三相交流電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)分析與仿真

1、第1章 緒論籠式異步電動(dòng)機(jī)是工業(yè)企業(yè)應(yīng)用最廣泛的用電設(shè)備。對(duì)于容量較大的電動(dòng)機(jī)，如果采用直接啟動(dòng)，則啟動(dòng)時(shí)沖擊電流很大，將會(huì)對(duì)電網(wǎng)及其他負(fù)載造成干擾甚至危害電網(wǎng)的安全運(yùn)行。因此，對(duì)大容量的籠式異步電動(dòng)機(jī)，不能采用直接啟動(dòng)方式。以往采用降壓?jiǎn)?dòng)方式，減少啟動(dòng)電流，早期的啟動(dòng)方式有：串聯(lián)電抗或電阻，星三角轉(zhuǎn)換，串聯(lián)自耦變壓器等。作為異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)設(shè)備軟啟動(dòng)器，利用晶閘管交流調(diào)壓技術(shù)制作，從20世紀(jì)70年代開始推廣應(yīng)用，同時(shí), 由單片機(jī)作為控制電路的軟啟動(dòng)器還可以將軟啟動(dòng)、 軟制動(dòng)、 輕載節(jié)能技術(shù)和缺相、 過載、 短路、 漏電等保護(hù)措施融于一體,因而具有廣闊的應(yīng)用前景。1.1對(duì)電機(jī)軟啟動(dòng)技術(shù)的要求

2、異步電動(dòng)機(jī)在直接啟動(dòng)過程中, 自電源流入定子繞組的電流可達(dá)其額定電流的7 倍以上, 這種大的沖擊電流容易造成電網(wǎng)電壓顯著下降, 這不僅使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩減小(起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電源電壓的平方成正比)而啟動(dòng)困難, 還會(huì)影響接在同一電網(wǎng)的其它用電設(shè)備, 如使附近照明燈變暗, 附近正在工作的其他異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩減少, 轉(zhuǎn)速下降等, 尤其是大容量電動(dòng)機(jī), 由于其起動(dòng)電流較大, 起動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng), 對(duì)同一電網(wǎng)的其它用電設(shè)備影響更大。 傳統(tǒng)的電機(jī)軟啟動(dòng)技術(shù)主要是為了緩解或消除由于電機(jī)啟動(dòng)力矩過大對(duì)電氣系統(tǒng)、機(jī)械設(shè)備和工藝系統(tǒng)所造成的影響和損害，使其能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行。 隨著工業(yè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)需求的增加，人們對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)

3、備的啟動(dòng)和運(yùn)行以及到停止全程的平穩(wěn)性、機(jī)械穩(wěn)定性、工藝上的精密性要求更高，同時(shí)對(duì)設(shè)備的節(jié)能和操作控制上的現(xiàn)代化水平要求的更高，人們希望電機(jī)的啟動(dòng)和停止要柔軟，運(yùn)行安全、經(jīng)濟(jì)、可靠，適應(yīng)性強(qiáng)、配置靈活，實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的精密控制、精密調(diào)整目前的電機(jī)軟啟動(dòng)器、變頻器、串級(jí)調(diào)速等技術(shù)，從根本上改變了傳統(tǒng)的單一的降壓或限流的電氣接線方式和控制原理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)啟動(dòng)到停止的全過程的電壓、電流、相位和頻率的控制和調(diào)整。 使啟動(dòng)過程中的電機(jī)得到有效控制，特別是，變頻調(diào)速和串級(jí)調(diào)速實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)運(yùn)行速度根據(jù)負(fù)荷要求進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了人們對(duì)電機(jī)軟啟動(dòng)的各項(xiàng)要求。 1.2 軟起動(dòng)在交流電機(jī)起動(dòng)中的應(yīng)用 現(xiàn)代社會(huì)

4、中，電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用遍及各個(gè)行業(yè)，并起著十分重要的作用，為了更好地使用和發(fā)揮其作用，對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)開發(fā)了電子軟啟動(dòng)器，大大提高了其使用的安全性，減少了故障率，提高了效率。   隨著電力電子技術(shù)及微電子技術(shù)的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)交流電機(jī)軟啟動(dòng)器的應(yīng)用已非常廣泛。由于直接啟動(dòng)過大的沖擊電流和突跳轉(zhuǎn)矩易造成電機(jī)、電氣及機(jī)械設(shè)備較大的損害，而傳統(tǒng)的降壓?jiǎn)?dòng)方式仍存在較大的啟動(dòng)沖擊電流，所以一般情況下對(duì)中大容量電機(jī)，在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下盡量使用軟啟動(dòng)器，而且一般情況下應(yīng)采用一臺(tái)軟啟動(dòng)器拖動(dòng)一臺(tái)電機(jī)的控制方案，這樣軟啟動(dòng)器不僅作為軟啟動(dòng)器件，還可以作為一個(gè)完善的電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)器使用。對(duì)負(fù)載等級(jí)

5、要求一般的使用場(chǎng)合，也可采用一臺(tái)軟啟動(dòng)器循環(huán)拖動(dòng)多臺(tái)電機(jī)負(fù)載的方案。短期展望，電機(jī)起動(dòng)將仍然以各種形式的降壓（限流）軟起動(dòng)為它的主要形式。從理論上說，性能價(jià)格比高的產(chǎn)品將占有更大的市場(chǎng)份額。但是，在各種應(yīng)用場(chǎng)合，人們對(duì)于各種性能的側(cè)重面不同，使各類起動(dòng)產(chǎn)品 （包括傳統(tǒng)的星三角起動(dòng)）都可能會(huì)贏得自己的市場(chǎng)。長(zhǎng)期展望，隨著軟啟動(dòng)價(jià)格的逐漸下降，可靠性的進(jìn)一步提高，未來將成為主流產(chǎn)品的軟起動(dòng)裝置。 第2章 交流電機(jī)起動(dòng)本章介紹異步電動(dòng)機(jī)的幾種啟動(dòng)方式，分析傳統(tǒng)啟動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)與晶閘管軟啟動(dòng)器進(jìn)行比較，最后簡(jiǎn)介軟啟動(dòng)的應(yīng)用。2.1異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩分析 根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，啟動(dòng)時(shí)， S =1

6、，因此啟動(dòng)電流和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩分別為式 (1-1)式 (1-2)由式(1-1) 、 式(1-2)可知，在轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)差率一定時(shí)，動(dòng)轉(zhuǎn)矩與定子兩端電壓平方成正比，啟動(dòng)電流與定子兩端電壓成正比。同時(shí)在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí) ，由于定子、 轉(zhuǎn)子電流比額定電流大很多 ，使得漏磁路中的鐵磁部分發(fā)生飽和，X1和X2變小，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 Tst與啟動(dòng)電流 Ist變大。因此電機(jī)啟動(dòng)時(shí) ，如果將電壓直接加到定子兩端 ，將產(chǎn)生極大的沖擊轉(zhuǎn)矩和沖擊電流 ，對(duì)設(shè)備很不利。所以采取降低定子兩端電壓的方法 ，此時(shí)啟動(dòng)電流按比例減小 ，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩按平方減小。軟啟動(dòng)器就是根據(jù)該原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的，采用的是晶閘管交流調(diào)壓電路 ，降低加在定子兩端的電壓，從而減

7、小啟動(dòng)電流。然后逐漸升高電壓值，使異步電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)。2.2電動(dòng)機(jī)的直接啟動(dòng) 通常電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方式有兩種：一種是在額定電壓下的直接啟動(dòng)方式，又被叫做硬啟動(dòng)，另一種是調(diào)整電機(jī)的啟動(dòng)電壓或電流的啟動(dòng)方式，也被稱為軟啟動(dòng)。在實(shí)際應(yīng)用中多數(shù)電氣設(shè)備是采用直接啟動(dòng)，這種方式系統(tǒng)接線簡(jiǎn)單，操作和維護(hù)方便，啟動(dòng)速度快，是一種最簡(jiǎn)單，最常用的啟動(dòng)方式。 但是直接啟動(dòng)存在一定的危害和局限性如： (1) 直接啟動(dòng)的電機(jī)的啟動(dòng)電流很大對(duì)電網(wǎng)沖擊大。 一般電機(jī)空載啟動(dòng)電流可達(dá)額定電流的47倍，帶載啟動(dòng)時(shí)可達(dá)810倍或更大，并由此會(huì)造成電網(wǎng)電流瞬間增加，導(dǎo)致電壓下降，對(duì)其他運(yùn)行中電設(shè)備造成影響，還可能使低電壓保護(hù)動(dòng)作，

8、影響相關(guān)設(shè)備的安全運(yùn)行，使電機(jī)本身及系統(tǒng)的繼電保護(hù)的整定和配合增加難度，降低了保護(hù)的靈敏度。 (2) 直接啟動(dòng)的電機(jī)由于過大的啟動(dòng)電流會(huì)使電機(jī)繞組發(fā)熱，導(dǎo)致絕緣老化加速，影響電機(jī)壽命，同時(shí)機(jī)械沖擊過大往往會(huì)造成電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子籠條、端環(huán)斷裂和定子端部繞組絕緣磨損，導(dǎo)致?lián)舸龣C(jī)，轉(zhuǎn)軸扭曲，聯(lián)軸節(jié)、傳動(dòng)齒輪損傷和皮帶撕裂等。(3) 直接啟動(dòng)的電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，其機(jī)械系統(tǒng)容易由于電氣系統(tǒng)的突變而對(duì)機(jī)械系統(tǒng)造成沖擊，如：風(fēng)機(jī)、水泵等受電機(jī)啟動(dòng)過程中的壓力突變往往造成泵系統(tǒng)管道、閥門的損傷，縮短使用壽命；影響傳動(dòng)精度，甚至影響正常的過程控制。 根據(jù)以上這些情況為了保證安全和可靠性、經(jīng)濟(jì)性、在對(duì)電動(dòng)機(jī)直接起方式的選

9、擇上制定了一些限制條件。 一是根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械特性和工藝要求，確定是否允許拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)；二是，根據(jù)電動(dòng)機(jī)的容量與供電系統(tǒng)的變壓器容量的比值來確定，要求電機(jī)容量要小于變壓器容量的10%15%；三是，要求電機(jī)啟動(dòng)過程中的電網(wǎng)電壓降不大于額定電壓的15%。 對(duì)于中、大功率的電動(dòng)機(jī)一般都不允許直接啟動(dòng)，而要求采用一定的啟動(dòng)設(shè)備，通過降低電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電壓方式完成正常的啟動(dòng)工作，被稱為降壓(限流)軟啟動(dòng)。2.3傳統(tǒng)軟啟動(dòng)方式及適用場(chǎng)合降壓?jiǎn)?dòng)的目的是減小啟動(dòng)電流，但它同時(shí)也使啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降。 對(duì)于重載啟動(dòng)，帶有大的峰值負(fù)載的生產(chǎn)機(jī)械，就不能用這種方式啟動(dòng)。 傳統(tǒng)的降壓?jiǎn)?dòng)有以下幾種方法 ： (1) 星形/

10、三角形轉(zhuǎn)換器：這種方法適用于正常運(yùn)行時(shí)定子繞組采用接法的電動(dòng)機(jī)。 定子有6個(gè)接頭引出，接到轉(zhuǎn)換開關(guān)上，啟動(dòng)時(shí)采用星形接法，啟動(dòng)完畢后再切換成接法。 啟動(dòng)電壓較運(yùn)行電壓降低了3倍。 這種啟動(dòng)設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單，啟動(dòng)過程中消耗能量少。 (2) 自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)：自耦變壓器高壓邊接電網(wǎng)，低壓邊接電動(dòng)機(jī)，一般有幾個(gè)分接頭，可選擇不同的電壓比，相對(duì)于不同啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后再將其切除。 其優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)電壓可以選擇，如0.65， 0.8或0.9UN，以適應(yīng)不同負(fù)載的要求。 缺點(diǎn)是體積大，重量重，且要消耗較多有色金屬，故障率高，維修費(fèi)用高。 (3) 磁控軟啟動(dòng)器：磁控軟啟動(dòng)器是利用控磁限幅調(diào)

11、壓的原理，在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中電壓可由一個(gè)較低的值平滑地上升到全壓，使電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)矩勻速增加，啟動(dòng)特性變軟，并可實(shí)現(xiàn)軟停車。 但其起控電壓在200V左右，用戶不可調(diào)整，會(huì)有較大的電流沖擊，且體積較大。 (4) 串聯(lián)電抗器：對(duì)于高壓電機(jī)，可在定子線路中串聯(lián)電抗器或水電阻實(shí)現(xiàn)降壓?jiǎn)?dòng)，待啟動(dòng)完成后再將其切除。 但電抗器成本高。 (5) 串接頻敏變阻器：對(duì)于繞線式異步電動(dòng)機(jī)，可在轉(zhuǎn)子繞組串接頻敏變阻器啟動(dòng)，待啟動(dòng)完成后再將其切除。 但頻敏變阻器成本高。（6）電解液液阻限流的軟啟動(dòng)：液阻是一種由電解液形成的電阻，它導(dǎo)電的本質(zhì)是離子導(dǎo)電。其阻值正比于二塊電極板的距離，反比于電解液的電導(dǎo)率，極板距離和電導(dǎo)

12、率都便于控制，且液阻的熱容量大。液阻的這兩大特點(diǎn)(阻值可以無級(jí)控制和熱容量大)，恰恰是軟啟動(dòng)所需要的，加上另一個(gè)十分重要的優(yōu)勢(shì)即低成本，使液阻軟啟動(dòng)得到了廣泛的應(yīng)用。但基于液阻限流，液阻箱容積大，且一次軟啟動(dòng)后電解液通常會(huì)有1030的溫升，使軟啟動(dòng)的重復(fù)性差；移動(dòng)極板需要有一套伺服機(jī)構(gòu)，移動(dòng)速度較慢，難以實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)方式的多樣化；液阻軟啟動(dòng)裝置液箱中的水，需要定期補(bǔ)充。電極板長(zhǎng)期浸泡于電解液中，表面會(huì)有一定的銹蝕，需要作表面處理(一般23次/年)；液阻軟啟動(dòng)裝置不適合放置在易結(jié)冰或顛簸的環(huán)境中。2.4傳統(tǒng)啟動(dòng)方式存在的問題以上幾種加壓?jiǎn)?dòng)方式，不論是采取星形/三角形轉(zhuǎn)換器、自耦變壓器降壓、自耦變壓

13、器降壓和串聯(lián)電抗器或水電阻，都是在原電機(jī)系統(tǒng)中增加一個(gè)降壓或限流設(shè)備，這樣就使系統(tǒng)變得復(fù)雜了，其缺點(diǎn)是：一是設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜不便于操作和管理，增加了故障點(diǎn)，特別是有二次電流沖擊，使設(shè)備故障率高，需要經(jīng)常維護(hù)，所以不宜使用在頻繁啟動(dòng)的設(shè)備上；二是設(shè)備的體積大，重量重，且要消耗較多有色金屬，耗電量增加，維修成本高；三是，調(diào)整不靈活，會(huì)有較大的電流沖擊，且不利于安全運(yùn)行。 值得指出的是：盡管各種老式軟啟動(dòng)方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，但它們有一個(gè)共同的優(yōu)點(diǎn)：就是沒有諧波污染。2.5晶閘管軟啟動(dòng)器的性能(1)晶閘管軟啟動(dòng)裝置采用電力電子集成電路，由PLC或單片機(jī)數(shù)字控制的調(diào)壓(電流)節(jié)能的電機(jī)軟啟動(dòng)設(shè)備。 它主要是串

14、接在電機(jī)電源回路中，實(shí)時(shí)控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電壓或電流，由此起到調(diào)整電機(jī)的啟動(dòng)力矩，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟啟動(dòng)。 電子軟啟動(dòng)可以滿足電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)、軟停機(jī)及運(yùn)行過程中功率因數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)。 一般的電子軟啟動(dòng)器都適用于三相220V 660V電壓等級(jí)，具有比較完善的故障檢測(cè)功能，能在運(yùn)行過程中檢測(cè)任何異常狀態(tài)，并通過不同的指示燈顯示各類故障，配套相應(yīng)的晶閘管主回路及RC吸收單元可組成一高性能的電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)控制器，并能適用于任何負(fù)載場(chǎng)合的電動(dòng)機(jī)的控制。它是接在三相交流電源與三相交流電動(dòng)機(jī)之間的電力電子裝置。 (2) 晶閘管軟啟動(dòng)的技術(shù)性能主要包括：一是根據(jù)電機(jī)的硬性特性的要求，可分別獨(dú)立設(shè)定電機(jī)的軟啟動(dòng)、軟停機(jī)時(shí)間；二

15、是實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過程中的功率因數(shù)自動(dòng)追蹤調(diào)節(jié)功能，使；三是適用主回路電壓： 三相220V690V AC 50 /60HZ自動(dòng)選擇相序自動(dòng)檢測(cè)；四是一次系統(tǒng)的電壓和電流及功率因數(shù)的控制是采用數(shù)字脈沖， 二次控制系統(tǒng)為集成數(shù)字控制設(shè)備， 耗電低。 (3) 晶閘管軟啟動(dòng)的啟動(dòng)方式： 根據(jù)電機(jī)不同負(fù)載的要求晶閘管啟動(dòng)器一般都具備以下三種啟動(dòng)方式： 電壓控制啟動(dòng)方式、限流啟動(dòng)方式、轉(zhuǎn)矩加脈沖突跳啟動(dòng)方式。 (4) 晶閘管軟啟動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行方式分為：節(jié)能運(yùn)行方式、全壓運(yùn)行方式、接觸器旁路運(yùn)行方式。電抗器、液阻、晶閘管、磁控的性能比較表格電抗器液阻晶閘管磁控軟啟動(dòng)的基本性能一級(jí)降壓?jiǎn)?dòng)，無法實(shí)現(xiàn)恒流軟啟動(dòng)，對(duì)負(fù)載個(gè)

16、性適應(yīng)性差，易損壞。靠電極板移動(dòng)實(shí)現(xiàn)無級(jí)降壓軟啟動(dòng)，調(diào)節(jié)快速性差，屬于開環(huán)控制，有一定的維護(hù)工作。用微電子通過晶閘管實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，調(diào)節(jié)快速性好，是毫秒級(jí)的，閉環(huán)控制，啟動(dòng)方式簡(jiǎn)單化。有微電子通過磁控實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，調(diào)節(jié)快速性好，閉環(huán)控制，啟動(dòng)方式簡(jiǎn)單。是否易于實(shí)現(xiàn)軟停止不能難易較易電動(dòng)機(jī)綜合保護(hù)功能無具有初級(jí)工能完善完善高次諧波較小小大較大體積比0.40.610.20.30.5噪音中小較小較大啟動(dòng)完成二層電流沖擊較大小小小可否串在電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組不可以可以不可以不可以維護(hù)工作量小較大小小啟動(dòng)完成后是否被旁路是是不一定是對(duì)環(huán)境溫度的要求較低較高較高較低惡劣環(huán)境的耐受力較強(qiáng)較弱較弱較弱2.6軟啟動(dòng)器的運(yùn)行方

17、式及選型(1)在線運(yùn)行軟啟動(dòng)。軟啟動(dòng)器產(chǎn)品剛上市時(shí)，主要是國(guó)外的品牌，如施奈德，西門子等，但他們都是在線運(yùn)行方式。在應(yīng)用過程中，人們發(fā)現(xiàn)在線運(yùn)行有7個(gè)方面的優(yōu)缺點(diǎn)：晶閘管長(zhǎng)期在線運(yùn)行功耗太大造成能源浪費(fèi)：晶閘管的散熱量太大需要機(jī)械冷風(fēng)，給成套帶來很大的困難：晶閘管長(zhǎng)期在線運(yùn)行給電網(wǎng)帶來高次諧波污染：晶閘管作為開關(guān)元件長(zhǎng)期工作其可靠性遠(yuǎn)低于機(jī)械開關(guān)：造價(jià)昂貴用戶難以接受：由于晶閘管造型和考慮散熱，因此體積大。軟啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)：電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)與保護(hù)及控制集于一體，強(qiáng)大的智能控制器全部發(fā)揮作用，由于采用機(jī)械冷風(fēng)能夠適用頻繁啟動(dòng)場(chǎng)合，電路簡(jiǎn)單便于維護(hù)和檢修。(2)旁路運(yùn)行軟啟動(dòng)器。旁路型軟啟動(dòng)器克服了在線運(yùn)

18、行的缺點(diǎn)和技術(shù)難度，即電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)完成后旁路到接觸器上運(yùn)行?；乇芰司чl管在線運(yùn)行的缺點(diǎn)，尤其不需要機(jī)械風(fēng)冷。但是，同時(shí)也帶來四個(gè)方面的缺點(diǎn)：電路復(fù)雜，系統(tǒng)可靠性降低：強(qiáng)大的智能控制器不能充分利用，有的不能對(duì)電動(dòng)機(jī)保護(hù)：增加成套裝置的體積和成本：增加維護(hù)與檢修的難度。應(yīng)用中大多數(shù)采用了旁路運(yùn)行方形，即便選用了在線運(yùn)行方式的軟起器，有許多還是加載一套旁路運(yùn)行接觸器，回避了晶閘管在線運(yùn)行的缺點(diǎn)。（圖1）圖1 在線運(yùn)行軟啟動(dòng)器電路圖(3)內(nèi)置晶閘管旁路型在線運(yùn)行軟啟動(dòng)器。內(nèi)置晶閘管旁路型在線運(yùn)行軟啟動(dòng)器（簡(jiǎn)稱內(nèi)置旁路型軟啟動(dòng)器），是在線運(yùn)行軟啟動(dòng)器內(nèi)部設(shè)計(jì)了一套機(jī)械觸頭與晶閘管并聯(lián)，在電機(jī)軟啟動(dòng)和軟停車

19、過程中由晶閘管運(yùn)行，機(jī)械觸頭斷開，當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)晶閘管斷開，機(jī)械觸頭閉合。這套動(dòng)作過程是通過內(nèi)部控制自動(dòng)完成的，對(duì)外部接線來講是一個(gè)裝置，以稱為在線運(yùn)行。它的優(yōu)點(diǎn)是具備上述兩種類型的所有優(yōu)點(diǎn)同時(shí)回避它們各自的缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單；自然風(fēng)冷；晶閘管只管啟動(dòng)停車，回避晶閘管在線運(yùn)行所帶來的功耗和散熱；體積??；強(qiáng)大智能控制器得以全面發(fā)揮，能對(duì)電動(dòng)機(jī)起到啟停與保護(hù)控制；節(jié)省成套空間；由于晶閘管和機(jī)械觸頭組合一體的設(shè)計(jì)，通過智能控制器實(shí)現(xiàn)了機(jī)械觸頭無電弧，使得機(jī)械觸頭的電壽命等于機(jī)械壽命，與旁路型相比大大提高了系統(tǒng)的可靠性。節(jié)能：相比較旁路型而言的，由于內(nèi)部旁路型的機(jī)械觸頭采用了無電弧控制，其銀點(diǎn)的硬

20、度降低，因此觸點(diǎn)的接觸電阻也降低；從而使機(jī)械觸頭的閉合壓力大大降低，機(jī)械觸頭的吸合磁力減小，降低了能耗和觸頭的能耗降低，與旁路型相比綜合起來能省50%以上。(4)軟啟動(dòng)的選型 在此有必要區(qū)分的是頻繁啟動(dòng)還是不頻繁啟動(dòng)，對(duì)于軟啟動(dòng)器來講，一般情況下如果啟動(dòng)時(shí)間不超過2min，不超過30次/小時(shí)，即可定為不頻繁啟動(dòng)，大于次數(shù)應(yīng)按頻繁啟動(dòng)考慮。頻繁場(chǎng)合要按電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流選取，因此軟啟動(dòng)器一般選取管子的電流是電動(dòng)機(jī)的24.5倍。不頻繁下充分利用管子的短時(shí)過載能力，所以在不頻繁啟動(dòng)的條件下，應(yīng)加大軟啟動(dòng)器的容量，根據(jù)頻繁度的不同取在1.21.5倍即可。軟啟動(dòng)要有過載保護(hù)、斷相保護(hù)和溫度補(bǔ)償功能的熱過載

21、繼電器。具體選用時(shí)，要使電動(dòng)機(jī)的工作電流在熱元件整定電流范圍以內(nèi)。工作時(shí)容易過載的設(shè)備，要使電動(dòng)機(jī)的額定電流值靠近熱元件整定電流范圍的下限。第3章 三相交流異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)本章介紹交流調(diào)壓的原理，軟啟動(dòng)的設(shè)計(jì)主電路及幾種啟動(dòng)方式。最后應(yīng)用Matlab簡(jiǎn)單仿真。3.1 晶閘管交流調(diào)壓電路用晶閘管對(duì)單相交流電壓進(jìn)行調(diào)壓的電路有多種形式，以應(yīng)用最廣泛的反并聯(lián)電路為例分析，晶閘管控制采用相位控制方式。(1)電阻性負(fù)載的情形0Ut+VTT1VT2UsR單項(xiàng)交流反并聯(lián)電路如圖2示。當(dāng)電源電壓Us為正半周，控制角為時(shí)，觸發(fā)晶閘管VT1使之導(dǎo)通。電源通過VT1向負(fù)載R供電，Us過零時(shí)，VT1自行關(guān)斷。Us負(fù)半

22、周時(shí)在同一控制角觸發(fā)VT2使之導(dǎo)通，電壓通過VT2向負(fù)載供電。不斷重復(fù)上述過程，在負(fù)載R上就得到正負(fù)對(duì)稱的交流電壓，如圖3示。顯然，改變控制角就可改變負(fù)載R上交流電壓和電流的大小。圖2 單項(xiàng)交流反并聯(lián)電路 圖3 單項(xiàng)交流調(diào)壓原理圖(2)電阻電感性負(fù)載的情形當(dāng)交流調(diào)壓電路的負(fù)載是像交流電動(dòng)機(jī)那樣的電阻電感性負(fù)載時(shí)，晶閘管的工作情況與電阻性負(fù)載時(shí)就不相同了，此時(shí)晶閘管的工作不只與觸發(fā)控制角有關(guān)，還與負(fù)載電路的阻抗角參數(shù)有關(guān)。在單項(xiàng)交流調(diào)壓電路中，當(dāng)以阻抗角來表征電阻電感性負(fù)載的參數(shù)情況時(shí)，通過一系列，得到如下結(jié)論：對(duì)電阻電感性負(fù)載的，晶閘管調(diào)壓電路應(yīng)采用寬脈沖或脈沖列方式觸發(fā)，晶閘管控制角的正常移

23、相范圍范圍為180°。3.2 軟啟動(dòng)器的主電路同步電壓采集 觸發(fā)相角控制三相電源SCRS啟動(dòng)控制保護(hù)控制信號(hào)采集M圖5 軟啟動(dòng)器的系統(tǒng)框圖VT1VT4VT3VT6VT5VT2MABC圖4 晶閘管組成的軟啟動(dòng)圖4以晶閘管組成的軟啟動(dòng)器的主電路圖。 圖中VT1VT4、 VT3VT6、 VT2VT5三個(gè)反并聯(lián)普通晶閘管模塊串接在電動(dòng)機(jī)的三相電路中；M為電動(dòng)機(jī)。圖5在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中通過控制電路中觸發(fā)相角控制模塊(寬脈沖或雙窄脈沖)來控制晶閘管的導(dǎo)通角的大小， 使電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電壓根據(jù)所設(shè)定的規(guī)律進(jìn)行變化。這樣， 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流大小、 啟動(dòng)方式及啟動(dòng)時(shí)間均可任意調(diào)整與選擇， 使電動(dòng)機(jī)處于最佳啟

24、動(dòng)狀態(tài)。開始開始開始開始觸發(fā)角輸出開始開始開始按線調(diào)整開始開始開始A/D采樣開始開始開始到初始電壓?啟動(dòng)完畢？YNNY結(jié)束開始開始開始圖6 斜坡電壓起動(dòng)程序流程圖以斜坡電壓起動(dòng)方式為例設(shè)計(jì)起動(dòng)控制流程圖，采用開環(huán)控制電機(jī)上電瞬間，系統(tǒng)發(fā)出觸發(fā)脈沖給晶閘管，使得輸出電壓很快上升到設(shè)定的初始電壓。然后按照一定的觸發(fā)規(guī)律繼續(xù)發(fā)脈沖，使得電機(jī)的電壓按照線性斜坡上升。在起動(dòng)過程中要不斷的查詢?cè)O(shè)定的時(shí)間到達(dá)與否，時(shí)間到，則電機(jī)起動(dòng)完畢，軟起動(dòng)器旁路。3.3電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的幾種啟動(dòng)方式(1)斜坡電壓軟啟動(dòng)早期的軟啟動(dòng)器是以啟動(dòng)電壓為控制對(duì)象進(jìn)行軟啟動(dòng)的。tU0Us圖7斜坡電壓控制圖7中， 啟動(dòng)電壓先以設(shè)定的

25、速率增加， 然后再轉(zhuǎn)為額定電壓。這種啟動(dòng)方式比傳統(tǒng)的自耦變壓器或Y降壓?jiǎn)?dòng)有了較大的進(jìn)步， 但在某些工作狀態(tài)下應(yīng)用時(shí)， 還會(huì)出現(xiàn)較大的二次沖擊電流， 而且容易損壞晶閘管。(2)恒流軟啟動(dòng)目前的軟啟動(dòng)器大都以啟動(dòng)電流為控制對(duì)象進(jìn)行軟啟動(dòng)的。啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流保持恒定(即限定啟動(dòng)電流) ， 其電流限定值 Ism 通常在額定電流的1.5 4.5 倍之間選擇。圖8示了這種恒流軟啟動(dòng)方式的電流特性It0Ism圖8恒流軟啟動(dòng)的電流特性設(shè)定的電流限定值 Ism 大(以對(duì)電網(wǎng)不造成大的沖擊作用為前提) ， 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大， 啟動(dòng)時(shí)間短； Ism小， 啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小， 啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)。 這種方式一般適用于啟動(dòng)慣性大的場(chǎng)

26、合。(3) 斜坡恒流軟啟動(dòng)It0Ism若控制啟動(dòng)電流以一定的速率平穩(wěn)地增加， 當(dāng)啟動(dòng)電流增大到所設(shè)定的電流限定值 Ism 時(shí)， 就將啟動(dòng)電流保持恒定值直至啟動(dòng)結(jié)束。 圖9示了斜坡恒流軟啟動(dòng)方式的電流特性。圖9 斜坡恒流軟啟動(dòng)從圖中可以看出， 電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過程分為兩個(gè)階段， 先為斜坡啟動(dòng)階段， 后為恒流啟動(dòng)階段。 當(dāng)啟動(dòng)即將結(jié)束時(shí)啟動(dòng)電流會(huì)自動(dòng)減下來。 啟動(dòng)電流上升變化率和恒流值都可任意設(shè)定， 恒流值 Ism 大小決定啟動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短。因此， 啟動(dòng)電流上升變化率和恒流值一般應(yīng)根據(jù)負(fù)載情況與生產(chǎn)要求來設(shè)定， 以使軟啟動(dòng)器獲得最佳的啟動(dòng)過程， 并減小啟動(dòng)損耗斜坡恒流軟啟動(dòng)方式一般適用于空載或輕載啟動(dòng)，

27、 也適用于啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速增加而增大的負(fù)載設(shè)備， 如通風(fēng)機(jī)、 水泵等。(4)脈沖恒流軟啟動(dòng)這種啟動(dòng)方式在啟動(dòng)初始階段有一個(gè)較大的啟動(dòng)沖擊電流， 該電流值大于設(shè)定的恒流值 Ism ， 從而能產(chǎn)生較大的啟動(dòng)沖擊轉(zhuǎn)矩去克服較大的靜磨擦轉(zhuǎn)矩， 使設(shè)備能夠迅速啟動(dòng)； 然后進(jìn)入恒流啟動(dòng)階段， 直至啟動(dòng)結(jié)束。 圖10示了脈沖恒流軟啟動(dòng)方式的電流特性。It0Ism圖10 脈沖恒流軟啟動(dòng)圖中脈沖啟動(dòng)階段電流的幅值(以對(duì)電網(wǎng)不造成在的沖擊作用為前提)和脈沖維持時(shí)間是可以設(shè)定的。 顯然， 這種啟動(dòng)方式的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大， 適用于重載啟動(dòng)， 如皮帶輸送機(jī)、 磨煤機(jī)的帶載啟動(dòng)。除了上面介紹的軟啟動(dòng)方式之外， 還有電壓與電流控制

28、的各種組合方式， 如斜坡電壓與電流限制下的軟啟動(dòng)， 啟動(dòng)脈沖、 斜坡電壓與電流限制下的軟啟動(dòng)等。3.4串電抗降壓?jiǎn)?dòng)電路與軟啟動(dòng)電路Simulink仿真比較分別選取電機(jī)定子繞組串電抗降壓?jiǎn)?dòng)電路與軟啟動(dòng)電路利用 MATLAB內(nèi) Simulink搭建模型進(jìn)行仿真分析。3.4.1 電機(jī)定子繞組串電抗降壓?jiǎn)?dòng)電路圖11 定子繞組串電抗降壓?jiǎn)?dòng)電路圖11 定子繞組串電抗降壓?jiǎn)?dòng)電路仿真圖，由電源模塊、 電機(jī)模塊、 常量輸入模塊、 有效測(cè)量模塊、 電壓/電流測(cè)量模塊、 示波器、 RL組成。模塊參數(shù)設(shè)定：(1)電機(jī)模塊： 5HP；(2)電源模塊：“Peak amplitude” 設(shè)置為 220*sqrt(

29、2)；(3) 常量輸入模塊：設(shè)置為 11.87 (電機(jī)轉(zhuǎn)矩 ) ；(4)其它模塊采用默認(rèn)設(shè)置。設(shè)置仿真開始時(shí)間為 0S，結(jié)束時(shí)間為 1S，采用Ode23tb算法。 圖12電機(jī)定子繞組串電抗 降壓?jiǎn)?dòng)電流、 轉(zhuǎn)矩波形3.4.2 軟啟動(dòng)電路仿真圖圖13機(jī)軟啟動(dòng)電路仿真圖圖13機(jī)軟啟動(dòng)電路仿真圖，由電源模塊、電機(jī)模塊、 六脈沖觸發(fā)模塊、 常量輸入模塊、 有效測(cè)量模塊、 電壓 /流測(cè)量模塊、 示波器、 晶閘管、 回饋控制部分 (由選路器、 放大器、 階躍信號(hào)模塊、 增益模塊、 信號(hào)求和模塊)組成。模塊參數(shù)設(shè)定：(1)電機(jī)模塊： 5HP；(2)電源模塊：“Peak amplitude” 設(shè)置為 220*

30、sqrt(2) ；(3)常量輸入模塊：設(shè)置為 11.87 (電機(jī)轉(zhuǎn)矩) ；(4)六脈沖觸發(fā)模塊：“Pulse width ( degrees) ” 設(shè)置為 10；“Frequency of synchronizati on voltages” 設(shè)置為 50；(5)其它模塊采用默認(rèn)設(shè)置。設(shè)置仿真開始時(shí)間為 0S，結(jié)束時(shí)間為 0.5S，采用 Ode23tb算法。（b）轉(zhuǎn)矩波形（a）電流波形Simulink仿真結(jié)果如圖12、14所示：圖14軟啟動(dòng)啟動(dòng)電流、轉(zhuǎn)矩波形通過仿真波形和實(shí)時(shí)數(shù)字顯示模塊的讀數(shù)可知：串電抗器降壓?jiǎn)?dòng)瞬間 ，產(chǎn)生較大的沖擊量 (其中電流約為穩(wěn)定時(shí)的5倍 ，轉(zhuǎn)矩為穩(wěn)定時(shí)的7倍 ) ，過程變化突然 ，其中轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)兩次變化。軟啟動(dòng)瞬間 ，產(chǎn)生的沖擊明顯減弱 (電流約為穩(wěn)定時(shí)的3倍，轉(zhuǎn)矩為穩(wěn)定時(shí)的4倍 ) ，變化趨于平緩 ，且轉(zhuǎn)矩未出現(xiàn)兩次變化 ，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定和設(shè)備保護(hù)。啟動(dòng)電流和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩是體現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能最重要的兩個(gè)因素。因此在電機(jī)的啟動(dòng)過程中,如何降低起動(dòng)電流 ,減小沖擊成為電機(jī)啟動(dòng)控制的關(guān)鍵。電動(dòng)機(jī)軟啟