【文章內(nèi)容簡介】 is set up and simulated by Matlab/Simulink, the feasibility of the controller is proved by the simulation results. At last, system debugging is illuminated and experimental results are presented. The experiments show that the intelligent controller of solid soft starter can availably control shock current of starting, and the current is lower than 3 times rating current. The operation of the controller is simple and easy, it has high degree i n intelligence, and reaches the requests of the soft start of asynchronous motor. Key Words: Variable Reactance AC asynchronous motor Soft Starter Single Neuron Algorithm and PID Control 武 漢 理 工 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計 （ 論 文 ） 1 緒論 軟起動器設(shè)計的目的和意義 三相異步電動機廣泛用于工礦企業(yè)、交通運輸和國防工業(yè)等國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域的機械設(shè)備中，使用量大 、范圍廣，其用電量占全國發(fā)電總量的 60%以上。應(yīng)用交流異步電動機的行業(yè)十分廣泛，如冶金、鋼鐵、石油、化工、水廠、電廠、機械加工等，幾乎遍及所有的行業(yè)。而電機的直接起動會產(chǎn)生很大的起動電流，一般為額定電流的 5～ 7 倍 ，這樣大的電流會在電機的定子線圈和轉(zhuǎn)子的鼠籠條上產(chǎn)生很大的沖擊力，會破壞繞組的絕緣和造成鼠籠條的斷裂，引起電機的故障，大電流還會產(chǎn)生大量的焦耳熱，損傷繞組的絕緣， 縮短 電機的 使用 壽命 ； 同時電機直接起動時的起動轉(zhuǎn)矩約為額定轉(zhuǎn)矩的 2 倍，對齒輪傳動設(shè)備來說，很大的沖擊力會使齒輪磨損加快甚至破碎，而對于皮帶傳 動設(shè)備來說，加大了皮帶磨損甚至拉斷皮帶 [1]。 對異步電動機起動電流的限制，一般通過降低定子輸入電壓的方式來實現(xiàn)，過去人們采取的降壓措施有定子串電抗降壓、自 耦 變壓器降壓、 Y△降壓、延邊三角形降壓等方法，對于繞線式異步電動機，還可以采取在轉(zhuǎn)子回路串接頻敏電阻、水電阻的方法。這些方法雖然可以限制電動機的起動電流，但它們對于電機的定子電壓的調(diào)節(jié)是非連續(xù)的，導(dǎo)致電機在起動過程中存在一定的沖擊電流。 從相關(guān)資料可以看出，通過降壓來降低電機起動電流的應(yīng)用由來已久。 1967年，英國首先提出電動機的軟起動問題，并率先用半 導(dǎo)體分離元件制造了第一臺電動機軟起動器。從 20 世紀(jì) 80 年代開始推廣利用晶閘管交流調(diào)壓技術(shù)制作的軟起動器。由于從 1973 年開始世界性的能源危機，世界各國開始注重節(jié)能問題，而電動機消耗的電能占發(fā)電量的很大部分，因此 ， 電動機的能源問題被視為節(jié)能工作的主要課題之一 ， 除通過優(yōu)化設(shè)計來提高電動機本身的效率和其它的運行性能，同時還致力于探索如何使現(xiàn)有 的電動機節(jié)能運行。 1975 年 NASA(美國航天航空管理局 )在 研究太陽能加熱和冷卻 系統(tǒng)時，為了降低驅(qū)動水泵和風(fēng)機所用的電動機功率損耗， NASA 的工程師 Frank Nola 發(fā)明了 一種功率因數(shù)控制器，它能起到控制和改進(jìn)功率因數(shù)的作用，更重要的是它還能降低損耗，使原有的電動機效率提高，1977 年申請了美國專利，還向其它國家申請了專利。進(jìn)而研究人員將功率因數(shù)控制技術(shù)結(jié)合到軟起動技術(shù)中，制造出最初的節(jié)能軟起動器。自此，國外的眾多學(xué)者、專家對電子式電機調(diào)壓裝置進(jìn)行了大量的研究。 90 年代初期，隨著電力電子器件和電力電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了以 SCR、 MOSFET、 GTO、 GTR、 IGBT 等作為功率器件且電壓連續(xù)可調(diào)的電子式的調(diào)壓方式。常用的交流電機控制設(shè)備有通用變頻器、電機軟起動器，其中通用變頻器 功能最為完善，若僅僅為了起動電機武 漢 理 工 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計 （ 論 文 ） 2 而使用變頻器，其性價比太低，致使用戶無法接受。而電機軟起動器是專門為電機的起動而設(shè)計的控制設(shè)備，其主電路一般都采用廉價的晶閘管作為功率器件，整套設(shè)備造價低，并具有許多輔助的功能，因此近年來受到關(guān)注。國外的一些大公司如 ROCKWELL、 GE、 ABB、 SIMENS 等公司都開發(fā)出相應(yīng)的產(chǎn)品，如 GE公司生產(chǎn)的軟起動器最大功率 850kw，額定電壓 500V，額定電流 1180A，最大電流 5900A； ABB 公司最大功率 1200kw，額定電壓 690V，額定電流 1600A； 德國SIEMINS 公司 生產(chǎn)的 3RW22 系列軟起動器，額定電壓 6900V，額定電流 1200A；法國 Schneider Electric 公司生產(chǎn)的 Altistart 軟起動器，最大功率達(dá)到 800kw； 美國 AB 公司生產(chǎn)的 SMC 系列軟起動器，最大功率達(dá) 1200kw； 美國的 BS 公司還生產(chǎn)中壓 6～ 的軟起動器，最大功率可達(dá) l0mw，采用晶閘管串聯(lián)技術(shù)。 迄今為止，國內(nèi)外對晶閘管控制的軟起動器進(jìn)行了大量研究，而且開發(fā)了相關(guān)的產(chǎn)品。隨著研究的不斷深入，其重點由最初的分析其結(jié)構(gòu)原理、建立數(shù)學(xué)模型逐漸發(fā)展到為獲得更好的起動特性以及輕載時節(jié) 能控制策略的研究，其控制方法也由開始的 PID 控制過渡到更為適合于非線性系統(tǒng)的模糊控制。根據(jù)不同的控制目標(biāo)，相應(yīng)的控制變量也不同，在諸多方法中，主要應(yīng)用的控制變量有定子電流、定子電壓、功率因數(shù)、輸入功率等。在最近的文獻(xiàn)中，關(guān)注的熱點是如何減小電磁轉(zhuǎn)矩的脈動和提高起動轉(zhuǎn)矩的問題，但是所采用的控制策略因為晶閘管的半控性都比較復(fù)雜 ； 另一個被廣泛關(guān)注的問題是電機的輕載節(jié)能問題，研究表明，在電機輕載運行時，通過降低定子上的電壓能夠減小電機的內(nèi)部損耗，如銅耗、鐵耗和雜散損耗等，從而實現(xiàn)節(jié)能。但是在眾多文獻(xiàn)中，對于軟起動的 諧波問題并沒有給予足夠的重視，由于在實現(xiàn)輕載節(jié)能的過程中，電流的斷續(xù)不可避免的產(chǎn)生諧波，而諧波的存在不僅影響電機的工作特性而且還增加了損耗，這勢必削弱節(jié)能的效果，特別在大型電機的起動控制中，諧波還會對電網(wǎng)造成很大的影響，由于晶閘管相控軟起動器本身的特點所限，電機在起動的過程中不可避免產(chǎn)生大量的諧波，因此如何消除諧波的問題、更好的實現(xiàn)節(jié)能意義重大。近年來出現(xiàn)了利用新的半導(dǎo)體器件來克服傳統(tǒng)軟起動器的缺點 。 軟起動器作為一個完整的控制系統(tǒng)，除了具有限制沖擊電流、改善電機起動特性和實現(xiàn)節(jié)能的功能外，還應(yīng)具有配套的監(jiān) 控和保護系統(tǒng)。國內(nèi)在這個領(lǐng)域還處于起步階段，且基本集中在低壓電機的軟起動器的研究上，特別是在中壓電機的軟起動器幾乎為空白，近兩年出現(xiàn)中壓磁控軟起動器由天津先導(dǎo)公司在 2022年 5 月研制成功，電壓等級為 6kV 和 10kV，現(xiàn)在做到最大容量為 7000kw，國內(nèi)中壓電機起動基本采用傳統(tǒng)的起動方法和水電阻起動。 電動機軟起動器由于受到晶閘管耐壓的限制一直解決不好，近幾年來市場上出現(xiàn)了國外少數(shù)廠家采用晶閘管串聯(lián)技術(shù)的中壓電動機的軟起動裝置。由于中壓武 漢 理 工 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計 （ 論 文 ） 3 異步電動機的應(yīng)用越來越多且向大型化的方向發(fā)展，其起動問題擺在我們的面前，近 年來也有其它的起動方法的出現(xiàn)，但都有一定的缺點而沒有被普遍的采用。 軟起動器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 國外研究現(xiàn)狀 國 外的一些學(xué)者及大公司都在致力于開發(fā)適合普通三相異步電機的專用軟起動控制器，很多學(xué)者在這方面做了大量工作。國外軟起動的產(chǎn)品主要是固態(tài)軟起動裝置，即晶閘管軟起動和兼做軟起動的變頻器。在生產(chǎn)工藝有調(diào)速需求時，采用變頻裝置，無調(diào)速要求的場合，輕載起動采用晶閘管軟起動，負(fù)載功率比較大或重載起動的場合采用變頻軟起動，晶閘管軟起動裝置是發(fā)達(dá)國家的主流產(chǎn)品。自 1970 年以來，國外對晶閘管三相交流調(diào)壓技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究 ，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，在某些領(lǐng)域應(yīng)用顯示出獨特的技術(shù)優(yōu)勢。如美國 AB 公司生產(chǎn)的315~2022kw 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，德國的 AEG 公司以及歐洲的 ABB 公司等均推出了軟起動器系列產(chǎn) 品 [2]。 國外軟起動技術(shù)高速發(fā)展的原因如下 [3]: 市場需求量大隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高和能源全球性短缺，變頻器和軟起動器越來越廣泛的應(yīng)用于機械、紡織、化工、造紙、冶金、食品等各行各業(yè)，以及水泵、風(fēng)機類節(jié)能場合，并取得了顯著經(jīng)濟效益。 功率器件的發(fā)展各種高電壓大電流的 SCR、 GTO、 IGBT、 IGCT 等器件的生產(chǎn)及功率器件并聯(lián)、串聯(lián)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，使高壓、大功率軟起動產(chǎn)品的生產(chǎn)及應(yīng)用成為現(xiàn)實。 控制理論和微電子技術(shù)的發(fā)展 ， 矢量控制、磁通控制、轉(zhuǎn)矩控制、模糊控制等新的控制理論為高性能的變頻器和軟起動器提供了理論基礎(chǔ)， 16 位、 32 位高速微處理器，信號處理器 DSP，專用集成電路 ASIC 的快速發(fā)展為實現(xiàn)軟起動器高精度多功能化提供了途徑。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國對晶閘管軟起動器的研究始于 90 年代，一些研究機構(gòu)對此技術(shù)有一定研究成果。國內(nèi)全數(shù)字晶閘管軟起動產(chǎn)品的生產(chǎn)廠家，其產(chǎn)品均是對國外產(chǎn)品一定程 度的仿制，而且多為低壓產(chǎn)品，自己研制生產(chǎn)的高壓軟起動裝置基本上處于起步階段。技術(shù)狀況如下 [2][4]： (1)軟起動器的整機技術(shù)落后； (2)軟起動產(chǎn)品所用半導(dǎo)體功率器件的制造業(yè)幾乎是空白，尤其是高電壓、大電流的電力電子器件諸如門級可關(guān)斷 (GTO)晶閘管、絕緣柵雙級晶體管 (IGBT )、門極換流晶閘管 (GCT)等尚未研制成功； 武 漢 理 工 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計 （ 論 文 ） 4 (3)相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)及行業(yè)落后； (4)可靠性及工業(yè)水平低。 軟起動技術(shù)是強弱電混合，機電一體化的綜合技術(shù)，既要處理巨大電能的轉(zhuǎn)換，又要處理信息的收集變換和傳輸。因此它的共性技術(shù)必定是 分成功率和控制兩大部分，前者要解決與高壓大電流有關(guān)的技術(shù)問題和新型電力電子器件的應(yīng)用技術(shù)問題，后者要解決 (基于現(xiàn)代控制理論的控制策略和基于智能控制策略問題 )硬軟件開發(fā)問題 。 主要研究內(nèi)容 本文結(jié)合國內(nèi)外最新研究成果，比較幾種常用的電機軟起動方法。討論了基于可變電抗技術(shù)的軟起動器的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)構(gòu)建。詳細(xì)描述了電機軟起動控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、電路設(shè)計， 并應(yīng)用單神經(jīng)元 PID 控制算法進(jìn)行了控制算法設(shè)計 ，最后對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和調(diào)試，并對試驗結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。 論文研究的主要內(nèi)容： (1)可變電抗式軟起動控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計； (2)軟起動控制器硬件設(shè)計； (3)軟起動 軟件和 控制算法設(shè)計； (4)軟起動控制的仿真和試驗。 武 漢 理 工 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計 （ 論 文 ） 5 1 軟起動器 方案 設(shè)計 軟起動原理 電動機起動時，降低加到電動機定子繞組的電壓，可以減小電動機的起動電流。一般降壓起動是電動機在起動過程中，加在電動機定子繞組的電壓的變化是瞬間突變的，主要有降壓起動和自耦變壓器降壓起動等。而軟起動是使用調(diào)壓裝置在規(guī)定的起動時間內(nèi)，自動地將起動電壓連續(xù)平滑地上升，達(dá)到額定電壓，也就是本文介紹的軟起動器所要完成的功能 [4]。 異步電動機的機械特性可用 n=f(M)來表示，其 特性曲線如圖 11 所示。 0 . 5 U e0 . 8 U eU eSm0 Mn0n0 . 2 5 Mm0 . 6 4 MmMm 圖 11 異步電動機的機械特性 圖 11 中 n 表示電動機轉(zhuǎn)速； n0 表示電動機空載轉(zhuǎn)速； M 表示電動機轉(zhuǎn)矩 ；Ue 表示電動機額定電壓； Mm 表示電動機最大轉(zhuǎn)矩； Sm 表示電動機在最大轉(zhuǎn)矩時的轉(zhuǎn)差率。 從圖 11 可以看出若采用一般降壓起動，假若起動電壓 U=，則電動機起動時的轉(zhuǎn)矩為 ，即起動時的轉(zhuǎn)矩只有電動機最大轉(zhuǎn)矩的 1/4，如果在此時將電壓 U 加大到電動機額定電壓 Ue，則電動機的轉(zhuǎn)矩一下子就從 1/4 跳到 Um，這樣 的起動過程是跳躍的、不平滑的，所以又叫作硬起動，對生產(chǎn)工藝要求穩(wěn)定起動的場合就不宜采用。 而軟起動從初始電壓開始電壓連續(xù)平穩(wěn)的增大，從圖中的 的那根曲線連續(xù)平滑的不斷向右平行移動，一直平穩(wěn)到與額定電壓 Ue 那根曲線重合時為止，那么電動機的轉(zhuǎn)矩就會平滑地增大，一直到轉(zhuǎn)矩為最大值 Mm 時為止，起動過程也就結(jié)束，這樣在起動過程中電動機的轉(zhuǎn)矩是平滑的而不是跳躍的，起動過程是平穩(wěn)的，所以被稱為軟起動。 武 漢 理 工 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計 （ 論 文 ） 6 軟起動方法 低壓電機軟起動裝置現(xiàn)在已有很多應(yīng)用 ， 它通過調(diào)節(jié)反并聯(lián)可控硅導(dǎo)通角的辦法來調(diào)節(jié)電動機的端電 壓 ， 使電動機端電壓逐漸上升 ， 達(dá)到軟起動的作用 ， 它限制了電動機的起動電流 (一般 3 倍額定電流以下 )， 減小了對電網(wǎng)的沖擊 ， 提高了供電質(zhì)量 ， 提高了電機及機械設(shè)備的壽命 ， 減少了停工臺時 ， 提高了生產(chǎn)效率。 高壓電機的軟起動裝置由于