三相異步電動機起動的畢業(yè)論文

1、【摘 要】隨著異步電動機作為重要的動力設備在社會各行各業(yè)的廣泛應用，研究三相鼠籠式異步電動機在各種起動方式下的起動性能就顯得尤為重要。為獲得較好的起動效果，在對籠型異步電機進行深入分析的基礎上，利用Matlab中的Simulink仿真工具對異步電動機的直接起動、定子串電抗降壓起動、自耦變壓器降壓起動和變頻起動等起動方式進行動態(tài)仿真。通過對起動過程中電機的定子電流、起動轉矩和轉子轉速進行檢測，得出各種起動方式下電流時間、轉矩時間和轉速時間的特性曲線，從而比較不同起動方式的起動性能優(yōu)劣。異步電動機變頻起動后，使起動電流大大減小，起動時對電網(wǎng)的沖擊效應較小，并且使異步電動機起動轉矩盡可能大，縮短了起

2、動時間，從而克服了傳統(tǒng)起動的弊端。關鍵詞：籠形異步電動機；起動方式；定子電流；起動轉矩；變頻起動【Abstract】With asynchronous motor as an important power equipment widely used in various sectors in society, study asynchronous motors starting capability in various starting methods is particularly important. In order to obtain better results of start

3、ing, through Matlab programming, we simulate the direct starting method, series reactance of stator starting method, transformer starting method and frequency conversion starting method. We detecting the stator current, starting torquen and the rotor speed., then we draw the current-time, torque-tim

4、e and speed-time map of characteristics under different circumstances. The asynchronous motor starter with frequency conversion greatly reduces the starting current and the impact on the power system .What is more , it make the starting torque of the asynchronous motor as big as possible, shortening

5、 the start-up time , overcoming the drawbacks of conventional startup, and saving energy.Key Words: asynchronous motor；various starting methods；stator current；starting torque；frequency start目錄1引言 11.1三相異步電動機起動研究的意義 11.2三相異步電動機的起動分類及其發(fā)展方向 11.3變頻起動的發(fā)展 22Matlab/Simulink仿真工具 32.1MATLAB語言 32.2SIMULINK仿真工

6、具 32.3算法選擇 43鼠籠式異步電動機的物理結構 63.1籠型異步電動機基本結構 63.2籠型異步電動機主要形式 94異步電動機起動原理分析 104.1起動理論分析 104.1.1起動的基本要求 104.1.2起動電流過大的危害 114.2轉矩特性和電磁關系分析 114.2.1轉矩平衡方程式 114.2.2電磁轉矩表達式 124.2.3起動轉矩 124.2.4機械特性 125籠型異步電動機的起動方式 145.1傳統(tǒng)起動技術 145.1.1直接起動 145.1.2降壓起動 155.1.2.1定子繞組串電阻或串電抗降壓起動 155.1.2.2自耦變壓器降壓起動 185.1.2.3星形-三角形（

7、-）降壓起動 205.1.2.4延邊三角形降壓起動 225.2軟起動技術 235.2.1軟起動技術概述 235.2.2傳統(tǒng)起動方式與軟起動比較 255.2.3軟起動分類 255.2.4軟起動器常用的起動方式 265.3變頻起動 275.3.1變頻起動的背景 275.3.2變頻起動的原理 275.3.3變頻起動的優(yōu)點 296變頻起動編程的數(shù)學建模 317利用Matlab對變頻起動進行編程 32編程思路 32Matlab主程序 32Matlab子程序 33程序調(diào)試 348籠型異步電動機的Matlab仿真 35各種起動方式下的MATLAB仿真分析 35異步電動機直接起動仿真 35異步電動機定子串電抗

8、起動仿真 37異步電動機自耦變壓器降壓起動仿真 41異步電動機變頻起動仿真 43各種起動方式性能比較 459工作總結 46致謝 47參考文獻 481引言1.1三相異步電動機起動研究的意義電動機作為重要的動力裝置，已被廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸、國防軍事設施以及日常生活中。與電機配套的控制設備的性能已經(jīng)成為用戶關注的焦點。電機的控制包括電機的起動、調(diào)速和制動。異步電動機由于具有結構簡單、體積小、價格低廉、運行可靠、維修方便、運行效率較高、工作特性較好等優(yōu)點，因而在電力拖動平臺上得到了廣泛應用。據(jù)統(tǒng)計，其耗電量約占全國發(fā)電量的40%左右。當電機并入電網(wǎng)時，電機轉速從靜止加速到額定轉速的過程稱為電

9、機的起動過程。異步電動機的起動性能最重要的是起動電流和起動轉矩。因此在電機的起動過程中，如何降低起動電流，增大起動轉矩，一直是機電行業(yè)的專家們探討的重要課題。三相異步電機是一種反電勢負載，即以反電勢來平衡外加電壓。電機在起動開始時反電勢為零，沖擊電流很大。當電機容量較大時，沖擊電流會對電網(wǎng)及其負載造成干擾，嚴重時甚至危害電網(wǎng)的安全運行; 起動電流過大時將使電機本身受到過大電磁力的沖擊，頻繁起動，繞組會發(fā)熱。同時，由于起動應力較大，使得負載使用壽命降低。特別是對經(jīng)常需要起動的電動機影響較大。因此，研究異步電動機起動過程中，如何力求在較小的起動電流下得到足夠大的起動轉矩，并且選擇合適的起動方法是相

10、當重要的。1.2三相異步電動機的起動分類及其發(fā)展方向目前，最常見的是直接起動方式，這是一種最簡單的起動方法。就是用閘刀開關或者接觸器把電機的定子繞組直接接到電網(wǎng)上。這種方式的優(yōu)點是操作和起動設備簡單，缺點是起動電流很大。一般鼠籠式異步電機直接起動的電流是額定電流的47倍，某些國產(chǎn)電機甚至可達812倍，起動轉矩是額定轉矩的12倍。雖然,起動電流很大,但起動轉矩并不大。因此,直接起動方法只適用于小容量電機起動。為了解決直接起動帶來的一系列問題，人們采用了各種降壓起動技術，目前應用較為普遍的有自耦變壓器起動、串電阻或串電抗起動、Y-啟動和延邊三角形起動等方法。這些傳統(tǒng)降壓起動方法在很大程度上緩解了大

11、容量電機在相對較小容量電網(wǎng)上起動時的矛盾，但它們只是縮短了大電流沖擊的時間，并沒有從本質(zhì)上解決問題。而且這些起動設備還存在一些固有的缺點:如對負載的適應能力差、起動電流不連續(xù)、觸點繼電器控制、維修工作量大以及浪費能源等問題。隨著自動化、機械化要求日益提高，這些矛盾變得更加突出。為了使電機能夠迅速達到額定轉速正常工作，要求電機具有足夠大的起動轉矩且起動電流不能太大。因此，總是希望在起動電流較小的情況下，能獲得較大的起動轉矩。近三十年來，隨著電力電子技術的發(fā)展和現(xiàn)代控制理論與電力電子技術的緊密結合，為電機的起動節(jié)能提供了全新的思路從而出現(xiàn)了電機軟起動技術。軟起動技術具有傳統(tǒng)起動方法無法比擬的優(yōu)勢。

12、近年來，國內(nèi)外都十分重視三相異步電動機軟起動控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)。軟起動控制旨在降壓以限制電機起動電流,減小起動電流對電網(wǎng)的沖擊,也達到了節(jié)能的目的。目前軟起動方式很多,如液阻軟起動、磁控軟起動、晶閘管軟起動等,從起動時間、控制方式的節(jié)能效果等多方面綜合比較,以晶閘管軟起動方式最優(yōu),代表著軟起動的發(fā)展方向。晶閘管軟起動相對于傳統(tǒng)的起動方式,其突出的優(yōu)點體現(xiàn)在:(1電力半導體開關是無電弧開關和電流連續(xù)的調(diào)節(jié),所以電子軟起動器是無級調(diào)節(jié)的,能夠連續(xù)穩(wěn)定調(diào)節(jié)電機的起動,而傳統(tǒng)起動的調(diào)節(jié)是分檔的,即屬于有級調(diào)節(jié)范圍。(2沖擊轉矩和沖擊電流小。軟起動器在起動電機時,是通過逐漸增大晶閘管的導通角,使電機起

13、動電流限制在設定值以內(nèi),因而沖擊電流小,也可控制轉矩平滑上升,保護傳動機械、設備和人員。(3軟起動器可以引入電流閉環(huán)控制,使電機在起動過程中保持恒流,確保電機平穩(wěn)啟動。1.3變頻起動的發(fā)展雖然軟起動仍然以各種形式的降壓(限流軟起動為主要形式，但是隨著變頻器價格的逐漸下降及可靠性的進一步提高，變頻軟起動將成為軟起動的主流。變頻器具有所有軟起動器功能，但它的價格比軟起動器貴的多，結構也負責的多。由于其價格太高，人們購置變頻器一般都是著眼于調(diào)速，因此常常不把他歸類于軟啟動裝置。但對于需要重載或者滿載起動的設備，最好采用變頻軟啟動。因為軟起動器調(diào)壓不調(diào)頻，轉差率始終存在，難免過大的起動電流，而變頻器采

14、用調(diào)頻調(diào)壓方式，可實現(xiàn)無過流軟啟動，且可提供2倍的起動轉矩，特別適合于重負載起動的設備。相信隨著電力電子技術的不斷發(fā)展，變頻器的價格會進一步降低，變頻器作為一種軟啟動方式會得到更為廣泛的應用。各種形式的降壓起動動將與星三角起動等技術一起歸并為傳統(tǒng)的起動技術。未來成為主流產(chǎn)品的軟起動裝置將是帶有軟切換功能的廉價的變頻器。2Matlab/Simulink仿真工具MATLAB語言Matlab是一套高性能的數(shù)值計算和可視化軟件。它集數(shù)值分析、矩陣運算、信號處理和圖形顯示于一體，構成了一個方便的、界面友好的用戶環(huán)境。這使它成為國際控制領域應用最廣的首選軟件工具。現(xiàn)在Matlab軟件不但廣泛應用于控制領域

15、，也應用于其它的工程和非工程領域。在控制界，很多著名專家和學者為其擅長的領域開發(fā)了工具箱，而其中很多工具箱己經(jīng)成為該領域的標準。Matlab語言有以下特點：(1起點高：每個變量代表一個矩陣，它可以有個元素，每個元素都看作是復數(shù)，各種運算對矩陣和復數(shù)都有效。(2人機界面適合科技人員：Matlab的程序與科技人員的書寫習慣相近，因此，它易讀易寫，易于科技人員交流。Matlab是以解釋方式工作的，若有錯誤立即做出反應，便于編程者立即改正。這些都減輕了編程和調(diào)試的工作量。(3強大而簡易的作圖功能：能根據(jù)輸入數(shù)據(jù)自動確定坐標繪圖，能繪制多種坐標系的圖形。能繪制三維曲線和曲面，如果數(shù)據(jù)齊全，通常只需要一條

16、命令即可繪出圖形。(4智能化度高：繪圖時自動選擇最佳坐標以及按輸入或輸出自動選擇算法;數(shù)值積分時自動按精度選擇步長，自動檢測和顯示程序錯誤的能力強，易于調(diào)試。(5功能豐富，可擴展性強：Matlab軟件包括基本部分和專業(yè)部分?；静糠职?矩陣的各種運算和各種變換、代數(shù)和超越方程求解、數(shù)值積分等。各領域的科技人員在此基礎上，根據(jù)本專業(yè)的知識編寫出許多有用的工具箱為自己的專業(yè)服務。這些工具箱就是專業(yè)部分?，F(xiàn)在它們己有控制系統(tǒng)、信號處理、圖象處理、系統(tǒng)辯識、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡、小波分析等20多個工具箱，并且還在繼續(xù)擴展。Matlab語言集計算、數(shù)據(jù)可視和程序設計于一體，并能用人們熟悉的符號表示出來

17、，在工程計算方面具有不可比擬的優(yōu)越性；它還為圖形處理提供了豐富的函數(shù)。數(shù)學函數(shù)庫中包括了大量的數(shù)學函數(shù)。因此，Matlab已成為世界上應用最廣泛的工程計算應用軟件之一。SIMULINK仿真工具Simulink是一種用來實現(xiàn)計算機仿真的軟件工具，它是Matlab的一個附加組件，用來提供一個系統(tǒng)級的建模與動態(tài)仿真工作平臺。它是用模塊組合的方法來使用戶能夠快速、準確的創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)的計算機模型的，特別是對于復雜的非線性系統(tǒng)，它的效果更為明顯。Simulink模型可以用來模擬線性或非線性、連續(xù)或離散或者兩者的混合系統(tǒng)，也就是說它可以用來模擬幾乎所有可遇到的動態(tài)系統(tǒng)。另外，它還提供一套圖形動畫的處理方法，

18、使用戶可以方便地觀察到仿真的整個過程。Simulink沒有單獨的語言，但他它提供了S函數(shù)規(guī)則。S函數(shù)使Simulink更加充實、完備，具有更強的處理能力。一個典型的Simulink模型包括如下三種類型的元素：(1信號源模塊(2被模擬的系統(tǒng)模塊(3輸出顯示模塊如圖2-1所示說明了這三種元素之間的典型關系。系統(tǒng)模塊作為中心模塊是Simulink仿真建模所要解決的主要部分：信號源為系統(tǒng)的輸入，它包括常數(shù)信號源、函數(shù)信號發(fā)生器（如信號波和階躍函數(shù)波等）和用戶自己在Matlab中創(chuàng)建的自定義信號。系統(tǒng)的輸出由顯示模塊接收。輸出顯示形式包括圖形顯示、示波器顯示和輸出到文件或MATLAB工作空間三種。輸出模

19、塊主要在Sinks庫中。圖2-1Simulink模型元素關聯(lián)圖Simulink模型并不一定要包含全部的三種元素，在實際應用中通?？梢匀鄙倨渲械囊粋€或兩個。例如，若要模擬一個系統(tǒng)偏離平衡位置后的自恢復行為，就可以建立一個沒有輸入而只有系統(tǒng)模塊加一個顯示模塊的模型。在某種情況下，也可以建立一個只有源模塊和顯示模塊的系統(tǒng)。若需要一個由幾個函數(shù)復合的特殊信號，則可以使用源模塊生成信號并將其送入Matlab工作空間或文件中。算法選擇Simulink提供了許多微分方程的解法。絕大多數(shù)解法是數(shù)值積分研究中的最新成果，在其中可以找到目前為止最快速且精確最高的解法。一般來說，使用變步長的自適應解法是較好的選擇。

20、這類算法會依照給定的精確度在各積分段內(nèi)自適應地尋找各自的最大步長進行積分，從而是得效率最高。各種解法及其說明見表2-1：表2-1Simulink數(shù)值解法表 Simulink解法解法說明ODE45通常情況下是最好的單步解法。此解法基于Dormand-Prince 4-5階的Runge-Kutta公式。是默認解法，通常也是第一選擇。ODE23該解法是基于Bogacki-Shampine 2-3階Runge-Kutta公式。有時對輕度的剛性方程，它可以比ODE45更有效。對相同的精度，它需要比ODE45更小的步長。ODE113變階次的Adams-Bashforth-Moulton解法。此解法使用前幾

21、次節(jié)上的值來計算當前節(jié)點處的解，因此在相同的精度下，它可能比ODE45或ODE23更快一些。但此解法不適合用于不連續(xù)的系統(tǒng)。ODE15S剛性系統(tǒng)的變階次多步解法。此解法是基于最新的數(shù)值差分公式，如果仿真使用ODE45時運行很慢，可以試一試此解法。ODE23S剛性方程固定階次的單步解法。由于ODE23S是單步方法，因此，有時它要比ODE15S快一些。如果系統(tǒng)是剛性系統(tǒng)，可以同時嘗試兩種方法以確定哪一個更快。Discrete針對無連續(xù)狀態(tài)系統(tǒng)的特殊解法。ODE5ODE45的確定步長的函數(shù)解法ODE4使用固定步長的經(jīng)典4階Runge-Kutta公式的函數(shù)解法。ODE3ODE23的確定步長的函數(shù)解法O

22、DE2使用固定步長的經(jīng)典2階Runge-Kutta公式的方法，也稱為Heun方法ODE1固定步長的Euler方法3鼠籠式異步電動機的物理結構3.1籠型異步電動機基本結構交流旋轉電機可分成同步電機和異步電機兩大類，如果電機轉子的轉速與定子旋轉磁場的轉速相等，轉子與定子旋轉磁場在空間同步地旋轉，這種電機就稱為同步電機。如果電機轉子的轉速不等于定子旋轉磁場的轉速，轉子與定子旋轉磁場在空間旋轉時不同步，這種電機就稱為異步電機。異步電機主要作為電動機運行，常稱為異步電動機。三相異步電動機的種類很多，但各類三相異步電動機的基本結構是相同的，它們都由定子和轉子這兩大基本部分組成，在定子和轉子之間具有一定的氣

23、隙。此外，還有端蓋、軸承、接線盒、吊環(huán)等其他附件，如圖3-1所示。圖3-1三相籠型異步電動機結構圖1軸承；2前端蓋；3轉軸；4接線盒；5吊環(huán)；6定子鐵心；7轉子；8定子繞組；9機座；10后端蓋；11風罩；12風扇定子部分：定子是用來產(chǎn)生旋轉磁場的。三相電動機的定子一般由外殼、定子鐵心、定子繞組等部分組成。（1）外殼：三相電動機外殼包括機座、端蓋、軸承蓋、接線盒及吊環(huán)等部件。機座：鑄鐵或鑄鋼澆鑄成型，它的作用是保護和固定三相電動機的定子繞組。中、小型三相電動機的機座還有兩個端蓋支承著轉子，它是三相電動機機械結構的重要組成部分。通常，機座的外表要求散熱性能好，所以一般都鑄有散熱片。端蓋：用鑄鐵或鑄

24、鋼澆鑄成型，它的作用是把轉子固定在定子內(nèi)腔中心，使轉子能夠在定子中均勻地旋轉。 軸承蓋：也是鑄鐵或鑄鋼澆鑄成型的，它的作用是固定轉子，使轉子不能軸向移動，另外起存放潤滑油和保護軸承的作用。接線盒：一般是用鑄鐵澆鑄，其作用是保護和固定繞組的引出線端子。吊環(huán)：一般是用鑄鋼制造，安裝在機座的上端，用來起吊、搬抬三相電動機。 （2）定子鐵心： 定子鐵心的作用是作為電機磁路中的一部分和放置定子繞組。為了減少旋轉磁場在鐵心中引起的損耗，鐵心一般采用導磁性良好和比損耗小的0.5毫米厚的電工硅鋼片迭成，如圖3-2所示。為了嵌放定子繞組，在定子鐵心內(nèi)圓沖擊出許多形狀相同的槽。通用的槽形有三種：（1）半閉口槽；（

25、2）半開口槽；（3）開口槽。對于容量在100千瓦以下的中小型異步電動機，通常采用半閉口槽。這時定子繞組由高強度漆包圓銅線（或鋁線）繞成，經(jīng)過槽口分散嵌入槽內(nèi)；起優(yōu)點是槽口較小，可以減小氣隙磁阻，使產(chǎn)生一定數(shù)量的旋轉磁場所需的激磁電流減小，從而提高電動機的功率因數(shù)。此外，槽口較小還可減小氣隙磁場的脈振，從而減小電動機中的附加損耗。從這些觀點來看，半閉口槽是較好的。半閉口槽的缺點是嵌線不方便，高壓線圈絕緣比較困難，因此一般只用于低壓中小型異步電動機。圖3-2定子鐵心及沖片示意圖（左）定子鐵心 （右）定子沖片（3）定子繞組：定子繞組是三相電動機的電路部分，三相電動機有三相繞組，通入三相對稱電流時，就

26、會產(chǎn)生旋轉磁場。三相繞組由三個彼此獨立的繞組組成，且每個繞組又由若干線圈連接而成。每個繞組即為一相，每個繞組在空間相差120°電角度。線圈由絕緣銅導線或絕緣鋁導線繞制。中、小型三相電動機多采用圓漆包線，大、中型三相電動機的定子線圈則用較大截面的絕緣扁銅線或扁鋁線繞制后，再按一定規(guī)律嵌入定子鐵心槽內(nèi)。定子三相繞組的六個出線端都引至接線盒上，首端分別標為U1, V1, W1 ，末端分別標為U2, V2, W2 。定子繞組在槽內(nèi)部分與鐵心之間必須可靠絕緣，這部分絕緣稱為槽絕緣（又稱對地絕緣）。槽絕緣的材料和厚度有電機的耐熱等級和工作電壓來定，如E級絕緣的電機一般采用附有聚脂薄膜的青殼紙作為

27、槽絕緣。轉子部分：（1）轉子鐵心：轉子鐵心是用0.5mm厚的硅鋼片疊壓而成，套在轉軸上，作用和定子鐵心相同，一方面作為電動機磁路的一部分，一方面用來安放轉子繞組。（2）轉子繞組異步電動機的轉子繞組分為繞線形與籠形兩種，由此分為繞線轉子異步電動機與籠形異步電動機。 繞線形繞組，與定子繞組一樣也是一個三相繞組，一般接成星形，三相引出線分別接到轉軸上的三個與轉軸絕緣的集電環(huán)上，通過電刷裝置與外電路相連，這就有可能在轉子電路中串接電阻或電動勢以改善電動機的運行性能，見圖3-3。圖3-3 繞線形轉子與外加變阻器的連接1 集電環(huán)；2電刷；3變阻器 籠形繞組：在轉子鐵心的每一個槽中插入一根銅條，在銅條兩端各

28、用一個銅環(huán)（稱為端環(huán)）把導條連接起來，稱為銅排轉子，如上圖所示。也可用鑄鋁的方法，把轉子導條和端環(huán)風扇葉片用鋁液一次澆鑄而成，稱為鑄鋁轉子，如下圖所示。100kW以下的異步電動機一般采用鑄鋁轉子。圖3-4 籠形轉子繞組（a） 銅排轉子 （b）鑄鋁轉子轉子繞組的作用是感應電勢、流過電流和產(chǎn)生電磁轉矩。鼠籠式轉子繞組不必由外界電源供電，因此可以自行閉合而構成短路繞組。這時工藝上最簡單的轉子繞組結構是：每個轉子槽中插入一根導條，在伸出鐵心兩端的槽口處，用兩個端環(huán)分別把所有導條的兩端都連接起來。如果去掉鐵心，整個繞組的外型就像一個“鼠籠”。鼠籠式轉子的導條與端環(huán)的材料可以用銅或鋁。當用銅時，銅導條與端

29、環(huán)之間須用銅焊或銀焊的方法把他們焊接起來。對于中、小型異步電機，一般采用鑄鋁轉子，把導條、端環(huán)上的風葉一起鑄出。其他部分：端蓋、風扇等。端蓋除了起防護作用外，在端蓋上還裝有軸承，用以支撐轉子軸。風扇則用來通風冷卻電動機。三相異步電動機的定子與轉子之間的空氣隙，一般僅為0.2mm1.5mm。氣隙太大，電動機運行時的功率因數(shù)降低；氣隙太小，使裝配困難，運行不可靠，高次諧波磁場增強，從而使附加損耗增加以及使啟動性能變差?；\型異步電動機主要形式鼠籠式異步電動機有三種主要形式，即(1正常結構的單鼠籠電動機；（2）深槽電動機；（3）雙鼠籠電動機。第一種形式的轉子大多數(shù)采用梨形半閉口槽。這時，為了改善電動機

30、的起動性能，通常把轉子槽扭斜一個定子齒距。4異步電動機起動原理分析4.1起動理論分析異步電動機的起動性能和直流電動機一樣，包括以下幾項：起動電流倍數(shù)、起動轉矩倍數(shù)、起動時間、起動時繞組中消耗的能量和繞組發(fā)熱、起動設備的簡單性和可靠性、起動時的過渡過程。其中最重要的是起動電流和起動轉矩大小。為使電機能夠轉動起來，并很快達到額定轉速而正常工作，要求電機具有足夠大的起動轉矩；但又希望起動電流不要太大，以免電網(wǎng)產(chǎn)生過大的電壓降落而影響接在電網(wǎng)上的其他電機和電氣設備的正常運行。此外，起動電流過大時，將使電機本身受到過大電磁力的沖擊，如果經(jīng)常起動，還有使繞組過熱的危險。因此，我們總是希望在起動電流比較小的

31、情況下，能獲得較大的起動轉矩。普通結構的鼠籠式異步電動機不采取任何措施而直接接入電網(wǎng)起動時，往往不能滿足上述要求。因為它的起動電流很大而起動轉矩并不大。起動電流很大的原因，從物理現(xiàn)象看，起動時，旋轉磁場以同步轉切割轉子，在短路的轉子繞組中感應很大的電勢和電流，引起與它平衡的定子電流的負載分量也跟著急劇增加，以致定子電流很大。而起動轉矩不大是由于起動時轉子漏抗遠大于轉子電阻使轉子功率因數(shù)接近90度，所以盡管電流很大但其有功分量卻不大。其次，由于起動電流很大，定子繞組的漏阻抗壓降增大，使感應電勢減小，磁通也將成比例減小。在選擇異步電動機的起動方法時，必須根據(jù)電網(wǎng)容量和機械負載對起動轉矩的要求等具體

32、情況進行具體分析。如果電網(wǎng)容量很大，電動機的起動電流不會引起顯著的電壓降落，則起動電流大小不是主要問題。如果機械負載要求的起動轉矩不大，而電網(wǎng)容量相對于電動機來說又不很大，則主要考慮如何減小起動電流。至于即要求起動轉矩大，又希望限制起動電流的場合，則需要采取措施來改進起動性能。4.1.1起動的基本要求拖動生產(chǎn)機械的異步電動機在起動過程中，要求起動轉矩大于負載轉矩并且起動轉矩越大越好，保證起動過程很快結束，使生產(chǎn)機械能夠較快的達到正常運行。同時，在滿足起動轉矩要求的前提下，希望起動電流越小越好。不同負載和不同供電容量電網(wǎng)，對電動機起動性能的要求是不一樣的。而異步電動機的起動性能的基本要求是相同的

33、，這些基本要求有：（1）足夠大的起動轉矩倍數(shù)； （2）盡可能小的起動電流倍數(shù)； （3）起動時間短，能夠符合生產(chǎn)技術的要求；（4）起動平滑，即要求時加速平滑，以減小對生產(chǎn)機械的沖擊；（5）起動設備簡單，經(jīng)濟，操作方便等。4.1.2起動電流過大的危害起動電流過大會造成如下影響：(1 大的起動電流會在線路和電機內(nèi)部產(chǎn)生損耗，而引起電動機繞組過熱。雖然這是短暫的，但對于需要頻繁啟動的電動機(如卷揚機等，由于熱量的積累，易造成電機繞組過熱。(2 在輸電線上造成很大的電壓損失，使電網(wǎng)負載端的電壓降低。雖然電壓降低是短時的， 但它既影響電動機本身的啟動轉矩(啟動轉矩和電源電壓的平方成正比，而且也影響到同一線

34、路上的其他負載正常工作(如：電燈的閃爍，電動機轉速瞬間降低，甚至造成停機。4.2轉矩特性和電磁關系分析4.2.1轉矩平衡方程式異步電動機轉軸上各種機械功率除以轉子機械角速度就得到相應的轉矩。是借助于氣隙旋轉磁場由定子傳遞到轉子上的總機械功率，與之相對應的總機械轉矩稱之為電磁轉矩，即： (4-1輸出轉矩： (4-2空載轉矩： (4-3于是，轉矩平衡方程式為： (4-4 4.2.2電磁轉矩表達式電磁轉矩的表達式有3種：物理表達式為 (4-5用于分析電動機的各種運行狀態(tài)下的物理過程。參數(shù)表達式為 (4-6用于分析各個參數(shù)對于電動機性能的影響。實用表達式為 (4-7式中，單位為。根據(jù)產(chǎn)品目錄，做出其機

35、械特性，工程上用于電動機選型。4.2.3起動轉矩在參數(shù)表達式的基礎上，令s=1得： (4-8通常用起動轉矩倍數(shù)來描述起動性能，即： (4-94.2.4機械特性機械特性曲線由電磁轉矩參數(shù)表達式 (4-10可得如圖所示的異步電動機的機械特性曲線。圖4-1 異步電動機的機械特性曲線異步電動機幾個特殊點：(1理想空載運行點：s=0, ,T=0,(實際運行時間）。(2額定運行點：(3最大轉矩點：(4啟動點：5籠型異步電動機的起動方式5.1傳統(tǒng)起動技術電機的起動：當電流通入定子繞組的瞬時，在定子鐵心將產(chǎn)生磁場，轉子繞組在這個磁場中將感應產(chǎn)生電流，而這個電流在磁場中又將受到力的作用，從而使電機轉動起來。5.

36、1.1直接起動直接起動，也就是全壓起動，是一種最簡單的起動方法也是三相異步電動機應用最多的一種起動方法。小功率電機常常采用這種起動方式然而對較大功率的電機而言，這種起停方式的缺點也是顯而易見的。在這種起動方式下，起動電流約為標稱電流的4-7倍;起動轉矩約為標稱轉矩的倍。其特點是:電機端子少(一般為三端子電機，可帶載起動、高電流峰值和大壓降起動，設備簡易。直接起動是最簡單的起動方式，起動時通過空開或接觸器將電機直接接到電網(wǎng)上。具有起動設備簡單，起動速度快的優(yōu)點, 而且起動轉矩比采用降壓起動時大。在電網(wǎng)和負載兩方面都允許全壓直接起動的情況下，鼠籠式異步電動機仍以直接起動為宜因為操縱控制方便，而且比

37、較經(jīng)濟。其危害很大電網(wǎng)沖擊大。過大的起動電流，會造成電網(wǎng)壓降，影響其他用電設備的正常進行。還可能使欠壓保護動作，造成用電設備的有害跳閘。同時過大的起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；機械沖擊嚴重，過大的沖擊力矩容量造成電機轉子籠條、端環(huán)斷裂和定于端部繞組絕緣磨損，導致絕緣擊穿燒毀電機，轉軸扭曲，聯(lián)軸節(jié)、傳動齒輪損傷和皮帶撕裂等。因此盡管直接起動方法簡單起動設備也簡單，價格便宜，但為了限制電和機械的沖擊，以及保證電網(wǎng)的供電質(zhì)量，在某種場合，就得采取減壓起動方式，或者在繞線式異步電動機的轉子電路中串入阻抗進行起動。圖5-1為三相交流異步電動機直接起動的電路圖。三相交流電源經(jīng)由

38、組合開關，熔斷器，,，交流接觸器KM的主觸點到電動機定子繞組，構成了主電路。圖5-1三相交流異步電動機直接起動的電路圖5.1.2降壓起動降壓起動通過降低起動時加在定子繞組上的電壓來減小起動電流，起動結束后，再將定子繞組的兩端電壓恢復到額定值。降壓起動雖然能減小起動電流，但是起動轉矩也大大減小了，所以降壓起動一般適用于中、大容量的異步電動機輕載貨空載起動。降壓起動適用于容量大于或等于并帶輕載的工況。由于輕載，故電動機起動時電磁轉矩很容易滿足負載要求。主要問題是起動電流大，電網(wǎng)難以承受過大的沖擊電流，因此必須降低起動電流。在研究起動時，可以用短路阻抗來等效異步電動機。電機的起動電流（即流過上的電流

39、）與端電壓成正比，而起動轉矩與電機端電壓的平方成正比，這就是說起動轉矩比起動電流降得更快。降壓之后在起動電流滿足要求的情況下，還要校核起動轉矩是否滿足要求。常用的降壓起動方法有三種：定子串電抗（或電阻）降壓起動；Y-啟動器起動；自耦變壓器起動。5.1.2.1定子繞組串電阻或串電抗降壓起動從減小起動電流和改善電網(wǎng)電壓品質(zhì)的角度來看，定子回路串電阻和定子回路串電抗都能減小起動電流，使得電網(wǎng)承受的沖擊電流減少，對改善電網(wǎng)的穩(wěn)定性是有利的，即定子回路串電阻或串電抗的效果是一樣的。這兩種起動方法都具有起動平穩(wěn)，運行可靠，構造簡單等優(yōu)點。但是，定子回路串電阻將增加起動損耗，浪費電能，只有在電動機的容量較小

40、時才允許使用，大中型電機則采用串電抗起動。圖5-2異步電動機起動時的等值電路圖5-2是異步電動機起動時的等值電路，由于起動電流較大，所以略去形等值電路中的激磁電流分量。起動時，故起動時異步機可以用短路阻抗代替。圖3-4中代表串入定子回路的起動電阻或者起動電抗。令代表直接起動時的起動電流，則： (5-1如果采用串電阻起動，起動電阻為Rq，則串電阻后的起動電流為： (5-2如果采用串電抗起動，起動電抗為Xq，則串電抗后的起動電流為： (5-3如果令： (5-4亦即通過定子回路串電阻或者電抗使起動電流從下降為或者，從而滿足電網(wǎng)穩(wěn)定要求的數(shù)值。這里、和是給定的電機參數(shù)，是電網(wǎng)穩(wěn)定規(guī)定的數(shù)值，都是已知量

41、，故利用上面的式子可以求出需要串入的起動電阻或起動電抗為： 、 (5-5 起動運行 圖5-3（a）鼠籠型異步電動機定子回路串電阻起動原理圖起動運行 圖5-3（b）鼠籠型異步電動機定子回路串電抗起動原理圖圖5-3（a）（b）所示分別為鼠籠型異步電動機串電阻及串電抗減壓起動時的原理圖。圖中是主開關，起到隔離電源的作用。起動時，把換接開關投向“起動”的位置，此時，起動電阻或起動電抗接入定子回路；然后，閉合主開關，電動機開始旋轉，待轉速接近穩(wěn)定轉速時，把開關換接到“運行”的位置，電源電壓直接加到定子繞組上，電動機起動結束。鼠籠型異步電動機定子回路串電阻或串電抗起動，由于起動時定子繞組串入的電阻或電抗器

42、起到了分壓作用，使加在電機上的端電壓降低，因此減小了起動電流。由于起動電流正比于定子端電壓，而起動轉矩正比于定子端電壓的平方。如果起動時電機端電壓降低到額定電壓的倍，則起動電流降低到額定電壓時起動電流的，而起動轉矩則降到原來的，因此該起動方式只能用于空載或輕載的情況。5.1.2.2自耦變壓器降壓起動在定子回路中串阻抗雖然能夠滿足電網(wǎng)減小起動電流的要求，但往往因為起動轉矩過小而滿足不了生產(chǎn)工藝的要求，為了解決這個矛盾人們采用自耦變壓器降壓起動。自耦變壓器降壓起動是利用一臺自耦變壓器（又稱為起動補償器）降低加到電動機定子繞組的電壓以起動電動機，待電動機起動完成后，再把電動機直接接到電源上去。圖5-

43、4為三相異步電動機自耦變壓器起動的原理線路圖。起動時，把開關投向起動邊，即端，電動機的定子繞組通過自耦變壓器接到三相電源上，這時自耦變壓器一次繞組加全壓，而電動機定子電壓僅為抽頭部分的電壓值，電動機減壓起動；當轉速上升到穩(wěn)定值后，開關投向運行邊，即端，這樣自耦變壓器被短接，電動機的定子繞組被接上全壓，進入正常運行。圖5-4三相異步電動機自耦變壓器起動的原理線路圖圖5-5 自耦變壓器降壓原理圖圖5-5為自耦變壓器降壓原理圖。圖中只繪出單相， 和分別表示自耦變壓器一次電壓和一次電流，亦即電網(wǎng)電壓和電流；和分別表示變壓器的二次電壓和二次電流，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及二

44、次繞組匝數(shù)（即抽頭部分的匝數(shù)）。略去自耦變壓器的微小空載電流，并取其變比為，則： (5-6略去自耦變壓器的內(nèi)阻抗，認為起動時的端電壓為，故電動機的定子繞組的起動電流為： (5-7 其中代表電動機端電壓為時的直接起動電流。降壓起動時電網(wǎng)供給自耦變壓器的原級起動電流為 (5-8所以，當采用自耦變壓器進行降壓起動時，如果自耦變壓器的變比為，則電網(wǎng)提供的起動電流等于電動機的起動電流的，而和電動機投入電網(wǎng)電壓時的直接起動電流相比，只相當于的。降壓起動，電動機的起動轉矩和電壓的平方成正比，故采用變比為的變壓器進行降壓起動時，降壓起動轉矩也等于直接起動轉矩的。換句話說：如果采用自耦變壓器降壓起動，則起動電流

45、變化的比值和轉矩變化的比值是相等的，都是直接起動時的。自耦變壓器降壓起動具有較大的起動能力和承受機械負載波動的能力，且自耦變壓器的二次繞組一般有三個抽頭可供不同負載起動時選擇，應用很廣泛，適用于容量較大的低壓電動機。它的缺點是體積大，質(zhì)量大，價格高，起動線路較復雜，滑塊觸點氧化，需維護檢修。5.星形-三角形（-）降壓起動星形-三角形降壓起動是通過改變電動機的繞組接法去完成降壓起動過程，屬于電機繞組設計上的問題，只能用于正常運轉時定子繞組連接成三角形的電動機。起動時，將異步電動機三相定子繞組接成星形，等起動完成后，再接成三角形，從而異步電動機需要六個出線端。圖5-6為星形-三角形（-）降壓起動原

46、理線路圖。起動時，先接通電源開關，將開關投向“Y”位置，定子繞組連接成星形，電動機減壓起動；當電動機轉速接近穩(wěn)定值時，可將開關迅速投向側，使定子繞組連接成三角形運行，起動過程結束。圖5-6星形-三角形（-）降壓起動原理線路圖Z圖5-7定子繞組作三角形聯(lián)結和星形聯(lián)結的原理圖現(xiàn)在來比較電動機作三角形聯(lián)結和星形聯(lián)結直接起動時線路電流和的大小。這兩種聯(lián)結方式的原理圖如圖5-9所示。星形聯(lián)結時加在每相繞組上的電壓為： (5-9 線電流為： (5-10式中為電源電壓=電動機起動后，再改接到三角形聯(lián)結，此時電動機端電壓為額定值。電網(wǎng)中的起動電流（定子繞組線電流）應為定子每相繞組中的起動電流的倍。即: (5-

47、11比較以上兩式得： (5-12所以: (5-13上述結果表示，電動機起動時接成星形，起動電流只有三角形聯(lián)結的，但是，起動轉矩也相應降低，因為電動機的轉矩與所加的電壓的平方成正比，所以這兩種情況下的起動轉矩之比為: (5-14這就是說，起動時接成星形，起動轉矩也只有原來三角形聯(lián)結的。星形-三角形降壓起動的優(yōu)點是體積小，重量輕，對使用者來說，減少了設備投資，節(jié)約銅與硅鋼片，物美價廉，運行可靠，檢修方便。此外，起動電流只有全壓起動的，對供電網(wǎng)絡的影響很小。但它的缺點就是起動電壓只能降到，不能象自耦補償起動那樣，可以按不同的負載選擇不同的起動電壓。5.1.2.4延邊三角形降壓起動延邊三角形降壓起動是

48、在星形-三角形減壓起動方法基礎上加以改進的一種起動方法，也是通過改變電動機的繞組接法去完成降壓起動的過程，屬于電機繞組設計上的問題。延邊三角形降壓起動是利用電動機引出九個出線端（即每相定子繞組多引出一個出線端）來達到減壓起動的目的的一種聯(lián)結法。電動機起動時，定子繞組的一部分接成三角形，從圖形上看，就是一個三角形的三條邊延長，因此稱為延邊三角形。當起動結束后，把繞組改接成三角形，電動機就進入正常運轉狀態(tài)。W(a (b圖5-8（a）（b）延邊三角形起動原理圖采用延邊三角形起動的電動機每相繞組有三個出線端，如圖5-8（a）所示，其中端子1、2、3為首端，端子4、5、6為尾端，端子7、8、9為中間抽頭

49、。起動時，電源電壓為額定值，三相繞組的1-7、2-8、3-9部分為星形聯(lián)結，7-4、8-5、9-6為三角形聯(lián)結，如圖5-8（b）所示。當轉速上升到一定值后，三相繞組又接成如圖5-8（b）的三角形聯(lián)結。延邊三角形聯(lián)結與三角形聯(lián)結相比較，它們的電阻和感抗的比值并沒有改變，因此起動時定子功率因數(shù)不變。而起動轉矩與起動電流和功率因數(shù)的乘積成正比，功率因數(shù)不變，故認為起動轉矩與起動電流成正比。所以延邊三角形聯(lián)結時的起動轉矩與三角形聯(lián)結時的起動轉矩之比和它們的起動電流之比，可以認為是相同的，取決于中間抽頭的位置。采用不同的抽頭比例，可以改變延邊三角形接法的相電壓。其值比星形-三角形起動時的星形接法高，因此

50、起動轉矩較星形-三角形起動時大，能用于重載起動。延邊三角形起動的優(yōu)點是只要調(diào)節(jié)定子繞組的抽頭變比，就可以得到不同數(shù)值的起動電流和起動轉矩，可以適應不同的使用要求。延邊三角形降壓起動還具有體積小，質(zhì)量輕，允許經(jīng)常起動，節(jié)省有色金屬與黑色金屬等優(yōu)點。其缺點就是采用延邊三角形起動的電動機需要有九個出線頭，電動機的內(nèi)部接線較為復雜。5.2軟起動技術5.2.1軟起動技術概述以上介紹的四種降壓起動方式是傳統(tǒng)的起動方法，這些起動方法使得異步電動機起動過程中的起動電流過高的問題得到了改善。但是，從20世紀70年代開始推廣利用晶閘管交流調(diào)壓技術制作的軟起動器，以及采用微控制器代替模擬控制電路，發(fā)展成為現(xiàn)代的電子

51、軟起動器。軟起動器是一種用于控制鼠籠型異步電動機的新設備，集電機軟起動、軟停車、輕載節(jié)能且多種保護功能于一體的新型電機控制裝置。電動機軟起動器一般以大功率雙向晶閘管構成三相交流調(diào)壓電路。以微處理器及信號采集、保護環(huán)節(jié)構成控制器，通過控制晶閘管的觸發(fā)角，調(diào)節(jié)晶閘管調(diào)壓電路的輸出電壓，實現(xiàn)電動機的無觸點降壓軟起動、軟停車和空載、輕載的節(jié)能及保護功能。其特點是電動機轉矩近似與定子電壓的平方成正比。用軟起動器起動電機時，晶閘管的輸出電壓逐漸增加，電動機逐漸加速，直至晶閘管全導通，電動機工作在額定電壓的機械特性上。圖5-9異步電動機的機械特性異步電動機的機械特性可用來表示，其特性曲線如圖5-9所示。圖中

52、表示電動機轉速；表示電動機空載轉速；表示電動機轉矩；表示電動機額定電壓；表示電動機最大轉矩；表示電動機在最大轉矩時的轉差率。從圖5-9可以看出采用一般降壓起動時，假若起動電壓，電動機起動時的轉矩為，即起動時的轉矩只有電動機最大轉矩的，如果在此時將電壓U加大到電動機額定電壓，則電動機的轉矩一下子就從跳到，這樣的起動過程是跳躍的、不平滑的，所以又叫作硬起動，對生產(chǎn)工藝要求穩(wěn)定起動的場合就不宜采用。而軟起動的電壓從初始電壓開始連續(xù)平穩(wěn)的增大，從圖中的的那根曲線連續(xù)平滑的不斷向右平行移動，一直平移到與額定電壓那根曲線重合時為止，那么電動機的轉矩就會平滑地增大，一直到轉矩為最大值時為止，起動過程也就結束

53、，這樣在起動過程中電動機的轉矩是平滑的而不是跳躍的，起動過程是平穩(wěn)的，所以被稱為軟起動。5.傳統(tǒng)起動方式與軟起動比較傳統(tǒng)的起動方法屬于有級減壓起動，存在明顯的缺點，即起動過程中出現(xiàn)二次沖擊電流，而軟起動與傳統(tǒng)減壓起動的不同之處是：（1）無沖擊電流，軟起動器在起動電機時，通過逐漸增大晶閘管的導通角，使電動機起動電流從零線性上升到設定值，對電網(wǎng)無沖擊。 （2）恒流起動，軟起動器可以引入電流閉環(huán)控制，使電機在起動過程中保持恒流，確保電機平穩(wěn)起動。（3）根據(jù)負載情況及電網(wǎng)繼電保護特性選擇，可自由的無級調(diào)整至最佳的起動電流。（4）不受電網(wǎng)電壓波動的影響。由于軟起動以電流為設定值，電網(wǎng)電壓上下波動時，通過

54、增減晶閘管的導通角，調(diào)節(jié)電機的端電壓，仍可維持起動電流恒值，保證電機正常起動。（5）可實現(xiàn)軟停車。電機停機時，傳統(tǒng)的控制方式都是通過瞬間停電完成的。而軟起動器中的軟停車功能是在晶閘管得到停機指令后，從全導通逐漸的減小導通角，經(jīng)過一段時間過渡到全關閉的過程（停車時間根據(jù)實際需要可在0120s調(diào)整）。5.2.3軟起動分類軟起動可分為有級和無級兩類，前者的調(diào)節(jié)是分檔的，后者的調(diào)節(jié)是連續(xù)的。在電動機定子回路中，通過串入限流作用的電力器件實現(xiàn)軟起動，叫做降壓或者限流軟起動，按限流器件不同可分為：(1液阻軟起動 液阻是一種由電解液形成的電阻，它導電的本質(zhì)是離子導電。液阻有兩個特點：一是它的阻值正比于相對的

55、兩塊電極板的距離，反比于電解液的電導率，極板距離和電導率都便于控制；二是液阻的熱容量大。液阻的這兩大特點恰恰是軟起動所需要的。加上另一個十分重要的優(yōu)勢即低成本使液阻軟起動得到廣泛的應用。液阻軟起動也有缺點，一是液阻箱容積大，其根源在于阻性限流，減小容積引起溫升加大。一次軟起動后電解液通常會有1030的溫升，使軟起動的重復性差。二是移動極板需要有一套伺服機構，它的移動速度較慢，難以實現(xiàn)起動方式的多樣化。三是液阻軟起動需要維護，液箱中的水需要定期補充。電極板長期浸泡于電解液中。表面會有一定的銹蝕，需要做表面處理。四是液阻軟起動裝置不適合于置放在易結冰或顛簸的現(xiàn)場。(2磁控軟起動磁控軟起動是從電抗器

56、軟起動衍生出來的。將三相電抗器串在電源和電動機定子之間實現(xiàn)降壓是兩者的共同點。磁控軟起動不同于電抗器軟起動的主要點是其電抗值可控。總體說來起動開始時，電抗器的電抗值較大，在軟起動過程中，通過反饋調(diào)節(jié)使電抗值逐漸減小，及至軟起動完成后被旁路。電抗值的變化是通過控制直流勵磁電流，改變鐵心的飽和度實現(xiàn)的，所以叫做磁控軟起動，因為磁飽和電抗器的輸出功率比控制功率大幾十倍，它也可以稱為“磁放大器”。磁控軟起動裝置需要有相對較大功率的輔助電源，噪聲較大則是其不足之處。(3晶閘管軟起動晶閘管軟起動產(chǎn)品問世不過30年左右的時間，它是當今電力電子器件長足進步的結果。10年前，電氣工程界就有人指出，晶閘管軟起動將

57、引發(fā)軟起動行業(yè)的一場革命。目前在低壓（380伏）范圍內(nèi)，晶閘管軟起動產(chǎn)品價格已經(jīng)下降到大約液阻軟起動的2倍。而其主要性能卻優(yōu)于液阻軟起動。與液阻軟起動相比，它的體積小，結構緊湊，維護量小，功能齊全，菜單豐富，起動重復性好，保護周全，這些都是液阻軟起動無法比擬的。 但是，晶閘管軟起動產(chǎn)品也有缺點。一是高壓產(chǎn)品的價格太高，是液阻軟起動產(chǎn)品的510倍，二是晶閘管引起的高次諧波較嚴重。5.2.4軟起動器常用的起動方式軟起動器常用的起動方式有以下幾種：（1）電壓雙斜坡起動 顧名思義這是在起動過程中將電壓由小到大斜坡線性上升，因此電機的輸出力矩會隨著電壓的增加而增加，該方式主要用于重載起動。其原理是：在起動初始時先提供一個起動電壓（根據(jù)負載可調(diào)），當將調(diào)到對應轉矩大于負載靜摩擦力矩時，負載就開始轉動；之后將輸出電壓從按一定的斜率上升（斜率可調(diào)）