三相异步电动机软启动仿真研究

本科毕业设计 (论文)
三相异步电动机软启动仿真研究Three-phase asynchronous motor soft start
simulation research
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1 绪论 (1)
1.1 课题研究的目的及意义 (1)
1.2 国内外研究现状 (1)
1.3 主要研究内容 (2)
3 三相异步电动机的启动特性研究 (3)
2.1 三相异步电动机的等效模型 (3)
2.2 三相异步电动机的机械特性 (4)
3 三相异步电动机的常规研究 (6)
3.1 直接启动 (6)
3.2 降压启动 (10)
4 三相异步电动机的软启动 (17)
4.1 软启动的实现方式 (17)
4.2 软启动的调压原理 (17)
4.3 软启动的仿真 (20)
4.4 启动性能比较 (29)
结论 (30)
致谢 (31)
参考文献 (32)
1 绪论
1.1 课题研究的目的及意义
电动机作为各种机械设备的动力装置，已被广泛地应用于社会生产各个部门和社会生活各个方面。

直流电动机由于换向问题，远远不能适应现代生产向快速大功率化发展的要求。

相比之下，交流电动机的性能优异，尤其是三相异步电动机具有结构简单、价格低廉、经久耐用等优点，而且具有较好的稳态和动态特性，因此在各行各业中发挥着越来越重要的作用。

可以说，交流电动机在经济建设中扮演着不可替代的角色。

但是当电机功率较大时，其冲击电流会对电网及负载设备造成很强的干扰，同时会降低机械设备的使用寿命。

为解决这些问题，当前大部分电动机使用传统降压启动的方法来改善其启动特性。

这些降压启动方法在很大程度上降低了大电流的冲击，但是这些启动设备历来还存在一些缺点：如启动电流不连续、接触器触点控制等问题。

随着生产技术的不断创新和迅猛发展，我们对电动机的性能指标相应地提出了更高的要求，电动机软启动装置应运而生，它是新型工业发展必备的基础装备，它使无机械触点和连续调节电流成为可能。

采用软启动装置，启动电流一般为额定电流的1.5~2.5倍，对机械设备的冲击非常小。

显而易见，如果我们采用软启动，则可以大大减轻冲击力，还能使电动机的使用寿命延长。

1.2 国内外研究现状
近些年来，电动机软启动的研究和开发越来越受到国内外的重视。

在1970年，国外最早开始研发基于晶闸管交流调压技术制作的软启动器，并采用微控制器替代模拟控制电路，发展成为现在的电子软启动器，至今已经在工业领域得到广泛地应用。

我国对软启动的研究始于90年代，然而，我国电动机软启动产业发展面临着一些突出问题，主要表现在产业发展集中度不够，规模优势不突显；创新能力不足、竞争力不强；市场无序竞争、技术水平处于国际中低端等等。

随着现代工业的飞速和市场需求的多样化，电动机软启动正朝着节能化、智能化、系统化方向发展，电机控制应用领域开发前景巨大，我国电动机软启动产业正面临机遇和挑战。

自从Matlab仿真软件推出以后，我们分析流电动机的启动性能就变得十分方便。

因为Simulink
Matlab/工具箱中有大量的元器件模块，而且这些模块都能全面地反映出实际元器件的电气特性，仿真结果的可信性很高。

运用Matlab来研究电机的启动特性时，我们只需要从Simulink工具箱中找出对应的模块，按照系统框图搭建模型，再对各个模块进行参数设置，然后仿真运行，最后根据仿
真结果来分析系统的启动性能即可。

目前，国内已有一部分人通过试验法在做三相异步电机启动方面的仿真研究，根据他们的研究，我们可以知道：运用仿真的方法的优点是速度快、效率高、可靠性高、实时性好、费用低。

这样可以节省大量的实验时间和成本。

1.3 主要研究内容
通过复习《电机与拖动基础》这本教材，我对三相异步电动机的启动特性和常规启动方法有了更深的了解。

首先根据异步电动机的等效模型可得到电流与电压之间的关系，转矩与电压之间的关系，推导出可以通过控制电压来控制电流和转矩。

再根据机械特性表达式，画出固有机械特性曲线(即T-s曲线)，从曲线分析中知道三相异步电动机的启动性能。

再在理论上分析常规启动的启动特点，最后运用仿真的方法研究启动性能。

鉴于Matlab仿真工具的庞大，我参考了《MATLAB电机仿真精华50例》这本书，对建立直接启动和降压启动模型有了明确的方向，然后从《交直流调速系统与MATLAB仿真》一书中，我学会了运用Matlab软件对交直流系统进行仿真，先根据电气结构图搭建出相应的模型，再对每个模块进行了参数设置，最后根据设定的参数进行仿真与结果分析。

通过上述仿真方法对传统启动方式下的启动特性做了相关的研究，发现传统启动方式共同存在的启动问题，即在启动瞬间会有电流尖峰的冲击。

本论文提出了采用软启动控制方案来解决问题。

由于对软启动的原理不甚了解，也没有书籍针对软启动作具体的分析讲解。

所以我查阅了大量的期刊论文，了解到软启动的研究目前都是基于晶闸管三相交流调压的原理的研究，对此我通过阅读教材《电力电子技术技术与MATLAB》，知道了三相晶闸管交流调压电路的基本原理。

再通过收集的期刊论文，分析各种能实现软启动的方式，提出了限流与斜坡电压启动相结合的控制策略。

通过以上对软启动的理论分析后，开始对系统的整体框图进行了设计，主电路采用三对反并联的晶闸管，控制电路采用了将电流反馈转化为电压值来控制晶闸管触发角的交流调压控制。

最后利用仿真软件建立软启动系统的模型，并对其仿真运行，根据仿真结果来验证限流控制的软启动系统能克服启动电流过大，从而避免对电网产生不利的影响。

2 三相异步电动机的启动特性研究
三相异步电动机从接入电网开始，转速从零上升到稳定转速的这一段过程称为启动过程。

体现异步电动机启动性能的指标有：启动转矩、启动电流、启动时间以及启动设备，因此在电机的启动过程中，我们希望电动机启动转矩足够大，启动电流比较小，启动时间尽可能缩短，启动设备尽量安全简单。

2.1 三相异步电动机的等效模型
三相异步电动机经绕组、频率折合后，由于定、转子绕组的相数、匝数以及频率都相同，因此可以得到如图2-1的等效电路。

图2-1异步电动机的T型等效电路
为了简化T型等效电路的分析和计算，可将励磁支路左移到输入端，使电路简化成单纯的并联电路如图2-2所示。

图2-2异步电动机的简化等效电路
由简化等效电路可得到转子电流为
()2
2
1
2
2
1
1
2
X
X
s
R
R
U
I
'
+
+
⎪
⎭
⎫
⎝
⎛'
+
=
'(2-1)
因为启动瞬间，由于异步电动机定、转子的漏阻抗比较小，则定、转子的启动电流就会很大，励磁电流在启动电流中所占的比重很小，可忽略不计。

故
()()2
2
1
2
2
1
1
2
X
X
R
R
U
I
'
+
+
'
+
=
'(2-2)
从图上可分析出，由定子传递到转子的电磁功率M P 等于转子回路全部电阻上的损耗，即
Fe Cu M p p P P --=11
()⎥⎦
⎤⎢⎣⎡'-+''=222213R s s R I s
R I 2223''= (2-3) 转子绕组中的铜损耗2Cu p 为
M Cu sP R I p =''=222
23 (2-4) 电磁功率M P 减去转子电路中的铜损2Cu p 就是附加电阻()2
1R s s '-上的损耗。

这部分等效损耗实际转子中并不存在，但它却表征实际转动的转子的总机械功率m P ，即
2Cu M m p P P -=
()2
2213R s s I '-'= ()M P s -=1 (2-5) 机械功率m P 除以轴的角速度Ω就是电磁转矩T ，即
()1
160
21602Ω=-==Ω=T M m m m P n s P n P P ππ (2-6) 式中，1Ω为旋转磁场的同步角速度。

p f p f n 1111260602602πππ=⨯==
Ω (2-7) 把(2-1)式和(2-7)代入(2-6)式，得到
p f s R I n s R I 1
222122
2236023ππ''=''=T ()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡'++⎪⎭⎫ ⎝⎛'+'=221221122123X X s R R f s
R pU π (2-8)
这就是机械特性的参数表达式。

2.2 三相异步电动机的机械特性
通过参数表达式，且固定1U ，1f 及其他参数，可画出机械特性曲线，如图2-3。

分析此图可知道，电动机刚启动时，转子要转还未转动，即转速n=0 (s=1)，此时旋转磁场切割转子导体相对速度达到最大，在导体中感应出很大的电势和电流。

由磁动势平衡方程知，定子电流会相当大(()N N I S I I K I 7~4==)； 虽然异步电动机的启动电流很大，但由于启动时转子的漏电抗比较大，使转子回路功率因数很低；同时，较大的启动电流导致电网电压下降，会使电动主磁通相应减小。

由电磁转矩的物理表达式(22cos ϕI C T Tj Φ=)可知，虽然异步电动机启动电流相当大，但启动转矩并不大(()N N T S T T K U 3.1~9.0==)。

图2-3 三相异步电动机固有机械特性
所以，三相异步电动机的这种启动特性不符合我们对电机启动电流小、启动转矩大的要求。

为了使电机能够可靠启动且对电网不造成冲击，和考虑电动机的质量运行和使用费用等，应结合实际情况选择合理的启动方案，以适应负载对启动条件的不同要求。

3 三相异步电动机的常规启动研究
3.1 直接启动
直接启动，是最简单的启动方式，也叫全压启动。

启动时将电动机的定子绕组用接触器直接接到额定电压的电源上，如图3-1所示。

图3-1直接启动
最大的优点是不需要专门的启动设备。

缺点是启动过程中出现较大电流，随之会有如下的影响：
(1)电网冲击。

当电网容量相对较小，电动机容量相对大时，电动机短时间内会产生的较大的启动电流，它会使电网输出电压短时间内下降较大的幅度，超过规定值，破坏由同电网供电的其他负载的正常运行，甚至会危害电网的安全运行。

(2)电机冲击。

对于频繁启动的异步电动机，启动电流过大，会使电动机绕组发热，影响电机寿命。

一般地说，只有小于7.5kW以下的小容量鼠笼式异步电动机才允许直接启动。

对于频繁启动或功率大的电动机应采取降压启动。

3.1.1模型搭建
三相异步电动机的直接启动仿真模型如图3-2所示。

图中包括电源模块、三相异步电动机模块、总线选择模块等。

启动过程中，直接在电动机的定子绕组上施加三相交流电源。

图3-2直接启动仿真模型
3.1.2 参数设置
(1)电压源模块。

此模型使用三个独立的单相交流电压模块构成三相交流电压源。

A相交流电源参数设置如图3-3所示，B、C相除了将初相位设置成互差
120外，其他参数与A相相同。

图3-3A相电源参数设置
(2)电机模块。

电动机采用三相鼠笼式异步机，参数设置如图3-4所示。

图3-4 电动机的参数设置
(3)总线选择模块。

在异步电机的测量输出端连接了总线选择模块是为了将需要观察的异步电机参数选择出了连接到示波器上进行观察，其设置如图3-5所示。

图3-5 总线选择模块设置
3.1.3 仿真结果分析
系统的仿真Start time 为0,Stop time 设为2，仿真算法选择其中的ode23tb ，仿真结果如图3-6所示。

图中分别给出了A 相转子电流)(a r i 、A 相定子电流)(a s i 、转速n 和电磁转矩e T 的仿真波形。

图3-6 直接启动波形
从仿真波形可以看出直接启动时，启动过程在0.8s 左右结束，启动速度较快。

因为负载很小，所以在电机达到稳态后，转速非常接近同步转速m in /7501r n =。

异步电机在直接启动过程中的启动电流很大将近100A ，是额定
电流的5倍(额定电流公式A U S
I N N 8.163==)，启动完成后电流降至正常工作
电流。

电机最初启动转矩约为m N ⋅800，这么大的转矩突然加在静止的机械设备上，会对负载设备造成伤害。

电机在启动过后转矩接近于m N ⋅10，这是由仿真模型中负载转矩的大小所决定的。

3.2 降压启动
经过上述结果分析，我们希望能降低对负载的机械冲击，所以要求启动电流尽可能小。

而启动电流和启动转矩的大小为
()()221221121X X R R U I I S S '++'+='≈
()()[]221221122123X X R R f R pU T S '++'+'=π (3-1)
从上式(3-1)可看出，减小启动电流方法主要有两种：(1)降低电源电压；(2)加大定、转子边的阻抗。

降压启动是电动机启动时利用某些设备或采用定子绕组换接的方法使定子绕组的端电压低于额定电压，启动结束时再切换到额定电压下运行的方法。

其特点是限制启动电流，但因为电动机的启动转矩与端电压的平方成正比，所以同时启动转矩也下降。

对于启动转矩要求不是很高的场合，可以采用这种方法启动。

3.2.1启动方式
应用较普遍的降压启动方法有以下几种：
(1)定子串接电抗器启动
由于鼠笼式异步电动机的转子回路已固定，不能外接电阻。

因此启动时，只能在定子回路中串接电抗器，降低定子实际所加电压，从而减小启动电流，待启动结束后，切除电抗器，进入正常运行，如图3-7所示。

图3-7电抗器降压启动
这种方法的优点是启动设备简单，启动平稳，运行可靠。

缺点是：启动转矩下降比较厉害，外串的电抗器上损耗较大，不经济。

所以这种启动方法只能适用于空载和轻载启动。

(2)Y—△启动
/1，启动时，定子绕组Y接，此时加在定子绕组的每相电压是额定电压的3
对电网造成冲击的启动电流则降低到△接时的3/1，启动转矩也降低到△接时的3/1；运行时换成△接，如图3-8所示。

启动电压为220V，运行电压为380V。

图3-8降压启动)(Y—△)
Y—△启动方法虽然简单，只需一个Y—△转换开关(做成Y—△启动器)。

但是为了实现Y—△启动，电动机定子绕组三相六个出线端都要引出来，一般只用于正常运行时定子绕组△接法的电动机。

而且一般是根据经验设定启动的切换时间，一旦切换时间的掌握不够准确，它的控制作用就发挥得不够充分。

(3)自耦变压器降压启动
把自耦变压器的原边接电网上，副边接电动机的定子绕组上，启动时利用其副边进行降压启动，启动完成后再将其从启动线路中切除，进入正常运行的启动方式，如图3-9所示。

图3-9自耦变压器降压启动
其优点是有几种抽头供选用，可适应不同负载的要求。

这种启动方法的缺点是变压器的体积大、价格高、维修麻烦，也不能重负载启动。

3.2.2 模型搭建
三相异步电动机Y —△启动，属于降压启动方法之一。

在直接启动的基础上稍加修改，简单来说，就是用两组交流电源给电机供电。

为控制两组电源的投入时间，使用两个三相断路器模块分别控制电源的投入时刻。

建立模型如图3-10所示。

图3-10 Y —△降压启动仿真模型
启动初期，Y 接法的电源接入定子绕组，使电动机降压启动。

启动过程中，第一个断路器起作用，使得Y 接法的电源退出作用。

而此时第二个断路器到时间开使起作用，则电动机接入全电压，继续启动，但此时的电流冲击已经很小。

再过一段时间，电机进入正常运行。

3.2.3 参数设置
(1)交流电源模块。

Y 接法必须使用三个单相交流电压模块。

Ua 相交流电源参数设置如图3-11(a)所示，b U 、c U 相除了将初相位设置成互差 120外，其余参数与a U 相一致。

而△接法只能用两个单相交流电压模块。

ab U 相交流电源参数设置如图3-11(b )所示，bc U 相除了将初相位设置成外，其他参数与ab U 相一致。

图3-11(a)Y接法的电源参数设置
图3-11(b)△接法的电源参数设置
(2)三相断路器模块。

断路器的初始状态受过渡时间或外部触发的控制。

由直接启动仿真波形可知，电机启动时间大约为0.8s，所以两个断路器的参数设置如图3-12所示。

图3-12(a)第一个三相断路器参数设置
图3-12 (b)第二个三相断路器参数设置
3.2.4 仿真结果分析
系统的仿真终止时间为2.5s ，仿真算法选择ode23tb ，波形如图3-13所示。

图中分别给出了A 相转子电流)(a r i 、A 相定子电流)(a s i 、转速n 和电磁转矩e T 的仿真波形。

图3-13 降压启动波形
从上图可以看出，在这种启动过程中，最初启动电流显著减小，约为55A 。

但是，定子电流和转子电流波形随着Y —△两组电源的切换，电流波形有明显的跳跃现象，波形较差，启动过程不是很稳定。

启动时间大约1.5s ，略长于直接启动的启动时间。

从转矩波形我们可以看出，启动转矩减小为m N 260，但在电压转换时会有二次冲击，不利于设备的安全运行。

4 三相异步电动机的软启动
由于现代社会生产力的发展需要，作为动力设备的电动机得到了广泛使用。

我们对电机的性能指标相应地提出了越来越高的要求，然而，经过图3-6波形分析得出，当电机容量较大时，直接启动会在启动瞬间产生较大的电流冲击。

虽然我们采用传统降压的启动方法来降低电流，但由图3-13可知，这些方法存在明显的二次电流冲击。

本章研究的软启动不仅能解决有级降压启动历来存在的问题，还能实现无级平滑启动的一种最佳启动方式。

4.1 软启动的实现方式
4.1.1 限流启动
在启动过程中，通过限制电动机的输出电流不超过某一设定的限流值(m I )，然后保持输出电流m I I 的条件下，逐渐增大电机的输入电压，直到达到全压，使电机的转速持续加速到额定转速。

限流启动时，如果所设的限流值越大，电机的启动转矩也越大，因此电机达到稳定转速的时间也就越短，启动速度就越快。

但是在确定有足够的启动转矩的同时还要避免电流的冲击，所以要合理选择限流值的大小，不同限流值情况下的启动波形如图4-1所示
这种启动方式的优点是启动电流小，对电网冲击小，且可按需要调整启动电流的限值；缺点是启动时不能轻易获知启动压降，从而浪费压降空间，导致启动转矩损失，不利于电机。

图4-1 限流启动
4.1.2 斜坡电压启动
如图4-2所示，启动时定子电压先迅速升至Us (电动机启动时的电压值，此时启动转矩为电机启动所需的最小转矩)，然后根据设定好的斜率线性上升，直至达到全电压。

这种启动方式是将传统的降压启动中的有级变为无级，适用于重载启动；这种启动方式虽然简单，但是由于没有限流部分，启动电流相对较大，会损坏晶闸管，且启动时间较长，对电机也不利。

图4-2 斜坡电压启动
4.1.3 转矩控制启动
转矩控制启动过程中，电机启动转矩按照预设的曲线线性上升，从初始值st T 逐渐上升，直到上升到最大值em T ，随着电机启动结束，转矩降至额定值N T 并稳定在这个额定转矩下。

如果在启动过程中出现电流突变的情况，则限流部分马上起作用，限制电流在设定的范围内，当电流稳定以后，转矩继续线性地上升。

从图4-3的启动曲线来看，整个启动过程都不存在冲击转矩，启动平滑，使得拖动系统的使用寿命延长，同时使电机启动时对电网的冲击降到最低，是最优的重载启动方式。

但这种启动方式有最大的缺点，就是启动时间很长。

图4-3 转矩控制启动
4.1.4 转矩加突跳控制启动
与转矩控制启动相类似，主要适用于重载启动，所不同的是启动开始后的一个很短的时间内施加一个脉冲电压造成转矩突然增大，用来克服系统的静转矩和大负载的制动转矩，然后转矩逐渐平滑上升，直到整个启动过程结束，如图4-4所示。

优点是大大缩短了启动时间；缺点是突跳会给电网反馈尖脉冲，干扰电网上其它设备的质量运行。

图4-4转矩加突跳控制启动
4.1.5电压控制启动
这种启动方式是在保证启动压降一定的前提下使电动机获得最大的启动转矩，尽可能地缩短启动时间，是最优的轻载软启动方式，如图4-5所示。

图4-5 电压控制启动
从上面实现软启动的各种方式来看，软启动除了能够将电动机的启动特性由“硬”平稳地变为“软”之外，还可以克服传统降压启动引起的二次冲击电流问题。

不过，由于软启动方式下的电压是渐进上升的，所以在启动初始阶段无法使电机获得最大转矩。

本课题采用限流启动与斜坡电压启动两种控制方式相结合的方法，这样既不损失启动转矩又避免了启动电流的冲击。

4.2 软启动的调压原理
如图4-6所示，软启动器主回路一般由三对反并联的晶闸管构成。

通过控制晶闸管触发角的大小，改变其导通时刻，来控制电动机的输出电压的大小，令其按照设定好的曲线和时间上升，最终达到额定电压。

这样，电机的启动电压和启
动电流任意可调，防止了启动电流过大对电网造成的冲击；而实际上软启动的控制原理也归结为降压启动，与传统降压启动不同之处是无机械触点，消除了有触点时对电网和电动机产生的不利影响。

图4-6软启动器主回路
晶闸管交流调压电路的控制方式有两种：(1)相位控制方式。

在电源电压上下半波周期内某一时刻分别导通晶闸管，改变控制角即可控制负载与电源接通的时间，从而起到调压的作用。

(2)开关控制方式。

晶闸管是作为开关使用的，通过改变负载与电源接通时间和切断时间之比来调节电压。

通常我们采用相位控制。

4.3 软启动的仿真
4.3.1系统结构
虽然开环控制也能实现软启动，但是它无法抑制环境、温度等扰动的影响。

所以我们引入闭环负反馈控制方式实现软启动。

如图4-7所示，将启动电流反馈给软启动控制环节，这一环节通过一定的算法来控制晶闸管触发角的变化，从而调节作用于电机定子的电压。

当电流反馈值高于电流限定值时，触发角不变化直至电流降低后才会减小，而输出电压随之上升，直至全压。

图4-7 软启动的系统结构图
4.3.2模型搭建
由于本模型较复杂，为了实现系统的模块化管理，对构成反并联晶闸管电路、触发电路、软启动控制环节的多个标准基本模块分别采用Simulink的封装技术，将它们集成在一起，形成新的功能模块。

最后建立如图4-8的模型。

图4-8软启动仿真模型
4.3.3参数设置
(1)反并联晶闸管模块。

如图4-9(a)、(b)所示，该模型共需三个这样的模块构成三相交流调压主电路，g1、g2分别是正反向两个晶闸管的门极，用于触发信号。

晶闸管模块中的m端为观测晶闸管两端的电压和电流作用端，为避免对整个电路造成影响，不观测时用终端(Terminator)模块连接。

图4-9 反并联晶闸管电路
(2)交流调压触发电路。

图4-10电路中包括三部分：I方波形成部分、II锯齿波产生部分、III移相控制部分。

图4-10交流调压触发电路
U为同步相电压，经延迟模块(Relay)形成与之正半周等宽的方波，I部分的
S
该波经II部分的斜率设定模块(Rate Limiter)产生斜率可调的锯齿波。

III部分的
U作差来改变作用是形成触发脉冲，先把前部分产生的锯齿波与移相控制电压
C
锯齿波电压的过零点，再经过延迟模块(Relay1)产生前沿可调，后沿固定在
180的宽脉冲(由于是交流电机那样的阻感性负载，所以要求采用宽脉冲或双窄脉冲触发)。

负半周触发脉冲的产生与上述过程一样。

这三部分还可以通过一个同步6脉冲触发器来代替，但需将自然换向点转换为对应相电压的过零处才可以实现。

Relay、Relay2参数设置如图4-11(a)所示，Relay1、Relay3参数设置如图4-11(b)所示，Rate Limiter、Rate Limiter1参数设置如图4-12所示。

(a) (b)
图4-11 延迟模块参数设置
图4-12 斜率设定模块参数设置
从图4-13的波形可知，通过改变偏移电压的输入值，就可以调节示波器中第四通道的锯齿波的过零点，第五、第六通道中脉冲的相位随之改变，得到输出。