【正文】 n. Then the motor soft starter, but the pattern design of main or soft starter hardware circuit design.This article designs the soft starter operation convenience simple, can make the motor starts achieve improved threephase asynchronous motor starting performance requirements. In asynchronous motor starting torque requirements and reduce starting current, under the premise of the motor can be stable and reliable.Keywords：Asynchronous Motor。 Soft StarterXX 大學 XX 學院畢業(yè)設計（論文）11 緒 論 研究的目的、意義三相異步電動機，由于其結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、價格低廉、堅固耐用、運行可靠、很少需要維護及可用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、國防軍事和日常生活中得到了廣泛的應用，當前大部分工業(yè)拖動都是以交流異步電動機作為動力，包括風機、水泵、油泵、壓縮機等。通常要求采用專門的啟動設備完成正常的啟動工作，尤其頻繁啟動時更是如此。電動機的反電勢隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加而逐漸增大，電動機在起動開始時反電勢為零，所以起動電流很大。啟動電流過大時，將使電動機本身受到過大電磁力的沖擊，如果經(jīng)常啟動 ，還有使繞組過熱的危險。還有，由于起動應力較大，出現(xiàn)的巨大轉(zhuǎn)矩又會使電動機發(fā)生劇烈的沖振，并且也給用作動力傳輸輔助設備和做功機械設備帶來不可避免的機械沖擊。因此，對三相感應電動機軟起動情況進行研究是非常有現(xiàn)實意義的。比較傳統(tǒng)和應用較普遍的有變壓器降壓起動，串電抗器起動和 Y/△轉(zhuǎn)換等等。近幾年來隨著電力電子技術和微機控制技術的發(fā)展，國內(nèi)外相繼開發(fā)出以晶閘管XX 大學 XX 學院畢業(yè)設計（論文）2為核心的電路元件、以單片機為控制核心的異步電動機軟啟動設備。采用電力半導體器件對電動機進行啟動控制的電力電子軟啟動器解決了傳統(tǒng)降壓啟動方法存在的二次電流沖擊問題 ，具有無觸點、 啟動電流及啟動時間可控、 啟動過程平滑等優(yōu)點，并且維護工作量小，具備完善的電動機保護功能。它不僅實現(xiàn)在整個啟動過程中實現(xiàn)無沖擊而平滑地啟動電機，而且可根據(jù)電動機負載的特性來調(diào)節(jié)啟動過程中的參數(shù)，如限流值、啟動時間等。本文詳細介紹三相異步電動機軟啟動器的設計。但由于國內(nèi)自主開發(fā)和生產(chǎn)的能力相對較弱，對國外產(chǎn)品的依賴還是很嚴重。所以在整個軟起動器市場上，占據(jù)統(tǒng)治地位的還是國外產(chǎn)品，國內(nèi)產(chǎn)品所占的份額還是很低。機械式啟動器是目前使用比較廣泛的啟動方式，但它是有級起動，會產(chǎn)生二次沖擊電流，啟動電流仍然為標稱電流的 3~4 倍，且有體積大、噪音大、維護費用高、無法適應惡劣環(huán)境等諸多弊端。電力半導體開關器件具有無磨損、壽命長、功耗小等特點，結(jié)合現(xiàn)代控制理論及微機控制技術，為實現(xiàn)電機的軟起動提供了全新的思路。隨著這些技術的不斷進步，電力電子軟起動裝置也取得了長足的進步，采用這些方法可以使三相異步電動機獲得很好的起動性能。如美國 AB 公司、英國 CT 公司、法國 TE 公司、德國 AEG 公司、瑞士 ABB 公司等均推出了軟起動器系列產(chǎn)品，如 GE 公司生產(chǎn)的最大功率達到 850kW，額定電壓 500V，額定電流XX 大學 XX 學院畢業(yè)設計（論文）31180A，最大起動電流 5900A；ABB 公司生產(chǎn)的最大功率達到 1200kW，額定電壓690V，額定電流 1000A；意大利 SIEI 工公司生產(chǎn)的額定電壓 690V，額定電流1600A；美國 BS 公司還生產(chǎn)中壓 6~ 同步或異步電動機軟起動器，最大功率達到 10000kW[2]。在生產(chǎn)工藝兼有調(diào)速要求時，采用變頻裝置。在重載或負載功率特別大的時候，才使用變頻軟起動。例如 GE 公司生產(chǎn)的 ASTAT 智能電機軟起動器；ABB 公司生產(chǎn)的 PST、PSTB 系列電機軟起動器；施耐德公司的 ATS46 軟起動器；德國 SIEMENS 公司的 3RW22 SIKOSTART 軟起動器等等。另一方面，隨著電力電子技術的發(fā)展，異步電動機向更加可靠、方便性好、小型化方向發(fā)展。為了保證系統(tǒng)安全可靠地運行，可以充分發(fā)揮單片機的強大控制功能，由主控制電路對系統(tǒng)的關鍵器件和關鍵參數(shù)，例如過壓、欠壓、過流、過載、等進行實時監(jiān)控。在三相交流異步電動機不宜采用直接啟動的時候，可以考慮采用定子串電阻或串電抗器啟動、Y △啟動、自耦變壓器降壓啟動、轉(zhuǎn)子串電阻啟動、晶閘管電子軟啟動、分級變頻軟啟動、兩相變頻調(diào)壓軟啟動等方法。(2)對三相晶閘管軟起動系統(tǒng)進行硬件設計。(3)實現(xiàn)三相異步電動機軟啟動器模式的設計和軟件的有關設計。本課題的目標是實現(xiàn)三相異步電機的軟啟動，甚至使軟啟動器能夠根據(jù)電機負載的實際情況改變。但隨著晶閘管技術的發(fā)展，三相交流調(diào)壓軟啟動器因為具有性能良好、產(chǎn)品多樣、電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)以及轉(zhuǎn)矩或電流可閉環(huán)控制等優(yōu)點，使得電子軟啟動器得到了深入而廣泛的發(fā)展，成為軟啟動市場中的主流產(chǎn)品。對于電動機的軟起動而言，多采用基于集中參數(shù)等效電路的數(shù)學模型。三相異步電動機的 T 形穩(wěn)態(tài)等效電路如圖 21 所示：X 2 r 2x 1r 1x mr mi 1 i 2i mu 11 ssr 2圖 21 異步電動機的等效電路其中，r 1 為定子繞組的電阻，x 1 為定子繞組的漏電抗，r 2 為歸算到定子方面的轉(zhuǎn)子XX 大學 XX 學院畢業(yè)設計（論文）5繞組的電阻，x 2 為歸算到定子方面的轉(zhuǎn)子繞組的漏抗。U 1 為定子電壓向量，E 1為定子感應電動勢向量，i 1 為定子電流向量，i m 為磁電流向量。IZIrjx?????由以上四式可得： (25)211239。39。mrjxsIUjrjxjrx? ?????????在異步電動機里，因為 r1x1，r mxm，故可以省去 r1，r m，則式(25)可以表示為： (26)12139。)mIxjjs??????????由等效電路可見，異步電動機輸入的電功率 P1 一部分消耗在釘子繞組的電阻而稱為定子銅耗 Pcu1，一部分消耗在定子鐵心上而變成鐵耗 PFe，剩余的通過氣隙傳遞到轉(zhuǎn)子的功率成為電磁功耗 Pem。cos39。/emEImIrs???電磁轉(zhuǎn)矩為： (28)??0()1ecmecemsPT??其中， 為同步角速度； 為轉(zhuǎn)子機械角速度；P em 為機械功11026nfp???260n??率。emPrpTIfs???根據(jù) T 形等效電路可得： (210)1222139。()(39。239。emrpTfxs???????????????剛起動時，轉(zhuǎn)子 n=0，轉(zhuǎn)差率 s=1，此時啟動轉(zhuǎn)矩為： (212)???211239。39。39。起動電壓較低時，起動轉(zhuǎn)矩較小，電流也較??；反之，如果電壓較高，則起動轉(zhuǎn)矩較大，但同時起動時的沖擊電流也很大。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)上的其它電氣設備的正常運行。 三相異步電機的啟動方法 三相異步電動機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。XX 大學 XX 學院畢業(yè)設計（論文）7 直接起動直接起動，也叫全壓起動。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。直接起動的起動線路是最簡單的，如圖 22 所示。對于需要頻繁起動的電動機，過大的起動電流會造成電動機的發(fā)熱，縮短電動機的使用壽命；同時電動機繞組在電動力的作用下，會發(fā)生變形，可能引起短路進而燒毀電動機；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)的其他設備的正常工作，有時甚至使它們停下來或無法帶負載起動。一般情況下，異步電動機的功率小于 7．5kW 時允許直接起動。 ??134stNkvAIKw??????????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。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。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于降低定子繞組的外加電壓。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)矩會降低的更多。 對于容量較小的異步電動機，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，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。當電機起動完成時 KM 吸合，短接電阻或電抗 R。星三角形起動方法雖然簡單，但電動機定子繞組的六個出線端都要引出來，略顯麻煩。接觸器 KM2 和 KM3 互鎖，即其中一個閉合XX 大學 XX 學院畢業(yè)設計（論文）9時，必須保證另一個斷開。切換至 KM3 閉合，定子繞組改為三角形(△) 接法，電動機轉(zhuǎn)為正常運行。 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/ ，故3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。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起動時，電源通過自耦變壓器降壓后接到電動機上，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，而使電動機直接接到電網(wǎng)上轉(zhuǎn)化為正常運行的一種起動方法?？刂七^程如下：合上空氣開關Q 接通三相電源。當時間繼電器 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 主觸頭接通電動機在全壓下運行。XX 大學 XX 學院畢業(yè)設計（論文）10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／k 2。圖 25 異步電動機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作減壓起動用，應用非常廣泛，有手動及自動控制線路。 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。它是軟起動中的一個重要類別。晶閘管軟起動產(chǎn)品問世不過 30 年左右的時間，它是當今電力電子器件長足進步的結(jié)果。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。與液阻軟起動相比，它的體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，維護量小，功能齊全，菜單豐富，起動重復性好，保護周全，這些都是液阻軟起XX 大學 XX 學院畢業(yè)設計（論文）11動無法比擬的。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重。但周波控制用在異步電機定子上時，通斷交替的頻率不能太低，一方面會引起電動機轉(zhuǎn)速的波動，另一方面每次接通電流就相當于一次異步電動機的重起動過程。故在異步電動機的調(diào)壓控制中，晶閘管調(diào)壓一般采用相位控制。諧波在異步電機中會引起附加損耗，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動等不良影響。當 時，電流導通的時間將始終保??持在 180176。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。本系統(tǒng)軟起動器采用了如圖 26 所示的主電路。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)，關斷狀態(tài)時，其阻抗為無窮大；導通狀時壓降為零；(3)電機為理想電機，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，電機的轉(zhuǎn)速為常數(shù)。其中一相是正向晶閘管導通，另一相則是反向晶閘管導通。的雙窄脈沖的觸發(fā)電路。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。電機獲得的電壓是非正弦的，但是每相電壓的正負半周是對稱的。? 由圖 27 可以很容易地推導出觸發(fā)角 ，功率因數(shù)角 以及導通角 之間的關系： ?? 公式(215)??????XX 大學 XX 學院畢業(yè)設計（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通角 之間的波形。由式(215)可以得知，導通角 與觸發(fā)角 、功率因數(shù)角 都有關。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。在電機起動過程中，隨著轉(zhuǎn)速逐漸變大，功率因數(shù)角 也在不斷變化。只有這樣，才能實現(xiàn)異?步電動機的輸入電壓按照預定規(guī)律變化的要求 [4]。三相異步電動機軟起動器擁有多種起動模式，可以滿足不同的起動要求。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，直到其輸出電流達到預先設定的電流限值 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。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。