毕业设计（论文）交流电机软启动的技术原理与仿真

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1、I交流电机软启动的技术原理与仿真摘 要本文首先阐述了交流电机的直接启动，论述了直接启动的危害如电网冲击，机械冲击，对生产机械的冲击等，叙述了交流电机直接启动的限制条件；并且将交流电机的直接启动和软启动进行比较，得出了软启动对电网冲击小，转矩冲击小且减少了对机器本身的损坏等优点。其次详细论述了几种主要的交流电机降压启动原理。在这基础上详述了软启动的启动原理，给出了限流软启动、电压斜坡启动、转矩控制启动、转矩加突跳控制启动、电压控制启动等几种启动方法和曲线图。然后分别对每种启动方式的优缺点进行了说明，得出了比较好的启动方式是电压控制启动、转矩控制启动和转矩加突跳控制启动，并且对变频调速做了浅谈使之

2、与软启动进行比较得出了软启动的优缺点。再次借助 Matlab/Simulink 工具箱和电气系统模块库(Power System Blockset)对交流电机的软启动过程进行仿真研究，建立了三相交流电压环节模块、同步环节模块、脉冲发生模块、三相交流调压模块、电机及测量模块、电流反馈、启动控制和电机切换等环节封装模块，构建了完整的仿真系统模型，并分析了每个模块的建立过程，参数设定及基本功能，给出了仿真结果，并对结果进行了分析和验证。最后归纳总结目前软启动技术的特性，指出目前软启动产品开发应考虑的因素以及软启动的发展，软启动的节能。关键字：交流电机，软启动，仿真，matlab，节能IISimula

3、ting and Analysis about Soft-starting Theory of Induction MotorABSTRACTThis article first elaborated the alternating current machine line start, elaborated the line start harm like electrical network impact, the machinery impact, to produces the machinery to have the impact and so on, narrated the a

4、lternating current machine line start limiting condition; And the alternating current machine line start and the soft start will carry on the comparison, obtained the soft start to the electrical network impact, the torque has attacked small also reduced to machine itself merit and so on damage. Nex

5、t in detail elaborated several kind of main alternating current machine voltage dropping resistor start principle, has related in detail the soft start start principle in this foundation, gave has limited flows the soft start, the voltage pitch starts, the torque control started, torque Canada kicke

6、d the control to start, voltage control start and so on several start methods and diagram of curves, Has separately carried on the explanation to each kind of start way good and bad points, has obtained the quite good start way is the voltage control starts, the torque control start and torque Canad

7、a kicks the control start.Draws support from the Matlab/Simulink toolbox and the electrical system module storehouse once more (Power System Blockset) conducts the simulation research to the alternating current machine soft start process, Established the three-phase AC voltage link module, the synch

8、ronized link module, the pulse has had the module, the three-phase AC accent pressed the module, the electrical machinery and the survey module, the current feedback, link seal modules and so on start control and anxious link, Has constructed the integrity simulation system model, and has analyzed e

9、ach module establishment process, the parameter hypothesis and the basic function, has given the simulation result, and has carried on the analysis to the result, the confirmation.Finally induces the summary at present the soft start technology characteristic, pointed out the present soft start prod

10、uct development should consider factor as well as soft start development, soft start energy conservation, and did to the frequency conversion velocity modulation discussed shallowly caused it to carry on the comparison with the soft start to obtain the soft start good and bad points.KEKWORDS: AC mot

11、or，Soft-starting，simulating，matlab，energy savingIII目 录摘 要 .IABSTRACT .II1 交流软启动概述 .11.1 交流电机启动方式简介 .11.1.1 交流电机直接启动的弊端及限制条件 .11.1.2 传统的启动技术 .21.1.3 晶闸管软启动技术 .31.1.4 交流电机启动方式选择 .31.2 型异步电动机减压启动方法 .41.2.1 定子串电阻或电抗器减压启动 .41.2.2 自耦变压器降压启动 .51.2.3 星形三角形（Y）启动 .71.3 变频软启动的原理及应用 .71.3.1 变频软启动的基本结构 .81.3.2 变

12、频软启动的工作原理 .81.4 变频软启动与软启动的比较 .102 晶闸管软启动技术原理与节能 .112.1 晶闸管软启动技术原理 .112.2 软启动节能技术及原理与软启动智能化发展 .142.2.1 异步电动机中的损耗 .142.2.2 异步电动机的节能原理 .142.2.3 软启动智能化发展 .162.3 软启动行业现状及发展方向 .172.3.1 软启动行业现状 .172.3.2 软启动的发展方向 .173 MATLAB/SIMULINK 工具箱的简介.193.1 MATLAB简介 .193.2 SIMULINK工具箱简介： .213.3 电力系统模型库（SIMPOWERSYSTERM

13、）工具箱简介 .234 交流电机软启动系统仿真建模 .244.1 交流电动机数学模型 .244.1.1 异步电动机在 ,0 坐标系统下的数学模型.24IV4.1.2 异步电机在 d,q,0 坐标系统下的数学模型 .254.2 交流电机软启动基本模块仿真 .264.3 交流电机软启动系统仿真 .305 交流电机软启动系统仿真分析 .315.1 SIMULINK 仿真分析.315.1.1 转速 .315.1.2 转矩 .315.1.3 定子电流 .325.1.4 转子电流 .335.1.5 脉冲图像 .335.1.6 触发角 alpha 的变化 .345.1.7 电压 .345.2 分析小结 .3

14、56 总结 .36致 谢 .36参 考 文 献 .38交流电机软启动的技术原理与仿真11 交流软启动概述1.1 交流电机启动方式简介交流电动机广泛应用于各行各业，但传统电机的直接启动、停止制动方式存在许多缺陷。启动时电流很大，启动电流可高达额定电流的 58 倍，这对电网、负载机械和电动机造成巨大冲击，影响电动机和其拖动设备的使用寿命，也造成电网电压突降，直接影响在电网用电的其它用电设备的正常工作。传统的降压启动方式，无论是星三角启动或自耦变压器降压启动等启动方式，虽然减少了启动电流，但启动转矩也同时减少，只能应用在轻载或空载启动场合。传统的停止制动方式采用自然停止或抱闸制动等停止方式，自然停止

15、对泵类负载“水锤”冲击严重，危害管网；抱闸制动，产生机械震动激烈，危害设备。无论是启动还是停止，均不能满足平稳平滑启动、停止的工业生产工艺要求1。1.1.1 交流电机直接启动的弊端及限制条件直接启动是最简便的启动方式，启动时通过闸刀或接触器将电机直接接到电网上。直接启动的优点是启动设备简单，启动速度快。但是直接启动有着不可避免的危害，并且存在很大的弊端，在这里我们就简单得从以下几个方面看一下直接启动的弊端：（a）对电网的冲击：过大的启动电流（空载启动电流可达额定电流的 47 倍2，负载启动时可达 810 倍或更大） ，其转速要在很短的时间内从零升至额定转速，会在启动过程中产生冲击，造成电网电压

16、下降，影响其他用电设备，还可能引起欠压保护动作，造成设备的有害跳闸。同时过大的启动电流会使电机绕组发热，从而加速绝缘老化，影响电机寿命。（b）对机械的冲击：过大的冲击转矩往往造成电机转子笼条，端环断裂和定子端部绕线绝缘磨损，导致击穿烧机；转轴扭曲，联轴节，传动齿轮损伤和皮带撕裂等。（c）对生产机械的冲击：启动过程中的压力突变往往造成泵系统管道、阀门的损伤，缩短使用寿命，影响传动精度，甚至影响正常的过程控制。这三种冲击都对设备的安全可靠运行带来威胁，同时也造成过大的启动能量损耗，尤其当频繁起停时更为突出。因此对电动机直接启动有以下限制条件：（a）生产机械是否允许拖动电动机直接启动，这是先决条件；

17、（b）电动机的容量应不大于供电变压器容量的 1015%；（c）启动过程中的电压降U 应不大于额定电压的 15%。对于中、大功率的电动机一般都不允许直接启动，而要求采用一定的启动设备，方可完成正常的启动工作。因此，对于能造成电网电压下降，影响了同电网其他设备的正常工作，对电动机本身陕西科技大学毕业论文（设计说明书）2使用寿命或对自带设备造成较大损害的，应采取其他措施，避免直接启动。1.1.2 传统的启动技术三相交流异步电机一般不采用直接启动的情况下可以考虑传统的降压启动方式。传统的启动方式包含有 Y降压启动方式，定子串电阻降压启动方式，转子串电阻降压启动方式，自耦变压器降压启动方式。下来介绍下这

18、几种启动技术的优缺点及适用范围3：（1）Y降压启动方式：Y降压启动是将电动机定子的三相绕组接成星型启动，待电动机速度达到额定转速后，再换接成三角形转入正常运行。对电动机绕组来说，星型连接比三角形连接的端电压降到。电机绕组星型连接时，其绕组中电流就是配电系统中的电流，配31电系统电流为线电流，相电流为线电流的。这样，对配电系统而言，电动机星型31连接启动时的电流，仅为三角形连接启动时电流的4。31（2）定子串电阻降压启动方式：在定子三相绕组串入电阻或电抗器，可在电动机启动时分担电压，在电动机速度到达额定转速后，切除串接电阻或电抗器。这样降低了施加在交流电机三相定子绕组的端电压。从而有效抑制交流电

19、机启动冲击电流，减小启动冲击转矩。但是，定子串电阻电抗器启动，对电网影响不可消除。（3）转子串电阻降压启动方式：转子串电阻降压启动只是用于转子为绕组式的异步电机。在启动初时，转子回路串入电阻，相当于增大转子电阻，串入电阻器分压限流作用。当启动完成后，切除外加电阻。虽然转子串电阻能有效抑制启动冲击电流，但是，它没法避免电网压降，同时还产生了大量的能源浪费。（4）自耦变压器降压启动方式：自耦变压器降压启动，是将自耦变压器的原边接入供电系统，副边(即原边绕组的一部分)接到电动机的定子绕组上。待电动机转速基本稳定时，切除自耦变压器，将电动机定子绕组直接接入供电系统。这种启动方式，降低了电动机的启动电压

20、和启动电流。假如自耦变压器的变比为 1：2，则电动机的启动电压、启动电流均降到原来的1/2，转矩降到原来的 1/4。由于配电系统中的电流(即自耦变压器原边电流)与电动机中的电流(即自耦变压器副边电流)之比是 1：2，降压启动时，配电系统的电流时是全启动时的 1/4，除此之外，它的启动电压可以选择，选择 0.65、0.8 或 0.9UN 以适应不同负载的要求。使用这种降压方式，当配电系统中的电流下降到全压启动时的 1/2 时，电动机转矩没有降到原来的 1/4，只降到原来的 1/2，因而启动转矩较大。而且，它的体积大、重量重，且要消耗较多有色金属，故障率高，维修费用高。交流电机软启动的技术原理与仿

21、真31.1.3 晶闸管软启动技术随着电力电子技术的发展，国际上已广泛采用交流电动机软启（制）动技术，交流电机软启动器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。同时，软启动控制在空载和轻载运转时具有节能效果。所谓“软启动” ，实际上就是按照预先设定的控制模式进行的降压启动过程。目前的软启动器一般有以下几种启动方式：（a）限流软启动：限流软启动顾名思义就是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()的软启动方式。mI三种晶闸管软启动的方式：斜坡恒流软启动；阶跃恒流软启动；脉冲恒流软启动。（b）电压斜坡启动：输出电压由小到大斜坡线性上升，将传统的降压启

22、动变有级为无级，主要用在重载启动。（c）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。（d）转矩加突跳控制启动：在启动的瞬间用突跳转矩，用在重载场合。（e）电压控制启动：它是用在轻载启动的场合。1.1.4 交流电机启动方式选择三相交流异步电动机有多种启动方式，全压启动是最直接的一种启动方式。全电压直接启动有诸多优点，是一个危险的诱惑。首先，直接启动设备简单，不需额外添加启动设备，降低成本和维修费用。其次，启动转矩大，能满载或重载启动。最后，直接启动速度快，响应时间短，能以最短时间达到额定转速。但是，全电压直接启动也存在诸多缺点。首先，直接启动冲击电流大（可达

23、额定电流的 58 倍 ） ，绕组流过较大电流产生大量的热量，使绝缘老化，缩短电机寿命。其次，转矩冲击大，对电动机本身和传动机构造成破坏，降低机械加工精度，破坏电机转子软组或笼型异步电动机的导条。最后，直接启动对容量较小的电网造成较大的电网压降，影响其它同电网负载工作。直接启动有其明显的优点，同时也存在许多致命的缺陷，但采取全电压直接启动和软启动并不矛盾。这个前提是对具体电动机在具体的电网中，选择合适的启动方式。为此，国家制定通用用电设备配电设计规范 （GB500551993，以下简称规范 ）作了如下规定：第 2.3.2 条 交流电动机启动时，配电母线上的电压应符合下列规定：（a）在一般情况下，

24、电动机频繁启动时，不宜低于额定电压的 90%；电动机不频繁启动时，不宜低于额定电压的 85%。陕西科技大学毕业论文（设计说明书）4（b）配电母线上未按照明或其它对电压波动较敏感的负荷，且电动机不频繁启动，不宜低于额定电压的 80%。（c）配电母线上未接其它用电设备时，可按保证电动机启动转矩的条件要求确定：对于低压电动机，还应保证接触器线圈电压不低于释放电压。第 2.3.3 条 笼型电动机和同步电动机的启动方式选择，应符合下列规定：（a）当符合下列条件时，电动机应全压启动：a）电动机启动时，配电母线的电压应符合本规范第 2.3.2 条的规定；b）机械能承受全压启动时的冲击力矩；c）制造厂对电动机

25、的启动方式无特殊规定。（b）当不符合全压启动的条件时，电动机宜降压启动，或选择其它合适的启动方式。（c）当有调速要求时，电动机的启动方式应与调速方式相配合。日常应用中，一般是电机功率小于 7.5KW 时允许直接启动。如果电机功率大于7.5KW，而电源总容量较大，能符合下式要求者，电动机也允许直接启动 。 （1-1）)*()*(34111AkVAkVIIKNstI启动电动机容量电源总容量式中，I1st为电机允许的最大启动电流，I1N为电机额定电流。如果不满足上式要求，则必须采取减压启动的方法。减压启动（降压启动）具体方式选择跟厂家经济情况和交流电机本身有关。三相交流异步电动机有绕线转子和鼠笼转子

26、。它们有不同的降压启动方法。 51.2 型异步电动机减压启动方法笼型异步电动机为封闭转子，降压只能在定子端考虑，综合各种文献，可知减压启动方法大致有三种。下面我们就详细分析一下这三种启动方法。1.2.1 定子串电阻或电抗器减压启动串电抗器后，启动电流成正比减小，启动转矩则成平方关系地减小，因此电抗器阻值的选择必须依据电机启动时阻力矩的情况，只有启动转矩大于阻力矩电机才能顺利启动。如图 1-1 所示启动时先合上 3Q 再合上 KM1 电机即串入电抗启动，待启动完成后合上 KM2 打开 KM1，切除电抗器，电机进入全压运行6。交流电机软启动的技术原理与仿真5图 1-1 定子串电阻原理图串电抗器启动

27、时，串入电抗器之前电机速度为零，故这时要求的 Im较大，这就要求串入电抗器后电机的端电压不能太小，一般选择在 0.7UN 左右，其启动电流也在直接全压启动电流的 0.7 倍左右。选用电抗器时便会陷入这样的矛盾之中：为了减小启动电流总希望电抗值大一些，但这样又容易造成启动失败，尤其是当电网电压不稳定和负载状况经常变化时；为了保证启动的成功率，电抗值就要小一些，但这样启动电流又偏大。电抗器适于电网电压和负载(启动时)比较稳定的情况。串联电抗器启动为有级降压启动，启动过程中转矩会有二次突变，仍会产生较大的机械冲击，对机械及电机仍会有损伤，只是程度有所降低;对电网的影响也未达到最低。在操作过电压方面，

28、由于初始电压为 0.7UN 左右，操作过电压的几率也随之降低一些，但由于高频振荡叠加的随机性，操作过电压的幅值并不会降低。1.2.2 自耦变压器降压启动自耦变压器降压启动是利用自耦变压器降低加到电动机定子绕组的电压，以减小启动电流。图 1-2 表示自耦变压器的减压原理图，图中只绘出一相，及分别表示1U1I一次侧。图 1-2 自耦变压器的减压原理图电压和电流，即电网电压和电流；xU 和xI分别表示变压器的二次电压和电流，亦即电动机定子的电压和电流；和分别表示变压器的一次绕组和二次绕组匝数（1W2W即抽头部分的匝数） 。由变压器原理，得2W (1-2)121WWUUx陕西科技大学毕业论文（设计说明

29、书）6设xI为定子电压xU 时的启动电流，stI则为全压启动时的启动电流，则：1UUIIxstx (1-3)将式 1-2 代入式 1-3，得12WWIIstx (1-4)再利用变压器原理，得121WWIIx (1-5)再将式 1-4 乘以式 1-5，得2121WWIIst (1-6)由式 1-2、式 1-3、式 1-5 和式 1-6 可知，利用自耦变压器后，电压xU 降低到112)(UWW，定子启动电流xI也降低到stIWW)(12。通过自耦变压器，又使从电网吸取的电流降低到：stxIWWIWWI212121 (1-7)另外，由于11)/(UWWUsx，2UT ，故启动转矩降低为stsTWW2

30、1)/(，为全压stT启动时的启动转矩。1U为满足不同负载的要求，自耦变压器的二次绕组一般有三个抽头，分别为电源电压的 40%，60%和 80%（或 55%，64%及 73%） 。具体应用还可根据实际情况向厂家定购。自耦变压器降压启动时接线如图 1-3 所示。启动时先合 3Q，再合 KM1，电动机的定子绕组通过自耦变压器接到三相电源上降压启动。当转速上升到接近稳定时，合KM2，断 KM1，将自耦变压器切除，电机进入全压运行状态，启动结束。交流电机软启动的技术原理与仿真7图 1-3 自耦变压器原理图与电抗器降压启动相比，在获得同样启动转矩的情况下，自耦变压器式降压启动需电网提供的启动电流较小，对

31、电网电压的影响小，适合于阻力矩比较大的情况，以及电网短路容量较小的情况。这是它优于串电抗器启动的地方。还有电动机抽头可供不同负载时选用。自耦变压器减压启动的主要缺点是在开关切换的过程中，仍然有较大的转矩突变，对电动机及机械设备仍有较大的伤害，操作过电压方面与电抗器的情况一样。1.2.3 星形三角形（Y）启动星形三角形启动是一种减压启动方法，适用这种启动方法的异步电动机，在运行时是连接成三角形，而且每相绕组引出两个出线端，三相共引出六个出线端。在启动时，先将三相定子绕组连接成星形，待转速接近稳定时再改成三角形。这样，启动时连接成星形的定子绕组电压与电流都只有三角形时的，由于三角形连接时绕组31的

32、电流是线路电流的，而星形连接时两者相等。因此，联结成星形启动时的线路31电流只有联结成三角形直接启动时的 1/3。由于启动转矩，也要降低到直接2UT stT启动时的 1/3，因此这种启动方法只适用于空载或轻载启动。图 1-4 所示为星形三角形启动的原理线路图。当启动时，将开关 Q2 投向“Y”位置，定子绕组连接为星形连接，电动机减压启动；当电动机转速接近稳定时，可将开关 Q2 迅速投向“”连接，使定子绕组连接成三角形。启动过程结束。电机停止转动时，可直接断开电源开关Q1，并应立刻断开开关 Q2，并放在中间位置，否则下次启动时将造成直接启动，这是不允许的。图 1-4 星三角降压原理图手动星形三角

33、形启动器的结构形式很多，还有自动控制线路可供选用，它们的减压启动原理都是相同的。陕西科技大学毕业论文（设计说明书）8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。1.3 变频软启动的原理及应用变频器是利用交流异步电动机同步转速随电源频率变化而变化的特性实现电动0n机调速运行的装置。变频器产生于 20 世纪 60 年代。在 20 世纪 70 年代，随着大功率晶体管(GTR)的问世，即场效应晶体管的出现和性能不断提高，使变频器的性能有了极大完善

34、和发展7。变频器有以下特点：（a）可很好地实现异步电动机的无级调速；（b）可方便地进行恒转矩调速和恒功率调速；（c）调速范围广、平滑性较好、机械特性较硬；（d）可实现有效的节能。1.3.1 变频软启动的基本结构以电压型交-直-交变频器结构为例变频器主电路：图 1-5 变频器主电路主电路为电动机提供调频调压电源的电力变换部分。整流器将工频电源变换为直流电压；滤波器抑制电压波动、缓冲和平滑直流电压；逆变器将直流电变换为频率可调的三(单)相交流电。另外，在变频调速系统中，异步电动机的降速和停机是通过逐渐减小频率来实现的，所以通常需要加入能耗制动环节。1.3.2 变频软启动的工作原理（1）异步电机的调

35、速方法：同步转速： 转子转速：pfn600pfsn60)1 ( 由上式可见，有三种调速方法：1)改变极对数；2)改变转差率 ；3)改变电源频ps交流电机软启动的技术原理与仿真9率最好的调速方法。f变频调速：有两种调速方式：恒转矩调速，恒功率调速0ff 0ff 图 1-6 转矩、转速、频率关系图（2）变频调速器的控制方式：a）恒转矩调速（控制方式）Nff fV /由可知：为了保持电机中的磁通不变，在变频的同时控制变频器mfNU44. 4的输出电压，即保证为常数。fU /由可知：当磁通不变时，即可保证转矩基本不变。但这种调速cos2ICTTT方式的低速性能较差。b）恒功率调速（）Nff 当时，若保

36、持电压不变而增大频率时，磁通一定会减小，因而保证功率为一Nff 常数。对不同的负载，可采用不同的调速方式。图 1-7 电压与频率关系图（3）变频器的正弦波脉宽调制(SPWM)方式在现代变频器中，普遍采用(SPWM)方式来实现控制：用一系列脉冲，其脉fV /冲宽度按正弦波进行调制。这种电压脉冲序列可以大大减小负载电流中的高次谐波分量。陕西科技大学毕业论文（设计说明书）10图 1-8 正弦波脉宽调制PWM 控制技术有许多种，并且还在不断发展中。但从控制思想上分，可把它们分成四类，即等脉宽 PWM 法、正弦波 PWM 法（SPWM） 、磁链跟踪 PWM 法（SVPWM）和电流跟踪 PWM 法等。1.

37、4 变频软启动与软启动的比较（a）两者所具有的功能不同，软启动器只有启动一个功能，但变频器有三个功能：启动、调速、节能；但是软启动器的价格只有变频器的十分之一，且软启动器的启动任务完成后，能从回路中切除，但变频器不能，一直连接在回路中，因此变频器会发热，这样会减少其使用寿命。（b）两者应用的条件和场所不同，软启动适用于重载、不允许有启动冲击的场合，如水泵、输煤机、传送带等。而且用在启动、停车时；并且要对转矩要求不高。如果对启动转矩有要求，那也只能用变频器。变频器是用于调速的场合，比如生活供水，白天用水少，改变频率，即改变电机转速，减少供水；晚上用水量大，频率增加，转速增加，增加供水，当然也可用

38、做起停，但成本相对会增高。（c）变频器可短时间超载启动，而软启动很难做到。（d）变频器在基频以下是既变频又变压的，而在基频以上是不变压的而软启动只是一个调压器，但是现在国外的软启动器有的还可在电动机运行过程中进行功率因数的时时监控，然后反馈实现调压，用于节能。不过现在两者界限也越来越模糊了，主要是看最后使用有没有调频的要求。但是由于变频器价格高，所以软启动器还是被广泛采用。交流电机软启动的技术原理与仿真112 晶闸管软启动技术原理与节能2.1 晶闸管软启动技术原理随着电力电子技术的发展，国际上已广泛采用交流电动机软启（制）动技术，AB公司、ABB 公司、CT 公司、AEG 公司、雷诺尔、世嘉天

39、瑞等公司相继推出了具有节能效果的交流电机软启动器。交流电机软启动器是当今最先进的用于交流电机启动、停止的高新科技产品。它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、星三角等传统启动控制方式的理想换代产品。同时，软启动控制在空载和轻载运转时具有节能效果。新型的电子式软启动器8的主回路一般都采用晶闸管调压电路，调压电路由六只晶闸管两两反向并联组成，串接与电动机的三相供电线路上。当启动器的微机控制系统接到启动指令后，便进行有关的计算，输出晶闸管的触发信号，通过控制晶闸管的导通角 使启动器按所设计的模式调节输出电压，以控制启动电动机的启动过程。当启动过程完成

40、后，一般启动器将旁路接触器吸合，短路掉所有的晶闸管，使电动机直接投入电网运行，以避免不必要的电能损耗，软启动器的控制框图如图 2-1 所示。图 2-1 电子软启动的基本原理图所谓“软启动” ，实际上就是按照预先设定的控制模式进行的降压启动过程。目前的软启动器一般有以下几种启动方式9：（1）限流软启动限流软启动顾名思义就是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（）的软启动方式。主要用在轻载启动和负载的降压启动，其输出电压从零开始mI迅速增长，直到其输出电流达到预先设定的电流限值，然后再保持输出电流mI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。mII 陕西

41、科技大学毕业论文（设计说明书）12这种启动方式的优点是启动电流小，且可按需要调整（启动电流的限值必须根mI据电动机的启动转矩来设定，值设的过小，将会使启动失效或烧毁电机）启动电流。mI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。下面介绍三种晶闸管软启动的方式：a）斜坡恒流软启动：斜坡恒流软启动的启动电流逐步平稳增加，启动转矩由小逐渐增大（如图 2-2 所示） 。这样避免了启动过程中的冲击转矩，以及该冲击转矩对设备或电机的冲击，在斜坡恒流软启动中，当启动电流增大至所设的启动电流 I 时，即将该启动电流保持在设定的电流值上进行启动，直至启动结束。在这种启

42、动方式的斜坡启动阶段中，启动电流的上升变化率是可以任意调节的。斜坡恒流软启动一般适用于轻载或空载的启动。b）阶跃恒流软启动：对于一些要求启动转矩较大的设备如采用斜坡启动就不能正常地进行启动，应采用阶跃恒流软启动方式，该方式是在电动机刚启动的瞬间将电动机的启动电流直接增大至所设定的启动电流值 I 并保持该电路直至启动完毕，如图 2-3 所示。这种启动方式在启动瞬间的启动转矩较大，适用于较大负载的启动，如一些带负载启动的设备。c）脉冲恒流软启动：该方式是所介绍的启动方式中启动转矩最大的一种，该启动方式在启动初始阶段有一个较大的启动冲击电流，该电流值大于设定的恒流启动值 I，从而产生较大的冲击矩去克

43、服较大的静摩擦转矩，使设备能够启动，然后即进入恒流启动阶段直至启动完毕，如图 2-4 所示。在脉冲恒流软启动方式中的脉冲启动阶段电流的幅值（可为全压启动的电流幅值）和维持时间是可以设定的。脉冲恒流软启动方式的启动冲击转矩大，适用于重载启动。 图 2-2 斜坡恒流软启动 图 2-3 阶跃恒流软启动 图 2-4 脉冲恒流软启动（2）电压斜坡启动电压斜坡启动输出电压由小到大斜坡线性上升，将传统的降压启动变有级为无级，主要用在重载启动。它的缺点是启动转矩小，转矩特性呈抛物线型上升对启动不利，并且启动时间长，对电机不利。改进的方法是采用双斜坡启动：输出电压先迅速上升交流电机软启动的技术原理与仿真13至

44、U1，U1为电动机启动所需的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。（3）转矩控制启动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，同时减少对电网的冲击，是最优的重载启动方式。它的缺点是启动时间较长。（4）转矩加突跳控制启动转矩加突跳控制启动与转矩控制器启动一样也是用在重载启动的场合。所不同的是在启动的瞬间用突跳转矩，克服拖动系统的静态转矩，然后转矩平滑上升，可缩短启动时

45、间。但是，突跳会给电网发送尖脉冲，干扰其他负荷，使用时应特别注意。（5）电压控制启动电压控制启动是用在轻载启动的场合，在保证启动压降的前提下使电动机获得最大的启动转矩，尽可能的缩短启动时间，是最优的轻载软启动方式。各种软启动方式的相应启动曲线见下图：图 2-5 限流启动 图 2-6 电压斜坡软启动 图 2-7 转矩控制启动 图 2-8 转矩加突跳控制启动图 2-9 电压控制启动陕西科技大学毕业论文（设计说明书）14由上面几点不难看出，比较好的的启动方式应是电压控制启动和转矩控制启动及转矩加突跳控制启动。实际应用中，软启动具有如下优点：（a）启动电流小，通过调节启动转矩实现低速启动，频繁启动和软

46、停止。（b）在启停时过度自然，不易伤害设备，节电效果良好。（c）当多台同容量电机工作时，可采用一台电子式软启动器，操作方便。（d）软启动离线仿真研究可以预知在硬启动过程中电机转速，电流，线电压和其它机械特性，对产品设计和用户有重要的指导作用。2.2 软启动节能技术及原理与软启动智能化发展2.2.1 异步电动机中的损耗异步电动机运行时的损耗主要由以下几部分组成:铁损、铜损、机械损耗以及杂散损耗。铁损()指电机的定子铁心及转子铁心内产生的损耗，由磁滞损耗()和涡流iWhW损耗()组成，可表示为10：eW （2-1）226 . 11)(tfBKBKWWWfehi式中电源频率，fHz磁通密度，BT铁心

47、材料薄片厚度，tmm、常数1K2K铜损()则由转子铜损()和定子铜损()组成，可表示为cuW1cuW2cuW （2-2）2222121111rImrImWWWcucucu式中，定子、转子电流，单位：1I2IA，定子、转子相数1m2m，定子、转子电阻1r2r机械损耗()指轴承的摩擦损耗、转子旋转时产生的风损等总和。而杂散损耗()是tWstW由漏磁通以及高次谐波磁通引起的损耗。因此，当电动机端电压不变而负载变化时，有功损耗中，铜耗随负载率的增加而增加，其余有功损耗几乎不变，轻载时，因轴上输出功率较小，所以电动机效率降低。无功功率几乎不变，但当轻载时，有功成分较小，所以电动机功率因数降低。当电动机运

48、行于额定负载附近时，其效率和功率因数为最高。2.2.2 异步电动机的节能原理电动机在轻载时，适当地降低定子线圈的电压，则定子电流中的无功分量将减mI交流电机软启动的技术原理与仿真15小，从而使电动机的功率因数上升。从电动机软启动器的节能效果分析异步电动机的损耗分为以下5个部分：（a）铁耗。，显然铁耗随的下降而下降。FePFeP211nFeUUP1U（b）机械损耗。反映摩擦和风阻等机械损耗，与机械特性有关。在不调速异mecP步电动机中机械特性一般都比较硬，运行点在小滑差范围内变化。当降压时，输出转矩不变，转差率 略有增加，机械损耗降低不多。s（c）转子铜耗。由于电压的降低导致气隙磁通下降，而电磁

49、转矩正2CuP1UFemT比。为了保持不变，则转子电流将增加，从而引起转子铜耗增大。降压时22cosFIemT有22122211SSVVPPNNCuCu（d）定子铜耗。电压降低时增加而下降，因此，定子电流是增加还是2CuP2TmI1I下降取决于与的大小比例关系。所以，定子损耗在降压运行时的变化是不确定的。mI2I（e）附加损耗。有主要有两部分：一部分与磁路中局部饱和程度相联系，adPadP可视为与定子线圈感应电势()的平方成正比；另一部分则为载流导体周围的杂1E1U散损耗，近似与成正比。由以上分析可见，在满足以下条件时，异步电动机在轻载1I降压运行时可达到明显的节能效果：一是电动机铁耗在总损耗

50、中所占的比重较大；二是空载电流较大，且在低负荷运行时，仍在中占较大的比重；三是电机电源电0I0I1I压偏高。一般负载率大于 30%时节能效果已不明显，不宜采用节能模式。实际上，由于电动机的型式、容量不同以及被拖动负载的性质和工作状态不同，节能效果都不一样，不可一概而论。由于在电动机空载或轻载时，采用软启动器的节能模式可提高电动机的功率因数，并减少输电线路和供电变压器的损耗，因此起到节能作用。软启动节能控制系统的核心是如何精确地控制晶闸管的导通角，以满足自动调节电压、电流的目的，从而实现软启动和节能。图2-10是软启动节能控制器的原理框图11。图 2-10 软启动节能控制器原理框图陕西科技大学毕

51、业论文（设计说明书）16控制器的软启动环节通过检测启动时的电流值，调整给定电压的大小，在启动初期，电压给定迅速增加，电机的电流也迅速增大，当电机电流达到限流值时，电压给定维持不变，使电机电流保持在限流值之下，当电机启动结束，电流下降到正常状态时，电压给定按一定斜率上升到最大，电机在全压状态下运行。电机运行在节能状态时，以基波功率因数作为控制参量，即检测基波电压和电流的相位角与给定的功率因数角比较，产生一个偏差信号去调节触发脉冲的移相角，改变交流调压器的输出电压，提高电动机的功率因数。以一相为例观察负载波形(见图2-11)，负载电流是由强制分量 和自由分量两部分组成：， 为基波电流。1i2i21

52、iii1i当负载电流 减小至过零点，此时也接近于零点， 与 的过零点十分接近，所以就用i2ii1i的过零点作为基波电流 的过零点，误差较小。也就是取同一相电压与电流的下降沿i1i过零的相位差作为反映电机负载情况的反馈信号，通过功率因数调节器产生一个合适的给定电压，控制电机在效率较高的状态下运行。图 2-11 功率因数检测2.2.3 软启动智能化发展能源危机是世界性的，不同领域都在开发研制新型节能设备。我国政府对此也十分重视，推出了针对交流电机节能的一系列措施，各个厂商的产品也都打着优化节能的招牌。大功率交流电机软启动，有着较好的节能效果，适用了社会的需要，在未来交流电机启动市场，将会扮演更重要

53、的角色。无论选用交流电机软启动还是开发软启动产品，都应将软启动优化节能纳入考虑范围。交流电机软启动也具有很好的节能效果。它利用晶闸管降压软启动负载较轻时功率因数低，通过降低控制电压，提高功率因数，达到轻载节能效果。这类负载如风机、泵类负载，启动时刻转矩较低，转矩随着转速的增加而增加。这类负载采用晶闸管电子软启动方式，能很好的减小启动冲击电流，而且在停机时可以采用软停车，避免水锤效应。当需要降低改变流量时，可以改变输出电压有效值，这样不断达到调节速度交流电机软启动的技术原理与仿真17的目的，同时提高系统功率因数，达到优化节能效果12。三相交流异步电动机在应用中，常常是在启动完成后，将电机切换到电

54、网电压。当有多台电动机时，如恒压供水等水泵群启动中，常利用一台软启动器启动多台电动机。如何做好单台软启动器启动多台电动机，不仅需要设置外部逻辑控制程序，还要考虑同步切换问题。在变频软启动器，或者分级变频软启动中，当启动完成后，如何切换到电网，又如何将工频运行的电动机切换到变频器进行软停车或优化节能控制，是同步切换技术的关键。随着软启动器诸多功能的增加，如功率因数控制、通讯、节能、可视化操作等，使得软启动的智能化大大提高。为实现这些功能，软启动多使用微机控制。使用较多的是16位机，如INTEL公司的8XC196系列单片机，此外，还有使用8位和32位机，有的正在开发使用DSP作为控制元件的软启动器

55、。2.3 软启动行业现状及发展方向2.3.1 软启动行业现状电动机软启动，是一项技术、一类产品、一个行业。发达国家软启动行业现状：从进口软启动产品看，发达国家的电动机软启动产品主要是固态软启动装置：晶闸管软启动和兼作软启动的变频器。在生产工艺兼有调速要求时，当然采用变频装置，在没有调速要求的使用场合下，启动负载较轻时（例如风机、水泵）采用晶闸管软启动，在重载或负载功率特别大的时候，才用变频软启动。晶闸管软启动装置是发达国家软启动的主流产品，各知名电气公司均有自己晶闸管软启动的品牌，在其功能上又各具特色。能够生产电压（610KV）晶闸管软启动产品的厂家不多。系列生产的晶闸管软启动装置的最高电压等

56、级为12KV，最大容量为5000KW。由于液态软启动产品的种种缺点，液态软启动产品在降压软启动领域难有立足之地。据我了解，发达国家生产的液态软启动产品，一律用在中压绕线转子电动机软启动中。进口液态软启动产品的生产年代，60年代到90年代都有。在新世纪里的第12个10年里，在发达国家会不会被淘汰，现在还很难断言。2.3.2 软启动的发展方向（1）短期展望：软启动将仍然以各种形式的降压（限流）软启动为它的主要形式。从理论上说，性能价格比高的产品将占有更大的市场份额。但是，在各种应用场合，人们对于各种性能的侧重面不同，使各类启动产品（包括传统的星三角启动）在市场上都可能会赢得自己的一席之地。侧重面有

57、客观和主观两个方面。客观方面：例如使用环境条件（温度、湿度变化范围） ，启动负载轻重，使用的频繁度、防爆、防尘要求等等，例如，南方的用户就不陕西科技大学毕业论文（设计说明书）18会很在意于液态软启动液阻会不会结冰；主观方面：主管人员的知识水平，维护人员的技术水平、用户单位的管理水平等等。显然，主管技术人员知识老化的单位，是不会乐意选用高技术含量产品的。（2）长期展望：变频软启动将成为软启动的主流。各种形式的降压软启动将与星三角启动等技术一起归并为传统的启动技术。随着变频器价格的逐渐下降，可靠性的进一步提高，也随着技术人员水平的提高，仅仅为软启动而选用变频器将不再会被人们认为是一种奢侈。变频软启

58、动将会慢慢胜出的（3）根本原因：它可以在限流（启动电流不超过电机额定电流值）的同时获得大的启动转矩，可以实现包括软停止在内的各种启动功能。对于仅仅为软启动而制作的变频器而言，应在启动完成后使变频器脱电，使电动机直挂电网。这样做的目的是节能，消除无谓的损耗。这种操作应该在绝对安全的不引起电流冲击的条件下完成，或者叫做软切换。软切换的可能步骤是“先脱（电）后挂（网） ”或“先挂后脱” 。软切换应该在基本上不增加硬件（例如软切换电抗器）的条件下主要靠软件完成。未来成为主流产品的软启动装置将是带有软切换功能的廉价的变频器。交流电机软启动的技术原理与仿真193 Matlab/Simulink 工具箱的简

59、介3.1 matlab 简介MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）之意。除具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学，工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言简捷得多。当前流行的MATLAB7.0/Simulink3.0包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包(Toolbox)。工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包.功能工具包用来扩充MATLAB的符号计算，可视化建模仿真，文字处理及实时控制等功能.学科工具包是专

60、业性比较强的工具包，控制工具包，信号处理工具包，通信工具包等都属于此类。开放性使MATLAB广受用户欢迎。除内部函数外，所有MATLAB主包文件和各种工具包都是可读可修改的文件，用户通过对源程序的修改或加入自己编写程序构造新的专用工具包。MATLAB具有如下的优势与特点：MATLAB的语言特点一种语言之所以能如此迅速地普及，显示出如此旺盛的生命力，是由于它有着不同于其他语言的特点，正如同FORTRAN和C等高级语言使人们摆脱了需要直接对计算机硬件资源进行操作一样，被称作为第四代计算机语言的MATLAB，利用其丰富的函数资源，使编程人员从繁琐的程序代码中解放出来。MATLAB最突出的特点就是简洁

61、。MATLAB用更直观的，符合人们思维习惯的代码，代替了C和FORTRAN语言的冗长代码。MATLAB给用户带来的是最直观，最简洁的程序开发环境。以下简单介绍一下MATLAB的主要特点。（a）语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富。MATLAB程序书写形式自由，利用丰富的库函数避开繁杂的子程序编程任务，压缩了一切不必要的编程工作。由于库函数都由本领域的专家编写，用户不必担心函数的可靠性。可以说，用MATLAB进行科技开发是站在专家的肩膀上。（b）具有FORTRAN和C等高级语言知识的读者可能已经注意到，如果用FORTRAN或C语言去编写程序，尤其当涉及矩阵运算和画图时，编程会很麻烦。例如，

62、如果用户想求解一个线性代数方程，就得编写一个程序块读入数据，然后再使用一种求解线性方程的算法（例如追赶法）编写一个程序块来求解方程，最后再输出计算结果。在求解过程中，最麻烦的要算第二部分。解线性方程的麻烦在于要对矩阵的元素作循环，选择稳定的算法以及代码的调试不容易。即使有部分源代码，用户也会感到陕西科技大学毕业论文（设计说明书）20麻烦，且不能保证运算的稳定性。解线性方程的程序用FORTRAN和C这样的高级语言编写，至少需要四百多行，调试这种几百行的计算程序可以说很困难。以下用MATLAB编写以上两个小程序的具体过程。MATLAB 求解下列方程，并求解矩阵 A 的特征值。Ax=b，其中：A=3

63、2134567237985124323546598347135b=1234解为：x=Ab；设 A 的特征值组成的向量 e，e=eig（A） 。可见，MATLAB 的程序极其简短。更为难能可贵的是，MATLAB 甚至具有一定的智能水平，比如上面的解方程，MATLAB 会根据矩阵的特性选择方程的求解方法，所以用户根本不用怀疑 MATLAB 的准确性。（c）运算符丰富。由于 MATLAB 是用 C 语言编写的，MATLAB 提供了和 C 语言几乎一样多的运算符，灵活使用 MATLAB 的运算符将使程序变得极为简短。（d）MATLAB 既具有结构化的控制语句（如 for 循环，while 循环，bre

64、ak 语句和if 语句） ，又有面向对象编程的特性。（e）程序限制不严格，程序设计自由度大。例如，在 MATLAB 里，用户无需对矩阵预定义就可使用。（f）程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行。（g）MATLAB 的图形功能强大。在 FORTRAN 和 C 语言里，绘图都很不容易，但在 MATLAB 里，数据的可视化非常简单。MATLAB 还具有较强的编辑图形界面的能力。（h）MATLAB 的缺点是，它和其他高级程序相比，程序的执行速度较慢。由于MATLAB 的程序不用编译等预处理，也不生成可执行文件，程序为解释执行，所以速度较慢。（i）功能强大的工具箱是

65、 MATLAB 的另一特色。MATLAB 包含两个部分：核心部分和各种可选的工具箱。核心部分中有数百个核心内部函数。其工具箱又分为两类：功能性工具箱和学科性工具箱。功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能，图示建模仿真功能，文字处理功能以及与硬件实时交互功能。功能性工具箱用于多种学科。交流电机软启动的技术原理与仿真21而学科性工具箱是专业性比较强的，如 control toolbox，signal processing toolbox，communication toolbox 等。这些工具箱都是由该领域学术水平很高的专家编写的，所以用户无需编写自己学科范围内的基础程序，而直接进行高，精，尖的研

66、究。（j）源程序的开放性。开放性也许是 MATLAB 最受人们欢迎的特点。除内部函数以外，所有 MATLAB 的核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文件，用户可通过对源文件的修改以及加入自己的文件构成新的工具箱。3.2 Simulink 工具箱简介：SIMULINK 是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样频率的系统。在SIMULINK 环境中，利用鼠标就可以在模型窗口中直观地“画”出系统模型，然后直接进行仿真。它为用户提供了方框图进行建模的图形接口，采用这种结构画模型就像你用手和纸来画一样容易。它与传统的仿真软件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。SIMULINK 包含有 SINKS（输入方式） 、SOURCE（输入源） 、LINEAR（线性环节） 、NONLINEAR（非线性环节） 、CONNECTIONS（连接与接口）和 EXTRA（其他环节）子模型库，而且每个子模型库中包含有相应的功能模块。用户也可以定制和创建用户自己的模块。用 SIMULINK 创建的模型可以具有递阶结构，因此用