【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 啟動(dòng)時(shí)接線如圖 13 所示。啟動(dòng)時(shí)先合 3Q，再合 KM1，電動(dòng)機(jī)的定子繞組通過(guò)自耦變壓器接到三相電源上降壓?jiǎn)?dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到接近穩(wěn)定時(shí)，合 KM2，斷 KM1，將自耦變壓器切除，電機(jī)進(jìn)入全壓運(yùn)行狀態(tài)，啟動(dòng)結(jié)束。 圖 13 自耦變壓器原理圖 與電抗器降壓?jiǎn)?dòng)相比，在獲得同樣啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的情況下，自耦變壓器式降壓?jiǎn)?dòng)需電網(wǎng)提供的啟動(dòng)電流較小，對(duì)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(jī)軟啟動(dòng)的技術(shù)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(dòng)的地方。還有電動(dòng)機(jī)抽頭可供不同負(fù)載時(shí)選用。自耦變壓器減壓?jiǎn)?dòng)的主要缺點(diǎn)是在開關(guān)切換的過(guò)程中，仍然有較大的轉(zhuǎn)矩突變，對(duì)電動(dòng)機(jī)及機(jī)械設(shè)備仍有較大的傷害，操作過(guò)電壓方面與電抗器的情況一樣。 星形－三角形（ Y－△） 啟動(dòng) 星形－三角形啟動(dòng)是一種減壓?jiǎn)?dòng)方法，適用這種啟動(dòng)方法的異步電動(dòng)機(jī)，在運(yùn)行時(shí)是連接成三角形，而且每相繞組引出兩個(gè)出線端，三相共引出六個(gè)出線端。在啟動(dòng)時(shí)，先將三相定子繞組連接成星形，待轉(zhuǎn)速接近穩(wěn)定時(shí)再改成三角形。這樣，啟動(dòng)時(shí)連接成星形的定子繞組電壓與電流都只有三角形時(shí)的 31 ，由于三角形連接時(shí)繞組的電流是線路電流的 31 ，而星形連接時(shí)兩者相等。因此，聯(lián)結(jié)成星形啟動(dòng)時(shí)的線路電流只有聯(lián)結(jié)成三角形直接啟動(dòng)時(shí)的 1/3。由于啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 2UT? ， stT 也要降低到直接啟動(dòng)時(shí)的 1/3，因此這種啟動(dòng)方法只適用于空載或輕載啟動(dòng)。圖 14 所示為星形－三角形啟動(dòng)的原理線路圖。當(dāng)啟動(dòng)時(shí)，將開關(guān) Q2 投向“ Y”位置，定子繞組連接為星形連接，電動(dòng)機(jī)減壓?jiǎn)?dòng)；當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速接近穩(wěn)定時(shí)，可將開關(guān) Q2 迅速投向“△”連接，使定子繞組連接成三角形。啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束。電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可直接斷開電源開關(guān) Q1，并應(yīng)立刻斷開開關(guān)Q2，并放在中間位置，否則下次啟動(dòng)時(shí)將造成直接啟動(dòng)，這是不允許的。 圖 14 星三角降壓原理圖 手動(dòng)星形－三角形啟動(dòng)器的結(jié)構(gòu)形式很多，還有自動(dòng)控制線路可供選用，它們的減壓?jiǎn)?dòng)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(dòng)停車。軟啟動(dòng)器帶來(lái)的最大好處是軟停車和制動(dòng)停車，軟停車消除了拖動(dòng)系統(tǒng)的反慣性沖擊，對(duì)于水泵就是“水錘”效應(yīng)，制動(dòng)停車則在一定場(chǎng)合代替了反接制動(dòng)停車功能。 變頻軟啟動(dòng)的原理及應(yīng)用 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書） 8 變頻器是利用交流異步電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速 0n 隨電源頻率變化而變化的特性實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)調(diào)速運(yùn)行的裝置。變頻器產(chǎn)生于 20 世紀(jì) 60 年代。 在 20 世紀(jì) 70 年代，隨著大功率晶體管 (GTR)的問(wèn)世，即場(chǎng)效應(yīng)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(diǎn)： （ a）可很好地實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速； （ b）可方便地進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速和恒功率調(diào)速； （ c）調(diào)速范圍廣、平滑性較好、機(jī)械特性較硬； （ d）可實(shí)現(xiàn)有效的節(jié)能。 變頻軟啟動(dòng)的基本結(jié)構(gòu) 以電壓型交 直 交變頻器結(jié)構(gòu)為例 變頻器主電路： 圖 15 變頻器主電路 主電路 — 為電動(dòng)機(jī)提供調(diào)頻調(diào)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(dòng)、緩沖和平滑直流電壓； 逆變器 — 將直流電變換為頻率可調(diào)的三 (單 )相交流電。 另外，在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，異步電動(dòng)機(jī)的降速和停機(jī)是通過(guò)逐漸減小頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以通常需要加入能耗制動(dòng)環(huán)節(jié)。 變頻軟啟動(dòng)的工作原理 （ 1）異步電機(jī)的調(diào)速方法： 同步轉(zhuǎn)速：pfn 600 ? 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速：pfsn 60)1( ?? 由上式可見，有三種調(diào)速方法： 1)改變極對(duì)數(shù) p ； 2)改變轉(zhuǎn)差率 s ； 3)改變電源頻率 f — 最好的調(diào)速方法。 變頻調(diào)速：有兩種調(diào)速方式：恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速 0ff? ，恒功率調(diào)速 0ff? 交流電機(jī)軟啟動(dòng)的技術(shù)原理與仿真 9 圖 16 轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、頻率關(guān)系圖 （ 2） 變頻調(diào)速器的控制方式： a）恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速（ Nff? （ fV/ 控制方式） 由 mfNU ?? 可知 ：為了保持電機(jī)中的磁通 ? 不變，在變頻的同時(shí)控制變頻器的輸出電壓，即保證 fU/ 為常數(shù)。 由 ?? cos2ICT T? 可知：當(dāng)磁通 ? 不變時(shí)，即可保證轉(zhuǎn)矩 T 基本不變。但這種調(diào)速方式的低速性能較差。 b）恒功率調(diào)速（ Nff? ） 當(dāng) Nff? 時(shí)，若保持電壓 不變而增大頻率時(shí)，磁通 ? 一定會(huì)減小，因而保證功率為一常數(shù)。對(duì)不同的負(fù)載，可采用不同的調(diào)速方式。 圖 17 電壓與頻率關(guān)系圖 （ 3） 變頻器的正弦波脈寬調(diào)制 (SPWM)方式 在現(xiàn)代變頻器中，普遍采用 (SPWM)方式來(lái)實(shí)現(xiàn) fV/ 控制：用一系列脈沖，其脈沖寬度按正弦波進(jìn)行調(diào)制。這種電壓脈沖序列可以大大減小負(fù)載電流中的高次諧波分量。 圖 18 正弦波脈寬調(diào)制 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書） 10 PWM 控制技術(shù)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(dòng)與軟啟動(dòng)的比較 （ a）兩者所具有的功能不同， 軟啟動(dòng)器只有啟動(dòng)一個(gè)功能，但變頻器有三個(gè)功能：?jiǎn)?dòng)、調(diào)速、節(jié)能；但是軟啟動(dòng)器的價(jià)格只有變頻器的十分之一，且軟啟動(dòng)器的啟動(dòng)任務(wù)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(huì)發(fā)熱，這樣會(huì) 減少 其使用壽命。 （ b）兩 者應(yīng)用的條件和場(chǎng)所不同 ，軟啟動(dòng) 適用于重載、不允許有啟動(dòng)沖擊的場(chǎng)合，如水泵、輸煤機(jī)、傳送帶等。 而且用在 啟動(dòng)、停 車 時(shí) ； 并 且 要 對(duì)轉(zhuǎn)矩要求不高 。 如果對(duì)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩有要求 ， 那也只能用變頻器 。 變頻器是用于調(diào)速的場(chǎng)合，比如生活供水，白天用水少，改變頻率，即改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，減少供水；晚上用水量大，頻率增加，轉(zhuǎn)速增加，增加供水 ， 當(dāng)然也可用做起停，但成本相對(duì)會(huì)增高。 （ c） 變頻器可短時(shí)間超載啟動(dòng) ， 而軟啟動(dòng)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(dòng)只是一個(gè)調(diào)壓器，但是現(xiàn)在 國(guó)外的軟啟動(dòng)器有的還可在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行功率因數(shù)的 時(shí)時(shí)監(jiān)控，然后反饋實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，用于節(jié)能 。 不過(guò)現(xiàn)在 兩者界限也越來(lái)越模糊了，主要 是看最后使用有沒(méi)有調(diào)頻的要求 。但是由于變頻器價(jià)格高，所以軟啟動(dòng)器還是被廣泛采用。 交流電機(jī)軟啟動(dòng)的技術(shù)原理與仿真 11 2 晶閘管軟啟動(dòng)技術(shù)原理與節(jié)能 晶閘管軟啟動(dòng)技術(shù)原理 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，國(guó)際上已廣泛采用交流電動(dòng)機(jī)軟啟（制）動(dòng)技術(shù)， 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(jī)軟啟動(dòng)器 。 交流電機(jī)軟啟動(dòng)器是當(dāng)今最先進(jìn)的用于交流電機(jī)啟動(dòng)、停止的高新科技產(chǎn)品。它實(shí)現(xiàn)了交流電機(jī)軟啟動(dòng)、軟停止，功能完善，性能優(yōu)異，能滿足工業(yè)電機(jī)控制的廣泛需要，是降壓、星 三 角等傳統(tǒng)啟動(dòng)控制方式的理想換 代產(chǎn)品。同時(shí)，軟啟動(dòng)控制在空載和輕載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)具有節(jié)能效果。 新型的電子式軟啟動(dòng)器 [8]的主回路一般都采用晶閘管調(diào)壓電路，調(diào)壓電路由六只晶閘管兩兩反向并聯(lián)組成，串接與電動(dòng)機(jī)的三相供電線路上。當(dāng)啟動(dòng)器的微機(jī)控制系統(tǒng)接到啟動(dòng)指令后，便進(jìn)行有關(guān)的計(jì)算，輸出晶閘管的觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)控制晶閘管的導(dǎo)通角β使啟動(dòng)器按所設(shè)計(jì)的模式調(diào)節(jié)輸出電壓，以控制啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程。當(dāng)啟動(dòng)過(guò)程完成后，一般啟動(dòng)器將旁路接觸器吸合，短路掉所有的晶閘管，使電動(dòng)機(jī)直接投入電網(wǎng)運(yùn)行，以避免不必要的電能損耗，軟啟動(dòng)器的控制框圖如圖 21 所示。 圖 21 電子軟啟動(dòng)的基本原理圖 所謂“軟啟動(dòng)”，實(shí)際上就是按照預(yù)先設(shè)定的控制模式進(jìn)行的降壓?jiǎn)?dòng)過(guò)程。目前的軟啟動(dòng)器一般有以下幾種啟動(dòng)方式 [9]： （ 1） 限流軟啟動(dòng) 限流軟啟動(dòng)顧名思義就是在電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程中限制其啟動(dòng)電流不超過(guò)某一設(shè)定值（ mI ）的軟啟動(dòng)方式。主要用在輕載啟動(dòng)和負(fù)載的降壓?jiǎn)?dòng)，其輸出電壓從零開始迅速增長(zhǎng)，直到其輸出電流達(dá)到預(yù)先設(shè)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸升高，直到額定轉(zhuǎn)速。 陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書） 12 這種啟動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)電流小，且可按需要調(diào)整（啟動(dòng)電流的限值 mI 必須根據(jù)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩來(lái)設(shè)定， mI 值設(shè)的過(guò)小，將會(huì)使啟動(dòng)失效或燒毀電機(jī)）啟動(dòng)電流。其缺點(diǎn)是在啟動(dòng)時(shí)難以知道啟動(dòng)壓降，不能充分利用壓降空間，損失啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，啟動(dòng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。 下面介紹三種晶閘管軟啟動(dòng)的方式 ： a）斜坡恒流軟啟動(dòng)： 斜坡恒流軟啟動(dòng)的啟動(dòng)電流逐步平穩(wěn)增加，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩由小逐漸增大（如圖 22 所示）。這樣避免了啟動(dòng)過(guò)程中的沖擊轉(zhuǎn)矩，以及該沖擊轉(zhuǎn)矩對(duì)設(shè)備或電機(jī)的沖擊，在斜坡恒流軟啟動(dòng)中，當(dāng)啟動(dòng)電流增大至所設(shè)的啟動(dòng)電流 I 時(shí)，即將該啟動(dòng)電流保持在設(shè)定的電流值上進(jìn)行啟動(dòng)，直至啟動(dòng)結(jié)束。在這種啟動(dòng)方式的斜坡啟動(dòng)階段中，啟動(dòng)電流的上升變化率是可以任意調(diào)節(jié)的。斜坡恒流軟啟動(dòng)一般適用于輕載或空載的啟動(dòng)。 b）階躍恒流軟啟動(dòng)： 對(duì)于一些要求啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大的設(shè)備如采用斜坡啟動(dòng)就不能正常地進(jìn)行啟動(dòng)，應(yīng)采用階躍恒流軟啟動(dòng)方式， 該方式是在電動(dòng)機(jī)剛啟動(dòng)的瞬間將電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流直接增大至所設(shè)定的啟動(dòng)電流值 I 并保持該電路直至啟動(dòng)完畢，如圖 23 所示。這種啟動(dòng)方式在啟動(dòng)瞬間的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，適用于較大負(fù)載的啟動(dòng)，如一些帶負(fù)載啟動(dòng)的設(shè)備。 c）脈沖恒流軟啟動(dòng)： 該方式是所介紹的啟動(dòng)方式中啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大的一種，該啟動(dòng)方式在啟動(dòng)初始階段有一個(gè)較大的啟動(dòng)沖擊電流，該電流值大于設(shè)定的恒流啟動(dòng)值 I，從而產(chǎn)生較大的沖擊矩去克服較大的靜摩擦轉(zhuǎn)矩，使設(shè)備能夠啟動(dòng)，然后即進(jìn)入恒流啟動(dòng)階段直至啟動(dòng)完畢，如圖 24 所示。在脈沖恒流軟啟動(dòng)方式中的脈沖啟動(dòng)階段電流的幅值 （可為全壓?jiǎn)?dòng)的電流幅值）和維持時(shí)間是可以設(shè)定的。脈沖恒流軟啟動(dòng)方式的啟動(dòng)沖擊轉(zhuǎn)矩大，適用于重載啟動(dòng)。 圖 22 斜坡恒流軟啟動(dòng) 圖 23 階躍恒流軟啟動(dòng) 圖 24 脈沖恒流軟啟動(dòng) （ 2）電壓斜坡啟動(dòng) 電壓斜坡啟動(dòng)輸出電壓由小到大斜坡線性上升，將傳統(tǒng)的降壓?jiǎn)?dòng)變有級(jí)為無(wú)級(jí)，主要用在重載啟動(dòng)。它的缺點(diǎn)是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，轉(zhuǎn)矩特性呈拋物線型上升對(duì)啟動(dòng)不利，并且啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)電機(jī)不利。改進(jìn)的方法是采用雙斜坡啟動(dòng)：輸出電壓先迅速上升至U1， U1 為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng) 所需的最小轉(zhuǎn)矩所對(duì)應(yīng)的電壓值，然后按設(shè)定的速率逐漸升壓，直交流電機(jī)軟啟動(dòng)的技術(shù)原理與仿真 13 至達(dá)到額定電壓。初始電壓及電壓上升率可根據(jù)負(fù)載特性調(diào)整。這種啟動(dòng)方式的特點(diǎn)是啟動(dòng)電流相對(duì)較大，但啟動(dòng)時(shí)間相對(duì)較短，適用于重載啟動(dòng)的電機(jī)。 （ 3）轉(zhuǎn)矩控制啟動(dòng) 轉(zhuǎn)矩控制啟動(dòng)主要用在重載啟動(dòng)，它是按電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩線性上升的規(guī)律控制輸出電壓，它的優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)平滑、柔性好，對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)有利，同時(shí)減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，是最優(yōu)的重載啟動(dòng)方式。它的缺點(diǎn)是啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。 （ 4）轉(zhuǎn)矩加突跳控制啟動(dòng) 轉(zhuǎn)矩加突跳控制啟動(dòng)與轉(zhuǎn)矩控制器啟動(dòng)一樣也是用在重載啟動(dòng)的場(chǎng)合。所不同的是在啟 動(dòng)的瞬間用突跳轉(zhuǎn)矩，克服拖動(dòng)系統(tǒng)的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩，然后轉(zhuǎn)矩平滑上升，可縮短啟動(dòng)時(shí)間。但是，突跳會(huì)給電網(wǎng)發(fā)送尖脈沖，干擾其他負(fù)荷，使用時(shí)應(yīng)特別注意。 （ 5）電壓控制啟動(dòng) 電壓控制啟動(dòng)是用在輕載啟動(dòng)的場(chǎng)合，在保證啟動(dòng)壓降的前提下使電動(dòng)機(jī)獲得最大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，盡可能的縮短啟動(dòng)時(shí)間，是最優(yōu)的輕載軟啟動(dòng)方式。 各種軟啟動(dòng)方式的相應(yīng)啟動(dòng)曲線見下圖： 圖 25 限流啟動(dòng) 圖 26 電壓斜坡軟啟動(dòng) 圖 27 轉(zhuǎn)矩控制啟動(dòng) 圖 28 轉(zhuǎn)矩加突跳控制啟動(dòng) 圖 29電壓控制啟動(dòng) 由上面幾點(diǎn)不難看出，比較好的的啟動(dòng)方式應(yīng)是電壓控制啟動(dòng)和轉(zhuǎn)矩控制啟動(dòng)及轉(zhuǎn)陜西科技大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書） 14 矩加突跳控制啟動(dòng)。 實(shí)際應(yīng)用中，軟啟動(dòng)具有如下優(yōu)點(diǎn)： （ a）啟動(dòng)電流小，通過(guò)調(diào)節(jié)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)低速啟動(dòng)，頻繁啟動(dòng)和軟停止。 （ b）在啟停時(shí)過(guò)度自然，不易傷害設(shè)備，節(jié)電效果良好。 （ c）當(dāng)多臺(tái)同容量電機(jī)工作時(shí)，可采用一臺(tái)電子式軟啟動(dòng)器，操作方便。 （ d）軟啟動(dòng)離線仿真研究可以預(yù)知在硬啟動(dòng)過(guò)程中電機(jī)轉(zhuǎn)速，電流，線電壓和其它機(jī)械特性，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和用戶有重要的指導(dǎo)作用。 軟啟動(dòng)節(jié)能技術(shù)及原理與軟啟動(dòng) 智能化發(fā)展 異步電動(dòng)機(jī)中的損耗 異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的損耗主要由以下幾部分組成 :鐵損、銅損、機(jī)械損耗以及雜散損耗。鐵損 ( iW )指電機(jī)的定子鐵心及轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)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(zhuǎn)子銅損 ( 1cuW )和定子銅損 ( 2cuW )組成，可表示為 2222121111 rImrImWWW cucucu ???? （ 22）