【正文】 遼寧工程技術大學畢業(yè)設計（論文）軟起動器的數(shù)字模型工作原理畢業(yè)論文1 異步電機的起動問題電動機是工業(yè)、農(nóng)業(yè)和交通運輸?shù)闹匾O備，而且，隨著社會生產(chǎn)的日益發(fā)展，電動機的應用將會越來越廣，與電機配套的控制設備的性能也必將成為用戶關注的焦點。電動機的控制主要包括電機的起動、調(diào)速和制動。三相交流鼠籠式異步電動機因其結構簡單，運行可靠和價格便宜而被廣泛采用。異步電動機的起動是指電機從靜止狀態(tài)加速到工作轉速的整個過程。評定電動機的起動性能主要有兩個指標：起動電流倍數(shù)和起動轉矩倍數(shù)。希望在起動時有較大的起動轉矩以帶動負載快速達到正常轉速，但不希望有較大的起動電流。一臺普通的鼠籠式的異步電動機，如不采取任何施在額定電壓下直接起動，它的起動電流較大而起動轉矩并不相應增大。因為三相異步電動機是一種反電勢負載，即以反電勢來平衡外加電壓。電動機的反電勢隨著轉子轉速的增加而逐漸增大，電動機在起動開始時反電勢為零，所以起動時的沖擊電流很大。當電動機容量較大時，沖擊電流會對電網(wǎng)及其負載造成干擾，嚴重時甚至危害電網(wǎng)的安全運行；起動電流過大時，將使電動機本身受到過大電磁力的沖擊，如果經(jīng)常起動，還有繞組過熱的危險。同時，由于起動應力較大，使得負載設備使用壽命降低[1]。傳統(tǒng)的直接起動是用閘刀開關或接觸器把電動機的定子繞組直接接到額定電壓的電網(wǎng)上。直接起動的優(yōu)點是操作和起動設備最簡單，缺點是起動電流很大。一般鼠籠式異步電動機直接起動電流倍數(shù)，嚴重情況下，可能達到十倍以上，起動轉矩倍數(shù)。按國家標準GB75565規(guī)定，當電網(wǎng)電壓降低15％時，仍有，不會導致接在同一電網(wǎng)上的其它感應電動機的停轉。因此，直接起動通常只限于起動時，在電網(wǎng)中引起的電壓降落不超過10～15％（對于經(jīng)常起動的電機取10％，對于不經(jīng)常起動的電動機取15％）的場合。同時，直接起動方法的應用還受到電網(wǎng)容量的限制。若電網(wǎng)容量不夠大，則電動機的起動電流可能使電網(wǎng)電壓顯著下降，影響接在同一電網(wǎng)上的其它電動機和電氣設備的正常工作.為了解決這個問題（直接起動問題），人們采用了各種降壓起動技術，比較傳統(tǒng)和應用較普遍的有自耦變壓器降壓起動、串電抗起動和Y－△轉換、延邊三角形起動、電阻調(diào)節(jié)等等。其中自耦降壓起動設備復雜，Y－△轉換起動附加設備少，操作簡單，但起動電流仍較大，只適合小型電機起動，延邊三角形起動電流亦較大[2]。采用這些起動方式起動時降低了加在定子繞組的電壓，起到了一定的限流作用，但仍存著以下問題。（1）它們通常是靠接觸器來切換電壓達到降壓目的，所以無法從根本上解決起動瞬時電流尖峰的沖擊；（2）起動轉矩不可調(diào)，起動中存在二次沖擊電流，對負載產(chǎn)生沖擊轉矩，當電網(wǎng)電壓下降太低時，可能造成電動機堵轉；（3）起動過程中，由于接觸器是帶載切換，因而容易造成接觸器觸點拉弧損壞。為了使電動機能夠轉動起來，并很快達到額定轉速正常工作，要求電動機具有足夠大的起動轉矩且起動電流不能太大。因此，總是希望在起動電流比較小的情況下，能獲得較大的起動轉矩。隨著電力電子技術的發(fā)展，電力半導體開關使無電弧開關和連續(xù)調(diào)節(jié)電流成為可能，以上所提及的直接起動的缺點都可以得到解決。本文即研究這種基于電力電子器件和電力電子技術的起動方法，通常稱之為軟起動。2 電力電子軟起動方法傳統(tǒng)的降壓起動方法能在一定程度上解決鼠籠式異步電動機的起動電流較大的問題，但是由于傳統(tǒng)的起動設備都是有切換觸點的，控制不連續(xù)，這樣就難免在起動過程中給電動機造成沖擊，且傳統(tǒng)的方法起動電流仍較大。所以傳統(tǒng)的起動方法僅適用于中小型電機的起動控制，而對大功率的電動機來說，并不是理想的方案。近三十多年來，隨著電力電子技術的發(fā)展，電力半導體開關使無電弧開關和電流連續(xù)的調(diào)節(jié)成為可能。電力半導體器件的開關具有無磨損、壽命長、功耗小的特點。加之微機控制技術與電力電子技術的緊密結合，為電動機的起動節(jié)能提供了全新的思路，這樣，就出現(xiàn)了采用電力半導體器件用于電動機起動控制的新型起動方式。目前有兩種電動機起動新方式：變頻器和軟起動器。變頻器是目前應用較為廣泛的節(jié)能型電氣傳動設備，通過改變電機電源的頻率和電壓，可實現(xiàn)多種功能。具有電動機軟起動功能和電機調(diào)速功能，在電機起動上是理想的設備。如在西方、日本等國家，就廣泛采用變頻器于起動控制。這種變頻起動方式的優(yōu)點是性能可靠，可同時用于電動機調(diào)速控制，不足之處是目前變頻器的造價仍較高、維護保養(yǎng)較困難，而且在不需要調(diào)速控制的場合，不能充分發(fā)揮其變頻調(diào)速功能，因此不適合在我國大量推廣應用。八十年代初一些歐美國家則成功研制了以微處理器控制大功率晶閘管組件的軟起（制）動產(chǎn)品（也稱Soft Starter），它不僅解決了傳統(tǒng)降壓起動方法存在的問題，也克服了變頻調(diào)速帶起動方法存在的不足，現(xiàn)已大量投放市場。軟起動器是一種集電機軟起動、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護功能于一體的新穎電機控制裝置。[3]這種軟起動器（調(diào)壓式）主回路采用晶閘管三相交流調(diào)壓電路（在功率較小時可采用三只雙向晶閘管，而功率較大時用三對反并聯(lián)的晶閘管即可），其等效電路如圖1所示。利用晶閘管進行調(diào)壓，其輸出電壓大小由晶閘管的導通角決定，而晶閘管的導通角又與其控制角有關[4]?？刂平窃叫。敵鲈酱?。因此，只需在電動機起動過程中通過控制晶閘管控制角的大小，可使電動機的定子端電壓和起動電流根據(jù)工作要求設定的規(guī)律進行變化。這樣，電動機的起動方式和起動電流均可任意調(diào)整和設置，使之處于最佳的起動過程。軟起動器其實質是降壓起動，與傳統(tǒng)降壓起動不同之處在于無機械觸點，起動電壓和起動電流任意可調(diào)。圖1晶閘管三相交流調(diào)壓電路 3Phase AC adjusting voltage circuit of SCR這種軟起動控制器具有以下特點和優(yōu)越性：（1）提高公用電網(wǎng)質量。軟起動裝置成功地解決了傳統(tǒng)起動設備在起動過程中產(chǎn)生的尖峰電流沖擊、電壓瞬間降落等問題，勢必明顯改善電網(wǎng)質量，達到有效節(jié)省電能的目的。（2）控制無觸點。由于軟起動裝置使電機能按預先設定的起動方式和參數(shù)進行平滑加速起動，既能滿足不同用戶的起動需要，又能大大降低機械振動沖擊，可延長電機及傳動系統(tǒng)的使用壽命。（3）系統(tǒng)的通用型強、靈活性大以及功能便于擴展和修改。如增設RS232接口，可與其它單片機或PC機通訊，實現(xiàn)遠程控制和多臺電機集中控制。除用于起動外，還可實現(xiàn)軟停車控制。 （4）由于采用單片機控制，可在起動前對主回路進行故障診斷，且數(shù)字化的控制具有較穩(wěn)定的靜態(tài)特性，不易受溫度、電源電壓及時間變化等因素的影響，因此提高了系統(tǒng)的可靠性，有助于系統(tǒng)維護。表1詳細列舉了軟起動方式與傳統(tǒng)方式的優(yōu)劣比較[5]，可見軟起動方式是比傳統(tǒng)方式更優(yōu)的起動方式。表1各種起動方式基本性能對比表 The basic properties of a variety of startup mode parison table起動方式電氣性能全壓起動星角起動電阻調(diào)節(jié)自耦變壓器軟起動堵轉轉矩~~~~~起動電流4~8~~6~4~6需要的接線端子數(shù)3個最小6個3個3個3個 3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀電力電子軟起動的出現(xiàn)是隨著晶閘管的出現(xiàn)而發(fā)展起來的，最早采用晶閘管三相交流調(diào)壓電路對電動機的軟起動應用是在1970年由英國人發(fā)明的，由于采用這種方法可以獲得很好的起動性能，所以曾引起人們廣泛的注意。近二十多年來，國外對晶閘管三相交流調(diào)壓電路進行了廣泛的研究，在工業(yè)應用領域得到應用，在某些領域應用顯示出獨特的技術優(yōu)勢。90年代以后，國外一些著名廠商推出了軟起動系列產(chǎn)品，技術已趨于成熟。如美國的AB公司生產(chǎn)的315～2000KW的交流調(diào)壓式電力電子軟起動器，英國的CT公司，法國的TE公司，德國AEG公司及歐洲ABB公司等均推出了軟起動產(chǎn)品；德國的西門子公司推出一系列產(chǎn)品：SIRIUS 3RW30/31適用于55KW以下電機，SIKOSTART 3RW22適用于710KW以下電機，SIKOSTART 2RW34適用于1050KW以下電機。從軟起動出現(xiàn)在世界（1970年），就伴隨著研究軟起動器能否實現(xiàn)節(jié)約能源的問題。英國人曾在八十年代初就對不同控制原理的軟起動產(chǎn)品做過對比試驗，并得出在40％～50％的額定負載下，軟起動器有明顯的節(jié)能效果的結論，從而使得這種控制器在輕載情況下大大被采用。目前，國外對晶閘管三相交流調(diào)壓電路的研究已從對控制電壓控制電機電流的開環(huán)、閉環(huán)方式，發(fā)展到通過建立比較準確實用的數(shù)學模型，找到適于三相交流調(diào)壓電路電機負載的控制方法，從而使三相交流調(diào)壓電路電機負載性能更優(yōu)。如將原變頻調(diào)速中的矢量控制和磁場定向控制引入，創(chuàng)立軟起動技術的轉矩控制。國內(nèi)在軟起動器方面也有研究。我國軟起動技術起步于80年代初期，以后也推出了各種品牌的軟起動器，但在技術上和可靠性上與國外同類產(chǎn)品尚有一定的差距。已推出JKR、NJRSTR、JKB型軟起動器和JQ、JQZ型固態(tài)節(jié)能軟起動器等產(chǎn)品。JQ型用于輕負載起動，JQZ型用于重負載起動，最大控制功率達800KW，并已在上海、廣東、新疆、湖南等省市一些工程中應用10年[6]。有一些大專院校對于軟起動器技術也有一定研究，如浙江大學對此技術的節(jié)能控制策略的研究已進入實用化階段。近年來，隨著技術的相互滲透發(fā)展，國內(nèi)外軟起動器產(chǎn)品在控制原理技術及主要回路設計上已經(jīng)都日趨成熟了，差距也在不斷拉近。今后，軟起動器將著力于向以下幾個方向發(fā)展[7]：(1)采用集成移相調(diào)控晶閘管模塊，將復雜的移相控制電路與晶閘管管芯集成為一體，組成一個完整的電力移相調(diào)控開環(huán)系統(tǒng)。用它組成軟起動器，不但使體積大大縮小，而且增加了設備的可靠性和抗干擾能力。(2)提高起動轉矩的方法——離散頻率控制法?，F(xiàn)有大多數(shù)軟起動器僅適用于起動轉矩小于額定轉矩50%的拖動系統(tǒng)。將離散頻率控制法用于軟起動過程中，不需要對軟起動器硬件電路做什么改動，即可像變頻器一樣實現(xiàn)變頻起動，使電動機低速起動時，起動電流小，起動轉矩大，可以在滿負荷的情況下實現(xiàn)軟起動。(3)軟起動器將向中壓電動機軟起動方向發(fā)展。采用多個晶閘管串聯(lián)成一個晶閘管串，再將兩個晶閘管串反并聯(lián)后串接于電源與被控電機之間，配上相應的分壓電路，使每個晶閘管在動態(tài)和穩(wěn)態(tài)過程中所承受的電壓在其耐壓水平之內(nèi)，即可實現(xiàn)中壓大型感應電動機的軟起動。(4)軟起動器將向智能化方向發(fā)展。所謂智能化應包括“判斷、推論、理解、識別、規(guī)劃、學習”，即軟起動器應對以往的起動過程進行判斷和評價，根據(jù)評價結果自動修改起動曲線，實現(xiàn)自學習。為此，軟起動器必須能對電網(wǎng)、電動機、負載作至少是離線的辨識，能通過經(jīng)驗的積累，辨識它們的數(shù)學模型，包括電網(wǎng)、電動機的基本參數(shù)。1 軟起動器的工作原理 異步電動機的數(shù)學模型為了研究異步電機的起動和停機時的電壓、電流、轉矩等變量的關系，就要研究電機的數(shù)學模型，異步電動機的數(shù)學模型基本有兩種:基于狀態(tài)方程的數(shù)學模型和基于集中參數(shù)等效電路的數(shù)學模型。對于變頻調(diào)速而言，多采用前者，對軟起動而言，一般采用后者。基于等效電路的數(shù)學模型如下圖11所示: 圖11 異步電動機的簡化等效電路 The equivalent circuit of asynchronous motor圖21中各符號意義: 為無窮大電網(wǎng)相電壓有效值，、分別為勵磁電流和勵磁電抗，、分別是定子的電阻和漏抗，、分別為電動機轉子電阻和漏抗的折算值，為轉差率。由電機學知道，三相異步電動機機械特性方程表達式為: （11）剛起動時，轉子轉速為，轉差率，此時的機械特性方程式為: （12）因為要比小得多，因此起動時: (13) (14) 且電機定轉子漏抗在電機起動時，由于定轉子電流比額定電流大的多，使得漏磁路中的鐵磁部分發(fā)生飽和，引起漏磁磁阻變大，因而和變小，則變得更小，電流更大。由式(12)和(14)得，起動電流正比于定子端電壓，起動轉矩正比于定子端電壓的平方。起動電壓較低時，起動轉矩較小，電流也較小，如果電壓較高，則起動轉矩較大，同時沖擊電流也很大。 晶閘管的調(diào)壓原理 晶閘管的工作條件晶閘管的工作原理通常是用串級的雙晶體管模型來解釋的，晶閘管的工作條件：①晶閘管承受反向陽極電壓時，不管門極承受何種電壓，晶閘管都處于關斷狀態(tài)。②晶閘管承受正向陽極電壓時，僅在門極承受正向電壓的情況下晶閘管才導通，即晶閘管具有正向阻斷能力。③晶閘管在導通情況下，只要有一定的正向陽極電壓，不論門極電壓如何，晶閘管保持導通，即晶閘管導通后，門極失去作用。④晶閘管在導通情況下，當主回路電壓電流小到接近于零時，晶閘管關斷。晶閘管工作過程中，它的陽極A 和陰極K電源和負載連接，組成晶閘管的主電路，晶閘管的門極G和陰極 K控制晶閘管的裝置連接，組成晶閘管的控制電路。 晶閘管調(diào)壓方式在交流供電電源和電機之間接入晶閘管，能通過改變晶閘管的導通角來達到改變電機定子輸入端電壓的目的。采用晶閘管電路調(diào)壓有兩種方式【8】：一種是相控調(diào)壓，即利用加到晶閘管的門極脈沖相位的改變來調(diào)整輸出電壓；一種是斬波調(diào)壓，即相當于把雙向晶閘管當作靜止接觸器，改變接通的周期數(shù)和切斷的周期數(shù)來改變輸出電壓的有效值。當斬波調(diào)壓用在異步電機定子上時，通斷交替的頻率不能太低，否則一方面會引起電機轉速的波動另一方面每次接通電機就相當于一次異步電機重新合閘過程。當電源切斷時，電機氣隙中的磁場將由轉子中的瞬態(tài)電流來維持，且隨著轉子而旋轉，氣隙磁場在定子繞組中感應的電動勢頻率將有所變化，當斷流時間間隔較長時，這個旋轉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有可能會有較大的差別，這樣就會引起較大的電流沖擊，將會危及晶閘管的安全。而為了實現(xiàn)軟起動的功能，達到加載在電機定子輸入端的電壓緩慢的上升的目