【文章內(nèi)容簡介】 式（鼠籠式異步電機(jī)）、繞線式異步電動(dòng)機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)是各類電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用最廣、需要量 最大的一種。各國的以電為動(dòng)力的機(jī)械中，約有 90％左右為異步電動(dòng)機(jī)，其中小型異步電 動(dòng)機(jī)約占 70％以上。在電力系統(tǒng)的總負(fù)荷中，異步電動(dòng)機(jī)的用電量占相當(dāng)大的比重。在中 國，異步電動(dòng)機(jī)的用電量約占總負(fù)荷的 60％多。 電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)是交流電機(jī)最基本、最重要的一個(gè)問題 ,它同電機(jī)的調(diào)速同等重要。從三 相異步電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性的分析可知 ,如果在額定電壓下直接起動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī) ,由于 最初起動(dòng)瞬間主磁通 m 約減少到額定值的一半 ,功率因數(shù) 當(dāng)大 ,其起動(dòng)電流約為額定電流的 4~7 倍 ,而起動(dòng)力矩并不大。 又很低 ,造成了起動(dòng)電流相 電動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)起動(dòng)裝置主要有 : “YΔ ”起動(dòng)器、自藕降壓起動(dòng)器、飽和電抗器。傳統(tǒng) 的降壓起動(dòng)設(shè)備在很大程度上緩解了大容量電機(jī)在較小容量電網(wǎng)上起動(dòng)時(shí)的矛盾，但是它們 只是相對(duì)減小了大電流的沖擊并未在本質(zhì)上解決問題。而且這些起動(dòng)設(shè)備還有一些固有的缺 點(diǎn)，如對(duì)負(fù)載適應(yīng)能力差、起動(dòng)電流不連續(xù)、維修工作量大等等。隨著工業(yè)現(xiàn)場對(duì)自動(dòng)化、 機(jī)械化要求的提高，此類 矛盾日益突出。 異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程的長短也是需要考慮的問題。在整個(gè)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中，電磁轉(zhuǎn)矩 大于負(fù)載的反轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)加速運(yùn)轉(zhuǎn)。在相同的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量下轉(zhuǎn)矩的差額越大，機(jī)組加速越快。 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的機(jī)械起動(dòng)就較慢，對(duì)于重復(fù)起動(dòng)的生產(chǎn)機(jī)械來說，起動(dòng)過程的時(shí)間長短對(duì)勞動(dòng) 生產(chǎn)率的影響是很大的，因而對(duì)不同的生產(chǎn)過程，對(duì)電動(dòng)機(jī)有不同的起動(dòng)時(shí)間要求。 過去的起動(dòng)裝置大多采用接觸器，屬于有觸點(diǎn)系統(tǒng)，容易磨損引發(fā)故障，起動(dòng)特性不 好。為了達(dá)到無觸點(diǎn)控制，獲得靈活多變的良好的起動(dòng)特性，在 80 年代初期鼠籠型異步電 動(dòng)機(jī)電子軟 起動(dòng)器誕生。軟起動(dòng)控制器是一種新型節(jié)能設(shè)備，在歐美國家已得到大量的應(yīng)用。 它利用晶閘管交流調(diào)壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)降壓起動(dòng)，以后又融入了功率因素控制技術(shù)，在控制裝置的 研究上，正圍繞著提高起動(dòng)力矩、實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控、完善檢測和自診斷功能以及提 高產(chǎn)品可靠性、改進(jìn)制造工藝、降低成本等方面努力。 電子軟起動(dòng)器采用使定子電壓逐漸增大至額定電壓的方法，使交流異步電機(jī)平滑起動(dòng)， 減少交流異步電機(jī)的起動(dòng)電流，降低起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。由于三相交流異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn) 矩與定子電壓的平方成正比，當(dāng)定子電壓降低時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩就會(huì)降低很 多，而電子軟起動(dòng)器 是采用降壓起動(dòng)，降壓并不降頻，所以利用傳統(tǒng)電子軟起動(dòng)器起動(dòng)三相交流異步電機(jī)時(shí)，電 磁轉(zhuǎn)矩很小。電磁轉(zhuǎn)矩小的特點(diǎn)限制了電子軟起動(dòng)器的應(yīng)用范圍。 1 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)論文 本文介紹的分級(jí)變頻，可以使傳統(tǒng)電子軟起動(dòng)器在降低定子電壓的同時(shí)降低定子電壓的 頻率，按同步轉(zhuǎn)速由低到高分級(jí)起動(dòng)，減小起動(dòng)過程的能量損耗，克服傳統(tǒng)電子軟起動(dòng)器電 磁轉(zhuǎn)矩小的缺點(diǎn)，可以使電機(jī)在全負(fù)載的情況下平滑起動(dòng)和短時(shí)運(yùn)行于低速狀態(tài)。另外，分 級(jí)變頻還可以使電子軟起動(dòng)器輸出負(fù)相序電壓，使電機(jī)處于電磁制 動(dòng)狀態(tài)。 傳統(tǒng)軟起動(dòng)器原理概述 傳統(tǒng)軟起動(dòng)的實(shí)質(zhì)是降壓起動(dòng) ,與 “YΔ ”起動(dòng)和自藕降壓起動(dòng)的工作原理是一樣的 , 不同之處在于電壓并非突變而是利用無觸點(diǎn)電子開關(guān)控制其電壓平穩(wěn)上升 ,設(shè)備力矩以電壓 上升速度的平方上升 (電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩近似與定子電壓的平方成正比 )。它的主要構(gòu)成是串接于電 源與被控電機(jī)之間的三相反并聯(lián)晶閘管及其電子控制電路。 用單片機(jī)控制觸發(fā)角的大小 ,改變電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電壓的大小。運(yùn)用不同的方法 ,控制三相反 并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通角 ,使被控電機(jī)的輸入電壓按不同的要求而變化 ,從而實(shí)現(xiàn)不同的功 能。當(dāng) 起動(dòng)完成后 ,由程序控制將接觸器閉合 ,短接所有晶閘管 ,使電機(jī)直接投網(wǎng)運(yùn)行 ,以避免在元 件上的持續(xù)損耗 ,同時(shí)也避免了相控元件引起的電流波形畸變及功率因數(shù)低等問題。 “軟起 動(dòng) ”實(shí)質(zhì)上就是按照預(yù)先設(shè)定的控制模式進(jìn)行的降壓起動(dòng)過程。傳統(tǒng)的軟起動(dòng)控制有限流起 動(dòng)，斜坡電壓起動(dòng)，轉(zhuǎn)矩控制起動(dòng)，轉(zhuǎn)矩加突跳起動(dòng)等等。 傳統(tǒng)的軟起動(dòng)器和變頻器是兩種完全不同用途的產(chǎn)品。變頻器是用于需要調(diào)速的地方， 其輸出不但改變電壓而且同時(shí)改變頻率 。軟起動(dòng)器實(shí)際上是個(gè)調(diào)壓器，用于電機(jī)起動(dòng)時(shí)，輸 出只改變電壓并沒有改變頻率。變頻器具備所 有軟起動(dòng)器功能，但它的價(jià)格比軟起動(dòng)器貴得 多，結(jié)構(gòu)也復(fù)雜得多。 分級(jí)變頻高轉(zhuǎn)矩軟起動(dòng)器原理概述 分級(jí)變頻就是使軟起動(dòng)器能像變頻器一樣實(shí)現(xiàn)變頻，在電機(jī)起動(dòng)過程中，使電壓頻率從 一個(gè)比較小初值分級(jí)逐步增大至 50Hz，從而提高低電壓時(shí)的轉(zhuǎn)矩。但是分級(jí)變頻并不能使 軟起動(dòng)器的輸出電壓頻率連續(xù)地變化，它只能產(chǎn)生工頻的幾分頻 (即工頻的幾分之一 )，使頻 率分步離散地增加 :~10Hz~ ~~25Hz~50Hz。進(jìn)行最后一次頻率切 換 (25Hz~50Hz)時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速約為額定轉(zhuǎn)速的一半，起動(dòng)過程并沒有結(jié)束，所以切換到 50Hz 后，仍采用傳統(tǒng)的軟起動(dòng)方法繼續(xù)起動(dòng)，即改變觸發(fā)角，逐漸增大定子繞組的端電壓。雖然 分級(jí)變頻的后半部分是和傳統(tǒng)的軟起動(dòng)方法一樣的，但是它改善了軟起動(dòng)器控制低速運(yùn)行的 電機(jī)的能力，使電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)，電流較小，轉(zhuǎn)矩較大，所以采用分級(jí)變頻的軟起動(dòng)控制 器可以使帶額定負(fù)載起動(dòng)的電機(jī)實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)。 2 本文的主要內(nèi)容 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)論文 本文研究多級(jí)降頻的變頻高轉(zhuǎn)矩軟起動(dòng)器，使得起動(dòng)轉(zhuǎn)矩提 高進(jìn)行了仿真研究。本文第 二章詳細(xì)介紹了傳統(tǒng)軟起動(dòng)器的起動(dòng)原理及運(yùn)行方式等 。第三章對(duì)分級(jí)變頻理論進(jìn)行深入的 分析 。第四章是利用 MATLAB 對(duì)分級(jí)變頻起動(dòng)過程進(jìn)行建模及仿真，驗(yàn)證理論的可行性 。結(jié)論 部分總結(jié)了本文主要完成的工作和取得的研究成果，并對(duì)軟起動(dòng)器的進(jìn)一步研究進(jìn)行了展 望。 3 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)論文 2 異步電機(jī)軟起動(dòng)器基本原理分析 異步電機(jī)的起動(dòng)性能分 析 鼠籠式異步電機(jī)雖然有構(gòu)造簡單、價(jià)格低廉、維護(hù)方便、效率與功率因素等指標(biāo)較高等 優(yōu)點(diǎn)，但也存在起動(dòng)特性較差的缺點(diǎn)。 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能包括下列幾項(xiàng)： (1)起動(dòng)電流倍數(shù) Ist/ IN； (2)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù) Tst/ IN； (3)起動(dòng)時(shí)間； (4)起動(dòng)時(shí)繞組中消耗的能量和繞組的發(fā)熱； (5)起動(dòng)設(shè)備的簡單性和可靠性； (6)起動(dòng)時(shí)的過渡過程。 最重要的是起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小。為了使電機(jī)能夠轉(zhuǎn)動(dòng)起來，并很快達(dá)到額定轉(zhuǎn) 速正常工作，要求電動(dòng)機(jī)且有足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩且起動(dòng)電流不能太大，以免電網(wǎng) 產(chǎn)生過大的 電壓降落而直接影響接在電網(wǎng)上的其他電機(jī)和電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。因此，總是希望在起動(dòng) 電流比較小的情況下，能獲得較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)如不采取任何措施而直接投入電網(wǎng)起 動(dòng)時(shí)，往往不能滿足上述要求，因?yàn)樗钠饎?dòng)電流過大，約為額定電流的 47 倍。 圖 21 異步電機(jī)等效電路圖 起動(dòng)電流很大的原因，從物理現(xiàn)象看，起動(dòng)時(shí) n=0， s=l，旋轉(zhuǎn)磁場以同步轉(zhuǎn)速切割轉(zhuǎn)子， 在短路的轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)很大的電動(dòng)勢和電流，引起與它平衡的定子電流的負(fù)載分量也跟著 急劇增加，以致定子電流很大 。從等效電路來看，正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)差率 s 很小 (~)，所 以凡 RS/ s 很大，從而限制了定、轉(zhuǎn)子電流，但起動(dòng)時(shí) s=1， RS/ s 很小，隨之整個(gè)電動(dòng)機(jī) 的等效阻抗很小，所以起動(dòng)電流很大。對(duì)于起動(dòng)電流很大，但起動(dòng)轉(zhuǎn)矩卻不大，因?yàn)殡姶呸D(zhuǎn) 矩 Tem??CT?mI2cos?2；起動(dòng)時(shí)， s=1，轉(zhuǎn)子頻率 (轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢的頻率 ) f2?? f1， 4 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)論文 轉(zhuǎn)子漏電抗 X2????2?f2L2??。遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)子電阻 R2，使轉(zhuǎn)子功率因數(shù)角 ????arctan( / ) X2?R2 接近 900， cos?2很小，所以盡管 I2很大，但其有功分量 I2cos?2卻不大；其次，由于 起 動(dòng) 電 流 很 大 ， 定 子 繞 組 的 漏 阻 抗 壓 降 增 大 ， 使 感 應(yīng) 電 動(dòng) 勢 E1減 小 ， 主 磁 通 中 ?? ???E1 m f N K : 隨 之 減 小 。 ?m變 小 ， I2 c o s2不 大 ， 所 以 起 動(dòng) 轉(zhuǎn) 矩 1 T N1 Tem??CT?mI2cos????2 并不大。 利用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的較準(zhǔn)確 ??形等效電路 (圖 21)，可以分析出起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 Tst： (忽略勵(lì)磁 支路 ) 2 39。 Tst ?? ???2 f ??????????m pU R 1 1 2 39。 ?2????R X 1????????X39。 1 2???2???? (21) 1R1 1 2 式表明 :(1)電源頻率和電機(jī)參數(shù)不變時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和電源電壓平方成正比。 (2)當(dāng)電源的頻率和電壓一定時(shí)，漏電抗 ( X1?? ???1X2??)越小， 則起動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大。 (3)對(duì)于繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，在轉(zhuǎn)子回路內(nèi)串入適當(dāng)附加電阻 RST，可提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，當(dāng) 39。 轉(zhuǎn)子回路總電阻的折算值 (39。39。 R2??Rst)等于電機(jī)的總漏抗 ( X1?? ??X2?? )時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大 值，等于最大電磁轉(zhuǎn)矩。 (4) X1??和 X239。??隨電源頻率的降低而減小，所以起動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨電源頻的降低而增大。 異步電機(jī)的幾種起動(dòng)方法 異步電機(jī)的直接起動(dòng)法與降壓起動(dòng)法 (1)直接起動(dòng) 直接起動(dòng)是最簡單的起動(dòng)方式 ,起動(dòng)時(shí)通過閘刀或接觸器將電動(dòng)機(jī)直 接接到電網(wǎng)上。直 接起動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)設(shè)備簡單 ,起動(dòng)速度快。但是 ,直接起動(dòng)危害很大 ,主要表現(xiàn)在 : ① 電網(wǎng)沖擊 :過大的起動(dòng)電流 (空載起動(dòng)電流可達(dá)額定電流的 4~7 倍 ,帶載起動(dòng)時(shí)可達(dá) 8~10 倍或更大 ),會(huì)造成電網(wǎng)電壓下降 ,影響其它用電設(shè)備的正常運(yùn)行 ,還可能使欠壓保護(hù)動(dòng) 作 ,造成設(shè)備的有害跳閘。同時(shí)過大的起動(dòng)電流會(huì)使電機(jī)繞組發(fā)熱 ,從而加速絕緣老化 ,影響 電機(jī)壽命。 ② 機(jī)械沖擊 :過大的沖擊轉(zhuǎn)矩往往造成電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子籠條、端環(huán)斷裂和定子端部繞組絕緣 5 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)論文 磨損 ,導(dǎo)致?lián)?穿燒機(jī) ,轉(zhuǎn)軸扭曲 ,聯(lián)軸節(jié)、傳動(dòng)齒輪損傷和皮帶撕裂等。 ③ 對(duì)生產(chǎn)機(jī)械造成沖擊 :起動(dòng)過程中的壓力突變往往造成泵系統(tǒng)管道、閥門的損傷 ,縮短 使用壽命 ,影響傳動(dòng)精度 ,甚至影響正常的過程控制。 所有這些均給設(shè)備的安全可靠運(yùn)行帶來威脅 ,同時(shí)也使起動(dòng)能量損耗 ,尤其當(dāng)頻繁起停 時(shí)更是如此。因此對(duì)電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)有以下限制條件 :① 生產(chǎn)機(jī)械是否允許拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)直接 起動(dòng) ,這是先決條件 。② 電動(dòng)機(jī)的容量應(yīng)不大于供電變壓器容量的 10~15%。③ 起動(dòng)過程中的 電壓降 △ U 應(yīng)不大于額定電壓的 15%。對(duì)于中、大功率的電動(dòng)機(jī)一般都不允許 直接起動(dòng) ,而要 求采用一定的起動(dòng)設(shè)備 ,方可完成正常的起動(dòng)操作。 (2)降壓起動(dòng) 降壓起動(dòng)的目的是減小起動(dòng)電流 ,但它同時(shí)也使起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降了。關(guān)于重載起動(dòng) ,對(duì)帶有 大的峰值負(fù)載的生產(chǎn)機(jī)械 ,就不能用這種方式起動(dòng)。傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)有以下幾種方法 : ① 星形 /三角形轉(zhuǎn)換器 :這種方法適用于正常運(yùn)行時(shí)定子繞組采用 △ 接法的電動(dòng)機(jī)。定子 有 6 個(gè)接頭引出 ,接到轉(zhuǎn)換開關(guān)上 ,起動(dòng)時(shí)采用星形接法 ,起動(dòng)完畢后再切換成 △ 接法。起動(dòng) 電壓為 220 V,運(yùn)行電壓為 380 V。這種起動(dòng)設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)設(shè)備簡單 ,起動(dòng)過程中消耗能 量少 。缺點(diǎn)是有二次電流沖擊 ,設(shè)備故障率高 ,需要經(jīng)常維護(hù) ,因此在頻繁起動(dòng)的設(shè)備上不宜 使用。在轉(zhuǎn)換過程中 ,由于瞬變電勢和電動(dòng)機(jī)剩磁產(chǎn)生的電勢往往與電源電壓有相位差 ,嚴(yán)重 時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓相加 ,引起過大的沖擊電流和電磁轉(zhuǎn)矩 ,因此大大地限制了它的使用。由于起動(dòng) 電壓為運(yùn)行電壓的 1/ ,故其起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的 1/3,只能用在空載或輕載 (負(fù)載率小 于 1/3)起動(dòng)的設(shè)備上。在電動(dòng)機(jī)輕載或空載運(yùn)行時(shí) ,也可利用該起動(dòng)設(shè)備做降壓運(yùn)行 ,以提 高電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和效率。 ② 自耦變壓器降壓起動(dòng) :三相自耦變壓器（也稱補(bǔ)償器 )高壓邊 接電網(wǎng) ,低壓邊接電動(dòng)機(jī) ,