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软启动毕业论文
第一章序言
目前，交流感应电动机以其低成本、高可靠性和少维护等优点在各种工业领域中得到广泛的应用。
但是，它在直接起动时，存在着两个缺点，首先它的起动电流可高达额定电流的5—7倍，这要求电网裕量比较大，而且降低电气控制设备的使用寿命，增加维护成本。
其次，起动转矩可达正常转矩的两倍，这会对负载产生冲击，增加传动部件的磨损和额外的维护。
基于以上原因，产生了交流感应电动机降压起动设备。
传统的降压起动方法有定子电路串电抗器（或电阻器）降压起动、自耦变压器降压起动和星形-三角形起动三种，每种都有各自的缺点。
电动机定子电路串电抗器（或电阻器）降压起动时，存在着起动转矩严重减小，而且当串入电阻降压起动时，损耗较大。
自耦变压器降压起动设备体积庞大、成本高，而且还存在与负载匹配的电动机转矩很难控制等缺点。
电动机用星形-三角形起动设备时，在切换瞬间会出现很高的电流尖峰，产生破坏性的动态转矩，其引起的机械振动对电动机转子、轴连接器、中间齿轮以及负载等都是非常有害的。
由于传统的降压设备存在许多缺点，这才出现了电子软起动装置。
这种起动装置功率部分由晶闸管组成，应用晶闸管相移技术，使加到电动机上的电压按某一规律慢慢达到全电压。
通过适当地设置控制参数，可以使电动机的转矩和电流与负载要求得到较好的匹配。
表1列出了各种起动方式的比较。
表1笼型电动机不同起动方式的比较[6]
起动方式
直接起动
自耦变压起动
定子串电阻起动
星—三角起动
软起动
起动直流Ist为直接起动电流Idst的倍数
1
0.3~0.4或
0.6
0.58~0.7
0.33
可设定，最大0.99
起动转矩Mst为直接
起动转矩
Mdst的倍
1
0.3~0.4或
0.64
0.33~0.49
0.33
可设定，最
大0.8
数
起动级数
1
4、2或3
3或2
2
连续无级
第二章异步电动机概述
第一节鼠笼式异步电动机的起动方式
一、鼠笼式异步电动机的直接起动
所谓直接起动，就是利用电磁开关设备把电动机的定子绕组直接接到额定的电网上。
直接起动的优点是起动设备和操作都比较简单，其缺点则如上面所述，起动电流大，而起动转矩并不大。
为了利用直接起动的优点，在生产机械对起动过程要求不高的场合，可以将电动机直接投入电网起动。
鼠笼电动机在设计时都是按直接起动时的电磁力和发热来考虑其机械强度和热稳定性的，因此从电动机本身来讲，鼠笼式异步电动机允许直接起动。
但若电网容量不够大，则电动机的起动电流可能使电网电压产生较大的波动，影响接在同一电网上的其他用电设备的正常工作。
二、鼠笼式异步电动机的降压起动电动机起动时的转子电流与外加电压成正比，因此，如果电动机所接电网的容量不够大，不允许采用直接起动时（一般来说电动机的功率大于30KW时都不允许直接起动），可以采用降低外加电压的办法来减小起动电流，这是所谓的降压起动。
下面介绍三种常用的降压起动的方法。
1.
图2.1鼠笼式异步电动机定子串电抗（或电阻）降压起动线路[1]
定子电路中串电抗器（或电阻器）降压起动定子电路接电抗器（或电阻器）降压起动的原理接线图如图2.1所示。
起动时合上开关K1，将电抗器（或电阻器）接入定子电路，待转速接近稳定值时，再合上开关K2，切除电抗器（或电阻器）。
由于起动时，起动电流在电抗器（或电阻器）上产生了一定的压降，使加在电动机上的端电压降低了，因而限制了起动电流。
调节所串电抗值（或电阻值）的大小可以达到所要求的起动电流。
降压后起动转矩减小的程度分析如下。
电动机在额定电压起动时的起动电流为Iq，起动转矩为Mq。
串入电抗（或电阻）后，使起动电流减小为I′q。
令K=Iq/I′q，并称为起动电流倍数，它是大于1的数。
如果认为在降低电压时的电机参数仍保持不变，则加在电动机上的端电压减小到Uq=Ue/K，根据起动转矩与所加电压平方成正比的关系，可以得起动电流和转矩与直接起动时的电流和转矩的关系为：
I′q=Iq/K（2.1）
'Uq2
Mq'（Uq）2Mq
U1
Mq
K2
2.2）
由上式可知，若将起动电流降低一半，则起动转矩只有原来的1/4。
这说明用电抗器
（或电阻器）降压起动，虽然能够降低起动电流，但将使起动转矩显著地减小。
而且当串入电阻降压起动时,损耗较大。
2.应用自耦变压器降压起动
起动时，利用自耦变压器将电网电压降低后，再加到电动机的定子绕组上。
待转速接
近稳定值时，再把电动机直接接在电网上，其接线原理如图2.2所示。
起动时,在K已闭合的情况下，将K3及K1闭合，这时自耦变压器的三相绕组联结成星形接至电网，电动机的定子绕组接在自耦变压器的副边，电动机的定子绕组在降低了的电压下开始起动。
待转速上升到一定数值后，将K1及K3断开,同时将K2闭合。
自耦变压器从电网切除，电动机接上全电压运行。
下面简单分析一下采用自耦变压器降压起动时起动转矩下降的情况。
由于电动机的起动转矩与定子端电压的平方成正比，所以有：
'Uq2
Mq'（Uq）2Mq
U1
Mq
K2
（2.3）
由此可见，电动机的起动转矩也和起动电流
一样,降低为直接起动时的1/K2倍。
图2.2鼠笼式异步电动机自耦变压器起动线路[2]
同时采用自耦变压器降压起动时，其线路比较复杂，使用的大型电磁开关较多，而且自耦变压器的体积大，价格高,维护麻烦，不允许频繁起动，因而限制了它的广泛应用
3.星形-三角形联结的降压起动
当电动机正常运行时，其定子三相绕组是三角形联结的情况下，可以采用星形-三角
形联结的降压起动，其原理接线如图2.3所示。
起动时，闭合K1并将K2倒向”起动”位置.这时三相定子绕组接成星形，待转速上升到一定程度后，将K2倒向”运行”位置，于是三相绕组接成三角形。
下面分析星形-三角形连接起动时的电流和起动转矩。
如果是三角形直接起动，则相电流为：
U1
I1（2.4）
zk
电网的线电流为：
I
c3I3（2.5）zk
式中zk——电动机的短路阻抗；
U1——电网的线电压
U1/3，而且在星形接
图2.3鼠笼式异步电动机星三角起动线路[2]
起动时把定子三相绕组接成星形，每相绕组上所承受的电压为法时线电流等于相电流，即：
U1
IcI1（2.6）
3zk两种情况下的线电流之比为：
Ic=Ic/3（2.7）
由此可见，采用星形接法时的起动电流仅为三角形连接的1/3，但是由于起动转矩与外加电压的平方成正比，星形接法时每相绕组上的电压仅为三角形接法时的1/3。
因此星形接法时的起动转矩也只有三角形接法时的1/3，所以这种起动方式只适用于空载或轻载起动。
同时它只适合用于正常运转时定子绕组接成三角形的电动机，而且不能按不同负载选择不同的起动电压。
三、软起动概念的引入
以上分析了鼠笼式感应电动机在直接起动以及传统的降压起动时的起动电流、起动转矩。
我们可以看出定子电路串电抗器（或电阻器）降压起动、自耦变压器降压起动和星形
-三角形起动等传统的降压起动方法，每种都有各自的缺点。
电动机定子电路串电抗器（或电阻器）降压起动时，存在着起动转矩严重减小,而且当串入电阻降压起动时,损耗较大.自耦变压器降压起动设备体积庞大、成本高，而且还存在与负载匹配的电动机转矩很难控制等缺点。
电动机用星形-三角形起动设备时，在切换瞬间会出现很高的电流尖峰，产生破坏性的动态转矩，其引起的机械振动对电动机转子、轴连接器、中间齿轮以及负载等都是非常有害的。
正是由于传统的降压设备存在许多缺点,这才出现了电子软起动装置。
这种起动装置功率部分由晶闸管组成，应用晶闸管相移技术，使加到电动机上的电压按某一规律慢慢达到全电压。
通过适当地设置控制参数，可以使电动机的转矩和电流与负载要求得到较好的匹配。
第三章晶闸管交流调压
第一节晶闸管调压电路
一、单相调压电路工作原理
电路如图3.1（a）所示，R-L负载是交流调压器最一般化的负载。
显然，两只晶闸管门极的起始控制点应分别定在电源电压每个半周的起始点，α的最大范围是0<α<π。
正、负半周有相同的α角。
在一个晶闸管导电时，它的管压降成为另一晶闸管的反向电压而截止。
于是在一个晶闸管导电时，电路工作情况和单相半波整流时相同，负载电流io的表达式即为下述微分方程式之解。
LdioRio2U1sint
dto1
（3.1）
解该方程得：
2U1
io1[sin（t）sin（
ttg
）e
（3.2）
t
1
式中,Z[R2（L）2]2；
tg1RL；为晶闸
管导通角。
另一晶闸管导电时,情况完全相同，只是io相位差180度。
与单相半波整流不同的是,现在有两个晶闸管，分别在电源的正、负半周工作，所以每个晶闸管的导通角不可能大于180度，而单相半波整流时，视不同的，可大于180度。
负载电流波形图3.1（a）所示。
导通角可由边界条件求得。
当t时，io=0，将此条
图3.1阻感负载单相交流调压电路[4]
件代入式（3.2），得
sin（）sin（）etg（3.3）
以为参变量，与间的关系为单相半波阻感负载时的普遍关系。
现在，针对交流调压器，应附加180o的条件，于是得以为参变量的与的关系，如图3.2所示
图3.2中各曲线上180o的点都对应于
，换句话说，把代入式（3.3）求
得的每个晶闸管的导通角应为
态分量，即
180o。
如将
代入式（3.2），得出io的表达式只有稳
图3.3α<ф时阻感负载调压器的工作波形[4]
，则VT1的导通角>
，则当VT1的电流下降到
3.4）
2U1sin（t
Z
电路在t时合闸发生的过渡过程完全相同。
该过度过程另一半周的工作情况也完全相同，负载电流成为完全的正弦波，负载电路这时获得最大功率，相当于晶闸管此时已被短接。
负载电流处于连续状态。
可以认为，如果图所示电流波形是在情况下的，io
既不连续，又非正弦。
如果，要分两种情
况来讨论：
1）晶闸管门极用窄脉冲触
发：
图3.1（a）电路接通电源后，如果先触发VT1，且
如图3.3所示。
如果触发脉冲的宽度小于（）
零时时，VT2的门极脉冲已经消失而无法导通。
到第二个周期时，VT1又重复第一周期的工作，这样，电路如同R-L负载的半波整流情况，VT2始终不能导电，回路中将出现直流分量的电流。
如果调压器的负载是变压器的一次绕组，则因其直流电阻很小，将引起很大的直流电流，使电路不能正常工作。
为此，需采用宽脉冲或脉冲列（例如30KHZ）。
2）晶闸管门极用宽脉冲或脉冲列触发：
如果触发脉冲的宽度大于，见图3.3，
VT1的>，VT2可以在VT1之后接着导电，但VT2的起始导电角所以VT2的导通角。
从第二个周期开始，VT1的导通角逐渐减小，VT2的导通角将
逐渐增大，直到两个晶闸管的时达到平衡，这时电路的工作状态与时相同。
其所以会逐渐过渡到平衡状态，是因为VT1被首次触发后，电路的工作情况和两只晶闸管被短接时一样，电路的过渡过程和L-R负载的普通单相交流的电流解亦即式（3.2），电流解的适用区应改为t，当t时，电路达到稳态，式（3.2）中的指数项等于零，这时，电流表达式即式（3.4），也就是电路工作在的状态。
通过理论分析，得出单相半波整流的感性负载，当=0、=90o时，它就是图3.1电
路起动时最先导电的晶闸管可能到达的最大角。
为使电路能起动，必须使晶闸管门极的触发脉冲宽度tt。
还应注意，当时，从图3.1（g）可知，在VT1导电
结束后即承受反向电压时，如门极脉冲宽度为，则VT1在承受反压的同时门极仍有电流,将引起VT1的反向漏电流增大；致使反向击穿电压降低，VT1管内损耗增大；结温上升等一系列弊病。
因此，通常设计把两晶闸管的触发脉冲后沿固定在、2、3⋯处，而
前沿在、+、2+⋯处，脉冲宽度随而变。
这样，起动时必须是。
一个周期内
VT1导通输出的电压平均值为
1UdT
dT2
2U1sintd（t）2U1[coscos（
2
）]
3.5）
一个周期内流过VT1电流平均值为
IdTUdT2U1[coscos（）]dTR2Zcos
3.6）
一个周期内VT1电流平均值的标么值为
Z1
INIdT[cos
2U12cos
cos（
）]
3.7）
流过晶闸管的电流有效值为
IT
2U1{1
Z{2
[sin（t）
sin（
t
）etg]2d（
1
t）}2
3.8）
负载电流有效值为
Io
2ZU1{1[sin（t）
sin（
t
）etg]2d（
1
t）}2
2IT
3.9）
晶闸管电流有效值的标么值为
ITNIT
2U1
3.10）
由180o的条件和式（3.7）、式（3.10），可作出
IN与
和ITN与的关系曲线，如
图3.4和图3.5所示。
由图3.4和图3.5可计算单相调压器中每一个晶闸管电流的平均值IdT
和有效值IT。
IN
1
1
1
cos（
）]
0.318
[coscos（
[cos
2cos
）]2cos
3.11）
即
1
ITN[
2
sin2（t）d（t）]2[21
2
3.12）
1
sin2（t）d（t）]20.5
，可得ITN的上限值，
用式（3.4）的标么值形式求其有效值，并计及180o、
二、三相调压电路工作原理将三组反并联的晶闸管分别接至三相负载就形成了一个三相交流调压电路，此时的负载可以是星形或三角形连接。
图3.6所示的是一个三相全波星形连接的调压电路。
在此电路中由于没有中线，所以在工作时若要负载电流流通,至少需要两相构成通路。
为此：
（1）三相电路中至少要有一相的正向晶闸管与另一相的反向晶闸管同时导通。
（2）为了保证在电路起始工作时能使两个晶闸管同时导通，以及在感性负载与控制角较大时仍能保证不同相的正、反向两个晶闸管同时导通，所以如同三相全控桥式整流电路一样，要求采用>60o的宽脉冲或双窄脉冲的触发方式。
（3）为保证输出电压三相对称并有一定的调节范围，要求晶闸管的触发信号除了必
须与相应的交流电源有一致的相序外，各触发信号之间还必须严格地保持一定的相位关
系。
从图的电路看，即要求A、B、C三相电路中正向晶闸管（即在交流电源为正半周时工作的晶闸管）的触发信号相位互差2л/3，三相电路中反向晶闸管（即在交流电源为负半周时工作的晶闸管）的触发信号相位也互差2л/3；但同一相中反并联着的两个正、
反向晶闸管的触发脉冲相位应互差л。
根据上面的讨论，因而可得出三相调压电路中各个晶闸管触发脉冲的序列应如图中1、2、3、4、5、6的次序，相临两个晶闸管的触发信号相位差为л/3。
确定了触发脉冲序列的安排后，就可以讨论这个电路了。
在这里我们也只讨论负载为阻感性负载时的情况。
当三相调压电路的负载为阻感性负载（φ≠0）时，分析工作很复杂。
因为既要考虑到在线电压或相电压过零瞬间，晶闸管的导电并不停止，负载中仍有电流在流通；同时要记及三相电路工作的特点以及负载阻抗角的大小，它直接影响到每相电路导电的时间。
这里根据一些典型的示波曲线进行分析。
如前所述，当调压电路在三相电阻-电感负载下工作时，控制角α不能小于负载阻抗角φ，否则系统就工作在不可控的情况下。
以图3.6所示的三相Y连接电路分析。
当负载阻抗角φ与晶闸管控制角α有相等的数值时，以图3.7表示在α=φ=40时的实验波形，它分别给出了三相负载相电压与相电流的波形。
可以看到IA是落后于UAO40o的，但IA与UAO波形基本上连续，说明任何瞬间都有三个晶闸管导通，而负载上所得的电压是不可调的最大值。
图中在α时刻以后，每隔60都出现电压波形有缺口与电流波形振荡的现象，这正好是晶闸管关断的时刻。
这是由于晶闸管不是理想的元件，它并不是在零电流时关断，而是在一个很小的反电流下才关断。
图3.7三相Y连接调压电路在R-L负载时的工作波形[2]
所以在关断瞬间，储存在负载电路电感中的能量，将消耗在有电感和用来限制晶闸管电压变化率的RC吸收电路中（即与晶闸管并联的RC保护电路）。
从而引起电流的振荡与电压波形的缺口。
当然缺口的大小与电路元件的参数是关联的。
例如在图3.7的ωt1时刻之
前，由于三相晶闸管1、6、5都导通，电流从A、C相流向B相，此时三相电路在正常工作状态。
到ωt=ωt1时刻，C相电流过零，5被关断，而2还未导通；此时只有A、B相
形成电流回路，为维持原来的电流变化趋势，有如下的电路方程式：
uABia（Ra
Rb）eLaeLb
ia（Ra
diadia
Rb）LaaLba（3.13）dtdt
当不记L作用时，
在ωt1时刻Y连接电路中一相负载上的电压为UAB/2，显然它小于相
电压。
当记及L作用后，Y连接中点的电位也变了，对A相负载来说压降为iaRaLadia/dt，而B相则为iaRbLbdia/dt，所以此时UAO减小了，UBO也更负了。
其它晶闸管切换点上的
波形分析同理。
第四章软起动器的控制方式
第一节软起动器功能及特性
一、软起动器功能
（1）能使电机起动电流以恒定的斜率平稳上升，对电网无冲击电流，不会造成大的电压跌落，保证了电网电压的稳定，提高了供电设备的使用寿命。
起动转矩可调，从而极大地减少了电机起动转矩对负载的冲击，也满足了不同负载对起动转矩的不同要求。
（2）电机起动不受电网电压波动的影响。
在晶闸管的移相电路中，引入电机电流反馈，使电机在起动过程中保持恒流，起动平稳，由于以起动电流为定值整定，当电网电压上下波动时，通过控制电路自动增大和减小晶闸管导通角，可以维持原设定值，保持起动电流恒定。
（3）根据负载的不同，可以控制起动时间的长短。
可以实现软起动，软停车。
二、软起动器特性
1.起动方式
运用串接于电源与被控电机之间的软起动器，控制其内部晶闸管的导通角，是电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升，直至起动结束，赋予电机电压，即为软起动，在软起动过程中，电机起动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。
软起动一般有下面几种起动方式。
1）电压斜坡上升起动方式：
装置的输出电压根据设定的基值电压（30～75%Ue十档
可选）和设定的起动时间（1～120s十档可选）决定的斜率逐渐上升至额定电压（斜坡到顶灯亮），实现电压斜坡起动。
（如图4.1所示）
2）基值电压斜坡上升加限流起动方式：
装置根据设定的基值电压（30～75%Ue十档
可选）和设定的起动时间（1～120s十档可选）实现电压斜坡起动，当起动电流达到设定的起动电流限流值（100～550%Ie十档可选）时，自动转入限流起动方式，（如图4.2
所示）
3）突跳起动方式：
装置为克服电机的较大静摩擦转矩或带载起动设置了突跳起动方式，突跳电压75%Ue持,续时间0.5s。
（如图4.3所示）
2.运行方式
1）在线运行方式：
装置在线运行，具备本装置具有的所有保护功能。
2）旁路运行方式：
在起动过程中，当软起动器起动电压斜坡到顶时，可以采用旁路接触器来取代完成起动任务的软起动器。
同样具备本装置具有的所有保护功能。
这样即延长了装置的寿命，又使电网避免了谐波污染，还可减少装置中的晶闸管发热损耗。
3.停机方式
1）软停机方式：
在有些场合，如皮带传输机、升降机及水泵等负载并不希望运行速度突然为零，装置可根据负载要求设定软停时间（1～60s十档可选），使电动机端电压逐渐减少直至切断电压（30%Ue），并封锁加在晶闸管的触发脉冲，实现软停机（见图4.4）。
2）自由停机方式：
当装置接收到急停信号时，立即封锁加在晶闸管上的触发脉冲，实现自由停机。
（如图4.4所示）
4.可调参数
1）基值电压：
分30、35、40、45、50、55、60、65、70、75%十档。
（默认设定值：
40%U。
e）
2）起动时间：
1、5、10、20、30、40、50、80、100、120S，（默认设定值：
10S。
）
3）软停时间：
1、5、10、15、20、25、30、40、50、60S，（默认设定值：
1S。
）
4）限流倍数：
1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5，（默认设定值：
300%Ie。
）
5）脱扣级别：
0、1、2、3、4、5、共六个级别，对应于6条过载曲线，4条曲线根据软起动器标准而来，然后对其进行线性插入，电流倍数等于7.2时，对应的时间分别为3S、6S、10S、15S、20S、25S。
默认脱扣级别：
1级（N=7.2时，t=6S）
电压UP-起动基值电压UK-突跳起动电压Ie-额定电流
ICL-限流值tCL-限流时间tR-斜坡上升时间tK-突跳时间
5.保护特性
1）相保护：
当电源侧或负载侧三相中任何一相出现断相时，装置停机，外部故障指示灯亮。
动作时间1S。
2）过载保护：
根据过载反时限特性曲线，在电动机过载时装置停机，外部故障指示
2灯亮。
动作时间由I2t中的t来决定。
3）逆序保护：
当泵类等有相序要求的负载，选用逆序保护功能时，若进线相序不正确，起动装置不能起动，外部故障指示灯亮。
动作时间1S。
4）散热器过热保护：
散热器过热达到80±5℃时，装置停机，内部故障指示灯亮。
动作时间10ms。
5）限流起动超时保护：
在采用限流起动方式时，当限流持续时间超过选择的脱扣级别对应的过载曲线的相应时间时，装置停机，外部故障指示灯亮。
动作时间由I2t中的t
来决定。
6）起动峰值过流保护：
当起动电流达到或超过峰值电流整定值（10×Ie）时，根据
选择的脱扣级别延迟一定时间后装置停机，外部故障指示灯亮。
动作时
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