【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 XX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 ? ?2 211221 21 1 239。22 39。 39。emrUpmTf rr x xs?? ????? ? ????????? (211) 剛 起 動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子 n=0，轉(zhuǎn)差率 s=1， 此 時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為： ? ? ? ?21 1 2221 1 2 1 239。239。39。stpm U rT fr r x x?? ??? ? ??? (212) 同時(shí)，由于激磁電流相對(duì)較小即 0mI? ? ， 11 mxx???????近似為 1，由式 (26)的啟動(dòng)電流為： ? ? ? ?1222 1 239。39。st UI r r x x? ? ? ? (213) 由式 (212)和式 (213)可知，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩正比于定子端電壓的平方，起動(dòng)電流正比于定子電壓。起動(dòng)電壓較低時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小，電流也較??；反之，如果電壓較高，則起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，但同時(shí)起動(dòng)時(shí)的沖擊電流也很大。 而異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性主要表現(xiàn)在起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩兩個(gè)方面：希望電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)能產(chǎn)生足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以便帶動(dòng)負(fù)載 快速地達(dá)到正常轉(zhuǎn)速；同時(shí)，也希望起動(dòng)電流不要太大。因?yàn)樵诠╇娮儔浩鞯娜萘?比 較小 的情況下 ，過(guò)大的起動(dòng)電流將造成較大的線路壓降，從而影響接在同一電網(wǎng)上的其它電氣設(shè)備的正常 運(yùn)行 。 下面針對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性，分析 起動(dòng)方式的原理和應(yīng)用。 三相異步電機(jī)的啟動(dòng)方法 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法 主要有 直接起動(dòng)、 傳統(tǒng)減壓?jiǎn)?dòng)和軟啟動(dòng)三種啟動(dòng)方法。 下面就分別做 詳細(xì) 介紹。 直接 起動(dòng) 直接起動(dòng)，也叫全壓起動(dòng)。起動(dòng)時(shí)通過(guò)一些直接起動(dòng)設(shè)備，將全部電源電壓 (即全壓 )直接加到異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組，使電動(dòng)機(jī)在額 定電壓下進(jìn)行起動(dòng)。一般情況下，直接起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流為額定電流的 3～ 8 倍，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn) 矩 的 1～ 2 倍。根據(jù)對(duì)國(guó)產(chǎn)電動(dòng)機(jī)實(shí)際測(cè)量，某些籠型異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流甚至可以達(dá)到 8～ 12 倍。 直接起動(dòng)的起動(dòng)線路是最簡(jiǎn)單的，如圖 22 所示。然而這種起動(dòng)方法有 諸 多不足。XX 大學(xué) XX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 對(duì)于需要頻繁起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，過(guò)大的起動(dòng)電流 會(huì) 造成電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱， 縮短 電動(dòng)機(jī)的 使用壽命；同時(shí)電動(dòng)機(jī)繞組在電動(dòng)力的作用下，會(huì)發(fā)生變形，可能引起短路進(jìn)而燒毀電動(dòng)機(jī)；另外過(guò)大的起動(dòng)電流，會(huì)使線路 電 壓降增大，造成電網(wǎng)電壓的顯著下降，從而影響同一電網(wǎng)的其他設(shè)備的正常工作，有時(shí) 甚至使它們停下來(lái)或無(wú)法帶負(fù)載起動(dòng)。這是因?yàn)?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(dòng)機(jī)的功率 小 于 7． 5kW 時(shí)允許直接起動(dòng)。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(dòng)機(jī)也可允許直接起動(dòng)。 ? ?? ?1111 34stNk v AIK I k w?? ?? ? ?????電 源 總 容 量起 動(dòng) 電 動(dòng) 總 功 率 如果不能滿足 上 式的要求，則必須采用減壓?jiǎn)?dòng)的方法，通過(guò)減壓，把啟動(dòng)電流Ist 限制到允許的數(shù)值。 M3~FU1 FU2FU3KM 圖 22 直接啟動(dòng)原理圖 傳統(tǒng) 減壓起動(dòng) 減壓起動(dòng)是在起動(dòng)時(shí)先降低定子繞組上的電壓， 待 起動(dòng)后，再把電壓恢復(fù)到額定值。減壓起動(dòng)雖然可以減小起動(dòng)電流，但是 同時(shí) 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也會(huì) 減小。因此，減壓起動(dòng)方法一般只適用于輕載或空載情況 。傳統(tǒng)減壓起動(dòng)的具體方法很多，這里介紹 以下 三種減壓起動(dòng)的方法 ： (1)定子串接電阻或電抗起動(dòng) 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(dòng)機(jī)的等效電路可知：起動(dòng)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(dòng)電流的目的。但考慮到起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與 定子繞組電壓的平方成正比，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)降低的XX 大學(xué) XX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 更多。因此，這種起動(dòng)方法僅僅適用于空載或輕載起動(dòng)場(chǎng)合。 對(duì) 于 容量較小的異步電動(dòng)機(jī)，一般采用定子繞組串電阻降壓 ； 但對(duì)于容量較大的異步電動(dòng)機(jī) ，考慮到串接電阻會(huì)造成 銅耗較大，故采用定子繞組串電抗降壓起動(dòng)。 如圖 23 所示：當(dāng)起動(dòng)電機(jī)時(shí)，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(dòng)完成時(shí) 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(dòng)原理圖 (2)星 三角形 (丫 △ )起動(dòng) 星 三角形起動(dòng)法是電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，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(shí)，將繞組切換為三角形 (△ )接法，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)為正常運(yùn)行的一種起動(dòng) 方式 。星三角形起動(dòng)方法雖然簡(jiǎn)單，但電動(dòng)機(jī)定子繞組 的 六個(gè)出線端都要引 出 來(lái) ，略顯麻煩 。 圖 24 為星 三角形起動(dòng)法的原理圖。接觸器 KM2 和 KM3 互鎖，即其中一個(gè)閉合時(shí)，必須保證另一個(gè) 斷開 。 KM2 閉合時(shí)，定子繞組為星形 (丫 )接法，使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)。切換至 KM3 閉合，定子繞組改為三角形 (△ )接法，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)為正常運(yùn)行。由控制電路中的時(shí)間繼電器 KT 確定星 三角切換的時(shí)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(shí)的 l/ 3 ，故星三角形起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流及起動(dòng)轉(zhuǎn)矩均下降為直接起動(dòng)的 1／ 3。由于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，該方法只適合于輕載起動(dòng)的場(chǎng)合。 XX 大學(xué) XX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 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(dòng)法的原理圖 (3)自耦變壓器起動(dòng) 自耦變壓器起動(dòng)法就是電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，電源通過(guò)自耦變壓器降壓后接到電動(dòng)機(jī)上，待轉(zhuǎn)速上升至接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，將自耦變壓器從電源切除，而使電動(dòng)機(jī)直 接接到電網(wǎng)上轉(zhuǎn)化為正常運(yùn)行的一種起動(dòng)方法。 圖 25 所示為自耦變壓器起動(dòng)的自動(dòng)控制主回路?？刂七^(guò)程如下：合上空氣開關(guān) Q接通三相電源。按啟動(dòng)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(shí)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(dòng)。當(dāng)時(shí)間繼電器 KT 延時(shí)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(shí) 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(dòng)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(dòng)相比，采用自耦變壓器起動(dòng)時(shí)，其一次側(cè)起動(dòng)線電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩都降低到直接起動(dòng)的 l／ k2。 自耦變壓器起動(dòng)法不受電動(dòng)機(jī)繞組接線方式 (丫接法或△接法 )的限制，允許的起動(dòng)電流和所需起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可通過(guò)改變抽頭進(jìn)行選擇，但設(shè)備費(fèi)用較高。 XX 大學(xué) XX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 圖 25 異步電動(dòng)機(jī)的自耦變壓器起動(dòng)法 自耦變壓器起動(dòng)適用于容量較大的低壓電動(dòng)機(jī)作減壓起動(dòng)用，應(yīng)用 非常 廣泛，有手動(dòng)及自動(dòng)控制線路。其優(yōu)點(diǎn)是電壓抽頭可供不同負(fù)載起動(dòng)時(shí)選擇 ； 缺點(diǎn)是 質(zhì)量大 、 體積大、價(jià)格高、維護(hù)檢修 費(fèi)用高 。 軟啟動(dòng) 軟起動(dòng)可分為有級(jí)和無(wú)級(jí)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(dòng)機(jī)定子回路 中 ，通過(guò)串入限流作用的電力器件實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，叫做降壓或者限流軟起動(dòng)。它是軟起動(dòng)中的一個(gè)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(dòng)；以磁飽和電抗器為限流器件的磁控軟起動(dòng)；以晶閘管為限流器件的晶閘管軟起動(dòng)。 晶閘管軟起動(dòng)產(chǎn)品 問 世不過(guò) 30 年左右的時(shí)間 ， 它是當(dāng)今電力電子器件長(zhǎng)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(dòng)將引發(fā)軟起動(dòng)行業(yè)的一場(chǎng)革命。目前在 低壓 (380V)內(nèi)，晶閘管軟起動(dòng)產(chǎn)品價(jià)格已經(jīng)下降到液阻軟起動(dòng)的大約 2 倍 ，甚至更低 。而其主要性能卻優(yōu)于液阻軟起動(dòng)。與液阻軟起動(dòng)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(dòng)重復(fù)性好，保護(hù)周全，這些都是液阻軟起動(dòng)無(wú)法比擬的。 但是晶閘管軟起動(dòng)產(chǎn)品也有缺點(diǎn)。一是高壓產(chǎn)品的價(jià)格太高，是液阻軟起動(dòng)產(chǎn)品的5～ 10 倍，二是晶閘管引起的高次諧波 比 較嚴(yán)重。 XX 大學(xué) XX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 軟起動(dòng)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(guò)控制晶閘管的導(dǎo)通角來(lái)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(gè)周波的電源電壓，用改變接通時(shí)間與切斷時(shí)間之比來(lái)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(shí)，通斷交替的頻率不能太低，一方面會(huì)引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，另一方面每次接通電流就相當(dāng)于一次異步電動(dòng)機(jī)的重起動(dòng)過(guò)程。當(dāng)電源切斷時(shí)，電動(dòng)機(jī)氣隙中的磁場(chǎng)將由轉(zhuǎn)子中的瞬態(tài)電流來(lái)維持，并隨著轉(zhuǎn)子而旋轉(zhuǎn)，氣隙磁場(chǎng)在定子繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)頻率將有所變化，當(dāng)斷流時(shí)問隔較長(zhǎng)時(shí)，這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在定子中感應(yīng)的電勢(shì)和重新接通時(shí)的電源電壓在相位上可能會(huì)有很大的差別，這樣就會(huì)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(dòng)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(shí)，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(huì)引起附加損耗，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)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(shí)，只有當(dāng)移相角大于負(fù)載的功率因數(shù)角時(shí)，才能起到調(diào)壓的作用。當(dāng) ? ? 時(shí)，電 流導(dǎo)通的時(shí)間將始終保持在 180176。其情況與 ? =0 時(shí)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(gè)方向上的晶閘管工作，負(fù)載上出現(xiàn)直流分量，對(duì)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(shí)采用寬脈沖觸發(fā)，移相范圍限制在 ? ≤? 180176。 本系統(tǒng)軟起動(dòng)器采用晶閘管調(diào)壓原理，通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)定子輸入端電壓的大小和相位實(shí)現(xiàn) 軟起動(dòng)的各種功能。本系統(tǒng)軟起動(dòng)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(jiǎn)單、可靠。 XX 大學(xué) XX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 圖 26 軟起動(dòng)主回路原理圖 為了方便分析，做以下假定： (1)電源為三相對(duì)稱的正弦電壓源，內(nèi)阻抗為零； (2)各晶閘管的特性一致，對(duì)稱觸發(fā)，關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，其阻抗為無(wú)窮大；導(dǎo)通狀時(shí)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(shì)； (4)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，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(shí)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(shí)有兩個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通，以及在感性負(fù)載與控制角較小時(shí)仍能保證不同相的兩個(gè)晶閘管同時(shí)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(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的平穩(wěn)起動(dòng)，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(guò)按照一定時(shí)序調(diào)整六個(gè)晶閘管的觸發(fā)角 就可以實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。該電路的調(diào)壓實(shí)質(zhì)是對(duì)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(duì)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) XX 大學(xué) XX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 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(guò)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(duì)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(shí)，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(duì)于異步電動(dòng)機(jī)而言，功率因數(shù)角 ? 是個(gè)變量，并且是電機(jī)轉(zhuǎn)速的函數(shù)。在電機(jī)起動(dòng)過(guò)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(shí)也要兼顧功率因 數(shù)角 ? 的變化情況。只有這樣，才能實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的輸入電壓按照預(yù)定規(guī)律變化的要求 [4]。 軟起動(dòng)的起動(dòng)方式 軟起動(dòng)器的功能主要是實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)和軟停車，而軟停車相當(dāng)于是軟起動(dòng)的逆過(guò)程。三相異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器擁有多種起動(dòng)模式，可以滿足不同的起動(dòng)要求。下面詳細(xì)介紹： (1)限流起動(dòng)