(徐爱荣)交流电动机减压软启动系统的设计定稿

封面作者:PanHongliang仅供个人学习浙江大学远程教育学院本科生毕业论文（设计）题目交流电动机减压软启动系统的设汁专业05秋电气工程与自动化（专本）学习中心洛阳姓名徐爱荣学号D20505320011指导教师屈稳太2007 年12 月4 日2/2摘要从交流电机发展至今，三相交流异步电动机得到了广泛的应用，其性能和功率在不断的提高，电压从低压发展到高压•随着三相交流异步电动机功率的提高，其启动过程也出现诸多弊端，如三相交流异步电动机直接启动时，启动电流一般可达5-8倍的额定电流，较大的启动电流流过电机绕组，产生大量热量，加速绝缘老化，影响电机寿命.在三相交流异步电动机不宜采用直接启动的时候，可考虑采用电动机降压启动或其它启动方式.三相晶闸管调压软启动是近年来发展的新技术，采用反并联接线的晶闸管接在电动机的三相绕组上，在电动机启动过程中通过控制晶闸管导通角的大小，使电动机的启动电流可根据工作要求设定的规律变化.本文详细分析了调压软启动的原理并且建立了相应的仿真模型并对其进行了验证.关键字：直接启动启动电流软启动仿真目录交流电动机传统启动技术1（-）三相交流异步电动机的直接启动及其存在的问题11.三相交流异步电动机的简化数学模型12.直接启动所存在的问题2（二）三相交流异步电动机的传统启动技术及其存在的问题2二. 交流电动机降压软启动技术3（-）降压软启动器调节原理3（二）降压软启动器的主电路结构4（三）晶闸管调压原理4（四）降压软启动的启动方式及其控制策略51.限流软启动52.电压斜坡启动53.转矩控制启动54.转矩加突跳控制启动55.停车方式6三. 系统仿真及结果6（一）Matlab/Simulink X具简介 6（二）异步电动机直接启动仿真6（三）异步电动机降压软启动仿真71.功能模块设计82.仿真实验9四. 毕业设计小结10五. 致谢10参考文献112/22/2一.交流电动机传统启动技术从交流电机发展至今，三相交流异步电动机得到了广泛的应用，其性能和功率也不断的提高，电压也从低压发展到高压.随着三相交流异步电动机功率的提高，其启动过程也出现诸多弊端•在本章中我们将对电机的启动问题进行简要分析和论述.(-)三相交流异步电动机的直接启动及其存在的问题1.三相交流异步电动机的简化数学模型为了研究异步电动机的启动和制动时的电压、电流、转矩等变量的关系，要先从三相异步电动机的运行状态和生产机械的负载特性岀发.异步电动机的简化T型等效电路如图1所示.其中、分别为定子的电阻和漏抗，、分别为折算后转子的电阻和漏抗，、分别为励磁电阻和励磁电抗，s为转差率.图1异步电动机简化T型等值电路山异步电动机简化等值电路可以求出三相异步电动机的转子电流：因为电机启动时，转子转速n=0,转差s=l,此时的启动电流为：由上式可知，电机启动电流和电压成正比. 山异步电动机的功率平衡及转矩平衡关系可知，异步电动机的电磁转矩为：式中：为旋转磁场的同步角速度将代入T中可得：山上式可知，当频率不变时，同步角速度及电机参数为常数，电磁转矩T是定子电压和转差率s的函数.在电动机启动瞬间，s=l,则启动转矩为：曲此可知，在电机参数一定的情况下，启动转矩只和有关，两者为平方的关系.综上所述，当电源的频率和电动机参数都不变的情况下，启动转矩和成平方关系，启动电流和成正比，即在降低启动电圧的情况下，启动电流和启动转矩都相应降低•因此，可以通过控制定子电压对启动转矩和启动电流进行控制，这即是大部分启动方式所采用的理论依据.2.直接启动所存在的问题如果全电压直接启动，由1中所分析的结论可知，启动转矩较大，而冲击电流也很大.我们首先来看一下较大的启动电流对电动机本身的影响•对于频繁启动的异步电动机，频繁出现短时大电流会使电动机内部过热，会对电动机产生不良影响.再来看启动电流对供电变压器的影响•配电变圧器的容量是按照其供电的负载总容量来设计的，正常运行条件下山于电流不超过额定电流，其输出的电压比较稳定.三相异步电动机启动时，如变压器相对容量不是很大，电动机短时较大的启动电流会使变压器输出的电压短时下降幅度很大，超出正常允许的范围，这时就会产生如下影响：①启动电动机本身由于电压太低，使启动转矩下降很大，当负载较重时，有可能启动不了；Q会对同一变圧器供电的其他负载产生不良影响，如电灯变暗，重载电动机停转等.2/2由以上分析可知，异步电动机直接启动有其突出的缺陷，所以对容量较大的电动机都采用一些特殊的技术来进行启动.(二)三相交流异步电动机的传统启动技术及其存在的问题在三相交流异步电动机不宜采用直接启动的时候，可考虑采用电动机降压启动•传统的电动机降压启动方式有定子串电阻电抗器降压启动、转子串电阻降压启动、丫一△降压启动、自偶变压器降压启动等.表1对这儿种启动方式进行了比较.由表1可以看出，这些启动方式虽然在一定程度上解决了启动电流过大的问题，但是都是采取的有级调速方式；多数存在二次甚至多次冲击；同时启动设备带载切换容易拉弧损坏，设备维护量大等问题•随着电力电子技术的发展，一种新的启动技术一一软启动以其优良的启动、保护性能得到了广泛的关注.表1异步电动机传统启动方式二.交流电动机降压软启动技术降压软启动是近年来发展的新技术，采用反并联接线的晶闸管接在电动机的三相绕组上，在电动机启动过程中通过控制晶闸管导通角的大小，使电动机的启动电流可根据工作要求设定的规律变化•这样，电动机的启动电流大小、启动方式均可以任意调节和选择，可使电动机根据继电器保护特性而处于最佳的启动过程.(-)降压软启动器调节原理利用交流电机的电压特性曲线来控制交流电机的启动，是电子软启动器的主要控图2电子软启动系统框图制思想.釆用三对反并联的晶闸管串联于电动机的三相供电电路上，利用晶闸管的电子开关特性，通过控制其触发脉冲、触发角的大小来改变晶闸管的开通时间, 从而改变电动机定子输入电圧，以控制电动机的软启动过程.当电动机启动完成后，即端电压升至额定电压时，三相旁路接触器K吸合，使电动机直接并网运行. 启动时，晶闸管的导通角从0°开始上升，逐渐增大，电动机的端电压也从零开始上升，直至达到满足启动转矩要求，保证启动成功.电子软启动器的基本电路框图如图2所示. （二）降压软启动器的主电路结构降压软启动器的电路原理如图3所示.在电机定子三相进线电路上串联六个反并联晶闸管（或三个双向晶闸管），可控制电压的双向通断.通过改变晶闸管的导通角来改变加到定子端的电压•山电机转矩和定子端电压的关系以及定子电流和定子端电压的关系可知，改变电圧的有效值，即可改变交流电机启动时的冲击电流和转矩.图3晶闸管调压软启动主电路示意图（三）晶闸管调压原理在工频电源和负载之间接入晶闸管调压器，就可以改变负载端的电压.用晶闸管调压的方法有两种：一种是相控调压，另一种是斩波调压，即用双向晶闸管作为静止接触器，交替的接通与切断儿个周波的电源电压，但是斩波调压用在异步电动机定子上，通断交替的频率不能太低.否则一方面会引起电动机转速的波动，另一方面每次接通电流相当于一次异步电动机重合闸的过程•当电源断开时, 电动机气隙中的磁场将山转子中的瞬态电流来维持，并随转子而旋转，气隙磁场在定子绕组中感应的的电势频率将有所变化，肖断流时间间隔稍长时，这个旋转磁场在定子中感应的电势和重新接通时的电源电压在相位上可能会有相当大的差别，这样就会出现较大的冲击电流.可能危及晶闸管的安全.如通断交替频率较高，每次通断时间间隔中交流电周波数较少，采用整周波斩波控制方法可能调速不够平滑，所以在异步电动机的调压控制中多用相控技术.曲于异步电动机是感性负载，所以当晶闸管调压时，只有当移相角大于感性负载的功率因数角时，才能起到调压作用，因为当时，电流导通的时间将始终为, 其情况与时一样，相控不起任何作用，因此的下限取为额定运行时的值，而上限取.在调压时，负载上所得到的电压与电流波形在根据触发角的不同而改变，单相晶闸管电路的电压输出波形如图4所示，其中为触发角，为续流角，为导通角，111图4可知，角决定了晶闸管的输出电压，故改变角的大小就可以调节电机的输入电压，并且有：•可见电机的输入电压与触发角和续流角都有关系.由于没有中线，所以要想形成电流通路，至少要两相同时导通.为了保证在电路起始匸作时能使两个晶闸管同时导通，以及在感性负载与控制角较小时仍能保证不同相的两个晶闸管同时导通，要求采用能够产生大于的宽脉冲或双窄脉冲的触发电路，以免在的情况下交流调压电路中可能只有一个方向的晶闸管在工作，负载上的电压和电流波形将出现正负半波不对称的情况，产生直流分量.具体的触发方式为：触发角点应该定在各相电压的过零点，调压电路从相电压的过零点处开始计算触发角；六只晶闸管的触发相序是VT1、VT3、VT5依次滞后，VT4、VT6、VT2乂分别滞后VTK VT3、VT5,这样触发相位自VT1到VT6 依次滞后.图4单相晶闸管工作波形(四)降压软启动的启动方式及其控制策略从电机启动性能的角度出发，以不同的参量为控制LI标，使得降压软启动器有多种启动方式和控制策略，先分别进行分析.1.限流软启动限流软启动顾名思义即在电动机的启动过程中限制其启动电流不超过某一设定值(Im)的软启动方式.主要用在轻载启动负载的降压启动，其输出电压从零开始迅速增长，直到其输出电流达到预先设定的电流限值Im,然后在保持输出电流Ivlm的条件下逐渐升高电压，直到额定电压，使电动机转速逐渐升高，直到额定转速•其缺点是在启动时难以知道启动压降，不能充分利用压降空间，损失启动转矩，启动时间相对较长.2.电压斜坡启动输出电压山小到大成斜坡规律线性上升，将传统的降压启动变有级为无级，刚启动时，电圧迅速上升到初始转矩对应的电压，然后按照设定的启动时间逐渐上升，直到达到额定电压.主要用在重载启动中.它的缺点是启动转矩小，且转矩特性呈抛物线型上升，对启动不利，且启动时间长，对电机也不利•改进的方法是采用双斜坡启动，输出电压先迅速升至U I,U I为电动机启动所需最小转矩所对应的电压值，然后按设定的速率逐渐升压，直至达到额定电压.初始电压及电压上升率可根据负载特性调整•这种启动方式的特点是启动电流相对较大，但启动时间相对较短，适用于重载启动的电机.3.转矩控制启动主要用在重载启动，它是按电动机的启动转矩线性上升的规律控制输出电压，它的优点是启动平滑、柔性好，对拖动系统有利，同时减少了对电网的冲击, 是最优的重载启动方式，其缺点是启动时间较长.4.转矩加突跳控制启动与转矩控制启动一样也是用在重载启动的场合.所不同的是，突跳控制在启动的瞬间用突跳转矩，克服拖动系统的静转矩，然后转矩平滑上升，可缩短启动时间.但是，突跳会给电网发送尖脉冲，干扰其它负荷，使用时应特别注意.5.停车方式停车方式有三种：一是自由停车，二是软停车，三是制动停车.软启动器带来的最大好处是软停车和制动停车，软停车消除了拖动系统的反惯性冲击，对于水泵就是“水锤”效应，制动停车则在一定场合代替了反接制动停车功能.三. 系统仿真及结果在对软启动进行了上述分析后，我们选择口前比较常用的电压斜坡控制方式来进行降压软启动的深入研究•本设计中利用现在比较流行的MATLAB工具进行计算机仿真研究.（—）Matlab/Simulink工具简介MATLAB是一种科学计算软件，早期MATLAB主要用于解决科学和工程的复杂数学计算问题.由于它使用方便、输入便捷、运算高效、适应科技人员的思维方式，并且有绘图功能，有用户自行扩展的空间，因此特别受到用户的欢迎.1993年出现了SIMULINK,这是基于框图的仿真平台，SIMULINK挂接在MATLAB环境上，以MATLAB强大的计算功能为基础，以直观的模块框图进行仿真和计算.SIMULINK提供了各种仿真工具，尤其是它不断扩展的、内容丰富的模块库，为系统的仿真提供了极大的便利•从SIMULINK4.1版开始，有了电力系统模块库（Power System Blockset）,利用该模块库的模块，可以方便的进行RLC电路、电力电子电路、电机控制系统和电力系统的仿真.本设计就利用Power System Blockset和基本的SIMULINK库对降压软启动系统进行模型搭建和仿真.（二）异步电动机直接启动仿真在设计降压软启动系统之前，我们首先对异步电动机全电压直接启动进行建模和仿真.全电压直接启动模型中，将三相交流电源直接和电动机定子相连，用示波器观察启动过程中的启动电流、启动转矩以及转速曲线，具体仿真模型如图5所示. 其中异步电动机采用默认配置，只是把额定电压和额定频率改为380V和50Hz 即可.图5全电压直接启动模型仿真时间设为0.5S,观察定子启动电流、转矩、转速曲线如图6~8所示.因为电动机直接启动过程中主要是启动电流的冲击，III图中可以发现，启动过程中，电流的脉动较大，启动电流是额定电流的7~10倍，且冲击电流持续时间较长，将对电动机本身及电网造成很大的冲击；转矩在启动过程中波动也很大；转速上升比较迅速.图6全电压启动定子电流图7全电压启动转速图8全电压启动转矩（三）异步电动机降压软启动仿真晶闸管软启动器可以通过电压的调节，限制启动电流，并且使电动机有较大的启动转矩.软启动电路山三相晶闸管调压电路和软启动控制器（给定积分器）、触发器等组成，启动时通过控制器使晶闸管控制角从大到小变化，而电动机电压从小到大逐次上升，仿真电路由图9所示.图9降压软启动仿真模型1.功能模块设计①调压主电路模块反并联的两个晶闸管组成了交流双向开关，在交流输入电压的正半周，VT1 导通，在交流输入电压的负半周，VT2导通，控制晶闸管的导通时刻，可以调节负载两端的电压•模块构成如图10所示.Ini和In2分别是两个晶闸管的触发端.本系统共需要3个这样的功能模块构成调压主电路.图10双向晶闸管模块②触发器模块交流调压晶闸管触发角的移相范围是，的位置定在电源电压过零时.在阻感负载时，按触发角与负载阻抗角［］的关系，电路有两种工作状态.a.调压器输出电压和电流的正负半周是不连续的，在这个范围内调节触发角，负载的电压和电流将随之变化.b.调压器输出处于失控状态，即虽然触发角变化，但负载电压不变，且是与电源电压相同的完整正弦波•这是因为阻感负载电流滞后于电压，因此如果触发角较小，在一个晶闸管电流尚未下降到零前，另一个晶闸管可能已经触发（但不能导通），一旦电流下降到零，如果另一个晶闸管的触发脉冲仍然存在，则该晶闸管立即导通，使负载上电压成为连续的正弦波，出现失控现象.正因为如此，交流调压器晶闸管必须采用后沿固定在的宽脉冲触发方式，以保证晶闸管能正常触发.触发器模块如图11所示，由同步、锯齿波形成和移相控制等环节组成.电路的输入端Ini是同步电压输入端，同步电压经延迟Realy环节产生与同步电压正半周等宽的方波，该方波经斜率设定（Rate Limiter）产生锯齿波，锯齿波与移相控制电压（In2输入）叠加调节锯齿波的过零点，再经延迟Relay 1产生前沿可调，后沿固定的晶闸管触发脉冲.触发器中个模块的参数设置如表2所示.③异步电动机模块异步电动机使用模型自带参数，只需要把额定电压和额定频率改为38OV和50Hz 即可.三相电阻是为了检测电阻两端电压来观察交流调压器输出电压波形.112模型的控制部分由Step、GI和Fen三个模块组成，其中Step给出阶跃启动信号, GI模块用于设定启动曲线，函数Fen用于控制信号与触发器输入信号要求匹配. 给定积分模块的构成如图12所示.其中放大器（Gain）的作用是使积分时间常数不受放大器输入偏差大小的影响，所以放大倍数可以取的大一些.限幅器（Saturaction）用于设定积分时间常数，调节限幅器的上下限可以调节给定积分器输出曲线的上升斜率.晶闸管三相调压器给电动机供电时，晶闸管触发角的移相范围受一定限制，当触发角较大时，调压器输出过低，电动机启动转矩太小，电动机不能启动；当触发角小于电动机的功率因数角时，调压器失去调压作用，调压器输出全电压. 系统中设置了函数匹配环节（Fun）来设置初始触发角的大小.，其中为能使电动机启动的最小控制电压；为给定积分环节的输出.图12GI环节2.仿真实验利用该模型对电机空载降压软启动过程进行仿真，得到其结果分别如图13~ 图15所示.与图6~图8对比可以看到，采用软启动方式，电动机的启动电流冲击显著减小（III60A降至20A）；全压启动时间短（0.1S左右），软启动达到额定转速的时间长（0.5S左右），但是启动过程更平稳（转速脉动减小）.转矩的冲击也明显减小（由80Nm 降至15Nm左右）对机械的冲击明显减弱.由此可知,本次设计的降压软启动系统，达到了预期的效果，并且验证了降压软启动理论的正确性.图13降压软启动定子电流图14降压软启动转速图15降压软启动转矩四. 毕业设计小结本文首先总结了异步电机软启动的方法和发展历程；随后分析了晶闸管电子降压软启动的原理及系统组成方式；在此基础上，利用MATLAB工具搭建了降压软启动的仿真模型，并利用这个模型进行了仿真实验，得到了系统输出结果的波形.通过这次毕业设计，使我对电动机的软启动理论有了更深入的理解，对我在今后工作中一定会起到很大的帮助作用.并且通过这次设计，使我了解了MATLAB 仿真的方法，相信在以后的工作中也会发挥一定作用.五. 致谢在这次毕业设计中，首先要感谢我的指导老师屈稳太老师，是屈老师的严格要求以及耐心的指导让我能够如期完成毕业论文的写作.其次，我要感谢浙江大学远程教育学院的老师们，是他们的耐心解答和悉心的指导，让我能够顺利完成毕业论文的写作.最后还要感谢我的家人，是他们的鼓励和默默的支持让我可以安心完成我的毕业论文.参考文献[1]毛幸，关于交流异步电动机软启动器的探讨，上海电器技术.2001, （4 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