【正文】 high start torque, speed closed loop control etc., develops the technology of soft start, has wide application foreground. Key Words: induction machine。 high start torque 引言 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)論文 1 緒論 異步電動(dòng)機(jī) ,是由氣隙旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩 ,從而實(shí)現(xiàn) 機(jī)電能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能量的一種交流 電機(jī)。在電力系統(tǒng)的總負(fù)荷中，異步電動(dòng)機(jī)的用電量占相當(dāng)大的比重。 又很低 ,造成了起動(dòng)電流相 電動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)起動(dòng)裝置主要有 : “YΔ ”起動(dòng)器、自藕降壓起動(dòng)器、飽和電抗器。 異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程的長短也是需要考慮的問題。 過去的起動(dòng)裝置大多采用接觸器，屬于有觸點(diǎn)系統(tǒng)，容易磨損引發(fā)故障，起動(dòng)特性不 好。 電子軟起動(dòng)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(jī)平滑起動(dòng)， 減少交流異步電機(jī)的起動(dòng)電流，降低起動(dòng)時(shí)對電網(wǎng)的沖擊。另外，分 級變頻還可以使電子軟起動(dòng)器輸出負(fù)相序電壓，使電機(jī)處于電磁制 動(dòng)狀態(tài)。運(yùn)用不同的方法 ,控制三相反 并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通角 ,使被控電機(jī)的輸入電壓按不同的要求而變化 ,從而實(shí)現(xiàn)不同的功 能。 傳統(tǒng)的軟起動(dòng)器和變頻器是兩種完全不同用途的產(chǎn)品。 分級變頻高轉(zhuǎn)矩軟起動(dòng)器原理概述 分級變頻就是使軟起動(dòng)器能像變頻器一樣實(shí)現(xiàn)變頻，在電機(jī)起動(dòng)過程中，使電壓頻率從 一個(gè)比較小初值分級逐步增大至 50Hz，從而提高低電壓時(shí)的轉(zhuǎn)矩。 2 本文的主要內(nèi)容 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)論文 本文研究多級降頻的變頻高轉(zhuǎn)矩軟起動(dòng)器，使得起動(dòng)轉(zhuǎn)矩提 高進(jìn)行了仿真研究。結(jié)論 部分總結(jié)了本文主要完成的工作和取得的研究成果，并對軟起動(dòng)器的進(jìn)一步研究進(jìn)行了展 望。為了使電機(jī)能夠轉(zhuǎn)動(dòng)起來，并很快達(dá)到額定轉(zhuǎn) 速正常工作，要求電動(dòng)機(jī)且有足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩且起動(dòng)電流不能太大，以免電網(wǎng) 產(chǎn)生過大的 電壓降落而直接影響接在電網(wǎng)上的其他電機(jī)和電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。從等效電路來看，正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差率 s 很小 (~)，所 以凡 RS/ s 很大，從而限制了定、轉(zhuǎn)子電流，但起動(dòng)時(shí) s=1， RS/ s 很小，隨之整個(gè)電動(dòng)機(jī) 的等效阻抗很小，所以起動(dòng)電流很大。 利用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的較準(zhǔn)確 ??形等效電路 (圖 21)，可以分析出起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 Tst： (忽略勵(lì)磁 支路 ) 2 39。 (2)當(dāng)電源的頻率和電壓一定時(shí)，漏電抗 ( X1?? ???1X2??)越小， 則起動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大。 R2??Rst)等于電機(jī)的總漏抗 ( X1?? ??X2?? )時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大 值，等于最大電磁轉(zhuǎn)矩。直 接起動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)設(shè)備簡單 ,起動(dòng)速度快。 ③ 對生產(chǎn)機(jī)械造成沖擊 :起動(dòng)過程中的壓力突變往往造成泵系統(tǒng)管道、閥門的損傷 ,縮短 使用壽命 ,影響傳動(dòng)精度 ,甚至影響正常的過程控制。③ 起動(dòng)過程中的 電壓降 △ U 應(yīng)不大于額定電壓的 15%。傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)有以下幾種方法 : ① 星形 /三角形轉(zhuǎn)換器 :這種方法適用于正常運(yùn)行時(shí)定子繞組采用 △ 接法的電動(dòng)機(jī)。缺點(diǎn)是有二次電流沖擊 ,設(shè)備故障率高 ,需要經(jīng)常維護(hù) ,因此在頻繁起動(dòng)的設(shè)備上不宜 使用。 ② 自耦變壓器降壓起動(dòng) :三相自耦變壓器（也稱補(bǔ)償器 )高壓邊 接電網(wǎng) ,低壓邊接電動(dòng)機(jī) , 一般有幾個(gè)分接頭 ,可選擇不同的電壓比 ,相對于不同起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的負(fù)載 ,在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后再將 其切除。但其起控電壓在 200 V 左右 ,用戶不可調(diào)整 ,會(huì)有較大的電 流沖擊 ,且體積較大。但頻敏變阻器成本高 ,而水電阻損耗又大。而且這些起動(dòng)設(shè)備還有一些固有 的缺點(diǎn)，如對負(fù)載適應(yīng)能力差、起動(dòng)電流不連續(xù)、維修工作量大等等。在上述基礎(chǔ)上，把功率因數(shù) 控制技術(shù)結(jié)合進(jìn)去，以及采用微處理器代替模擬控制 電路，使早期的軟起動(dòng)器已發(fā)展成智能化軟起動(dòng)器。其缺點(diǎn)是 ,由于不限流 ,在電機(jī)起動(dòng)過程中 ,有時(shí)要產(chǎn)生較 大的沖擊電流使晶閘管損壞 ,對電網(wǎng)影響較大 ,實(shí)際很少應(yīng)用。電流上升速率大 ,則起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大 ,起動(dòng)時(shí)間短。通過調(diào) 節(jié)起動(dòng)電流設(shè)定值 ,可以達(dá)到快速起動(dòng)效果。 軟起動(dòng)器的應(yīng)用和國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 軟起動(dòng)器的使用場合非常廣泛，主要包括 :① 在正常情況下帶負(fù)載的風(fēng)機(jī)類電機(jī)一般轉(zhuǎn) 速較慢，因此采用軟起動(dòng)器還有利于節(jié)約能量 .② 帶負(fù)載的擠壓機(jī)起動(dòng)時(shí)必須克服全部的反 向力矩。原則上，籠型異步電動(dòng)機(jī)凡不需要調(diào)速的各種應(yīng)用場合都可適用。 我國自行開發(fā)的軟起動(dòng)產(chǎn)品大體只相當(dāng)于國際 80 年代水平。 8 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)論文 3 高轉(zhuǎn)矩軟起動(dòng)器的理論研究 分頻原理及方法 分頻原理 在定子電壓下降的同時(shí)將頻率下調(diào) ,將會(huì)減少電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的損失 ,就可以解決傳統(tǒng)軟起動(dòng) 器的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小的問題。 頻 率 分 級 提 升 ， 由 f/13→f/7→ f/4→f/3→f/2→f （ 50Hz） → 并網(wǎng)運(yùn)行。t2 π /3=0 (32) 將 ω 代入，可得 ω因?yàn)檎蚩僧a(chǎn)生較大的正轉(zhuǎn)矩，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。 3 分頻 ：用 50Hz 的連續(xù)三個(gè)周期波形分頻為 。 以上只是部分子頻率系統(tǒng)的電壓相位角，其余的 50/rHz 算法類似，不再羅列。通過控制晶閘 管的導(dǎo)通，使每兩個(gè)工頻電源周期導(dǎo)通一個(gè)正半波和一個(gè)負(fù)半波，則產(chǎn)生 25Hz 電源波形。 四種方法將 A 相電源轉(zhuǎn)換為 25Hz 后的相位分別是 :0o， 90o， 180o， 270o；四種方法將 B 相轉(zhuǎn) 換成 25Hz 后的相位分別為 :600， 1500 ， 2400， 3300。比較后發(fā)現(xiàn) A 相的相位為 0 0 ， B 相的 相位為 600， C 相的相位為 2100正轉(zhuǎn)矩最大。每 相取不同的相位，共有 216 種組合。 以下就是各個(gè)子頻率的波形： 13 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)論文 圖 34 Hz 三相電源系統(tǒng)的波形圖 圖 35 10 Hz 三相電源系統(tǒng)的波形圖 14 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)論文 圖 36 Hz 三相電源系統(tǒng)的波形圖 圖 37 Hz 三相電源系統(tǒng)的波形圖 15 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)論文 各級子頻率觸發(fā)角的計(jì)算 應(yīng)用變頻調(diào)速時(shí)，通常希望電機(jī)的主磁通 m 保持不變，因?yàn)? m 增大將引起磁路過分 飽和，激磁電流將大大增加 : m 減小，所能提供的輸出功率將隨之下降，電動(dòng)機(jī)的容量得 不到充分的利用 [6]。將 U1= 220V， f1= 50Hz 代入求得 常數(shù)為 U1 f ??Eg f ??220V 50Hz ???4. / 4V Hz (312) 1 1 利用上式求出的常數(shù)，可計(jì)算出分級變頻起動(dòng)時(shí)，各級頻率所對應(yīng)的定子相 電壓，考慮定子壓降補(bǔ)償后結(jié)果如下所示 : 表 35 各級頻率所對應(yīng)的定子相電壓 電壓 U1（ V） 110 75 60 50 35 頻率 f2(HZ) 25 10 依據(jù)表 的數(shù)據(jù)，要確定與之對應(yīng)的觸發(fā)角的大小。 1 類工作狀態(tài)時(shí)，每相都 有一只晶閘管導(dǎo)通，三相電壓、電流及所有的晶閘管都是對稱的，因此三相電源中心與三相 負(fù)載中心電位相等 [10]?？梢苑忠韵聨追N情況進(jìn)行討論 : U ??U ??U t a =0 時(shí)，電路工作于 1 類工作狀態(tài)， 1 ??sa a U m sin( ) U ?? Um2 2 ?? ?? m ??220V 輸出電壓有效值為 ?? ?? 0 sin ( ) ( ) 2 0 ??/3 時(shí)，電路工作于 1 類工作狀態(tài)與 2 類工作狀態(tài)交替工作狀態(tài)，電壓波 形可分成六段 : (a)當(dāng) 0≤?t 時(shí)， A 相截止， Usa= 0 (b)當(dāng) ≤?t ??/3 時(shí)，三相導(dǎo)通， U ??U ??U t sa a m sin( ) 1 3Um sin( (c)當(dāng) ??/3≤?t ??/3+ 時(shí)， A， B 兩相導(dǎo)通， Usa??2 Uab?? 2 ?t ????6 ) 17 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)論文 (d)當(dāng) ??/3+ ≤?t 2 ??/3 時(shí)，三相導(dǎo)通， U ??U ??U t sa (e)當(dāng) 2??/3≤?t 2??/3+ 時(shí)， A， C 兩相導(dǎo)通， a 1 m sin( ) 3Um sin( ?t ??Usa??(f)當(dāng) 2 ??/3+ ≤?t ??時(shí)，三相導(dǎo)通， U ??U ??U 2 Uac??t 2 ??6 ) 輸出電壓有效值的表達(dá)式為 : ??sa a m ????sin( ) 3 2 ??U a ?? 1 ?? U 2 2 ?? ???? ?? U 2 ?t ?? ??) ( ) ( ) ??[ 3 ?? m sin ( ) ( ) 2 3 ??3 2 m sin ( 6 2?? 2???? 3 ?? ?????? U 2 2 ??t ???? ?? U 2 ?t ?? ??t ???? U 2 2 ??t ??3 3 ???m sin ( ) ( ) 3 2??3 2 m sin ( 6 ) ( ) 2??3 ???? m sin ( ) ( )] (314) 計(jì)算后可得 :當(dāng) 0 ??/3 時(shí)，輸出電壓有效值的變化范圍是 220V 184V 3. 當(dāng) ??/3≤a≤??/2 時(shí)，電路全部按 2 類工作狀態(tài)，電壓波形可分成四段 : (a)當(dāng) 0≤wt≤a 時(shí)， A 相截止， Usa = 0 (b)當(dāng) a≤wt（ ??/3）＋ a 時(shí)， A、 B 兩相導(dǎo)通， Usa＝ Uab/2= 3 Umsin(wt+??/6)/2 (c)當(dāng) ??/3＋ a≤wt2??/3+a 時(shí)， A、 C 兩相導(dǎo)通， Usa＝ Uac/2= 3 Umsin(wt－ ??/6)/2 （ d） 2??/3＋ a≤wt??時(shí)， A 相截止， Usa＝ 0 輸出電壓有效值的表達(dá)式為 ?? ?? 2 2