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1、精品名师归纳总结浙江高校远程训练学院本 科生 毕 业 论文 学习中心洛阳姓名徐爱荣学号 D20505320011指导老师屈稳太2007年12月4日可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结沟通电动机减压软启动系统的设计摘 要从沟通电机进展至今，三相沟通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，电压从低压进展到高压。随着三相沟通异步电动机功率的提高，其启动过程也显现诸多弊端，如三相沟通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。在三相沟通异步电动机不宜采纳直接启动的时候，可考虑采纳电动机降压
2、启动或其它启动方式。三相晶闸管调压软启动是近年来进展的新技术，采纳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掌握晶闸管导通角的大小，使电动机的启动电流可依据工作要求设定的规律变化。本文具体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可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结目 录一沟通电动机传统启动技术 1一）三相沟通异步电动机的直接启动及其存在的问题11. 三相沟通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）三相沟通异步电动机的传统启动技术及其存在的问题2二沟通电动机降压软启动技术 3一）降压
3、软启动器调剂原理 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掌握策略 51. 限流软启动 52. 电压斜坡启动 53. 转矩掌握启动 54. 转矩加突跳掌握启动 55. 停车方式 6三系统仿真及结果 6一） Matlab/Simulink 工具简介 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. 仿真试验 9四毕业设计小结 10五致谢 10参考文献 11可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结沟通电动机减压软启动系统的设计一沟通电动机传统启动技术从沟通电机进展至今，三相沟通异步电动机得到了广泛的应用，其性
4、能和功率也不断的提高，电压也从低压进展到高压。随着三相沟通异步电动机功率的提高， 其启动过程也显现诸多弊端。在本章中我们将对电机的启动问题进行简要分析和论述。一）三相沟通异步电动机的直接启动及其存在的问题1三相沟通异步电动机的简化数学模型为了讨论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动身。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。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结R1jX1jX 可编辑资料 - -
5、 - 欢迎下载精品名师归纳总结R2 2ISRmUjX m图1 异步电动机简化 T型等值电路由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：由于电机启动时，转子转速 n=0，转差 s=1，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。由异步电动机的功率平稳及转矩平稳关系可知，异步电动机的电磁转矩为：可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结式中：为旋转磁场的同步角速度将 代入T中可得：由上式可知，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。在电动机启动瞬时， s=1，就启动转矩为：由此可知，在电机参数肯定的情形下，启动转矩只和有关，
6、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形下，启动转矩和成平方关系，启动电流和成正比，即在降低启动电压的情形下，启动电流和启动转矩都相应降低。因此，可以通过掌握定子电压对启动转矩和启动电流进行掌握，这即是大部分启动方式所采纳的理论依据。2直接启动所存在的问题假如全电压直接启动，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。我们第一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，频繁显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。配电变压器的容量是依据其供电的负载 总容量来设计的，正常运行条件下由于
7、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，超出正常答应的范畴，这时就会产 生如下影响： 错误 . 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。错误 .会对同一变压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。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纳一些特殊的技术来进行启动。二）三相沟通异步电动机的传统启动技术及其存在的问题在三相沟通异步电动机不宜采纳直接启动的时候，可考虑采纳电动机降压启动。传统的
8、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、Y一降压启动、自偶变压器降压启动等。表1对这几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肯定程度上解决了启动电流过大的问题，但是都是实行的有级调速方式。多数存在二次甚至多次冲击。同时启动设备带载切可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结换简洁拉弧损坏，设备爱护量大等问题。随着电力电子技术的进展，一种新的启动技术软启动以其优良的启动、爱护性能得到了广泛的关注。表1 异步电动机传统启动方式启动方式启动电流启动转矩以直接启动为 1优点缺点应用场合直接启动11启动设备启动冲击电中小功率电简洁流大，冲击动机轻载或力矩
9、大空载启动定子串电阻启动启动设备简洁有级调速、启动转矩小适用于空载或轻载启动Y一启动1/31/3启动设备简洁，可有极、有二次冲击正常运行为接法，空频繁启动载或轻载启动自藕变压器降压启动启动转矩较大有极、设备体积大、不能频繁启较大容量电机、较大负载不频繁启动、多次冲动击二沟通电动机降压软启动技术降压软启动是近年来进展的新技术，采纳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掌握晶闸管导通角的大小，使电动机的启动电流可依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剂和挑选，可使电动机依据继电器爱护特性而处于正确的启动过程。一）降压软启动器调剂原理利
10、用沟通电机的电压特性曲线来掌握沟通电机的启动，是电子软启动器的主要可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结U、V 、WR、S、TM可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结电压检测驱动电路电流检测掌握单元指令和显示控图2 电子软启动系统框图制思想。采纳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，通过掌握其触发脉冲、触发角的大小来转变晶闸管的开通时间，从而转变电动机定子输入电压，以掌握电动机的软启动过程。当电动机启动完成后，可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结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
11、管的导通角从 0开头上升，逐步增大，电动机的端电压也从零开头上升， 直至达到满意启动转矩要求，保证启动胜利。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），可掌握电压的双向通断。通过转变晶闸管的导通角来转变加到定子端的电压。由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，转变电压的有效值，即可转变沟通电机启动时的冲 击电流和转矩。UVMW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，就可以转变负载端的电压。用晶闸管
12、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，交替的接通与切断几个周波的电源电压，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。否就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由转子中的瞬态电流来爱护，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，当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，这样就会显现较大的冲击电流。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沟通电周波数较少，采
13、纳整周波斩波掌握方法可能调速不够平滑，所以在异步电动机的调压掌握中多用相控技术。由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，由于当时，电流导通的时间将始终为，其情形与时一样，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依据触发角的不同而转变，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，由图 4可知， 角打算了晶闸管的输出电压，故转变角的大小就可以调剂电机的输入电压，并且有：。可见电机的输入电压与触发角和续流角都有关 系。可编辑资料 - - - 欢迎下
14、载精品名师归纳总结由于没有中线，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工作时能使两个晶闸管同时导通，以及在感性负载与掌握角较小时仍能保证不同相的两个晶闸管同时导通，要求采纳能够产生大于的宽脉冲或双窄脉冲的触发电路，以免在的情形下沟通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显现正负半波不对称的情形，产生直流重量。具体的触发方式为：触发角点应当定在各相电压的过零点，调压电路从相电压的过零点处开头运算触发角。六只晶闸管的触发相序是后， VT4 、VT6 、VT2 又分别滞后 VT1 、VT3 、VT5VT1 、VT3 、VT5 依次滞，这样触发相位自
15、VT1到VT6 依次滞后。U0t图 4 单相晶闸管工作波形四）降压软启动的启动方式及其掌握策略从电机启动性能的角度动身，以不同的参量为掌握目标，使得降压软启动器有多种启动方式和掌握策略，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，其输出电压从零开头快速增长，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 IIm的条件下逐步上升电压，直到额定电压，使电动机转速逐步上升，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，缺失启动转矩，启动时间相对较长。2.
16、 电压斜坡启动输出电压由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，电压快速上升到初始转矩对应的电压，然后依据设定的启动时间逐步上 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，输出电压先快速升至 U1,U1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步升压，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. 转矩掌握启动主要用在重载启动，它是按电动机的启
17、动转矩线性上升的规律掌握输出电压，可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结它的优点是启动平滑、柔性好，对拖动系统有利，同时削减了对电网的冲击，是最优的重载启动方式，其缺点是启动时间较长。4. 转矩加突跳掌握启动与转矩掌握启动一样也是用在重载启动的场合。所不同的是，突跳掌握在启动的瞬时用突跳转矩，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，使用时应特殊留意。 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，软停车排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
18、车就在肯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，我们挑选目前比较常用的电压斜坡掌握方式来进行降压软启动的深化讨论。本设计中利用现在比较流行的MATLAB 工具进行运算机仿真讨论。一） Matlab/Simulink 工具简介MATLAB 是一种科学运算软件，早期 MATLAB 主要用于解决科学和工程的复杂数学运算问题。由于它使用便利、输入便利、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，因此特殊受到用户的欢迎。1993年显现了 SIMULINK ，这是基于框图的仿真平台， SIMULINK 挂接在MATLAB 环境上，以 MATLA
19、B 强大的运算功能为基础，以直观的模块框图进行仿真和运算。 SIMULINK 供应了各种仿真工具，特殊是它不断扩展的、内容丰富的模块库，为系统的仿真供应了极大的便利。从SIMULINK4.1 版开头，有了电力系统模块库Power System Blockse）t ，利用该模块库的模块，可以便利的进行RLC 电路、电力电子电路、电机掌握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，我们第一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
20、，将三相沟通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。其中异步电动机采纳默认配置，只是把额定电压和额定频率改为380V 和50Hz即可。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图5 全电压直接启动模型仿真时间设为 0.5S，观看定子启动电流、转矩、转速曲线如图68所示。由于电动机直接启动过程中主要是启动电流的冲击，由图中可以发觉，启动过程中，电流的脉动较大，启动电流是额定电流的 710倍，且冲击电流连续时间较长，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
21、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剂，限制启动电流，并且使电动机有较大的启动转矩。软启动电路由三相晶闸管调压电路和软启动掌握器给定积分器）、触发器等组成，启动时通过掌握器使晶闸管掌握角从大到小变化，而电动机电压从小到大逐次上升，仿真电路由图 9所示。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图9 降压软启动仿真模型1功能模块设计错误 .调压主电路模块反并联的两个晶闸管组成了沟通双向开关，在沟通输入电压的正半周，VT1 导通，在沟通输入电压的负半周，VT2 导通，掌握晶闸管的导通时刻，可以调剂负载两端的电压。模块构成如图 10所示。
22、 In1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 双向晶闸管模块错误 .触发器模块沟通调压晶闸管触发角的移相范畴是，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，在这个范畴内调剂触发角，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。这是由于阻感负载电流滞后于电压，因此假如触发角较 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，假如另一个晶
23、闸管的触发脉冲仍旧存在，就该晶闸管立刻导通，使负载上电压成为连续的正弦波，显现失控现象。正由于如此，沟通调压器晶闸管必需采纳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、锯齿波形成和移相掌握等环节组成。电路的输入端In1是同步电压输入端，同步电压经推迟 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，锯齿波与移相掌握电压In2输入）叠加调剂锯齿波的过零点，再经推迟Relay1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。错误 .异步电动机模块异步电动机使用模型自带参数，
24、只需要把额定电压和额定频率改为380V 和可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结50Hz即可。三相电阻是为了检测电阻两端电压来观看沟通调压器输出电压波形。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图11 触发器模块表2 触发器模块参数设置模块 Relay、Relay2RateLimiter、RateLimiter1Relay1、Relay3可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结Switch On pointepsRising slew rate1000Switch On pointeps参数设置Switch Off pointOutput when oneps10Fa
25、llingslew rate-1e8Switch Off pointOutput when oneps1Output when off0Output when off0错误 .掌握部分模型的掌握部分由 Step、GI 和Fcn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 Fcn用于掌握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，调剂限幅器的上下限可以调剂给定积分器输出曲线的上升斜率。晶闸管
26、三相调压器给电动机供电时，晶闸管触发角的移相范畴受肯定限制，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掌握电压。 为给定积分环节的输出。可编辑资料 - - - 欢迎下载精品名师归纳总结图12 GI环节2仿真试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，采纳软启动方式，电动机的启动电流冲击显著减小由60A降至20A）。全压启动时间短 0.1S左右），软
27、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:26-282 胡永红，软起动技术在排灌站水泵掌握中的应用，水电站设计，2003, 9:20- 233 孟彦京、谢仕宏，沟通电机两相变频软启动掌握原理，机电产品开发与创新，2003,4:30-34 陈建国、游钟平，孙玉鸿等高压鼠笼式电动机电液变阻软启动技术的开发与应用，电气传动， 1999,5:9105 苗济国，中压大容量异步电动机起动，电工技术杂志，2002,3:54556 徐甫荣、崔力，沟通异步电动机软启动及优化节能掌握技术的讨论，电气传动自动化， 2003,251:177 罗琴华、季国瑜，沟通电机软起动，微特电机，1997,6:1818 徐甫荣，对变频器切换掌握及循环软起动的看法，电工技术杂志，20028:5659 丁学文、金大海，沟通电机变频软起动时的问题及解决方法，电力电子技术2001,355:1-310 王宝国、王凤翔，两相电机的线电压掌握方式变频调速讨论，电力电子技术，2001,1:33-311 陈伯时，电力拖动自动掌握系统，机械工业出版社，200312 薛定宇，掌握系统仿真与运算机帮助设计，机械工业出版社，2005可编辑资料 - - - 欢迎下载