电机软启动的原理及仿真分析.docx
《电机软启动的原理及仿真分析.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电机软启动的原理及仿真分析.docx（48页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
电机软启动的原理及仿真分析
电机软启动的原理及仿真分析
交流电机软启动的技术原理与仿真
摘要
本文首先阐述了交流电机的直接启动，论述了直接启动的危害如电网冲击，机械冲击，对生产机械的冲击等，叙述了交流电机直接启动的限制条件；并且将交流电机的直接启动和软启动进行比较，得出了软启动对电网冲击小，转矩冲击小且减少了对机器本身的损坏等优点。
其次详细论述了几种主要的交流电机降压启动原理。
在这基础上详述了软启动的启动原理，给出了限流软启动、电压斜坡启动、转矩控制启动、转矩加突跳控制启动、电压控制启动等几种启动方法和曲线图。
然后分别对每种启动方式的优缺点进行了说明，得出了比较好的启动方式是电压控制启动、转矩控制启动和转矩加突跳控制启动，并且对变频调速做了浅谈使之与软启动进行比较得出了软启动的优缺点。
再次借助Matlab/Simulink2E具箱和电气系统模块库（PowerSystemBlockset）对交流电机的软启动过程进行仿真研究，建立了三相交流电压环节模块、同步环节模块、脉冲发生模块、三相交流调压模块、电机及测量模块、电流反馈、启动控制和电机切换等环节封装模块，构建了完整的仿真系统模型，并分析了每个模块的建立过程，参数设定及基本功能，给出了仿真结果，并对结果进行了分析和验证。
最后归纳总结目前软启动技术的特性，指出目前软启动产品开发应考虑的因素以及软启动的发展，软启动的节能。
关键字：
交流电机，软启动，仿X，matlab,节能
SimulatingandAnalysisaboutSoft-startingTheoryofInduction
Motor
ABSTRACT
Thisarticlefirstelaboratedthealternatingcurrentmachinelinestart,elaboratedthelinestartharmlikeelectricalnetworkimpact,themachineryimpact,toproducesthemachinerytohavetheimpactandsoon，narratedthealternatingcurrentmachinelinestartlimitingcondition;Andthealternatingcurrentmachinelinestartandthesoftstartwillcarryonthecomparison,obtainedthesoftstarttotheelectricalnetworkimpact,thetorquehasattackedsmallalsoreducedtomachineitselfmeritandsoondamage.
Nextindetailelaboratedseveralkindofmainalternatingcurrentmachinevoltagedroppingresistorstartprinciple,hasrelatedindetailthesoftstartstartprincipleinthisfoundation,gavehaslimitedflowsthesoftstart,thevoltagepitchstarts,thetorquecontrolstarted,torqueCanadakickedthecontroltostart,voltagecontrolstartandsoonseveralstartmethodsanddiagramofcurves,Hasseparatelycarriedontheexplanationtoeachkindofstartwaygoodandbadpoints,hasobtainedthequitegoodstartwayisthevoltagecontrolstarts,thetorquecontrolstartandtorqueCanadakicksthecontrolstart.
DrawssupportfromtheMatlab/Simulinktoolboxandtheelectricalsystemmodulestorehouseoncemore（PowerSystemBlockset）conductsthesimulationresearchtothealternatingcurrentmachinesoftstartprocess,Establishedthethree-phaseACvoltagelinkmodule,thesynchronizedlinkmodule,thepulsehashadthemodule,thethree-phaseACaccentpressedthemodule,theelectricalmachineryandthesurveymodule,thecurrentfeedback,linksealmodulesandsoonstartcontrolandanxiouslink.Hasconstructedtheintegritysimulationsystemmodel,andhasanalyzedeachmoduleestablishmentprocess,theparameterhypothesisandthebasicfunction,hasgiventhesimulationresult,andhascarriedontheanalysistotheresult,theconfirmation.
Finallyinducesthesummaryatpresentthesoftstarttechnologycharacteristic,pointedoutthepresentsoftstartproductdevelopmentshouldconsiderfactoraswellassoftstartdevelopment,softstartenergyconservation,anddidtothefrequencyconversionvelocitymodulationdiscussedshallowlycausedittocarryonthecomparisonwiththesoftstarttoobtainthesoftstartgoodandbadpoints.
KEKVVORDS:
ACmotor,Soft-starting,simulating,matlab,energysaving
ABSTRACT
1交流软启动概述
1.1交流电机启动方式简介
1.1.1交流电机直接启动的弊端及限制条件
1.1.2传统的启动技术
1.1.3晶闸管软启动技术
1.1.4交流电机启动方式选择
1・2型异步电动机减压启动方法
1.2.1定子串电阻或电抗器减压启动
1.2.2自耦变压器降压启动
1.2.3星形一三角形（丫一/\）启动
1.3变频软启动的原理及应用
1.3.1变频软启动的基本结构
1.3.2变频软启动的工作原理
1・4变频软启动与软启动的比较
II
11
12
12
14
2晶闸管软启动技术原理与节能
16
2・1晶闸管软启动技术原理
2.2软启动节能技术及原理与软启动智能化发展2.2.1异步电动机中的损耗
2.2.2异步电动机的节能原理
2.2.3软启动智能化发展
2.3软启动行业现状及发展方向
2.3.1软启动行业现状
2・3・2软启动的发展方向
16
19
19
20
21
22
22
23
3MATLAB/SIMULINK工具箱的简介
24
3・]MATLAB简介
3・2SlMULINK工具箱简介：
3.3电力系统模型库（SIMPOTERSYSTERM）工具箱简介
4交流电机软启动系统仿真建模
4.1交流电动机数学模型
4.1.1异步电动机在a,B,o坐标系统下的数学模型
4・1.2异步电机在d，q,0坐标系统下的数学模型
4.2交流电机软启动基本模块仿真
4.3交流电机软启动系统仿真36
5交流电机软启动系统仿真分析38
5.1SIMULINK仿真分析38
5.1.1转速38
5.1.2转矩38
5.1.3定子电流39
5.1.4转子电流40
5.1.5脉冲图像41
5.1.6触发角alpha的变化41
5.1.7电压42
5・2分析小结42
6总结43
致谢43
参考文献44
1交流软启动概述
1.1交流电机启动方式简介
交流电动机广泛应用于各行各业，但传统电机的直接启动、停止制动方式存在许多缺陷。
启动时电流很大，启动电流可高达额定电流的5〜8倍，这对电网、负载机械和电动机造成巨大冲击，影响电动机和其拖动设备的使用寿命，也造成电网电压突降，直接影响在电网用电的其它用电设备的正常工作。
传统的降压启动方式，无论是星三角启动或自耦变压器降压启动等启动方式,虽然减少了启动电流，但启动转矩也同时减少,只能应用在轻载或空载启动场合。
传统的停止制动方式采用自然停止或抱闸制动等停止方式，自然停止对泵类负载“水锤”冲击严重，危害管网；抱闸制动，产生机械震动激烈，危害设备。
无论是启动还是停止，均不能满足平稳平滑启动、停止的工业生产工艺要求叭
1.1.1交流电机直接启动的弊端及限制条件
直接启动是最简便的启动方式，启动时通过闸刀或接触器将电机直接接到电网上。
直接启动的优点是启动设备简单，启动速度快。
但是直接启动有着不可避免的危害，并且存在很大的弊端，在这里我们就简单得从以下几个方面看一下直接启动的弊端：
（a）对电网的冲击：
过大的启动电流（空载启动电流可达额定电流的4〜7倍12】，负载启动时可达8〜10倍或更大），其转速要在很短的时间内从零升至额定转速，会在启动过程中产生冲击，造成电网电压下降，影响其他用电设备，还可能引起欠压保护动作，造成设备的有害跳闸。
同时过大的启动电流会使电机绕组发热，从而加速绝缘老化,影响电机寿命。
（b）对机械的冲击：
过大的冲击转矩往往造成电机转子笼条，端环断裂和定子端部绕线绝缘磨损，导致击穿烧机；转轴扭曲，联轴节，传动齿轮损伤和皮带撕裂等。
（c）对生产机械的冲击：
启动过程中的压力突变往往造成泵系统管道、阀门的损伤，缩短使用寿命，影响传动精度，甚至影响正常的过程控制。
这三种冲击都对设备的安全可靠运行带来威胁，同时也造成过大的启动能量损耗，尤其当频繁起停时更为突出。
因此对电动机直接启动有以下限制条件：
（a）生产机械是否允许拖动电动机直接启动，这是先决条件；
（b）电动机的容量应不大于供电变压器容量的10〜15%；
（c）启动过程中的电压降应不大于额定电压的15%o对于中、大功率的电动机一般都不允许直接启动，而要求采用一定的启动设备，方可完成正常的启动工作。
因此，对于能造成电网电压下降，影响了同电网其他设备的正常工作，对电动机本身使用寿命或对自带设备造成较大损害的，应采取其他措施，避免直接启动。
1.1.2传统的启动技术
三相交流异步电机一般不釆用直接启动的情况下可以考虑传统的降压启动方式。
传统的启动方式包含有Y—△降压启动方式，定子串电阻降压启动方式，转子串电阻降压启动方式，自耦变压器降压启动方式。
下来介绍下这几种启动技术的优缺点及适用范围【3】.
■
（1）Y—△降压启动方式：
丫一△降压启动是将电动机定子的三相绕组接成星型启动，待电动机速度达到额定转速后，再换接成三角形转入正常运行。
对电动机绕组来说，星型连接比三角形连接的端电压降到1/V3»电机绕组星型连接时，其绕组中电流就是配电系统中的电流，配电系统电流为线电流，相电流为线电流的1/V3o这样，对配电系统而言，电动机星型连接启动时的电流，仅为三角形连接启动时电流的1/馅⑷。
（2）定子串电阻降压启动方式：
在定子三相绕组串入电阻或电抗器，可在电动机启动时分担电压，在电动机速度到达额定转速后，切除串接电阻或电抗器。
这样降低了施加在交流电机三相定子绕组的端电压。
从而有效抑制交流电机启动冲击电流，减小启动冲击转矩。
但是，定子串电阻电抗器启动，对电网影响不可消除。
（3）转子串电阻降压启动方式：
转子串电阻降压启动只是用于转子为绕组式的异步电机。
在启动初时，转子回路串入电阻，相当于增大转子电阻，串入电阻器分压限流作用。
当启动完成后，切除外加电阻。
虽然转子串电阻能有效抑制启动冲击电流，但是，它没法避免电网压降，同时还产生了大量的能源浪费。
（4）自耦变压器降压启动方式：
自耦变压器降压启动，是将自耦变压器的原边接入供电系统，副边（即原边绕组的一部分）接到电动机的定子绕组上。
待电动机转速基本稳定时，切除自耦变压器，将电动机定子绕组直接接入供电系统。
这种启动方式，降低了电动机的启动电压和启动电流。
假如自耦变压器的变比为1：
2,则电动机的启动电压、启动电流均降到原来的1/2,转矩降到原来的1/4。
由于配电系统中的电流（即自耦变压器原边电流）与电动机中的电流（即自耦变压器副边电流）之比是1：
2,降压启动时，配电系统的电流时是全启动时的1/4,除此之外，它的启动电压可以选择，选择0.65、0・8或0.9UN以适应不同负载的要求。
使用这种降压方式，当配电系统中的电流下降到全压启动时的1/2时，电动机转矩没有降到原来的1/4,只降到原来的1/2,因而启动转矩较大。
而且，它的体积大、重量重，且要消耗较多有色金属，故障率髙，维修费用高。
1.1.3晶闸管软启动技术
随着电力电子技术的发展，国际上已广泛采用交流电动机软启（制）动技术，交流电机软启动器实现了交流电机软启动、软停止，功能完善，性能优异，能满足工业电机控制的广泛需要。
同时，•软启动控制在空载和轻载运转时具有节能效果。
所谓“软启动”，实际上就是按照预先设定的控制模式进行的降压启动过程。
目前的软启动器一般有以下几种启动方式：
（a）限流软启动：
限流软启动顾名思义就是在电动机的启动过程中限制其启动电流不超过某一设定值（人）的软启动方式。
三种晶闸管软启动的方式：
①斜坡恒流软启动；②阶跃恒流软启动；③脉冲恒流软启动。
（b）电压斜坡启动：
输出电压由小到大斜坡线性上升，将传统的降压启动变有级为无级，主要用在重载启动。
（O转矩控制启动：
主要用在重载启动，它是按电动机的启动转矩线性上升的规律控制输出电压。
（d）转矩加突跳控制启动：
在启动的瞬间用突跳转矩，用在重载场合。
（e）电压控制启动：
它是用在轻载启动的场合。
1.1.4交流电机启动方式选择
三相交流异步电动机有多种启动方式，全压启动是最直接的一种启动方式。
全电压直接启动有诸多优点，是一个危险的诱惑。
首先，直接启动设备简单，不需额外添加启动设备，降低成本和维修费用。
其次，启动转矩大，能满载或重载启动。
最后，直接启动速度快，响应时间短，能以最短时间达到额定转速。
但是，全电压直接启动也存在诸多缺点。
首先，直接启动冲击电流大（可达额定电流的5〜8倍）,绕组流过较大电流产生大量的热量，使绝缘老化，缩短电机寿命。
其次，转矩冲击大，对电动机本身和传动机构造成破坏，降低机械加工精度，破坏电机转子软组或笼型异步电动机的导条。
最后，直接启动对容量较小的电网造成较大的电网压降，影响其它同电网负载工作。
直接启动有其明显的优点，同时也存在许多致命的缺陷，但采取全电压直接启动和软启动并不矛盾。
这个前提是对具体电动机在具体的电网中，选择合适的启动方式。
为此，国家制定《通用用电设备配电设计规范》（GB50055-1993,以下简称《规范》）作了如下规定：
第2・3・2条交流电动机启动时，配电母线上的电压应符合下列规定：
（a）在一般情况下，电动机频繁启动时，不宜低于额定电压的90%；电动机不频繁启动时，不宜低于额定电压的85%。
（b）配电母线上未按照明或其它对电压波动较敏感的负荷，且电动机不频繁启动,不宜低于额定电压的80%o
（O配电母线上未接其它用电设备时，可按保证电动机启动转矩的条件要求确定:
对于低压电动机，还应保证接触器线圈电压不低于释放电压。
第2.3・3条笼型电动机和同步电动机的启动方式选择，应符合下列规定：
（a）当符合下列条件时，电动机应全压启动：
a）电动机启动时，配电母线的电压应符合本规范第2・3・2条的规定；
b）机械能承受全压启动时的冲击力矩；
c）制造厂对电动机的启动方式无特殊规定。
（b）当不符合全压启动的条件时，电动机宜降压启动，或选择其它合适的启动方式。
（c）当有调速要求时，电动机的启动方式应与调速方式相配合。
日常应用中，一般是电机功率小于7.5KW时允许直接启动。
如果电机功率大于7.5KW,而电源总容量较大，能符合下式要求者，电动机也允许直接启动。
=仏韵3+豐豎驚（"5]（M）
'I#4启动电动机容量伙V*A）
式中，加为电机允许的最大启动电流，加为电机额定电流。
如果不满足上式要求,则必须采取减压启动的方法。
减压启动（降压启动）具体方式选择跟厂家经济情况和交流电机本身有关。
三相交流异步电动机有绕线转子和鼠笼转子。
它们有不同的降压启动方法国。
1.2型异步电动机减压启动方法
笼型异步电动机为封闭转子，降压只能在定子端考虑，综合各种文献，可知减压启动方法大致有三种。
下面我们就详细分析一下这三种启动方法。
1.2.1定子串电阻或电抗器减压启动
串电抗器后，启动电流成正比减小，启动转矩则成平方关系地减小，因此电抗器阻值的选择必须依据电机启动时阻力矩的情况，只有启动转矩大于阻力矩电机才能顺利启动。
如图1」所示启动时先合上3Q再合上KM1电机即串入电抗启动，待启动完成后合上KM2打开KM1,切除电抗器，电机进入全压运行【61。
图1-1定子串电阻原理图
串电抗器启动时，串入电抗器之前电机速度为零，故这时要求的厶较大，这就要求串入电抗器后电机的端电压不能太小，一般选择在0.7UN左右，其启动电流也在直接全压启动电流的0.7倍左右。
选用电抗器时便会陷入这样的矛盾之中：
为了减小启动电流总希望电抗值大一些，但这样又容易造成启动失败，尤其是当电网电压不稳定和负载状况经常变化时；为了保证启动的成功率，电抗值就要小一些，但这样启动电流又偏大。
电抗器适于电网电压和负载（启动时）比较稳定的情况。
串联电抗器启动为有级降压启动，启动过程中转矩会有二次突变，仍会产生较大的机械冲击，对机械及电机仍会有损伤，只是程度有所降低;对电网的影响也未达到最低。
在操作过电压方面，由于初始电压为0.7UN左右，操作过电压的几率也随之降低一些，但由于高频振荡叠加的随机性，操作过电压的幅值并不会降低。
1.2.2自耦变压器降压启动
自耦变压器降压启动是利用自耦变压器降低加到电动机定子绕组的电压，以减小启动电流。
图1-2表示自耦变压器的减压原理图，图中只绘出一相，S及人分别表示一次侧。
图1-2自耦变压器的减压原理图
电压和电流，即电网电压和电流；/和人分别表示变压器的二次电压和电流，亦即电动机定子的电压和电流；％和％分别表示变压器的一次绕组和二次绕组匝数（比即抽头部分的匝数九由变压器原理，得
（1-2）
冬=巴
U\叫
设人为定子电压匕时的启动电流，匚则为全压启动时的启动电流，则:
（1-5）
再将式1・4乘以式1・5,得
由式12式1・3.式1・5和式1-6可知，利用自耦变压器后,电压Ux降低到（W2/W｝）q,
定子启动电流人也降低到（肥/叱心o通过自耦变压器，又使从电网吸取的电流降低到:
（1-7）
另外，由于匕=（W、/WJS，Toct/2,故启动转矩降低为叱/叭）2几，几为全压S启动时的启动转矩。
为满足不同负载的要求，自耦变压器的二次绕组一般有三个抽头，分别为电源电压的40%,60%和80%（或55%,64%及73%）。
具体应用还可根据实际情况向厂家定购。
自耦变压器降压启动时接线如图1・3所示。
启动时先合3Q,再合KM1,电动机的定子绕组通过自耦变压器接到三相电源上降压启动。
当转速上升到接近稳定时，合KM2,断KM1,将自耦变压器切除，电机进入全压运行状态，启动结束。
图1-3自耦变压器原理图
与电抗器降压启动相比，在获得同样启动转矩的情况下，自耦变压器式降压启动需电网提供的启动电流较小，对电网电压的影响小，适合于阻力矩比较大的情况，以及电网短路容量较小的情况。
这是它优于串电抗器启动的地方。
还有电动机抽头可供不同负载时选用。
自耦变压器减压启动的主要缺点是在开关切换的过程中，仍然有较大的转矩突变，对电动机及机械设备仍有较大的伤害，操作过电压方面与电抗器的情况一样。
1.2.3星形一三角形（Y-A）启动
星形一三角形启动是一种减压启动方法，适用这种启动方法的异步电动机，在运行时是连接成三角形，而且每相绕组引出两个出线端，三相共引出六个出线端。
在启动时,先将三相定子绕组连接成星形，待转速接近稳定时再改成三角形。
这样，启动时连接成星形的定子绕组电压与电流都只有三角形时的1/宀，由于三角形连接时绕组的电流是线路电流的I/V3,而星形连接时两者相等。
因此，联结成星形启动时的线路电流只有联结成三角形直接启动时的1/3o由于启动转矩TW,几也要降低到直接启动时的1/3,因此这种启动方法只适用于空载或轻载启动。
图1-4所示为星形一三角形启动的原理线路图。
当启动时，将开关Q2投向“Y”位置，定子绕组连接为星形连接，电动机减压启动；当电动机转速接近稳定时，可将开关Q2迅速投向“△”连接，使定子绕组连接成三角形。
启动过程结束。
电机停止转动时，可直接断开电源开关Q1,并应立刻断开开关Q2,并放在中间位置，否则下次启动时将造成直接启动，这是不允许的。
图1-4星三角降压原理图
手动星形一三角形启动器的结构形式很多，还有自动控制线路可供选用，它们的减压启动原理都是相同的。
停车方式有三种：
一是自由停车，二是软停车，三是制动停车。
软启动器带来的最大好处是软停车和制动停车，软停车消除了拖动系统的反惯性冲击，对于水泵就是“水锤”效应，制动停车则在一定场合代替了反接制动停车功能。
1.3变频软启动的原理及应用
变频器是利用交流异步电动机同步转速5随电源频率变化而变化的特性实现电动机调速运行的装置。
变频器产生于20世纪60年代。
在20世纪70年代，随着大功率晶体管（GTR啲问此即场效应晶体管的出现和性能不断提高，使变频器的性能有了极大完善和发展⑺。
变频器有以下特点：
（a）可很好地实现异步电动机的无级调速；
（b）可方便地进行恒转矩调速和恒功率调速；
（O调速范围广、平滑性较好、机械特性较硬
升级会员 