三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的設(shè)計(jì)

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的設(shè)計(jì)第一章 緒 論 xxxx大學(xué)畢 業(yè) 論 文（設(shè)計(jì)）題 目： 三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的設(shè)計(jì) 姓 名： 學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 2006.04 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 2010 年 6 月 18 日畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）誠(chéng)信聲明本人聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）是在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果，論文中引用他人的文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)、圖表、資料均已作明確標(biāo)注，論文中的結(jié)論和成果為本人獨(dú)立完成，真實(shí)可靠，不包含他人成果及已獲得青島農(nóng)業(yè)大學(xué)或其他教育機(jī)

2、構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。論文（設(shè)計(jì)）作者簽名： 日期： 年 月 日 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）作者同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文（設(shè)計(jì)）的復(fù)印件和電子版，允許論文（設(shè)計(jì)）被查閱和借閱。本人授權(quán)青島農(nóng)業(yè)大學(xué)可以將本畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）。本人離校后發(fā)表或使用該畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）或與該論文（設(shè)計(jì)）直接相關(guān)的學(xué)術(shù)論文或成果時(shí)，單位署名為青島農(nóng)業(yè)大學(xué)。論文（設(shè)計(jì)）作者簽名： 日期： 年 月 日指

3、 導(dǎo) 教 師 簽 名： 日期： 年 月 日3目 錄摘 要IABSTRACTII1 緒 論11.1 研究的目的、意義11.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3 本課題研究?jī)?nèi)容32 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)控制的研究52.1 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程的分析52.2 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法72.2.1 直接起動(dòng)72.2.2 傳統(tǒng)減壓起動(dòng)82.2.3 軟啟動(dòng)112.3 軟起動(dòng)的原理及分析112.3.1 晶閘管調(diào)壓原理122.3.2 軟起動(dòng)的起動(dòng)方式143 軟啟動(dòng)器的硬件電路設(shè)計(jì)163.1 主要器件的介紹163.1.1 KJ004功能介紹163.1.2 KJ041功能介紹183.1.3 KJ042功能介紹203.2

4、 主電路的選擇203.2.1 調(diào)壓方式的選擇203.2.2 晶閘管相控調(diào)壓原理213.3 主回路設(shè)計(jì)223.3.1 主回路電路223.3.2 晶閘管參數(shù)選擇233.3.4 晶閘管保護(hù)電路273.4 電壓檢測(cè)回路283.4.1 同步信號(hào)檢測(cè)283.4.2 電壓反饋回路303.5 電流檢測(cè)回路313.5.1 電流反饋回路313.5.2 過(guò)電流保護(hù)電路324 基于單片機(jī)的軟起動(dòng)器的設(shè)計(jì)334.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)344.2 控制軟件設(shè)計(jì)35a）主程序流程圖 b)定時(shí)顯示中斷服務(wù)流程圖 c)外中斷服務(wù)流程圖 d)A/D轉(zhuǎn)換服務(wù)流程圖36e)定時(shí)觸發(fā)脈沖角計(jì)算和控制指令364.3 觸發(fā)脈沖控制的軟件設(shè)

5、計(jì)37結(jié)束語(yǔ)45參考文獻(xiàn)46致 謝4756三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的設(shè)計(jì)摘 要三相異步電動(dòng)機(jī)因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、運(yùn)行可靠、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，而廣泛應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、國(guó)防工業(yè)以及其他各行各業(yè)中。但它也有明顯的缺點(diǎn)，那就是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，起動(dòng)電流過(guò)大。這種情況對(duì)電機(jī)本身及周圍電網(wǎng)都有非常不利的影響。為了減小異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中對(duì)電網(wǎng)的沖擊、消除傳統(tǒng)降壓起動(dòng)設(shè)備的有級(jí)觸點(diǎn)控制對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的沖擊、改善異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性，本文對(duì)基于單片機(jī)控制的晶閘管調(diào)壓軟起動(dòng)器進(jìn)行討論。本文首先闡述了軟起動(dòng)器晶閘管調(diào)壓電路(即主電路)的工作原理，主要是基于晶閘管的三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器主電路設(shè)計(jì)和器觸發(fā)電路

6、設(shè)計(jì)。然后是對(duì)電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器模式的設(shè)計(jì)，但主要還是軟起動(dòng)器的硬件電路設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的軟起動(dòng)器操作方便簡(jiǎn)單，能夠使電機(jī)順利起動(dòng)。使之能達(dá)到了改善三相異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能的要求。在滿足異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求及降低起動(dòng)電流的前提下，使電機(jī)能夠平穩(wěn)可靠起動(dòng)。關(guān)鍵詞：異步電動(dòng)機(jī)；晶閘管；軟起動(dòng)Design of three-phase asynchronous motorAbstractThree-hase asynchronous motor has a wide range of application in industry,agriculture，transportation business，d

7、efense industry and other walks of lifeBut it also has the obvious shortcomings that starting torque, starting current. This kind of situation of motor and power are very disadvantageous around. In order to reduce the asynchronous motor start-up process for grid, eliminate the impact of traditional

8、step-down start equipment has control of contacts in the level of asynchronous motor, improve the impact of asynchronous motor starter characteristics, this article based on the single chip microcomputer control thyristor surge soft starter are discussed.This article elaborates the soft starter thyr

9、istor regulating circuit, which is based on thyristor three-phase asynchronous motor soft starter main circuit design and implement trigger circuit design. Then the motor soft starter, but the pattern design of main or soft starter hardware circuit design.This article designs the soft starter operat

10、ion convenience simple, can make the motor starts smoothly.To chieve improved three-phase asynchronous motor starting performance requirements. In asynchronous motor starting torque requirements and reduce starting current, under the premise of the motor can be stable and reliable.Keywords：Asynchron

11、ous Motor; Thyristor; Soft Starter1 緒 論1.1 研究的目的、意義三相異步電動(dòng)機(jī)，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、價(jià)格低廉、堅(jiān)固耐用、運(yùn)行可靠、很少需要維護(hù)及可用于惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、國(guó)防軍事和日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用，當(dāng)前大部分工業(yè)拖動(dòng)都是以交流異步電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，包括風(fēng)機(jī)、水泵、油泵、壓縮機(jī)等。但是，由于其固有的啟動(dòng)性能較差，直接起動(dòng)又容易造成對(duì)周圍電網(wǎng)的影響。通常要求采用專門(mén)的啟動(dòng)設(shè)備完成正常的啟動(dòng)工作，尤其頻繁啟動(dòng)時(shí)更是如此。然而，它是以反電勢(shì)為主的負(fù)載，即以反電勢(shì)來(lái)平衡外加電壓。電動(dòng)機(jī)的反電勢(shì)隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的增加而逐漸增大，電動(dòng)機(jī)在起

12、動(dòng)開(kāi)始時(shí)反電勢(shì)為零，所以起動(dòng)電流很大。電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)刻出現(xiàn)的起動(dòng)電流一般高出額定電流37倍，特殊情況下可達(dá)到10倍以上，這樣大的起動(dòng)電流不僅加重了進(jìn)線供電電網(wǎng)以及接在電動(dòng)機(jī)前面的開(kāi)關(guān)電器的負(fù)荷，而且對(duì)電網(wǎng)及其負(fù)載造成干擾，特別是當(dāng)電動(dòng)機(jī)容量較大時(shí)，沖擊電流會(huì)對(duì)電網(wǎng)及其負(fù)載造成干擾，嚴(yán)重時(shí)，甚至危害電網(wǎng)的安全運(yùn)行1。啟動(dòng)電流過(guò)大時(shí)，將使電動(dòng)機(jī)本身受到過(guò)大電磁力的沖擊，如果經(jīng)常啟動(dòng) ，還有使繞組過(guò)熱的危險(xiǎn)。同時(shí)，由于啟動(dòng)應(yīng)力較大，使得負(fù)載設(shè)備的使用壽命降低。還有，由于起動(dòng)應(yīng)力較大，出現(xiàn)的巨大轉(zhuǎn)矩又會(huì)使電動(dòng)機(jī)發(fā)生劇烈的沖振，并且也給用作動(dòng)力傳輸輔助設(shè)備和做功機(jī)械設(shè)備帶來(lái)不可避免的機(jī)械沖擊。所以，這種“

13、硬起動(dòng)”不僅會(huì)縮短傳動(dòng)單元和做功機(jī)械設(shè)備的使用壽命，而且過(guò)高的起動(dòng)電流還會(huì)引起供電電網(wǎng)的電壓驟然跌落，致使那些對(duì)電壓敏感的用電設(shè)備產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，對(duì)三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)情況進(jìn)行研究是非常有現(xiàn)實(shí)意義的。為了降低起動(dòng)電流，人們采用了各種降壓起動(dòng)技術(shù)。比較傳統(tǒng)和應(yīng)用較普遍的有變壓器降壓起動(dòng)，串電抗器起動(dòng)和Y/轉(zhuǎn)換等等。采用這些傳統(tǒng)起動(dòng)方式起動(dòng)時(shí)降低了加在定子繞組的電壓，起到了一定的限流作用，但仍存在著很多問(wèn)題，例如靠接觸器切換電壓來(lái)達(dá)到降壓的目的，所以無(wú)法從根本上解決起動(dòng)瞬時(shí)電流尖峰的沖擊；起動(dòng)轉(zhuǎn)矩不可調(diào)，存在二次沖擊電流；對(duì)負(fù)載產(chǎn)生沖擊轉(zhuǎn)矩，當(dāng)電網(wǎng)電壓下降時(shí)，可能造成電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)；容易造成接觸器

14、觸點(diǎn)的拉弧損壞。近幾年來(lái)隨著電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外相繼開(kāi)發(fā)出以晶閘管為核心的電路元件、以單片機(jī)為控制核心的異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)設(shè)備。該軟啟動(dòng)設(shè)備平滑了異步電動(dòng)機(jī)加速過(guò)程，大大減緩了對(duì)電網(wǎng)及機(jī)械設(shè)備的沖擊。采用電力半導(dǎo)體器件對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)控制的電力電子軟啟動(dòng)器解決了傳統(tǒng)降壓?jiǎn)?dòng)方法存在的二次電流沖擊問(wèn)題 ，具有無(wú)觸點(diǎn)、 啟動(dòng)電流及啟動(dòng)時(shí)間可控、 啟動(dòng)過(guò)程平滑等優(yōu)點(diǎn)，并且維護(hù)工作量小，具備完善的電動(dòng)機(jī)保護(hù)功能。晶閘管軟啟動(dòng)器是一種集軟啟動(dòng)、軟停車、輕載節(jié)能和多功能保護(hù)于一體的新穎電機(jī)控制裝備。它不僅實(shí)現(xiàn)在整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)無(wú)沖擊而平滑地啟動(dòng)電機(jī)，而且可根據(jù)電動(dòng)機(jī)負(fù)載的特性來(lái)調(diào)節(jié)啟動(dòng)

15、過(guò)程中的參數(shù)，如限流值、啟動(dòng)時(shí)間等。此外，它還具有多種對(duì)電機(jī)保護(hù)功能，這就從根本上解決了傳統(tǒng)的降壓?jiǎn)?dòng)設(shè)備的諸多弊端。本文詳細(xì)介紹三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的設(shè)計(jì)。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀我國(guó)軟起動(dòng)技術(shù)起步于上世紀(jì)80年代早期，目前生產(chǎn)電機(jī)啟動(dòng)器的廠家很多，先后也推出了多種品牌的軟起動(dòng)器。但由于國(guó)內(nèi)自主開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的能力相對(duì)較弱，對(duì)國(guó)外產(chǎn)品的依賴還是很嚴(yán)重。在技術(shù)上和可靠性上與國(guó)外同類產(chǎn)品尚有一定的差距。所以在整個(gè)軟起動(dòng)器市場(chǎng)上，占據(jù)統(tǒng)治地位的還是國(guó)外產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品所占的份額還是很低。目前市場(chǎng)上生產(chǎn)的軟啟動(dòng)器主要以機(jī)械式和三相反并聯(lián)晶閘管方式為主。機(jī)械式啟動(dòng)器是目前使用比較廣泛的啟動(dòng)方式，但它是有級(jí)起

16、動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生二次沖擊電流，啟動(dòng)電流仍然為標(biāo)稱電流的34倍，且有體積大、噪音大、維護(hù)費(fèi)用高、無(wú)法適應(yīng)惡劣環(huán)境等諸多弊端。近三十年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，使無(wú)電弧開(kāi)關(guān)和連續(xù)調(diào)節(jié)電流成為可能。電力半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件具有無(wú)磨損、壽命長(zhǎng)、功耗小等特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)代控制理論及微機(jī)控制技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟起動(dòng)提供了全新的思路。要突破傳統(tǒng)的啟動(dòng)方式，是離不開(kāi)電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展的。隨著這些技術(shù)的不斷進(jìn)步，電力電子軟起動(dòng)裝置也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，采用這些方法可以使三相異步電動(dòng)機(jī)獲得很好的起動(dòng)性能。近三十多年來(lái)，國(guó)外對(duì)晶閘管三相交流調(diào)壓電路進(jìn)行了廣泛的研究，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。如美國(guó)AB公司、英國(guó)

17、CT公司、法國(guó)TE公司、德國(guó)AEG公司、瑞士ABB公司等均推出了軟起動(dòng)器系列產(chǎn)品，如GE公司生產(chǎn)的最大功率達(dá)到850kW，額定電壓500V，額定電流1180A，最大起動(dòng)電流5900A；ABB公司生產(chǎn)的最大功率達(dá)到1200kW，額定電壓690V，額定電流1000A；意大利SIEI工公司生產(chǎn)的額定電壓690V，額定電流1600A；美國(guó)BS公司還生產(chǎn)中壓613.8kV同步或異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器，最大功率達(dá)到10000kW2。目前在國(guó)外，發(fā)達(dá)國(guó)家的電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)產(chǎn)品主要是固態(tài)軟起動(dòng)裝置晶閘管軟起動(dòng)和兼作軟起動(dòng)的變頻器。在生產(chǎn)工藝兼有調(diào)速要求時(shí)，采用變頻裝置。在沒(méi)有調(diào)速要求使用的場(chǎng)合下，起動(dòng)負(fù)載較輕時(shí)一般采

18、用晶閘管軟起動(dòng)。在重載或負(fù)載功率特別大的時(shí)候，才使用變頻軟起動(dòng)。晶閘管軟起動(dòng)裝置是發(fā)達(dá)國(guó)家軟起動(dòng)的主流產(chǎn)品，各知名電氣公司均有自己晶閘管軟起動(dòng)的品牌，在其功能上又各具特色。例如GE公司生產(chǎn)的ASTAT智能電機(jī)軟起動(dòng)器；ABB公司生產(chǎn)的PST、PSTB系列電機(jī)軟起動(dòng)器；施耐德公司的ATS46軟起動(dòng)器；德國(guó)SIEMENS公司的3RW22 SIKOSTART軟起動(dòng)器等等。目前，國(guó)外對(duì)晶閘管三相交流調(diào)壓電路的研究己經(jīng)從對(duì)控制電壓、控制電機(jī)電流的開(kāi)環(huán)、閉環(huán)方式，發(fā)展到通過(guò)建立比較準(zhǔn)確實(shí)用的數(shù)學(xué)模型，找到適用于三相交流調(diào)壓電路電機(jī)負(fù)載的控制方法，從而使三相交流調(diào)壓電路電機(jī)負(fù)載性能更優(yōu)3。另一方面，隨著電力

19、電子技術(shù)的發(fā)展，異步電動(dòng)機(jī)向更加可靠、方便性好、小型化方向發(fā)展。1.3 本課題研究?jī)?nèi)容軟啟動(dòng)器本質(zhì)上是一種直流調(diào)壓裝置，用來(lái)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)、軟停車、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及各種保護(hù)功能。為了保證系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行，可以充分發(fā)揮單片機(jī)的強(qiáng)大控制功能，由主控制電路對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵器件和關(guān)鍵參數(shù)，例如過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)載、等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。隨著數(shù)字直流PWM調(diào)壓技術(shù)的應(yīng)用，以及采用高性能的單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心，可以使軟啟動(dòng)器具有控制快速準(zhǔn)確、響應(yīng)快、運(yùn)行穩(wěn)定、可靠等優(yōu)點(diǎn)。在三相交流異步電動(dòng)機(jī)不宜采用直接啟動(dòng)的時(shí)候，可以考慮采用定子串電阻或串電抗器啟動(dòng)、Y-啟動(dòng)、自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)、轉(zhuǎn)子串電阻啟動(dòng)、晶閘管電子軟啟動(dòng)、

20、分級(jí)變頻軟啟動(dòng)、兩相變頻調(diào)壓軟啟動(dòng)等方法。結(jié)合各方面的因素及實(shí)際情況，本課題研究的內(nèi)容主要有：(1)研究三相調(diào)壓軟起動(dòng)的基本原理，對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分析，對(duì)軟起動(dòng)控制策略進(jìn)行研究。(2)對(duì)三相晶閘管軟起動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)。包括主電路，觸發(fā)電路，檢測(cè)電路，控制電路，驅(qū)動(dòng)電路等。(3)實(shí)現(xiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器模式的設(shè)計(jì)和軟件的有關(guān)設(shè)計(jì)。(4)用PROTEL繪制系統(tǒng)的原理圖。本課題的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)三相異步電機(jī)的軟啟動(dòng)，甚至使軟啟動(dòng)器能夠根據(jù)電機(jī)負(fù)載的實(shí)際情況改變。2 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)控制的研究 交流三相異步電動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)啟動(dòng)技術(shù)，如定子串電阻/電抗器啟動(dòng)、自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)、星

21、形-三角形降壓?jiǎn)?dòng)、轉(zhuǎn)子串電阻或頻敏變阻器啟動(dòng)等，在交流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)技術(shù)發(fā)展過(guò)程中都有過(guò)重要應(yīng)用。但隨著晶閘管技術(shù)的發(fā)展，三相交流調(diào)壓軟啟動(dòng)器因?yàn)榫哂行阅芰己谩a(chǎn)品多樣、電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)以及轉(zhuǎn)矩或電流可閉環(huán)控制等優(yōu)點(diǎn)，使得電子軟啟動(dòng)器得到了深入而廣泛的發(fā)展，成為軟啟動(dòng)市場(chǎng)中的主流產(chǎn)品。2.1 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程的分析 為了研究三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)時(shí)的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩等變量的關(guān)系，進(jìn)而分析異步電機(jī)起動(dòng)時(shí)的電流、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和所外加電壓的關(guān)系，就要研究電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。對(duì)于電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)而言，多采用基于集中參數(shù)等效電路的數(shù)學(xué)模型。在不改變異步電動(dòng)機(jī)定子繞組中的物理量和異步電機(jī)的電磁性能的前提下，經(jīng)頻率

22、和繞組的計(jì)算，把異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的頻率、相數(shù)、每相有效串聯(lián)匝數(shù)都?xì)w算成和定子繞組一樣，即可用歸算過(guò)的基本方程式推導(dǎo)出異步電動(dòng)機(jī)的等效電路。三相異步電動(dòng)機(jī)的T形穩(wěn)態(tài)等效電路如圖2-1所示：圖2-1 異步電動(dòng)機(jī)的等效電路其中，r1為定子繞組的電阻，x1為定子繞組的漏電抗，r2為歸算到定子方面的轉(zhuǎn)子繞組的電阻，x2為歸算到定子方面的轉(zhuǎn)子繞組的漏抗。rm代表與定子鐵心損耗所對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電阻，xm代表與主磁通相對(duì)應(yīng)的鐵心磁路的勵(lì)磁電抗。U1為定子電壓向量，E1為定子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)向量，i1為定子電流向量，im為磁電流向量。基于T形等效電路的數(shù)學(xué)模型為： 公式(2-1) 公式(2-2) 公式(2-3) 公式(

23、2-4)由以上四式可得： 公式(2-5)在異步電動(dòng)機(jī)里，因?yàn)閞1x1，rmxm，故可以省去r1，rm，則式(2-5)可以表示為： 公式(2-6)由等效電路可見(jiàn)，異步電動(dòng)機(jī)輸入的電功率P1一部分消耗在釘子繞組的電阻而稱為定子銅耗Pcu1，一部分消耗在定子鐵心上而變成鐵耗PFe，剩余的通過(guò)氣隙傳遞到轉(zhuǎn)子的功率成為電磁功耗Pem。其中Pem為： 公式(2-7)電磁轉(zhuǎn)矩為： 公式(2-8)其中，為同步角速度；為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度；Pem為機(jī)械功率。由式(2-7)和式(2-8)可得： 公式(2-9)根據(jù)T形等效電路可得： 公式(2-10)將式(2-10)代入(2-9)得： 公式(2-11)剛起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子n=

24、0，轉(zhuǎn)差率s=1，此時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為： 公式(2-12)同時(shí)，由于激磁電流相對(duì)較小即，近似為1，由式(2-6)的啟動(dòng)電流為： 公式(2-13)由式(2-12)和式(2-13)可知，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩正比于定子端電壓的平方，起動(dòng)電流正比于定子電壓。起動(dòng)電壓較低時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小，電流也較?。环粗?，如果電壓較高，則起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，但同時(shí)起動(dòng)時(shí)的沖擊電流也很大。而異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性主要表現(xiàn)在起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩兩個(gè)方面：希望電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)能產(chǎn)生足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以便帶動(dòng)負(fù)載快速地達(dá)到正常轉(zhuǎn)速；同時(shí)，也希望起動(dòng)電流不要太大。因?yàn)樵诠╇娮儔浩鞯娜萘勘容^小的情況下，過(guò)大的起動(dòng)電流將造成較大的線路壓降，從而影響接在同一電網(wǎng)上的其

25、它電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。下面針對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性，分析起動(dòng)方式的原理和應(yīng)用。2.2 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法主要有直接起動(dòng)、傳統(tǒng)減壓?jiǎn)?dòng)和軟啟動(dòng)三種啟動(dòng)方法。下面就分別做詳細(xì)介紹。2.2.1 直接起動(dòng)直接起動(dòng)，也叫全壓起動(dòng)。起動(dòng)時(shí)通過(guò)一些直接起動(dòng)設(shè)備，將全部電源電壓(即全壓)直接加到異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組，使電動(dòng)機(jī)在額定電壓下進(jìn)行起動(dòng)。一般情況下，直接起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流為額定電流的38倍，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的12倍。根據(jù)對(duì)國(guó)產(chǎn)電動(dòng)機(jī)實(shí)際測(cè)量，某些籠型異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流甚至可以達(dá)到812倍。直接起動(dòng)的起動(dòng)線路是最簡(jiǎn)單的，如圖2-2所示。然而這種起動(dòng)方法有諸多不足。對(duì)于需要頻

26、繁起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，過(guò)大的起動(dòng)電流會(huì)造成電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱，縮短電動(dòng)機(jī)的使用壽命；同時(shí)電動(dòng)機(jī)繞組在電動(dòng)力的作用下，會(huì)發(fā)生變形，可能引起短路進(jìn)而燒毀電動(dòng)機(jī)；另外過(guò)大的起動(dòng)電流，會(huì)使線路電壓降增大，造成電網(wǎng)電壓的顯著下降，從而影響同一電網(wǎng)的其他設(shè)備的正常工作，有時(shí)甚至使它們停下來(lái)或無(wú)法帶負(fù)載起動(dòng)。這是因?yàn)門(mén)s及Tm均與電網(wǎng)電壓的平方成正比，電網(wǎng)電壓的顯著下降，可使Ts及Tm 均下降到低于Tz。一般情況下，異步電動(dòng)機(jī)的功率小于75kW時(shí)允許直接起動(dòng)。如果功率大于75kW，而電源總?cè)萘枯^大，能符合下式要求的話，電動(dòng)機(jī)也可允許直接起動(dòng)。 如果不能滿足上式的要求，則必須采用減壓?jiǎn)?dòng)的方法，通過(guò)減壓，把啟動(dòng)電流Ist

27、限制到允許的數(shù)值。圖2-2 直接啟動(dòng)原理圖2.2.2 傳統(tǒng)減壓起動(dòng)減壓起動(dòng)是在起動(dòng)時(shí)先降低定子繞組上的電壓，待起動(dòng)后，再把電壓恢復(fù)到額定值。減壓起動(dòng)雖然可以減小起動(dòng)電流，但是同時(shí)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也會(huì)減小。因此，減壓起動(dòng)方法一般只適用于輕載或空載情況。傳統(tǒng)減壓起動(dòng)的具體方法很多，這里介紹以下三種減壓起動(dòng)的方法：(1)定子串接電阻或電抗起動(dòng)定子繞組串電阻或電抗相當(dāng)于降低定子繞組的外加電壓。由三相異步電動(dòng)機(jī)的等效電路可知：起動(dòng)電流正比于定子繞組的電壓，因而定子繞組串電阻或電抗可以達(dá)到減小起動(dòng)電流的目的。但考慮到起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與定子繞組電壓的平方成正比，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)降低的更多。因此，這種起動(dòng)方法僅僅適用于空載或輕載起

28、動(dòng)場(chǎng)合。 對(duì)于容量較小的異步電動(dòng)機(jī)，一般采用定子繞組串電阻降壓；但對(duì)于容量較大的異步電動(dòng)機(jī)，考慮到串接電阻會(huì)造成銅耗較大，故采用定子繞組串電抗降壓起動(dòng)。 如圖2-3所示：當(dāng)起動(dòng)電機(jī)時(shí)，合上開(kāi)關(guān)Q，交流接觸器KM斷開(kāi)，使電源經(jīng)電阻或電抗R流進(jìn)電機(jī)。當(dāng)電機(jī)起動(dòng)完成時(shí)KM吸合，短接電阻或電抗R。圖2-3 定子串電阻或電抗起動(dòng)原理圖(2)星-三角形(丫-)起動(dòng)星-三角形起動(dòng)法是電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，定子繞組為星形(丫)接法，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升至接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，將繞組切換為三角形()接法，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)為正常運(yùn)行的一種起動(dòng)方式。星-三角形起動(dòng)方法雖然簡(jiǎn)單，但電動(dòng)機(jī)定子繞組的六個(gè)出線端都要引出來(lái)，略顯麻煩。 圖2-4為星-三

29、角形起動(dòng)法的原理圖。接觸器KM2和KM3互鎖，即其中一個(gè)閉合時(shí)，必須保證另一個(gè)斷開(kāi)。KM2閉合時(shí)，定子繞組為星形(丫)接法，使電動(dòng)機(jī)起動(dòng)。切換至KM3閉合，定子繞組改為三角形()接法，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)為正常運(yùn)行。由控制電路中的時(shí)間繼電器KT確定星-三角切換的時(shí)間。 定子繞組接成星形連接后，每相繞組的相電壓為三角形連接(全壓)時(shí)的l/，故星-三角形起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流及起動(dòng)轉(zhuǎn)矩均下降為直接起動(dòng)的13。由于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，該方法只適合于輕載起動(dòng)的場(chǎng)合。圖2-4 星-三角形起動(dòng)法的原理圖(3)自耦變壓器起動(dòng)自耦變壓器起動(dòng)法就是電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，電源通過(guò)自耦變壓器降壓后接到電動(dòng)機(jī)上，待轉(zhuǎn)速上升至接近額定轉(zhuǎn)速時(shí)，將自耦變壓器

30、從電源切除，而使電動(dòng)機(jī)直接接到電網(wǎng)上轉(zhuǎn)化為正常運(yùn)行的一種起動(dòng)方法。圖2-5所示為自耦變壓器起動(dòng)的自動(dòng)控制主回路?？刂七^(guò)程如下：合上空氣開(kāi)關(guān)Q接通三相電源。按啟動(dòng)按鈕后KM1線圈通電吸合并自鎖，其主觸頭閉合，將自耦變壓器線圈接成星形，與此同時(shí)由于KM1輔助常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，使得接觸器KM2線圈通電吸合，KM2的主觸頭閉合由自耦變壓器的低壓抽頭(例如65)將三相電壓的65接入電動(dòng)。當(dāng)時(shí)間繼電器KT延時(shí)完畢閉合后，KM1線圈斷電，使自耦變壓器線圈封星端打開(kāi)；同時(shí)KM2線圈斷電，切斷自耦變壓器電源，使KM3線圈得電吸合，KM3主觸頭接通電動(dòng)機(jī)在全壓下運(yùn)行。自耦變壓器一般有65和80額定電壓的兩組抽頭。若自

31、耦變壓器的變比為k，與直接起動(dòng)相比，采用自耦變壓器起動(dòng)時(shí)，其一次側(cè)起動(dòng)線電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩都降低到直接起動(dòng)的lk2。自耦變壓器起動(dòng)法不受電動(dòng)機(jī)繞組接線方式(丫接法或接法)的限制，允許的起動(dòng)電流和所需起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可通過(guò)改變抽頭進(jìn)行選擇，但設(shè)備費(fèi)用較高。圖2-5 異步電動(dòng)機(jī)的自耦變壓器起動(dòng)法自耦變壓器起動(dòng)適用于容量較大的低壓電動(dòng)機(jī)作減壓起動(dòng)用，應(yīng)用非常廣泛，有手動(dòng)及自動(dòng)控制線路。其優(yōu)點(diǎn)是電壓抽頭可供不同負(fù)載起動(dòng)時(shí)選擇；缺點(diǎn)是質(zhì)量大、體積大、價(jià)格高、維護(hù)檢修費(fèi)用高。2.2.3 軟啟動(dòng)軟起動(dòng)可分為有級(jí)和無(wú)級(jí)兩類，前者的調(diào)節(jié)是分檔的，后者的調(diào)節(jié)是連續(xù)的。在電動(dòng)機(jī)定子回路中，通過(guò)串入限流作用的電力器件實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，

32、叫做降壓或者限流軟起動(dòng)。它是軟起動(dòng)中的一個(gè)重要類別。按限流器件不同可分為：以電解液限流的液阻軟起動(dòng)；以磁飽和電抗器為限流器件的磁控軟起動(dòng)；以晶閘管為限流器件的晶閘管軟起動(dòng)。晶閘管軟起動(dòng)產(chǎn)品問(wèn)世不過(guò)30年左右的時(shí)間，它是當(dāng)今電力電子器件長(zhǎng)足進(jìn)步的結(jié)果。10年前，電氣工程界就有人預(yù)言，晶閘管軟起動(dòng)將引發(fā)軟起動(dòng)行業(yè)的一場(chǎng)革命。目前在低壓(380V)內(nèi)，晶閘管軟起動(dòng)產(chǎn)品價(jià)格已經(jīng)下降到液阻軟起動(dòng)的大約2倍，甚至更低。而其主要性能卻優(yōu)于液阻軟起動(dòng)。與液阻軟起動(dòng)相比，它的體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，維護(hù)量小，功能齊全，菜單豐富，起動(dòng)重復(fù)性好，保護(hù)周全，這些都是液阻軟起動(dòng)無(wú)法比擬的。但是晶閘管軟起動(dòng)產(chǎn)品也有缺點(diǎn)。一是高

33、壓產(chǎn)品的價(jià)格太高，是液阻軟起動(dòng)產(chǎn)品的510倍，二是晶閘管引起的高次諧波比較嚴(yán)重。2.3 軟起動(dòng)的原理及分析2.3.1 晶閘管調(diào)壓原理晶閘管的控制方式有兩種：一是相位控制，即通過(guò)控制晶閘管的導(dǎo)通角來(lái)調(diào)壓；二是周波控制，即把晶閘管作為靜止接觸器，交替的接通與切斷幾個(gè)周波的電源電壓，用改變接通時(shí)間與切斷時(shí)間之比來(lái)控制輸出電壓的有效值，從而達(dá)到調(diào)壓的目的。但周波控制用在異步電機(jī)定子上時(shí)，通斷交替的頻率不能太低，一方面會(huì)引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，另一方面每次接通電流就相當(dāng)于一次異步電動(dòng)機(jī)的重起動(dòng)過(guò)程。當(dāng)電源切斷時(shí)，電動(dòng)機(jī)氣隙中的磁場(chǎng)將由轉(zhuǎn)子中的瞬態(tài)電流來(lái)維持，并隨著轉(zhuǎn)子而旋轉(zhuǎn)，氣隙磁場(chǎng)在定子繞組中感應(yīng)的電動(dòng)

34、勢(shì)頻率將有所變化，當(dāng)斷流時(shí)問(wèn)隔較長(zhǎng)時(shí)，這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在定子中感應(yīng)的電勢(shì)和重新接通時(shí)的電源電壓在相位上可能會(huì)有很大的差別，這樣就會(huì)出現(xiàn)較大的電流沖擊，可能危及晶閘管的安全。故在異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓控制中，晶閘管調(diào)壓一般采用相位控制。采用相位控制時(shí)，輸出電壓波形已不是正弦波，經(jīng)分析可知，輸出電壓不含偶次諧波，奇次諧波中以三次諧波為主要成分。諧波在異步電機(jī)中會(huì)引起附加損耗，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)等不良影響。此外，由于異步電機(jī)是感性負(fù)載，從電力電子學(xué)中可以知道，當(dāng)晶閘管交流調(diào)壓回路帶有感性負(fù)載時(shí)，只有當(dāng)移相角大于負(fù)載的功率因數(shù)角時(shí)，才能起到調(diào)壓的作用。當(dāng)時(shí)，電流導(dǎo)通的時(shí)間將始終保持在180。其情況與=0時(shí)一樣，相控不

35、起任何調(diào)壓作用，甚至在晶閘管觸發(fā)脈沖不夠?qū)挼那闆r下，出現(xiàn)只有一個(gè)方向上的晶閘管工作，負(fù)載上出現(xiàn)直流分量，對(duì)晶閘管造成危害。為了保證晶閘管的安全，在使用相控晶閘管電路時(shí)采用寬脈沖觸發(fā)，移相范圍限制在-E1(-15V)，V5又重新導(dǎo)通。使V7、V8截止，輸出脈沖終止。脈沖前沿由V4導(dǎo)通時(shí)刻確定，脈沖寬度與反向充電回路時(shí)間常數(shù)R11C3有關(guān)。電路的觸發(fā)脈沖由脈沖變壓器TP二次側(cè)輸出，其一次繞組接在V8集電極電路中。2、鋸齒波的形成和脈沖移相環(huán)節(jié)鋸齒波電壓形成的方案較多，如采用自舉式電路、恒流源電路等。鋸齒波電路由V1、V2、V3和C2等元件組成，V1、VS、RP2和R3為一恒流源電路。鋸齒波是由開(kāi)關(guān)V2管來(lái)控制的。V2截止時(shí)，恒流源電流I1c對(duì)電容C2充電， 調(diào)節(jié)RP2，即改變C2的恒定充電電流I1c，可見(jiàn)RP2是用來(lái)調(diào)節(jié)鋸齒波斜率的。V2導(dǎo)通時(shí)，因R4很小故C2迅速放電，ub3電位迅速降到零伏附近。V2周期性地通斷，ub3便形成一鋸齒波，同樣ue3也