三相异步电动机软启动器的设计毕业设计(编辑修改稿)

三相异步电动机软启动器的设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

    (26) 由 等效电路可见，异步电动机输入的电功率 P1 一部分消耗在钉子绕组的电阻而称为定子铜耗 Pcu1，一部分消耗在定子铁心上而变成铁耗 PFe，剩余的通过气隙传递到转子的功率成为电磁功耗 Pem。 其中 Pem为： 1 2 2 2 1 2 239。 39。 c os 39。 39。 39。 /emP m E I m I r s   (27) 电磁转矩为：   0(1 )1m e c m e c e mem P s P PT s      (28) 其中， 110 2 260nfp   为同步角速度； 260n 为转子机械角速度； Pem 为机械 功率。 由式 (27)和式 (28)可得： 2 2120139。 39。 2emem P rpT m Ifs (29) 根据 T 形等效电路可得： 122221 1 239。 39。 ( ) ( 39。 )UIrr x xs   (210) 将式 (210)代入 (29)得： XX 大学 XX 学院毕 业设计（论文） 6  2 211221 21 1 239。 22 39。 39。 emrUpmTf rr x xs    (211) 刚 起 动时，转子 n=0，转差率 s=1， 此 时启动转矩为：    21 1 2221 1 2 1 239。 239。 39。 stp m U rT fr r x x    (212) 同时，由于激磁电流相对较小即 0mI  ，11mxx近似为 1，由式 (26)的启动电流为：    1222 1 239。 39。 st UI r r x x    (213) 由式 (212)和式 (213)可知，起动转矩正比于定子端电压的平方，起动电流正比于定子电压。 起动电压较低时，起动转矩较小，电流也较小；反之，如果电压较高，则起动转矩较大，但同时起动时的冲击电流也很大。 而异步电动机的起动特性主要表现在起动电流和起动转矩两个方面：希望电动机起动时能产生足够的起动 转矩，以便带动负载快速地达到正常转速；同时，也希望起动电流不要太大。 因为在供电变压器的容量 比 较小 的情况下 ，过大的起动电流将造成较大的线路压降，从而影响接在同一电网上的其它电气设备的正常 运行。 下面针对异步电动机的起动特性，分析 起动方式的原理和应用。 三相异步电机的启动方法 三相异步电动机的起动方法 主要有 直接起动、 传统减压启动和软启动三种启动方法。 下面就分别做 详细 介绍。 直接 起动 直接起动，也叫全压起动。 起动时通过一些直接起动设备，将全部电源电压 (即全压 )直接加到异步电动机的定子 绕组，使电动机在额定电压下进行起动。 一般情况下，直接起动时起动电流为额定电流的 3～ 8 倍，起动转矩为额定转 矩 的 1～ 2 倍。 根据对国产电动机实际测量，某些笼型异步电动机起动电流甚至可以达到 8～ 12 倍。 直接起动的起动线路是最简单的，如图 22 所示。 然而这种起动方法有 诸 多不足。 XX 大学 XX 学院毕 业设计（论文） 7 对于需要频繁起动的电动机，过大的起动电流 会 造成电动机的发热， 缩短 电动机的 使用寿命；同时电动机绕组在电动力的作用下，会发生变形，可能引起短路进而烧毁电动机；另外过大的起动电流，会使线路 电 压降增大，造成电网电压的显著下降，从而影响同一电网的其他设 备的正常工作，有时甚至使它们停下来或无法带负载起动。 这是因为 Ts及 Tm均与电网电压的平方成正比，电网电压的显著下降，可使 Ts 及 Tm 均下降到低于 Tz。 一般 情况下 ，异步电动机的功率 小 于 7． 5kW 时允许直接起动。 如果功率大于7． 5kW，而电源总容量较大，能符合下式要求的话，电动机也可允许直接起动。   1111 34stNk v AIK I k w   电 源 总 容 量起 动 电 动 总 功 率 如果不能满足 上 式的要求，则必须采用减压启动的方法，通过减压，把启动电流Ist 限制到允许的数值。 M3~FU1 FU2FU3KM 图 22 直接启动原理图 传统 减压起动 减压起动是在起动时先降低定子绕组上的电压， 待 起动后，再把电压恢复到额定值。 减压起动虽然可以减小起动电流，但是 同时 起动转矩也会 减小。 因此，减压起动方法一般只适用于轻载或空载情况。 传统减压起动的具体方法很多，这里介绍 以下 三种减压起动的方法 ： (1)定子串接电阻或电抗起动 定子绕组串电阻或电抗相当于降低定子绕组的外加电压。 由三相异步电动机的等效电路可知：起动电流正比于定子绕组的电压，因而定子绕组串电阻或电抗可以达到减小起动电流的目的。 但考虑到起动转矩与定子绕组电压的平方成正比，起动转矩会降低的XX 大学 XX 学院毕 业设计（论文） 8 更多。 因此，这种起动方法仅仅适用于空载或轻载起动场合。 对 于 容量较小的异步电动机，一般采用定子绕组串电阻降压 ； 但对于容量较大的异步电动机 ，考虑到串接电阻会造成 铜耗较大，故采用定子绕组串电抗降压起动。 如图 23 所示：当起动电机时，合上开关 Q，交流接触器 KM 断开，使电源经电阻或电抗 R 流进电机。 当电机起动完成时 KM 吸合，短接电阻或电抗 R。 K MM3~F U 2F U 3F U 1RF RQU V W 图 23 定子串电阻或电抗起动原理图 (2)星 三角形 (丫 △ )起动 星 三角形起动法是电动机起动时，定子绕组为星形 (丫 )接法，当转速上升至接近额定转速时，将绕组切换为三角形 (△ )接法，使电动机转为正常运行的一种起动 方式。 星三角形起动方法虽然简单，但电动机定子绕组 的 六个出线端都要引 出 来 ，略显麻烦。 图 24 为星 三角形起动法的原理图。 接触器 KM2 和 KM3 互锁，即其中一个闭合时，必须保证另一个 断开。 KM2 闭合时，定子绕组为星形 (丫 )接法，使电动机起动。 切换至 KM3 闭合，定子绕组改为三角形 (△ )接法，电动机转为正常运行。 由控制电路中的时间 继电器 KT 确定星 三角切换的时间。 定子绕组接成星形连接后，每相绕组的相电压为三角形连接 (全压 )时的 l/ 3 ，故星三角形起动时起动电流及起动转矩均下降为直接起动的 1／ 3。 由于起动转矩小，该方法只适合于轻载起动的场合。 XX 大学 XX 学院毕 业设计（论文） 9 K M 3K M 1M3~F U 2F U 3F U 1F RQU V WK M 2 图 24 星 三角形起动法的原理图 (3)自耦变压器起动 自耦变压器起动法就是电动机起动时，电源通过自耦变压器降压后接到电动机上，待转速上升至接近额定转速时，将自耦变压器从电源 切除，而使电动机直接接到电网上转化为正常运行的一种起动方法。 图 25 所示为自耦变压器起动的自动控制主回路。 控制过程如下：合上空气开关 Q接通三相电源。 按启动按钮后 KM1 线圈通电吸合并自锁，其主触头闭合，将自耦变压器线圈接成星形，与此同时由于 KM1 辅助常开触点闭合，使得接触器 KM2 线圈通电吸合， KM2 的主触头闭合由自耦变压器的低压抽头 (例如 65％ )将三相电压的 65％接入电动。 当时间继电器 KT 延时完毕闭合后， KM1 线圈断电，使自耦变压器线圈封星端打开 ； 同时 KM2 线圈断电，切断自耦变压器电源，使 KM3 线圈得电吸合 ， KM3 主触头接通电动机在全压下运行。 自耦变压器一般有 65％和 80％额定电压的两组抽头。 若自耦变压器的变比为 k，与直接起动相比，采用自耦变压器起动时，其一次侧起动线电流和起动转矩都降低到直接起动的 l／ k2。 自耦变压器起动法不受电动机绕组接线方式 (丫接法或△接法 )的限制，允许的起动电流和所需起动转矩可通过改变抽头进行选择，但设备费用较高。 XX 大学 XX 学院毕 业设计（论文） 10 图 25 异步电动机的自耦变压器起动法 自耦变压器起动适用于容量较大的低压电动机作减压起动用，应用 非常 广泛，有手动及自动控制线路。 其优点是电压抽头可供不同负载起动时 选择 ； 缺点是 质量大、 体积大、价格高、维护检修 费用高。 软启动 软起动可分为有级和无级两类，前者的调节是分档的，后者的调节是连续的。 在电动机定子回路 中 ，通过串入限流作用的电力器件实现软起动，叫做降压或者限流软起动。 它是软起动中的一个重要类别。 按限流器件不同可分为：以电解液限流的液阻软起动；以磁饱和电抗器为限流器件的磁控软起动；以晶闸管为限流器件的晶闸管软起动。 晶闸管软起动产品 问 世不过 30 年左右的时间 ， 它是当今电力电子器件长足进步的结果。 10 年前，电气工程界就有人 预言 ，晶闸管软起动将引发软起动行业 的一场革命。 目前在低压 (380V)内，晶闸管软起动产品价格已经下降到液阻软起动的大约 2 倍 ，甚至更低。 而其主要性能却优于液阻软起动。 与液阻软起动相比，它的体积小、结构紧凑，维护量 小 ，功能齐全，菜单丰富，起动重复性好，保护周全，这些都是液阻软起动无法比拟的。 但是晶闸管软起动产品也有缺点。 一是高压产品的价格太高，是液阻软起动产品的5～ 10 倍，二是晶闸管引起的高次谐波 比 较严重。 XX 大学 XX 学院毕 业设计（论文） 11 软起动的原理及分析 晶闸管调压原理 晶闸管的控制方式有两种：一是相位控制，即通过控制晶闸管的导通角来调压；二是周波 控制，即把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，用改变接通时间与切断时间之比来控制输出电压的有效值，从而达到调压的目的。 但周波控制用在异步电机定子上时，通断交替的频率不能太低，一方面会引起电动机转速的波动，另一方面每次接通电流就相当于一次异步电动机的重起动过程。 当电源切断时，电动机气隙中的磁场将由转子中的瞬态电流来维持，并随着转子而旋转，气隙磁场在定子绕组中感应的电动势频率将有所变化，当断流时问隔较长时，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很大的差别，这样 就会出现较大的电流冲击，可能危及晶闸管的安全。 故在异步电动机的调压控制中，晶闸管调压一般采用相位控制。 采用相位控制时，输出电压波形已不是正弦波，经分析可知，输出电压不含偶次谐波，奇次谐波中以三次谐波为主要成分。 谐波在异步电机中会引起附加损耗，产生转矩脉动等不良影响。 此外，由于异步电机是感性负载，从电力电子学中可以知道，当晶闸管交流调压回路带有感性负载时，只有当移相角大于负载的功率因数角时，才能起到调压的作用。 当   时，电流导通的时间将始终保持在 180176。 其情况与  =0 时一样，相控不起任何调压作用，甚至在晶闸管触发脉冲不够宽的情况下，出现只有一个方向上的晶闸管工作，负载上出现直流分量，对晶闸管造成危害。 为了保证晶闸管的安全，在使用相控晶闸管电路时采用宽脉冲触发，移相范围限制在  ≤ 180176。 本系统软起动器采用晶闸管调压原理，通过调节电动机定子输入端电 压的大小和相位实现软起动的各种功能。 本系统软起动器采用了如图 26 所示的主电路。 用三组反并联晶闸管分别串联在星形接法的电机三相定子线圈上，这种连接方式谐波比较少，调压性能最为优越，控制系统简单、可靠。 XX 大学 XX 学院毕 业设计（论文） 12 图 26 软起动主回路原理图 为了方便分析，做以下假定： (1)电源为三相对称的正弦电压源，内阻抗为零； (2)各晶闸管的特性一致，对称触发，关断状态时，其阻抗为无穷大；导通状时压降为零； (3)电机为理想电机，其定、转子绕组在空间产生正弦分布的磁通势； (4)稳态运行时，电机的转速为常数。 由于主电路中没 有中线，因此在工作时若要负载电流流通，至少要有两相构成通路。 其中一相是正向晶闸管导通，另一相则是反向晶闸管导通。 为了保证在电路起始工作时有两个晶闸管同时导通，以及在感性负载与控制角较小时仍能保证不同相的两个晶闸管同时导通，本系统采用了能够产生大于 60176。 的 双窄脉冲的触发电路。 要实现异步电动机的平稳起动，需要控制电机的输入电压，使其按照某 种曲线由小到大逐渐上升。 通过按照一定时序调整六个晶闸管的触发角 就可以实现该目标。 该电路的调压实质是对电源电压进行斩波。 电机获得的电压是非正弦的，但是每相电压的正负半周是对称的。 晶闸管任意一相的电压波形如图 27 所示，其中电网电压的波形是完整的正弦波，  是晶闸管的触发角，  是负载的功率因数角 (也叫晶闸管的续流角 )，  是晶闸管的导通角。 由图 27 可以很容易地推导出触发角  ，。