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工学学士论文电动机的启动方式

报告编码:

安阳师范学院本科学生毕业设计报告

鼠笼式异步电动机在航海石油开采中的启动控制设计

 

作  者  韩彦涛  

系(院)  电气电子信息工程系  

专  业  电子信息工程 

年  级  2004级  

学  号  04082014  

指导教师  苗风东  

日  期  2008.06.15 

学生诚信承诺书

本人郑重承诺:

所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果,也不包含为获得安阳师范学院或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

签名:

日期:

 

论文使用授权说明

本人完全了解安阳师范学院有关保留、使用学位论文的规定,即:

学校有权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。

签名:

导师签名:

日期:

 

 

鼠笼式异步电动机在航海石油开采中的启动控制设计

韩彦涛

(安阳师范学院电气电子信息工程系河南安阳455002)

摘要:

在船舶和海洋石油平台上,电网规模不是很大,因此较陆地而言其电网抵抗非正常情况的能力较弱,航海石油开采平台上广泛采用的鼠笼式异步电动机在启动时会产生较大的启动电流,对电网的影响比较大,因此如何减少电动机的启动电流是一个非常重要的问题,本文对降低电动机启动电流的重要性进行了阐述,对几种常用的启动方式的硬件连接,电流保护用继电器的选择,常见软启动器的调试等方面进行了介绍,针对航海石油开采中的电动机的启动控制提出了较为科学较为经济的方案。

关键词:

鼠笼式异步电动机;启动控制;软启动

1引言

三相鼠笼式异步电动机因其具有结构简单、体积小、价格低廉、运行可靠、维修方便、运行效率较高以及工作特性较好的特点,在工业领域中被大量使用,在船舶及海洋石油平台上也广泛使用,但鼠笼异步电动机的缺点之一是启动电流大,一般启动电流为额定电流的4~7倍,过大的启动电流对电机本身和电网以及其它电气设备的正常运行会造成不利的影响,使电机发热过大从而影响其使用寿命,供电线路电压损失增大,可能使并联于同一电网供电线路上的其它设备的正常运行受到破坏。

而且航海石油开采平台上的电网规模较小,抵抗非正常的情况较弱,因此研究如何减少电动机的启动电流从而减少对电网的冲击确保其它电气设备正常运行就显得尤为重要。

2方案论证

三相鼠笼式异步电动机因无法在转子回路中串接电阻,所以只有全压启动和降压启动两种方法。

2.1全压启动

全压启动是将鼠笼式电动机定子绕组直接接到额定电压电源上,故又称直接启动。

全压启动时启动电流大,可达额定电流的4~7倍,启动转矩并不大,但启动方法简单,操作方便,如果电源容量允许,应尽量采用,一般10KW及以下电动机均采用直接启动。

2.2降压启动

为了减小三相鼠笼式异步电动机的启动电流,从而减少电动机启动对航海石油开采平台上其它电气设备的不良影响,在航海石油开采中常采取降压启动。

降压启动一般来说并不是降低电源电压,而是采取某种方法,使加在电动机定子绕组上的电压降低。

降压启动的目的是减小启动电流,但由于电动机的电磁转矩与定子相电压的平方成正比,在降压启动的同时也减小了电动机的启动转矩,因此该启动方式对电网有利,但对被拖负载的启动不利,适用于对启动转矩要求不高的场合。

降压启动的实现方法可以分为硬启动和软启动两类,硬启动是利用接触器等硬件连接实现降压目的的启动方式,常用的硬启动降压方法有:

定子串电阻或电抗降压启动,自耦变压器降压启动和星形---三角形换接降压启动,在下文将一一介绍。

软启动就是利用电子软启动器控制电动机的启动而实现降压目的。

电动机的软启动是将电力电子技术与自动控制技术的结合,用三组反并联晶闸管串联接与供电电源与被控制电动机之间。

启动时,由电子电路控制晶闸管的导通角,使电动机的端电压逐渐增大,直至全电压,既极大减少了启动电流,又不影响启动力矩,使电机实现无冲击软启动。

停机时,则控制晶闸管的关断速度,使电动机的端电压由全电压逐渐下降至零,实现软停车。

2.3电动机保护用电流继电器的选择

2.3.1选择保护用电流继电器的重要意义

电动机在工作的时候,对电流的大小和变化范围有一定的要求,当电流过高、过低或者变化过于剧烈都会影响电动机的正常工作,甚至造成生产事故,因此电动机必须配备必要的保护用电流继电器,目前常用的电流继电器分为电磁型(DL型)电流继电器和感应型(GL型)电流继电器,二者有不同的特点,适用于不同的场合。

2.3.2电磁型电流继电器的特点和应用场合

电磁型电流继电器在电流速断保护和定时限过流保护中用的较多,定时限过流保护是由电磁式时间继电器(作为时限元件)、电磁式中间继电器(作为出口元件)、电磁式电流继电器(作为启动元件)、电磁式信号继电器(作为信号元件)构成的,所构成的定时限过流保护简单可靠、动作的选择性、灵敏性能够满足要求、整定调试比较准确和方便。

可作为电动机的过负荷保护,其动作时间的整定应大于电动机的启动时间,否则影响电动机的正常启动。

构成电流速断保护时则无需电磁式时间继电器。

使用DL型电流继电器构成电流速断保护时,当故障电流达到继电器的整定电流时,继电器的动作时间与电流大小无关,因而切断故障速度快、灵敏度高,但不容易断开电动机启动时的电流,往往在电动机过负载或启动时造成误动作。

一般采用直流操作,须设置直流屏,因此对于空载启动和不易遭受过负荷的电动机可采用由电磁三相型继电器构成的过流保护。

2.3.3感应型电流继电器的特点和应用场合

感应型电流继电器(GL)具有反时限特性的感应元件,又有电磁速断元件,不需要时间继电器和中间继电器,即可构成反时限过流保护和电流速断保护,两种保护和为一体。

所谓反时限即是动作时间与电流大小有关,电流越大,动作时间越短;电流越小动作时间越长。

这种继电器具有瞬时动作元件作用于跳闸,延时动作元件作用于信号或跳闸,其动作可靠性好,能够较好的躲避启动电流和过负荷电流并且能够把速断保护和过电流保护结合在一起,简化了接线,可以用于交流操作,无需装设直流屏等设备。

这种继电器虽外部接线简单,但内部结构复杂,调试困难;在动作的准确性和灵敏性都不如电磁型继电器构成的继电保护装置。

因此,在选择保护继电器时,对于带载启动或者容易遭受过负荷的电动机宜用GL型继电器。

3常见降压启动的实现方法

3.1硬启动降压方式

所谓硬启动是电动机在启动过程中,加在电动机定子绕组的电压的变化是瞬间突变的。

硬启动在工业某些要求稳启动场合无法满足生产要求,但由于硬启动价格低廉,所以在许多对启动稳定性要求不高的场合仍得到广泛应用。

常见的硬启动方式有以下几种。

3.1.1定子串电阻或电抗降压启动

电动机启动时,在定子电路中串入电阻或电抗,使加在电动机定子绕组上的相电压低于电源相电压,启动电流小于全压启动时的电流,定子串电阻启动原理电路及等效电路如图1所示。

图1定子串电阻降压启动

这种启动方法具有启动平稳,运行可靠,设备简单之优点,但启动转矩随电压的平方降低,只适合空载或轻载启动,对于小容量电动机往往用串电抗启动。

3.1.2自耦变压器降压启动

自耦变压器用做电动机降压启动时,就称为启动补偿器,其接线原理如图2所示,启动时自耦变压器的高压侧接电网,低压侧接电动机定子绕组。

启动结束,切除自耦变压器,电动机定子绕组直接接至额定电压运行。

图2自耦变压器降压启动

我们对定子串电阻降压启动和自耦变压器降压启动对比可发现,在限制启动电流相同的情况下,采用自耦变压器降压启动的方法可以获得更大的启动转矩,这是自耦变压器启动的主要优点,而且采取自耦变压器降压启动时,启动补偿器的二次绕组一般有三个抽头,用户可根据电网允许的启动电流和机械负载所需的启动转矩来选择。

不过采取自耦变压器也降压启动线路较为复杂,设备价格高,且不允许频繁启动。

3.1.3星形---三角形换接降压启动

这种方法只适用于定子绕组在正常工作时为三角形联结的三相异步电动机。

电动机定子绕组的六个端头都引出并接到换接开关上,如图3所示。

启动时,定子绕组接成星形联结,这时电动机在相电压为额定电压的1/

电压下启动,待电动机转速升高时,再改接成三角形联结,使电动机在额定电压下正常运转。

图3星形—三角形换接降压启动

星形—三角形换接降压启动方法启动电流降到全压启动的1/3,限流效果好;但启动转矩仅为全压启动的1/3,,故此种方法之适用于空载或轻载启动。

该降压启动方法具有设备简单,成本低,运行可靠的优点,星形系列4KW及以上的三相鼠笼式异步电动机皆为三角形联结,可以采用星形--三角形换接降压启动方法。

3.2软启动降压方式

上面介绍的几中降压启动方式可统称为硬启动,硬启动在工业某些要求稳启动场合无法满足生产要求,因此人们探索总结出一种全新的降压启动理念,称之为软启动。

所谓软启动是使用调压装置在规定的启动时间内,自动地将启动电压连续平滑上升,直到到达额定电压。

使用软启动器之后,在一段特定的时间内,电动机电压从启动电压(这个电压是可以调节的)上升到额定电压,而这一过程是通过相位角控制来实现的。

为了更符合驱动设备的特征,可以对启动电流和启动转矩进行优化设置。

绝大多数厂商生产的软启动器都有“停止”功能,与启动相似,电压从额定电压缓缓下降,这防止了驱动器的突然停止,它的优势在于,当用在石油平台的采油泵上时可以避免水锤效应的产生。

软启动器实际上是一个晶闸管调压调速设备,改变晶闸管的触发延迟角,就可调节晶闸管调压电路的输出电压。

其特点是电动机转矩近似与定子电压的二次方成正比。

用软启动器启动电机时,晶闸管的输出电压逐渐增加,电动机逐渐加速,直至晶闸管全导通,电动机工作在额定电压时的机械特性上。

软启动器具有较多优势,首先其可以对电动机的启动与停止施加影响,其次可以实现对机器,负载及电网的最小冲击,安装简单,而且从价格上来说比变频器便宜的多。

3.2.1软启动(斜坡启动)

该模式是最常用的启动模式,是一种通过减少启动转矩的冲击,实现对电动机平滑,连续,无级加速的启动方式,它可以减少对齿轮,联轴器,传送带的损坏。

用户可设定一个初始的启动转矩,从初始启动转矩开始,在加速斜坡时间内,电动机的输出电压缓慢增加直至全电压,加速斜坡的时间可调,如果在电压上升过程中,电动机已经达到全速,输出电压将自动切换至全电压。

如图4所示。

图4软起动(斜坡起动)

3.2.2带脉冲突调启动的软启动

脉冲突调启动可以在启动时提供一个短时的脉冲转矩,满足那些在启动开始时需要一个高启动转矩的负载,实际上它是提供一个电流脉冲,以克服负载的惯性。

如图5所示。

图5脉冲突调起动

3.2.3限电流启动

限电流启动主要应用在加速时需要限制冲击电流的场合,该模式为电动机提供一个固定电压的减压启动,用于限制最大启动电流。

限电流启动也具有脉冲突调启动特性,该可选突调启动特性可以在启动时提供一个短时的脉冲转矩,满足那些在启动开始时需要一个高启动转矩的负载。

如图6所示。

图6限电流起动

3.2.4双斜坡启动

该启动方式在变负载,变启动转矩和变启动时间的应用上非常有用,双斜坡启动提供给用户两种相互独立的软启动性能,这两种软启动能够对其斜坡时间和初始转矩分别进行调整。

脉冲突调启动在双斜坡启动模式中也可提供。

如图7所示。

图7双斜坡起动

3.2.5预置慢速启动

预置慢速启动功能可以提供两种慢速启动模式,便于过程的设置和校准,这两种速度可以在没有可逆接触器情况下提供正转和反转两种方向的速度。

该模式适用于需要快速使物料定位的场合。

如图8所示。

图8预置慢速起动

3.2.6线性加速启动

这种加速模式,是通过一个闭环反馈系统来维持电动机加速到恒速的,所需要的反馈信号是通过与电动机耦合的直流测速仪来实现的。

该模式也具有脉冲突调启动功能。

如图9所示。

图9线性加速起动

3.3软启动器对电动机的停止控制

3.3.1软停止

软停止功能应用于需要延长从滑行到停机时间的场合。

电压斜坡下降时间可调,软停止时间的调整与启动时间相互独立,当输出电压降低至负载转矩大于电动机转矩时负载将停机。

如图10所示。

图10软停止

3.3.2智能电动机制动

该模式用于需要电动机快速停止而不是自由停止的场合,带自动零速停止的制动控制,完全集成到软启动器紧凑的设计中,这一设计使安装更简单和直接,节省了对传统硬件包括接触器、电阻器、定时器和速度传感器的需求,基于制动系统的微处理器适用于对标准的鼠笼式异步电动机的电流制动,使电动机加速停止,从而提高操作循环次数和生产效率。

如图11所示。

图11智能电动机制动

3.3.3精确停车

该模式适用需要控制限位停止的场合,在停止时,制动转矩加到电动机上,直到它达到一个给定的转速(7%或15%额定转速),并且保持这一低速至得到停止命令,制动转矩随加到电动机上直到零速。

如图12所示。

图12精确停车

3.3.4带制动的低速

带制动的低速对启动过程和从工作循环的后期制动到停机,提供一个平滑的低速。

该模式用于需要低速(正转方向)定位和校准,同时需要制动控制至停车的场合。

如图13所示。

图13带制动的低速

4软启动器的运行与保护

4.1软启动器的运行方式

软启动器启动完毕后,进入运行状态,有直接运行和旁路运行两种状态。

直接运行即软启动不短接,主电路电流依然从晶闸管器件流出。

旁路运行是通过在软启动器两侧并联接触器,启动完毕后闭合接触器触头使得主电路电流从接触器触头流过,晶闸管器件退出运行。

4.2软启动器的保护特性

软启动器现在的应用领域越来越广,其功能也越来越强大,通常软启动器提供的保护功能有以下几种:

4.2.1电子式过载保护

软启动器能满足作为电动机过载保护装置的应用要求,软启动器安装有热记忆装置,提供附加保护功能,即使在控制电源断开的情况下,热记忆功能仍能保持,过载保护通过电流传感器实现。

当温度超过固定的预置极限时,就立即进行分断操作。

它为完全过载性能提供了最佳保护,所以特别用于启动频率高、点动工作制或重载启动的传动装置,因为此时大功率电子模块获得最佳保护,不会因为过载而遭致破坏。

4.2.2失速保护和堵转检测

在失速或堵转的情况下,电动机将承受转子堵转电流,从而产生高的转矩,这种情况将导致线圈绝缘损坏或与负载相连部分的机械损坏。

软启动器可以检测到失速和堵转,从而加强了对电动机或系统的保护。

用户可对最大失速保护延迟时间进行编程,失速保护延迟时间是除可编程启动时间外的时间,它是从启动时间已经超时之后开始的,如果软启动器检测到失速,它会在延迟时间之后使电动机停止,堵转检测允许用户以电动机满载电流额定值百分比编程,用户可以选择延迟时间,在电动机堵转发生后,软启动器在延迟时间后脱扣。

4.2.3线路故障保护

软启动器能够连续检测线路情况,以监测其异常因素。

启动前的保护包括:

线路故障,如电源断电,负载连接断开,SCR短路:

运行期间的保护包括:

线路故障如电源断电、负载连接断开、反相保护。

4.2.4欠载保护

软启动器检测到电流突然下降,电动机能被停止运行。

4.2.5欠电压保护

软启动器检测到电压突然降低的时候,可使电动机停止运行。

4.2.6过电压保护

软启动器检测到输入线电压上升,过电压保护将使电动机停止运行。

4.2.7电压不平衡保护

电压不平衡是检测三相电压大小及三相电压的相位关系,当软启动器检测到不平衡电压达到用户编程的脱扣水平时,电动机将停止运行。

4.2.8过频繁启动保护

软启动器允许用户设置每小时启动的次数,有助于消除由于在短时间内反复启动所造成的电动机冲击应力。

4.2.9过热保护

软启动器内部采用热传感器监测晶闸管的温度。

当达到阴极最高额定温度时,晶闸管被禁止触发,发热情况表明通风不良、高环境温度、过载或过频繁启动。

当晶闸管的温度降低到允许水平时,故障将自动被消除。

4.2.10接地故障保护

在绝缘或高阻抗系统中,通常用磁芯平衡电流传感器监测等级较低的接地故障,这些故障通常由于绝缘击穿或者异物进入造成。

检测出该类接地故障能够中断系统运行,防止设备进一步受到损坏,或者发出警报让专业人员及时维修。

软启动器可以在接地故障发展为短路前检测到这一故障条件,接地故障电流开始时一般很小,但能很快增加到几百或几千安培,这一特性可在不另外增加接地故障断路器的情况下对人身进行保护。

软启动器接地故障检测功能包括接地故障脱扣和接地故障报警。

4.2.11热敏电阻保护/PTC保护

软启动器通过监测定子上安置的PTC(正温度系数)热敏电阻,可以通过外部电路加强对电动机的保护,PTC实际是一个热敏电阻器,它具有在激活的额定温度后电阻具有急剧变大的特性,即使电动机不过载,电动机也会出现过热情况,这以过热会导致电动机冷却系统受阻和环境温度过高,PTC有助于辨认这一过热现象,从而提高电动机保护功能。

5部分允许直接启动的电动机的开关选用

在船舶及海洋石油平台上,三相鼠笼式异步电动机宜采用降压启动,但并不是说在该环境下的所有电动机都必须采用降压启动,对于部分允许直接启动的电动机可以采取直接启动,小型鼠笼式异步电动机采取直接启动时可以选用多种开关,目前广泛使用的开关有以下几种:

5.1闸刀开关

闸刀开关的灭弧性能差,合上或拉下闸刀时,操作者应站在闸刀的侧面,动作应迅速、果断,否则,在闸刀与触头之间容易产生电弧,会烧毁闸刀,严重时会造成人身事故。

但该闸刀价格低廉,安装和操作简单。

5.2铁壳开关

铁壳开关可用于直接启动28KW以下的电动机,开关内置的熔体具有短路和过载保护作用,开关的额定电路应用电动机额定电流的3倍以上,以防止电动机启动时熔体烧短,致使电动机无法正常启动。

铁壳开关机构、操作与闸刀开关有较大的相似性,但其性能由于闸刀开关,铁壳开关操作可靠,维护修理方便,但选择铁壳开关时要选择合适的熔体,一旦熔体中有一根烧断或接触不良,就会成为两相电源,可能损坏电动机。

5.3电磁启动器

电磁启动器由交流接触器和热继电器组成,电磁启动器在应用时通常配套使用,熔断器对电动机提供短路保护,热继电器提供过载保护。

电磁式启动器具有较完备的保护功能,工作性能安全可靠,但该装置价格较高,维护检修较为复杂。

6性能测试与分析

6.1数据分析

为了充分掌握各降压启动方式的不同特性,在指导老师的帮助下,我充分利用我系电机控制实验室已有设备对上述各硬启动方式进行实物验证,实验装置为浙江天煌教仪出品的DDSZ—1型电机及电气技术实验装置,实验用电机参数如表1所示。

实验数据见表2。

表1实验所用电动机参数一览表

型号

DJ16

电压Un(v)

220

接法

容量PN(W)

100

电流IN(A)

0.5

绝缘等级

E

频率F(Hz)

50

转速r/min

1420

产品编号

表2实验数据记录表

启动方式

启动电流(A)

运行电流(A)

全压启动

2.32

0.48

定子串电阻降压启动

1.02

0.46

自耦变压器降压启动

0.96

0.47

星形-三角形换接降压启动

0.98

0.48

从实验数据我们可看出,相对于全压启动来说,降压启动降低了启动电流,也就降低了电动机启动对电网的冲击,确保电网内其他电气设备的正常运行。

软启动方式中比较常用的一种方法是利用晶闸管交流调压器实现电动机的软启动,为了验证利用软启动方式的降流效果,我在老师指导下做了实验,实验硬件连接如图14所示。

图14晶闸管交流调压器启动

通过晶闸管交流调压器启动方式启动的电机的电流变化如图15所示。

图15电流变化

通过对图15分析可得晶闸管交流调压实现的软启动很大程度的减少了启动电流,目前常用的星形—三角形换接降压启动和自耦变压器降压启动在用于大功率电动机时仍存在一些缺点,如星形—三角形换接降压启动时电流仍比较大,自耦变压器降压启动具有启动不便、体积大、滑块触点氧化等缺点,而晶闸管调压软启动相却不存在类似缺点,随着可控硅技术的发展,利用晶闸管交流调压器实现大功率三相异步电动机的控制必将受到广泛使用。

6.2Matlab仿真

6.2.1Matlab软件介绍

MATLAB是矩阵实验室(MatrixLaboratory)之意。

除具备卓越的数值计算能力外,它还提供了专业水平的符号计算,文字处理,可视化建模仿真和实时控制等功能。

MATLAB的基本数据单位是矩阵,它的指令表达式与数学,工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多.在新的版本中也加入了对C,FORTRAN,c++,JAVA的支持.可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用,此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序,用户可以直接进行下载就可以用,非常的方便。

MATLAB的基础是矩阵计算,但是由于他的开放性,并且mathwork也吸收了像maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件.当前流行的MATLAB6.5/7.0包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包(Toolbox).工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包.功能工具包用来扩充MATLAB的符号计算,可视化建模仿真,文字处理及实时控制等功能.学科工具包是专业性比较强的工具包,控制工具包,信号处理工具包,通信工具包等都属于此类.开放性使MATLAB广受用户欢迎.除内部函数外,所有MATLAB主包文件和各种工具包都是可读可修改的文件,用户通过对源程序的修改或加入自己编写程序构造新的专用工具包.

6.2.2Matlab仿真结果

在实验室使用Matlab进行了仿真,实验为闭环电动机调速实验。

闭环电动机调速实验原理图如图16所示。

图16电动机调速原理图

电动机转速变化如图17所示。

电动机转矩变化如图18所示。

图17电动机转速变化曲线图

图18电动机转矩变化

7各种启动方式的比较

7.1性能方面

由于软启动能实现启动电压的无级平滑增加,启动转矩逐渐增大,避免了生产机械因转矩的突然增大而受到的冲击;硬启动器启动电压是突变的,对生产机械不利。

电子软启动器可以方便的调节初始启动按钮,自耦变压器降压启动可以通过改变自耦变压器也的抽头调节初始启动转矩,而星形---三角形换接降压启动初始启动转矩是不可调的。

由于星形---三角形换接设备简单,价格低廉,因此在目前的船舶和海洋石油平台上广泛使用,但由于它不具有通讯功能,随着自动化程度的提高必被软启动器所替代。

7.2体积方面

在船舶及海洋石油平台上,由于空间的限制,对设备的体积要求是很苛刻的,星形—三角形换接方法结构简单,体积最小,而自耦变压器降压启动虽然性能比星形—三角形换接性能好,但因为具体体积太大,在船舶和海洋石油平台上限制了该启动模式的广泛使用。

各种电子软启动器虽然单个体积较大,可是多台电动机可以共同使用一套软启动器,因此,从总体而言软启动器具有较好的体积优势。

7.3价格方面

设备的采用除了考虑其性能本身外还要考虑经济因素,目前市场上广泛使用的各种启动器中软启动器价格最高,是星形—三角形换接的三倍左右,在某种程度上电子软启动器的高价格影响了软启动器的推广普及,但随着电子科技技术的发展,电子软启动器的价格会逐渐降低,而且由于电子软启动器具

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