三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的研究

1、作 者儲(chǔ)國(guó)良指導(dǎo)教師俞 鶴摘要：三相異步電動(dòng)機(jī)因?yàn)槠洫?dú)特的優(yōu)點(diǎn)，使其在工農(nóng)業(yè)及其他各行各業(yè)中都有廣泛的應(yīng)用。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)電動(dòng)機(jī)的要求也越來(lái)越高，我們習(xí)慣用的傳統(tǒng)的起動(dòng)方式不能滿足現(xiàn)代化的要求，傳統(tǒng)的起動(dòng)方法起動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的電流沖擊大，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小。為了改善三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特征，本文設(shè)計(jì)了一種以TMS320LF2407 DSP處理器為核心的高性能三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器，其主要是通過(guò)控制晶閘管的觸發(fā)角來(lái)達(dá)到控制電壓的目的。本文闡述了軟起動(dòng)器晶閘管調(diào)壓電路的工作原理、主電路、保護(hù)電路等的設(shè)計(jì)?；谠摲绞降能泦?dòng)器采用晶閘管調(diào)壓式，通過(guò)改變晶閘管的導(dǎo)通角來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)定子兩端電壓的調(diào)節(jié)。從而來(lái)實(shí)現(xiàn)三相

2、異步電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)、軟停車(chē)等功能。關(guān)鍵詞：三相異步電動(dòng)機(jī)；DSP；晶閘管；軟起動(dòng)器The study of asynchronous motor soft starterAbstract: three-phase asynchronous motor becauseof it advantages, so that in the industrial, agricultural,and other industries are widely used. With the development of economy, the motors are increasingly high requi

3、rements, we used the traditional starting mode can not satisfy the requirement of modernization, the traditional method of starting at the starting grid on the current impact, starting torque is small. In order to improve the starting characteristics of three-phase asynchronous motor, this paper int

4、roduces a design of TMS320LF2407DSP processor as the core of a high performance three-phase asynchronous motor soft starter. This paper expounds the soft starter thyristor voltage regulating circuit working principle, mainly for the thyristor soft starter of three-phase asynchronous motor main circu

5、it.Based on the way of the soft starter using thyristor voltage regulating, by changing the conduction angle of thyristor to realize on the both ends of the stator voltage regulator. In order to realize the three-phase asynchronous motor soft starting, soft stop function.Key words: asynchronous moto

6、r; DSP; thyristor; soft starter分享到翻譯結(jié)果重試抱歉，系統(tǒng)響應(yīng)超時(shí)，請(qǐng)稍后再試· 支持中英、中日在線互譯· 支持網(wǎng)頁(yè)翻譯，在輸入框輸入網(wǎng)頁(yè)地址即可· 提供一鍵清空、復(fù)制功能、支持雙語(yǔ)對(duì)照查看，使您體驗(yàn)更加流暢目錄1 引言41.1 三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器研究的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀41.2本課題的目的4本課題研究?jī)?nèi)容52異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)52.1 三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方式62.2 軟起動(dòng)與一般降壓起動(dòng)的區(qū)別112.3異步電動(dòng)機(jī)的等效電路133 軟起動(dòng)器系統(tǒng)153.1 晶閘管相控調(diào)壓原理153.2 負(fù)載端電壓與觸發(fā)角之間的關(guān)系16第一種工作情況17第

7、二種工作情況17軟啟動(dòng)器的停車(chē)功能203.4 軟起動(dòng)器系統(tǒng)運(yùn)行的控制系統(tǒng)214 軟啟動(dòng)器電路的設(shè)計(jì)214.1 軟起動(dòng)器主電路的設(shè)計(jì)21保護(hù)電路設(shè)計(jì)235 TMS320LF2407A DSP介紹24結(jié)束語(yǔ)24參考文獻(xiàn)25致謝261 引言三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器研究的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀我國(guó)軟起動(dòng)技術(shù)起步于上世紀(jì)80年代早期，目前有200多家公司生產(chǎn)電機(jī)啟動(dòng)器，先后也推出了多種品牌的軟起動(dòng)器。雖然取得很大成績(jī)，但由于基礎(chǔ)薄弱，所以國(guó)內(nèi)的自主開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的能力還相對(duì)較弱，還在相當(dāng)程度上依賴著國(guó)外產(chǎn)品。在技術(shù)上與國(guó)外同類產(chǎn)品也有一定的差距。所以在軟起動(dòng)器的市場(chǎng)上，占據(jù)統(tǒng)治地位的還是國(guó)外產(chǎn)品。目前市場(chǎng)上生產(chǎn)的軟啟動(dòng)器

8、主要以機(jī)械式和三相反并聯(lián)晶閘管方式為主。機(jī)械式啟動(dòng)器是目前使用比較廣泛的啟動(dòng)方式，但它是有級(jí)起動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生二次沖擊電流，啟動(dòng)電流仍然為標(biāo)稱電流的34倍，且有體積大、噪音大、維護(hù)費(fèi)用高、無(wú)法適應(yīng)惡劣環(huán)境等諸多弊端。近三十年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，使無(wú)電弧開(kāi)關(guān)和連續(xù)調(diào)節(jié)電流成為可能。電力半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件具有無(wú)磨損、壽命長(zhǎng)、功耗小等特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)代控制理論，為實(shí)現(xiàn)三相異步電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)提供了全新的思路。要突破傳統(tǒng)的啟動(dòng)方式，是離不開(kāi)電力電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展的。目前在國(guó)外，發(fā)達(dá)國(guó)家的三相異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)產(chǎn)品主要是晶閘管軟起動(dòng)和兼作軟起動(dòng)的變頻器起動(dòng)。在生產(chǎn)工藝兼有調(diào)

9、速要求時(shí)，采用變頻裝置。在沒(méi)有調(diào)速要求使用的場(chǎng)合下，起動(dòng)負(fù)載較輕時(shí)一般采用晶閘管軟起動(dòng)。在重載或負(fù)載功率特別大的時(shí)候，使用變頻軟起動(dòng)。發(fā)達(dá)國(guó)家軟起動(dòng)的主流產(chǎn)品是晶閘管軟起動(dòng)裝置 ，各知名電氣公司都有自己的晶閘管軟起動(dòng)品牌，在其功能上又各具特色。例如GE公司生產(chǎn)的ASTAT智能電機(jī)軟起動(dòng)器；ABB公司生產(chǎn)的PST、PSTB系列電機(jī)軟起動(dòng)器；施耐德公司的ATS46軟起動(dòng)器；德國(guó)SIEMENS公司的3RW22 SIKOSTART軟起動(dòng)器等等。從總體上看，我國(guó)軟起動(dòng)技術(shù)水平較國(guó)際先進(jìn)水平還差距1015年。1.2 本課題的目的 如圖1.1所示，通過(guò)比較異步電動(dòng)機(jī)的各種起動(dòng)方式，我們可以看出，當(dāng)電動(dòng)機(jī)全壓

10、起動(dòng)時(shí)，對(duì)電網(wǎng)的沖擊最大，沖擊電流最大，沖擊時(shí)間也最長(zhǎng)；而通常使用的降壓起動(dòng)，對(duì)電網(wǎng)的沖擊雖比較小，但因?yàn)樯婕暗揭粋€(gè)線圈電壓的切換過(guò)程，所以出現(xiàn)二次沖擊，而軟起動(dòng)時(shí)電流是緩慢增大至設(shè)定電流的，故沒(méi)有沖擊電流，所以對(duì)電網(wǎng)的影響最小，并且能夠消除起動(dòng)力矩的沖擊。圖1.1 各種起動(dòng)方式1.3 本課題研究?jī)?nèi)容本課題是以DSP處理器為控制核心，設(shè)計(jì)了一個(gè)三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器控制系統(tǒng)。在本文中先了國(guó)內(nèi)外異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀，再詳細(xì)的分析了軟啟動(dòng)器的工作原理，并又介紹了另外的幾種起動(dòng)方法，將之與軟起動(dòng)做比較，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的起動(dòng)方式具有明顯的缺陷。而以DSP為核心處理器的軟起動(dòng)器能夠克服這種不足，實(shí)

11、現(xiàn)無(wú)級(jí)平滑起動(dòng)，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。2 異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)當(dāng)電動(dòng)機(jī)并入電網(wǎng)時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)過(guò)渡到穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)的過(guò)程叫異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程。觀察一個(gè)異步電機(jī)的起動(dòng)性能主要就是看它的起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此我們選擇異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方式時(shí)要考慮如何盡可能的降低起動(dòng)電流，增大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。目前應(yīng)用較為普遍的有自耦變壓器起動(dòng)、串電阻或串電抗起動(dòng)、Y起動(dòng)等方法。這些傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)方法雖然能夠縮短電流沖擊的時(shí)間，但并沒(méi)有從本質(zhì)上解決問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)能夠快速的達(dá)到它的額定轉(zhuǎn)速并正常工作，要求電動(dòng)機(jī)具有足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩同時(shí)起動(dòng)電流不能太大。因此，我們要想辦法在起動(dòng)電流較小的情況下，如何能獲得較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

12、近三十年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制理論與電力電子技術(shù)的緊密結(jié)合，出現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)技術(shù)，這是一個(gè)從全新的思路去實(shí)現(xiàn)的電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)，軟起動(dòng)技術(shù)具有傳統(tǒng)起動(dòng)方法所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方式.1直接起動(dòng)對(duì)于電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)最簡(jiǎn)單、最直接的起動(dòng)方法就是直接起動(dòng)法，只是在一般情況下，直接起動(dòng)會(huì)造成電流相當(dāng)大而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩卻不大的結(jié)果，例如在鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)中起動(dòng)電流 (2.1)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 (2.2)較大的起動(dòng)電流對(duì)于繞組是非常不利的，特別對(duì)于需要頻繁起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，起動(dòng)電流過(guò)大會(huì)使電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，縮短電動(dòng)機(jī)的使用壽命。過(guò)大的起動(dòng)電流，還會(huì)造成線路中的電壓增大，在輸電壓一定的情況下

13、，其他設(shè)備的電壓就相對(duì)下降，這可能就會(huì)影響到其它設(shè)備的正常運(yùn)行。而相對(duì)較小的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，又可能造成電機(jī)的起動(dòng)困難，只有在Tst大于(1.1-1.2)Tl時(shí)，電動(dòng)機(jī)才能正常起動(dòng)。一般情況下，異步電動(dòng)機(jī)的功率小于75kW時(shí)允許可直接起動(dòng)，當(dāng)功率大于75kW，電源總?cè)萘恳草^大，且滿足 (2.3)時(shí)也可采用直接起動(dòng)。如圖2.1所示，我們可以看出，直接起動(dòng)的起動(dòng)線路是最簡(jiǎn)單的。圖2.1 直接啟動(dòng)原理圖傳統(tǒng)降壓起動(dòng)降壓起動(dòng)是在起動(dòng)時(shí)先降低定子繞組上的電壓，起動(dòng)后，再把電壓恢復(fù)到額定值。降壓起動(dòng)雖然可以減小起動(dòng)電流，但是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也會(huì)同時(shí)減小。因此，降壓起動(dòng)方法一般只適用于輕載或空載情況下起動(dòng)。降壓起動(dòng)的具體方

14、法很多，這里介紹下列四種降壓起動(dòng)的方法。（1）阻抗起動(dòng) 如下圖所示，阻抗起動(dòng)就是在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，將電抗器接入定子繞組回路，啟動(dòng)后，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定程度后再短接電抗器，使電動(dòng)機(jī)恢復(fù)在全壓下運(yùn)行。 在定子回路接入電抗器時(shí)，電抗器起到分壓的效果，也就達(dá)到了降壓的目的。(2.4)從上式看出阻抗起動(dòng)降低了起動(dòng)電流，但一樣也降低了起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，所以阻抗起動(dòng)只適用于空載和輕載起動(dòng)。圖 阻抗起動(dòng)原理圖（2）Y降壓起動(dòng)Y起動(dòng)適用于正常運(yùn)行時(shí)定子繞組為三角形連結(jié)的異步電動(dòng)機(jī)。接線原理圖如下所示，啟動(dòng)時(shí)使接觸器觸頭KM 1 、KM 3閉合，定子三相繞組接成星形，這時(shí)每繞組的相電壓為三角形連接(全壓)時(shí)的從而達(dá)到電動(dòng)機(jī)降壓

15、起動(dòng)的效果，Y起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩都減小為直接啟動(dòng)時(shí)的1/3，所以也只適合用于空載或輕載起動(dòng)。起動(dòng)后，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定程度后，使KM 3斷開(kāi)、KM2閉合，定子繞組改接成三角形聯(lián)結(jié)，電動(dòng)機(jī)全壓運(yùn)行。圖2.3 Y-起動(dòng)原理圖（3）自耦變壓器起動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)自耦變壓器起動(dòng)電路如圖2.4所示，啟動(dòng)時(shí)，開(kāi)關(guān)Q投向2端，三相自耦變壓器T的三個(gè)繞組接到三相電源上，達(dá)到了降壓的效果。起動(dòng)后，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到一定程度后，開(kāi)關(guān)Q投向1端，使自耦變壓器短接，恢復(fù)定子繞組的全壓運(yùn)行。圖2.4 自耦變壓器起動(dòng)原理圖采用自耦變壓器降壓起動(dòng)時(shí)，其電壓降為直接起動(dòng)時(shí)的N2/N1倍，起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩降低到直接起動(dòng)時(shí)的（N2/N

16、1）2倍。自耦變壓起動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩降低的相對(duì)較小，所以能拖動(dòng)較大的負(fù)載運(yùn)行。2.1.3 軟起動(dòng)的起動(dòng)方法前面介紹的起動(dòng)方法都是有級(jí)起動(dòng)，且都只是適合那些空載或輕載運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)中從一級(jí)切換到另一級(jí)必然會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)的沖擊電流，從而造成起動(dòng)不平穩(wěn)。隨著電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，軟起動(dòng)器作為一種新的無(wú)級(jí)起動(dòng)器越來(lái)越被人們所認(rèn)可，軟起動(dòng)以其良好的起動(dòng)性能和保護(hù)性能被廣泛應(yīng)用與異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)運(yùn)行中。軟起動(dòng)有很多起動(dòng)方法，以下介紹幾種常用軟移動(dòng)的起動(dòng)方法。（1）斜坡電壓軟起動(dòng)起動(dòng)電壓從較低的起始電壓開(kāi)始，以固定的速率上升，直至達(dá)到額定電壓，這種電壓由小到大的斜坡線性上升，將傳統(tǒng)的有級(jí)壓

17、降起動(dòng)變?yōu)闊o(wú)級(jí)起動(dòng)。斜坡電壓軟起動(dòng)的原理圖如下所示。只是這種起動(dòng)方式的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)電機(jī)不利，主要應(yīng)用于重載起動(dòng)。圖2.5 斜坡電壓軟起動(dòng)（2）斜坡恒流軟起動(dòng) 斜坡恒流軟起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流先逐漸的上升至預(yù)先設(shè)定的值Im，并保持不變，當(dāng)起動(dòng)完畢后，電流才降為正常運(yùn)行電流4.5）In，該起動(dòng)方法的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)電流小，在起動(dòng)過(guò)程中，電流上升速率越大，那么起動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大，起動(dòng)時(shí)間越短。其電流的限定值也可根據(jù)實(shí)際需要自行調(diào)整。所以該起動(dòng)方式是應(yīng)用最多的一種起動(dòng)。（3）轉(zhuǎn)矩控制軟起動(dòng) 轉(zhuǎn)矩控制軟起動(dòng)原理圖如下所示。該軟起動(dòng)其輸出電壓是按電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩線性上升的規(guī)律來(lái)控制的，它由于起動(dòng)平滑，對(duì)電網(wǎng)的

18、沖擊最小，所以主要被應(yīng)用于重載起動(dòng)，它的缺點(diǎn)是起動(dòng)的時(shí)間長(zhǎng)。圖2.7 轉(zhuǎn)矩控制軟啟動(dòng)（4）轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動(dòng)轉(zhuǎn)矩加突控制起動(dòng)和轉(zhuǎn)矩控制起動(dòng)一樣，也是用在重載起動(dòng)的場(chǎng)合。所不同的是在起動(dòng)的瞬間用突跳轉(zhuǎn)矩，克服拖動(dòng)系統(tǒng)的靜轉(zhuǎn)矩，然后轉(zhuǎn)矩平滑上升。圖2.8 轉(zhuǎn)矩加突跳控制起動(dòng)波形軟起動(dòng)與一般降壓起動(dòng)的區(qū)別上述介紹的幾種傳統(tǒng)降壓起動(dòng)方式與本文介紹的軟起動(dòng)是有明顯差別的。傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)是在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，降低加到電動(dòng)機(jī)定子繞組的電壓，從而達(dá)到減小電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流的目的。但傳統(tǒng)的降壓?jiǎn)?dòng)時(shí)加在電動(dòng)機(jī)定子繞組的電壓變化是瞬間突變的，能夠在電路中引起二次沖擊電流，所以屬于有級(jí)降壓起動(dòng)。而軟起動(dòng)是連續(xù)、平滑地上升

19、直到達(dá)到額定電壓，屬于無(wú)級(jí)起動(dòng)。軟起動(dòng)能做到恒流起動(dòng)，確保電機(jī)平穩(wěn)起動(dòng)；啟動(dòng)過(guò)程中也不會(huì)出現(xiàn)沖擊電流，電動(dòng)機(jī)中的電流都是從小線性上升至設(shè)定值的，所以電動(dòng)機(jī)對(duì)電網(wǎng)無(wú)沖擊；異步電動(dòng)機(jī)采用軟起動(dòng)時(shí)不受電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響；傳統(tǒng)的控制起動(dòng)方式在讓電機(jī)停機(jī)時(shí)，一般都是直接斷電使其停止運(yùn)行。而采用軟起動(dòng)時(shí)，可以通過(guò)控制晶閘管導(dǎo)通角從全導(dǎo)通逐漸的減小，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間平滑的達(dá)到關(guān)閉的過(guò)程，這也就是只有當(dāng)軟起動(dòng)時(shí)才能實(shí)現(xiàn)的軟停車(chē)功能。異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性可用轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系式來(lái)表示，其特性曲線如下圖所示圖 異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性圖中：Sm為電動(dòng)機(jī)在最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)差率；Tm為電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩；TN為電動(dòng)機(jī)額定電壓；為電動(dòng)

20、機(jī)理想空載轉(zhuǎn)速；T為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩；為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。m，即此時(shí)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)小于NN、UN m Tm、Tm幾個(gè)值間跳躍，采用這樣的起動(dòng)方法是不平滑的，具有明顯的缺陷的。而軟起動(dòng)是從一開(kāi)始電壓就是連續(xù)平滑的增加，在圖中從第一根曲線平行連續(xù)不斷的向右移動(dòng)，直至增加到額定電壓U。這樣電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩也就隨之相應(yīng)的平滑的增大，直至增大到轉(zhuǎn)矩的最大值Tm。這樣的運(yùn)行過(guò)程不再像以前的那樣跳躍，而整個(gè)過(guò)程都是平滑、平穩(wěn)的。所以軟起動(dòng)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。在下表中，詳細(xì)的列出了各種起動(dòng)方法的主要電氣性能的具體數(shù)據(jù)，通過(guò)比較，我們很容易得出，軟起動(dòng)是異步電動(dòng)機(jī)的最優(yōu)起動(dòng)方式。表1 各種起動(dòng)方式基本性能對(duì)比表起動(dòng)方式電氣性能全壓起

21、動(dòng)星-三角起動(dòng)定子串電阻起動(dòng)自耦變壓器起動(dòng)軟起動(dòng)起動(dòng)級(jí)數(shù) 12 3或2 4、3、2 無(wú)級(jí)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為真接起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的倍數(shù)100%33%33%49%30%40%或60%可設(shè)定啟動(dòng)電流為真接起動(dòng)電流的倍數(shù)100%33%58%70%30%40%或60%可設(shè)定起動(dòng)電流為額定電流的倍數(shù)47 646需要的接線端子數(shù)3個(gè)最小6個(gè)3個(gè)3個(gè)3個(gè)2.3 異步電動(dòng)機(jī)的等效電路為了進(jìn)一步了解認(rèn)識(shí)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過(guò)程，及起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)矩、電流、電壓等變量間的關(guān)系，我們將抽象復(fù)雜的異步電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)化等效為T(mén)型穩(wěn)態(tài)電路，通過(guò)建立等效電路的數(shù)學(xué)模型，使我們對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的分析更加的明確、簡(jiǎn)便。三相異步電動(dòng)機(jī)的T形等效電路如下所示：圖2.

22、9異步電動(dòng)機(jī)的T型等效電路其中，x1為定子繞組的漏電抗，x2為歸算到定子方面的轉(zhuǎn)子繞組的漏抗，r1為定子繞組的電阻，r2為歸算到定子方面的轉(zhuǎn)子繞組的電阻。xm代表與主磁通相對(duì)應(yīng)的鐵心磁路的勵(lì)磁電抗，rm代表與定子鐵心損耗所對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電阻。i1為定子電流向量，E1為定子感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)向量，U1為定子電壓向量，im為磁電流向量。對(duì)于T形等效電路的數(shù)學(xué)模型：(2.5)(2.6)(2.7)(2.8)由上四式可得：(2.9)在異步電動(dòng)機(jī)里，因?yàn)閞1<x1，rm<<xm，故可以近似省略r1，rm，則式(2-9)可以又可表示為： ()由等效電路可知，異步電動(dòng)機(jī)輸入的電功率P1分別消耗在定子繞組

23、的電阻中即為定子銅耗Pcu1，一部分消耗在定子鐵心上即鐵耗PFe，剩余的為電磁功耗Pem。其中Pem為：(2.11)電磁轉(zhuǎn)矩為：(2.12)其中，為轉(zhuǎn)子角速度；Pem為機(jī)械功率；為同步角速度。由式)和式)可得：(2.13)根據(jù)T形等效電路可得：(2.14)將式)代入)得：(2.15)剛起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子n=0，轉(zhuǎn)差率s=1，此時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為：(2.16)同時(shí)，由于激磁電流相對(duì)較小即，近似為1，由式)的得起動(dòng)電流為：(2.17)由式(2-16)和式(2-17)可知，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩跟定子兩端電壓的平方成正比，起動(dòng)電流跟定子電壓成正比，即當(dāng)電子電壓較低時(shí)，起動(dòng)電流就較小，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩也較小。反之亦然。3 軟起動(dòng)器系統(tǒng)

24、軟啟動(dòng)器是包括軟起動(dòng)，軟停車(chē)為一體的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行裝置，猶如其平滑的優(yōu)良的性能得到廣泛的應(yīng)用，是一種新型的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行裝置。軟啟動(dòng)器最核心的原理就是通過(guò)控制接在電源與定子間的三相并聯(lián)的晶閘管的導(dǎo)通角。也就是通過(guò)改變晶閘管的觸發(fā)角來(lái)控制調(diào)壓器的電壓輸出以滿足不同的需要或?qū)崿F(xiàn)不同的功能。這種通過(guò)改變相角的方式來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的輸出電壓，即為移相調(diào)壓。以移相調(diào)壓的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，可使電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)平滑起動(dòng)。所以稱其為軟啟動(dòng)器。3.1 晶閘管相控調(diào)壓原理 為了便于研究計(jì)算，我們畫(huà)出晶閘管調(diào)壓的單相電路，其圖如下3.2所示。UL為晶閘管輸出電壓，Ui為電網(wǎng)相電壓，ZL為電機(jī)一相等效阻抗。圖 3.1晶閘管單相調(diào)

25、壓電路 圖3.2任意一相晶閘管的工作波形上圖為任意一相晶閘管的工作波形輸出圖，陰影部分為晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間。又上圖中可知，其導(dǎo)通的情況只與功率因數(shù)角和晶閘管的控制角有關(guān)。通過(guò)計(jì)算可得出晶閘管的輸出電壓為以下表達(dá)式：)從上式中我們和容易看出，輸出電壓的大小僅與供電電壓U、晶閘管控制角、及功率因數(shù)角有關(guān)，而供電電源U為定值時(shí)，即輸出電壓只有和決定。所以說(shuō)我們可以通過(guò)控制晶閘管觸發(fā)角的導(dǎo)通情況來(lái)控制晶閘管的電壓輸出。對(duì)于軟啟動(dòng)器，不管是它的軟起動(dòng)功能還是其軟停車(chē)功能，都是通過(guò)控制主電路中的晶閘管的導(dǎo)通角實(shí)現(xiàn)的，也就是通過(guò)控制導(dǎo)通角來(lái)控制定子兩端的電壓的，控制定子兩端的電壓以此來(lái)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)器的軟起動(dòng)，軟

26、停車(chē)功能。為了更好的實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)器的功能，現(xiàn)在我們來(lái)分析觸發(fā)角的大小變化與定子電壓的關(guān)系。負(fù)載端電壓與觸發(fā)角之間的關(guān)系根據(jù)電壓有效值定義，軟起動(dòng)器的輸出電壓的有效值為：)根據(jù)對(duì)取值的不同，晶閘管工作的情況就會(huì)不同，通過(guò)分析總結(jié)我們得出調(diào)壓器有兩種不同的工作狀態(tài)：第一種情況是每相中有一只晶閘管關(guān)斷，一只導(dǎo)通；第二種情況就是其中一相的兩只晶閘管都關(guān)斷，而其他二相中都擁有一只晶閘管是導(dǎo)通的。因?yàn)槿M反相并聯(lián)的晶閘管調(diào)壓器是平衡對(duì)稱的，以下我們只對(duì)其中的一相進(jìn)行分析。3.2.1 第一種工作情況此時(shí)每相中都有一個(gè)晶閘管是導(dǎo)通的，所以三相電流、電壓、及控制角都是對(duì)稱的，以A相為例，此時(shí)A相的定子電壓為：)3

27、.2.2 第二種工作情況有一相中兩只晶閘管都關(guān)斷，而另兩相中各有一只晶閘管導(dǎo)通，這時(shí)，電流只能在導(dǎo)通的兩只晶閘管間構(gòu)成回路。這時(shí)，電動(dòng)機(jī)定子A相電壓為：)或者)當(dāng)晶閘管觸發(fā)角不同時(shí)，輸出電壓波形也不同，從而計(jì)算的電壓有效值就不同。三相電源波形圖如下所示，對(duì)于觸發(fā)角取值范圍的不同，我們將其分為五種情況分別來(lái)進(jìn)行討論。圖 三相電源波形(1)當(dāng)觸發(fā)角=0時(shí)，電路工作在第一種工作情況，此時(shí)輸出電壓的有效值為：)(2)當(dāng)時(shí)，電路工作在第一種工作情況和第二種工作情況的交替中，電壓波形分成六段：(a)當(dāng)時(shí)，a相截止，；(b)當(dāng)時(shí)，三相導(dǎo)通，；(c)當(dāng)時(shí)，a、b兩相導(dǎo)通，；(d)當(dāng)時(shí)，三相導(dǎo)通，；(e)當(dāng)時(shí)，

28、兩相導(dǎo)通，；(f)當(dāng)時(shí)，三相導(dǎo)通，。此時(shí)輸出電壓有效值的表達(dá)式為：)通過(guò)計(jì)算，電壓有效值的范圍是220V-184V。(3)當(dāng)時(shí)，電路工作在第二種工作情況，電壓波形分成四段：(a)當(dāng)時(shí)，a相截止，；(b)當(dāng)時(shí)，兩相導(dǎo)通，；(c)當(dāng)時(shí)，a、c兩相導(dǎo)通，；(d)當(dāng)時(shí)，a相截止，。輸出電壓有效值的表達(dá)式為：)通過(guò)計(jì)算，電壓有效值的范圍是184V-119V。(4)當(dāng)時(shí)，電路工作在第二種工作情況，電流處于斷續(xù)狀態(tài)，電壓波形分成四段：(a)當(dāng)，a相截止，；(b)當(dāng)時(shí)，a、b兩相導(dǎo)通，；(c)a相截止，；(d)當(dāng)時(shí)，a、c兩相導(dǎo)通，。輸出電壓有效值的表達(dá)式為：)通過(guò)計(jì)算，電壓有效值的范圍是119V-0V。(5

29、)當(dāng)時(shí)，電路即不處于第一種工作情況也不處于第二種工作情況，此時(shí)三相都不導(dǎo)通，；從以上計(jì)算分析可知，對(duì)于純電阻負(fù)載電路，其觸發(fā)角的移相范圍是0°150°。下圖為相電壓與觸發(fā)角之間的關(guān)系曲線。圖3.4 定子相電壓與觸發(fā)角關(guān)系曲線在上圖中，我們能夠更清晰的看出觸發(fā)角與相電壓間的關(guān)系，由圖可知，當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)時(shí)，亦即要增大相電壓的值，我們可采取逐漸減小觸發(fā)角，圖中曲線是連續(xù)平滑變化的，所以相電壓的變化也是相應(yīng)的連續(xù)平滑的變化，從而做到軟起動(dòng)。 軟啟動(dòng)器的停車(chē)功能電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)器包括軟起動(dòng)、軟停車(chē)等功能，所以我們?cè)趯?duì)其研究時(shí)，也要研究三相異步電動(dòng)機(jī)的軟停車(chē)。軟停車(chē)與軟起動(dòng)的運(yùn)力一

30、樣，都是通過(guò)控制晶閘管的觸發(fā)角從而來(lái)控制動(dòng)機(jī)定子兩端電壓，只不過(guò)起動(dòng)時(shí)是通過(guò)控制使定子兩端電壓升高，而停車(chē)是使其電壓降低。下面我們簡(jiǎn)單的介紹幾種不同的停車(chē)功能。（1）自由停車(chē) 自由停車(chē)就是在需要停車(chē)時(shí)，使晶閘管直接關(guān)斷，讓電路馬上斷路，即使電動(dòng)機(jī)定子兩端的電壓減為0。采用這種方式停車(chē)它的缺陷與直接起動(dòng)是一樣的，都會(huì)產(chǎn)生大的轉(zhuǎn)矩沖擊。（2）軟停車(chē) 軟停車(chē)是通過(guò)逐漸的減小晶閘管的導(dǎo)通角，至其到0為止，這樣電動(dòng)機(jī)的工作電壓也就相應(yīng)的從額定值逐漸，一段時(shí)間后才下降為零，這樣就實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的平滑停車(chē)，不會(huì)再產(chǎn)生大的轉(zhuǎn)矩沖擊，這種停車(chē)即為軟停車(chē)。（3）能耗制動(dòng) 突然斷開(kāi)運(yùn)行中的電動(dòng)機(jī)的三相交流電源，使定子

31、兩端的電壓變?yōu)?，同時(shí)把直流電流通入任意兩相中，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)也就進(jìn)入能耗制動(dòng)中。 我們還可以通過(guò)控制直流電流的大小來(lái)控制制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小，從而滿足不同的停車(chē)需求。三種不同的停車(chē)特性的比較如圖3.4所示。圖 三種不同的停車(chē)特性3.4 軟起動(dòng)器系統(tǒng)運(yùn)行的控制系統(tǒng)為了更好的了解認(rèn)識(shí)軟起動(dòng)器的工作過(guò)程，下圖給出了軟起動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。圖3.6 軟起動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖4 軟啟動(dòng)器電路的設(shè)計(jì)軟起動(dòng)器主電路的設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)的平滑起動(dòng)，也就是要求定子兩端的電壓要連續(xù)平滑的變化，這里主要是通過(guò)調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角來(lái)達(dá)到這種調(diào)壓效果的，這里采用的是3組反并聯(lián)的晶閘管分別串接在電動(dòng)機(jī)的三

32、相線圈上。所以由此分析可知，軟啟動(dòng)器最核心的原理就是通過(guò)控制接在電源與定子間的三相并聯(lián)的晶閘管的導(dǎo)通角。也就是通過(guò)改變晶閘管的觸發(fā)角來(lái)控制調(diào)壓器的電壓輸出以滿足不同的需要或?qū)崿F(xiàn)不同的功能。這種通過(guò)改變相角的方式來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的輸出電壓，即為移相調(diào)壓。其主電路如下圖所示，電路中有六只晶閘管，每?jī)芍环聪虿⒙?lián)，即組成三組每?jī)芍幌喾聪虿⒙?lián)的晶閘管組，并分別連接于電源與電動(dòng)機(jī)。我們就是通過(guò)改變晶閘管的導(dǎo)通角來(lái)控制三組晶閘管組的輸出電壓的，特別注意的是，為了保證電路導(dǎo)通，我們要保證其中的兩組晶閘管組必須導(dǎo)通的，也就是要保證兩只反相接的晶閘管必須同時(shí)導(dǎo)通。在這我們采用的是能產(chǎn)生大于60°的寬脈沖或者

33、是雙脈沖的觸發(fā)信號(hào)電路。而且這種控制觸發(fā)角的工作情況是與負(fù)載的性質(zhì)相關(guān)的。圖4.1 軟起動(dòng)器的主回路圖上面已經(jīng)詳細(xì)的介紹了軟起動(dòng)器的工作原理及晶閘管的觸發(fā)角在什么時(shí)候電路是有效的，在這里我們只分析選擇怎樣的晶閘管，不同的晶閘管對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行的影響不同。晶閘管由于是工作在不同的電流波形情況下，又由于其過(guò)電流和過(guò)電壓的能力低，所以我們?cè)谶x取時(shí)首先要使選擇的晶閘管能夠滿足電路的要求。其次還應(yīng)盡量的降低其定額，來(lái)減小設(shè)備的費(fèi)用。對(duì)于軟起動(dòng)時(shí)，主要是選擇額定電壓、額定電流這兩個(gè)參數(shù)。下面就介紹晶閘管的選擇。（1）晶閘管電流容量的選擇晶閘管的額定電流定義為在環(huán)境溫度+40°C和規(guī)定的冷卻條件

34、下，帶電阻性負(fù)載的單相工頻正弦半波電路中，管子全導(dǎo)通(導(dǎo)通角不小于170°)而額定結(jié)溫不超過(guò)額定值時(shí)所允許的最大平均電流。在實(shí)際的起動(dòng)過(guò)程中，由于每一相的晶閘管的導(dǎo)通角為0°180°，所以在導(dǎo)通角為180°時(shí)，晶閘管有最大電流的平均值 ?？紤]到留有一定的裕量，電流容量為，IN為晶閘管流過(guò)每相回路電流有效值；Kf為波形系數(shù)。如導(dǎo)通角180°時(shí)，Kf此時(shí)等于1.57。（2）晶閘管的耐壓選擇由于電動(dòng)機(jī)的復(fù)雜性，很難準(zhǔn)確的計(jì)算出晶閘管的耐壓值。晶閘管工作過(guò)程中可能會(huì)遭受一些意外的瞬時(shí)過(guò)壓或過(guò)流，為了保證其安全運(yùn)行，所選用的晶閘管的額定電壓應(yīng)為正常工作電

35、壓峰值的23倍。在考慮有過(guò)電壓吸收電路的情況下，所選用的晶閘管的額定電壓為：其中UN為反并聯(lián)的晶閘管額定電壓，UM為系統(tǒng)正常工作時(shí)的線電壓(380V)4.2 保護(hù)電路設(shè)計(jì)由于晶閘管的熱容量小，擊穿電壓接近工作電壓，所以承受的過(guò)電流、過(guò)電壓能力弱。而軟起動(dòng)時(shí)，晶閘管又是運(yùn)行在波形的狀態(tài)下，很容易就產(chǎn)生了沖擊電流，這時(shí)的過(guò)電流、過(guò)電壓就會(huì)造成元件甚至整個(gè)電路的損壞。為了保護(hù)晶閘管使異步電動(dòng)機(jī)能夠順利的實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)的目的，我們就要設(shè)計(jì)對(duì)過(guò)電流、過(guò)電壓的保護(hù)措施。（1） 電壓保護(hù) 當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在不同的時(shí)期，加在電動(dòng)機(jī)上的電壓是不同的。例如若是在用電高峰時(shí)，線電壓就會(huì)下降10%；而當(dāng)其運(yùn)行在用電低谷時(shí)，線

36、電壓卻能達(dá)到440V。所以異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的時(shí)期不同，其電壓的變化范圍也就會(huì)很大，這樣就容易造成過(guò)壓或欠壓，影響異步電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行。所以設(shè)計(jì)電壓保護(hù)電路是很有必要的，在這里選用電壓互感器，輸入的電流，經(jīng)過(guò)整流濾波后直接送入DSP的AD引腳，利用DSP的高精度和高速的運(yùn)算能力，在軟件里面設(shè)置過(guò)壓與欠壓的閥值，直接對(duì)過(guò)壓與欠壓進(jìn)行檢測(cè)及產(chǎn)生相應(yīng)的保護(hù)。其原理圖如圖所示圖4.2 電壓檢測(cè)原理圖（2）電流保護(hù)異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，晶閘管運(yùn)行在波形狀態(tài)，很容易產(chǎn)生沖擊電流，當(dāng)電流過(guò)大時(shí)，就會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，影響異步電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行 。因此為了防止過(guò)電流對(duì)異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生損害，電路中必須設(shè)置過(guò)電流保護(hù)電路。過(guò)電

37、流保護(hù)跟電壓保護(hù)的原理相似，這里可參照?qǐng)D5.1，將電壓互感器換成電流互感器。軟起動(dòng)器系統(tǒng)中通過(guò)電流互感器在異步電動(dòng)機(jī)的輸入端取樣，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)整流濾波后，輸入到DSP的AD引腳。5TMS320LF2407A DSP介紹本文中對(duì)異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器采用TMS320LF2407A DSP為核心處理器，完成軟起動(dòng)的各項(xiàng)功能。相對(duì)于單片機(jī)控制，DSP 運(yùn)行的更快，更符合系統(tǒng)的要求。TMS320系列DSP的體系控制器將實(shí)時(shí)處理能力和控制器外設(shè)功能集于一身，為控制系統(tǒng)應(yīng)用提供了一個(gè)理想的解決方案。在TMS320處理器系列中，TMS320LF2407A有其一些特殊的優(yōu)點(diǎn)：（1） 采用高性能靜態(tài)CMO

38、S技術(shù)，使供電電壓減小，降低了控制器功耗； （2） 片內(nèi)有更高的FLASH程序存儲(chǔ)器，更高的數(shù)據(jù)/程序RAM，544字雙口RAM(DARAM)和2K字的單口RAM(SARAM)。（3） 兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB，每個(gè)包括兩個(gè)16位通用定時(shí)器；8個(gè)16位的脈寬調(diào)制(PWM)通道。事件管理器模塊適用于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、多極電動(dòng)機(jī)等多種不同的電機(jī)。(4) 可擴(kuò)展的外部存儲(chǔ)器總共192K字：64K字程序存儲(chǔ)器；64K字?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)器；64K字I/0尋址空間。(5) 看門(mén)狗定時(shí)器模塊(WDT)、基于鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器模塊。(6) 10位A/D轉(zhuǎn)換器最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為500ns，可選擇由兩個(gè)事件管理器來(lái)觸發(fā)的兩個(gè)8通道輸入的A/D轉(zhuǎn)換器或一個(gè)16通道輸入的A/D轉(zhuǎn)換器。(7)控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN) 2.0B模塊。(8) 串行通信接口(SCI)、16位的串行外設(shè)接口模塊(SPI)。(9) 高達(dá)40個(gè)可單獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入/輸出引腳(GPI0)。正是由于上述的TMS320LF2407A的 各種優(yōu)點(diǎn)，本文選擇它作為整個(gè)系統(tǒng)的核心器件。結(jié)束語(yǔ)傳統(tǒng)的三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生很大的起動(dòng)電流，并且起動(dòng)轉(zhuǎn)矩卻不大，這使它的起動(dòng)性能和調(diào)速性能都很差。在這里設(shè)計(jì)的軟啟動(dòng)器是以TMS320LF2407 DSP為核心處理器的高性能數(shù)字式電機(jī)軟起動(dòng)器