【文章內容簡介】 啟動時接線如圖 13 所示。啟動時先合 3Q，再合 KM1，電動機的定子繞組通過自耦變壓器接到三相電源上降壓啟動。當轉速上升到接近穩(wěn)定時，合 KM2，斷 KM1，將自耦變壓器切除，電機進入全壓運行狀態(tài)，啟動結束。 圖 13 自耦變壓器原理圖 與電抗器降壓啟動相比，在獲得同樣啟動轉矩的情況下，自耦變壓器式降壓啟動需電網(wǎng)提供的啟動電流較小，對電網(wǎng)電壓的影響小，適合于阻力矩比較大的情況，以及電交流電機軟啟動的技術原理與仿真 7 網(wǎng)短路容量較小的情況。這是它優(yōu)于串電抗器啟動的地方。還有電動機抽頭可供不同負載時選用。自耦變壓器減壓啟動的主要缺點是在開關切換的過程中，仍然有較大的轉矩突變，對電動機及機械設備仍有較大的傷害，操作過電壓方面與電抗器的情況一樣。 星形－三角形（ Y－△） 啟動 星形－三角形啟動是一種減壓啟動方法，適用這種啟動方法的異步電動機，在運行時是連接成三角形，而且每相繞組引出兩個出線端，三相共引出六個出線端。在啟動時，先將三相定子繞組連接成星形，待轉速接近穩(wěn)定時再改成三角形。這樣，啟動時連接成星形的定子繞組電壓與電流都只有三角形時的 31 ，由于三角形連接時繞組的電流是線路電流的 31 ，而星形連接時兩者相等。因此，聯(lián)結成星形啟動時的線路電流只有聯(lián)結成三角形直接啟動時的 1/3。由于啟動轉矩 2UT? ， stT 也要降低到直接啟動時的 1/3，因此這種啟動方法只適用于空載或輕載啟動。圖 14 所示為星形－三角形啟動的原理線路圖。當啟動時，將開關 Q2 投向“ Y”位置，定子繞組連接為星形連接，電動機減壓啟動；當電動機轉速接近穩(wěn)定時，可將開關 Q2 迅速投向“△”連接，使定子繞組連接成三角形。啟動過程結束。電機停止轉動時，可直接斷開電源開關 Q1，并應立刻斷開開關Q2，并放在中間位置，否則下次啟動時將造成直接啟動，這是不允許的。 圖 14 星三角降壓原理圖 手動星形－三角形啟動器的結構形式很多，還有自動控制線路可供選用，它們的減壓啟動原理都是相同的。 停車方式有三種：一是自由停車，二是軟停車，三是制動停車。軟啟動器帶來的最大好處是軟停車和制動停車，軟停車消除了拖動系統(tǒng)的反慣性沖擊，對于水泵就是“水錘”效應，制動停車則在一定場合代替了反接制動停車功能。 變頻軟啟動的原理及應用 陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書） 8 變頻器是利用交流異步電動機同步轉速 0n 隨電源頻率變化而變化的特性實現(xiàn)電動機調速運行的裝置。變頻器產(chǎn)生于 20 世紀 60 年代。 在 20 世紀 70 年代，隨著大功率晶體管 (GTR)的問世，即場效應晶體管的出現(xiàn)和性能不斷提高，使變頻器的性能有了極大完善和發(fā)展 [7]。 變頻器有以下特點： （ a）可很好地實現(xiàn)異步電動機的無級調速； （ b）可方便地進行恒轉矩調速和恒功率調速； （ c）調速范圍廣、平滑性較好、機械特性較硬； （ d）可實現(xiàn)有效的節(jié)能。 變頻軟啟動的基本結構 以電壓型交 直 交變頻器結構為例 變頻器主電路： 圖 15 變頻器主電路 主電路 — 為電動機提供調頻調壓電源的電力變換部分。 整流器 — 將工頻電源變換為直流電壓； 濾波 器 — 抑制電壓波動、緩沖和平滑直流電壓； 逆變器 — 將直流電變換為頻率可調的三 (單 )相交流電。 另外，在變頻調速系統(tǒng)中，異步電動機的降速和停機是通過逐漸減小頻率來實現(xiàn)的，所以通常需要加入能耗制動環(huán)節(jié)。 變頻軟啟動的工作原理 （ 1）異步電機的調速方法： 同步轉速：pfn 600 ? 轉子轉速：pfsn 60)1( ?? 由上式可見，有三種調速方法： 1)改變極對數(shù) p ； 2)改變轉差率 s ； 3)改變電源頻率 f — 最好的調速方法。 變頻調速：有兩種調速方式：恒轉矩調速 0ff? ，恒功率調速 0ff? 交流電機軟啟動的技術原理與仿真 9 圖 16 轉矩、轉速、頻率關系圖 （ 2） 變頻調速器的控制方式： a）恒轉矩調速（ Nff? （ fV/ 控制方式） 由 mfNU ?? 可知 ：為了保持電機中的磁通 ? 不變，在變頻的同時控制變頻器的輸出電壓，即保證 fU/ 為常數(shù)。 由 ?? cos2ICT T? 可知：當磁通 ? 不變時，即可保證轉矩 T 基本不變。但這種調速方式的低速性能較差。 b）恒功率調速（ Nff? ） 當 Nff? 時，若保持電壓 不變而增大頻率時，磁通 ? 一定會減小，因而保證功率為一常數(shù)。對不同的負載，可采用不同的調速方式。 圖 17 電壓與頻率關系圖 （ 3） 變頻器的正弦波脈寬調制 (SPWM)方式 在現(xiàn)代變頻器中，普遍采用 (SPWM)方式來實現(xiàn) fV/ 控制：用一系列脈沖，其脈沖寬度按正弦波進行調制。這種電壓脈沖序列可以大大減小負載電流中的高次諧波分量。 圖 18 正弦波脈寬調制 陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書） 10 PWM 控制技術有許多種，并且還在不斷發(fā)展中。但從控制思想上分，可把它 們分成四類，即等脈寬 PWM 法、正弦波 PWM 法（ SPWM）、磁鏈跟蹤 PWM 法（ SVPWM）和電流跟蹤 PWM 法等。 變頻軟啟動與軟啟動的比較 （ a）兩者所具有的功能不同， 軟啟動器只有啟動一個功能，但變頻器有三個功能：啟動、調速、節(jié)能；但是軟啟動器的價格只有變頻器的十分之一，且軟啟動器的啟動任務完成后，能從回路中切除，但變頻器不能，一直連接在回路中，因此變頻器會發(fā)熱，這樣會 減少 其使用壽命。 （ b）兩 者應用的條件和場所不同 ，軟啟動 適用于重載、不允許有啟動沖擊的場合，如水泵、輸煤機、傳送帶等。 而且用在 啟動、停 車 時 ； 并 且 要 對轉矩要求不高 。 如果對啟動轉矩有要求 ， 那也只能用變頻器 。 變頻器是用于調速的場合，比如生活供水，白天用水少，改變頻率，即改變電機轉速，減少供水；晚上用水量大，頻率增加，轉速增加，增加供水 ， 當然也可用做起停，但成本相對會增高。 （ c） 變頻器可短時間超載啟動 ， 而軟啟動很難 做 到 。 （ d） 變頻器在基頻以下是既變頻又變壓的，而在基頻以上是不變壓的． 而軟啟動只是一個調壓器，但是現(xiàn)在 國外的軟啟動器有的還可在電動機運行過程中進行功率因數(shù)的 時時監(jiān)控，然后反饋實現(xiàn)調壓，用于節(jié)能 。 不過現(xiàn)在 兩者界限也越來越模糊了，主要 是看最后使用有沒有調頻的要求 。但是由于變頻器價格高，所以軟啟動器還是被廣泛采用。 交流電機軟啟動的技術原理與仿真 11 2 晶閘管軟啟動技術原理與節(jié)能 晶閘管軟啟動技術原理 隨著電力電子技術的發(fā)展，國際上已廣泛采用交流電動機軟啟（制）動技術， AB公司、 ABB 公司、 CT 公司、 AEG 公司、雷諾爾、世嘉天瑞等公司相繼推出了具有節(jié)能效果的交流電機軟啟動器 。 交流電機軟啟動器是當今最先進的用于交流電機啟動、停止的高新科技產(chǎn)品。它實現(xiàn)了交流電機軟啟動、軟停止，功能完善，性能優(yōu)異，能滿足工業(yè)電機控制的廣泛需要，是降壓、星 三 角等傳統(tǒng)啟動控制方式的理想換 代產(chǎn)品。同時，軟啟動控制在空載和輕載運轉時具有節(jié)能效果。 新型的電子式軟啟動器 [8]的主回路一般都采用晶閘管調壓電路，調壓電路由六只晶閘管兩兩反向并聯(lián)組成，串接與電動機的三相供電線路上。當啟動器的微機控制系統(tǒng)接到啟動指令后，便進行有關的計算，輸出晶閘管的觸發(fā)信號，通過控制晶閘管的導通角β使啟動器按所設計的模式調節(jié)輸出電壓，以控制啟動電動機的啟動過程。當啟動過程完成后，一般啟動器將旁路接觸器吸合，短路掉所有的晶閘管，使電動機直接投入電網(wǎng)運行，以避免不必要的電能損耗，軟啟動器的控制框圖如圖 21 所示。 圖 21 電子軟啟動的基本原理圖 所謂“軟啟動”，實際上就是按照預先設定的控制模式進行的降壓啟動過程。目前的軟啟動器一般有以下幾種啟動方式 [9]： （ 1） 限流軟啟動 限流軟啟動顧名思義就是在電動機的啟動過程中限制其啟動電流不超過某一設定值（ mI ）的軟啟動方式。主要用在輕載啟動和負載的降壓啟動，其輸出電壓從零開始迅速增長，直到其輸出電流達到預先設定的電流限值 mI ，然后再保持輸出電流 mII? 的條件下逐漸升高電壓，直到額定電壓，使電動機轉速逐漸升高，直到額定轉速。 陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書） 12 這種啟動方式的優(yōu)點是啟動電流小，且可按需要調整（啟動電流的限值 mI 必須根據(jù)電動機的啟動轉矩來設定， mI 值設的過小，將會使啟動失效或燒毀電機）啟動電流。其缺點是在啟動時難以知道啟動壓降，不能充分利用壓降空間，損失啟動轉矩，啟動時間相對較長。 下面介紹三種晶閘管軟啟動的方式 ： a）斜坡恒流軟啟動： 斜坡恒流軟啟動的啟動電流逐步平穩(wěn)增加，啟動轉矩由小逐漸增大（如圖 22 所示）。這樣避免了啟動過程中的沖擊轉矩，以及該沖擊轉矩對設備或電機的沖擊，在斜坡恒流軟啟動中，當啟動電流增大至所設的啟動電流 I 時，即將該啟動電流保持在設定的電流值上進行啟動，直至啟動結束。在這種啟動方式的斜坡啟動階段中，啟動電流的上升變化率是可以任意調節(jié)的。斜坡恒流軟啟動一般適用于輕載或空載的啟動。 b）階躍恒流軟啟動： 對于一些要求啟動轉矩較大的設備如采用斜坡啟動就不能正常地進行啟動，應采用階躍恒流軟啟動方式， 該方式是在電動機剛啟動的瞬間將電動機的啟動電流直接增大至所設定的啟動電流值 I 并保持該電路直至啟動完畢，如圖 23 所示。這種啟動方式在啟動瞬間的啟動轉矩較大，適用于較大負載的啟動，如一些帶負載啟動的設備。 c）脈沖恒流軟啟動： 該方式是所介紹的啟動方式中啟動轉矩最大的一種，該啟動方式在啟動初始階段有一個較大的啟動沖擊電流，該電流值大于設定的恒流啟動值 I，從而產(chǎn)生較大的沖擊矩去克服較大的靜摩擦轉矩，使設備能夠啟動，然后即進入恒流啟動階段直至啟動完畢，如圖 24 所示。在脈沖恒流軟啟動方式中的脈沖啟動階段電流的幅值 （可為全壓啟動的電流幅值）和維持時間是可以設定的。脈沖恒流軟啟動方式的啟動沖擊轉矩大，適用于重載啟動。 圖 22 斜坡恒流軟啟動 圖 23 階躍恒流軟啟動 圖 24 脈沖恒流軟啟動 （ 2）電壓斜坡啟動 電壓斜坡啟動輸出電壓由小到大斜坡線性上升，將傳統(tǒng)的降壓啟動變有級為無級，主要用在重載啟動。它的缺點是啟動轉矩小，轉矩特性呈拋物線型上升對啟動不利，并且啟動時間長，對電機不利。改進的方法是采用雙斜坡啟動：輸出電壓先迅速上升至U1， U1 為電動機啟動 所需的最小轉矩所對應的電壓值，然后按設定的速率逐漸升壓，直交流電機軟啟動的技術原理與仿真 13 至達到額定電壓。初始電壓及電壓上升率可根據(jù)負載特性調整。這種啟動方式的特點是啟動電流相對較大，但啟動時間相對較短，適用于重載啟動的電機。 （ 3）轉矩控制啟動 轉矩控制啟動主要用在重載啟動，它是按電動機的啟動轉矩線性上升的規(guī)律控制輸出電壓，它的優(yōu)點是啟動平滑、柔性好，對拖動系統(tǒng)有利，同時減少對電網(wǎng)的沖擊，是最優(yōu)的重載啟動方式。它的缺點是啟動時間較長。 （ 4）轉矩加突跳控制啟動 轉矩加突跳控制啟動與轉矩控制器啟動一樣也是用在重載啟動的場合。所不同的是在啟 動的瞬間用突跳轉矩，克服拖動系統(tǒng)的靜態(tài)轉矩，然后轉矩平滑上升，可縮短啟動時間。但是，突跳會給電網(wǎng)發(fā)送尖脈沖，干擾其他負荷，使用時應特別注意。 （ 5）電壓控制啟動 電壓控制啟動是用在輕載啟動的場合，在保證啟動壓降的前提下使電動機獲得最大的啟動轉矩，盡可能的縮短啟動時間，是最優(yōu)的輕載軟啟動方式。 各種軟啟動方式的相應啟動曲線見下圖： 圖 25 限流啟動 圖 26 電壓斜坡軟啟動 圖 27 轉矩控制啟動 圖 28 轉矩加突跳控制啟動 圖 29電壓控制啟動 由上面幾點不難看出，比較好的的啟動方式應是電壓控制啟動和轉矩控制啟動及轉陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書） 14 矩加突跳控制啟動。 實際應用中，軟啟動具有如下優(yōu)點： （ a）啟動電流小，通過調節(jié)啟動轉矩實現(xiàn)低速啟動，頻繁啟動和軟停止。 （ b）在啟停時過度自然，不易傷害設備，節(jié)電效果良好。 （ c）當多臺同容量電機工作時，可采用一臺電子式軟啟動器，操作方便。 （ d）軟啟動離線仿真研究可以預知在硬啟動過程中電機轉速，電流，線電壓和其它機械特性，對產(chǎn)品設計和用戶有重要的指導作用。 軟啟動節(jié)能技術及原理與軟啟動 智能化發(fā)展 異步電動機中的損耗 異步電動機運行時的損耗主要由以下幾部分組成 :鐵損、銅損、機械損耗以及雜散損耗。鐵損 ( iW )指電機的定子鐵心及轉子鐵心內產(chǎn)生的損耗，由磁滯損耗 ( hW )和渦流損耗 ( eW )組成，可表示為 [10]： )( tfBKBKWWW fehi ???? （ 21） 式中 f —— 電源頻率， Hz B —— 磁通密度， T t —— 鐵心材料薄片厚度， mm 1K 、 2K —— 常數(shù) 銅損 ( cuW )則由轉子銅損 ( 1cuW )和定子銅損 ( 2cuW )組成，可表示為 2222121111 rImrImWWW cucucu ???? （ 22）