软起动器基本原理及应用课程课件

软起动器的基本原理与应用

软起动器的基本原理与应用

一､慨述交流异步电动机应用非常广泛，有许多不调速的场合，仅需要对电机进行起动，由于起动电流过大，会对电网和其他用电设备造成冲击，受电网容量的限制和保护其他用电设备正常工作，应对电机的起动过程加以控制。传统的起动方式：低压电机：串电阻起动，自耦减压起动，星三角起动，绕线式电机转子串电阻起动等。高压电机：串电抗器起动，绕线式电机转子串水阻起动器起动，频敏变阻起动等。

电机的传统起动方式缺点是明显的，即起动电流和机械冲击较大，起动器体积过大。随着电力电子技术，微机技术和现代控制技术的发展，电机软起动技术出现且成熟。

二､软起动器基本原理由图1交流异步电动机等值电路图，在忽略激磁电流I0的条件下，有

图1交流异步电动机等值电路图（1）

由(1)式可知，电动机直接起动时，n=0，S=1，定子旋转磁场以同步转速切割转子线圈，在转子线圈中感应很大的电势，转子的等效阻抗很小，感应电流很大，则与之平衡的定子电流的负载分量也随之急剧增加；随着转速的提高，转子等效阻抗逐渐增大，相应的定子电流也随之减小。式中，如不考虑温度的影响，电机的定､转子电阻和定子电抗为常数，转子的电抗随转速改变，无法进行控制，但电子电流与端电压成正比，控制端电压可控制定子电流。（1）星-三角起动器自耦减压起动其电路图（2）自耦减压起动图2软起动器电路拓扑方案(a)(b)(C)(d)(e)(f)

利用双向（两只单向反并联）晶闸管的相控交流调压原理，通过改变相控角来改变加在电机定子上电压的均方根值。晶闸管过载能力强，价格便宜。三､软起动器电路拓扑结构方案1､低压软起动器（1100V以下）电路拓扑结构方案如图2有多种结构方案，(a)､(b)方案对称性好谐波比较少。（c）方案由晶闸管和二极管反并联构成，软启动器起动时，二极管导通角为180度，晶闸管导通角由小变大，逐渐增加，波形严重不对称，谐波较大，且电流中既有交流分量又有直流分量，叠加后的数值很大，引起电动机和输电线路发热。（d）、（f）方案只有两相（一相）有晶闸管，另一（二）相为直通，对称性较差。（c）、（d）、（f）使用元件相对较少。（e）这种方案在同等容量下，晶闸管承受的电流小，承受的电压高，需引出六个端子。另外，还由其他的电路拓扑结构方案，由于有这样或那样的缺点，最常用的是(a)､(b)方案。

2､高压软起动器电路拓扑方案（6000v以上）这种结构由低压软起动演变而来，由于SCR串联对器件的一致性和阀体均压性能要求较高，技术难度较大。电压等级越高，技术难越大。图3SCR直接串联形式

利用高压变频器作为软起动器。四､软起动器的控制方式：1､电压斜坡式起动控制方式电压斜坡式起动控制方式是一种开环控制方式，是软起动器最早起动方式。它的电压按预先设定好的曲线变化，其斜率由斜坡上升的时间t决定。另外，当起动之初电压低于一定值时（一般为120v左右）图4电压斜坡/电压突跳方式曲线电机转矩小于负载转矩，电机不能运转，反而使电机发热，因此电压斜坡式起动控制方式的电压不是从0开始上升，而是有一初始电压U0。这个电压通常要根据负载特性设定成能使电机起动所需的最小电压。也可设置为按两段斜率起动。起动效果受到负载和电源变化的影响，因此无法准确地获得希望的效果，往往需要反复调试才能达到比较满意的起动效果。2､电压突跳式起动控制方式有些负载，在静止状态下有较大的静阻力矩，在电机起动初始需要很大的转矩使电机起动，当电机一旦转动起来，阻力矩反而减小。对此，起动时加一短时的高电压Ub(其值和时间可以设置）以克服阻力矩，如图4。3､电流限幅起动控制方式电压斜坡起动控制方式是开环控制，因此斜坡上升率不能随系统的变化自动调节，往往电流会超出所希望的值，由此发展了电流限幅控制方式。电流限幅起动控制方式是一种闭环控制方式。起动过程中，需要不断地采样和调整电机电流，使之具有图5的电流曲线。这种控制方式特别适合恒转矩负载，限幅值2.5IN~5IN。在电网容量受限时时电机以最小的起动电流快速起动。3､电流限幅起动控制方式图5电流限幅/电流斜坡方式曲线图电流限幅电流突跳电流斜坡4､电流斜坡起动控制方式如图5所示，初始电流为使电机起动所需的最小电流这种控制方式使电机电流按照设定的曲线逐步上升，直达到设定的最大电流值，然后保持到起动完成。电流斜坡起动控制方式同样可设置为多段，也可加突跳电流。这种控制方式是电流限幅起动方式控制方式的扩展，特别适于具有平方转矩特性的风机､泵类负载，起动时所需要的转矩很小，随着转速的上升，所需转矩近似成平方关系增加。因此，起动初始宜加小的起动电流，随着转速的上升，起动电流也随之上升，这样有利于负载的平稳起动，电机发热较少。5､转矩控制方式由于大型感应电机在起动过程后期，功率因数变化很快，转子转速常常超过同步转速，经过一个衰减震荡过程才能达到稳态运行点，电机负载力矩越小和转动惯量越小就越容易发生震荡，这种现象叫“超标”。对于采用电流闭环的软起动器，PI调节器的输出跟随电流的下降，反而会5､转矩控制方式输出更大，控制触发角迅速推至全压，使得电动机输出转矩过冲，造成系统震荡。于是有一些新的控制方法来克服这个问题，目前有转矩控制方式和模糊控制方式。转矩控制方式原理如下：电动机的电磁转矩（2）式中：为电动机的电磁功率为旋转磁场的角速度又（3）因此，电磁转矩（4）基于上述方程的控制方框图如图6所示。通过实时检测三相电流､功率因数结合实际SCR触发角计算出电机的实际转矩作为反馈再通过PID调节器输出电压实现转矩的闭环控制，如图6所示：

转矩控制方式能很好地解决转矩过冲问题，但是同时应当看到重构电机转矩有相当的难度，由式（1）､（4）可见，电动机的转矩还同转速（转差率）有关，从T(t)到U(t)的映射很不明显，因而对电压轨线不易做到准确实际转矩三相电流功率因数图6转矩控制方式原理图6､模糊控制方式电流限幅起动控制方式不能有效的克服负载､模型的大范围变化，特别是起动过程中电动机参数的变化和不确定性，传统的PID调节器，难以达到理想的控制效果，易产生震荡。而起动过程中电动机的电流与晶闸管调压电路的控制很难得出精确的数学模型，同时，电动机本身又是一个高阶､非线性､强耦合的被控对象，因此实现准确地转矩控制很困难。不依赖被控对象的精确数学模型用模糊控制进行控制，适合电动机软起动控制。下式是一种带多个加权因子的软起动器模糊控制规则，如（5）式：的预测。（5）这里，需要选择合适的电流偏差范围，如将3A的电流偏差E经比例因子K1变换到[-9,+9]论域中，并选取7个模糊子集，即{负大，负中，负小．零，正小，正中，正大}，将8A的电流偏差变化率Ec经量化因子K2变换到[-4，4]的论域中，并选取5个模糊子集，即{负大，负小，零，正小，正大}。通过调整加权因子的取值，可以改变偏差和偏差变化铅率对输僻出控制梁量的权制重。要韵适应系州统状态料的变化抓，加权笛因子步应设置测多个，交根据系唐统状态旁不同的变背化，生选取纺不同触的加糠权因絮子。模糊循控制办相对宇与其军他方普式来听说，朱能够抖实现汪系统的平稳捉起动，展控制较具容易实万现且负深载适应陈能力强向。7､分级变扒频起动笼控制方睁式前述的舰起动控套制方式杜都基于耍降压控束制原理附，电动机咱电磁转迈矩与端膏电压的独平方成火正比，躬因此，起动处转矩司相应线减少僚，一撤般负诞载起绵动转凭矩在浓额定转矩耗的6暮0%绣时，荐可采呈用减均压或订软起凳动其狂起动邪。另外宽，起宇动过唱程中解，电映动机秒的转丽差率S始终维小于赛1，起动掘电流迫通常和较大稻。分级变荒频起动汉方式在录改变电缴压的同平时也改酸变频率，实瞧现了高琴转矩的V/咱F控制。靠分级变选频起动单方式的主怖电路共拓扑该结构背同一臭般软损起动信器相驴同。舅将交坡流电进行N分频怕，频翅率不喜连续余，如困50附/N……50薪/3可､50/喊2､50。方法是俭将N个周期全的交流桥电合并教，如图轮7中所秩示：图7华分级恰变频方渐式25Hz和10Hz时一症相电魔压波录形图阴影正为晶蜡闸管靠导通乓，红停线为犯25Hz，蓝线六为1帝0Hz波形图利。起动洪过程它中，状控制酸晶闸坊管时恭电机渠定子另端电美压按预设摩的分休频级愿数上道升，蜜如5携0/温13蛛5勿0/稳7现50醒/4就50罗/250验/2慢5槐0Hz。停车虚按相振反的萍顺序舒进行摇。由于连分级瘦变频糟起动志电压､电流､频率不肃连续，捏因而电鹊动机的仔转矩是修脉动的加，起动宇过程中刑特别在廊低频时答振动和酬发热比浩较严重樱。8､转速吓闭环宵控制转速控逐制方式嫁实际上做是转速蓄—电流晒双闭环录控制，之这种控搅制方式厘同转矩锦控制方炸式有类舱似之处访，均须固控制转危矩。电听动机的劫转矩还累与转速稳有关，散转速闭妙环后，转矩厘控制孝方式巨控制瞎电机题的转榨矩，渠目的诵是为搏了获载得稳句定的拒转矩数；而转炎速闭抓环控测制方震式控撇制电锤机的老转速北，目泳的是稿使负浙载按偿给定的膀转速肠曲线哈起停屿。这种控哪制方式矛适合矿口山皮带蛋运输机筛，不可厨控的起切动与停止过跪程，将煤产生很鼻大的加肤速度和弓冲击，晕造成物训料滑落摩，损坏席设备篮和传拾送带交。9､软停园车方盲式10､直流绢制动T1､T2正半挽周导钉通，坏负半疮周截汉止。11､节能运钢行电动否机调菊压节雀能，停谐波颜增加骡使功窄率因祝数､输出转德矩降低功耗：3W/耍A；允哪许起貌动次恰数：银每小柏时不镇超过20次。电动机捆转子发渣热也要迁消耗一房诚定的能喉量，节撒能有限原。五､软起除动器云应用软起动常器是一陵种电动敲机起动彼的新概责念产品议，完全雀取代星甜—三角朽起动､自耦减串压起动满等传统保的起动俊器，广云泛应用冲于各工例业领域端。市面版上软起桌动器种冶类繁多占，一般首都具有吗电压斜粥坡式起遣动控制洪方式､电压消突跳抗式起站动控组制方联式､电流