【毕业设计】大型异步电机软起动的研究(编辑修改稿)

【毕业设计】大型异步电机软起动的研究(编辑修改稿)内容摘要：

式（鼠笼式异步电机）、绕线式异步电动机。 异步电动机是各类电动机中应用最广、需要量 最大的一种。 各国的以电为动力的机械中，约有 90％左右为异步电动机，其中小型异步电 动机约占 70％以上。 在电力系统的总负荷中，异步电动机的用电量占相当大的比重。 在中 国，异步电动机的用电量约占总负荷的 60％多。 电动机的起动是交流电机最基本、最重要的一个问题 ,它同电机的调速同等重要。 从三 相异步电动机固有机械特性的分析可知 ,如果在额定电压下直接起动三相异步电动机 ,由于 最初起动瞬间主磁通 m 约减少到额定值的一半 ,功率因数 当大 ,其起动电流约为额定电流的 4~7 倍 ,而起动力矩并不大。 又很低 ,造成了起动电流相 电动机的传统起动装置主要有 : “YΔ ”起动器、自藕降压起动器、饱和电抗器。 传统 的降压起动设备在很大程度上缓解了大容量电机在较小容量电网上起动时的矛盾，但是它们 只是相对减小了大电流的冲击并未在本质上解决问题。 而且这些起动设备还有一些固有的缺 点，如对负载适应能力差、起动电流不连续、维修工作量大等等。 随着工业现场对自动化、 机械化要求的提高，此类 矛盾日益突出。 异步电动机起动过程的长短也是需要考虑的问题。 在整个电动机起动过程中，电磁转矩 大于负载的反转矩，电动机加速运转。 在相同的转动惯量下转矩的差额越大，机组加速越快。 转动惯量大的机械起动就较慢，对于重复起动的生产机械来说，起动过程的时间长短对劳动 生产率的影响是很大的，因而对不同的生产过程，对电动机有不同的起动时间要求。 过去的起动装置大多采用接触器，属于有触点系统，容易磨损引发故障，起动特性不 好。 为了达到无触点控制，获得灵活多变的良好的起动特性，在 80 年代初期鼠笼型异步电 动机电子软 起动器诞生。 软起动控制器是一种新型节能设备，在欧美国家已得到大量的应用。 它利用晶闸管交流调压技术实现降压起动，以后又融入了功率因素控制技术，在控制装置的 研究上，正围绕着提高起动力矩、实现计算机联网远程监控、完善检测和自诊断功能以及提 高产品可靠性、改进制造工艺、降低成本等方面努力。 电子软起动器采用使定子电压逐渐增大至额定电压的方法，使交流异步电机平滑起动， 减少交流异步电机的起动电流，降低起动时对电网的冲击。 由于三相交流异步电机的电磁转 矩与定子电压的平方成正比，当定子电压降低时，电磁转矩就会降低很 多，而电子软起动器 是采用降压起动，降压并不降频，所以利用传统电子软起动器起动三相交流异步电机时，电 磁转矩很小。 电磁转矩小的特点限制了电子软起动器的应用范围。 1 华中科技大学文华学院毕业论文 本文介绍的分级变频，可以使传统电子软起动器在降低定子电压的同时降低定子电压的 频率，按同步转速由低到高分级起动，减小起动过程的能量损耗，克服传统电子软起动器电 磁转矩小的缺点，可以使电机在全负载的情况下平滑起动和短时运行于低速状态。 另外，分 级变频还可以使电子软起动器输出负相序电压，使电机处于电磁制 动状态。 传统软起动器原理概述 传统软起动的实质是降压起动 ,与 “YΔ ”起动和自藕降压起动的工作原理是一样的 , 不同之处在于电压并非突变而是利用无触点电子开关控制其电压平稳上升 ,设备力矩以电压 上升速度的平方上升 (电动机转矩近似与定子电压的平方成正比 )。 它的主要构成是串接于电 源与被控电机之间的三相反并联晶闸管及其电子控制电路。 用单片机控制触发角的大小 ,改变电动机起动电压的大小。 运用不同的方法 ,控制三相反 并联晶闸管的导通角 ,使被控电机的输入电压按不同的要求而变化 ,从而实现不同的功 能。 当 起动完成后 ,由程序控制将接触器闭合 ,短接所有晶闸管 ,使电机直接投网运行 ,以避免在元 件上的持续损耗 ,同时也避免了相控元件引起的电流波形畸变及功率因数低等问题。 “软起 动 ”实质上就是按照预先设定的控制模式进行的降压起动过程。 传统的软起动控制有限流起 动，斜坡电压起动，转矩控制起动，转矩加突跳起动等等。 传统的软起动器和变频器是两种完全不同用途的产品。 变频器是用于需要调速的地方， 其输出不但改变电压而且同时改变频率。 软起动器实际上是个调压器，用于电机起动时，输 出只改变电压并没有改变频率。 变频器具备所 有软起动器功能，但它的价格比软起动器贵得 多，结构也复杂得多。 分级变频高转矩软起动器原理概述 分级变频就是使软起动器能像变频器一样实现变频，在电机起动过程中，使电压频率从 一个比较小初值分级逐步增大至 50Hz，从而提高低电压时的转矩。 但是分级变频并不能使 软起动器的输出电压频率连续地变化，它只能产生工频的几分频 (即工频的几分之一 )，使频 率分步离散地增加 :~10Hz~ ~~25Hz~50Hz。 进行最后一次频率切 换 (25Hz~50Hz)时，电机的转速约为额定转速的一半，起动过程并没有结束，所以切换到 50Hz 后，仍采用传统的软起动方法继续起动，即改变触发角，逐渐增大定子绕组的端电压。 虽然 分级变频的后半部分是和传统的软起动方法一样的，但是它改善了软起动器控制低速运行的 电机的能力，使电机在低速运行时，电流较小，转矩较大，所以采用分级变频的软起动控制 器可以使带额定负载起动的电机实现软起动。 2 本文的主要内容 华中科技大学文华学院毕业论文 本文研究多级降频的变频高转矩软起动器，使得起动转矩提 高进行了仿真研究。 本文第 二章详细介绍了传统软起动器的起动原理及运行方式等。 第三章对分级变频理论进行深入的 分析。 第四章是利用 MATLAB 对分级变频起动过程进行建模及仿真，验证理论的可行性。 结论 部分总结了本文主要完成的工作和取得的研究成果，并对软起动器的进一步研究进行了展 望。 3 华中科技大学文华学院毕业论文 2 异步电机软起动器基本原理分析 异步电机的起动性能分 析 鼠笼式异步电机虽然有构造简单、价格低廉、维护方便、效率与功率因素等指标较高等 优点，但也存在起动特性较差的缺点。 感应电动机的起动性能包括下列几项： (1)起动电流倍数 Ist/ IN； (2)起动转矩倍数 Tst/ IN； (3)起动时间； (4)起动时绕组中消耗的能量和绕组的发热； (5)起动设备的简单性和可靠性； (6)起动时的过渡过程。 最重要的是起动电流和起动转矩的大小。 为了使电机能够转动起来，并很快达到额定转 速正常工作，要求电动机且有足够大的起动转矩且起动电流不能太大，以免电网 产生过大的 电压降落而直接影响接在电网上的其他电机和电气设备的正常运行。 因此，总是希望在起动 电流比较小的情况下，能获得较大的起动转矩。 电动机如不采取任何措施而直接投入电网起 动时，往往不能满足上述要求，因为它的起动电流过大，约为额定电流的 47 倍。 图 21 异步电机等效电路图 起动电流很大的原因，从物理现象看，起动时 n=0， s=l，旋转磁场以同步转速切割转子， 在短路的转子绕组中感应很大的电动势和电流，引起与它平衡的定子电流的负载分量也跟着 急剧增加，以致定子电流很大。 从等效电路来看，正常运行时，转差率 s 很小 (~)，所 以凡 RS/ s 很大，从而限制了定、转子电流，但起动时 s=1， RS/ s 很小，随之整个电动机 的等效阻抗很小，所以起动电流很大。 对于起动电流很大，但起动转矩却不大，因为电磁转 矩 TemCTmI2cos2；起动时， s=1，转子频率 (转子绕组感应电动势的频率 ) f2 f1， 4 华中科技大学文华学院毕业论文 转子漏电抗 X22f2L2。 远大于转子电阻 R2，使转子功率因数角 arctan( / ) X2R2 接近 900， cos2很小，所以尽管 I2很大，但其有功分量 I2cos2却不大；其次，由于 起 动 电 流 很 大 ， 定 子 绕 组 的 漏 阻 抗 压 降 增 大 ， 使 感 应 电 动 势 E1减 小 ， 主 磁 通 中  E1 m f N K : 随 之 减 小。 m变 小 ， I2 c o s2不 大 ， 所 以 起 动 转 矩 1 T N1 TemCTmI2cos2 并不大。 利用感应电动机的较准确 形等效电路 (图 21)，可以分析出起动转矩 Tst： (忽略励磁 支路 ) 2 39。 Tst  2 f m pU R 1 1 2 39。 2R X 1X39。 1 22 (21) 1R1 1 2 式表明 :(1)电源频率和电机参数不变时，起动转矩和电源电压平方成正比。 (2)当电源的频率和电压一定时，漏电抗 ( X1 1X2)越小， 则起动转矩越大。 (3)对于绕线转子感应电动机，在转子回路内串入适当附加电阻 RST，可提高起动转矩，当 39。 转子回路总电阻的折算值 (39。 39。 R2Rst)等于电机的总漏抗 ( X1 X2 )时，起动转矩达到最大 值，等于最大电磁转矩。 (4) X1和 X239。 随电源频率的降低而减小，所以起动转矩随电源频的降低而增大。 异步电机的几种起动方法 异步电机的直接起动法与降压起动法 (1)直接起动 直接起动是最简单的起动方式 ,起动时通过闸刀或接触器将电动机直 接接到电网上。 直 接起动的优点是起动设备简单 ,起动速度快。 但是 ,直接起动危害很大 ,主要表现在 : ① 电网冲击 :过大的起动电流 (空载起动电流可达额定电流的 4~7 倍 ,带载起动时可达 8~10 倍或更大 ),会造成电网电压下降 ,影响其它用电设备的正常运行 ,还可能使欠压保护动 作 ,造成设备的有害跳闸。 同时过大的起动电流会使电机绕组发热 ,从而加速绝缘老化 ,影响 电机寿命。 ② 机械冲击 :过大的冲击转矩往往造成电动机转子笼条、端环断裂和定子端部绕组绝缘 5 华中科技大学文华学院毕业论文 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裂等。 ③ 对生产机械造成冲击 :起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。 所有这些均给设备的安全可靠运行带来威胁 ,同时也使起动能量损耗 ,尤其当频繁起停 时更是如此。 因此对电动机直接起动有以下限制条件 :① 生产机械是否允许拖动电动机直接 起动 ,这是先决条件。 ② 电动机的容量应不大于供电变压器容量的 10~15%。 ③ 起动过程中的 电压降 △ U 应不大于额定电压的 15%。 对于中、大功率的电动机一般都不允许 直接起动 ,而要 求采用一定的起动设备 ,方可完成正常的起动操作。 (2)降压起动 降压起动的目的是减小起动电流 ,但它同时也使起动转矩下降了。 关于重载起动 ,对带有 大的峰值负载的生产机械 ,就不能用这种方式起动。 传统的降压起动有以下几种方法 : 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 ,起动时采用星形接法 ,起动完毕后再切换成 △ 接法。 起动 电压为 220 V,运行电压为 380 V。 这种起动设备的优点是起动设备简单 ,起动过程中消耗能 量少。 缺点是有二次电流冲击 ,设备故障率高 ,需要经常维护 ,因此在频繁起动的设备上不宜 使用。 在转换过程中 ,由于瞬变电势和电动机剩磁产生的电势往往与电源电压有相位差 ,严重 时会产生电压相加 ,引起过大的冲击电流和电磁转矩 ,因此大大地限制了它的使用。 由于起动 电压为运行电压的 1/ ,故其起动转矩为额定转矩的 1/3,只能用在空载或轻载 (负载率小 于 1/3)起动的设备上。 在电动机轻载或空载运行时 ,也可利用该起动设备做降压运行 ,以提 高电动机的功率因数和效率。 ② 自耦变压器降压起动 :三相自耦变压器（也称补偿器 )高压边 接电网 ,低压边接电动机 ,。