【文章內容簡介】 式（鼠籠式異步電機）、繞線式異步電動機。異步電動機是各類電動機中應用最廣、需要量 最大的一種。各國的以電為動力的機械中，約有 90％左右為異步電動機，其中小型異步電 動機約占 70％以上。在電力系統(tǒng)的總負荷中，異步電動機的用電量占相當大的比重。在中 國，異步電動機的用電量約占總負荷的 60％多。 電動機的起動是交流電機最基本、最重要的一個問題 ,它同電機的調速同等重要。從三 相異步電動機固有機械特性的分析可知 ,如果在額定電壓下直接起動三相異步電動機 ,由于 最初起動瞬間主磁通 m 約減少到額定值的一半 ,功率因數(shù) 當大 ,其起動電流約為額定電流的 4~7 倍 ,而起動力矩并不大。 又很低 ,造成了起動電流相 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上解決問題。而且這些起動設備還有一些固有的缺 點，如對負載適應能力差、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，電磁轉矩 大于負載的反轉矩，電動機加速運轉。在相同的轉動慣量下轉矩的差額越大，機組加速越快。 轉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)能設備，在歐美國家已得到大量的應用。 它利用晶閘管交流調壓技術實現(xiàn)降壓起動，以后又融入了功率因素控制技術，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 矩與定子電壓的平方成正比，當定子電壓降低時，電磁轉矩就會降低很 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 磁轉矩很小。電磁轉矩小的特點限制了電子軟起動器的應用范圍。 1 華中科技大學文華學院畢業(yè)論文 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)。 傳統(tǒng)軟起動器原理概述 傳統(tǒng)軟起動的實質是降壓起動 ,與 “YΔ ”起動和自藕降壓起動的工作原理是一樣的 , 不同之處在于電壓并非突變而是利用無觸點電子開關控制其電壓平穩(wěn)上升 ,設備力矩以電壓 上升速度的平方上升 (電動機轉矩近似與定子電壓的平方成正比 )。它的主要構成是串接于電 源與被控電機之間的三相反并聯(lián)晶閘管及其電子控制電路。 用單片機控制觸發(fā)角的大小 ,改變電動機起動電壓的大小。運用不同的方法 ,控制三相反 并聯(lián)晶閘管的導通角 ,使被控電機的輸入電壓按不同的要求而變化 ,從而實現(xiàn)不同的功 能。當 起動完成后 ,由程序控制將接觸器閉合 ,短接所有晶閘管 ,使電機直接投網(wǎng)運行 ,以避免在元 件上的持續(xù)損耗 ,同時也避免了相控元件引起的電流波形畸變及功率因數(shù)低等問題。 “軟起 動 ”實質上就是按照預先設定的控制模式進行的降壓起動過程。傳統(tǒng)的軟起動控制有限流起 動，斜坡電壓起動，轉矩控制起動，轉矩加突跳起動等等。 傳統(tǒng)的軟起動器和變頻器是兩種完全不同用途的產(chǎn)品。變頻器是用于需要調速的地方， 其輸出不但改變電壓而且同時改變頻率 。軟起動器實際上是個調壓器，用于電機起動時，輸 出只改變電壓并沒有改變頻率。變頻器具備所 有軟起動器功能，但它的價格比軟起動器貴得 多，結構也復雜得多。 分級變頻高轉矩軟起動器原理概述 分級變頻就是使軟起動器能像變頻器一樣實現(xiàn)變頻，在電機起動過程中，使電壓頻率從 一個比較小初值分級逐步增大至 50Hz，從而提高低電壓時的轉矩。但是分級變頻并不能使 軟起動器的輸出電壓頻率連續(xù)地變化，它只能產(chǎn)生工頻的幾分頻 (即工頻的幾分之一 )，使頻 率分步離散地增加 :~10Hz~ ~~25Hz~50Hz。進行最后一次頻率切 換 (25Hz~50Hz)時，電機的轉速約為額定轉速的一半，起動過程并沒有結束，所以切換到 50Hz 后，仍采用傳統(tǒng)的軟起動方法繼續(xù)起動，即改變觸發(fā)角，逐漸增大定子繞組的端電壓。雖然 分級變頻的后半部分是和傳統(tǒng)的軟起動方法一樣的，但是它改善了軟起動器控制低速運行的 電機的能力，使電機在低速運行時，電流較小，轉矩較大，所以采用分級變頻的軟起動控制 器可以使帶額定負載起動的電機實現(xiàn)軟起動。 2 本文的主要內容 華中科技大學文華學院畢業(yè)論文 本文研究多級降頻的變頻高轉矩軟起動器，使得起動轉矩提 高進行了仿真研究。本文第 二章詳細介紹了傳統(tǒng)軟起動器的起動原理及運行方式等 。第三章對分級變頻理論進行深入的 分析 。第四章是利用 MATLAB 對分級變頻起動過程進行建模及仿真，驗證理論的可行性 。結論 部分總結了本文主要完成的工作和取得的研究成果，并對軟起動器的進一步研究進行了展 望。 3 華中科技大學文華學院畢業(yè)論文 2 異步電機軟起動器基本原理分析 異步電機的起動性能分 析 鼠籠式異步電機雖然有構造簡單、價格低廉、維護方便、效率與功率因素等指標較高等 優(yōu)點，但也存在起動特性較差的缺點。 感應電動機的起動性能包括下列幾項： (1)起動電流倍數(shù) Ist/ IN； (2)起動轉矩倍數(shù) Tst/ IN； (3)起動時間； (4)起動時繞組中消耗的能量和繞組的發(fā)熱； (5)起動設備的簡單性和可靠性； (6)起動時的過渡過程。 最重要的是起動電流和起動轉矩的大小。為了使電機能夠轉動起來，并很快達到額定轉 速正常工作，要求電動機且有足夠大的起動轉矩且起動電流不能太大，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)上的其他電機和電氣設備的正常運行。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。電動機如不采取任何措施而直接投入電網(wǎng)起 動時，往往不能滿足上述要求，因為它的起動電流過大，約為額定電流的 47 倍。 圖 21 異步電機等效電路圖 起動電流很大的原因，從物理現(xiàn)象看，起動時 n=0， s=l，旋轉磁場以同步轉速切割轉子， 在短路的轉子繞組中感應很大的電動勢和電流，引起與它平衡的定子電流的負載分量也跟著 急劇增加，以致定子電流很大 。從等效電路來看，正常運行時，轉差率 s 很小 (~)，所 以凡 RS/ s 很大，從而限制了定、轉子電流，但起動時 s=1， RS/ s 很小，隨之整個電動機 的等效阻抗很小，所以起動電流很大。對于起動電流很大，但起動轉矩卻不大，因為電磁轉 矩 Tem??CT?mI2cos?2；起動時， s=1，轉子頻率 (轉子繞組感應電動勢的頻率 ) f2?? f1， 4 華中科技大學文華學院畢業(yè)論文 轉子漏電抗 X2????2?f2L2??。遠大于轉子電阻 R2，使轉子功率因數(shù)角 ????arctan( / ) X2?R2 接近 900， cos?2很小，所以盡管 I2很大，但其有功分量 I2cos?2卻不大；其次，由于 起 動 電 流 很 大 ， 定 子 繞 組 的 漏 阻 抗 壓 降 增 大 ， 使 感 應 電 動 勢 E1減 小 ， 主 磁 通 中 ?? ???E1 m f N K : 隨 之 減 小 。 ?m變 小 ， I2 c o s2不 大 ， 所 以 起 動 轉 矩 1 T N1 Tem??CT?mI2cos????2 并不大。 利用感應電動機的較準確 ??形等效電路 (圖 21)，可以分析出起動轉矩 Tst： (忽略勵磁 支路 ) 2 39。 Tst ?? ???2 f ??????????m pU R 1 1 2 39。 ?2????R X 1????????X39。 1 2???2???? (21) 1R1 1 2 式表明 :(1)電源頻率和電機參數(shù)不變時，起動轉矩和電源電壓平方成正比。 (2)當電源的頻率和電壓一定時，漏電抗 ( X1?? ???1X2??)越小， 則起動轉矩越大。 (3)對于繞線轉子感應電動機，在轉子回路內串入適當附加電阻 RST，可提高起動轉矩，當 39。 轉子回路總電阻的折算值 (39。39。 R2??Rst)等于電機的總漏抗 ( X1?? ??X2?? )時，起動轉矩達到最大 值，等于最大電磁轉矩。 (4) X1??和 X239。??隨電源頻率的降低而減小，所以起動轉矩隨電源頻的降低而增大。 異步電機的幾種起動方法 異步電機的直接起動法與降壓起動法 (1)直接起動 直接起動是最簡單的起動方式 ,起動時通過閘刀或接觸器將電動機直 接接到電網(wǎng)上。直 接起動的優(yōu)點是起動設備簡單 ,起動速度快。但是 ,直接起動危害很大 ,主要表現(xiàn)在 : ① 電網(wǎng)沖擊 :過大的起動電流 (空載起動電流可達額定電流的 4~7 倍 ,帶載起動時可達 8~10 倍或更大 ),會造成電網(wǎng)電壓下降 ,影響其它用電設備的正常運行 ,還可能使欠壓保護動 作 ,造成設備的有害跳閘。同時過大的起動電流會使電機繞組發(fā)熱 ,從而加速絕緣老化 ,影響 電機壽命。 ② 機械沖擊 :過大的沖擊轉矩往往造成電動機轉子籠條、端環(huán)斷裂和定子端部繞組絕緣 5 華中科技大學文華學院畢業(yè)論文 磨損 ,導致?lián)?穿燒機 ,轉軸扭曲 ,聯(lián)軸節(jié)、傳動齒輪損傷和皮帶撕裂等。 ③ 對生產(chǎn)機械造成沖擊 :起動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 ,影響傳動精度 ,甚至影響正常的過程控制。 所有這些均給設備的安全可靠運行帶來威脅 ,同時也使起動能量損耗 ,尤其當頻繁起停 時更是如此。因此對電動機直接起動有以下限制條件 :① 生產(chǎn)機械是否允許拖動電動機直接 起動 ,這是先決條件 。② 電動機的容量應不大于供電變壓器容量的 10~15%。③ 起動過程中的 電壓降 △ U 應不大于額定電壓的 15%。對于中、大功率的電動機一般都不允許 直接起動 ,而要 求采用一定的起動設備 ,方可完成正常的起動操作。 (2)降壓起動 降壓起動的目的是減小起動電流 ,但它同時也使起動轉矩下降了。關于重載起動 ,對帶有 大的峰值負載的生產(chǎn)機械 ,就不能用這種方式起動。傳統(tǒng)的降壓起動有以下幾種方法 : ① 星形 /三角形轉換器 :這種方法適用于正常運行時定子繞組采用 △ 接法的電動機。定子 有 6 個接頭引出 ,接到轉換開關上 ,起動時采用星形接法 ,起動完畢后再切換成 △ 接法。起動 電壓為 220 V,運行電壓為 380 V。這種起動設備的優(yōu)點是起動設備簡單 ,起動過程中消耗能 量少 。缺點是有二次電流沖擊 ,設備故障率高 ,需要經(jīng)常維護 ,因此在頻繁起動的設備上不宜 使用。在轉換過程中 ,由于瞬變電勢和電動機剩磁產(chǎn)生的電勢往往與電源電壓有相位差 ,嚴重 時會產(chǎn)生電壓相加 ,引起過大的沖擊電流和電磁轉矩 ,因此大大地限制了它的使用。由于起動 電壓為運行電壓的 1/ ,故其起動轉矩為額定轉矩的 1/3,只能用在空載或輕載 (負載率小 于 1/3)起動的設備上。在電動機輕載或空載運行時 ,也可利用該起動設備做降壓運行 ,以提 高電動機的功率因數(shù)和效率。 ② 自耦變壓器降壓起動 :三相自耦變壓器（也稱補償器 )高壓邊 接電網(wǎng) ,低壓邊接電動機 ,