【正文】 技大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)生畢業(yè)論文用紙 第 5 頁(yè) 3. 自耦變壓器起動(dòng) 這種起動(dòng)方法是利用一臺(tái)降壓的自耦變壓器又稱起動(dòng)補(bǔ)償器，使加在定子繞組上的電壓降低，待起動(dòng)完畢后，再把電動(dòng)機(jī)直接接到電源。 ??Y 起動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，故 Y 系列中 KW4 以上的電動(dòng)機(jī)，定子繞組都按 ? 接法設(shè)計(jì)，以便采用 ??Y 起動(dòng)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)定子繞組改為星形接法起動(dòng)時(shí)，這時(shí)施加在定子每相繞組上的電壓降為31UUY ?，因此 Y 接法時(shí)起動(dòng)電流kstY ZUI 31? ，可見 ??Y 起動(dòng)時(shí)，電源供給的起動(dòng)電流僅為 ?接法直接起 動(dòng)時(shí)的 31 。 設(shè)電動(dòng)機(jī)每相短路阻抗 kZ 為常值。 2. 星型－三角型轉(zhuǎn)換降壓起動(dòng)（ ??Y ）， ??Y 起動(dòng)的方法只適用于正常運(yùn)行時(shí)定子繞組接成三角形的電動(dòng)機(jī)。如果起動(dòng)時(shí)電機(jī)端電壓降到額定電壓的 k1 倍，則起動(dòng)電流降到額定電壓時(shí)起動(dòng)電流的 k1 倍，但起動(dòng)轉(zhuǎn)矩降到原來(lái)的21k倍。由于起動(dòng)時(shí)定子繞組串入的電抗器起到分壓作用，使加在電機(jī)上的端電壓降低，故減小了起動(dòng)電流?？梢?，這種起動(dòng)方法只能適用于對(duì)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求不高的場(chǎng)合，例如用于驅(qū)動(dòng)離心泵、風(fēng)機(jī)等。如果直接起動(dòng)引起電壓降落超過(guò) %15 ，可采用降壓起動(dòng)的方法 降壓起動(dòng) 降壓起動(dòng)就是降低電機(jī)端電壓的方法來(lái)限制起動(dòng)電流，待起動(dòng)完畢后，再切換到額定端電壓下運(yùn)行。因?yàn)?，按?guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB75565 規(guī)定，異步電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力 ?Mk ，這樣，當(dāng)供電電源電壓降低 %15 時(shí)，接在同一電源上的其它異步電動(dòng)機(jī)的最大電磁轉(zhuǎn)矩變?yōu)镹Ne MMM 2m a x ???? ,此時(shí)尚能在額定轉(zhuǎn)矩的負(fù)載下運(yùn)行。但是否采用此法起動(dòng)，主要取決于供電變壓器容量的大 小。一般籠型異步電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí)的電流倍山東科技大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)生畢業(yè)論文用紙 第 3 頁(yè) 數(shù)為 7~5?Nst II ，這往往不能滿足起動(dòng)要求。這種起動(dòng)方法的優(yōu)點(diǎn)是所需設(shè)備少，線路簡(jiǎn)單，但起動(dòng)電流大。 直接起動(dòng) 在電力拖動(dòng)中使用最廣泛的電動(dòng)機(jī)時(shí)三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，小容量的鼠籠異步電動(dòng)機(jī)一般都可以直接起動(dòng)。對(duì)異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的基本要求有：足夠大的起動(dòng)倍數(shù)Nstst MMK ? ；盡可能小的起動(dòng)電流倍數(shù) NstII ；起動(dòng)時(shí)間短，能符合生產(chǎn)技術(shù)要求；起動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠等。 異步電機(jī)的起動(dòng) 鼠籠式異步電機(jī)起動(dòng)和直流電動(dòng)機(jī)一樣，異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械在起動(dòng)過(guò)程中，要求電動(dòng)機(jī)具有足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使生產(chǎn)機(jī)械較快地達(dá)到正常運(yùn)行；同時(shí)又希望起動(dòng)電流不要太大，以免過(guò)大的起動(dòng)電流引起電源電壓的下降，從而影響接在電網(wǎng)上的其他電氣設(shè)備的正常 工作。由于輸送帶成本在山東科技大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)生畢業(yè)論文用紙 第 2 頁(yè) 帶式輸送機(jī)整機(jī)費(fèi)用中占 40%～ 60%,因而采取有效措施控制起動(dòng)張力 ,降低輸送帶強(qiáng)度 ,具有很可觀的經(jīng)濟(jì)效益。 (3) 由于大功率、高帶速的直接起動(dòng) ,使輸送帶的動(dòng)張力增加了好幾倍 ,對(duì)輸送機(jī)的元部件產(chǎn)生較大的沖擊 ,影響了各元部件、膠帶及整機(jī)的穩(wěn)定性及使用壽命。由于帶載起動(dòng) ,且?guī)佥^高 ,起動(dòng)時(shí)間過(guò)短會(huì)引發(fā)物料與輸送帶之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng) ,從而發(fā)生滾料現(xiàn)象 ,這一點(diǎn)對(duì)傾角運(yùn)輸尤為重要。對(duì)于長(zhǎng)距離、大運(yùn)量帶式輸送機(jī) ,運(yùn)行過(guò)程中一旦發(fā)生緊急停車 ,再起動(dòng)時(shí)仍為滿載起動(dòng) ,因而滿載起動(dòng)是設(shè)計(jì)中必須考慮的。但隨著礦山生產(chǎn)能力的不斷提高 ,帶式輸送機(jī)朝著大功率、長(zhǎng)距離、大運(yùn)量、高速度方向發(fā)展 ,輸 送機(jī)的起動(dòng)將直接影響到該機(jī)能否正常運(yùn)行。帶式輸送機(jī)作為輸送散料的最可靠、最經(jīng)濟(jì)的設(shè)備 ,已成為我國(guó)礦山的主要運(yùn)輸設(shè)備之一。 問題的提出 異步電動(dòng)機(jī)自發(fā)明一百年以來(lái)，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固、成本低、可靠性高和高性能，已經(jīng)成了工業(yè)應(yīng)用的寵兒，成為經(jīng)典傳動(dòng)的核心成員。標(biāo)準(zhǔn)三相感應(yīng)異步電動(dòng)機(jī)被廣泛應(yīng)用于各種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換場(chǎng)所，煤礦帶式輸送機(jī)就是其典型的應(yīng)用。早期帶式輸送機(jī)由于其功率小、運(yùn)距短、速度低、電機(jī)與減速器之間一般采用剛性聯(lián)軸器或液力聯(lián)軸器即可滿足起動(dòng)要求。 主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： (1) 帶式輸送機(jī)滿載起動(dòng)是不可避免的。 (2) 必須延長(zhǎng)起動(dòng)時(shí)間 ,確保起動(dòng)的平穩(wěn)性。因此要控制帶式輸送機(jī)的起動(dòng)加速度。 (4) 起動(dòng)張力增大引起輸送帶強(qiáng)度提高。 (5) 由于大功率多電機(jī)同時(shí)起動(dòng) ,對(duì)電網(wǎng)的電流及電壓都會(huì)產(chǎn)生較大的影響。 不同負(fù)載和不同供電電網(wǎng)的容量，對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的要求是不一樣的。其中最主要的是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)電流的倍數(shù)。直接起動(dòng)即全壓起動(dòng)，通過(guò)開關(guān)或接觸器將額定電源直接加 在電動(dòng)機(jī)的定子繞組上，使電動(dòng)機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)逐漸加速到穩(wěn)定運(yùn)行。這是由于當(dāng)電動(dòng)機(jī)剛投入電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子尚未開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流就是短路電流，而限制短路電流的短路阻抗 stZ 的數(shù)值一般很小，因此起動(dòng)電流較大。 就電動(dòng)機(jī)本身而言，籠型異步電動(dòng)機(jī)都允許在額定電壓下直接起動(dòng)。一般情況下，對(duì)于經(jīng)常起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)電流引起供電母線的電壓降落不超過(guò) %10 ，而不經(jīng)常起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)電流引起供電母線的電壓降落如不超過(guò) %15 ，才允許采用直接起動(dòng)。 在電網(wǎng)容量足夠大，起動(dòng)電流不致引起顯著的電壓降落時(shí)，如果沒有其他特殊的起動(dòng)要求，應(yīng)優(yōu)先采用直接起動(dòng)。由于異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與端電壓平方成正比，因此，降壓起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也隨之減小。常用的幾種降壓起動(dòng)方法有： 1. 定子電路串電抗起動(dòng) 定子電路串電抗起動(dòng)，接通電源前，先將電抗串入定子繞組，起動(dòng)時(shí)合上電源開關(guān)，待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，再將電抗切除。 山東科技大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)生畢業(yè)論文用紙 第 4 頁(yè) 由于起動(dòng)電流正比于定子的端電壓，而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩正比于定子端電壓的平方。因此，該起動(dòng)方法只能用于空載或輕載起動(dòng)。起動(dòng)時(shí)定子繞組接成星形，起動(dòng)完畢后再換成三角形。當(dāng)定子繞組為 ? 接法時(shí)，電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí)的線電流 ?stI 為：kst ZUI 13?? ，式中， 1U 為電動(dòng)機(jī)額定線電壓。 在不考慮參數(shù)的變化情況下，由于 2?UMst ? ( 2?U 為相電壓 )，因而改為 Y 接法起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 stYM 也減小到 ? 接法起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 ?stM 的 31 ?，F(xiàn)在星三角磁力起動(dòng)器依然應(yīng)用很普遍。 設(shè)電動(dòng)機(jī)在額定電壓 NU 下，直接起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)電流為 stNI ，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為 stNM 。而 stI 只是自耦變壓器的副邊電流，自耦變壓器的原邊電流才是由電源提供的起動(dòng)電流 ?stI ，其值為：stNastast IkIkI 211 ???.由于電機(jī)端電壓降為（aNkU ），所以自耦變壓器和 ??Y 起動(dòng)具有相同的性質(zhì)，其起動(dòng)和由電源提供的起動(dòng)電流減少的倍數(shù)是一樣的。一般起動(dòng)補(bǔ)償器備有電源電壓的幾個(gè)抽頭。 4. 延邊三角形起動(dòng) ??Y 起動(dòng)方法設(shè)備簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性好，但起動(dòng)轉(zhuǎn)矩只有額定電壓起動(dòng)時(shí)的 31 ，因此只能適用于空載或輕載起動(dòng)，不適用于各種不同起動(dòng)要求。電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)山東科技大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)生畢業(yè)論文用紙 第 6 頁(yè) 定子繞組接成三角形。它象一個(gè)三角形的三個(gè)邊延長(zhǎng)，故 稱延邊三角形起動(dòng)。因此，起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比直接起動(dòng)時(shí)小，但比 ??Y 起動(dòng)時(shí)大。這樣起動(dòng)方法的缺點(diǎn)是定子繞組的制造比較負(fù)載。起動(dòng)時(shí)，僅將各相繞組中的一條支路接入 電源。 6. 電機(jī)的軟起動(dòng) 前面介紹異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法與設(shè)備，如 ??Y 降壓起動(dòng)、自耦變壓器降壓起動(dòng)等，較大程度地緩解了在供電變壓器容量相對(duì)不夠大時(shí)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的矛盾。另外，起動(dòng)設(shè)備的觸點(diǎn)多，發(fā)生故障也多，維護(hù)工作量大等。這種軟起動(dòng)器使得電動(dòng)機(jī)起動(dòng)平穩(wěn)，對(duì)電網(wǎng)沖擊小，還可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)軟停車、軟制動(dòng)，以及電動(dòng)機(jī)的過(guò)載、缺相等保護(hù)，還能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)輕載節(jié)能運(yùn)行等。隨著它的推廣和應(yīng)用，軟起動(dòng)器將很快成為替代傳統(tǒng)起動(dòng)設(shè)備的產(chǎn)品。在這漫長(zhǎng)的歲月中，它為奠定與發(fā)展這項(xiàng)經(jīng)典的傳動(dòng)技術(shù)樹立了豐碑，然而，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特 性卻一直舉步維艱，難以跨出“硬起動(dòng)”的框框。所以，這種“硬起動(dòng)”不僅會(huì)縮短傳動(dòng)單元和做功機(jī)械設(shè)備的使用壽命，而且過(guò)高的起動(dòng)電流還會(huì)引起供電電網(wǎng)的電壓驟然跌落，致使那些對(duì)電壓敏感的用電設(shè)備產(chǎn)生負(fù)面的影響。在電動(dòng)機(jī)繞組星形接線時(shí)，電動(dòng)機(jī)電流僅為三角形接線時(shí)的 31 ，遺憾的是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩也同樣降低到三角形接線時(shí)的 31 。 近年來(lái)，隨著電子技術(shù)與控制技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，人們終于在 20山東科技大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)生畢業(yè)論文用紙 第 8 頁(yè) 世紀(jì) 90 年代初找到了令人滿意的起動(dòng)特性，電子式軟起動(dòng)器就此應(yīng)運(yùn)而生，它的問世立即受到廣大用戶的重視與青睞。國(guó)內(nèi)外已有各種 SCR 為主體的電子式固態(tài)起動(dòng)器出現(xiàn)在市場(chǎng)上。其中出現(xiàn)了各種起動(dòng)方式“斜坡電壓起動(dòng)方式“”恒電流或限流起動(dòng)方式“、脈沖突跳方式”等等。其他軟起動(dòng)裝置 有西門子、 AB、ABB 等公司的產(chǎn)品，其中不外乎上面集中起動(dòng)方式，各軟起動(dòng)裝置廠家為方便用戶、增加產(chǎn)品的適應(yīng)性。 在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中通過(guò)控制電路控制晶閘管導(dǎo)通角的大小，使電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流根據(jù)工作要求所設(shè)定的規(guī)律進(jìn)行變化 ,這樣，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流大小、起動(dòng)方式均可任意調(diào) 整與選擇，使電動(dòng)機(jī)處于最佳起動(dòng)過(guò)程，同時(shí)還可以減少起動(dòng)功率損耗。圖 21斜坡電壓控制示意圖。這種起動(dòng)方式比傳統(tǒng)的自精變壓器或 Y— A 降壓起動(dòng)有了較大的進(jìn)步，但在某些工況應(yīng)用時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)較大的二次沖擊電流，而且容易損壞晶閘管。起動(dòng) 時(shí)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流保持恒定 (即限定起動(dòng)電流 )，其電流限定值Ism 通常在電機(jī)額定電流的 － 倍之間選擇。 設(shè)定的電流限定值 Ism 大，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)時(shí)間短； Ism 小，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩就小，起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)。 1stt －斜坡起動(dòng)時(shí)間 2stt －恒流起動(dòng)階段 圖 表示了斜坡恒流軟起動(dòng)方式的電流特性。當(dāng)起動(dòng)即將結(jié)束時(shí)起動(dòng)電流會(huì)自動(dòng)減下來(lái)。因此，起動(dòng)電流上升變化率和恒流值一般應(yīng)根據(jù)負(fù)載情況與生產(chǎn)要求來(lái)設(shè)定，以便軟起動(dòng)器獲得最佳 的起動(dòng)過(guò)程，并減小起動(dòng)損耗。 tIsmI1stt 2stt圖 2 . 3 斜 坡 恒 流 軟 起 動(dòng)山東科技大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)生畢業(yè)論文用紙 第 11 頁(yè) 4. 脈沖恒流軟起動(dòng) 這種起動(dòng)方式在起動(dòng)初始階段有一個(gè)較大的起動(dòng)沖擊電流，該電流值大于設(shè)定的恒流值 smI ，從而能產(chǎn)生較大的起動(dòng)沖擊轉(zhuǎn)矩去克服較大的靜摩擦阻轉(zhuǎn)矩，使設(shè)備能夠起動(dòng)；然后進(jìn)入恒流起動(dòng)階段，直至起動(dòng)結(jié)束。 1stt －脈沖起動(dòng)時(shí)間 2stt －恒流起動(dòng)階段 圖中脈沖起動(dòng)階段電流的幅值和脈沖維持時(shí)間是可以設(shè)定的。 除了上面介紹的軟起動(dòng)方式外，還有電壓與電流控制的各種組合方式，如斜坡電壓與電流限制下的軟起動(dòng)，起動(dòng)脈沖、斜坡電壓與電流限制下的軟起動(dòng)等。 市場(chǎng)上真正達(dá)到智能化軟起動(dòng)裝置的很少，許多軟起動(dòng)裝置均冠以“智能化”的名字無(wú)非是提升自身產(chǎn)品的市場(chǎng)策略。從晶閘管的觸發(fā)角控制出發(fā)，前人對(duì)于這種固態(tài)軟起動(dòng)器的裝置做了許多改進(jìn)和提供，如以基于 FPGA 技術(shù)對(duì)觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)，提高觸發(fā)脈沖控制的可靠性，用 IGBT 等大功率可關(guān)斷控制器件替代晶 閘管，都取得了一定的成果，但一定程度使硬件設(shè)計(jì)變得復(fù)雜，成本提高。 對(duì)于無(wú)速度反饋環(huán)節(jié)的 SCR 軟起動(dòng)裝置，電流和電壓是目前 SCR軟起動(dòng)裝置所能感知的變量或者還有若干點(diǎn)的溫度和起動(dòng)時(shí)間。本課題擬對(duì)煤礦皮帶運(yùn)輸機(jī)的軟起動(dòng)作出分析，比較分析目前各種軟起動(dòng)實(shí)施方案，根據(jù)特定的運(yùn)行工況設(shè)計(jì)合理的軟起動(dòng)方式，同時(shí)通過(guò)電 流閉環(huán)實(shí)現(xiàn) SCR 多方式軟起動(dòng)。如果指定 )(tY 中某一分量 )(tYJ （應(yīng)該是某一曲線），可以激 勵(lì)出此 )(tYJ 的)(tX 一般不唯一，其中， )(1tX 、 )(2tX ， … )(tXm 的某一組合可以實(shí)現(xiàn))(tY ，則另一組合也可以實(shí)現(xiàn) )(tY 。這是 1－ 1 對(duì)應(yīng)的映射系統(tǒng)。 SCR 軟起動(dòng)裝置和對(duì)象組成的系統(tǒng)，在對(duì)象情況不變得條件下，在起動(dòng)過(guò)程范圍內(nèi)，正好就是這樣的系統(tǒng)。也可以將電動(dòng)機(jī)電壓 )(tU 或定子電流 )(tI視為“象源“，軟起動(dòng)過(guò)程中一切物理量（包括 )(t? ）的變化過(guò)程均是由”象源“ )(tI 或 )(tU 映射產(chǎn)生的”象“。 控制對(duì)象情況的變異（例如電網(wǎng)電壓、電動(dòng)機(jī)溫升、負(fù)載強(qiáng)弱的變化）是破壞上述映射關(guān)系的擾動(dòng)，由于電流閉環(huán)的抗擾 動(dòng)性優(yōu)于電壓閉山東科技大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)生畢業(yè)論文用紙 第 14 頁(yè) 環(huán)，我們多選擇 )(tI? 為“象源“。 所以對(duì)于 SCR 軟起動(dòng)裝置只要構(gòu)建一恰當(dāng)?shù)?)(0tI? ，然后建立一個(gè)好的軟起動(dòng)過(guò)程評(píng)價(jià)體系，不斷改進(jìn) )(tI? ，實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)裝置的真正智能化。首 先是軟起動(dòng)過(guò)程的評(píng)價(jià)，綜合特定應(yīng)用對(duì)象，考慮特定起動(dòng)要求，如起動(dòng)電流沖擊，發(fā)熱，能量損耗、傳動(dòng)系統(tǒng)的平均加速度等指標(biāo)來(lái)衡量。其次是電流給定與起動(dòng)過(guò)程映射關(guān)系離線仿真，為了軟起動(dòng)映射關(guān)系仿真軟件，我們必須掌握對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，特別是電網(wǎng)的輸出阻抗，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 )(nM 和負(fù)載特性 )(nMfz 以及 折算到電動(dòng)機(jī)的總飛輪慣量 ? 2GD 。仿真軟件的輸入包括對(duì)象的數(shù)學(xué)模型和既定的 )(*tI ，它的輸出則包括 )(tn 、 )(tI 、 )(tU 、網(wǎng)壓 U 、 )(tM 、 )(tMfz 及其電機(jī)的發(fā)熱量 )(tW 等。 離線辨識(shí)，讓 SCR 軟起動(dòng)裝置對(duì)象系統(tǒng)按任意方式作一次軟起動(dòng)，山東科技大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)生畢業(yè)論文用紙 第 15 頁(yè) 在這一過(guò)程中，采集電流 )