1、課程設(shè)計摘 要 三相交流異步電動機因其結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便、價格低廉等優(yōu)點而廣泛應用于商業(yè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防和日常電氣設(shè)備中。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)和生產(chǎn)工藝的發(fā)展,人們對電機的起動控制要求越來越高。傳統(tǒng)的降壓起動方式因不能真正消除電流沖擊，已經(jīng)無法滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。軟啟動器的問世則解決了上述難題，他平滑了電機的起動過程，消除了電流沖擊，真正實現(xiàn)了電機的無級起動控制。在三相交流異步電動機不宜采用直接啟動的時候，可考慮采用電動機降壓啟動或其它啟動方式。三相晶閘管調(diào)壓軟啟動是近年來發(fā)展的新技術(shù)，采用反并聯(lián)接線的晶閘管接在電動機的三相繞組上，在電動機啟動過程中通過控制晶閘管導通角的大小，使電動機

2、的啟動電流可根據(jù)工作要求設(shè)定的規(guī)律變化。本文詳細分析了調(diào)壓軟啟動的原理并且建立了相應的仿真模型并對其進行了驗證。關(guān)鍵詞：直接啟動 ：啟動電流 ：軟啟動 ：仿真目 錄1 交流電動機傳統(tǒng)啟動技術(shù)11.1三相交流異步電動機的直接啟動及其存在的問題11.2三相交流異步電動機的簡化數(shù)學模型11.3直接啟動所存在的問題21.4三相交流異步電動機的傳統(tǒng)啟動技術(shù)及其存在的問題22交流電動機降壓軟啟動技術(shù)32.1限流軟啟動52.2電壓斜坡啟動52.3轉(zhuǎn)矩控制啟動52.4轉(zhuǎn)矩加突跳控制啟動52.5停車方式63系統(tǒng)仿真及結(jié)果63.1功能模塊設(shè)計83.2仿真實驗94 總結(jié)10參考文獻111 交流電動機傳統(tǒng)啟動技術(shù)從交

3、流電機發(fā)展至今，三相交流異步電動機得到了廣泛的應用，其性能和功率也不斷的提高，電壓也從低壓發(fā)展到高壓。隨著三相交流異步電動機功率的提高，其啟動過程也出現(xiàn)諸多弊端。在本章中我們將對電機的啟動問題進行簡要分析和論述。（一）三相交流異步電動機的直接啟動及其存在的問題1.1三相交流異步電動機的簡化數(shù)學模型為了研究異步電動機的啟動和制動時的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩等變量的關(guān)系，要先從三相異步電動機的運行狀態(tài)和生產(chǎn)機械的負載特性出發(fā)。異步電動機的簡化T型等效電路如圖1.1所示。其中、分別為定子的電阻和漏抗，、 分別為折算后轉(zhuǎn)子的電阻和漏抗，、分別為勵磁電阻和勵磁電抗，s為轉(zhuǎn)差率。圖1.1 異步電動機簡化T型等值電

4、路由異步電動機簡化等值電路可以求出三相異步電動機的轉(zhuǎn)子電流：因為電機啟動時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n=0，轉(zhuǎn)差s=1，此時的啟動電流為：由上式可知，電機啟動電流和電壓成正比。由異步電動機的功率平衡及轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系可知，異步電動機的電磁轉(zhuǎn)矩為：式中：為旋轉(zhuǎn)磁場的同步角速度將代入T中可得：由上式可知，當頻率不變時，同步角速度及電機參數(shù)為常數(shù)，電磁轉(zhuǎn)矩T是定子電壓和轉(zhuǎn)差率s的函數(shù)。在電動機啟動瞬間，s=1，則啟動轉(zhuǎn)矩為：由此可知，在電機參數(shù)一定的情況下，啟動轉(zhuǎn)矩只和有關(guān)，兩者為平方的關(guān)系。 綜上所述，當電源的頻率和電動機參數(shù)都不變的情況下，啟動轉(zhuǎn)矩和成平方關(guān)系，啟動電流和成正比，即在降低啟動電壓的情況下，啟動電流和

5、啟動轉(zhuǎn)矩都相應降低。因此，可以通過控制定子電壓對啟動轉(zhuǎn)矩和啟動電流進行控制，這即是大部分啟動方式所采用的理論依據(jù)。1.2直接啟動所存在的問題如果全電壓直接啟動，由1中所分析的結(jié)論可知，啟動轉(zhuǎn)矩較大，而沖擊電流也很大。我們首先來看一下較大的啟動電流對電動機本身的影響。對于頻繁啟動的異步電動機，頻繁出現(xiàn)短時大電流會使電動機內(nèi)部過熱，會對電動機產(chǎn)生不良影響。再來看啟動電流對供電變壓器的影響。配電變壓器的容量是按照其供電的負載總?cè)萘縼碓O(shè)計的，正常運行條件下由于電流不超過額定電流，其輸出的電壓比較穩(wěn)定。三相異步電動機啟動時，如變壓器相對容量不是很大，電動機短時較大的啟動電流會使變壓器輸出的電壓短時下降幅

6、度很大，超出正常允許的范圍，這時就會產(chǎn)生如下影響：啟動電動機本身由于電壓太低，使啟動轉(zhuǎn)矩下降很大，當負載較重時，有可能啟動不了；會對同一變壓器供電的其他負載產(chǎn)生不良影響，如電燈變暗，重載電動機停轉(zhuǎn)等。由以上分析可知，異步電動機直接啟動有其突出的缺陷，所以對容量較大的電動機都采用一些特殊的技術(shù)來進行啟動。（二）三相交流異步電動機的傳統(tǒng)啟動技術(shù)及其存在的問題在三相交流異步電動機不宜采用直接啟動的時候，可考慮采用電動機降壓啟動。傳統(tǒng)的電動機降壓啟動方式有定子串電阻電抗器降壓啟動、轉(zhuǎn)子串電阻降壓啟動、Y一降壓啟動、自偶變壓器降壓啟動等。表1對這幾種啟動方式進行了比較。由表1可以看出，這些啟動方式雖然在

7、一定程度上解決了啟動電流過大的問題，但是都是采取的有級調(diào)速方式；多數(shù)存在二次甚至多次沖擊；同時啟動設(shè)備帶載切換容易拉弧損壞，設(shè)備維護量大等問題。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，一種新的啟動技術(shù)軟啟動以其優(yōu)良的啟動、保護性能得到了廣泛的關(guān)注。表1.1 異步電動機傳統(tǒng)啟動方式啟動方式啟動電流啟動轉(zhuǎn)矩優(yōu)點缺點應用場合以直接啟動為1直接啟動11啟動設(shè)備簡單啟動沖擊電流大，沖擊力矩大中小功率電動機輕載或空載啟動定子串電阻啟動啟動設(shè)備簡單有級調(diào)速、啟動轉(zhuǎn)矩小適用于空載或輕載啟動Y一啟動1/31/3啟動設(shè)備簡單，可頻繁啟動有極、有二次沖擊正常運行為接法，空載或輕載啟動自藕變壓器降壓啟動啟動轉(zhuǎn)矩較大有極、設(shè)備體積大、

8、不能頻繁啟動、多次沖擊較大容量電機、較大負載不頻繁啟動2 交流電動機降壓軟啟動技術(shù)降壓軟啟動是近年來發(fā)展的新技術(shù)，采用反并聯(lián)接線的晶閘管接在電動機的三相繞組上，在電動機啟動過程中通過控制晶閘管導通角的大小，使電動機的啟動電流可根據(jù)工作要求設(shè)定的規(guī)律變化。這樣，電動機的啟動電流大小、啟動方式均可以任意調(diào)節(jié)和選擇，可使電動機根據(jù)繼電器保護特性而處于最佳的啟動過程。（一）降壓軟啟動器調(diào)節(jié)原理利用交流電機的電壓特性曲線來控制交流電機的啟動，是電子軟啟動器的主要控圖2.1 電子軟啟動系統(tǒng)框圖制思想。采用三對反并聯(lián)的晶閘管串聯(lián)于電動機的三相供電電路上，利用晶閘管的電子開關(guān)特性，通過控制其觸發(fā)脈沖、觸發(fā)角的

9、大小來改變晶閘管的開通時間，從而改變電動機定子輸入電壓，以控制電動機的軟啟動過程。當電動機啟動完成后，即端電壓升至額定電壓時，三相旁路接觸器K吸合，使電動機直接并網(wǎng)運行。啟動時，晶閘管的導通角從0°開始上升，逐漸增大，電動機的端電壓也從零開始上升，直至達到滿足啟動轉(zhuǎn)矩要求，保證啟動成功。電子軟啟動器的基本電路框圖如圖2所示。（二）降壓軟啟動器的主電路結(jié)構(gòu)降壓軟啟動器的電路原理如圖3所示。在電機定子三相進線電路上串聯(lián)六個反并聯(lián)晶閘管（或三個雙向晶閘管），可控制電壓的雙向通斷。通過改變晶閘管的導通角來改變加到定子端的電壓。由電機轉(zhuǎn)矩和定子端電壓的關(guān)系以及定子電流和定子端電壓的關(guān)系可知，改

10、變電壓的有效值，即可改變交流電機啟動時的沖擊電流和轉(zhuǎn)矩。圖2.2 晶閘管調(diào)壓軟啟動主電路示意圖（三）晶閘管調(diào)壓原理在工頻電源和負載之間接入晶閘管調(diào)壓器，就可以改變負載端的電壓。用晶閘管調(diào)壓的方法有兩種：一種是相控調(diào)壓，另一種是斬波調(diào)壓，即用雙向晶閘管作為靜止接觸器，交替的接通與切斷幾個周波的電源電壓，但是斬波調(diào)壓用在異步電動機定子上，通斷交替的頻率不能太低。否則一方面會引起電動機轉(zhuǎn)速的波動，另一方面每次接通電流相當于一次異步電動機重合閘的過程。當電源斷開時，電動機氣隙中的磁場將由轉(zhuǎn)子中的瞬態(tài)電流來維持，并隨轉(zhuǎn)子而旋轉(zhuǎn)，氣隙磁場在定子繞組中感應的的電勢頻率將有所變化，當斷流時間間隔稍長時，這個旋

11、轉(zhuǎn)磁場在定子中感應的電勢和重新接通時的電源電壓在相位上可能會有相當大的差別，這樣就會出現(xiàn)較大的沖擊電流。可能危及晶閘管的安全。如通斷交替頻率較高，每次通斷時間間隔中交流電周波數(shù)較少，采用整周波斬波控制方法可能調(diào)速不夠平滑，所以在異步電動機的調(diào)壓控制中多用相控技術(shù)。由于異步電動機是感性負載，所以當晶閘管調(diào)壓時，只有當移相角大于感性負載的功率因數(shù)角時，才能起到調(diào)壓作用，因為當時，電流導通的時間將始終為，其情況與時一樣，相控不起任何作用，因此的下限取為額定運行時的值，而上限取。在調(diào)壓時，負載上所得到的電壓與電流波形在根據(jù)觸發(fā)角的不同而改變，單相晶閘管電路的電壓輸出波形如圖4所示，其中為觸發(fā)角，為續(xù)流

12、角，為導通角，由圖4可知，角決定了晶閘管的輸出電壓，故改變角的大小就可以調(diào)節(jié)電機的輸入電壓，并且有：?？梢婋姍C的輸入電壓與觸發(fā)角和續(xù)流角都有關(guān)系。 由于沒有中線，所以要想形成電流通路，至少要兩相同時導通。為了保證在電路起始工作時能使兩個晶閘管同時導通，以及在感性負載與控制角較小時仍能保證不同相的兩個晶閘管同時導通，要求采用能夠產(chǎn)生大于的寬脈沖或雙窄脈沖的觸發(fā)電路，以免在的情況下交流調(diào)壓電路中可能只有一個方向的晶閘管在工作，負載上的電壓和電流波形將出現(xiàn)正負半波不對稱的情況，產(chǎn)生直流分量。具體的觸發(fā)方式為：觸發(fā)角點應該定在各相電壓的過零點，調(diào)壓電路從相電壓的過零點處開始計算觸發(fā)角；六只晶閘管的觸發(fā)

13、相序是VT1、VT3、VT5依次滯后，VT4、VT6、VT2又分別滯后VT1、VT3、VT5 ，這樣觸發(fā)相位自VT1到VT6依次滯后。圖2.3 單相晶閘管工作波形（四）降壓軟啟動的啟動方式及其控制策略 從電機啟動性能的角度出發(fā)，以不同的參量為控制目標，使得降壓軟啟動器有多種啟動方式和控制策略，先分別進行分析。2.1限流軟啟動限流軟啟動顧名思義即在電動機的啟動過程中限制其啟動電流不超過某一設(shè)定值（Im）的軟啟動方式。主要用在輕載啟動負載的降壓啟動，其輸出電壓從零開始迅速增長，直到其輸出電流達到預先設(shè)定的電流限值Im，然后在保持輸出電流I<Im的條件下逐漸升高電壓，直到額定電壓，使電動機轉(zhuǎn)速

14、逐漸升高，直到額定轉(zhuǎn)速。其缺點是在啟動時難以知道啟動壓降，不能充分利用壓降空間，損失啟動轉(zhuǎn)矩，啟動時間相對較長。2.2電壓斜坡啟動輸出電壓由小到大成斜坡規(guī)律線性上升，將傳統(tǒng)的降壓啟動變有級為無級，剛啟動時，電壓迅速上升到初始轉(zhuǎn)矩對應的電壓，然后按照設(shè)定的啟動時間逐漸上升，直到達到額定電壓。主要用在重載啟動中。它的缺點是啟動轉(zhuǎn)矩小，且轉(zhuǎn)矩特性呈拋物線型上升，對啟動不利，且啟動時間長，對電機也不利。改進的方法是采用雙斜坡啟動，輸出電壓先迅速升至U1,U1為電動機啟動所需最小轉(zhuǎn)矩所對應的電壓值，然后按設(shè)定的速率逐漸升壓，直至達到額定電壓。初始電壓及電壓上升率可根據(jù)負載特性調(diào)整。這種啟動方式的特點是啟

15、動電流相對較大，但啟動時間相對較短，適用于重載啟動的電機。（1）轉(zhuǎn)矩控制啟動主要用在重載啟動，它是按電動機的啟動轉(zhuǎn)矩線性上升的規(guī)律控制輸出電壓，它的優(yōu)點是啟動平滑、柔性好，對拖動系統(tǒng)有利，同時減少了對電網(wǎng)的沖擊，是最優(yōu)的重載啟動方式，其缺點是啟動時間較長。（2） 轉(zhuǎn)矩加突跳控制啟動與轉(zhuǎn)矩控制啟動一樣也是用在重載啟動的場合。所不同的是，突跳控制在啟動的瞬間用突跳轉(zhuǎn)矩，克服拖動系統(tǒng)的靜轉(zhuǎn)矩，然后轉(zhuǎn)矩平滑上升，可縮短啟動時間。但是，突跳會給電網(wǎng)發(fā)送尖脈沖，干擾其它負荷，使用時應特別注意。（3）停車方式停車方式有三種：一是自由停車，二是軟停車，三是制動停車。軟啟動器帶來的最大好處是軟停車和制動停車，軟

16、停車消除了拖動系統(tǒng)的反慣性沖擊，對于水泵就是“水錘”效應，制動停車則在一定場合代替了反接制動停車功能。3 系統(tǒng)仿真及結(jié)果在對軟啟動進行了上述分析后，我們選擇目前比較常用的電壓斜坡控制方式來進行降壓軟啟動的深入研究。本設(shè)計中利用現(xiàn)在比較流行的MATLAB工具進行計算機仿真研究。（一）Matlab/Simulink工具簡介MATLAB是一種科學計算軟件，早期MATLAB主要用于解決科學和工程的復雜數(shù)學計算問題。由于它使用方便、輸入便捷、運算高效、適應科技人員的思維方式，并且有繪圖功能，有用戶自行擴展的空間，因此特別受到用戶的歡迎。1993年出現(xiàn)了SIMULINK，這是基于框圖的仿真平臺，SIMUL

17、INK掛接在MATLAB環(huán)境上，以MATLAB強大的計算功能為基礎(chǔ)，以直觀的模塊框圖進行仿真和計算。SIMULINK提供了各種仿真工具，尤其是它不斷擴展的、內(nèi)容豐富的模塊庫，為系統(tǒng)的仿真提供了極大的便利。從SIMULINK4.1版開始，有了電力系統(tǒng)模塊庫（Power System Blockset），利用該模塊庫的模塊，可以方便的進行RLC電路、電力電子電路、電機控制系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的仿真。本設(shè)計就利用Power System Blockset和基本的SIMULINK庫對降壓軟啟動系統(tǒng)進行模型搭建和仿真。（二）異步電動機直接啟動仿真在設(shè)計降壓軟啟動系統(tǒng)之前，我們首先對異步電動機全電壓直接啟動進行

18、建模和仿真。全電壓直接啟動模型中，將三相交流電源直接和電動機定子相連，用示波器觀察啟動過程中的啟動電流、啟動轉(zhuǎn)矩以及轉(zhuǎn)速曲線，具體仿真模型如圖3.1所示。其中異步電動機采用默認配置，只是把額定電壓和額定頻率改為380V 和50Hz即可。圖3.1 全電壓直接啟動模型仿真時間設(shè)為0.5S，觀察定子啟動電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速曲線如圖3.1.13.1.3所示。因為電動機直接啟動過程中主要是啟動電流的沖擊，由圖中可以發(fā)現(xiàn)，啟動過程中，電流的脈動較大，啟動電流是額定電流的710倍，且沖擊電流持續(xù)時間較長，將對電動機本身及電網(wǎng)造成很大的沖擊；轉(zhuǎn)矩在啟動過程中波動也很大；轉(zhuǎn)速上升比較迅速。 圖3.1.1 全電壓啟動

19、定子電流 圖3.1.2 全電壓啟動轉(zhuǎn)速圖3.1.3 全電壓啟動轉(zhuǎn)矩（三）異步電動機降壓軟啟動仿真晶閘管軟啟動器可以通過電壓的調(diào)節(jié)，限制啟動電流，并且使電動機有較大的啟動轉(zhuǎn)矩。軟啟動電路由三相晶閘管調(diào)壓電路和軟啟動控制器（給定積分器）、觸發(fā)器等組成，啟動時通過控制器使晶閘管控制角從大到小變化，而電動機電壓從小到大逐次上升，仿真電路由圖9所示。圖3.2 降壓軟啟動仿真模型3.1功能模塊設(shè)計調(diào)壓主電路模塊反并聯(lián)的兩個晶閘管組成了交流雙向開關(guān)，在交流輸入電壓的正半周，VT1導通，在交流輸入電壓的負半周，VT2導通，控制晶閘管的導通時刻，可以調(diào)節(jié)負載兩端的電壓。模塊構(gòu)成如圖3.3所示。In1和In2分別

20、是兩個晶閘管的觸發(fā)端。本系統(tǒng)共需要3個這樣的功能模塊構(gòu)成調(diào)壓主電路。圖3.3 雙向晶閘管模塊觸發(fā)器模塊交流調(diào)壓晶閘管觸發(fā)角的移相范圍是，的位置定在電源電壓過零時。在阻感負載時，按觸發(fā)角與負載阻抗角的關(guān)系，電路有兩種工作狀態(tài)。a調(diào)壓器輸出電壓和電流的正負半周是不連續(xù)的，在這個范圍內(nèi)調(diào)節(jié)觸發(fā)角，負載的電壓和電流將隨之變化。b調(diào)壓器輸出處于失控狀態(tài)，即雖然觸發(fā)角變化，但負載電壓不變，且是與電源電壓相同的完整正弦波。這是因為阻感負載電流滯后于電壓，因此如果觸發(fā)角較小，在一個晶閘管電流尚未下降到零前，另一個晶閘管可能已經(jīng)觸發(fā)（但不能導通），一旦電流下降到零，如果另一個晶閘管的觸發(fā)脈沖仍然存在，則該晶閘管

21、立即導通，使負載上電壓成為連續(xù)的正弦波，出現(xiàn)失控現(xiàn)象。正因為如此，交流調(diào)壓器晶閘管必須采用后沿固定在的寬脈沖觸發(fā)方式，以保證晶閘管能正常觸發(fā)。觸發(fā)器模塊如圖11所示，由同步、鋸齒波形成和移相控制等環(huán)節(jié)組成。電路的輸入端In1是同步電壓輸入端，同步電壓經(jīng)延遲Realy環(huán)節(jié)產(chǎn)生與同步電壓正半周等寬的方波，該方波經(jīng)斜率設(shè)定（Rate Limiter）產(chǎn)生鋸齒波，鋸齒波與移相控制電壓（In2輸入）疊加調(diào)節(jié)鋸齒波的過零點，再經(jīng)延遲Relay1產(chǎn)生前沿可調(diào)，后沿固定的晶閘管觸發(fā)脈沖。觸發(fā)器中個模塊的參數(shù)設(shè)置如表3.1所示。異步電動機模塊異步電動機使用模型自帶參數(shù)，只需要把額定電壓和額定頻率改為380V 和

22、50Hz即可。三相電阻是為了檢測電阻兩端電壓來觀察交流調(diào)壓器輸出電壓波形。圖3.4 觸發(fā)器模塊表3.1 觸發(fā)器模塊參數(shù)設(shè)置模塊Relay、Relay2Rate Limiter、Rate Limiter1Relay1、Relay3參數(shù)設(shè)置Switch On pointepsRising slew rate1000Switch On pointepsSwitch Off pointepsFallingslew rate-1e8Switch Off pointepsOutput when on10Output when on1Output when off0Output when off0控制部分模

23、型的控制部分由Step、GI和Fcn三個模塊組成，其中Step給出階躍啟動信號，GI模塊用于設(shè)定啟動曲線，函數(shù)Fcn用于控制信號與觸發(fā)器輸入信號要求匹配。給定積分模塊的構(gòu)成如圖12所示。其中放大器（Gain）的作用是使積分時間常數(shù)不受放大器輸入偏差大小的影響，所以放大倍數(shù)可以取的大一些。限幅器（Saturaction）用于設(shè)定積分時間常數(shù)，調(diào)節(jié)限幅器的上下限可以調(diào)節(jié)給定積分器輸出曲線的上升斜率。晶閘管三相調(diào)壓器給電動機供電時，晶閘管觸發(fā)角的移相范圍受一定限制，當觸發(fā)角較大時，調(diào)壓器輸出過低，電動機啟動轉(zhuǎn)矩太小，電動機不能啟動；當觸發(fā)角小于電動機的功率因數(shù)角時，調(diào)壓器失去調(diào)壓作用，調(diào)壓器輸出全電壓。系統(tǒng)中設(shè)置了函數(shù)匹配環(huán)節(jié)（Fun）來設(shè)置初始觸發(fā)角的大小。，其中為能使電動機啟動的最小控制電壓；為給定積分環(huán)節(jié)的輸出。圖3.5 GI環(huán)節(jié)3.2仿真實驗利用該模型對電機空載降壓軟啟動過程進行仿真，得到其結(jié)果分別如圖13圖15所示。與圖3.2.1圖3.2.3對比可以看到，采用軟啟動方式，電動機的啟動電流沖擊顯著減小（由60A降至20A）；全壓啟動時間短（0.1S左右），軟啟動達到額定轉(zhuǎn)速的時間長（0.5S左右），但是啟動過程更平穩(wěn)（轉(zhuǎn)速脈動減小）。轉(zhuǎn)矩的沖擊也明顯減小（由80Nm降至15Nm左右）對機械的沖擊明顯減弱。由此可知，本次設(shè)計的降壓軟啟動系統(tǒng)，達到了預期的效果