【文章內(nèi)容簡介】 是因為 Ts 及 Tm 均與電網(wǎng)電壓的平方成正比，電網(wǎng)電壓的顯著下降，可使 Ts 及 Tm 均下降到低于 Tz。一般情況下，異步電動機(jī)的功率小于 7．5kW 時允許直接起動。如果功率大于7．5kW，而電源總?cè)萘枯^大，能符合下式要求的話，電動機(jī)也可允許直接起動。 ??134stNkvAIKw??????????電 源 總 容 量起 動 電 動 總 功 率 如果不能滿足上式的要求，則必須采用減壓啟動的方法，通過減壓，把啟動電流Ist 限制到允許的數(shù)值。M3~F U 1 F U 2F U 3K M圖 22 直接啟動原理圖 傳統(tǒng)減壓起動減壓起動是在起動時先降低定子繞組上的電壓，待起動后，再把電壓恢復(fù)到額定值。減壓起動雖然可以減小起動電流，但是同時起動轉(zhuǎn)矩也會減小。因此，減壓起動方法一般只適用于輕載或空載情況。傳統(tǒng)減壓起動的具體方法很多，這里介紹以下三種減壓起動的方法：(1)定子串接電阻或電抗起動定子繞組串電阻或電抗相當(dāng)于降低定子繞組的外加電壓。由三相異步電動機(jī)的等效電路可知：起動電流正比于定子繞組的電壓，因而定子繞組串電阻或電抗可以達(dá)到減小起動電流的目的。但考慮到起動轉(zhuǎn)矩與定子繞組電壓的平方成正比，起動轉(zhuǎn)矩會降低的更多。因此，這種起動方法僅僅適用于空載或輕載起動場合。 對于容量較小的異步電動機(jī)，一般采用定子繞組串電阻降壓；但對于容量較大的異步電動機(jī)，考慮到串接電阻會造成銅耗較大，故采用定子繞組串電抗降壓起動。 如圖 23 所示：當(dāng)起動電機(jī)時，合上開關(guān) Q，交流接觸器 KM 斷開，使電源經(jīng)電阻或電抗 R 流進(jìn)電機(jī)。當(dāng)電機(jī)起動完成時 KM 吸合，短接電阻或電抗 R。K MM3~F U 2F U 3F U 1RF RQU V W圖 23 定子串電阻或電抗起動原理圖(2)星三角形(丫△)起動星三角形起動法是電動機(jī)起動時，定子繞組為星形(丫)接法，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升至接近額定轉(zhuǎn)速時，將繞組切換為三角形(△ )接法，使電動機(jī)轉(zhuǎn)為正常運(yùn)行的一種起動方式。星三角形起動方法雖然簡單，但電動機(jī)定子繞組的六個出線端都要引出來，略顯麻煩。 圖 24 為星 三角形起動法的原理圖。接觸器 KM2 和 KM3 互鎖，即其中一個閉合時，必須保證另一個斷開。KM2 閉合時，定子繞組為星形(丫)接法，使電動機(jī)起動。切換至 KM3 閉合，定子繞組改為三角形(△) 接法，電動機(jī)轉(zhuǎn)為正常運(yùn)行。由控制電路中的時間繼電器 KT 確定星三角切換的時間。 定子繞組接成星形連接后，每相繞組的相電壓為三角形連接(全壓)時的 l/ ，故3星三角形起動時起動電流及起動轉(zhuǎn)矩均下降為直接起動的 1／3。由于起動轉(zhuǎn)矩小，該方法只適合于輕載起動的場合。K M 3K M 1M3~F U 2F U 3F U 1F RQU V WK M 2圖 24 星 三角形起動法的原理圖(3)自耦變壓器起動自耦變壓器起動法就是電動機(jī)起動時，電源通過自耦變壓器降壓后接到電動機(jī)上，待轉(zhuǎn)速上升至接近額定轉(zhuǎn)速時，將自耦變壓器從電源切除，而使電動機(jī)直接接到電網(wǎng)上轉(zhuǎn)化為正常運(yùn)行的一種起動方法。圖 25 所示為自耦變壓器起動的自動控制主回路。控制過程如下：合上空氣開關(guān)Q 接通三相電源。按啟動按鈕后 KM1 線圈通電吸合并自鎖，其主觸頭閉合，將自耦變壓器線圈接成星形，與此同時由于 KM1 輔助常開觸點(diǎn)閉合，使得接觸器 KM2 線圈通電吸合，KM2 的主觸頭閉合由自耦變壓器的低壓抽頭(例如 65％)將三相電壓的 65％接入電動。當(dāng)時間繼電器 KT 延時完畢閉合后，KM1 線圈斷電，使自耦變壓器線圈封星端打開；同時 KM2 線圈斷電，切斷自耦變壓器電源，使 KM3 線圈得電吸合，KM3 主觸頭接通電動機(jī)在全壓下運(yùn)行。自耦變壓器一般有 65％和 80％額定電壓的兩組抽頭。若自耦變壓器的變比為 k，與直接起動相比，采用自耦變壓器起動時，其一次側(cè)起動線電流和起動轉(zhuǎn)矩都降低到直接起動的 l／k 2。自耦變壓器起動法不受電動機(jī)繞組接線方式(丫接法或△接法)的限制，允許的起動電流和所需起動轉(zhuǎn)矩可通過改變抽頭進(jìn)行選擇，但設(shè)備費(fèi)用較高。圖 25 異步電動機(jī)的自耦變壓器起動法自耦變壓器起動適用于容量較大的低壓電動機(jī)作減壓起動用，應(yīng)用非常廣泛，有手動及自動控制線路。其優(yōu)點(diǎn)是電壓抽頭可供不同負(fù)載起動時選擇；缺點(diǎn)是質(zhì)量大、體積大、價格高、維護(hù)檢修費(fèi)用高。 軟啟動軟起動可分為有級和無級兩類，前者的調(diào)節(jié)是分檔的，后者的調(diào)節(jié)是連續(xù)的。在電動機(jī)定子回路中，通過串入限流作用的電力器件實現(xiàn)軟起動，叫做降壓或者限流軟起動。它是軟起動中的一個重要類別。按限流器件不同可分為：以電解液限流的液阻軟起動；以磁飽和電抗器為限流器件的磁控軟起動；以晶閘管為限流器件的晶閘管軟起動。晶閘管軟起動產(chǎn)品問世不過 30 年左右的時間，它是當(dāng)今電力電子器件長足進(jìn)步的結(jié)果。10 年前，電氣工程界就有人預(yù)言，晶閘管軟起動將引發(fā)軟起動行業(yè)的一場革命。目前在低壓(380V) 內(nèi)，晶閘管軟起動產(chǎn)品價格已經(jīng)下降到液阻軟起動的大約 2 倍，甚至更低。而其主要性能卻優(yōu)于液阻軟起動。與液阻軟起動相比，它的體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，維護(hù)量小，功能齊全，菜單豐富，起動重復(fù)性好，保護(hù)周全，這些都是液阻軟起動無法比擬的。但是晶閘管軟起動產(chǎn)品也有缺點(diǎn)。一是高壓產(chǎn)品的價格太高，是液阻軟起動產(chǎn)品的 5～10 倍，二是晶閘管引起的高次諧波比較嚴(yán)重。 軟起動的原理及分析 晶閘管調(diào)壓原理晶閘管的控制方式有兩種：一是相位控制，即通過控制晶閘管的導(dǎo)通角來調(diào)壓；二是周波控制，即把晶閘管作為靜止接觸器，交替的接通與切斷幾個周波的電源電壓，用改變接通時間與切斷時間之比來控制輸出電壓的有效值，從而達(dá)到調(diào)壓的目的。但周波控制用在異步電機(jī)定子上時，通斷交替的頻率不能太低，一方面會引起電動機(jī)轉(zhuǎn)速的波動，另一方面每次接通電流就相當(dāng)于一次異步電動機(jī)的重起動過程。當(dāng)電源切斷時，電動機(jī)氣隙中的磁場將由轉(zhuǎn)子中的瞬態(tài)電流來維持，并隨著轉(zhuǎn)子而旋轉(zhuǎn)，氣隙磁場在定子繞組中感應(yīng)的電動勢頻率將有所變化，當(dāng)斷流時問隔較長時，這個旋轉(zhuǎn)磁場在定子中感應(yīng)的電勢和重新接通時的電源電壓在相位上可能會有很大的差別，這樣就會出現(xiàn)較大的電流沖擊，可能危及晶閘管的安全。故在異步電動機(jī)的調(diào)壓控制中，晶閘管調(diào)壓一般采用相位控制。采用相位控制時，輸出電壓波形已不是正弦波，經(jīng)分析可知，輸出電壓不含偶次諧波，奇次諧波中以三次諧波為主要成分。諧波在異步電機(jī)中會引起附加損耗，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動等不良影響。此外，由于異步電機(jī)是感性負(fù)載，從電力電子學(xué)中可以知道，當(dāng)晶閘管交流調(diào)壓回路帶有感性負(fù)載時，只有當(dāng)移相角大于負(fù)載的功率因數(shù)角時，才能起到調(diào)壓的作用。當(dāng) 時，電流導(dǎo)通的時間將始終保??持在 180176。其情況與 =0 時一樣，相控不起任何調(diào)壓作用，甚至在晶閘管觸發(fā)脈沖不?夠?qū)挼那闆r下，出現(xiàn)只有一個方向上的晶閘管工作，負(fù)載上出現(xiàn)直流分量，對晶閘管造成危害。為了保證晶閘管的安全，在使用相控晶閘管電路時采用寬脈沖觸發(fā)，移相范圍限制在 ≤ 180176。?本系統(tǒng)軟起動器采用晶閘管調(diào)壓原理，通過調(diào)節(jié)電動機(jī)定子輸入端電壓的大小和相位實現(xiàn)軟起動的各種功能。本系統(tǒng)軟起動器采用了如圖 26 所示的主電路。用三組反并聯(lián)晶閘管分別串聯(lián)在星形接法的電機(jī)三相定子線圈上，這種連接方式諧波比較少，調(diào)壓性能最為優(yōu)越，控制系統(tǒng)簡單、可靠。圖 26 軟起動主回路原理圖為了方便分析，做以下假定：(1)電源為三相對稱的正弦電壓源，內(nèi)阻抗為零；(2)各晶閘管的特性一致，對稱觸發(fā)，關(guān)斷狀態(tài)時，其阻抗為無窮大；導(dǎo)通狀時壓降為零；(3)電機(jī)為理想電機(jī)，其定、轉(zhuǎn)子繞組在空間產(chǎn)生正弦分布的磁通勢；(4)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為常數(shù)。由于主電路中沒有中線，因此在工作時若要負(fù)載電流流通，至少要有兩相構(gòu)成通路。其中一相是正向晶閘管導(dǎo)通，另一相則是反向晶閘管導(dǎo)通。為了保證在電路起始工作時有兩個晶閘管同時導(dǎo)通，以及在感性負(fù)載與控制角較小時仍能保證不同相的兩個晶閘管同時導(dǎo)通，本系統(tǒng)采用了能夠產(chǎn)生大于 60176。的雙窄脈沖的觸發(fā)電路。要實現(xiàn)異步電動機(jī)的平穩(wěn)起動，需要控制電機(jī)的輸入電壓，使其按照某種曲線由小到大逐漸上升。通過按照一定時序調(diào)整六個晶閘管的觸發(fā)角就可以實現(xiàn)該目標(biāo)。該電路的調(diào)壓實質(zhì)是對電源電壓進(jìn)行斬波。電機(jī)獲得的電壓是非正弦的，但是每相電壓的正負(fù)半周是對稱的。晶閘管任意一相的電壓波形如圖 27 所示，其中電網(wǎng)電壓的波形是完整的正弦波， 是晶閘管的觸發(fā)角， 是負(fù)載的功率因數(shù)角(也叫晶閘管的續(xù)流??角)， 是晶閘管的導(dǎo)通角。? 由圖 27 可以很容易地推導(dǎo)出觸發(fā)角 ，功率因數(shù)角 以及導(dǎo)通角 之間的關(guān)系： ?? 公式(215)??????圖 27 任意相晶閘管的工作波形 其中晶閘管的輸出電壓是介于導(dǎo)通角 之間的波形。通過改變導(dǎo)通角 的大小，就??可以改變晶閘管的輸出電壓，從而改變了電機(jī)的輸入電壓。由式(215)可以得知，導(dǎo)通角 與觸發(fā)角 、功率因數(shù)角 都有關(guān)。對于恒定的負(fù)載而言，功率因數(shù)角 是常量，??? ?導(dǎo)通角 僅僅與觸發(fā)角 有關(guān)。此時，只要改變晶閘管觸發(fā)角 就可以改變晶閘管的?輸出電壓。但是對于異步電動機(jī)而言，功率因數(shù)角 是個變量，并且是電機(jī)轉(zhuǎn)速的函?數(shù)。在電機(jī)起動過程中，隨著轉(zhuǎn)速逐漸變大，功率因數(shù)角 也在不斷變化。因此，改變晶閘管觸發(fā)角 的同時也要兼顧功率因數(shù)角 的變化情況。只有這樣，才能實現(xiàn)異?步電動機(jī)的輸入電壓按照預(yù)定規(guī)律變化的要求 [4]。 軟起動的起動方式軟起動器的功能主要是實現(xiàn)軟起動和軟停車，而軟停車相當(dāng)于是軟起動的逆過程。三相異步電動機(jī)軟起動器擁有多種起動模式，可以滿足不同的起動要求。下面詳細(xì)介紹：(1)限流起動限流起動就是在電動機(jī)的起動過程中限制其起動電流不超過某一設(shè)定值 Im 的軟起動方式，起動波形如圖 28 所示。主要用于輕載起動的降壓起動，其輸出電壓從零開始迅速增長，直到其輸出電流達(dá)到預(yù)先設(shè)定的電流限值 Im，然后保持輸出電流不大于該值的條件下逐漸升高電壓，直到額定電壓。這種起動方式的優(yōu)點(diǎn)是起動電流小，且可按需要調(diào)整起動電流的限定值 Im。其缺點(diǎn)是在起動時難以知道起動壓降，不能充分利用壓降空間，損失起動轉(zhuǎn)矩，起動時間相對較長。該方法應(yīng)用較多，適用于風(fēng)機(jī)，泵類負(fù)載。圖 28 限流啟動波形 (2)電壓斜坡起動輸出電壓由小到大斜坡線性上升，將傳統(tǒng)的有級降壓起動變?yōu)闊o級，主要用在重載起動。它的缺點(diǎn)是起動轉(zhuǎn)矩小，且轉(zhuǎn)矩特性呈拋物線型上升對起動不利，起動時間長，對電動機(jī)不利。改進(jìn)的方法是采用雙斜坡起動，如圖 29 所示。輸出電壓先迅速升至 U(U，為電動機(jī)起動所需的最小轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的電壓值)，然后按設(shè)定的斜率逐漸升高電壓。直至達(dá)到額定電壓，初始電壓和電壓上升率可根據(jù)負(fù)載特性調(diào)整。在加速斜坡時同期聞，電動機(jī)電壓逐漸增加，加速斜坡時間在一定時間范圍內(nèi)可調(diào)整，加速斜坡時間一般在 2～60 秒之間。這種起動方式的特點(diǎn)是起動電流相對較大，但起動時間相對較短，適用于重載起動的電動機(jī)。圖 29 電壓斜坡啟動波形 (3)轉(zhuǎn)矩控制起動主要用于重載起動，如圖 210 所示。它是按照電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩線性上升的規(guī)律控制輸出電壓。其優(yōu)點(diǎn)是起動平滑、柔性好、對拖動系統(tǒng)有利，同時減少對電網(wǎng)的沖擊，使最優(yōu)的重載起動方式。其缺點(diǎn)就是起動時間較長。圖 210 轉(zhuǎn)矩控制啟動波形(4)轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動 轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動與轉(zhuǎn)矩控制起動一樣，也是用在重載起動的場合。所不同的是在起動的瞬間用突跳轉(zhuǎn)矩，克服拖動系統(tǒng)的靜轉(zhuǎn)矩，然后轉(zhuǎn)矩平滑上升，可縮短起動時間。但是，突跳會給電網(wǎng)發(fā)送尖脈沖，干擾其他負(fù)荷。轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動如圖211 所示。圖 211 轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動波形(5)電壓控制起動電壓控制起動是在保證起動壓降一定的前提下使電動機(jī)獲得最大的起動轉(zhuǎn)矩，盡可能地縮短起動時間，是最優(yōu)的輕載軟起動方式，如圖 212 所示。 圖 212 電壓控制起動波形3 軟啟動器的硬件電路設(shè)計 主要器件的介紹 KJ004功能介紹該電路由同步檢測電路、鋸齒波形成電路、偏移電壓、移電壓綜合比較放大電路和功相率放大電路四部分組成。元件引腳功能見表 31：鋸齒波的斜率決定于外接RRW1 流出的充電電流和積分 C1 的數(shù)值。對不同的移項控制 V1，只有改變RR2 的比例，調(diào)節(jié)相應(yīng)的偏移 VP。同時調(diào)整鋸齒波斜率電位器 RW1，可以使不同的移相控制電壓獲得整個范圍。觸發(fā)電路為正極性型，即移相電壓增加，導(dǎo)通角增大。R7 和 C2 形成微分電路，改變 R7 和 C2 的值，可獲得不同的脈寬輸出。KJ004 的同步電壓為任意值 表 31 KJ004 的引腳功能表功 能 輸出 空 鋸齒波形成 Vee(1kΩ) 空 地 同步輸入 綜合比較 空 微分阻容 封鎖調(diào)制 輸出 +Vcc引線腳號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16電路采用雙列直插 C—16 白瓷和黑瓷兩種外殼封裝，外型尺寸按電子工業(yè)部部頒標(biāo)準(zhǔn)。 《半導(dǎo)體集成電路外型尺寸》SJ1100—76圖３1 KJ004 引腳圖 與分立元件的鋸齒波移相觸發(fā)電路相似,分為同步、鋸齒波形成、移相、脈沖形成、脈沖分選及脈沖放大幾個環(huán)節(jié)。11216115143943578R23+15V +5V+15VRP1R24R2R20P4 R5R13R4R67R8R1210R114R19R13R256R27 R28R20R2R16