三相交流电动机的软启动分析与仿真

第1章绪论笼式异步电动机是工业企业应用最广泛的用电设备。

对于容量较大的电动机，如果采用直接启动，则启动时冲击电流很大，将会对电网及其他负载造成干扰甚至危害电网的安全运行。

因此，对大容量的笼式异步电动机，不能采用直接启动方式。

以往采用降压启动方式，减少启动电流，早期的启动方式有：串联电抗或电阻，星——三角转换，串联自耦变压器等。

作为异步电动机的启动设备——软启动器，利用晶闸管交流调压技术制作，从20世纪70年代开始推广应用，同时, 由单片机作为控制电路的软启动器还可以将软启动、软制动、轻载节能技术和缺相、过载、短路、漏电等保护措施融于一体,因而具有广阔的应用前景。

对电机软启动技术的要求异步电动机在直接启动过程中, 自电源流入定子绕组的电流可达其额定电流的7 倍以上, 这种大的冲击电流容易造成电网电压显著下降, 这不仅使电动机起动转矩减小(起动转矩与电源电压的平方成正比)而启动困难, 还会影响接在同一电网的其它用电设备, 如使附近照明灯变暗, 附近正在工作的其他异步电动机的转矩减少, 转速下降等, 尤其是大容量电动机, 由于其起动电流较大, 起动时间较长, 对同一电网的其它用电设备影响更大。

传统的电机软启动技术主要是为了缓解或消除由于电机启动力矩过大对电气系统、机械设备和工艺系统所造成的影响和损害，使其能够安全稳定运行。

随着工业科学技术的发展和社会需求的增加，人们对转动设备的启动和运行以及到停止全程的平稳性、机械稳定性、工艺上的精密性要求更高，同时对设备的节能和操作控制上的现代化水平要求的更高，人们希望电机的启动和停止要柔软，运行安全、经济、可靠，适应性强、配置灵活，实现电机驱动的精密控制、精密调整目前的电机软启动器、变频器、串级调速等技术，从根本上改变了传统的单一的降压或限流的电气接线方式和控制原理，实现了对电机启动到停止的全过程的电压、电流、相位和频率的控制和调整。

使启动过程中的电机得到有效控制，特别是，变频调速和串级调速实现了对电机运行速度根据负荷要求进行调整，实现了人们对电机软启动的各项要求。

软起动在交流电机起动中的应用现代社会中，电动机的应用遍及各个行业，并起着十分重要的作用，为了更好地使用和发挥其作用，对电动机的启动开发了电子软启动器，大大提高了其使用的安全性，减少了故障率，提高了效率。

随着电力电子技术及微电子技术的快速发展，国内交流电机软启动器的应用已非常广泛。

由于直接启动过大的冲击电流和突跳转矩易造成电机、电气及机械设备较大的损害，而传统的降压启动方式仍存在较大的启动冲击电流，所以一般情况下对中大容量电机，在经济条件允许的情况下尽量使用软启动器，而且一般情况下应采用一台软启动器拖动一台电机的控制方案，这样软启动器不仅作为软启动器件，还可以作为一个完善的电动机综合保护器使用。

对负载等级要求一般的使用场合，也可采用一台软启动器循环拖动多台电机负载的方案。

短期展望，电机起动将仍然以各种形式的降压（限流）软起动为它的主要形式。

从理论上说，性能价格比高的产品将占有更大的市场份额。

但是，在各种应用场合，人们对于各种性能的侧重面不同，使各类起动产品（包括传统的星三角起动）都可能会赢得自己的市场。

长期展望，随着软启动价格的逐渐下降，可靠性的进一步提高，未来将成为主流产品的软起动装置。

第2章 交流电机起动本章介绍异步电动机的几种启动方式，分析传统启动的优缺点，同时与晶闸管软启动器进行比较，最后简介软启动的应用。

异步电动机的起动转矩分析根据电机学原理，启动时， S =1，因此启动电流和启动转矩分别为由式(1-1) 、 式(1-2)可知，在转速或转差率一定时，动转矩与定子两端电压平方成正比，启动电流与定子两端电压成正比。

同时在电动机启动时 ，由于定子、 转子电流比额定电流大很多 ，使得漏磁路中的铁磁部分发生饱和，X σ1和X σ2变小，启动转矩 T st 与启动电流 I st 变大。

因此电机启动时 ，如果将电压直接加到定子两端 ，将产生极大的冲击转矩和冲击电流 ，对设备很不利。

所以采取降低定子两端电压的方法 ，此时启动电流按比例减小 ，启动转矩按平方减小。

软启动器就是根据该原理进行设计的，采用的是晶闸管交流调压电路 ，降低加在定子两端的电压，从而减小启动电流。

然后逐渐升高电压值，使异步电动机平稳启动。

电动机的直接启动通常电动机的启动方式有两种：一种是在额定电压下的直接启动方式，又被叫做硬启动，另一种是调整电机的启动电压或电流的启动方式，也被称为软启动。

在实际应用中多数电气设备是采用直接启动，这种方式系统接线简单，操作和维护方便，启动速度快，是一种最简单，最常用的启动方式。

但是直接启动存在一定的危害和局限性如：(1) 直接启动的电机的启动电流很大对电网冲击大。

一般电机空载启动电流可达额定电流的4～7倍，带载启动时可达8～10倍或更大，并由此会造成电网电流瞬间增加，导致电压下降，对其他运行中电设备造成影响，还可能使低电压保护动作，影响相关设备的安全运行，使电机本身及系统的继电保护的整定和配合增加难度，降低了保护的灵敏度。

(2) 直接启动的电机由于过大的启动电流会使电机绕组发热，导致绝缘老化加速，影响电机寿命，同时机械冲击过大往往会造成电动机转子笼条、端环断裂和定子端部绕组绝缘磨损，导致击穿烧机，转轴扭曲，联轴节、传动齿轮损伤和皮带撕2'212'2111)()(X X R R U Z U I k st σσ+++==])'()[(232212'211'21X X R R f R U Tr st σσπρ+++=式 (1-1) 式 (1-2)裂等。

(3) 直接启动的电机在启动时，其机械系统容易由于电气系统的突变而对机械系统造成冲击，如：风机、水泵等受电机启动过程中的压力突变往往造成泵系统管道、阀门的损伤，缩短使用寿命；影响传动精度，甚至影响正常的过程控制。

根据以上这些情况为了保证安全和可靠性、经济性、在对电动机直接起方式的选择上制定了一些限制条件。

一是根据生产机械特性和工艺要求，确定是否允许拖动电动机直接启动；二是，根据电动机的容量与供电系统的变压器容量的比值来确定，要求电机容量要小于变压器容量的10%～15%；三是，要求电机启动过程中的电网电压降不大于额定电压的15%。

对于中、大功率的电动机一般都不允许直接启动，而要求采用一定的启动设备，通过降低电机启动时的电压方式完成正常的启动工作，被称为降压(限流)软启动。

传统软启动方式及适用场合降压启动的目的是减小启动电流，但它同时也使启动转矩下降。

对于重载启动，带有大的峰值负载的生产机械，就不能用这种方式启动。

传统的降压启动有以下几种方法：(1) 星形/三角形转换器：这种方法适用于正常运行时定子绕组采用△接法的电动机。

定子有6个接头引出，接到转换开关上，启动时采用星形接法，启动完毕后再切换成△接法。

启动电压较运行电压降低了3倍。

这种启动设备的优点是启动设备简单，启动过程中消耗能量少。

(2) 自耦变压器降压启动：自耦变压器高压边接电网，低压边接电动机，一般有几个分接头，可选择不同的电压比，相对于不同启动转矩的负载，在电动机启动后再将其切除。

其优点是启动电压可以选择，如，或，以适应不同负载的要求。

缺点是体积大，重量重，且要消耗较多有色金属，故障率高，维修费用高。

(3) 磁控软启动器：磁控软启动器是利用控磁限幅调压的原理，在电动机启动过程中电压可由一个较低的值平滑地上升到全压，使电动机轴上的转矩匀速增加，启动特性变软，并可实现软停车。

但其起控电压在200V左右，用户不可调整，会有较大的电流冲击，且体积较大。

(4) 串联电抗器：对于高压电机，可在定子线路中串联电抗器或水电阻实现降压启动，待启动完成后再将其切除。

但电抗器成本高。

(5) 串接频敏变阻器：对于绕线式异步电动机，可在转子绕组串接频敏变阻器启动，待启动完成后再将其切除。

但频敏变阻器成本高。

（6）电解液液阻限流的软启动：液阻是一种由电解液形成的电阻，它导电的本质是离子导电。

其阻值正比于二块电极板的距离，反比于电解液的电导率，极板距离和电导率都便于控制，且液阻的热容量大。

液阻的这两大特点(阻值可以无级控制和热容量大)，恰恰是软启动所需要的，加上另一个十分重要的优势即低成本，使液阻软启动得到了广泛的应用。

但基于液阻限流，液阻箱容积大，且一次软启动后电解液通常会有10℃～30℃的温升，使软启动的重复性差；移动极板需要有一套伺服机构，移动速度较慢，难以实现启动方式的多样化；液阻软启动装置液箱中的水，需要定期补充。

电极板长期浸泡于电解液中，表面会有一定的锈蚀，需要作表面处理(一般2～3次/年)；液阻软启动装置不适合放置在易结冰或颠簸的环境中。

传统启动方式存在的问题以上几种加压启动方式，不论是采取星形/三角形转换器、自耦变压器降压、自耦变压器降压和串联电抗器或水电阻，都是在原电机系统中增加一个降压或限流设备，这样就使系统变得复杂了，其缺点是：一是设备系统复杂不便于操作和管理，增加了故障点，特别是有二次电流冲击，使设备故障率高，需要经常维护，所以不宜使用在频繁启动的设备上；二是设备的体积大，重量重，且要消耗较多有色金属，耗电量增加，维修成本高；三是，调整不灵活，会有较大的电流冲击，且不利于安全运行。

值得指出的是：尽管各种老式软启动方法各有其优缺点，但它们有一个共同的优点：就是没有谐波污染。

晶闸管软启动器的性能(1)晶闸管软启动装置采用电力电子集成电路，由PLC或单片机数字控制的调压(电流)节能的电机软启动设备。

它主要是串接在电机电源回路中，实时控制电动机的启动电压或电流，由此起到调整电机的启动力矩，实现电机的软启动。

电子软启动可以满足电动机软启动、软停机及运行过程中功率因数自动调节。

一般的电子软启动器都适用于三相220V ～660V电压等级，具有比较完善的故障检测功能，能在运行过程中检测任何异常状态，并通过不同的指示灯显示各类故障，配套相应的晶闸管主回路及RC吸收单元可组成一高性能的电动机软启动控制器，并能适用于任何负载场合的电动机的控制。

它是接在三相交流电源与三相交流电动机之间的电力电子装置。

(2) 晶闸管软启动的技术性能主要包括：一是根据电机的硬性特性的要求，可分别独立设定电机的软启动、软停机时间；二是实现运行过程中的功率因数自动追踪调节功能，使0∝Φ；三是适用主回路电压：三相220V～690V AC 50ΦCOS∝SIN1,/60HZ自动选择相序自动检测；四是一次系统的电压和电流及功率因数的控制是采用数字脉冲，二次控制系统为集成数字控制设备，耗电低。

(3) 晶闸管软启动的启动方式：根据电机不同负载的要求晶闸管启动器一般都具备以下三种启动方式：电压控制启动方式、限流启动方式、转矩加脉冲突跳启动方式。