【正文】 制啟動與轉(zhuǎn)矩控制器啟動一樣也是用在重載啟動的場合。 （ 3）轉(zhuǎn)矩控制啟動 轉(zhuǎn)矩控制啟動主要用在重載啟動，它是按電動機的啟動轉(zhuǎn)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。初始電壓及電壓上升率可根據(jù)負載特性調(diào)整。它的缺點是啟動轉(zhuǎn)矩小，轉(zhuǎn)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。脈沖恒流軟啟動方式的啟動沖擊轉(zhuǎn)矩大，適用于重載啟動。 c）脈沖恒流軟啟動： 該方式是所介紹的啟動方式中啟動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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。 b）階躍恒流軟啟動： 對于一些要求啟動轉(zhuǎn)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。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(diào)節(jié)的。 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(zhuǎn)矩由小逐漸增大（如圖 22 所示）。 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(diào)整（啟動電流的限值 mI 必須根據(jù)電動機的啟動轉(zhuǎn)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。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。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。 新型的電子式軟啟動器 [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，串接與電動機的三相供電線路上。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。 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 。 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(diào)頻的要求 。 （ c） 變頻器可短時間超載啟動 ， 而軟啟動很難 做 到 。 如果對啟動轉(zhuǎn)矩有要求 ， 那也只能用變頻器 。 （ 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。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。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。對不同的負載，可采用不同的調(diào)速方式。但這種調(diào)速方式的低速性能較差。 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? 交流電機軟啟動的技術原理與仿真 9 圖 16 轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、頻率關系圖 （ 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)。 另外，在變頻調(diào)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(diào)頻調(diào)壓電源的電力變換部分。 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(zhuǎn)速 0n 隨電源頻率變化而變化的特性實現(xiàn)電動機調(diào)速運行的裝置。 停車方式有三種：一是自由停車，二是軟停車，三是制動停車。電機停止轉(zhuǎn)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。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(zhuǎn)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。由于啟動轉(zhuǎn)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。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。 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。還有電動機抽頭可供不同負載時選用。 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(zhuǎn)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。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。具體應用還可根據(jù)實際情況向廠家定購。通過自 耦 變壓器，又使從電網(wǎng)吸取的電流降低到： stx IWWIWWI212121 ?????????????????? (17) 另外，由于 11 )/( UWWU sx ? ， 2UT? ，故啟動轉(zhuǎn)矩降低為 sts TWW 21)/( ， stT 為全壓 1U啟動時的啟動轉(zhuǎn)矩。 圖 12 自耦變壓器的減壓原理圖 電壓和電流，即電網(wǎng)電壓和電流； xU 和 xI 分別表示變壓器的二次電壓和電流，亦即電動機定子的電壓和電流； 1W 和 2W 分別表示變壓器的一次繞組和二次繞組匝數(shù)（ 2W即抽頭部分的匝數(shù)）。 自耦變壓器降壓啟動 自耦變壓器降壓啟動是利用自耦變壓器降低加到電動機定子繞組的電壓，以減小啟動電流。對 電網(wǎng)的影響也未達到最低。電抗器適于電網(wǎng)電壓和負載 (啟動時 )比較穩(wěn)定的情況。 交流電機軟啟動的技術原理與仿真 5 圖 11 定子串電阻原理圖 串電抗器啟動時，串入電抗器之前電機速度為零，故這時要 求的 Im較大，這就要求串入電抗器后電機的端電壓不能太小，一般選擇在 左右，其啟動電流也在直接全壓啟動電流的 倍左右。 定子串電阻或電抗器減壓啟動 串電抗器后，啟動電流成正比減小，啟動轉(zhuǎn)矩則成平方關系地減小，因此電抗器阻值的選擇必須依據(jù)電機啟動時阻力矩的情況，只有啟動轉(zhuǎn)矩大于阻力矩電機才能順利啟動。 型異步電動機減壓啟動方法 籠型異步電動機為封閉轉(zhuǎn)子，降壓只能在定子端考慮，綜合各種文獻，可 知減壓啟動方法大致有三種。三相交流異步電動機有繞線轉(zhuǎn)子和鼠籠轉(zhuǎn)子。如果不滿足上式要求，則必須采取減壓啟動的方法。如果電機功率大于，而電源總容量較大，能符合下 式要求者，電動機也允許直接啟動 。 （ c）當有調(diào)速要求時，電動機的啟動方式應與調(diào)速方式相配合。 第 條 籠型電動機和同步電動機的啟動方式選擇，應符合下列規(guī)定： （ a）當符合下列條件時，電動機應全壓啟動： a）電動機啟動時，配電母線的電壓應符合本規(guī)范第 條的規(guī)定； b）機械能承受全壓啟動時的沖擊力矩； c）制造廠對電動機的啟動方式無特殊規(guī)定。 （ b）配電母線上未按照明或其它對電壓波動較敏感的負荷，且電動機不頻繁啟動，陜西科技大學畢業(yè)論文（設計說明書） 4 不宜低于額定電壓的 80%。這個前提是對具體電動機在具體的電網(wǎng)中，選擇合適的啟動方式。最后，直接啟動對容量較小的電網(wǎng)造成較大的電網(wǎng)壓降，影響其它同電網(wǎng)負載工作。首先，直接啟動沖擊電流大（可達額定電流的 5～ 8 倍 ），繞組流過較大電流產(chǎn)生大量的熱量，使絕緣老化，縮短電機壽命。最后，直接啟動速度快，響應時間 短，能以最短時間達到額定轉(zhuǎn)速。首先，直接啟動設備簡單，不需額外添加啟動設備，降低成本和維修費用。 交流電機啟動方式選擇 三相交流異步電動機有多種啟動方式，全壓啟動是最直接的一種啟動方式。 （ d）轉(zhuǎn)矩加突跳控制啟動：在啟動的瞬間用突跳轉(zhuǎn)矩，用在重載場合。 （ b）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。目前的軟啟動器一般有以下幾種啟動方式： （ a） 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。同時， 軟啟動控制在空載和輕載運轉(zhuǎn)時具有節(jié)能效果。而且，它的體積大、重量重，且要消耗較多有色金屬，故障率高，維修費用高。由于配電系統(tǒng)中的電流 (即自耦變壓器原邊電流 )與電動機中的電流(即自耦變 壓器副邊電流 )之比是 1： 2，降壓啟動時，配電系統(tǒng)的電流時是全啟動時的 1/4，除此之外，它的啟動電壓可以選擇，選擇 、 或 以適應不同負載的要求。這種啟動方式，降低了電動機的啟動電壓和啟動電流。 （ 4）自耦變壓器降壓啟動方式： 自耦變壓器降壓啟動，是將自耦變壓器的原邊接入供電系統(tǒng)，副邊 (即原邊繞組的一部分 )接到電動機的定子繞組上。當啟動完成后，切除外加電阻。 （ 3）轉(zhuǎn)子串電阻降壓啟動方式： 轉(zhuǎn)子串電阻降壓啟動只是用于轉(zhuǎn)子為繞組式的異步電機。從而有效抑制交流電機啟動沖擊電流，減小啟動沖擊轉(zhuǎn)矩。 （ 2）定子串電阻降壓啟動方式： 在定子三相繞組串入電阻或電抗器，可在電動機啟動時分擔電壓，在電動機速度到達額定轉(zhuǎn)速后，切除串接電阻或電抗器。電機繞組星型連接時，其繞組中電流就是配電系統(tǒng)中的電流，配電系統(tǒng)電流為線電流，相電流為線電流的 31 。下來介紹下這幾種 啟動技術的優(yōu)缺點及適用范圍[3]： （ 1） Y— △降壓啟動方式： Y－△降壓啟動是將電動機定子的三相繞組接成星型啟動，待電動機速度達到額定轉(zhuǎn)速后，再換接成三角形轉(zhuǎn)入正常運行。 傳統(tǒng)的啟動技術 三相交流異步電機一般不采用直接啟動的情況下可以考慮傳統(tǒng)的降壓啟動方式。對于中、大功率的電動機一般都不允許直接啟動，而要求采用一定的啟動設備，方可完成正常的啟動工作。 這三種沖擊都對設備的安全可靠運行帶來威脅，同時也造成過大的啟動能量損耗，尤其當頻繁起停時更為突出。 （ b） 對機械的沖擊：過 大的沖擊轉(zhuǎn)矩往往造成電機轉(zhuǎn)子籠條，端環(huán)斷裂和定子端部繞線絕緣磨損，導致?lián)舸龣C；轉(zhuǎn)軸扭曲，聯(lián)軸節(jié)，傳動齒輪損傷和皮帶撕裂等。 但是直接啟動有著不可避免的危害，并且存在很大的弊端，在這里我們就簡單得從以 下幾個方面看一下直接啟動的弊端： （ a） 對電網(wǎng)的沖擊： 過大的啟動電流（空載啟動電流可達額定電流的 4～ 7 倍 [2]，負載啟動時可達 8～ 10 倍或更大），其轉(zhuǎn)速要在很短的時間內(nèi)從零升至額定轉(zhuǎn)速，會在啟動過程中產(chǎn)生沖擊，造成電網(wǎng)電壓下降，影響其他用電設備，還可能引起欠壓保護動作，造成設備的有害跳閘。 交流電機直接啟動的弊端及限制條件 直接啟動是最簡便的啟動方式，啟動時通過閘刀或接觸器將電機直 接接到電網(wǎng)上。傳統(tǒng)的停止制動方式采用自然停止或抱閘制動等停止方式，自然停止對泵類負載 “ 水錘 ” 沖擊嚴重，危害管網(wǎng)；抱閘制動，產(chǎn)生機械震動激烈，危害設備。啟動時電流很大，啟動電流可高達額定電流的 5～ 8 倍，這對電網(wǎng)、負載機械和電動機造成巨大沖擊，影響電動機和其拖動設備的使用壽命，也造成電網(wǎng) 電壓突降，直接影響在電網(wǎng)用電的其它用電設備的正常工作。 關鍵字： 交流電機，軟啟動，仿真， matlab，節(jié)能 II Simulating and Analysis about Softstarting Theory of Induction Motor ABSTRACT This article first elaborated the alternating current machine line start, elaborated the line start harm like electrical work impact, the machinery impact, to produces the machinery to have the impact and so on, narrated the alternating current machine line start limiting condition。 再次借助 Matlab/Simulink 工具箱和電氣系統(tǒng)模塊庫 (Power System Blockset)對交流電機的軟啟動過程進行仿真研究，建立了三相交流電壓環(huán)節(jié)模塊、同步環(huán)節(jié)模塊、脈沖發(fā)生模塊、三相交流調(diào)壓模塊、電機及測量模塊、電流反饋、啟動控制和