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1、第四章 电机起动技术,4.1 电机起动中的主要问题 4.1.1 起动电流与起动转矩 起动转矩便是电动机起动时首先发出的转矩。 电机的正常工作转矩通常就小于起动转矩。 由此可知，起动电流比正常工作电流大，尤其是直流电机比交流异步电机的起动电流更大。,第四章,4.1.2 起动相关的三个特别因素,自身限定 :电动机通常是按正常运行时的工作状态设计的 ,对起动电流要有所限定。 电网限定 :相对较大的起动电流对周围电网系统也有很大影响。 负载转矩约束:起动电流所产生的起动转矩也要大于负载转矩，这样才能正常起动。 结论:起动电流要小于电动机自身的电流允许能力和电网的允许能力，起动电流对应的起动转矩要大于负
2、载转矩。,第四章,4.1.3 直接起动与软起动,如果直接按照正常工作参数对电机加以控制，叫做直接起动。这种情况就很可能产生过大的起动电流。 根据直流电机和三相交流感应电机的人为机械特性，可以通过调节机械特性的某些参数来减少起动转矩，也就是减小起动电流。这就叫做软起动。,第四章,1 直流电机软起动,根据直流电机的人为机械特性，可以采用减压和串电阻两种方法。由于可以通过大电流的电阻一般都不能进行电控无级调速，串电阻的方法一般只能用接触器触点进行有级控制，在起动中电阻值由大到小分段变化，正常运行时电阻应完全短路。由于直流电机串电阻方法有体积大、分段有级起动的缺点，而直流电机一般应用于高端场合，还有电
3、力电子技术的成熟，使得减压起动方式成为主要应用方式。减压起动方式可以和直流电机的调压调速方式相结合，使用同一套电控单元。,第四章,（1）、 电枢回路串电阻起动,（a) 原理图 （b) 机械特性 图4-1 他励直流电动机串电阻起动,第四章,2、 减压起动,减压起动方式可以和直流电机的调压调速方式相结合，使用同一套电控单元。,第四章,2 三相交流电机软起动,直接起动即全压起动，起动方法简单，但交流异步电机起动电流大，一般为电机额定电流的47倍，过大的起动电流导致线路产生较大的压降，影响电网上其他设备的正常运行，国标要求是直接起动的起动电流在电网中引起的电压降不超过电网额定电压的10(频繁起动)或1
4、5(不频繁起动)就允许直接起动，但是在实际工程中还应综合考虑负载场合等因素,第四章,三相交流电机软起动是相对于硬(直接)起动而言的，一般分为有级软起动和无级软起动2类。 传统的软起动都是有级的，如星角变换起动、自耦变压器起动、定子串电阻或电抗起动、延边三角形起动等。 无级软起动也得到了很大的发展。主要有定子串液阻热变电阻软起动、串联晶闸管软起动、变频起动等。,第四章,42 交流异步电机的起动方法 421 三相交流异步电机的Y一电机起动方法,第四章,422 自耦变压器起动方法,第四章,423 转子串频敏变阻器起动方法,随着国民经济的发展，生产设备越来越大型化。工业领域的球磨机、破碎机、风机、水泵
5、、打浆机、轧钢机等设备中的电动机容量越来越大。三相绕线式转子交流异步电动机因转子可外接电阻、频敏变阻器，且有较高的起动转矩、起动功率因素和较小的起动电流，故在大容量、大转矩的电机中得到广泛应用。,第四章,1 绕线式异步电机申电阻多级起动,第四章,有关说明,它只用在对起动转矩要求特高的起重机，轧钢机等设备上。 它的变型产品是：绕线式异步电动机液态电阻起动柜，它是将绕线式电机转子回路通过滑环、碳刷引入地面，将液体电阻串入电机的转子回路，通过伺服电机改变液体电阻的大小，达到无级连续调整电机起动转矩和起动电流的目的。它与凸轮控制器改变电阻相比，最大的优点是：无级连续调整电机电流；缺点是：常见的绕线式异
6、步电动机液态电阻起动柜，没有考虑液体电阻对极板及其传动设备的腐蚀作用、没有考虑装置的密封和防爆、没有考虑环境温度对起动装置的影响，造成寿命低，应用范围小，不能安装在有振动的地方(如行车上)和北方的室外和造价高等缺点。,第四章,423 转子串频敏变阻器起动方法,频敏变阻器通过电刷和滑环与转子绕组相接，起动开始时，电动机转速很低，转子频率很高，频敏变阻器损耗较大，Rm值较大，限制了起动电流，增大了起动转矩，随着转速的上升，转子频率不断下降，频敏变阻器的损耗等效电阻Rm随着平滑下降，使电动机平滑起动。,第四章,第四章,串频敏变阻器起动，由于频敏变阻器实际上是个电感元件，它降低了电机起动时的功率因数。
7、即如要产生电机额定转矩的起动转矩，电机起动电流须是电机额定电流的25倍以上。 如果参数配合适当，电动机在整个加速过程中产生几乎恒定的转矩。 因此，它一般用在对起动转矩要求不太高的风机、水泵、空压机和球磨机电机上。,第四章,例4-6 为某厂设计185kW真空泵的起动柜,第四章,*424 数字式软起动器工作原理及特点,软起动器是一种采用数字控制的无触点降压起动控制装置，是传统的Y一起动、自耦变压器起动、延边三角形起动理想的更新换代产品。软起动器是实现电动机精确控制，替代传统起动器的全新起动设备，具有起动电压可调、起动时间可调、停止时间可调、限制起动电流、防止冲击转矩、显著节省安装空间和布线成本、操
8、作简便、免日常维护等优点。电机软起动技术成功地解决了交流电动机起动时造成较大起动电流，对供电电压质量影响和供电线路电耗增大以及对机械设备冲击等问题，由于软起动器具有许多优点，近年来已得到越来广泛的应用。一般情况下，只要电动机容量大于等于1 l kW，为了保证建筑内其他负荷的用电质量，就可采用软起动器。,第四章,第四章,图4-11 软起动器在一个工作周期中的输出电压特性曲线,第四章,(1)软起动器广泛用于各种大型的泵类负载 由于泵类负载的负载特性与异步电动机的自然特性不匹配，在异步电机全压起动时，从静止状态加速到额定转速所引起的转矩突变引起流量的巨大变化，会导致对管道的液流冲击，使泵系统产生犹如
9、锤子敲击管子的喘振和噪声，被形象地称为“水锤效应”。当液体在管路系统中受外力突然加速或突然减速或改变流向就会造成水锤，水锤危害很大，轻则引起管路系统振动，发出噪声，重则造成损坏，甚至使泵房被淹。,第四章,425 基于磁阀式可控电抗器的磁控软起动方法,软起动磁控软起动是从定子串电抗软起动衍生出来的，是一种基于新型磁阀式可控电抗器(Magnetic一contro1led Reactor，MCR)的新型软起动装置。在起动过程中，通过控制直流励磁绕组的电流改变铁芯的饱和程度，从而改变起动的电抗值，限制了起动电流，所以称之为磁控软起动。,第四章,第四章,图4-13 磁阀式可控电抗器控制回路等效电路,第四
10、章,426 孤立电网下大电动机软起动实例 427 单台变频器起动多台设备的实例 428 鼠笼型变频电机起动时出现跳闸现象原因分析,第四章,43 同步电机的起动方法 4.3.1 同步电机变频起动策略研究,（1）异步起动原理 同步电机转予磁极表面上一般要安装阻尼绕组，作用相当于鼠笼型电机的导条，在起动过程中会产生异步转矩。所不同的是同步电机还要考虑励磁控制问题，在异步起动时，励磁回路中不能接入励磁电流，但励磁绕组也不能开路，通常是将其励磁绕组经由一个电阻短接。随着频率的升高。当电机在异步转矩作用下加速到一定转速后，用开关将同步电机由起动装置切换到电网，同步电机需加速到亚同步转速以上时，再对励磁绕组
11、通以直流电流，产生同步转矩，将电机牵入同步运行，起动过程结束。,第四章,（2）同步起动原理 同步起动和异步起动原理基本相同，都是在保证uf不变的前提下，按照一定的曲线慢慢地升高频率。不同之处就是同步起动时不短接转子，也不安装阻尼绕组，而是在保证电机不失步的前提下，转子一直通以励磁电流，按照适当的电压频率曲线不断上升。相对异步起动，同步起动的优点是：对转矩扰动具有更强的承受能力，能做出更快的动态响应。,第四章,5 起动方式,(1)线性方式:在加速过程中，频率与时间成线性地上升。如图4-19(a)曲线l所示。 (2)s形方式:在开始阶段和结束阶段，加速的过程比较缓慢；而在中间阶段，则按线性方式加速
12、。如图4-28(a) 曲线2所示。在电梯中，如果加速度变化过快，会使乘客感到不舒服，故以采用s形方式为宜。 (3)半S形方式:加速过程呈半S形，如图4-19(b)曲线1、2所示。例如，鼓风机在低速时负载转矩很小，加速过程可以快一些，但随着转速的增加，负载转矩增大较多，加速过程应减缓一些。,第四章,第四章,第四章,432 无位置传感器无刷直流电机起动方法,无刷直流电机以其高效率、结构紧凑、易维调速性能好等一系列优点得到越来越广泛的应用，但传统的无刷直流电机需要位置传感器来实现电机的换相，如霍尔器件(HED)、光学编码器和旋转变压器等，这些传感器有的分辨率低或运行特性不好，有的对环境条件很敏感，潮
13、湿和温度变化都会使性能下降，使得整个传动系统的可靠性难以得到保证。无位置传感器直流无刷电机控制的关键问题是位置检测和起动技术。,第四章,直流无刷电机反电势波形为梯形波，如图4-20所示。其中分别为电机三相绕组反电势，ia,ib、ic为三相绕组相电流。为获得最大输出转矩，各相反电势为梯形波的正平顶时，应通正向电流，为负平项时通反向电流，从而使电机具有较大的输出转矩和较小的转矩波动，实现电机的最佳运行。采用的反电势法基本原理为：在任何时刻，电动机三相绕组中只有两相导通，每相绕组正反向分别导通120电角度。每相定子绕组中的反电势在一个周期内有两个过零点，每个过零点都超前该相换相点30电角度，因此通过
14、检测反电势过零点，再延迟30电角度就是该相逆变器功率器件的导通时刻。,第四章,第四章,电机定子绕组反电势是难以直接测量的物理量。因此，通常是通过检测逆变器的三相输出端相对于直流侧负极的电压(以下简称端电压)信号，进行处理后间接获得绕组反电势的过零点，从而得到逆变器各功率器件的导通时刻。电机a相绕组等效电路如图4-21所示，b、C两相与之相同。图中V。为该相端电压，i。为相电流、R为相电阻、L为相电感、E为反电势、V。为三相绕组中性点对地电压。,第四章,第四章,由图4-30可知，当某相绕组电流为零时，该相(例如a相)反电势为E。=V。一V。，当V。=V。时，E。=0。因此，通过检测三相端电压可以
15、得到中性点电压，当端电压等于中性点电压时，即为该相反电势的过零点。,第四章,2 电机起动问题,由于无刷直流电机在静止及低速运行时难以正确检测到反电势，因此必须解决电机起动的两个问题：一是静止启动的问题；二是同步切换的问题。,第四章,（1）转子预定位,转子的初始位置决定逆变器导通哪两个功率管使转子旋转，电机任意两相绕组通电后，产生一个合成磁场，在这个磁场的作用下，转子会向合成磁场的轴线方向旋转，直到转子磁极与这个合成磁场轴线重合，转子预定位示意图如图4-22所示。由于通电之前，转子的位置是随机的，因此转子磁场和定子磁场之间的电磁转矩是不确定的值，最大和最小都可能出现。只要加以足够的电压，控制绕组电流，产生足够的电磁转矩就可以使得转子定位到预定的位置。,第四章,图4-22 转子预定位示意图,第四章,（2）外同步加速,转子定位完成以后需要对电机加速，使电机达到一定转速，产生足够大的反电动势才能准确地检测其过零点。外同步加速是按照预先设置好的换相顺序对功率管轮流导通，换相频率不断上升，外施电压不断加大，直到达到预定频率为止。这样在空间形成一个频率不断上升的跳跃式的旋转磁场，带动转子沿着某一方向连续旋转，使电机加速到设
