三相异步电动机软启动器的研究

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1、三相异步电动机软起动器的研究三相异步电动机软起动器的研究 作 者储国良 指导教师俞 鹤 摘要摘要：三相异步电动机因为其独特的优点，使其在工农业及其他各行各业中都有广泛的应用。随着经济 的发展，对电动机的要求也越来越高，我们习惯用的传统的起动方式不能满足现代化的要求，传统的起 动方法起动时对电网的电流冲击大，启动转矩小。为了改善三相异步电动机的起动特征，本文设计了一 种以 TMS320LF2407 DSP 处理器为核心的高性能三相异步电动机软启动器，其主要是通过控制晶闸管的 触发角来达到控制电压的目的。本文阐述了软起动器晶闸管调压电路的工作原理、主电路、保护电路等 的设计。 基于该方式的软启动器

2、采用晶闸管调压式，通过改变晶闸管的导通角来实现对定子两端电压的调节。 从而来实现三相异步电动机的软起动、软停车等功能。 关键词关键词：三相异步电动机；DSP；晶闸管；软起动器 The study of asynchronous motor soft starter Abstract: three-phase asynchronous motor because of it advantages, so that in the industrial, agricultural, and other industries are widely used. With the development

3、of economy, the motors are increasingly high requirements, we used the traditional starting mode can not satisfy the requirement of modernization, the traditional method of starting at the starting grid on the current impact, starting torque is small. In order to improve the starting characteristics

4、 of three-phase asynchronous motor, this paper introduces a design of TMS320LF2407DSP processor as the core of a high performance three-phase asynchronous motor soft starter. This paper expounds the soft starter thyristor voltage regulating circuit working principle, mainly for the thyristor soft st

5、arter of three-phase asynchronous motor main circuit. Based on the way of the soft starter using thyristor voltage regulating, by changing the conduction angle of thyristor to realize on the both ends of the stator voltage regulator. In order to realize the three-phase asynchronous motor soft starti

6、ng, soft stop function. Key words: asynchronous motor; DSP; thyristor; soft starter 目目 录录 1 引言4 1.1 三相异步电动机软启动器研究的国内外现状 4 1. 2本课题的目的4 1.3本课题研究内容5 2异步电动机的起动.5 2.1 三相异步电动机的起动方式.6 2.2 软起动与一般降压起动的区别.11 2. 3异步电动机的等效电路13 3 软起动器系统15 3.1 晶闸管相控调压原理.15 3. 2 负载端电压与触发角之间的关系 .16 3.2.1第一种工作情况.17 3.2.2第二种工作情况.17 3

7、.3 软启动器的停车功能.20 3.4 软起动器系统运行的控制系统.21 4 软启动器电路的设计21 4.1 软起动器主电路的设计21 4.2 保护电路设计23 5 TMS320LF2407A DSP 介绍.24 结束语24 参考文献25 致谢26 1 1 引言引言 1.11.1 三相异步电动机软启动器研究的国内外现状三相异步电动机软启动器研究的国内外现状 我国软起动技术起步于上世纪 80 年代早期，目前有 200 多家公司生产电机启动器，先 后也推出了多种品牌的软起动器。虽然取得很大成绩，但由于基础薄弱，所以国内的自主开 发和生产的能力还相对较弱，还在相当程度上依赖着国外产品。在技术上与国外

8、同类产品也 有一定的差距。所以在软起动器的市场上，占据统治地位的还是国外产品。 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 34 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、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，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，为实现三相异步电动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自动控

9、制技术的发展的。 目前在国外，发达国家的三相异步电动机软起动产品主要是晶闸管软起动和兼作软起动 的变频器起动。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，使用变频软起动。 发达国家软起动的主流产品是晶闸管软起动装置 ，各知名电气公司都有自己的晶闸管软起 动品牌，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。

10、 从总体上看，我国软起动技术水平较国际先进水平还差距 1015 年。 : 1.2本课题的目的本课题的目的 如图 1.1 所示，通过比较异步电动机的各种起动方式，我们可以看出，当电动机全压起 动时，对电网的冲击最大，冲击电流最大，冲击时间也最长；而通常使用的降压起动，对电 网的冲击虽比较小，但因为涉及到一个线圈电压的切换过程，所以出现二次冲击，而软起动 时电流是缓慢增大至设定电流的，故没有冲击电流，所以对电网的影响最小，并且能够消除 起动力矩的冲击。 图 1.1 各种起动方式 1.31.3 本课题研究内容本课题研究内容 本课题是以 DSP 处理器为控制核心，设计了一个三相异步电动机软启动器控制系

11、统。 在本文中先了国内外异步电动机软起动器技术发展的现状，再详细的分析了软启动器的工作 原理，并又介绍了另外的几种起动方法，将之与软起动做比较，发现传统的起动方式具有明 显的缺陷。而以 DSP 为核心处理器的软起动器能够克服这种不足，实现无级平滑起动，具 有明显的优势。 2异步电动机的起动异步电动机的起动 当电动机并入电网时，异步电动机从静止状态过渡到稳定运行的状态的过程叫异步电动 机的起动过程。观察一个异步电机的起动性能主要就是看它的起动电流和起动转矩，因此我 们选择异步电动机的起动方式时要考虑如何尽可能的降低起动电流，增大启动转矩。目前应 用较为普遍的有自耦变压器起动、串电阻或串电抗起动、

12、Y起动等方法。这些传统的降 压起动方法虽然能够缩短电流冲击的时间，但并没有从本质上解决问题。 为了实现电动机能够快速的达到它的额定转速并正常工作，要求电动机具有足够大的起 动转矩同时起动电流不能太大。因此，我们要想办法在起动电流较小的情况下，如何能获得 较大的起动转矩。近三十年来，随着电力电子技术、微机控制技术的发展，现代控制理论与 电力电子技术的紧密结合，出现了电动机软起动技术，这是一个从全新的思路去实现的电动 机的起动，软起动技术具有传统起动方法所无法比拟的优势。 2.12.1 三相异步电动机的起动方式三相异步电动机的起动方式 2.1.12.1.1 直接起动直接起动 对于电动机来说最简单、

13、最直接的起动方法就是直接起动法，只是在一般情况下，直 接起动会造成电流相当大而启动转矩却不大的结果，例如在鼠笼式三相异步电动机中 起动电流 (2.1) 启动转矩 (2.2) 较大的起动电流对于绕组是非常不利的，特别对于需要频繁起动的电动机，起动电流 过大会使电动机发热，缩短电动机的使用寿命。过大的起动电流，还会造成线路中的电压增 大，在输电压一定的情况下，其他设备的电压就相对下降，这可能就会影响到其它设备的正 常运行。而相对较小的起动转矩，又可能造成电机的起动困难，只有在 Tst 大于(1.1-1.2) Tl 时，电动机才能正常起动。一般情况下，异步电动机的功率小于 75kW 时允许可直接 起

14、动，当功率大于 75kW，电源总容量也较大，且满足 1 1 1 1 3 4 st N kv AI K Ikw 电源总容量 起动电动总功率 (2.3) 时也可采用直接起动。 如图 2.1 所示，我们可以看出，直接起动的起动线路是最简单的。 M3 FU1FU2 FU3 KM 图 2.1 直接启动原理图 2.1.22.1.2 传统降压起动传统降压起动 降压起动是在起动时先降低定子绕组上的电压，起动后，再把电压恢复到额定值。降压 起动虽然可以减小起动电流，但是起动转矩也会同时减小。因此，降压起动方法一般只适用 于轻载或空载情况下起动。降压起动的具体方法很多，这里介绍下列四种降压起动的方法。 （1）阻抗

15、起动 如下图所示，阻抗起动就是在电动机起动时，将电抗器接入定子绕组回路，启动后，当 转速达到一定程度后再短接电抗器，使电动机恢复在全压下运行。 在定子回路接入电抗器 时，电抗器起到分压的效果，也就达到了降压的目的。 (2.4) (2.5) 从上式看出阻抗起动降低了起动电流，但一样也降低了起动转矩，所以阻抗起动只适用 于空载和轻载起动。 图 2.2 阻抗起动原理图 （2）Y降压起动 Y起动适用于正常运行时定子绕组为三角形连结的异步电动机。接线原理图如下所 示，启动时使接触器触头 KM 1 、KM 3 闭合，定子三相绕组接成星形，这时每绕组的相电 压为三角形连接(全压)时的从而达到电动机降压起动的

16、效果，Y起动时起动电流和 1 3 启动转矩都减小为直接启动时的 1/3，所以也只适合用于空载或轻载起动。起动后，当转速 达到一定程度后，使 KM 3 断开、KM2 闭合，定子绕组改接成三角形联结，电动机全压运 行。 图 2.3 Y-起动原理图 （3）自耦变压器起动 三相异步电动机自耦变压器起动电路如图 2.4 所示，启动时，开关 Q 投向 2 端，三相自 耦变压器 T 的三个绕组接到三相电源上，达到了降压的效果。起动后，当转速达到一定程度 后，开关 Q 投向 1 端，使自耦变压器短接，恢复定子绕组的全压运行。 图 2.4 自耦变压器起动原理图 采用自耦变压器降压起动时，其电压降为直接起动时的 N2 /N1倍，起动电流和起动转矩 降低到直接起动时的（N2 /N1）2倍。自耦变压起动时，启动转矩降低的相对较小，所以能拖 动较大的负载运行。 2.1.3软起动的软起动的起动方法起动方法 前面介绍的起动方法都是有级起动，且都只是适合那些空载或轻载运行的电动机，电动 机在起动中从一级切换到另一级必然会