【正文】 29 所示。 XX 大學(xué) XX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 圖 28 限流啟動波形 (2)電壓斜坡起動 輸出電壓由小到大斜坡線性上升，將傳統(tǒng)的有級降壓起動變?yōu)闊o級，主要用在重載起動。其缺點是在起動時難以知道起動壓降，不能充分利用壓降空間，損失起動轉(zhuǎn)矩，起動時間相對較長。主要用于輕載起動的降壓起動，其輸出電壓從零開始迅速增長，直到其輸出電流達(dá)到預(yù)先設(shè)定 的電流限值 Im，然后保持輸出電流 不大于該值 的條件下逐漸升高電壓，直到額定電壓 。三相異步電動機(jī)軟起動器擁有多種起動模式，可以滿足不同的起動要求。只有這樣，才能實現(xiàn)異步電動機(jī)的輸入電壓按照預(yù)定規(guī)律變化的要求 [4]。在電機(jī)起動過程中，隨著轉(zhuǎn)速逐漸變大，功率因數(shù)角 ? 也在不斷變化。此時，只要改變晶閘管觸發(fā)角 ? 就可以改變晶閘管的輸出電壓。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)。 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（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。電機(jī)獲得的電壓是非正弦的，但是每相電壓的正負(fù)半周是對稱的。通過按照一定時序調(diào)整六個晶閘管的觸發(fā)角 就可以實現(xiàn)該目標(biāo)。的 雙窄脈沖的觸發(fā)電路。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。 XX 大學(xué) XX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 圖 26 軟起動主回路原理圖 為了方便分析，做以下假定： (1)電源為三相對稱的正弦電壓源，內(nèi)阻抗為零； (2)各晶閘管的特性一致，對稱觸發(fā)，關(guān)斷狀態(tài)時，其阻抗為無窮大；導(dǎo)通狀時壓降為零； (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； (4)穩(wěn)態(tài)運行時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為常數(shù)。本系統(tǒng)軟起動器采用了如圖 26 所示的主電路。為了保證晶閘管的安全，在使用相控晶閘管電路時采用寬脈沖觸發(fā)，移相范圍限制在 ? ≤? 180176。當(dāng) ? ? 時，電 流導(dǎo)通的時間將始終保持在 180176。諧波在異步電機(jī)中會引起附加損耗，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動等不良影響。故在異步電動機(jī)的調(diào)壓控制中，晶閘管調(diào)壓一般采用相位控制。但周波控制用在異步電機(jī)定子上時，通斷交替的頻率不能太低，一方面會引起電動機(jī)轉(zhuǎn)速的波動，另一方面每次接通電流就相當(dāng)于一次異步電動機(jī)的重起動過程。一是高壓產(chǎn)品的價格太高，是液阻軟起動產(chǎn)品的5～ 10 倍，二是晶閘管引起的高次諧波 比 較嚴(yán)重。與液阻軟起動相比，它的體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，維護(hù)量 小 ，功能齊全，菜單豐富，起動重復(fù)性好，保護(hù)周全，這些都是液阻軟起動無法比擬的。目前在 低壓 (380V)內(nèi)，晶閘管軟起動產(chǎn)品價格已經(jīng)下降到液阻軟起動的大約 2 倍 ，甚至更低 。 晶閘管軟起動產(chǎn)品 問 世不過 30 年左右的時間 ， 它是當(dāng)今電力電子器件長足進(jìn)步的結(jié)果。它是軟起動中的一個重要類別。 軟啟動 軟起動可分為有級和無級兩類，前者的調(diào)節(jié)是分檔的，后者的調(diào)節(jié)是連續(xù)的。 XX 大學(xué) XX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 圖 25 異步電動機(jī)的自耦變壓器起動法 自耦變壓器起動適用于容量較大的低壓電動機(jī)作減壓起動用，應(yīng)用 非常 廣泛，有手動及自動控制線路。 若自耦變壓器的變比為 k，與直接起動相比，采用自耦變壓器起動時，其一次側(cè)起動線電流和起動轉(zhuǎn)矩都降低到直接起動的 l／ k2。當(dāng)時間繼電器 KT 延時完畢閉合后， KM1 線圈斷電，使自耦變壓器線圈封星端打開 ； 同時 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 電動機(jī)在全壓下運行?？刂七^程如下：合上空氣開關(guān) Q接通三相電源。 XX 大學(xué) XX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 K M 3K M 1M3~F U 2F U 3F U 1F RQU V WK M 2 圖 24 星 三角形起動法的原理圖 (3)自耦變壓器起動 自耦變壓器起動法就是電動機(jī)起動時，電源通過自耦變壓器降壓后接到電動機(jī)上，待轉(zhuǎn)速上升至接近額定轉(zhuǎn)速時，將自耦變壓器從電源切除，而使電動機(jī)直 接接到電網(wǎng)上轉(zhuǎn)化為正常運行的一種起動方法。 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 )時的 l/ 3 ，故星三角形起動時起動電流及起動轉(zhuǎn)矩均下降為直接起動的 1／ 3。切換至 KM3 閉合，定子繞組改為三角形 (△ )接法，電動機(jī)轉(zhuǎn)為正常運行。接觸器 KM2 和 KM3 互鎖，即其中一個閉合時，必須保證另一個 斷開 。星三角形起動方法雖然簡單，但電動機(jī)定子繞組 的 六個出線端都要引 出 來 ，略顯麻煩 。當(dāng)電機(jī)起動完成時 KM 吸合，短接電阻或電抗 R。 對 于 容量較小的異步電動機(jī)，一般采用定子繞組串電阻降壓 ； 但對于容量較大的異步電動機(jī) ，考慮到串接電阻會造成 銅耗較大，故采用定子繞組串電抗降壓起動。但考慮到起動轉(zhuǎn)矩與 定子繞組電壓的平方成正比，起動轉(zhuǎn)矩會降低的XX 大學(xué) XX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 更多。傳統(tǒng)減壓起動的具體方法很多，這里介紹 以下 三種減壓起動的方法 ： (1)定子串接電阻或電抗起動 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。減壓起動雖然可以減小起動電流，但是 同時 起動轉(zhuǎn)矩也會 減小。 ? ?? ?1111 34stNk v AIK I k w?? ?? ? ?????電 源 總 容 量起 動 電 動 總 功 率 如果不能滿足 上 式的要求，則必須采用減壓啟動的方法，通過減壓，把啟動電流Ist 限制到允許的數(shù)值。 一般 情況下 ，異步電動機(jī)的功率 小 于 7． 5kW 時允許直接起動。XX 大學(xué) XX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 對于需要頻繁起動的電動機(jī)，過大的起動電流 會 造成電動機(jī)的發(fā)熱， 縮短 電動機(jī)的 使用壽命；同時電動機(jī)繞組在電動力的作用下，會發(fā)生變形，可能引起短路進(jìn)而燒毀電動機(jī)；另外過大的起動電流，會使線路 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 甚至使它們停下來或無法帶負(fù)載起動。 直接起動的起動線路是最簡單的，如圖 22 所示。一般情況下，直接起動時起動電流為額定電流的 3～ 8 倍，起動轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn) 矩 的 1～ 2 倍。 直接 起動 直接起動，也叫全壓起動。 三相異步電機(jī)的啟動方法 三相異步電動機(jī)的起動方法 主要有 直接起動、 傳統(tǒng)減壓啟動和軟啟動三種啟動方法。因為在供電變壓器的容量 比 較小 的情況下 ，過大的起動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 運行 。起動電壓較低時，起動轉(zhuǎn)矩較小，電流也較?。环粗绻妷狠^高，則起動轉(zhuǎn)矩較大，但同時起動時的沖擊電流也很大。39。39。emrUpmTf rr x xs?? ????? ? ????????? (211) 剛 起 動時，轉(zhuǎn)子 n=0，轉(zhuǎn)差率 s=1， 此 時啟動轉(zhuǎn)矩為： ? ? ? ?21 1 2221 1 2 1 239。22 39。( ) ( 39。2emem P rpT m Ifs???? (29) 根據(jù) T 形等效電路可得： 122221 1 239。由式 (27)和式 (28)可得： 2 2120139。 39。 c os 39。其中 Pem為： 1 2 2 2 1 2 239。( ) 1 ( 39。139。 39。 基于 T 形等效電路的數(shù)學(xué)模型為： 1 1 1 1 1 1 1 1u E ( ) Zi r jx E i? ? ? ? ? ? ? (21) XX 大學(xué) XX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 22 2 2rE I jxs? （ + ） (22) 1 2 mi i i?? (23) ? ?12E39。 rm代表與定子鐵心損耗所對應(yīng)的勵磁電阻， xm代表與主磁通相對應(yīng)的鐵心磁路的勵磁電抗。在不改變異步電動機(jī)定子繞組中的物理量和異步電機(jī)的電磁性能的前提下，經(jīng)頻率和繞組的 計 算，把異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的頻率、相數(shù)、每相有效串聯(lián)匝數(shù)都?xì)w算成和定子繞組一樣，即可用歸算過的基本方程式推導(dǎo)出異步電動機(jī)的等效電路。 三相 異步電動機(jī)的起動過程的分析 為了研究 三相 異步電動機(jī)的起動時的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩等變量的關(guān)系，進(jìn)而分析異步電機(jī)起動時的電流、起動轉(zhuǎn)矩和所外加電壓的關(guān)系，就要研究電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。 XX 大學(xué) XX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 2 三相 異步電動機(jī)的起動控制 的 研究 交流 三相異步 電動機(jī)的傳統(tǒng)啟動技術(shù)，如定子串電阻 /電抗器啟動 、自耦變壓器降壓啟動、星形 三角形降壓啟動、轉(zhuǎn)子串電阻或頻敏變阻器啟動等，在交流電動機(jī)啟動技術(shù)發(fā)展過程中都有過重要應(yīng)用。 (4)用 PROTEL 繪制系統(tǒng)的原理圖。包括主電路， 觸發(fā)電路， 檢測電路，控制電路，驅(qū)動電路等。 結(jié)合各方面的因素及實際情況，本課題研究的內(nèi) 容主要有： (1)研究三相調(diào)壓軟起動的基本原理，對三相 異步 電動機(jī)的起動電流和起動轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分析，對軟起動控制策略進(jìn)行研究。隨著 數(shù)字直流 PWM 調(diào)壓技術(shù) 的應(yīng)用 ， 以及 采用高性能的單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心， 可以 使 軟啟動器 具有控制快速準(zhǔn)確、響應(yīng)快、運行穩(wěn)定、可靠 等優(yōu) 點。 本課題研究內(nèi)容 軟啟動器本質(zhì)上是一種直流調(diào)壓裝置，用來實現(xiàn)軟啟動、軟停車、實時監(jiān)測以及各種保護(hù)功能。目前，國外對晶閘管三相 交流調(diào)壓電路的研究己 經(jīng) 從對控制電壓 、 控制電機(jī)電流的開環(huán)、閉環(huán)方式，發(fā)展到通過建立比較準(zhǔn)確實用的數(shù)學(xué)模型，找到適用于三相交流調(diào)壓電路電機(jī)負(fù)載的控制方法，從而使三相交流調(diào)壓電路電機(jī)負(fù)載性能更優(yōu) [3]。晶閘管軟起動裝置是發(fā)達(dá)國家軟起動的主流產(chǎn)品，各知名電氣公司均有自己晶閘管軟起動的品牌，在其功能上又各具特色。在沒有調(diào)速要求 使用 的 場合下，起動負(fù)載較輕時 一般 采用晶閘管軟起動。 XX 大學(xué) XX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 目前在國外 ，發(fā)達(dá)國家的電動機(jī)軟起動產(chǎn)品主要是固態(tài)軟起動裝置 ——晶閘管軟起動和兼作軟起動的 變頻器。 近 三十 多年來，國外對晶閘管三相交流調(diào)壓電路進(jìn)行了廣泛的研究，在工業(yè)、農(nóng)業(yè) 領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 要突破傳統(tǒng)的啟動方式，是離不開電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展的。 近三十年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，使無電弧開關(guān)和連續(xù)調(diào)節(jié)電流成為可能。 目前市場上生產(chǎn)的軟啟動器主要以機(jī)械式和三相反并聯(lián)晶閘管方式為主。在技術(shù)上和可靠性上與國外同類產(chǎn)品尚有一定的差距。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 我國軟起動技術(shù)起步于 上世紀(jì) 80 年代 早 期，目前生產(chǎn)電機(jī)啟動器的廠家很多，先后也推出了 多 種品牌的軟起動器。此外，它還具有 多種對電機(jī)保護(hù)功能，這就從根本上解決了傳統(tǒng)的降壓啟動設(shè)備的諸多弊端。晶閘管軟啟動器是一種集軟啟動 、 軟停車 、 輕載節(jié)能和多功能保護(hù)于一體的新穎電機(jī)控制裝備。 該軟啟動設(shè)備平滑了XX 大學(xué) XX 學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 異步電動機(jī)加速過程 ， 大大減緩了對電網(wǎng)及機(jī)械設(shè)備的沖擊。采用這些傳統(tǒng)起動方式起動時降低了加在定子繞組的電壓，起到了一定的限流作用，但仍存在著 很多 問題 ，例如 靠接觸器切換電壓 來 達(dá)到降壓的目的，所以無法從根本上解決起動瞬時電流尖峰的沖擊；起動轉(zhuǎn)矩不可調(diào)，存在二次沖擊電流 ； 對負(fù)載產(chǎn)生沖擊轉(zhuǎn)矩，當(dāng)電網(wǎng)電壓下降時，可能造成電動機(jī)堵轉(zhuǎn)； 容 易造成接觸器觸點的拉弧損壞 。 為了降低起動電流，人們采用 了各種降壓起動技術(shù)。所以，這種 “ 硬起動 ” 不僅會縮短傳動單元和做功機(jī)械設(shè)備的使用壽命，而且過高的起動電流還會引起供電電網(wǎng)的電壓驟然跌落，致使那些對電壓敏感的用電設(shè)備產(chǎn)生負(fù)面影響。同時 ， 由于啟動應(yīng)力較大 ， 使得負(fù)載設(shè)備的使用壽命降低。電動機(jī)起動時刻出現(xiàn)的起動電流一般高出額定電流 3～ 7 倍， 特殊情況下可達(dá)到 10 倍以上， 這樣大的起動電流不僅加重了進(jìn)線供電電網(wǎng)以及接在電動機(jī)前面的開關(guān)電器的負(fù)荷，而且對電網(wǎng)及其負(fù)載造成干擾， 特別是當(dāng)電動機(jī)容量較大時 ， 沖擊電流會對電網(wǎng)及其負(fù)載造成干擾 ，嚴(yán)重時，甚至危害電網(wǎng)的安全運行 [1]。 然而，它是以反電勢為主的負(fù)載，即以反電勢來平衡外加電壓。 但是 ， 由于其固有的啟動性能較差 ，直接起動又容易造成對周圍電網(wǎng)的 影響。 Thyristor。在滿足異步電動機(jī)起動轉(zhuǎn)矩要求及降低起動電流的前提下，使電機(jī)能夠平穩(wěn)可靠起動。 本文設(shè)計的軟起動器操作方便簡單，能夠使電機(jī)順利起動。 本文首先闡述了軟起動器晶閘管調(diào)壓電路 (即主電路 )的工作原理，主要是 基于晶閘管的三相異步電動機(jī)軟啟動器主電路設(shè) 計和 觸發(fā)電路設(shè)計。這種情況對電機(jī)本身及 周圍 電網(wǎng)都有 非常 不利 的 影響。 I 目 錄 摘 要 ...................................................