【正文】 ......................... 28 第一章 異步電動機及其啟動方式 1 第一章 異步電動機及其起動方式 起動方法概述 異步電動機概述 異步電動機是如何轉(zhuǎn)動起來的異步電動機定子上有三相對稱的交流繞組 ， 三相對稱交流繞組通入三相對稱交流電流時，將在電機氣隙空間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場； 轉(zhuǎn)子繞組的導(dǎo)體處于旋轉(zhuǎn)磁場中；轉(zhuǎn)子導(dǎo)體切割磁力線，并產(chǎn)生感應(yīng)電勢，判斷 感應(yīng)電勢方向。感應(yīng)電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用產(chǎn)生電磁力，判斷電磁力的方向。根據(jù)以上電磁感應(yīng)原理，異步電動機也叫感應(yīng)電動機 正文部分 異步電動機全壓直接起動的危害 從三相異步電動機固有機械特性的分析中知道，如果在額定電壓直接起動三相異步電動機，由于最初起動瞬間主磁通約減少到額定值的一半，功率因數(shù)又很低，造成了起動電流相當(dāng)大而起動轉(zhuǎn)矩并不大的結(jié)果。 再看對供電變壓器的影響，整個交流電網(wǎng)的容量相對于單個的三相異步電動機來講是非常大的。配電變壓器的容量是按其供電的負(fù)載總?cè)萘吭O(shè)置的，正常運行條件下，變壓器由于電流不超過額定電流，其輸出電壓比較穩(wěn)定，電壓變化率在允許的范圍之內(nèi)。若變壓器額定容量相對很大、電動機額定功率相對很小時，短時起動電流不會使變壓器輸出電壓下降多少，因此也沒有什么關(guān)系 。 電動機較大的起動電流引起電壓下降，對電動機本身有著不良影響，因電壓太低會使電動機起動轉(zhuǎn)矩下降很多，當(dāng)負(fù)載較重時，電動機可能不能起動。但是，對于起動頻繁的電動機，過大的起動電流會使電動機 內(nèi)部過熱，導(dǎo)致電機溫升過高，使電機繞組絕緣過熱而老化。電動機起動時，起動電流的大小為： IST = 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 2 由上式可見，降低起動電流有三種方法：降低電源電壓；定子邊串接電阻或電抗；轉(zhuǎn)子邊串接電阻或電抗。有時要求有大的起動轉(zhuǎn)矩；有時要求起動電流要小，有時上述兩個要求要同時滿足。顯然，即使是偶爾出現(xiàn)一次，也是不允許的。 直接全壓起動的危害性主要有如下幾點： 電動機在空載全壓直接起動時，起動電流會達到額定電流的 5～ 7倍。 電動機直接全壓起動時的大電流在電機定子線圈和轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生很大的沖擊力，會破壞繞組絕緣和造成鼠籠條斷裂，引起電機故障，大電流還會產(chǎn)生大量的焦耳熱，損傷繞組絕緣， 減少電機壽命。對于水泵類負(fù)荷來說，電動機全壓起動時，水流會在很短的時間內(nèi)達到全速，在遇到管路拐彎時，高速的水流沖擊到管壁上，產(chǎn)生很大的沖擊力，形成水錘效應(yīng)，會破壞管道。直接起動時電機速度上升很快，潤滑油往往不能及時到位，會引起軸承干磨，降低其使用壽命。電網(wǎng)諧波含量的增加，將導(dǎo)致電氣設(shè)備壽命 縮短，網(wǎng)損加大，系統(tǒng)發(fā)生諧波諧振的可能性增加。 直接全壓起動還會在高壓開關(guān)關(guān)合時產(chǎn)生陡度很大的操作過電壓，使定子繞組上電壓分布不均勻，對其絕緣造成極大的傷害。以上各點都會使設(shè)備增加停工臺時，影響生產(chǎn)的正常進行，增加維修費用。在這種情況下，大中型異步電動第一章 異步電動機及其啟動方式 3 機的軟起動作為一個重要的課題 被提出來。 軟起動的常用起動方式 目前的軟啟動器有以下五種起動方式 （圖 11） ： 圖 11 軟起動器的五種起動方式 限流起動顧名思義是限制電動機的起動電流，它主要是用在輕載起動的負(fù)載降低起動壓降，在起動時難以知道起動壓降，不能充分利用壓降空間，損失起動力矩，對電動機不利。轉(zhuǎn)矩控制起動用在重載起動，它是將電動機的起動轉(zhuǎn)矩由小到大線性上升，它的優(yōu)點是起動平滑，柔性好，對拖動系統(tǒng)有更好的保護，它的目的是保護拖動系統(tǒng)，延長拖動系統(tǒng)的使用壽命。轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動與轉(zhuǎn)矩控制起動相仿也是用在重載起動，不同的是在起動的瞬間用突跳轉(zhuǎn)矩克服電機靜轉(zhuǎn) 矩，然后轉(zhuǎn)矩平滑上升，縮短起動時間。 電壓控制起動是用在輕載起動的場合，在保證起動壓降下發(fā)揮電動機的最大起動轉(zhuǎn)矩，盡可能的縮短了起動時間，是最優(yōu)的輕載軟起動方式。 （ 2）起動電壓上升斜率可調(diào)，保證了起動電壓的平滑性，起動電壓可依據(jù)不同的負(fù)載在 30%～ 70%Ue(Ue 為額定電壓 )范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。 （ 4）起動器還具有可控硅短路保護、缺相保護、過熱保護、欠壓保護。 高壓電動機軟起動方式的綜合比較 目前，高壓電動機的起動方式種類繁多，主要有：高壓電抗器起動、高壓變壓器起動、高壓固態(tài)軟起動、高壓液態(tài)軟起動、電動機 電動 機組起動等方法。且容量僅限于 10KV，5000KW 以下。 （ 1） 高壓變頻器 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體電力電子器件在高壓領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛、技術(shù)日趨成熟。 變頻 器主要應(yīng)用于鼠籠式電動機的調(diào)速節(jié)能，但也可用于鼠籠式電動機的軟起動、軟停車。 高壓變頻器之所以在高壓領(lǐng)域能夠得到廣泛地應(yīng)用，在于其良好的起動及調(diào)速特性。 可實現(xiàn)轉(zhuǎn)速、電流、電壓斜坡上升方式的起動，以滿足不同的負(fù)載及工藝起動要求。 在各種起動控制方式中 ,其起動電流最小。 起動功率因數(shù)及起動機械效率均比其它起動方式要高。但是，用變頻器起動電動機并非十全十美，它也存在不足之處： 高次諧波污染問題 高壓變頻器結(jié)構(gòu)上使用大功率半導(dǎo)體電力電子器件（如 SCR， GTO， IGBT， ICBT等），采用三相橋式整流電路。如此高的諧波嚴(yán)重影響同網(wǎng)其他電力設(shè)備的正常運行。當(dāng)然，采用 6 倍脈沖整流電路（如 18 脈沖， 24 脈沖），則諧波電流大大降低，但電路結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，一般采用較少。 對電動機的影響問題 高壓大容量電動機多使用普通鼠籠式電動機，采用變頻器供電時，由于變頻器采用 PWM 調(diào)制，電壓變化率 du/dt 很高，電壓峰值也大大高于額定電壓，同時變 頻器還輸出高頻電壓成分。而且輸出高次諧波引起電機的過熱，使電機不能滿出力運行。 維護與維修問題 高壓變頻器較之通用變頻器，其技術(shù)含量更高，設(shè)備更為復(fù)雜，所需維護與維修的技術(shù)水平更高，維修更為復(fù)雜。 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 6 一次投資與收益 一般地，高壓變頻器用于電動機的調(diào)速控制，具有很高的優(yōu)越性（如調(diào)速性能、降流節(jié)能等），其一次投資具有明顯的收益。 （ 2） 晶閘管電子軟啟動器 另一種基于電力電子器件開發(fā)的晶閘管電子軟啟動器普遍采用單片機控制技術(shù)實現(xiàn)對電動機的軟起動的控制。 （ 3） 磁控式電機軟起動裝置 磁控式電機軟起動裝置是近年來開始在工業(yè)上逐漸認(rèn)可的一種大型電機軟起動裝置 它投資較小，起動效果好 它的基本工作原理是將電壓調(diào) 節(jié)式可漏電抗串聯(lián)在籠型電機的轉(zhuǎn)子回路中，電機起動前可調(diào)電抗值為最大值。起動過程中通過 PLC 調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)可調(diào)電抗的控制電壓，使之電抗逐漸減小至零，電機由起動狀態(tài)平穩(wěn)過渡到正常運行狀態(tài)。 （ 4） 高壓熱變電阻起動器 工作原理 ： 在電機定子回路串接液體電阻達到降壓起動的目的。依據(jù)電解液的電阻值與電解液溫度的反比例變化關(guān)系，電液阻值因電液溫度升高而降低，從而達到熱變電阻降壓起動的目的。起動初始時刻，電液阻值受溫度的影響而變化，不同季節(jié)的溫度變化及連續(xù)起動情況下每次電液初始溫度的不同，均導(dǎo)致起動初始時刻阻值的不同。 起動電流不可控、不可調(diào) 其電液箱溶液體積與濃度、極板間距一 次成型。在實際應(yīng)用中，由于第一章 異步電動機及其啟動方式 7 電機參數(shù)、工況、負(fù)載等參數(shù)與計算有一定偏差或需要調(diào)整時，這就需對阻值進行調(diào)整和在起動過程中對阻值變化進行靈活控制。 起動時間不可調(diào) 用熱變電阻起動電動機，決定起動切換到全壓運行的時刻，是依據(jù)對主電機電流的監(jiān)測，通過開關(guān)觸點的控制轉(zhuǎn)換實現(xiàn)的。 對電網(wǎng)的電流沖擊及對傳動機構(gòu)的機械沖擊 熱變電阻的液阻值完全是按溫度的反比例關(guān)系來變化的，電液的溫度既不可能無限大，電液阻值就不可能為 0。因此切換至全壓運行時刻，會對電網(wǎng)產(chǎn)生浪涌電流沖擊，并且對電動機傳動機構(gòu)產(chǎn)生機械沖擊。 存在二次沖擊現(xiàn)象。 由于上述因素，熱變電阻軟起動在實際應(yīng)用中存在很多限制，需滿足以下條件：①非常精確的計算；②非常準(zhǔn)確的電機負(fù)載和電網(wǎng)參數(shù)；③嚴(yán)格檢測的耐高壓箱體；④工況參數(shù)不能發(fā)生大的變化和調(diào)整；⑤連續(xù)起動的次數(shù)要求低；⑥起動 時間不能過長。它的起動性能與電抗器相比較相似，起動性能決定于電動機、電網(wǎng)及負(fù)載參數(shù)。主要用于輕載起動的負(fù)載的降壓起動，其輸出電壓從零開始迅速增長，直到其輸出電流達到預(yù)先設(shè)定的電流限 值，然后在保持輸出電流 IIm的條件下逐漸升高電壓，直到電機電壓達到電機的額定電壓，使電動機轉(zhuǎn)速逐漸升高，直到電機轉(zhuǎn)速達到電機額定轉(zhuǎn)速。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。它的缺點是 起動轉(zhuǎn)矩小，轉(zhuǎn)矩特性呈拋物線型上升，對起動不利，并且起動時間長，對電動機不利。初始電壓及電壓上升率可根據(jù)負(fù)載特性調(diào)整。 （ 3）脈沖突跳起動 控制器在軟起動開始時首先輸出一個脈沖，用于電機克服堵轉(zhuǎn)力矩。之后，控制器的輸出從起始點開始按照一定斜率上升，上升的斜率和最大值均可由用戶依據(jù)實際情況設(shè)定。但是，突跳的脈沖會 給電網(wǎng)發(fā)送尖峰干擾，干擾其它負(fù)荷，使用時應(yīng)特別注意。它不僅實現(xiàn)了在整個起動過程中產(chǎn)生無沖擊而平滑的起動電 流，而且可根據(jù)電動機負(fù)載的特性來調(diào)節(jié)起動過程中的參數(shù)，如限流值、起動時間等。軟起動器采用三相反并聯(lián)晶閘管作為調(diào)壓器，將其接入電源和電動機定子之間。 圖 21 系統(tǒng)圖 該系統(tǒng)主要由三部分組成： 單片機 控制部分、信號處理部分和顯示部分。電機起停過程的控制、觸發(fā)脈沖角的計算、 運行狀態(tài)的監(jiān)視和故障保護與處理等功能皆由其完成，同時對三相電流和電壓監(jiān)視，實現(xiàn)三相電流不平衡保護、斷相保護和欠電壓、過電壓保護。信號處理部分主要負(fù)責(zé)主電路電壓和電流信號的處理，并將處理后的電壓送單片機進行 A/D 轉(zhuǎn)換。 （ 2） 軟起動電壓曲線 系統(tǒng)采用脈沖突跳電壓、電壓斜坡和斜坡限流起動相結(jié)合的起動方式，起動電壓曲線如圖 22。一旦電機轉(zhuǎn)動后，靜摩擦變?yōu)榛瑒幽Σ?，其阻力轉(zhuǎn)矩反而減小了。這種起動方式有效地克服了電機初始起動時因轉(zhuǎn)矩過小而不能轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象，同時保證有較小的起動電流。但是，電機在起動時，如果起動時間和起動參數(shù)設(shè) 置不合理 可能導(dǎo)致電動機轉(zhuǎn)速上升緩慢而外加到電機上的電壓較快，這時導(dǎo)致兩者之差增大，使電機起動電流增加。當(dāng)電流下降到一定下限時，才允許觸發(fā)角進一步減小，使電機端電壓繼續(xù)上升，這種方式可以有效的限制電機在起動過程中出現(xiàn)的電流最大值，這就是斜坡限流起動。正因為其優(yōu)越的性能和完善的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致后來的許多廠商多沿用或參考了其體系結(jié)構(gòu)，有許多世界大的電氣商豐富和發(fā)展了 MCS51 單片機，象 PHILIPS、 Dallas、 ATMEL 等著名的半導(dǎo)體公司都推出了兼容 MCS51的單片機產(chǎn)品，就連我國的臺灣 WINBOND 公司也發(fā)展了兼容 C51(人們習(xí)慣將 MCS51簡稱 C51,如果沒有特別聲明，二者同指 MCS51 系列單片機 )的單片機品種。 PHILIPS 公司在發(fā)展 C51 的低功耗，高速度和增強型功能上作了不少貢獻，當(dāng)初主要由其來發(fā)展 C51 單片機，他們的 83Cxx 和 87Cxx 系列省去了并行擴展總線，適合于作為家用電器類控制的經(jīng)濟型單片機。 Siemens 公司也沿用 C51 的內(nèi)核，相繼推出了 C500 系列單片機，在保持了與C51 指令兼容的前提下，其產(chǎn)品的性能得到了進一步的提升，特別是在抗干擾性能，電磁兼容和通信控制總線功能上獨樹一幟，其產(chǎn)品常用于工作環(huán)境惡劣的場合。 還有臺灣的 WINBOND