畢業(yè)設計（論文）交流電機軟啟動的技術原理與仿真

1、交流電機軟啟動的技術原理與仿真 摘 要 本文首先闡述了交流電機的直接啟動，論述了直接啟動的危害如電網(wǎng)沖擊，機械 沖擊，對生產(chǎn)機械的沖擊等，敘述了交流電機直接啟動的限制條件；并且將交流電機 的直接啟動和軟啟動進行比較，得出了軟啟動對電網(wǎng)沖擊小，轉矩沖擊小且減少了對 機器本身的損壞等優(yōu)點。 其次詳細論述了幾種主要的交流電機降壓啟動原理。在這基礎上詳述了軟啟動的 啟動原理，給出了限流軟啟動、電壓斜坡啟動、轉矩控制啟動、轉矩加突跳控制啟動、 電壓控制啟動等幾種啟動方法和曲線圖。然后分別對每種啟動方式的優(yōu)缺點進行了說 明，得出了比較好的啟動方式是電壓控制啟動、轉矩控制啟動和轉矩加突跳控制啟動， 并且對變

2、頻調(diào)速做了淺談使之與軟啟動進行比較得出了軟啟動的優(yōu)缺點。 再次借助 matlab/simulink 工具箱和電氣系統(tǒng)模塊庫(power system blockset)對 交流電機的軟啟動過程進行仿真研究，建立了三相交流電壓環(huán)節(jié)模塊、同步環(huán)節(jié)模塊、 脈沖發(fā)生模塊、三相交流調(diào)壓模塊、電機及測量模塊、電流反饋、啟動控制和電機切 換等環(huán)節(jié)封裝模塊，構建了完整的仿真系統(tǒng)模型，并分析了每個模塊的建立過程，參 數(shù)設定及基本功能，給出了仿真結果，并對結果進行了分析和驗證。 最后歸納總結目前軟啟動技術的特性，指出目前軟啟動產(chǎn)品開發(fā)應考慮的因素以 及軟啟動的發(fā)展，軟啟動的節(jié)能。 關鍵字：交流電機，軟啟動，仿真，

3、matlab，節(jié)能 simulating and analysis about soft-starting theory of induction motor abstract this article first elaborated the alternating current machine line start, elaborated the line start harm like electrical network impact, the machinery impact, to produces the machinery to have the impact and so

4、on, narrated the alternating current machine line start limiting condition; and the alternating current machine line start and the soft start will carry on the comparison, obtained the soft start to the electrical network impact, the torque has attacked small also reduced to machine itself merit and

5、 so on damage. next in detail elaborated several kind of main alternating current machine voltage dropping resistor start principle, has related in detail the soft start start principle in this foundation, gave has limited flows the soft start, the voltage pitch starts, the torque control started, t

6、orque canada kicked the control to start, voltage control start and so on several start methods and diagram of curves, has separately carried on the explanation to each kind of start way good and bad points, has obtained the quite good start way is the voltage control starts, the torque control star

7、t and torque canada kicks the control start. draws support from the matlab/simulink toolbox and the electrical system module storehouse once more (power system blockset) conducts the simulation research to the alternating current machine soft start process, established the three-phase ac voltage lin

8、k module, the synchronized link module, the pulse has had the module, the three-phase ac accent pressed the module, the electrical machinery and the survey module, the current feedback, link seal modules and so on start control and anxious link, has constructed the integrity simulation system model,

9、 and has analyzed each module establishment process, the parameter hypothesis and the basic function, has given the simulation result, and has carried on the analysis to the result, the confirmation. finally induces the summary at present the soft start technology characteristic, pointed out the pre

10、sent soft start product development should consider factor as well as soft start development, soft start energy conservation, and did to the frequency conversion velocity modulation discussed shallowly caused it to carry on the comparison with the soft start to obtain the soft start good and bad poi

11、nts. kekwords: ac motor，soft-starting，simulating，matlab，energy saving 目 錄 摘 要 .i abstract .ii 1 交流軟啟動概述 .1 1.1 交流電機啟動方式簡介 .1 1.1.1 交流電機直接啟動的弊端及限制條件 .1 1.1.2 傳統(tǒng)的啟動技術 .2 1.1.3 晶閘管軟啟動技術 .3 1.1.4 交流電機啟動方式選擇 .3 1.2 型異步電動機減壓啟動方法 .4 1.2.1 定子串電阻或電抗器減壓啟動 .4 1.2.2 自耦變壓器降壓啟動 .5 1.2.3 星形三角形（y）啟動 .7 1.3 變頻軟啟動的原理

12、及應用 .7 1.3.1 變頻軟啟動的基本結構 .8 1.3.2 變頻軟啟動的工作原理 .8 1.4 變頻軟啟動與軟啟動的比較 .10 2 晶閘管軟啟動技術原理與節(jié)能 .11 2.1 晶閘管軟啟動技術原理 .11 2.2 軟啟動節(jié)能技術及原理與軟啟動智能化發(fā)展 .14 2.2.1 異步電動機中的損耗 .14 2.2.2 異步電動機的節(jié)能原理 .14 2.2.3 軟啟動智能化發(fā)展 .16 2.3 軟啟動行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展方向 .17 2.3.1 軟啟動行業(yè)現(xiàn)狀 .17 2.3.2 軟啟動的發(fā)展方向 .17 3 matlab/simulink 工具箱的簡介.19 3.1 matlab簡介 .19 3.

13、2 simulink工具箱簡介： .21 3.3 電力系統(tǒng)模型庫（simpowersysterm）工具箱簡介 .23 4 交流電機軟啟動系統(tǒng)仿真建模 .24 4.1 交流電動機數(shù)學模型 .24 4.1.1 異步電動機在 ,0 坐標系統(tǒng)下的數(shù)學模型.24 4.1.2 異步電機在 d,q,0 坐標系統(tǒng)下的數(shù)學模型 .25 4.2 交流電機軟啟動基本模塊仿真 .26 4.3 交流電機軟啟動系統(tǒng)仿真 .30 5 交流電機軟啟動系統(tǒng)仿真分析 .31 5.1 simulink 仿真分析.31 5.1.1 轉速 .31 5.1.2 轉矩 .31 5.1.3 定子電流 .32 5.1.4 轉子電流 .33 5

14、.1.5 脈沖圖像 .33 5.1.6 觸發(fā)角 alpha 的變化 .34 5.1.7 電壓 .34 5.2 分析小結 .35 6 總結 .36 致 謝 .36 參 考 文 獻 .38 1 交流軟啟動概述 1.1 交流電機啟動方式簡介 交流電動機廣泛應用于各行各業(yè)，但傳統(tǒng)電機的直接啟動、停止制動方式存在許 多缺陷。啟動時電流很大，啟動電流可高達額定電流的 58 倍，這對電網(wǎng)、負載機械 和電動機造成巨大沖擊，影響電動機和其拖動設備的使用壽命，也造成電網(wǎng)電壓突降， 直接影響在電網(wǎng)用電的其它用電設備的正常工作。傳統(tǒng)的降壓啟動方式，無論是星三 角啟動或自耦變壓器降壓啟動等啟動方式，雖然減少了啟動電流，

15、但啟動轉矩也同時 減少，只能應用在輕載或空載啟動場合。傳統(tǒng)的停止制動方式采用自然停止或抱閘制 動等停止方式，自然停止對泵類負載“水錘”沖擊嚴重，危害管網(wǎng)；抱閘制動，產(chǎn)生 機械震動激烈，危害設備。無論是啟動還是停止，均不能滿足平穩(wěn)平滑啟動、停止的 工業(yè)生產(chǎn)工藝要求1。 1.1.1 交流電機直接啟動的弊端及限制條件 直接啟動是最簡便的啟動方式，啟動時通過閘刀或接觸器將電機直接接到電網(wǎng)上。 直接啟動的優(yōu)點是啟動設備簡單，啟動速度快。但是直接啟動有著不可避免的危害， 并且存在很大的弊端，在這里我們就簡單得從以下幾個方面看一下直接啟動的弊端： （a）對電網(wǎng)的沖擊：過大的啟動電流（空載啟動電流可達額定電流

16、的 47 倍2， 負載啟動時可達 810 倍或更大） ，其轉速要在很短的時間內(nèi)從零升至額定轉速，會在 啟動過程中產(chǎn)生沖擊，造成電網(wǎng)電壓下降，影響其他用電設備，還可能引起欠壓保護 動作，造成設備的有害跳閘。同時過大的啟動電流會使電機繞組發(fā)熱，從而加速絕緣 老化，影響電機壽命。 （b）對機械的沖擊：過大的沖擊轉矩往往造成電機轉子籠條，端環(huán)斷裂和定子端 部繞線絕緣磨損，導致?lián)舸龣C；轉軸扭曲，聯(lián)軸節(jié)，傳動齒輪損傷和皮帶撕裂等。 （c）對生產(chǎn)機械的沖擊：啟動過程中的壓力突變往往造成泵系統(tǒng)管道、閥門的損 傷，縮短使用壽命，影響傳動精度，甚至影響正常的過程控制。 這三種沖擊都對設備的安全可靠運行帶來威脅，

17、同時也造成過大的啟動能量損耗， 尤其當頻繁起停時更為突出。因此對電動機直接啟動有以下限制條件： （a）生產(chǎn)機械是否允許拖動電動機直接啟動，這是先決條件； （b）電動機的容量應不大于供電變壓器容量的 1015%； （c）啟動過程中的電壓降u 應不大于額定電壓的 15%。對于中、大功率的電動 機一般都不允許直接啟動，而要求采用一定的啟動設備，方可完成正常的啟動工作。 因此，對于能造成電網(wǎng)電壓下降，影響了同電網(wǎng)其他設備的正常工作，對電動機本身 使用壽命或對自帶設備造成較大損害的，應采取其他措施，避免直接啟動。 1.1.2 傳統(tǒng)的啟動技術 三相交流異步電機一般不采用直接啟動的情況下可以考慮傳統(tǒng)的降壓啟

18、動方式。 傳統(tǒng)的啟動方式包含有 y降壓啟動方式，定子串電阻降壓啟動方式，轉子串電阻 降壓啟動方式，自耦變壓器降壓啟動方式。下來介紹下這幾種啟動技術的優(yōu)缺點及適 用范圍3： （1）y降壓啟動方式： y降壓啟動是將電動機定子的三相繞組接成星型啟動，待電動機速度達到額定 轉速后，再換接成三角形轉入正常運行。對電動機繞組來說，星型連接比三角形連接 的端電壓降到。電機繞組星型連接時，其繞組中電流就是配電系統(tǒng)中的電流，配31 電系統(tǒng)電流為線電流，相電流為線電流的。這樣，對配電系統(tǒng)而言，電動機星型31 連接啟動時的電流，僅為三角形連接啟動時電流的 4。 31 （2）定子串電阻降壓啟動方式： 在定子三相繞組串

19、入電阻或電抗器，可在電動機啟動時分擔電壓，在電動機速度 到達額定轉速后，切除串接電阻或電抗器。這樣降低了施加在交流電機三相定子繞組 的端電壓。從而有效抑制交流電機啟動沖擊電流，減小啟動沖擊轉矩。但是，定子串 電阻電抗器啟動，對電網(wǎng)影響不可消除。 （3）轉子串電阻降壓啟動方式： 轉子串電阻降壓啟動只是用于轉子為繞組式的異步電機。在啟動初時，轉子回路 串入電阻，相當于增大轉子電阻，串入電阻器分壓限流作用。當啟動完成后，切除外 加電阻。雖然轉子串電阻能有效抑制啟動沖擊電流，但是，它沒法避免電網(wǎng)壓降，同 時還產(chǎn)生了大量的能源浪費。 （4）自耦變壓器降壓啟動方式： 自耦變壓器降壓啟動，是將自耦變壓器的原

20、邊接入供電系統(tǒng)，副邊(即原邊繞組的 一部分)接到電動機的定子繞組上。待電動機轉速基本穩(wěn)定時，切除自耦變壓器，將電 動機定子繞組直接接入供電系統(tǒng)。這種啟動方式，降低了電動機的啟動電壓和啟動電 流。假如自耦變壓器的變比為 1：2，則電動機的啟動電壓、啟動電流均降到原來的 1/2，轉矩降到原來的 1/4。由于配電系統(tǒng)中的電流(即自耦變壓器原邊電流)與電動機中 的電流(即自耦變壓器副邊電流)之比是 1：2，降壓啟動時，配電系統(tǒng)的電流時是全啟 動時的 1/4，除此之外，它的啟動電壓可以選擇，選擇 0.65、0.8 或 0.9un 以適應不同 負載的要求。使用這種降壓方式，當配電系統(tǒng)中的電流下降到全壓啟動

21、時的 1/2 時，電 動機轉矩沒有降到原來的 1/4，只降到原來的 1/2，因而啟動轉矩較大。而且，它的體 積大、重量重，且要消耗較多有色金屬，故障率高，維修費用高。 1.1.3 晶閘管軟啟動技術 隨著電力電子技術的發(fā)展，國際上已廣泛采用交流電動機軟啟（制）動技術，交 流電機軟啟動器實現(xiàn)了交流電機軟啟動、軟停止，功能完善，性能優(yōu)異，能滿足工業(yè) 電機控制的廣泛需要。同時，軟啟動控制在空載和輕載運轉時具有節(jié)能效果。 所謂“軟啟動” ，實際上就是按照預先設定的控制模式進行的降壓啟動過程。目前 的軟啟動器一般有以下幾種啟動方式： （a）限流軟啟動：限流軟啟動顧名思義就是在電動機的啟動過程中限制其啟動電

22、 流不超過某一設定值()的軟啟動方式。 m i 三種晶閘管軟啟動的方式：斜坡恒流軟啟動；階躍恒流軟啟動；脈沖恒流 軟啟動。 （b）電壓斜坡啟動：輸出電壓由小到大斜坡線性上升，將傳統(tǒng)的降壓啟動變有級 為無級，主要用在重載啟動。 （c）轉矩控制啟動：主要用在重載啟動，它是按電動機的啟動轉矩線性上升的規(guī) 律控制輸出電壓。 （d）轉矩加突跳控制啟動：在啟動的瞬間用突跳轉矩，用在重載場合。 （e）電壓控制啟動：它是用在輕載啟動的場合。 1.1.4 交流電機啟動方式選擇 三相交流異步電動機有多種啟動方式，全壓啟動是最直接的一種啟動方式。全電 壓直接啟動有諸多優(yōu)點，是一個危險的誘惑。首先，直接啟動設備簡單，

23、不需額外添 加啟動設備，降低成本和維修費用。其次，啟動轉矩大，能滿載或重載啟動。最后， 直接啟動速度快，響應時間短，能以最短時間達到額定轉速。但是，全電壓直接啟動 也存在諸多缺點。首先，直接啟動沖擊電流大（可達額定電流的 58 倍 ） ，繞組流過 較大電流產(chǎn)生大量的熱量，使絕緣老化，縮短電機壽命。其次，轉矩沖擊大，對電動 機本身和傳動機構造成破壞，降低機械加工精度，破壞電機轉子軟組或籠型異步電動 機的導條。最后，直接啟動對容量較小的電網(wǎng)造成較大的電網(wǎng)壓降，影響其它同電網(wǎng) 負載工作。 直接啟動有其明顯的優(yōu)點，同時也存在許多致命的缺陷，但采取全電壓直接啟動 和軟啟動并不矛盾。這個前提是對具體電動機

24、在具體的電網(wǎng)中，選擇合適的啟動方式。 為此，國家制定通用用電設備配電設計規(guī)范 （gb500551993，以下簡稱規(guī)范 ） 作了如下規(guī)定： 第 2.3.2 條 交流電動機啟動時，配電母線上的電壓應符合下列規(guī)定： （a）在一般情況下，電動機頻繁啟動時，不宜低于額定電壓的 90%；電動機不頻 繁啟動時，不宜低于額定電壓的 85%。 （b）配電母線上未按照明或其它對電壓波動較敏感的負荷，且電動機不頻繁啟動， 不宜低于額定電壓的 80%。 （c）配電母線上未接其它用電設備時，可按保證電動機啟動轉矩的條件要求確定： 對于低壓電動機，還應保證接觸器線圈電壓不低于釋放電壓。 第 2.3.3 條 籠型電動機和同

25、步電動機的啟動方式選擇，應符合下列規(guī)定： （a）當符合下列條件時，電動機應全壓啟動： a）電動機啟動時，配電母線的電壓應符合本規(guī)范第 2.3.2 條的規(guī)定； b）機械能承受全壓啟動時的沖擊力矩； c）制造廠對電動機的啟動方式無特殊規(guī)定。 （b）當不符合全壓啟動的條件時，電動機宜降壓啟動，或選擇其它合適的啟動方 式。 （c）當有調(diào)速要求時，電動機的啟動方式應與調(diào)速方式相配合。 日常應用中，一般是電機功率小于 7.5kw 時允許直接啟動。如果電機功率大于 7.5kw，而電源總容量較大，能符合下式要求者，電動機也允許直接啟動 。 （1-1） )*( )*( 3 4 1 1 1 akv akv i i

26、 k n st i 啟動電動機容量 電源總容量 式中，i1st為電機允許的最大啟動電流，i1n為電機額定電流。如果不滿足上式要求， 則必須采取減壓啟動的方法。 減壓啟動（降壓啟動）具體方式選擇跟廠家經(jīng)濟情況和交流電機本身有關。三相 交流異步電動機有繞線轉子和鼠籠轉子。它們有不同的降壓啟動方法。 5 1.2 型異步電動機減壓啟動方法 籠型異步電動機為封閉轉子，降壓只能在定子端考慮，綜合各種文獻，可知減壓 啟動方法大致有三種。下面我們就詳細分析一下這三種啟動方法。 1.2.1 定子串電阻或電抗器減壓啟動 串電抗器后，啟動電流成正比減小，啟動轉矩則成平方關系地減小，因此電抗器 阻值的選擇必須依據(jù)電機

27、啟動時阻力矩的情況，只有啟動轉矩大于阻力矩電機才能順 利啟動。如圖 1-1 所示啟動時先合上 3q 再合上 km1 電機即串入電抗啟動，待啟動完 成后合上 km2 打開 km1，切除電抗器，電機進入全壓運行6。 圖 1-1 定子串電阻原理圖 串電抗器啟動時，串入電抗器之前電機速度為零，故這時要求的 im較大，這就要 求串入電抗器后電機的端電壓不能太小，一般選擇在 0.7un 左右，其啟動電流也在直 接全壓啟動電流的 0.7 倍左右。 選用電抗器時便會陷入這樣的矛盾之中：為了減小啟動電流總希望電抗值大一些， 但這樣又容易造成啟動失敗，尤其是當電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定和負載狀況經(jīng)常變化時；為了 保證啟動的成

28、功率，電抗值就要小一些，但這樣啟動電流又偏大。電抗器適于電網(wǎng)電 壓和負載(啟動時)比較穩(wěn)定的情況。 串聯(lián)電抗器啟動為有級降壓啟動，啟動過程中轉矩會有二次突變，仍會產(chǎn)生較大 的機械沖擊，對機械及電機仍會有損傷，只是程度有所降低;對電網(wǎng)的影響也未達到最 低。 在操作過電壓方面，由于初始電壓為 0.7un 左右，操作過電壓的幾率也隨之降低 一些，但由于高頻振蕩疊加的隨機性，操作過電壓的幅值并不會降低。 1.2.2 自耦變壓器降壓啟動 自耦變壓器降壓啟動是利用自耦變壓器降低加到電動機定子繞組的電壓，以減小 啟動電流。圖 1-2 表示自耦變壓器的減壓原理圖，圖中只繪出一相，及分別表示 1 u 1 i 一

29、次側。 圖 1-2 自耦變壓器的減壓原理圖 電壓和電流，即電網(wǎng)電壓和電流； x u 和 x i分別表示變壓器的二次電壓和電流，亦 即電動機定子的電壓和電流；和分別表示變壓器的一次繞組和二次繞組匝數(shù)（ 1 w 2 w 即抽頭部分的匝數(shù)） 。由變壓器原理，得 2 w (1-2) 1 2 1 w w u ux 設 x i為定子電壓 x u 時的啟動電流， st i則為全壓啟動時的啟動電流，則： 1 u u i i x st x (1-3) 將式 1-2 代入式 1-3，得 1 2 w w i i st x (1-4) 再利用變壓器原理，得 1 21 w w i i x (1-5) 再將式 1-4 乘

30、以式 1-5，得 2 1 21 w w i i st (1-6) 由式 1-2、式 1-3、式 1-5 和式 1-6 可知，利用自耦變壓器后，電壓 x u 降低到 112 )(uww，定子啟動電流 x i也降低到 st iww)( 12 。通過自耦變壓器，又使從電網(wǎng)吸取 的電流降低到： stx i w w i w w i 2 1 2 1 2 1 (1-7) 另外，由于 11) /(uwwu sx ， 2 ut ，故啟動轉矩降低為 sts tww 2 1) /(，為全壓 st t 啟動時的啟動轉矩。 1 u 為滿足不同負載的要求，自耦變壓器的二次繞組一般有三個抽頭，分別為電源電 壓的 40%，6

31、0%和 80%（或 55%，64%及 73%） 。具體應用還可根據(jù)實際情況向廠家定 購。 自耦變壓器降壓啟動時接線如圖 1-3 所示。啟動時先合 3q，再合 km1，電動機的 定子繞組通過自耦變壓器接到三相電源上降壓啟動。當轉速上升到接近穩(wěn)定時，合 km2，斷 km1，將自耦變壓器切除，電機進入全壓運行狀態(tài)，啟動結束。 圖 1-3 自耦變壓器原理圖 與電抗器降壓啟動相比，在獲得同樣啟動轉矩的情況下，自耦變壓器式降壓啟動 需電網(wǎng)提供的啟動電流較小，對電網(wǎng)電壓的影響小，適合于阻力矩比較大的情況，以 及電網(wǎng)短路容量較小的情況。這是它優(yōu)于串電抗器啟動的地方。還有電動機抽頭可供 不同負載時選用。自耦變壓

32、器減壓啟動的主要缺點是在開關切換的過程中，仍然有較 大的轉矩突變，對電動機及機械設備仍有較大的傷害，操作過電壓方面與電抗器的情 況一樣。 1.2.3 星形三角形（y）啟動 星形三角形啟動是一種減壓啟動方法，適用這種啟動方法的異步電動機，在運 行時是連接成三角形，而且每相繞組引出兩個出線端，三相共引出六個出線端。在啟 動時，先將三相定子繞組連接成星形，待轉速接近穩(wěn)定時再改成三角形。這樣，啟動 時連接成星形的定子繞組電壓與電流都只有三角形時的，由于三角形連接時繞組31 的電流是線路電流的，而星形連接時兩者相等。因此，聯(lián)結成星形啟動時的線路31 電流只有聯(lián)結成三角形直接啟動時的 1/3。由于啟動轉矩

33、，也要降低到直接 2 ut st t 啟動時的 1/3，因此這種啟動方法只適用于空載或輕載啟動。圖 1-4 所示為星形三角 形啟動的原理線路圖。當啟動時，將開關 q2 投向“y”位置，定子繞組連接為星形連 接，電動機減壓啟動；當電動機轉速接近穩(wěn)定時，可將開關 q2 迅速投向“”連接， 使定子繞組連接成三角形。啟動過程結束。電機停止轉動時，可直接斷開電源開關 q1，并應立刻斷開開關 q2，并放在中間位置，否則下次啟動時將造成直接啟動，這是 不允許的。 圖 1-4 星三角降壓原理圖 手動星形三角形啟動器的結構形式很多，還有自動控制線路可供選用，它們的 減壓啟動原理都是相同的。 停車方式有三種：一是

34、自由停車，二是軟停車，三是制動停車。軟啟動器帶來的 最大好處是軟停車和制動停車，軟停車消除了拖動系統(tǒng)的反慣性沖擊，對于水泵就是 “水錘”效應，制動停車則在一定場合代替了反接制動停車功能。 1.3 變頻軟啟動的原理及應用 變頻器是利用交流異步電動機同步轉速隨電源頻率變化而變化的特性實現(xiàn)電動 0 n 機調(diào)速運行的裝置。變頻器產(chǎn)生于 20 世紀 60 年代。在 20 世紀 70 年代，隨著大功率 晶體管(gtr)的問世，即場效應晶體管的出現(xiàn)和性能不斷提高，使變頻器的性能有了極 大完善和發(fā)展7。 變頻器有以下特點： （a）可很好地實現(xiàn)異步電動機的無級調(diào)速； （b）可方便地進行恒轉矩調(diào)速和恒功率調(diào)速；

35、（c）調(diào)速范圍廣、平滑性較好、機械特性較硬； （d）可實現(xiàn)有效的節(jié)能。 1.3.1 變頻軟啟動的基本結構 以電壓型交-直-交變頻器結構為例 變頻器主電路： 圖 1-5 變頻器主電路 主電路為電動機提供調(diào)頻調(diào)壓電源的電力變換部分。 整流器將工頻電源變換為直流電壓； 濾波器抑制電壓波動、緩沖和平滑直流電壓； 逆變器將直流電變換為頻率可調(diào)的三(單)相交流電。 另外，在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，異步電動機的降速和停機是通過逐漸減小頻率來實現(xiàn) 的，所以通常需要加入能耗制動環(huán)節(jié)。 1.3.2 變頻軟啟動的工作原理 （1）異步電機的調(diào)速方法： 同步轉速： 轉子轉速： p f n 60 0 p f sn 60 )1 (

36、 由上式可見，有三種調(diào)速方法：1)改變極對數(shù)；2)改變轉差率 ；3)改變電源頻ps 率最好的調(diào)速方法。f 變頻調(diào)速：有兩種調(diào)速方式：恒轉矩調(diào)速，恒功率調(diào)速 0 ff 0 ff 圖 1-6 轉矩、轉速、頻率關系圖 （2）變頻調(diào)速器的控制方式： a）恒轉矩調(diào)速（控制方式） n ff fv / 由可知：為了保持電機中的磁通不變，在變頻的同時控制變頻器 m fnu44 . 4 的輸出電壓，即保證為常數(shù)。fu / 由可知：當磁通不變時，即可保證轉矩基本不變。但這種調(diào)速cos 2 ict t t 方式的低速性能較差。 b）恒功率調(diào)速（） n ff 當時，若保持電壓不變而增大頻率時，磁通一定會減小，因而保證

37、功率為一 n ff 常數(shù)。對不同的負載，可采用不同的調(diào)速方式。 圖 1-7 電壓與頻率關系圖 （3）變頻器的正弦波脈寬調(diào)制(spwm)方式 在現(xiàn)代變頻器中，普遍采用(spwm)方式來實現(xiàn)控制：用一系列脈沖，其脈fv / 沖寬度按正弦波進行調(diào)制。這種電壓脈沖序列可以大大減小負載電流中的高次諧波分 量。 圖 1-8 正弦波脈寬調(diào)制 pwm 控制技術有許多種，并且還在不斷發(fā)展中。但從控制思想上分，可把它們分 成四類，即等脈寬 pwm 法、正弦波 pwm 法（spwm） 、磁鏈跟蹤 pwm 法 （svpwm）和電流跟蹤 pwm 法等。 1.4 變頻軟啟動與軟啟動的比較 （a）兩者所具有的功能不同，軟啟

38、動器只有啟動一個功能，但變頻器有三個功能： 啟動、調(diào)速、節(jié)能；但是軟啟動器的價格只有變頻器的十分之一，且軟啟動器的啟動 任務完成后，能從回路中切除，但變頻器不能，一直連接在回路中，因此變頻器會發(fā) 熱，這樣會減少其使用壽命。 （b）兩者應用的條件和場所不同，軟啟動適用于重載、不允許有啟動沖擊的場合， 如水泵、輸煤機、傳送帶等。而且用在啟動、停車時；并且要對轉矩要求不高。如果 對啟動轉矩有要求，那也只能用變頻器。變頻器是用于調(diào)速的場合，比如生活供水， 白天用水少，改變頻率，即改變電機轉速，減少供水；晚上用水量大，頻率增加，轉 速增加，增加供水，當然也可用做起停，但成本相對會增高。 （c）變頻器可短

39、時間超載啟動，而軟啟動很難做到。 （d）變頻器在基頻以下是既變頻又變壓的，而在基頻以上是不變壓的而軟啟動 只是一個調(diào)壓器，但是現(xiàn)在國外的軟啟動器有的還可在電動機運行過程中進行功率因 數(shù)的時時監(jiān)控，然后反饋實現(xiàn)調(diào)壓，用于節(jié)能。 不過現(xiàn)在兩者界限也越來越模糊了，主要是看最后使用有沒有調(diào)頻的要求。但是 由于變頻器價格高，所以軟啟動器還是被廣泛采用。 2 晶閘管軟啟動技術原理與節(jié)能 2.1 晶閘管軟啟動技術原理 隨著電力電子技術的發(fā)展，國際上已廣泛采用交流電動機軟啟（制）動技術，ab 公司、abb 公司、ct 公司、aeg 公司、雷諾爾、世嘉天瑞等公司相繼推出了具有節(jié) 能效果的交流電機軟啟動器。交流電

40、機軟啟動器是當今最先進的用于交流電機啟動、 停止的高新科技產(chǎn)品。它實現(xiàn)了交流電機軟啟動、軟停止，功能完善，性能優(yōu)異，能 滿足工業(yè)電機控制的廣泛需要，是降壓、星三角等傳統(tǒng)啟動控制方式的理想換代產(chǎn)品。 同時，軟啟動控制在空載和輕載運轉時具有節(jié)能效果。 新型的電子式軟啟動器8的主回路一般都采用晶閘管調(diào)壓電路，調(diào)壓電路由六只晶 閘管兩兩反向并聯(lián)組成，串接與電動機的三相供電線路上。當啟動器的微機控制系統(tǒng) 接到啟動指令后，便進行有關的計算，輸出晶閘管的觸發(fā)信號，通過控制晶閘管的導 通角 使啟動器按所設計的模式調(diào)節(jié)輸出電壓，以控制啟動電動機的啟動過程。當啟 動過程完成后，一般啟動器將旁路接觸器吸合，短路掉所

41、有的晶閘管，使電動機直接 投入電網(wǎng)運行，以避免不必要的電能損耗，軟啟動器的控制框圖如圖 2-1 所示。 圖 2-1 電子軟啟動的基本原理圖 所謂“軟啟動” ，實際上就是按照預先設定的控制模式進行的降壓啟動過程。目前 的軟啟動器一般有以下幾種啟動方式9： （1）限流軟啟動 限流軟啟動顧名思義就是在電動機的啟動過程中限制其啟動電流不超過某一設定 值（）的軟啟動方式。主要用在輕載啟動和負載的降壓啟動，其輸出電壓從零開始 m i 迅速增長，直到其輸出電流達到預先設定的電流限值，然后再保持輸出電流 m i 的條件下逐漸升高電壓，直到額定電壓，使電動機轉速逐漸升高，直到額定轉速。 m ii 這種啟動方式的

42、優(yōu)點是啟動電流小，且可按需要調(diào)整（啟動電流的限值必須根 m i 據(jù)電動機的啟動轉矩來設定，值設的過小，將會使啟動失效或燒毀電機）啟動電流。 m i 其缺點是在啟動時難以知道啟動壓降，不能充分利用壓降空間，損失啟動轉矩，啟動 時間相對較長。 下面介紹三種晶閘管軟啟動的方式： a）斜坡恒流軟啟動： 斜坡恒流軟啟動的啟動電流逐步平穩(wěn)增加，啟動轉矩由小逐漸增大（如圖 2-2 所 示） 。這樣避免了啟動過程中的沖擊轉矩，以及該沖擊轉矩對設備或電機的沖擊，在斜 坡恒流軟啟動中，當啟動電流增大至所設的啟動電流 i 時，即將該啟動電流保持在設 定的電流值上進行啟動，直至啟動結束。在這種啟動方式的斜坡啟動階段中

43、，啟動電 流的上升變化率是可以任意調(diào)節(jié)的。斜坡恒流軟啟動一般適用于輕載或空載的啟動。 b）階躍恒流軟啟動： 對于一些要求啟動轉矩較大的設備如采用斜坡啟動就不能正常地進行啟動，應采 用階躍恒流軟啟動方式，該方式是在電動機剛啟動的瞬間將電動機的啟動電流直接增 大至所設定的啟動電流值 i 并保持該電路直至啟動完畢，如圖 2-3 所示。這種啟動方式 在啟動瞬間的啟動轉矩較大，適用于較大負載的啟動，如一些帶負載啟動的設備。 c）脈沖恒流軟啟動： 該方式是所介紹的啟動方式中啟動轉矩最大的一種，該啟動方式在啟動初始階段 有一個較大的啟動沖擊電流，該電流值大于設定的恒流啟動值 i，從而產(chǎn)生較大的沖擊 矩去克服

44、較大的靜摩擦轉矩，使設備能夠啟動，然后即進入恒流啟動階段直至啟動完 畢，如圖 2-4 所示。在脈沖恒流軟啟動方式中的脈沖啟動階段電流的幅值（可為全壓 啟動的電流幅值）和維持時間是可以設定的。脈沖恒流軟啟動方式的啟動沖擊轉矩大， 適用于重載啟動。 圖 2-2 斜坡恒流軟啟動 圖 2-3 階躍恒流軟啟動 圖 2-4 脈沖恒流軟啟動 （2）電壓斜坡啟動 電壓斜坡啟動輸出電壓由小到大斜坡線性上升，將傳統(tǒng)的降壓啟動變有級為無級， 主要用在重載啟動。它的缺點是啟動轉矩小，轉矩特性呈拋物線型上升對啟動不利， 并且啟動時間長，對電機不利。改進的方法是采用雙斜坡啟動：輸出電壓先迅速上升 至 u1，u1為電動機啟

45、動所需的最小轉矩所對應的電壓值，然后按設定的速率逐漸升壓， 直至達到額定電壓。初始電壓及電壓上升率可根據(jù)負載特性調(diào)整。這種啟動方式的特 點是啟動電流相對較大，但啟動時間相對較短，適用于重載啟動的電機。 （3）轉矩控制啟動 轉矩控制啟動主要用在重載啟動，它是按電動機的啟動轉矩線性上升的規(guī)律控制 輸出電壓，它的優(yōu)點是啟動平滑、柔性好，對拖動系統(tǒng)有利，同時減少對電網(wǎng)的沖擊， 是最優(yōu)的重載啟動方式。它的缺點是啟動時間較長。 （4）轉矩加突跳控制啟動 轉矩加突跳控制啟動與轉矩控制器啟動一樣也是用在重載啟動的場合。所不同的 是在啟動的瞬間用突跳轉矩，克服拖動系統(tǒng)的靜態(tài)轉矩，然后轉矩平滑上升，可縮短 啟動時

46、間。但是，突跳會給電網(wǎng)發(fā)送尖脈沖，干擾其他負荷，使用時應特別注意。 （5）電壓控制啟動 電壓控制啟動是用在輕載啟動的場合，在保證啟動壓降的前提下使電動機獲得最 大的啟動轉矩，盡可能的縮短啟動時間，是最優(yōu)的輕載軟啟動方式。 各種軟啟動方式的相應啟動曲線見下圖： 圖 2-5 限流啟動 圖 2-6 電壓斜坡軟啟動 圖 2-7 轉矩控制啟動 圖 2-8 轉矩加突跳控制啟動 圖 2-9 電壓控制啟動 由上面幾點不難看出，比較好的的啟動方式應是電壓控制啟動和轉矩控制啟動及 轉矩加突跳控制啟動。 實際應用中，軟啟動具有如下優(yōu)點： （a）啟動電流小，通過調(diào)節(jié)啟動轉矩實現(xiàn)低速啟動，頻繁啟動和軟停止。 （b）在啟

47、停時過度自然，不易傷害設備，節(jié)電效果良好。 （c）當多臺同容量電機工作時，可采用一臺電子式軟啟動器，操作方便。 （d）軟啟動離線仿真研究可以預知在硬啟動過程中電機轉速，電流，線電壓和其 它機械特性，對產(chǎn)品設計和用戶有重要的指導作用。 2.2 軟啟動節(jié)能技術及原理與軟啟動智能化發(fā)展 2.2.1 異步電動機中的損耗 異步電動機運行時的損耗主要由以下幾部分組成:鐵損、銅損、機械損耗以及雜散 損耗。鐵損()指電機的定子鐵心及轉子鐵心內(nèi)產(chǎn)生的損耗，由磁滯損耗()和渦流 i w h w 損耗()組成，可表示為10： e w （2-1） 2 2 6 . 1 1 )(tfbkbkwww fehi 式中 電源頻

48、率，fhz 磁通密度，bt 鐵心材料薄片厚度，tmm 、常數(shù) 1 k 2 k 銅損()則由轉子銅損()和定子銅損()組成，可表示為 cu w 1cu w 2cu w （2-2） 2 2 221 2 1111 rimrimwww cucucu 式中，定子、轉子電流，單位： 1 i 2 ia ，定子、轉子相數(shù) 1 m 2 m ，定子、轉子電阻 1 r 2 r 機械損耗()指軸承的摩擦損耗、轉子旋轉時產(chǎn)生的風損等總和。而雜散損耗()是 t w st w 由漏磁通以及高次諧波磁通引起的損耗。因此，當電動機端電壓不變而負載變化時， 有功損耗中，銅耗隨負載率的增加而增加，其余有功損耗幾乎不變，輕載時，因軸

49、 上輸出功率較小，所以電動機效率降低。無功功率幾乎不變，但當輕載時，有功成 分較小，所以電動機功率因數(shù)降低。當電動機運行于額定負載附近時，其效率和功 率因數(shù)為最高。 2.2.2 異步電動機的節(jié)能原理 電動機在輕載時，適當?shù)亟档投ㄗ泳€圈的電壓，則定子電流中的無功分量將減 m i 小，從而使電動機的功率因數(shù)上升。從電動機軟啟動器的節(jié)能效果分析異步電動機的 損耗分為以下5個部分： （a）鐵耗。，顯然鐵耗隨的下降而下降。 fe p fe p 2 1 1 n fe u u p 1 u （b）機械損耗。反映摩擦和風阻等機械損耗，與機械特性有關。在不調(diào)速異 mec p 步電動機中機械特性一般都比較硬，運行點

50、在小滑差范圍內(nèi)變化。當降壓時，輸出轉 矩不變，轉差率 略有增加，機械損耗降低不多。s （c）轉子銅耗。由于電壓的降低導致氣隙磁通下降，而電磁轉矩正 2cu p 1 uf em t 比。為了保持不變，則轉子電流將增加，從而引起轉子銅耗增大。降壓時 2 2cos fi em t 有 2 2 1 2 2 2 1 1 s s v v pp nn cucu （d）定子銅耗。電壓降低時增加而下降，因此，定子電流是增加還是 2cu p 2 t m i 1 i 下降取決于與的大小比例關系。所以，定子損耗在降壓運行時的變化是不確定的。 m i 2 i （e）附加損耗。有主要有兩部分：一部分與磁路中局部飽和程度相

51、聯(lián)系， ad p ad p 可視為與定子線圈感應電勢()的平方成正比；另一部分則為載流導體周圍的雜 1 e 1 u 散損耗，近似與成正比。由以上分析可見，在滿足以下條件時，異步電動機在輕載 1 i 降壓運行時可達到明顯的節(jié)能效果：一是電動機鐵耗在總損耗中所占的比重較大；二 是空載電流較大，且在低負荷運行時，仍在中占較大的比重；三是電機電源電 0 i 0 i 1 i 壓偏高。 一般負載率大于 30%時節(jié)能效果已不明顯，不宜采用節(jié)能模式。實際上，由于電 動機的型式、容量不同以及被拖動負載的性質和工作狀態(tài)不同，節(jié)能效果都不一樣， 不可一概而論。由于在電動機空載或輕載時，采用軟啟動器的節(jié)能模式可提高電

52、動機 的功率因數(shù)，并減少輸電線路和供電變壓器的損耗，因此起到節(jié)能作用。 軟啟動節(jié)能控制系統(tǒng)的核心是如何精確地控制晶閘管的導通角，以滿足自動調(diào)節(jié) 電壓、電流的目的，從而實現(xiàn)軟啟動和節(jié)能。圖2-10是軟啟動節(jié)能控制器的原理框圖11。 圖 2-10 軟啟動節(jié)能控制器原理框圖 控制器的軟啟動環(huán)節(jié)通過檢測啟動時的電流值，調(diào)整給定電壓的大小，在啟動初 期，電壓給定迅速增加，電機的電流也迅速增大，當電機電流達到限流值時，電壓給 定維持不變，使電機電流保持在限流值之下，當電機啟動結束，電流下降到正常狀態(tài) 時，電壓給定按一定斜率上升到最大，電機在全壓狀態(tài)下運行。 電機運行在節(jié)能狀態(tài)時，以基波功率因數(shù)作為控制參量

53、，即檢測基波電壓和電流 的相位角與給定的功率因數(shù)角比較，產(chǎn)生一個偏差信號去調(diào)節(jié)觸發(fā)脈沖的移相角， 改變交流調(diào)壓器的輸出電壓，提高電動機的功率因數(shù)。以一相為例觀察負載波形(見圖 2-11)，負載電流是由強制分量 和自由分量兩部分組成：， 為基波電流。 1 i 2 i 21 iii 1 i 當負載電流 減小至過零點，此時也接近于零點， 與 的過零點十分接近，所以就用i 2 ii 1 i 的過零點作為基波電流 的過零點，誤差較小。也就是取同一相電壓與電流的下降沿i 1 i 過零的相位差作為反映電機負載情況的反饋信號，通過功率因數(shù)調(diào)節(jié)器產(chǎn)生一個合適 的給定電壓，控制電機在效率較高的狀態(tài)下運行。 圖 2

54、-11 功率因數(shù)檢測 2.2.3 軟啟動智能化發(fā)展 能源危機是世界性的，不同領域都在開發(fā)研制新型節(jié)能設備。我國政府對此也十 分重視，推出了針對交流電機節(jié)能的一系列措施，各個廠商的產(chǎn)品也都打著優(yōu)化節(jié)能 的招牌。大功率交流電機軟啟動，有著較好的節(jié)能效果，適用了社會的需要，在未來 交流電機啟動市場，將會扮演更重要的角色。無論選用交流電機軟啟動還是開發(fā)軟啟 動產(chǎn)品，都應將軟啟動優(yōu)化節(jié)能納入考慮范圍。 交流電機軟啟動也具有很好的節(jié)能效果。它利用晶閘管降壓軟啟動負載較輕時功 率因數(shù)低，通過降低控制電壓，提高功率因數(shù)，達到輕載節(jié)能效果。這類負載如風機、 泵類負載，啟動時刻轉矩較低，轉矩隨著轉速的增加而增加。

55、這類負載采用晶閘管電 子軟啟動方式，能很好的減小啟動沖擊電流，而且在停機時可以采用軟停車，避免水 錘效應。當需要降低改變流量時，可以改變輸出電壓有效值，這樣不斷達到調(diào)節(jié)速度 的目的，同時提高系統(tǒng)功率因數(shù)，達到優(yōu)化節(jié)能效果12。 三相交流異步電動機在應用中，常常是在啟動完成后，將電機切換到電網(wǎng)電壓。 當有多臺電動機時，如恒壓供水等水泵群啟動中，常利用一臺軟啟動器啟動多臺電動 機。如何做好單臺軟啟動器啟動多臺電動機，不僅需要設置外部邏輯控制程序，還要 考慮同步切換問題。在變頻軟啟動器，或者分級變頻軟啟動中，當啟動完成后，如何 切換到電網(wǎng)，又如何將工頻運行的電動機切換到變頻器進行軟停車或優(yōu)化節(jié)能控制

56、， 是同步切換技術的關鍵。 隨著軟啟動器諸多功能的增加，如功率因數(shù)控制、通訊、節(jié)能、可視化操作等， 使得軟啟動的智能化大大提高。為實現(xiàn)這些功能，軟啟動多使用微機控制。使用較多 的是16位機，如intel公司的8xc196系列單片機，此外，還有使用8位和32位機，有的 正在開發(fā)使用dsp作為控制元件的軟啟動器。 2.3 軟啟動行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展方向 2.3.1 軟啟動行業(yè)現(xiàn)狀 電動機軟啟動，是一項技術、一類產(chǎn)品、一個行業(yè)。發(fā)達國家軟啟動行業(yè)現(xiàn)狀： 從進口軟啟動產(chǎn)品看，發(fā)達國家的電動機軟啟動產(chǎn)品主要是固態(tài)軟啟動裝置：晶閘管 軟啟動和兼作軟啟動的變頻器。在生產(chǎn)工藝兼有調(diào)速要求時，當然采用變頻裝置，在 沒

57、有調(diào)速要求的使用場合下，啟動負載較輕時（例如風機、水泵）采用晶閘管軟啟動， 在重載或負載功率特別大的時候，才用變頻軟啟動。晶閘管軟啟動裝置是發(fā)達國家軟 啟動的主流產(chǎn)品，各知名電氣公司均有自己晶閘管軟啟動的品牌，在其功能上又各具 特色。能夠生產(chǎn)電壓（610kv）晶閘管軟啟動產(chǎn)品的廠家不多。系列生產(chǎn)的晶閘管軟 啟動裝置的最高電壓等級為12kv，最大容量為5000kw。 由于液態(tài)軟啟動產(chǎn)品的種種缺點，液態(tài)軟啟動產(chǎn)品在降壓軟啟動領域難有立足之 地。據(jù)我了解，發(fā)達國家生產(chǎn)的液態(tài)軟啟動產(chǎn)品，一律用在中壓繞線轉子電動機軟啟 動中。進口液態(tài)軟啟動產(chǎn)品的生產(chǎn)年代，60年代到90年代都有。在新世紀里的第12個 1

58、0年里，在發(fā)達國家會不會被淘汰，現(xiàn)在還很難斷言。 2.3.2 軟啟動的發(fā)展方向 （1）短期展望：軟啟動將仍然以各種形式的降壓（限流）軟啟動為它的主要形式。 從理論上說，性能價格比高的產(chǎn)品將占有更大的市場份額。但是，在各種應用場合， 人們對于各種性能的側重面不同，使各類啟動產(chǎn)品（包括傳統(tǒng)的星三角啟動）在市場 上都可能會贏得自己的一席之地。 側重面有客觀和主觀兩個方面。客觀方面：例如使用環(huán)境條件（溫度、濕度變化 范圍） ，啟動負載輕重，使用的頻繁度、防爆、防塵要求等等，例如，南方的用戶就不 會很在意于液態(tài)軟啟動液阻會不會結冰；主觀方面：主管人員的知識水平，維護人員 的技術水平、用戶單位的管理水平等

59、等。顯然，主管技術人員知識老化的單位，是不 會樂意選用高技術含量產(chǎn)品的。 （2）長期展望：變頻軟啟動將成為軟啟動的主流。各種形式的降壓軟啟動將與星 三角啟動等技術一起歸并為傳統(tǒng)的啟動技術。隨著變頻器價格的逐漸下降，可靠性的 進一步提高，也隨著技術人員水平的提高，僅僅為軟啟動而選用變頻器將不再會被人 們認為是一種奢侈。變頻軟啟動將會慢慢勝出的 （3）根本原因：它可以在限流（啟動電流不超過電機額定電流值）的同時獲得大 的啟動轉矩，可以實現(xiàn)包括軟停止在內(nèi)的各種啟動功能。 對于僅僅為軟啟動而制作的變頻器而言，應在啟動完成后使變頻器脫電，使電動 機直掛電網(wǎng)。這樣做的目的是節(jié)能，消除無謂的損耗。這種操作應

60、該在絕對安全的不 引起電流沖擊的條件下完成，或者叫做軟切換。軟切換的可能步驟是“先脫（電）后 掛（網(wǎng)） ”或“先掛后脫” 。軟切換應該在基本上不增加硬件（例如軟切換電抗器）的 條件下主要靠軟件完成。 未來成為主流產(chǎn)品的軟啟動裝置將是帶有軟切換功能的廉價的變頻器。 3 matlab/simulink 工具箱的簡介 3.1 matlab 簡介 matlab是矩陣實驗室（matrix laboratory）之意。除具備卓越的數(shù)值計算能力外， 它還提供了專業(yè)水平的符號計算，文字處理，可視化建模仿真和實時控制等功能。 matlab的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學，工程中常用的形式十 分相似，故