起动时的异步电动机1xm看成一个由电阻 r 和电抗 x 串联的电路，其中：kkr = c r + c 2 rx = c x + c 2 x =2 兀 fk 1 1 1 2 ；k 1 1 1 2 ； 1 1 。由此可以分析出起动电流有两个分量，即稳态分量和按指数规律衰减的瞬态分最。瞬态分最的时间常数x /( r

4、 )很小，因而很快衰减，所以异步电动机的起动电 kk流通常认为就是稳态分量，于是得起动电流为：stU(c r + c2r)2 + (c x + c2x )21 11 21 11 2Uk1-1)如果近似的认为c沁1则可得到:1stU(r + r)2 + (x + x )21 2 1 2(1-2)可见 ，异 步电 动机的起 动 电流与外 加的电压 U 成正比，而与短路阻抗 1Z - Jr 2 + x 2成反比。在额定电压U下起动，由于短路阻抗Z很小，所以起动电 kkkNk流很大，可达47倍的额定电流I。N我们再通过图(1-2)异步电动机起动矢量图分析一下其起动电流成分和功率因 数及两者在电机起动过

5、程中的变化情况。由图可见在很大的起动电流中。有功电流i占较小一部分，而无功电流i占很大一部分，则起动时电机的功率因数cose中。1 p1Q1很小(0.02左右)。随着电机的起动，功率因数cos上升，起动电流减小，并且有1功分量逐渐增加，无功分量逐渐减小。三相异步电动机起动电流过大，会造成电网电压下降，这有两方面的影响：(1)是对电动机本身，由于电压太低起动转矩下降很多(M与M成正比)当负载较 st st图（1-2）异步电动机起动矢量从式（1-2）可以看出，降低最初起动电流有如下三种方法：（1）降低电源电 压；（2）加大定子边电阻或电抗；（3）加大转子边电阻或电抗。1.1.3 交流异步电动机起动

6、转矩分析 电动机起动过程中，为了能让生产机械转动起来。 M 必须大于负载转矩如图 st（1-3）所示：曲线1是异步电动机的M -s曲线，曲线2和3是两种不同的负载特性 曲线。为了能起动起来，必须要求oa线段长度大于ob线或oc线才行。起动程中的转 动方程为：M -（M + M ） = JdQ（1-3）20 dt式中J是整个系统的转动惯量：血/力是异步电动机转子的角加速度。从上式看出，为了让异步电动机能顺利地加速到额定转速。在整个起动过程中，必须要求电磁转矩M始终大于负载转矩M +M。另外，在相同的转动惯量下，转20矩差值越大，加速越快，起动过程越短。图（1-4）三相异步电动机直接起动从三相异步

7、电动机机械特性中知道，如果在额定电压下直接起动电动机，由于最初起动瞬间主磁通中em约减小到额定值的一半。功率因数cos0又很低，造成了2很大的最初起动电流，而最初起动转矩却并不大。图（1-4）所示为三相异步电动 机直接起动时的机械特性与电流特性，其中曲线 1 是起动电流特性。曲线 2是机械 特性。而最初起动转矩过小有时可能不能起动。因为只有在M 1.1M的条件下。st L 电动机才能正常起动。一般地说，如果异步电动机轻载和空载起动。直接起动的起动转矩就可以了， 但是如果重载起动，例如M二M且要求起动过程快时，直接起动就可能不够了。LNrm I2 1 s2“ /1图（1-3）中忽略了激磁电路的影

8、响（I。沁0 ）且沁1时有If卜|7 |，得到最初的起动 转矩，1-4)m I 2 r得 M 二一1 st 2 st2“ f1代入（1-4）得到：M =stm PU 2r +； C + x 1 2 1 21-5)式中m是定子相数；U是定子电压；p是电机的极对数:11从上式看出，三相异步电动机的最初起动转矩M有以下特点: st(1) 在给定电机定子频率及参数条件下，最初起动转矩M与电压U认的平方st 1成正比；(2) 当电压U和频率f 一定时，(x x)越大，M就越小；1 1 1 2 st(3) 加大起动转矩的方法可以适当加大转子电阻。但不能过分，否则最初的 起动转矩反而可能减小。综上，起动过程

9、要考虑下列几个问题：(1) 应该有足够大的起动转矩和合适的M-s曲线；(2) 尽可能小的最初起动电流；(3) 起动的操作应该很方便，起动设各要简单、经济；(4) 起动过程中的功率损耗应尽可能少。1.2 交流电动机的起动方法1.2.1 交流异步电动机的起动方法交流电动机起动方法分为三大类：直接起动、降压起动和变频起动。直接起动 时，通过刀闸或者接触器直接把异步电动机接到电源上。从前面的分析可知，用这 种方法起动时起动电流很大(可高达额定电流的 5-7 倍)，会给电源带来不良影响。 而降压起动，就是利用某些设备或者采用电动机定子绕组换接的方法。使电动机起 动时。定子绕组的端电压低于额定电压，从而减

10、小了起动电流。不过，因为电动机 的转矩与端电压的平方成正比，所以起动转矩也就减小了。对于起动转矩要求不高 的生产机械，可以采用这种方法起动，降压起动一般有以下几种形式：1.2.2 定子电路内接入变阻器(或电抗器)起动在电动机起动时，在定子电路内接入变阻器R,待起动完毕，再把它切除。由于电阻上有电压降，使加在定子上的端电压U低于电网电压U。调节串入电阻SNR 的大小，可以得到允许的最初起动电流。1.2.3星一三角(Y/A)起动如果电动机正常工作时定子绕组是三角形联接，并且有六个出线头，在起动时， 可以先把定子绕组改为星形联结，等到电机转起来经历了适当的时间，再改成三角 联结。这时加在定子绕组每相

11、的电压是额定电压的1/J3，电网电流是联接起动 时的1/3，最初起动转矩也是联接时的1/3。1.2.4自耦减压起动器起动电动机容量较大或正常运行时为星形联接的鼠笼电机，有的在定子电路中串接 起动补偿器来起动。所谓补偿器，实际是一台自耦变压器。把它的原边接在电网上， 副边接在异步电机的定子绕组上，待起动完毕，再把异步电机定子绕组接在电网 上采用补偿器起动时。异步电动机的最初起动电流和最初起动转矩都比直接起动 时小K2倍（K是自耦变压器副边电压和额定电压之比K VI）。A A A1.2.5 延边三角形起动这个方法也是用在正常工作时是三角形联接的电机。由于采用/起动时， 最初起动转矩降低到额定电压起

12、动的 1/3，只能在空载或轻载下的起动。当要求最 初起动转矩降低得少些，就可以采用延边三角形法。延边三角形法起动，要求电动 机每相有三个出线头，三相共有九个出线头，把每相绕组分为两部分：Y部分绕组 和部分绕组。上面几种起动方法可以在一定的条件下降低起动电流，但各有缺点：串接变阻 器法起动的起动过程中，变阻器消耗大量的电能，所以这种方法不宜用于经常起动 的电机上。用电抗器代替变阻器，虽然没有上述缺点，但需要设备费较大；Y/A 起动在切换瞬间会出现很高的电流尖峰，产生破坏性的动态转矩，其引起的机械振 动对电机转子、轴连接器、中间齿轮以及负载等都是有害的。自辐变压器体积庞大、 成本高，而且还存在与负

13、载匹配的电动转矩很难控制的缺点；而延边三角形起动存 在着电机定子绕组复杂，抽头触点太多的缺点。2交流电动机软起动方法与基本原理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。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。 液阻的热容量大。液阻的这两大特点（阻值可以无级控制和热容量大），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：（1）液阻箱容积大；（2）移动极板需要有一套伺服机构，难以实现起动方式的多样化；（3）液阻软起动需要维护；（4）液阻软起动装置不适合于置放在

14、易结冰或颠簸的现场。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。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电抗值可 控。总体说来，起动开始时电抗器的电抗值较大，在软起动过程中，通过反馈调节 使电抗值逐渐减小，及至软起动完成后被旁路。电抗值的变化是通过控制直流励磁电流，改变铁芯的饱和度实现的，所以叫做 磁控软起动。显然，电抗值的调节是静止的、无接触的、非机械式的。这就为微电 子技术的介入打开了大门。所以，在工作原理

15、上磁控软起动与晶闸管软起动是完全 相同的。磁饱和软起动能够实现软停止，能够具有晶闸管软起动所具有的几乎全部 功能。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。2.3 晶闸管软起动晶闸管软起动将引发软起动行业的一场革命。在低压（380 伏）范围内，晶闸 管软起动主要性能优良。它的体积小、结构紧凑，几乎免维护，功能齐全，菜单丰 富，起动重复性好，保护周全，这些都是其它软起动难以望其项背的。但是晶闸管中北大 学 2010 届 毕 业论 文软起动产品也有缺点：(1) 高压产品的价格太高，是液阻的510倍；(2) 晶闸管引起的高次谐波较严重；(3) 对于绕线转子异步机无所作为。在

16、这几个缺点中，价格高是制约其发展的主要因素。2.3.1 晶闸管调压软起动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，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。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，而另一方面每次接通电流相 当于一次异步电动机重合闸过程。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电势频率将有 所变化。当断流

17、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电流冲击，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转速不够平滑，所以在异步电动机的调压控制中多用 相控技术，当然采用相控技术在输出电压波形中含有相当大的谐波，在异步电动机 中会引起附加损耗，产生转矩脉动等不良影响。此外，由于异步电动机是感性负载， 从电力电子学中我们学到，当交流调压电路带感性负载时，只有当移相角d大于感 性负载的功率因数B时，才能起调压的作用。晶闸管相控调压的原理，系统的主回路用六个反并联晶闸管

18、分别串联在Y接法 的三相线圈上，这本种连接方式谐波比较少，调压性能最为优越。由于没有中线，所以在工作时若要负载电流流通，至少要有两相构成通路，且 其中一相是正向晶闸管导通，另一相是反向晶问管导通。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 个晶闸管同时导通，要求采用能够产生大于60度的宽脉冲或双窄脉冲的触发电路， 以免在a BB 1dt.q丄d申 u = i R + cC C 1 dt三相转子绕组折算到定子侧后的电压方程为u = i R + aa a 2 dt3-2)=iR丄农 b 2 dt=iR丄空 c 2 dt式中u , u , u ,

19、 u , u , u为定子和转子相电压的僻时值；A B C a b ci ,i ,i ,i ,i ,i 为定子和转子相电流的瞬时值；A B C a b c9 ,9 ,9 ,9 ,9为定子和转子各相，绕组的全磁链;ABCabcR,R 为定子和转子绕组电阻12将电压方程写成矩阵形式，如下:aubu0000R00010 R0010 0 R02000R200003-3)或写成：u二Ri+p 3-4)3.1.2 磁链方程每个绕组的磁链是它本身的自感磁链和其它绕组对它的互感磁链之和，LLLLLL _iAAAABACAaAbAcALLLLLLiBBABBBCBaBbBeB申LLLLLLiC=CACBCCCa

20、CbCcCLLLLLLiaaAaBaCaaabacaLLLLLLibbAbBbCbabbbcbLLLLLLiccAcBcCcacbccc即3-5)3-6)或写成：二Li式中：l为i相绕组对j相绕组的互感（i丰j）ijL 为 i 相绕组的自感。u分析可以得出，与电机绕组交链的磁通主要有两类；一类是只与某一相绕组交 链而不穿过气隙的漏磁通，另一类是穿过气隙的相间互感磁通，后者，是主要的。将定子各相漏感称为定子漏感 L ，由于对称性，各相漏感值相等；将转子各相漏l1感称为转子漏感 L ，同样，它们也相等；将与定子一相绕组交链的最大互感磁通l2称为定子互感L ，将与转子一相绕组交链的最大互感磁通称为转

21、子互感L ，由于m1m 2折算后定转子绕组匝数相等，且各绕组间互感磁通都通过气隙，磁阻相等，故可以认为L = L 。m1 m 2由于每相绕组所交链的磁通是互感磁通与漏磁通之和，所以可以得到定子各相 自感为：3-7)L = L = L = L + LAA BB CCm1l1转子各相自感为：L = L = L = L + L (38)aa bb ccm1 l 2两相绕组之间只有互感，互感分为两类。一类是定子三相彼此之间和转子三相 彼此之间的互感，由于位置是固定的，故互感为常值；另一类是定子任一相和转子 任一相之间的互感，由于位置是变化的，故互感是角位移e的函数。对于第一类互 感，由于三相绕组的轴线

22、在空间的相位差是士120 0，在气隙磁通为正弦分布的假定下，互感值为3-9)3-10)L cosl20。= L cos(-120。)= 一丄Lm1m12 m1可以得到L = L = L = L = L = L =一一 L AB BC CA BA CB AC 2 M 1L = L = L = L = L = L =一一 Lab bc ca ba cb ac 2 m1而第二类互感，与角位移e有关，分别为L = L = L = L = L = L = L cos0 ( 3-11)AaaABbbBCccCm1L= L = L= L= L= L= L cosC +120。)(3-12)AbbABccBC

23、aaCm1L= L = L= L= L= L= L cos(e 一 1 20o )( 3 - 1 3 )AccABaaBCbbCm1将(3-7)至(3-14)代入(3-5)，可以得到完整的磁链方程。由于方程庞大，故将其写成分块矩阵的形式；LssLrsLsrLrrisir3-14)式中：p =(psApBpCtp = prapbp Tci = ii i Ts A B Ci = ii i Tr a b cL=ssL=rrL + Lm1l1-1L2 m1-1L2 m1L + Lm1l 2-1L2 m1-L2 m1L = LT = Lrs srm1-1L2 m1L + Lm1l1-1L2 m1-L2m

24、1L + Lm1l 2-1L2 m1cos0 cos G +120 cos G -120-1L2 m1-L2 m1L + Lm1l1-1L2 m1-1L2 m1L + Lm1l 2cos G -120cos0cos G +120。cos G +120。) cos G -120。)cos 0将磁链方程(3-5)代入电压方程(3-3)得展开后的电压方程di dLdi 6L3-15)u = Ri + p(Li)= Ri + L + 一i = Ri + L + -idtdtdt 60 r式中：Li是电磁感应电动势中的脉变电动势；dt6L是电磁感应电动势中与转速。r成正比的旋转电动势。 60 r3.1.

25、3 运动方程电动机的转矩等于电流不变而只有机械位置变化时，磁场储能对机械角位移0 的偏导数( P =1)，故nT = 6W= 61-60 602 -iTLi1 . 3L .=IT I2 603-16)得到电动机的运动方程为:20=rdt11. dL r 二一 IT dt J 2 Q0iTF-Tl3-17)式中：J为电动机轴上的集总转动惯量T 为负载转矩L3为电动机转子角速度，=0rr dt3.1.4转矩方程按照机电能量转换原理，可以求出电磁转矩T的表达式如下:eT 二pL (i i +i i +i i )sir0+C i +i i +i i )sinG+120)+C i +i i +i i )

26、sinG12(0n mlL A a B b C cAb B c C aAc Ba C b(318)上式是在磁路为线性、磁动势在空间按照正弦分布的假定条件下得出的，但对定、转子电流的波形未作任何假定，式中的下标为l都是瞬时值。由(3-4), (3-15)和(3-17)得三相异步电动机的完整数学模型为：u = Ri + Li (3-19)dtr 601 .6LIT -2 60(3-20)分析上述方程可以看出，方程阶次高耦合强，且耦合程度还与转子的位置有关，即 方程是非定常的，其数学模型是非常复杂的，应当通过一些方法将其简化。较常用 的方法是坐标变换到d-q或其他坐标系。3.2交流异步电动机的d-q

27、数学模型异步电机在A，B， C坐标系统的数学模型比较复杂，坐标变换的目的就是简 化数学模型。把它变换到两相坐标系上，由于两相坐标轴相互垂直，两相绕组之间 没有磁的祸合，仅此一点，就会使数学模型简化许多。(a)三相/二相旋转变换(b)三相/二相静止变换图(3-2)三相/二相变换两相坐标系中d、q系统是以任意转速旋转的坐标系，有了 d-q系统中异步电机的 数学模型，要求出某一具体两相坐标系中的模型就比较容易了。把定子和转子电压、电流、磁通都变换到图(3-2)所示的d-q系统，定子各第15页共42页量用脚注1表示，转子各量用脚注2表示。则可得到d-q系统的数学模型为:3.2.1 d-q电压方程ud

28、1uq1ud 2uq2r + pL1s L1spLm() L1 r m L1sr + pL1s( co ) L1 r mpLmpLmoL1mr + pL2r(o _o )L1 r r_o L1mpLm_(o _ o ) L1 r r r + pL 2rid iiq 2id 2iq23-21)式中o二p0为d-q系统的旋转速度;11o二p0为转子旋转角速度；ro _o二p(6 _6)二p6为转差角速度;1 r122L为坐标系定子与转子同轴等效绕组间的互感L二(3/2)Lm m1 mL为d-q坐标系定子等效绕组的自感，L二L + Lss m 1iL为d-q坐标系转子等效绕组的自威，L二L + L

29、rr m 2 i3.2.2 d-q系统转矩方程利用变换把转矩公式中的定子、转子三相电流用d-q系统变量代换，简化后得3-22)3-23)到d-q系统转矩方程为：T 二 n L (i i _ i i )e p m q1 d 2 q 2 d 13.2.3 d-q系统转矩平衡方程：J d 26 D d6+= n L (i i + i i ) Tn dt 2 n dt p m q1 d 2 q 2 d1Lpp3.2.4 d-q系统磁链方程：屮=L i + L id1s d1m d 23-24)屮=L i + L iqls qlm q2 I屮=L i + L id 2r d 2m d1屮=L i + L

30、 iq 2r q 2m q1由于变换到d-q坐标系上以后，定子和转子等效绕组都落在d-q轴上，而且两轴相互垂直，它们之间没有互感的耦合关系，互感磁链只在同轴绕组之间存在，所 以式中的每个磁链分量只剩下两项了。但是，由于定、转子绕组与坐标轴之间都有第 16 页 共 42 页相对运动，它们都属于伪绕组，每轴磁通在与之垂直的绕组中还要产生旋转电动势, 这些电动势项都与相对旋转角转速、成正比。d-q坐标系上的数学模型比A,12B，C 坐标系统的数学模型简单得多，阶次也降低了，但是，它的非线性、多变量 强祸合性质并未改变。3.3交流异步电动机的M-T数学模型为进一步简化模型再次进行坐标变换到M-T坐标系

31、。M-T坐标系下，即将M轴定向到屮的方向，由于屮固定在M轴的方向所以转子磁链在T轴没有分量即： 22屮 二屮，屮二0。异步电机数学模型的电压方程、电磁转矩方程、磁链方程如 m2 2t 2（3-25）、（3-26）、（3-27）、（3-28）式所示（笼型转子电机转子短路则U二U二0）m2t 2U _m1Ut10二_ 0 _R + L p1sL1sLpmLsmL1sR + L p1LpmL1mR + L p2rLsr3-25)电机的电磁转矩方程：T 二 n Lep(ii)3-26)mt1 m2m1 t 2电机的磁链方程：L i + L i =屮m m1r m 223-27)感；式中：R，1L i

32、+ Li =0m t 1 r t 23-28)R 分别为定、转子电阻； L ， L ， L 分别为定、转子自感、互2 s r m叫叶味分别为M-T系统的旋转速度、转子角速度、转差角速度; sU ，U分别为M轴、T轴定子电压；U ，U分别为M轴、T轴转子电压；i ,m1 t1m2 t 2m1i分别为M轴、T轴定子电流；i ，i分别为M轴、T轴转子电流；屮为M轴转子 t1m2 t 22磁链；T，T分别为电磁转矩、负载转矩；P为微分算子；n为极对数。e Lp4交流异步电动机起动过程的计算机仿真仿真的基本思想是利用物理的或数学的模型来类比模仿现实过程，以寻求过程 和规律。由于在实际工程中，系统可能太复

33、杂，无法求解，所以有必要通过仿真来 简化系统，突出其主要矛盾。实物仿真是对实际行为和过程进行仿真，它的优点是直观、形象。但是它的缺 点是建立实物模型周期长，而且很难改变系统参数。计算机仿真是利用计算机对所研究系统的结构、功能和行为以及参与系统控制 的主动者一人的思维过程和行为，进行动态性的比较和模仿，利用建立的仿真模型 对系统进行研究和分析，并可将系统过程演示出来。计算机仿真和实物仿真相比，具有很大的优越性。在计算机上对构成的系统模 型进行实验，为模型的建立和实验提供了巨大灵活性和方便性。利用计算机，使得 实物模型的求解变得更加方便、快捷和精确，能解决的问题的领域也大大扩展了。 计算机仿真特别

34、适用于解决那些规模大，难以解析以及不确定的系统。4.1仿真软件Matlab的简单介绍首先，它的功能强大。不但在数值计算和符号计算方面具有强大的功能，而且 在计算结果的分析和数据可视化方面有着其他类似软件难以匹敌的优势。其次，界面友好，编程效率高。Matlab是一种以矩阵计算为基础的程序设计语言，其指令表达方式与标准教科书的数学表达方式非常接近。最后，扩展性强。这个特点使得用户能够自由地开发自己的应用程序。 Matlab 的这些特点使它获得了对应用学科，特别是边缘学科和交叉科学的极强的适应能 力，并很快成为应用学科计算机辅助分析、设计、仿真以至教学等不可缺少的基础 软件。Matlab 提供的 S

35、imulink 是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件 包。Simulink的目的是让用户能把更多的精力投入到模型设计本身，它首先提供 了一些基本模块，这些模块放在浏览器里面，用户可以随时调用。当模型构造好之 后，用户可以进行仿真，等待结果，或者改变参数，再运行。Simulink 有两个特点，一是层次性，层次性的好处是所建立的模型在结构上非常清晰整齐，让人一目了然，而且用户可以选择从上到下建模，还是从下到上建模。二是封装性，用户可以对子系统进行封装，并定义该子系统的图标和设置参数 对话框。4.2 交流异步电动机的 Simulink 仿真模型M-T 坐标系的数学模型是所得的数学模型中较为

36、简单、直观的，较适用与仿真。 由式(3-27)变换得：. 屮 一 L i I 2 m mm2Lr将式(4-1)代入式(3-25)矩阵的第三行联立解得:4-1)L屮 mi 2 T p +1 m12将式(3-28)变换得:4-2)Li i t 2L t1r将式(4-3)代入式(3-25)矩阵的第四行联立解得:4-3)L i R L iCD m t1 m tl s L屮T屮r 2 2 2再将式(4-1)、(4-3)代入式(3-26)得:4-4)仃 n L屮iT pm 2 tl e Lr此外，电机拖动系统运动方程为:4-5)T 一 TeLJ d D厂n dt4-6)将式(4-6)变换为：吆=(T -

37、T ) dt e L J4-7)对式(4-7)进行积分可求得D。r由式(4-2)、(4-4)可获得转子磁链屮和转差角速度d，D与实测的转子角速 2s s度D相加，则可获得旋转磁场的角速度d，再经过积分得到转子磁链的相位信号 rl数( T 二 L )；2 R2。，即是同步旋转变换M轴与a轴的夹角。J为转动惯量；T2为转子励磁时间常L为漏电感（L = L -）。 s Lr由式（4-2）、（4-3）、（4-5）、（4-7）可得异步电机的Simulink仿真模型，其系统结构如图（4-1）所示。其中，增益K为转速n与转子角速度o的转换系数:r(48)Rtal-lmdj IoComplex:图（4-1）电

38、机仿真结构图变换环节的仿真模型可由式:UaUB-1-2邑2-1-2亘2UAUBU c(4-9)UmUtcos 0sin 0-sin 0cos 0UaUB(4-10)得出，如图（4-2）所示.Fcnl图(4-2)3s/2r变换环节U/I变换环节的仿真模型可由以下变换获得，根据式(3-25)矩阵的第一行、第二行及式(3-27)、(3-28)推导可得:L测U = Ri + L pi + m 2 Li mll ml s mlLl 0 tlR(4-11)U = R i + L piT11 T1d T11L內丄丁 ) -2 + L iLo m1L 丿R(4-12)再由式(4-2)、(4T1)、(4-12)

39、联立消去p屮得到:2L RL R(R m_2)i + L i + m_2屮 + U1L2 ml1 d t!L22mlPi =RRml(4-13)Ri -e (工2 + Li ) + U1 tl1 L0 mltlpi =tlLd对式(4-13)、(4-14)积分可以得到U/I变换环节的关系式，这种U/I环节避开(4-14)了对屮的求导，因此有较强的稳定性。其仿真模型如图(4-3)所示:2“THAli；T： H-Lm-11-2F：2) /!_陀Prod I j c：t2斤IXL5ratordFroductlLmXLr图（4-3） U/I变换环节为了方便仿真时的操作，对电机模型进行了封装。其仿真模型

40、如图（4-4）所示:图（4-4）异步电机模型4.3交流异步电动机的仿真结果电机的仿真模型已经建立完成，以下进行仿真分析的电机参数:p = 1.7 Kwn - 2pn = 1440nomT= 8.84 N.MenomI= 2.6 AP = 1.46 KwnominP = 1.46 KwexR = 4.2501R = 3.24 0L = 0.666H2sL = 0.671HrL = 0.651HmJ = 0.02 Kg m 2计算得到仿真需要的数值：T = L = 0.2072 R2L = L= 0.0345s LrR L /L = 3.0502 mrLmT2二 3.145n L / L 二 1.

41、940pm rL / L 二 0.97m rn / J 二 100K 二 60/ 2“1/ L 二 29.412p5把以上计算的数值代入到仿真模型中相应的环节中，则可对此电机进行仿真了。4.3.1全压空载起动仿真结果部分的电机采用在全压空载起动，尤其是中小型电机。以下对此起动方式进行仿真。其仿真结构图如图(4-5)。图(4-5)仿真结构图其中，Tl为负载此为空载即为零，Ua、Ub、Uc分别是电源输入，其中Ua波形如图(4-6)。-leiI0.1Q.20.3. 40.5Tim召 o图(4-6) A相电压波形运行仿真可得到其起动特性曲线如图(4-7)：起动电流曲线:起动转距曲线:起动转速曲线:从起

42、动电流曲线可得到：起动最大电流约为20安空载运行电流约为0.5安从起动转距曲线可得到：起动最大转距约为26牛米图（4-7）起动特性曲线起动最小转距约为-3牛米从仿真结果看可知，电机全压空载起动时，起动电流冲击大，达到20/2.6=7.69 倍，而且起动转距在起动瞬间急剧变化。大的电流冲击会对电网的电压造成较大的 影响，特别是大容量电机，转距的急剧变化会对电机本体结构产生影响，增大电机的振动和噪声，这都是电机起动时所不希望的。4.3.2全压负载起动仿真结果全压负载起动只是在全压空载仿真的基础上把Tl为负载值（Tl=6牛.米），电压不变。起动特性曲线如图（4-8）。起动电流曲线:起动转距曲线:起动

43、转速曲线:从起动电流曲线可得到：起动最大电流约为20安空载运行电流约为2.4安从起动转距曲线可得到：图（4-8）起动特性曲线起动最大转距约为27牛米全压负载起动过程与全压空载起动时起动性能基本不变，起动时依旧是电流冲 击大，起动转距急激变化。为改进电机的起动，减小起动电流，平稳起动转距，通 常采用改变起动电压的方法。4.3.3电压斜坡空载起动完后突加负载仿真结果电压斜坡空载起动一种较为简单的软起动方式，起动时电压从零开始在设定的 时间内线性的增加到额定电压，则空载起动完毕，之后电机要带动负载，此时负载 是在电机空载运行下突然加上去的，电机在突加负载后电机的运行性能会有较大变 化，以下仿真其起动

44、过程，分析各参数。仿真时斜坡电压从零经过1.25秒线性增加到额定220伏，其中一相的斜坡电 压信号生成模块如图(4-9)，负载在1.5秒时通过突跳给定，大小为6牛米，图 (4-10)是仿真结构图。图(4-9)斜坡电压信号模块图（4-10）仿真结构图电机起动的斜坡电压波形如图（4T1）图（4-11）电压斜坡起动电压波形仿真运行后得到电机的起动性能曲线如图（4-12）,起动电流曲线:从起动电流曲线得到：最大起动电流约为7安 空载运行时电流约为1.6安 负载运行时电流约为2.4安起动转距曲线:从起动转距曲线得到：最大起动转距约为4牛米起动转速曲线:图（4-12）电压斜坡起动性能曲线从仿真得到的起动性

45、能曲线可以明确的知道：电压斜坡空载起动后突加负载起 动时，起动电流较小约为7/2.6=2.69倍，起动转距平滑上升，无冲击。对于可空 载起动再加负载的场合是较好的软起动方式。4.3.4电压斜坡负载起动仿真结果对于一些不能空载起动的场合，负载是始终加载在上电机的，但是这种负载是 随着电机的转速而增加的，负载曲线近似图（4-13）图（4-13） 负载曲线从起动转距曲线得到：最大起动转距约为10牛米仿真运行后得到电机的起动性能曲线如图（4-14）,起动电流曲线:从起动电流曲线得到：最大起动电流约为10安负载运行时电流约为2.6安起动转距曲线起动转速曲线* n/no-|n| x|pp p A Q 三

46、a图（4-14）电压斜坡负载起动性能曲线从仿真得到的起动性能曲线可以明确的知道：电压斜坡负载起动，起动电流较 小约为 10/2.6=3.84 倍，起动转距平滑上升，无冲击。对于电机带负载起动也是较 好的软起动方式。通过仿真的结果表明，电压斜坡起动无任是空载起动还是负载起动都是一种较 理想的电机软起动方式，减轻了对电机、电网、机械负载的负面影响，提高了电机 的的起动性能。5 软起动器的设计异步电动机电子软起动器是一种集电机软起动、软停机、轻载节能和多种保护 功能于一体的新颖电机控制装置，相比于传统的起动器，它突出的优点体现在能够 连续无级的调节电机起动、冲击转矩和冲击电流小、控制简便、起动重复性

47、好以及 体积小等方面，本章简略介绍异步电机电子斜坡电压软起动器的设计，并研制其实 现的硬件框图和软件流程图。本章内容包括以下几部分：1、软起动器的控制思想方法2、软起动器的硬件框图3、软起动器的软件流程图5.1 软起动器的控制方法模糊自动控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计 算机数字控制。从线性控制与非线性控制的角度分类，模糊控制是一种非线性 控制，具有快速的响应和较小的过调整。模糊控制器具有如下特点：（1）模糊控制器是一种语言控制器，采用控制集理论实现对过程的控制。不 需要确切了解对象的数学模型。（2）是一种采用比例因子进行参数设定的控制器，有利于自适应控制。（3）是

48、一种非线性控制器，具有较强的鲁棒性，对对象参数变化时有较强的 适应性。在生产实践中，对于那些无法获得数学模型或模型复杂的、非线性的、时变的、 或是耦合十分严重的系统，无论是经典的PID控制，还是现代控制理论的各种算法， 都很难实现控制。但是一个熟练的操作工人或技术人员却能凭借自己的经验，靠眼、 耳等感觉器官的观察，经过大脑的思维判断，给出控制量，再经手动操作。就能达 到较好的控制效果。因此我们可以把人的操作经验归纳成一系列规则，存放在微机 中，利用模糊集理论将它定量化，使控制器模仿人的操作策略，这就构成了模糊控 制器。用模糊控制器构成的系统就是模糊控制系统。Dsp 以其运算速度快、稍度高以及逻

49、辑判断能力强的特点，使模糊控制器能借 助于微机而容易实现。所以模糊控制是一种智能控制，它已成为一种重要的、大有 发展前途的微机控制系统。模糊控制器，这一控制器的规则是两输入、单输出，即输入给定量的误差和误差变化率，输出控制变量，其中给定值为设定值，实际值为 每设定时长实测的值，控制器的输出为改变控制的量。整个模糊控制过程的目的就 是通过输入实际值变化求得应该调整的相应控制变化量，再进行控制。5.2 软起动器的硬件框图 本起动器硬件框图如下图（5-1）所示，整个软起动控制器主要可分为六个部 分：晶闸管电路、触发控制电路、同步电路、检测保护电路、键盘显示电路和电源 电路。图（5-1）硬件框图5.2

50、.1晶闸管电路本起动器控制主回路是利用晶闸管构成的三相交流调压电路。如图（ 5-2）所 示，FA FC为快速熔断器，FL1 FR3为压敏电阻，SCRi （i = l-6）为晶闸管，另 外还有并联于晶闸管两端的RC保护电路。其中晶闸管参数选择的依据一是它所承 受的最大峰值电压小于其额定电压，二是通过它的最大电流小于其通态平均电流。 额定电压即晶闸管的反向峰值电压，采用5-2所示电路时晶闸管所承受的最大电压 峰值为380 273V,而通态平均电流要根据电机的容盈和起动时的最大电流来确 定。另外晶闸管受过压和过流的能力很差，很短时间的过压和过电流就能把器件损 坏。为了使器件能够长期可靠的工作，除了留

51、有余地的合理选择晶闸管外，必须对 其进行恰当的过压和过电流保护。凡是超过晶闸管在正常工作时承受的最大峰值电 压 U 的都算过电压。一种是由于晶闸管装置的拉闸、合闸和器件关断等电磁过程 引起的过电压，叫操作过电压；另一种是由于雷击等原因从电网侵入的偶然性的浪 涌电压，压敏电阻保护主要是针对浪涌过电压进行保护；它可能比操作过电压还要 高，与晶闸管并联的阻容保护电路主要是针对操作过电压。图（5-2）晶闸管主回路快速熔断器是晶闸管装置中应用最广泛的过电流保护措施，它的熔断时间在 10ms以内。在选择时，快熔的额定电压大于线路的正常工作电压，熔体的额定电 流I按经验应满足1.571 I I其中I是晶闸管

52、的实际工作电流有效值。kpTA kp TT5.2.2触发控制电路为了简化电路设计。提高可靠性和稳定性，采用了专为晶闸管及晶闸管整流模 块配套使用而设计的固态触发器。用于三相全控桥式整流与逆变装置的触发器，每 个交流周期内产生三路相位相差120度的6个双触发脉冲。5.2.3同步电路在对晶闸管的控制过程中，同步信号占有很重要的地位，它决定着系统与电网 的同步程度及晶闸管导通的对称度和精度。同步采集电路用于把三相正弦信号变为 对应的三相矩形波信号。5.2.4检测及保护电路本系统的保护电路除了前面介绍的对晶闸管的过压和过流保护电路外，还有针 对电机的保护电路，这些保护电路主要对电机提供防止缺相、逆相序、过流过压、 短路等的各种保护，这些保护大部分由软件实现，反应灵敏、保护可靠。传统对电 机的保护一般采用熔断器、自动空气开关和电磁式电流继电器作短路保护；用双金 属片式温度继电器、热敏电阻式温度继电器作三相不平衡保护；用自动空气开关、 电磁式电流继电器和温度继电器作过载保护，这些保护措施效果较好但具有如装里 复杂、