【正文】 xxxx大學文華學院 畢 業(yè) 設(shè) 計 [論文 ] 題目 : 大型異步電機軟起動的研究 院 (系 ) 專業(yè) ：電氣工程及其自動化 答 辯 時 間 ： xxxx大學文華學院畢業(yè)論文 本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 開題報告 題目 : 大型異步電機軟起動的研究 II xxxx大學文華學院畢業(yè)論文 1. 課題的目的、意義、國內(nèi)外概況和預測 課題的目的 電動機的非經(jīng)濟運行情況 ,早已引起國家有關(guān)部門的重視 ,并分別于 1990 年和 1995 年制定和修定了強制性的國家標準 :《三相異步電動機經(jīng)濟運行》 (GB124971995)。國 家希望依此來規(guī)范三相異步電動機的經(jīng)濟運行 ,國標的發(fā)布對低壓電動機的經(jīng)濟運行起 了很大的促進作用 ,但對中壓電動機則收效甚微。其原因是 :(1)中壓電動機一般容量較 大 ,一旦發(fā)生故障 ,其影響也 大 ,因此對節(jié)電措施可靠性的要求就更高 。 (2)中壓電動機節(jié) 電措施受電力電子功率器件耐壓水平的限制 ,節(jié)電產(chǎn)品的開發(fā)在技術(shù)上難度更大一些。 到目前為止 ,國內(nèi)尚無成型的中壓電動機軟起動和節(jié)電運行的產(chǎn)品面市。 課題的意義 電動機的傳統(tǒng)起動裝置主要有 : “YΔ ”起動器、自藕降壓起動器、飽和電抗器。 傳統(tǒng)的降壓起動設(shè)備在很大程度上緩解了大容量電機在較小容量電網(wǎng)上起動時的矛盾， 但是它們只是相對減小了大電流的沖擊并未在本質(zhì)上解決問題。而且這些起動設(shè)備還有 一些固有的缺點，如對負載適應(yīng)能力差、起動電流不連 續(xù)、維修工作量大等等。隨著工 業(yè)現(xiàn)場對自動化、機械化要求的提高，此類矛盾日益突出。 異步電動機起動過程的長短也是需要考慮的問題。在整個電動機起動過程中，電磁 轉(zhuǎn)矩大于負載的反轉(zhuǎn)矩，電動機加速運轉(zhuǎn)。在相同的轉(zhuǎn)動慣量下轉(zhuǎn)矩的差額越大，機組 加速越快。轉(zhuǎn)動慣量大的機械起動就較慢，對于重復起動的生產(chǎn)機械來說，起動過程的 時間長短對勞動生產(chǎn)率的影響是很大的，因而對不同的生產(chǎn)過程，對電動機有不同的起 動時間要求。 過去的起動裝置大多采用接觸器，屬于有觸點系統(tǒng)，容易磨損引發(fā)故障，起動特性 不好。為了達到無觸點控制，獲 得靈活多變的良好的起動特性，在 80 年代初期鼠籠型 異步電動機電子軟起動器誕生。軟起動控制器是一種新型節(jié)能設(shè)備，在歐美國家已得到 大量的應(yīng)用。它利用晶閘管交流調(diào)壓技術(shù)實現(xiàn)降壓起動，以后又融入了功率因素控制技 術(shù)，在控制裝置的研究上，正圍繞著提高起動力矩、實現(xiàn)計算機聯(lián)網(wǎng)遠程監(jiān)控、完善檢 測和自診斷功能以及提高產(chǎn)品可靠性、改進制造工藝、降低成本等方面努力。 電子軟起動器采用使定子電壓逐漸增大至額定電壓的方法，使交流異步電機平滑起 動，減少交流異步電機的起動電流，降低起動時對電網(wǎng)的沖擊。由于三相交流異步電機 的電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比，當定子電壓降低時，電磁轉(zhuǎn)矩就會降低很多，而 電子軟起動器是采用降壓起動，降壓并不降頻，所以利用傳統(tǒng)電子軟起動器起動三相交 流異步電機時，電磁轉(zhuǎn)矩很小。電磁轉(zhuǎn)矩小的特點限制了電子軟起動器的應(yīng)用范圍。 本文介紹的分級變頻，可以使傳統(tǒng)電子軟起動器在降低定子電壓的同時降低定子電 壓的頻率，按同步轉(zhuǎn)速由低到高分級起動，減小起動過程的能量損耗，克服傳統(tǒng)電子軟 起動器電磁轉(zhuǎn)矩小的缺點，可以使電機在全負載的情況下平滑起動和短時運行于低速狀 態(tài)。另外，分級變頻還可以使電子軟起動器輸出負相序 電壓，使電機處于電磁制動狀態(tài)。 國內(nèi)外概況 20 世紀 60 年代以來，由于生產(chǎn)發(fā)展的需要和節(jié)省電能的要求，促使世界各國重視 交流調(diào)速技術(shù)的研究與發(fā)展。尤其是 20 世紀 70 年代以后，由于科學技術(shù)的迅速發(fā)展為 交流調(diào)速的發(fā)展創(chuàng)造了極為有利的技術(shù)條件和物質(zhì)基礎(chǔ)。從此，交流調(diào)速理論及應(yīng)用技 1 術(shù)大致沿下述四個方面發(fā)展。 xxxxx大學文華學院畢業(yè)論文 （ 1）電力電子器件的蓬勃發(fā)展和迅速換代促進了變流技術(shù)的迅速發(fā)展和變流裝置 的現(xiàn)代化（ 2）脈寬調(diào)制（ PWM）技術(shù)的 發(fā)展和應(yīng)用優(yōu)化了變頻裝置的性能，適用于各類 交流調(diào)速系統(tǒng)，為交流調(diào)速技術(shù)的普及發(fā)揮了重大作用。（ 3）矢量變化控制技術(shù)的誕生 和發(fā)展奠定了現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)高性能化的基礎(chǔ)（ 4）微型計算機控制技術(shù)與大規(guī)模集 成電路的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用為現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)的成功應(yīng)用提供了重要的技術(shù)手段 和保證。 異步電動機起動方案的研究 m 2 ???39。 U R / S Te 1 ?????? 39。 1 ???? 2 39。 ?2 1 R1?CR2/ S ??X1???CX2??從式中可看出，在電動機的參數(shù)已知和轉(zhuǎn)差率 s 不變時，感應(yīng)電機的電磁轉(zhuǎn)矩和所 加的電源電壓的平方成正比，電壓越大，電磁轉(zhuǎn)矩就大。 異步電動機調(diào)速系統(tǒng)的基本類型 由異步電動機工作原理可知，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率 Pm 可分為兩部分：一部 分 Pd=（ 1s） Pm 是拖動負載的有效功率；另一部分是轉(zhuǎn)差功率 Ps=sPm，與轉(zhuǎn)差率 s 成 正比。轉(zhuǎn)差功率如何處理、是消耗掉還是回饋給電網(wǎng)，可衡量異步電動機調(diào)速系統(tǒng)的效 率高低。因此按轉(zhuǎn)差功率處理方式的不同可以把現(xiàn)代異步電動機調(diào)速系統(tǒng)分 為三類。 （ 1）轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng) 全部轉(zhuǎn)差功率都轉(zhuǎn)換成熱能的形式而消耗掉。晶閘管調(diào)壓調(diào)速屬于這一類。在異步 電動機調(diào)速系統(tǒng)中，這類系統(tǒng)的效率最低，是以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗為代價來換取轉(zhuǎn)速 的降低。但是由于這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最簡單，所以對于要求不高的小容量場合還有一定應(yīng)用。 （ 2）轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速系統(tǒng) 轉(zhuǎn)差功率一小部分消耗掉，大部分則通過交流裝置回饋給電網(wǎng)。轉(zhuǎn)速越低，回饋的 功率越多。繞線式異步電動機串級調(diào)速和雙饋屬于這一類。顯然這類調(diào)速系統(tǒng)效率較高。 （ 3）轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng) 轉(zhuǎn)差功率中轉(zhuǎn)子銅 損部分的消耗是不可避免的，但在這類系統(tǒng)中，無論轉(zhuǎn)速高低， 轉(zhuǎn)速功率的消耗基本不變，因此效率很高。變頻調(diào)速屬于此類。目前在交流調(diào)速系統(tǒng)中， 變頻調(diào)速應(yīng)用最多、最廣泛，可以構(gòu)成高動態(tài)性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，取代直流調(diào)速。變 頻調(diào)速技術(shù)及其裝置仍是 21 世紀的主流技術(shù)和主流產(chǎn)品。 繞線式異步電動機的串級調(diào)速和雙饋調(diào)速系統(tǒng) 繞線式異步電動機在工業(yè)中應(yīng)用較多，它的傳統(tǒng)調(diào)速方法是在轉(zhuǎn)子回路串電阻調(diào) 速。這中調(diào)速方式的本質(zhì)是利用改變消耗于轉(zhuǎn)子外串電阻中的轉(zhuǎn)差率功率來改變轉(zhuǎn)差 率，從而達到調(diào)速的目的，因此，這種調(diào) 速方式是轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速。這種調(diào)速方式 雖然結(jié)構(gòu)簡單，維護方便，但是調(diào)速是有級的，而且耗能多，效率低，是的調(diào)速性能和 2 華中科技大學文華學院畢業(yè)論文 經(jīng)濟性能很差。目前，這種調(diào)速方式正在逐漸被淘汰。 電動機軟起動器 圖 1 中，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的大小 ,以達到控制電動機的軟起動過程。當電動機起動 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。起動時 ,晶閘 管的導通角從 0176。\u24320X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 起動轉(zhuǎn)矩要求 ,保證起動成功。另外運用不同的設(shè)定方法 ,使被控電動機的輸入電壓按不 同的要求而變化 ,就可以實現(xiàn)不同的控制功能。 軟起動器的起動方法 串接于電源與被控電動機之間的軟起動器通過控制其內(nèi)部晶閘管的導通角 ,使電動 機電流從零開始以預設(shè)函數(shù)關(guān)系逐漸上升 ,直至起動結(jié)束 ,實現(xiàn)軟起動。通常根據(jù)預設(shè)函 數(shù)及相應(yīng) 關(guān)系 ,軟起動一般有如下幾種方法。 （ 1） 限電流軟起動 限電流軟起動可歸納為斜坡恒流軟起動、階躍起動和脈沖沖擊起動三種方式。 ① 斜 坡恒流軟起動：這種起動方式是在電動機起動的初始階段電流逐漸增加 ,當電流達到預 先設(shè)定的值后保持恒定 ,直到起動完畢。起動過程中 ,電流上升變化的速率可以根據(jù)電動 機負載調(diào)整設(shè)定。電流上升速率大 ,則起動轉(zhuǎn)矩大 ,起動時間短。該方法應(yīng)用較多 ,特別 適用于風機、泵類負載。 ② 階躍起動 :這種方式是電動機開機時即起動 ,在最短時間內(nèi)使 起動電流迅速達到設(shè)定值 ,通過調(diào)節(jié)起動電流設(shè)定值 ,可以達到快速 起動效果。 ③ 脈沖沖 擊起動 : 電動機在起動開始階段 ,讓晶閘管在極短時間內(nèi) ,以較大電流導通一段時間后 回落 ,再按原設(shè)定值線性上升 ,進入恒流起動。該起動方法適用于重載需要克服較大靜摩 擦的場合。上述三種電動機限電流軟起動曲線如圖 2 所示。電動機在起動時最大電流不 超過預先設(shè)定的電流 ,通常該值的設(shè)定范圍為額定電流的 ~4 倍。 （ 2） 電壓斜坡起動 這種方式是通過設(shè)定電動機的輸入電壓的線性上升速率來完成電動機的起動過程。 由于電壓在起動過程中是線性變化的 ,可以保證電動機平穩(wěn)起動。 （ 3） 轉(zhuǎn)矩控制起 動 3 華中科技大學文華學院畢業(yè)論文 選取控制量為電磁轉(zhuǎn)矩 T,并根據(jù)應(yīng)用的要求在給定的區(qū)間內(nèi)調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)矩 ,尤 其是在起動、停止期間控制加速轉(zhuǎn)矩 ,實現(xiàn)對電動機運行特性的控制 ,同時可以清除浪涌 轉(zhuǎn)矩以保護傳動機械。如果轉(zhuǎn)矩控制起動時間過長 ,通過轉(zhuǎn)矩突跳克服靜轉(zhuǎn)矩 ,加快起動 周期。 MATLAB 軟件仿真波形 變頻軟起動 我們知道變頻器實際 上是一種電壓、頻率控制裝置 (VVVF)，其控制方式有電壓、頻 率比例控制 (V/F)、空間電壓矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制 (DTC)等。由于變頻器在改變頻率 的同時，也按比例地改變其輸出電壓的幅值，因而能實現(xiàn)無過流軟起動及調(diào)速節(jié)能運行。 由于變頻器一般都采用交 —直 —交電壓型逆變方式，因而可方便地實現(xiàn)自動能量優(yōu) 化 (AEO)功能、自動電動機適配 (AMA)功能以及自動電壓調(diào)整 (AVR)功能。由此得到啟發(fā)， 將變頻器的 VVVF 功能分開就可實現(xiàn) VV—VF，或 VV—CF 功能，即恒頻調(diào)壓功能。這樣對 于不同運行方式 的電動機，都可采用同一控制設(shè)備來實現(xiàn)綜合節(jié)能保護控制功能了。對 于需調(diào)速運行和調(diào)速節(jié)能的設(shè)備，讓變頻器以 VVVF 實現(xiàn)變頻控制；對于不需要調(diào)速運 行，且經(jīng)常處于輕載或空載運行的設(shè)備。則采用 VV—CF 控制方式，利用變頻器進行恒 頻調(diào)壓節(jié)電優(yōu)化控制。實現(xiàn)一機多用。 在此，文章主要研究大型異步電動機交交分級變頻起動。交 交變頻器與交 直 交 變頻器相比，沒有明顯的中間濾波環(huán)節(jié)，電網(wǎng)交流電被直接變換成可調(diào)頻調(diào)壓的交流電。 因為交 交變頻器采用晶閘管自然換流方式，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高；而且交 交變頻器能 夠直接 進行能量轉(zhuǎn)換，效率較高。交 交變頻器最高輸出頻率是電網(wǎng)輸入頻率的 1／ 3～ 1 ／ 2，適合于低速大功率拖動的場合。 分級變頻起動 在分級變頻起動問題上，有很多問題。例如： ，在各種頻率下的 ABC 三相相角差； ，各相觸發(fā)角角度； ； 片機輸入輸出控制； 。 分級變頻原理 在定子電壓下降的同時將頻率下調(diào) ,將會減少電動機轉(zhuǎn)矩的損失 ,就可以解決傳統(tǒng) 軟起動器的起動轉(zhuǎn)矩小的問題 .分級變頻就是使傳統(tǒng)軟起動器輸出電壓的 頻率從一個較 低的值開始 ,分級上升 ,最后達到 50 ,但不能使頻率連續(xù) 地變化 ,只能使頻率分級變化 ,而且各級頻率都是 50 Hz 的 1/n,即 50 Hz 的分頻 . 由電網(wǎng)提供的 50 Hz 的工頻電源 ,可產(chǎn)生各級子頻率系統(tǒng) ,工頻的 ω 與子頻率系 統(tǒng)的 ω sub 的關(guān)系如下 ω =ω subr (1) 其中 ,r 為分頻數(shù) ,且 r 為整數(shù) . 由表 1 可知 ,從 50 Hz 產(chǎn)生的三相平衡的各級子頻率系統(tǒng)有的為負序如 25 Hz,有的 為正序如 ,所以對 25Hz 子頻率系統(tǒng)來說 ,需要打 破平衡 ,改變相位角 ,使之不平衡 .重新定義子頻率系統(tǒng)的