三相异步电动机软启动器的毕业设计(2)

XX大学XX学院毕业设计（论文） 异步电动机加速过程，大大减缓了对电网及机械设备的冲击。采用电力半导体器件对电动机进行启动控制的电力电子软启动器解决了传统降压启动方法存在的二次电流冲击问题 ，具有无触点、 启动电流及启动时间可控、 启动过程平滑等优点，并且维护工作量小，具备完善的电动机保护功能。晶闸管软启动器是一种集软启动、软停车、轻载节能和多功能保护于一体的新颖电机控制装备。它不仅实现在整个启动过程中实现无冲击而平滑地启动电机，而且可根据电动机负载的特性来调节启动过程中的参数，如限流值、启动时间等。此外，它还具有多种对电机保护功能，这就从根本上解决了传统的降压启动设备的诸多弊端。本文详细介绍三相异步电动机软启动器的设计。

1.2 国内外研究现状

我国软起动技术起步于上世纪80年代早期，目前生产电机启动器的厂家很多，先后也推出了多种品牌的软起动器。但由于国内自主开发和生产的能力相对较弱，对国外产品的依赖还是很严重。在技术上和可靠性上与国外同类产品尚有一定的差距。所以在整个软起动器市场上，占据统治地位的还是国外产品，国内产品所占的份额还是很低。

目前市场上生产的软启动器主要以机械式和三相反并联晶闸管方式为主。机械式启动器是目前使用比较广泛的启动方式，但它是有级起动，会产生二次冲击电流，启动电流仍然为标称电流的3~4倍，且有体积大、噪音大、维护费用高、无法适应恶劣环境等诸多弊端。

近三十年来，随着电力电子技术的发展，使无电弧开关和连续调节电流成为可能。电力半导体开关器件具有无磨损、寿命长、功耗小等特点，结合现代控制理论及微机控制技术，为实现电机的软起动提供了全新的思路。要突破传统的启动方式，是离不开电力电子技术和微机控制技术的发展的。

随着这些技术的不断进步，电力电子软起动装置也取得了长足的进步，采用这些方法可以使三相异步电动机获得很好的起动性能。近三十多年来，国外对晶闸管三相交流调压电路进行了广泛的研究，在工业、农业领域得到广泛的应用。如美国AB公司、英国CT公司、法国TE公司、德国AEG公司、瑞士ABB公司等均推出了软起动器系列产品，如GE公司生产的最大功率达到850kW，额定电压500V，额定电流1180A，最大起动电流5900A；ABB公司生产的最大功率达到1200kW，额定电压690V，额定电流1000A；意大利SIEI工公司生产的额定电压690V，额定电流1600A；美国BS公司还生产中压6~13.8kV同步或异步电动机软起动器，最大功率达到10000kW[2]。

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XX大学XX学院毕业设计（论文） 目前在国外，发达国家的电动机软起动产品主要是固态软起动装置——晶闸管软起动和兼作软起动的变频器。在生产工艺兼有调速要求时，采用变频装置。在没有调速要求使用的场合下，起动负载较轻时一般采用晶闸管软起动。在重载或负载功率特别大的时候，才使用变频软起动。晶闸管软起动装置是发达国家软起动的主流产品，各知名电气公司均有自己晶闸管软起动的品牌，在其功能上又各具特色。例如GE公司生产的ASTAT智能电机软起动器；ABB公司生产的PST、PSTB系列电机软起动器；施耐德公司的ATS46软起动器；德国SIEMENS公司的3RW22 SIKOSTART软起动器等等。目前，国外对晶闸管三相交流调压电路的研究己经从对控制电压、控制电机电流的开环、闭环方式，发展到通过建立比较准确实用的数学模型，找到适用于三相交流调压电路电机负载的控制方法，从而使三相交流调压电路电机负载性能更优[3]。另一方面，随着电力电子技术的发展，异步电动机向更加可靠、方便性好、小型化方向发展。

1.3 本课题研究内容

软启动器本质上是一种直流调压装置，用来实现软启动、软停车、实时监测以及各种保护功能。为了保证系统安全可靠地运行，可以充分发挥单片机的强大控制功能，由主控制电路对系统的关键器件和关键参数，例如过压、欠压、过流、过载、等进行实时监控。随着数字直流PWM调压技术的应用，以及采用高性能的单片机作为系统的控制核心，可以使软启动器具有控制快速准确、响应快、运行稳定、可靠等优点。

在三相交流异步电动机不宜采用直接启动的时候，可以考虑采用定子串电阻或串电抗器启动、Y-△启动、自耦变压器降压启动、转子串电阻启动、晶闸管电子软启动、分级变频软启动、两相变频调压软启动等方法。

结合各方面的因素及实际情况，本课题研究的内容主要有：

(1)研究三相调压软起动的基本原理，对三相异步电动机的起动电流和起动转矩进行分析，对软起动控制策略进行研究。

(2)对三相晶闸管软起动系统进行硬件设计。包括主电路，触发电路，检测电路，控制电路，驱动电路等。

(3)实现三相异步电动机软启动器模式的设计和软件的有关设计。 (4)用PROTEL绘制系统的原理图。

本课题的目标是实现三相异步电机的软启动，甚至使软启动器能够根据电机负载的实际情况改变。

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XX大学XX学院毕业设计（论文） 2 三相异步电动机的起动控制的研究

交流三相异步电动机的传统启动技术，如定子串电阻/电抗器启动、自耦变压器降压启动、星形-三角形降压启动、转子串电阻或频敏变阻器启动等，在交流电动机启动技术发展过程中都有过重要应用。但随着晶闸管技术的发展，三相交流调压软启动器因为具有性能良好、产品多样、电压可连续调节以及转矩或电流可闭环控制等优点，使得电子软启动器得到了深入而广泛的发展，成为软启动市场中的主流产品。

2.1 三相异步电动机的起动过程的分析

为了研究三相异步电动机的起动时的电压、电流、转矩等变量的关系，进而分析异步电机起动时的电流、起动转矩和所外加电压的关系，就要研究电机的数学模型。对于电动机的软起动而言，多采用基于集中参数等效电路的数学模型。在不改变异步电动机定子绕组中的物理量和异步电机的电磁性能的前提下，经频率和绕组的计算，把异步电动机转子绕组的频率、相数、每相有效串联匝数都归算成和定子绕组一样，即可用归算过的基本方程式推导出异步电动机的等效电路。三相异步电动机的T形稳态等效电路如图2-1所示：

r1x1X2r2i1u1xmi2rmim图2-1 异步电动机的等效电路

1-sr2s

其中，r1为定子绕组的电阻，x1为定子绕组的漏电抗，r2为归算到定子方面的转子绕组的电阻，x2为归算到定子方面的转子绕组的漏抗。rm代表与定子铁心损耗所对应的励磁电阻，xm代表与主磁通相对应的铁心磁路的励磁电抗。U1为定子电压向量，E1为定子感应电动势向量，i1为定子电流向量，im为磁电流向量。基于T形等效电路的数学模型为：

u1??E 1?i1(r1?jx1)??E1?i1Z1 (2-1)

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XX大学XX学院毕业设计（论文） r2E2?I（+jx2）2s (2-2)

i1?i2?im (2-3)

E'2?E1??ImZm??Im?rm?jxm?由以上四式可得：

???? (2-4)

r2'?jx2's1???rm?jxmI?U1?r1?jx1?r'2r1?jx1??1??jx'2?r?jxsmm?? (2-5)

在异步电动机里，因为r1

I?Im???U1?x?r'(r1?jx1)??1?1?(2?jx'2)?xm?s (2-6)

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：

Pem?m1E'2I'2cos?2'?m1I'2r'2/s (2-7)

电磁转矩为：

Tem?Pmec(1?s)PmecPem???1?s??0?? (2-8)

其中，

?0?2?n1f2?n?2?1??60p为同步角速度；60为转子机械角速度；Pem为机械功

率。由式(2-7)和式(2-8)可得：

Tem?Pemr'p?m1I2'22?02?f1s (2-9)

根据T形等效电路可得：

I2'?(r1?U1r2'2)?(x1?x2')2s (2-10)

将式(2-10)代入(2-9)得：

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XX大学XX学院毕业设计（论文） Tem?

pm122?f1??r2'?2?'????r1????x1?x2s?????? (2-11)

U12r2'2刚起动时，转子n=0，转差率s=1，此时启动转矩为：

pm1U12r2'Tst?2?f1??r1?r2'?2??x1?x2'?2??? (2-12)

?x1?1????xm??近似为1，由式(2-6)的启动电流为： 同时，由于激磁电流相对较小即Im?0，

Ist?U1?r?r2'???x1?x2'?22 (2-13)

由式(2-12)和式(2-13)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。

2.2 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。 2.2.1 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2-2所示。然而这种起动方法有诸多不足。

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