毕业设计大型异步电机软起动的研究Word文档下载推荐.docx
《毕业设计大型异步电机软起动的研究Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计大型异步电机软起动的研究Word文档下载推荐.docx（80页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
随着工
业现场对自动化、机械化要求的提高，此类矛盾日益突出。
异步电动机起动过程的长短也是需要考虑的问题。
在整个电动机起动过程中，电磁
转矩大于负载的反转矩，电动机加速运转。
在相同的转动惯量下转矩的差额越大，机组
加速越快。
转动惯量大的机械起动就较慢，对于重复起动的生产机械来说，起动过程的
时间长短对劳动生产率的影响是很大的，因而对不同的生产过程，对电动机有不同的起
动时间要求。
过去的起动装置大多采用接触器，属于有触点系统，容易磨损引发故障，起动特性
不好。
为了达到无触点控制，获得灵活多变的良好的起动特性，在80年代初期鼠笼型
异步电动机电子软起动器诞生。
软起动控制器是一种新型节能设备，在欧美国家已得到
大量的应用。
它利用晶闸管交流调压技术实现降压起动，以后又融入了功率因素控制技
术，在控制装置的研究上，正围绕着提高起动力矩、实现计算机联网远程监控、完善检
测和自诊断功能以及提高产品可靠性、改进制造工艺、降低成本等方面努力。
电子软起动器采用使定子电压逐渐增大至额定电压的方法，使交流异步电机平滑起
动，减少交流异步电机的起动电流，降低起动时对电网的冲击。
由于三相交流异步电机
的电磁转矩与定子电压的平方成正比，当定子电压降低时，电磁转矩就会降低很多，而
电子软起动器是采用降压起动，降压并不降频，所以利用传统电子软起动器起动三相交
流异步电机时，电磁转矩很小。
电磁转矩小的特点限制了电子软起动器的应用范围。
本文介绍的分级变频，可以使传统电子软起动器在降低定子电压的同时降低定子电
压的频率，按同步转速由低到高分级起动，减小起动过程的能量损耗，克服传统电子软
起动器电磁转矩小的缺点，可以使电机在全负载的情况下平滑起动和短时运行于低速状
态。
另外，分级变频还可以使电子软起动器输出负相序电压，使电机处于电磁制动状态。
1.3国内外概况
20世纪60年代以来，由于生产发展的需要和节省电能的要求，促使世界各国重视
交流调速技术的研究与发展。
尤其是20世纪70年代以后，由于科学技术的迅速发展为
交流调速的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础。
从此，交流调速理论及应用技
1
术大致沿下述四个方面发展。
xxxxx大学文华学院毕业论文
（1）电力电子器件的蓬勃发展和迅速换代促进了变流技术的迅速发展和变流装置
的现代化
（2）脉宽调制（PWM）技术的发展和应用优化了变频装置的性能，适用于各类
交流调速系统，为交流调速技术的普及发挥了重大作用。
（3）矢量变化控制技术的诞生
和发展奠定了现代交流调速系统高性能化的基础（4）微型计算机控制技术与大规模集
成电路的迅速发展和广泛应用为现代交流调速系统的成功应用提供了重要的技术手段
和保证。
2.课题要研究的内容
2.1异步电动机起动方案的研究
m
2⨯
'
UR/S
Te
1
=Ω
（
）（
2
）2
R1+CR2/S
+
X1σ+CX2σ
从式中可看出，在电动机的参数已知和转差率s不变时，感应电机的电磁转矩和所
加的电源电压的平方成正比，电压越大，电磁转矩就大。
2.1.1异步电动机调速系统的基本类型
由异步电动机工作原理可知，从定子传入转子的电磁功率Pm可分为两部分：
一部
分Pd=（1-s）Pm是拖动负载的有效功率；
另一部分是转差功率Ps=sPm，与转差率s成
正比。
转差功率如何处理、是消耗掉还是回馈给电网，可衡量异步电动机调速系统的效
率高低。
因此按转差功率处理方式的不同可以把现代异步电动机调速系统分为三类。
（1）转差功率消耗型调速系统
全部转差功率都转换成热能的形式而消耗掉。
晶闸管调压调速属于这一类。
在异步
电动机调速系统中，这类系统的效率最低，是以增加转差功率的消耗为代价来换取转速
的降低。
但是由于这类系统结构最简单，所以对于要求不高的小容量场合还有一定应用。
（2）转差功率回馈型调速系统
转差功率一小部分消耗掉，大部分则通过交流装置回馈给电网。
转速越低，回馈的
功率越多。
绕线式异步电动机串级调速和双馈属于这一类。
显然这类调速系统效率较高。
（3）转差功率不变型调速系统
转差功率中转子铜损部分的消耗是不可避免的，但在这类系统中，无论转速高低，
转速功率的消耗基本不变，因此效率很高。
变频调速属于此类。
目前在交流调速系统中，
变频调速应用最多、最广泛，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速。
变
频调速技术及其装置仍是21世纪的主流技术和主流产品。
2.2绕线式异步电动机的串级调速和双馈调速系统
绕线式异步电动机在工业中应用较多，它的传统调速方法是在转子回路串电阻调
速。
这中调速方式的本质是利用改变消耗于转子外串电阻中的转差率功率来改变转差
率，从而达到调速的目的，因此，这种调速方式是转差功率消耗型调速。
这种调速方式
虽然结构简单，维护方便，但是调速是有级的，而且耗能多，效率低，是的调速性能和
2
华中科技大学文华学院毕业论文
经济性能很差。
目前，这种调速方式正在逐渐被淘汰。
2.3电动机软起动器
图1中，采用三对反并联的晶闸管串联于电动机的三相供电电路上,利用晶闸管的
电子开关特性,通过控制其触发脉冲、触发角的大小来改变晶闸管的开通时间,从而改变
电动机定子输入电压的大小,以达到控制电动机的软起动过程。
当电动机起动完成后即
端电压升至额定电压时,三相旁路接触器K吸合,使电动机直接并网运行。
起动时,晶闸
管的导通角从0°
\u24320X始上升,逐渐增大,电动机的端电压也从零开始上升,直至达到满足
起动转矩要求,保证起动成功。
另外运用不同的设定方法,使被控电动机的输入电压按不
同的要求而变化,就可以实现不同的控制功能。
2.3.1软起动器的起动方法
串接于电源与被控电动机之间的软起动器通过控制其内部晶闸管的导通角,使电动
机电流从零开始以预设函数关系逐渐上升,直至起动结束,实现软起动。
通常根据预设函
数及相应关系,软起动一般有如下几种方法。
（1）限电流软起动
限电流软起动可归纳为斜坡恒流软起动、阶跃起动和脉冲冲击起动三种方式。
①斜
坡恒流软起动：
这种起动方式是在电动机起动的初始阶段电流逐渐增加,当电流达到预
先设定的值后保持恒定,直到起动完毕。
起动过程中,电流上升变化的速率可以根据电动
机负载调整设定。
电流上升速率大,则起动转矩大,起动时间短。
该方法应用较多,特别
适用于风机、泵类负载。
②阶跃起动:
这种方式是电动机开机时即起动,在最短时间内使
起动电流迅速达到设定值,通过调节起动电流设定值,可以达到快速起动效果。
③脉冲冲
击起动:
电动机在起动开始阶段,让晶闸管在极短时间内,以较大电流导通一段时间后
回落,再按原设定值线性上升,进入恒流起动。
该起动方法适用于重载需要克服较大静摩
擦的场合。
上述三种电动机限电流软起动曲线如图2所示。
电动机在起动时最大电流不
超过预先设定的电流,通常该值的设定范围为额定电流的0.4~4倍。
（2）电压斜坡起动
这种方式是通过设定电动机的输入电压的线性上升速率来完成电动机的起动过程。
由于电压在起动过程中是线性变化的,可以保证电动机平稳起动。
（3）转矩控制起动
3
选取控制量为电磁转矩T,并根据应用的要求在给定的区间内调节电动机的转矩,尤
其是在起动、停止期间控制加速转矩,实现对电动机运行特性的控制,同时可以清除浪涌
转矩以保护传动机械。
如果转矩控制起动时间过长,通过转矩突跳克服静转矩,加快起动
周期。
2.4.软起动研究方案和利用MATLAB软件仿真波形
2.4.1变频软起动
我们知道变频器实际上是一种电压、频率控制装置（VVVF），其控制方式有电压、频
率比例控制（V/F）、空间电压矢量控制和直接转矩控制（DTC）等。
由于变频器在改变频率
的同时，也按比例地改变其输出电压的幅值，因而能实现无过流软起动及调速节能运行。
由于变频器一般都采用交—直—交电压型逆变方式，因而可方便地实现自动能量优
化（AEO）功能、自动电动机适配（AMA）功能以及自动电压调整（AVR）功能。
由此得到启发，
将变频器的VVVF功能分开就可实现VV—VF，或VV—CF功能，即恒频调压功能。
这样对
于不同运行方式的电动机，都可采用同一控制设备来实现综合节能保护控制功能了。
对
于需调速运行和调速节能的设备，让变频器以VVVF实现变频控制；
对于不需要调速运
行，且经常处于轻载或空载运行的设备。
则采用VV—CF控制方式，利用变频器进行恒
频调压节电优化控制。
实现一机多用。
在此，文章主要研究大型异步电动机交交分级变频起动。
交-交变频器与交-直-交
变频器相比，没有明显的中间滤波环节，电网交流电被直接变换成可调频调压的交流电。
因为交-交变频器采用晶闸管自然换流方式，结构简单，可靠性高；
而且交-交变频器能
够直接进行能量转换，效率较高。
交-交变频器最高输出频率是电网输入频率的1／3～1
／2，适合于低速大功率拖动的场合。
2.4.2分级变频起动
在分级变频起动问题上，有很多问题。
例如：
1.分几次变频，在各种频率下的ABC
三相相角差；
2.晶闸管控制问题，各相触发角角度；
3.检测电源电压和反馈电流；
4.单
片机输入输出控制；
5.谐波问题。
2.4.3分级变频原理
在定子电压下降的同时将频率下调,将会减少电动机转矩的损失,就可以解决传统
软起动器的起动转矩小的问题.分级变频就是使传统软起动器输出电压的频率从一个较
低的值开始,分级上升,最后达到50Hz.分级变频虽然可以实现变频,但不能使频率连续
地变化,只能使频率分级变化,而且各级频率都是50Hz的1/n,即50Hz的分频.
由电网提供的50Hz的工频电源,可产生各级子频率系统,工频的ωnet与子频率系
统的ωsub的关系如下
ωnet=ωsub·
r
（1）
其中,r为分频数,且r为整数.
由表1可知,从50Hz产生的三相平衡的各级子频率系统有的为负序如25Hz,有的
为正序如12.5Hz.因为正序可产生较大的正转矩,所以对25Hz子频率系统来说,需要打
破平衡,改变相位角,使之不平衡.重新定义子频率系统的ωsub与相位角关系如下
4
由式（3）,式（4）可计算出各级子频率系统的相位角.本课题将利用MATLAB/SIMULINK
库中的傅立叶模块,计算出对r的不同取值对应的子频率系统电压的相位角。
要得到起动时的最大正转矩,需选出最优化的组合.利用三相电路的对称分量法对
各种组合的三相电源系统进行分析。
2.4.4在Matlab等软件中进行仿真计算
目前，MATLAB已经成为国际上最流行的科学与工程计算的软件工具。
MATLAB
给出了矩阵函数和特殊矩阵的专门库函数，大部分算术运算符可以照搬到数组的运算，
使之在处理数字信号处理、建模、模式识别、自动控制、优化等领域的问题时，显得十
分简洁、高效。
MATLAB的绘图功能十分方便，在调用绘图函数时调整自变量可以绘
出不同颜色的点、线、复线和多重线。
在国际学术界，MATLAB已经被确认为准确、
可靠的科学计算标准软件。
在设计研究单位和工业部门，MATLAB是进行高效研究和
开发的首选软件工具。
（1）建模及仿真
根据原理分析,对起动过程建立模型，在不同起动方式下进行仿真，对定子电流（有
效值）、转速、转矩这些常量进行波形比较，得出最终相应的结论。
3.课题研究进展计划
5
第一阶段：
2月9日－2月22日，收集和整理相关文献资料和数据，选择好待翻译的文
献，完成开题报告。
第二阶段：
2月23日——3月22日，讨论比较各软起动方案和设计主回路
第三阶段：
3月23日——4月12日，变频调速系统控制算法的研究及其波形的仿真
第四阶段：
4月13日——4月26日，软起动控制器初步设计
第五阶段：
4月27日——5月10日，严格按形式和内容的要求完成毕业论文，做好答
辩准备。
4.参考文献
1.李华德交流调速控制系统
2.宋书中交流调速系统
电子工业出版社2003
机械工业出版社2000
3．吕锋.异步电动机的软起动器.华北电力技术，2001年6期
4．徐甫荣.交流异步电动机软起动技术.电气时代，2003年8期
5．张绍文.电动机软起动技术及其应用.唐山学院学报，2003年6期
6．佘致廷.基于分级变频高转矩软起动器的研究.湖南大学学报，2004年12月
7.徐甫荣交流异步电机软起动及优化节能控制技术研究，电气传动自动化，2003年1
期
8.苏金明MATLAB实用教程
电子工业出版社2005
9.刘叔军MATLAB7.0控制系统应用与实例
机械工业出版社2006
6
华中科技大学文华学院
摘要........................................................1
ABSTRACT.....................................................2
1绪论.......................................................1
1.1引言.....................................................1
1.2传统软起动器原理概述.....................................2
1.3分级变频高转矩软起动器原理概述............................2
1.4本文的主要内容...........................................3
2异步电机软起动器基本原理分析...............................4
2.1异步电机的起动性能分析...................................4
2.2异步电机的几种起动方法...................................5
2.2.1异步电机的直接起动法与降压起动法........................5
2.2.2异步电机的电子式晶闸管降压软起动法......................7
2.3软起动器的应用和国内外研究现状............................8
3高转矩软起动器的理论研究...................................9
3.1分频原理及方法...........................................9
3.1.1分频原理...............................................9
3.1.2分频方法...............................................9
3.2分级变频相位组合........................................10
3.3各级子频率触发角的计算..................................16
4对软起动器起动过程的建模及仿真............................20
4.1仿真模型................................................20
4.1.1三相电源模块..........................................20
4.1.2脉冲生成模块及晶闸管组模块............................20
4.1.3变频模块..............................................21
4.1.4电机及测量显示模块....................................22
4.2仿真结果及分析..........................................23
结束语......................................................28
参考文献....................................................29
摘要
三相笼型异步电动机因具有结构简单、运行可靠、维修方便、价格便宜以及惯性小等
优点而被广泛应用于工业、农业和交通运输等领域。
随着各领域生产机械的不断更新和发展，
对电动机的起动性能要求越来越高。
传统的直接起动方式与降压起动方式因各有其局限性，
如不能有效减少起动时对电网的大电流冲击，对负载适应能力差、起动电流不连续、维修工
作量大等等已越来越不能适应生产发展的要求。
为获得良好多变的起动性能，采用晶闸管做
主电路的电子式软起动器得到大量的运用。
本文研究的采用分级变频的软起动装置使电机的起动转矩增大，可以应用于传统软起
动器较少涉及的重载起动的场合，拓展了其应用范围。
论文对分级变频理论进行了深入剖析，
利用MATLAB对起动过程进行仿真，其中包含了各个频率下最大正转矩的三相电压波形和
各个频率下的电压傅立叶分解的谐波分布，论证了理论的可行性。
本文最后给出了仿真实验
结果，仿真实验结果表明，该软起动器具有结构简单，起动转矩大，能实现速度闭环控制的
优点，使软起动控制技术提高了一步，并且有持续研究开发的前景，有望在较广泛的应用领
域得到推广应用。
关键词:
异步电动机;
软起动器;
晶闸管;
分级变频;
高起动转矩
Large-scaleasynchronousmotorsoftstart
Development
Abstract
Thethreephasesquirrelcageinductionmachineismostusedin
industry,agriculture,trafficareaandetcbecauseofitssimplestructure,
stablerunning,convenientmaintaining,andsmallinertia.Withthe
developmentofmachinesinproductionarea,themoreexcellentstart
performanceisdesired.Conventionalstartmethodsincludedirectstart
andreduced-voltagestartcan'
tfittherequestforproductionbecausethey
havesomelocalizationsuchashugecurrentimpact,badadaptivefaculty
forload,uncontinuousstartcurrent,heavymaintainingwork.Forgood
startperformance,electronicformulasoftstarterhasbeenusedwell
whichusesGTOasmaincircuit.Ahightorquesoftstarterisstudiedin
thispaper.First,discretefrequencytheoryisusedtoimprovestarttorque
sothatthesoftstartercanbeusedinmoreareas.
Thispaperintroducesindetailthesoftstarter'
sprinciple,use
MATLABtosimulatethestartprocess,provethefeasibility.Ithasfour
startmodes:
therampvoltagestart,thelimitcurrentstart,therampspeed
startandthediscretefrequencystart.Experimentresultsaregiveninthe
end.Itprovesthatthissoftstarterhasadvantagessuchassimplestructure,
hig
升级会员 