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1、软起动器的数字模型工作原理毕业论文1 异步电机的起动问题电动机是工业、农业和交通运输的重要设备，而且，随着社会生产的日益发展，电动机的应用将会越来越广，与电机配套的控制设备的性能也必将成为用户关注的焦点。电动机的控制主要包括电机的起动、调速和制动。三相交流鼠笼式异步电动机因其结构简单，运行可靠和价格便宜而被广泛采用。异步电动机的起动是指电机从静止状态加速到工作转速的整个过程。评定电动机的起动性能主要有两个指标：起动电流倍数和起动转矩倍数。希望在起动时有较大的起动转矩以带动负载快速达到正常转速，但不希望有较大的起动电流。一台普通的鼠笼式的异步电动机，如不采取任何施在额定电压下直接起动，它的起动电
2、流较大而起动转矩并不相应增大。因为三相异步电动机是一种反电势负载，即以反电势来平衡外加电压。电动机的反电势随着转子转速的增加而逐渐增大，电动机在起动开始时反电势为零，所以起动时的冲击电流很大。当电动机容量较大时，冲击电流会对电网及其负载造成干扰，严重时甚至危害电网的安全运行；起动电流过大时，将使电动机本身受到过大电磁力的冲击，如果经常起动，还有绕组过热的危险。同时，由于起动应力较大，使得负载设备使用寿命降低1。传统的直接起动是用闸刀开关或接触器把电动机的定子绕组直接接到额定电压的电网上。直接起动的优点是操作和起动设备最简单，缺点是起动电流很大。一般鼠笼式异步电动机直接起动电流倍数，严重情况下，
3、可能达到十倍以上，起动转矩倍数。按国家标准GB755-65规定，三相感应电动机的最大转矩至少不低于1.6倍额定转矩，当电网电压降低15时，仍有，不会导致接在同一电网上的其它感应电动机的停转。因此，直接起动通常只限于起动时，在电网中引起的电压降落不超过1015（对于经常起动的电机取10，对于不经常起动的电动机取15）的场合。同时，直接起动方法的应用还受到电网容量的限制。若电网容量不够大，则电动机的起动电流可能使电网电压显著下降，影响接在同一电网上的其它电动机和电气设备的正常工作.为了解决这个问题（直接起动问题），人们采用了各种降压起动技术，比较传统和应用较普遍的有自耦变压器降压起动、串电抗起动和
4、Y转换、延边三角形起动、电阻调节等等。其中自耦降压起动设备复杂，Y转换起动附加设备少，操作简单，但起动电流仍较大，只适合小型电机起动，延边三角形起动电流亦较大2。采用这些起动方式起动时降低了加在定子绕组的电压，起到了一定的限流作用，但仍存着以下问题。（1）它们通常是靠接触器来切换电压达到降压目的，所以无法从根本上解决起动瞬时电流尖峰的冲击；（2）起动转矩不可调，起动中存在二次冲击电流，对负载产生冲击转矩，当电网电压下降太低时，可能造成电动机堵转；（3）起动过程中，由于接触器是带载切换，因而容易造成接触器触点拉弧损坏。为了使电动机能够转动起来，并很快达到额定转速正常工作，要求电动机具有足够大的起
5、动转矩且起动电流不能太大。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。随着电力电子技术的发展，电力半导体开关使无电弧开关和连续调节电流成为可能，以上所提及的直接起动的缺点都可以得到解决。本文即研究这种基于电力电子器件和电力电子技术的起动方法，通常称之为软起动。2 电力电子软起动方法传统的降压起动方法能在一定程度上解决鼠笼式异步电动机的起动电流较大的问题，但是由于传统的起动设备都是有切换触点的，控制不连续，这样就难免在起动过程中给电动机造成冲击，且传统的方法起动电流仍较大。所以传统的起动方法仅适用于中小型电机的起动控制，而对大功率的电动机来说，并不是理想的方案。近三十多年来，随
6、着电力电子技术的发展，电力半导体开关使无电弧开关和电流连续的调节成为可能。电力半导体器件的开关具有无磨损、寿命长、功耗小的特点。加之微机控制技术与电力电子技术的紧密结合，为电动机的起动节能提供了全新的思路，这样，就出现了采用电力半导体器件用于电动机起动控制的新型起动方式。目前有两种电动机起动新方式：变频器和软起动器。变频器是目前应用较为广泛的节能型电气传动设备，通过改变电机电源的频率和电压，可实现多种功能。具有电动机软起动功能和电机调速功能，在电机起动上是理想的设备。如在西方、日本等国家，就广泛采用变频器于起动控制。这种变频起动方式的优点是性能可靠，可同时用于电动机调速控制，不足之处是目前变频
7、器的造价仍较高、维护保养较困难，而且在不需要调速控制的场合，不能充分发挥其变频调速功能，因此不适合在我国大量推广应用。八十年代初一些欧美国家则成功研制了以微处理器控制大功率晶闸管组件的软起（制）动产品（也称Soft Starter），它不仅解决了传统降压起动方法存在的问题，也克服了变频调速带起动方法存在的不足，现已大量投放市场。软起动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置。3这种软起动器（调压式）主回路采用晶闸管三相交流调压电路（在功率较小时可采用三只双向晶闸管，而功率较大时用三对反并联的晶闸管即可），其等效电路如图1所示。利用晶闸管进行调压，其输出电压大
8、小由晶闸管的导通角决定，而晶闸管的导通角又与其控制角有关4。控制角越小，输出越大。因此，只需在电动机起动过程中通过控制晶闸管控制角的大小，可使电动机的定子端电压和起动电流根据工作要求设定的规律进行变化。这样，电动机的起动方式和起动电流均可任意调整和设置，使之处于最佳的起动过程。软起动器其实质是降压起动，与传统降压起动不同之处在于无机械触点，起动电压和起动电流任意可调。图1晶闸管三相交流调压电路Fig.1 3-Phase AC adjusting voltage circuit of SCR这种软起动控制器具有以下特点和优越性：（1）提高公用电网质量。软起动装置成功地解决了传统起动设备在起动过程
9、中产生的尖峰电流冲击、电压瞬间降落等问题，势必明显改善电网质量，达到有效节省电能的目的。（2）控制无触点。由于软起动装置使电机能按预先设定的起动方式和参数进行平滑加速起动，既能满足不同用户的起动需要，又能大大降低机械振动冲击，可延长电机及传动系统的使用寿命。（3）系统的通用型强、灵活性大以及功能便于扩展和修改。如增设RS-232接口，可与其它单片机或PC机通讯，实现远程控制和多台电机集中控制。除用于起动外，还可实现软停车控制。 （4）由于采用单片机控制，可在起动前对主回路进行故障诊断，且数字化的控制具有较稳定的静态特性，不易受温度、电源电压及时间变化等因素的影响，因此提高了系统的可靠性，有助于
10、系统维护。表1详细列举了软起动方式与传统方式的优劣比较5，可见软起动方式是比传统方式更优的起动方式。表1各种起动方式基本性能对比表Table.1 The basic properties of a variety of start-up mode comparison table起动方式电气性能全压起动星-角起动电阻调节自耦变压器软起动堵转转矩1.52.80.50.90.50.750.40.850.062.8起动电流481.82.51.561.641.56需要的接线端子数3个最小6个3个3个3个 3 国内外研究现状电力电子软起动的出现是随着晶闸管的出现而发展起来的，最早采用晶闸管三相交流调压电
11、路对电动机的软起动应用是在1970年由英国人发明的，由于采用这种方法可以获得很好的起动性能，所以曾引起人们广泛的注意。近二十多年来，国外对晶闸管三相交流调压电路进行了广泛的研究，在工业应用领域得到应用，在某些领域应用显示出独特的技术优势。90年代以后，国外一些著名厂商推出了软起动系列产品，技术已趋于成熟。如美国的AB公司生产的3152000KW的交流调压式电力电子软起动器，英国的CT公司，法国的TE公司，德国AEG公司及欧洲ABB公司等均推出了软起动产品；德国的西门子公司推出一系列产品：SIRIUS 3RW30/31适用于55KW以下电机，SIKOSTART 3RW22适用于710KW以下电机
12、，SIKOSTART 2RW34适用于1050KW以下电机。从软起动出现在世界（1970年），就伴随着研究软起动器能否实现节约能源的问题。英国人曾在八十年代初就对不同控制原理的软起动产品做过对比试验，并得出在4050的额定负载下，软起动器有明显的节能效果的结论，从而使得这种控制器在轻载情况下大大被采用。目前，国外对晶闸管三相交流调压电路的研究已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。如将原变频调速中的矢量控制和磁场定向控制引入，创立软起动技术的转矩控制。国内在软起动器方面
13、也有研究。我国软起动技术起步于80年代初期，以后也推出了各种品牌的软起动器，但在技术上和可靠性上与国外同类产品尚有一定的差距。已推出JKR、NJR1、STR、JKB型软起动器和JQ、JQZ型固态节能软起动器等产品。JQ型用于轻负载起动，JQZ型用于重负载起动，最大控制功率达800KW，并已在上海、广东、新疆、湖南等省市一些工程中应用10年6。有一些大专院校对于软起动器技术也有一定研究，如浙江大学对此技术的节能控制策略的研究已进入实用化阶段。近年来，随着技术的相互渗透发展，国内外软起动器产品在控制原理技术及主要回路设计上已经都日趋成熟了，差距也在不断拉近。今后，软起动器将着力于向以下几个方向发展
14、7：(1)采用集成移相调控晶闸管模块，将复杂的移相控制电路与晶闸管管芯集成为一体，组成一个完整的电力移相调控开环系统。用它组成软起动器，不但使体积大大缩小，而且增加了设备的可靠性和抗干扰能力。(2)提高起动转矩的方法离散频率控制法。现有大多数软起动器仅适用于起动转矩小于额定转矩50%的拖动系统。将离散频率控制法用于软起动过程中，不需要对软起动器硬件电路做什么改动，即可像变频器一样实现变频起动，使电动机低速起动时，起动电流小，起动转矩大，可以在满负荷的情况下实现软起动。(3)软起动器将向中压电动机软起动方向发展。采用多个晶闸管串联成一个晶闸管串，再将两个晶闸管串反并联后串接于电源与被控电机之间，
15、配上相应的分压电路，使每个晶闸管在动态和稳态过程中所承受的电压在其耐压水平之内，即可实现中压大型感应电动机的软起动。(4)软起动器将向智能化方向发展。所谓智能化应包括“判断、推论、理解、识别、规划、学习”，即软起动器应对以往的起动过程进行判断和评价，根据评价结果自动修改起动曲线，实现自学习。为此，软起动器必须能对电网、电动机、负载作至少是离线的辨识，能通过经验的积累，辨识它们的数学模型，包括电网、电动机的基本参数。1 软起动器的工作原理1.1 异步电动机的数学模型为了研究异步电机的起动和停机时的电压、电流、转矩等变量的关系，就要研究电机的数学模型，异步电动机的数学模型基本有两种:基于状态方程的数学模型和基于集中参数等效电路的数学模型。对于变频调速而言，多采用前者，对软起动而言，一般采用后者。基于等效电路的数学模型如下图1-1所示: 图1-1 异步电动机的简化等效电路Fig.1-1 The equivalent circuit of asynchronous motor图2-1中各符号意义: 为无穷大电网相电压有效值，、分别为励磁电流和励磁电抗，、分别是定子的电阻和漏抗，、分别为电动机转子电阻和漏抗的折算值，为转差率。由电机学知道，三相异步电动机机械特性方程表达式为: （1-1）刚起动时，转子转
