軟起動器基本原理及應(yīng)用課程課件

軟起動器的基本原理與應(yīng)用

軟起動器的基本原理與應(yīng)用

一?慨述交流異步電動機應(yīng)用非常廣泛，有許多不調(diào)速的場合，僅需要對電機進行起動，由于起動電流過大，會對電網(wǎng)和其他用電設(shè)備造成沖擊，受電網(wǎng)容量的限制和保護其他用電設(shè)備正常工作，應(yīng)對電機的起動過程加以控制。傳統(tǒng)的起動方式：低壓電機：串電阻起動，自耦減壓起動，星三角起動，繞線式電機轉(zhuǎn)子串電阻起動等。高壓電機：串電抗器起動，繞線式電機轉(zhuǎn)子串水阻起動器起動，頻敏變阻起動等。

電機的傳統(tǒng)起動方式缺點是明顯的，即起動電流和機械沖擊較大，起動器體積過大。隨著電力電子技術(shù)，微機技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，電機軟起動技術(shù)出現(xiàn)且成熟。

二?軟起動器基本原理由圖1交流異步電動機等值電路圖，在忽略激磁電流I0的條件下，有

圖1交流異步電動機等值電路圖（1）

由(1)式可知，電動機直接起動時，n=0，S=1，定子旋轉(zhuǎn)磁場以同步轉(zhuǎn)速切割轉(zhuǎn)子線圈，在轉(zhuǎn)子線圈中感應(yīng)很大的電勢，轉(zhuǎn)子的等效阻抗很小，感應(yīng)電流很大，則與之平衡的定子電流的負載分量也隨之急劇增加；隨著轉(zhuǎn)速的提高，轉(zhuǎn)子等效阻抗逐漸增大，相應(yīng)的定子電流也隨之減小。式中，如不考慮溫度的影響，電機的定?轉(zhuǎn)子電阻和定子電抗為常數(shù)，轉(zhuǎn)子的電抗隨轉(zhuǎn)速改變，無法進行控制，但電子電流與端電壓成正比，控制端電壓可控制定子電流。（1）星-三角起動器自耦減壓起動其電路圖（2）自耦減壓起動圖2軟起動器電路拓撲方案(a)(b)(C)(d)(e)(f)

利用雙向（兩只單向反并聯(lián)）晶閘管的相控交流調(diào)壓原理，通過改變相控角來改變加在電機定子上電壓的均方根值。晶閘管過載能力強，價格便宜。三?軟起動器電路拓撲結(jié)構(gòu)方案1?低壓軟起動器（1100V以下）電路拓撲結(jié)構(gòu)方案如圖2有多種結(jié)構(gòu)方案，(a)?(b)方案對稱性好諧波比較少。（c）方案由晶閘管和二極管反并聯(lián)構(gòu)成，軟啟動器起動時，二極管導(dǎo)通角為180度，晶閘管導(dǎo)通角由小變大，逐漸增加，波形嚴重不對稱，諧波較大，且電流中既有交流分量又有直流分量，疊加后的數(shù)值很大，引起電動機和輸電線路發(fā)熱。（d）、（f）方案只有兩相（一相）有晶閘管，另一（二）相為直通，對稱性較差。（c）、（d）、（f）使用元件相對較少。（e）這種方案在同等容量下，晶閘管承受的電流小，承受的電壓高，需引出六個端子。另外，還由其他的電路拓撲結(jié)構(gòu)方案，由于有這樣或那樣的缺點，最常用的是(a)?(b)方案。

2?高壓軟起動器電路拓撲方案（6000v以上）這種結(jié)構(gòu)由低壓軟起動演變而來，由于SCR串聯(lián)對器件的一致性和閥體均壓性能要求較高，技術(shù)難度較大。電壓等級越高，技術(shù)難越大。圖3SCR直接串聯(lián)形式

利用高壓變頻器作為軟起動器。四?軟起動器的控制方式：1?電壓斜坡式起動控制方式電壓斜坡式起動控制方式是一種開環(huán)控制方式，是軟起動器最早起動方式。它的電壓按預(yù)先設(shè)定好的曲線變化，其斜率由斜坡上升的時間t決定。另外，當(dāng)起動之初電壓低于一定值時（一般為120v左右）圖4電壓斜坡/電壓突跳方式曲線電機轉(zhuǎn)矩小于負載轉(zhuǎn)矩，電機不能運轉(zhuǎn)，反而使電機發(fā)熱，因此電壓斜坡式起動控制方式的電壓不是從0開始上升，而是有一初始電壓U0。這個電壓通常要根據(jù)負載特性設(shè)定成能使電機起動所需的最小電壓。也可設(shè)置為按兩段斜率起動。起動效果受到負載和電源變化的影響，因此無法準確地獲得希望的效果，往往需要反復(fù)調(diào)試才能達到比較滿意的起動效果。2?電壓突跳式起動控制方式有些負載，在靜止狀態(tài)下有較大的靜阻力矩，在電機起動初始需要很大的轉(zhuǎn)矩使電機起動，當(dāng)電機一旦轉(zhuǎn)動起來，阻力矩反而減小。對此，起動時加一短時的高電壓Ub(其值和時間可以設(shè)置）以克服阻力矩，如圖4。3?電流限幅起動控制方式電壓斜坡起動控制方式是開環(huán)控制，因此斜坡上升率不能隨系統(tǒng)的變化自動調(diào)節(jié)，往往電流會超出所希望的值，由此發(fā)展了電流限幅控制方式。電流限幅起動控制方式是一種閉環(huán)控制方式。起動過程中，需要不斷地采樣和調(diào)整電機電流，使之具有圖5的電流曲線。這種控制方式特別適合恒轉(zhuǎn)矩負載，限幅值2.5IN~5IN。在電網(wǎng)容量受限時時電機以最小的起動電流快速起動。3?電流限幅起動控制方式圖5電流限幅/電流斜坡方式曲線圖電流限幅電流突跳電流斜坡4?電流斜坡起動控制方式如圖5所示，初始電流為使電機起動所需的最小電流這種控制方式使電機電流按照設(shè)定的曲線逐步上升，直達到設(shè)定的最大電流值，然后保持到起動完成。電流斜坡起動控制方式同樣可設(shè)置為多段，也可加突跳電流。這種控制方式是電流限幅起動方式控制方式的擴展，特別適于具有平方轉(zhuǎn)矩特性的風(fēng)機?泵類負載，起動時所需要的轉(zhuǎn)矩很小，隨著轉(zhuǎn)速的上升，所需轉(zhuǎn)矩近似成平方關(guān)系增加。因此，起動初始宜加小的起動電流，隨著轉(zhuǎn)速的上升，起動電流也隨之上升，這樣有利于負載的平穩(wěn)起動，電機發(fā)熱較少。5?轉(zhuǎn)矩控制方式由于大型感應(yīng)電機在起動過程后期，功率因數(shù)變化很快，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速常常超過同步轉(zhuǎn)速，經(jīng)過一個衰減震蕩過程才能達到穩(wěn)態(tài)運行點，電機負載力矩越小和轉(zhuǎn)動慣量越小就越容易發(fā)生震蕩，這種現(xiàn)象叫“超標”。對于采用電流閉環(huán)的軟起動器，PI調(diào)節(jié)器的輸出跟隨電流的下降，反而會5?轉(zhuǎn)矩控制方式輸出更大，控制觸發(fā)角迅速推至全壓，使得電動機輸出轉(zhuǎn)矩過沖，造成系統(tǒng)震蕩。于是有一些新的控制方法來克服這個問題，目前有轉(zhuǎn)矩控制方式和模糊控制方式。轉(zhuǎn)矩控制方式原理如下：電動機的電磁轉(zhuǎn)矩（2）式中：為電動機的電磁功率為旋轉(zhuǎn)磁場的角速度又（3）因此，電磁轉(zhuǎn)矩（4）基于上述方程的控制方框圖如圖6所示。通過實時檢測三相電流?功率因數(shù)結(jié)合實際SCR觸發(fā)角計算出電機的實際轉(zhuǎn)矩作為反饋再通過PID調(diào)節(jié)器輸出電壓實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制，如圖6所示：

轉(zhuǎn)矩控制方式能很好地解決轉(zhuǎn)矩過沖問題，但是同時應(yīng)當(dāng)看到重構(gòu)電機轉(zhuǎn)矩有相當(dāng)?shù)碾y度，由式（1）?（4）可見，電動機的轉(zhuǎn)矩還同轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)差率）有關(guān)，從T(t)到U(t)的映射很不明顯，因而對電壓軌線不易做到準確實際轉(zhuǎn)矩三相電流功率因數(shù)圖6轉(zhuǎn)矩控制方式原理圖6?模糊控制方式電流限幅起動控制方式不能有效的克服負載?模型的大范圍變化，特別是起動過程中電動機參數(shù)的變化和不確定性，傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器，難以達到理想的控制效果，易產(chǎn)生震蕩。而起動過程中電動機的電流與晶閘管調(diào)壓電路的控制很難得出精確的數(shù)學(xué)模型，同時，電動機本身又是一個高階?非線性?強耦合的被控對象，因此實現(xiàn)準確地轉(zhuǎn)矩控制很困難。不依賴被控對象的精確數(shù)學(xué)模型用模糊控制進行控制，適合電動機軟起動控制。下式是一種帶多個加權(quán)因子的軟起動器模糊控制規(guī)則，如（5）式：的預(yù)測。（5）這里，需要選擇合適的電流偏差范圍，如將3A的電流偏差E經(jīng)比例因子K1變換到[-9,+9]論域中，并選取7個模糊子集，即{負大，負中，負?。?，正小，正中，正大}，將8A的電流偏差變化率Ec經(jīng)量化因子K2變換到[-4，4]的論域中，并選取5個模糊子集，即{負大，負小，零，正小，正大}。通過調(diào)整加權(quán)因子的取值，可以改變偏差和偏差變化鉛率對輸僻出控制梁量的權(quán)制重。要韻適應(yīng)系州統(tǒng)狀態(tài)料的變化抓，加權(quán)笛因子步應(yīng)設(shè)置測多個，交根據(jù)系唐統(tǒng)狀態(tài)旁不同的變背化，生選取紡不同觸的加糠權(quán)因絮子。模糊循控制辦相對宇與其軍他方普式來聽說，朱能夠抖實現(xiàn)汪系統(tǒng)的平穩(wěn)捉起動，展控制較具容易實萬現(xiàn)且負深載適應(yīng)陳能力強向。7?分級變扒頻起動籠控制方睜式前述的艦起動控套制方式杜都基于耍降壓控束制原理附，電動機咱電磁轉(zhuǎn)邁矩與端膏電壓的獨平方成火正比，躬因此，起動處轉(zhuǎn)矩司相應(yīng)線減少僚，一撤般負誕載起綿動轉(zhuǎn)憑矩在濃額定轉(zhuǎn)矩耗的6暮0%繡時，薦可采呈用減均壓或訂軟起凳動其狂起動邪。另外寬，起宇動過唱程中解，電映動機秒的轉(zhuǎn)麗差率S始終維小于賽1，起動掘電流迫通常和較大稻。分級變荒頻起動漢方式在錄改變電繳壓的同平時也改酸變頻率，實瞧現(xiàn)了高琴轉(zhuǎn)矩的V/咱F控制?？糠旨壸冞x頻起動單方式的主怖電路共拓撲該結(jié)構(gòu)背同一臭般軟損起動信器相驢同。舅將交坡流電進行N分頻怕，頻翅率不喜連續(xù)余，如困50附/N……50薪/3可?50/喊2?50。方法是儉將N個周期全的交流橋電合并教，如圖輪7中所秩示：圖7華分級恰變頻方漸式25Hz和10Hz時一癥相電魔壓波錄形圖陰影正為晶蠟閘管靠導(dǎo)通乓，紅停線為犯25Hz，藍線六為1帝0Hz波形圖利。起動洪過程它中，狀控制酸晶閘坊管時恭電機渠定子另端電美壓按預(yù)設(shè)摩的分休頻級愿數(shù)上道升，蜜如5攜0/溫13蛛5勿0/穩(wěn)7現(xiàn)50醒/4就50羅/250驗/2慢5槐0Hz。停車虛按相振反的萍順序舒進行搖。由于連分級瘦變頻糟起動志電壓?電流?頻率不肅連續(xù)，捏因而電鵲動機的仔轉(zhuǎn)矩是修脈動的加，起動宇過程中刑特別在廊低頻時答振動和酬發(fā)熱比浩較嚴重櫻。8?轉(zhuǎn)速嚇閉環(huán)宵控制轉(zhuǎn)速控逐制方式嫁實際上做是轉(zhuǎn)速蓄—電流曬雙閉環(huán)錄控制，之這種控攪制方式厘同轉(zhuǎn)矩錦控制方炸式有類艙似之處訪，均須固控制轉(zhuǎn)危矩。電聽動機的劫轉(zhuǎn)矩還累與轉(zhuǎn)速穩(wěn)有關(guān)，散轉(zhuǎn)速閉妙環(huán)后，轉(zhuǎn)矩厘控制孝方式巨控制瞎電機題的轉(zhuǎn)榨矩，渠目的誦是為搏了獲載得穩(wěn)句定的拒轉(zhuǎn)矩數(shù)；而轉(zhuǎn)炎速閉抓環(huán)控測制方震式控撇制電錘機的老轉(zhuǎn)速北，目泳的是稿使負浙載按償給定的膀轉(zhuǎn)速腸曲線哈起停嶼。這種控哪制方式矛適合礦口山皮帶蛋運輸機篩，不可廚控的起切動與停止過跪程，將煤產(chǎn)生很鼻大的加膚速度和弓沖擊，暈造成物訓(xùn)料滑落摩，損壞席設(shè)備籃和傳拾送帶交。9?軟停園車方盲式10?直流絹制動T1?T2正半挽周導(dǎo)釘通，壞負半瘡周截漢止。11?節(jié)能運鋼行電動否機調(diào)菊壓節(jié)雀能，停諧波顏增加騾使功窄率因祝數(shù)?輸出轉(zhuǎn)德矩降低功耗：3W/耍A；允哪許起貌動次恰數(shù)：銀每小柏時不鎮(zhèn)超過20次。電動機捆轉(zhuǎn)子發(fā)渣熱也要遷消耗一房誠定的能喉量，節(jié)撒能有限原。五?軟起除動器云應(yīng)用軟起動常器是一陵種電動敲機起動彼的新概責(zé)念產(chǎn)品議，完全雀取代星甜—三角朽起動?自耦減串壓起動滿等傳統(tǒng)保的起動俊器，廣云泛應(yīng)用沖于各工例業(yè)領(lǐng)域端。市面版上軟起桌動器種冶類繁多占，一般首都具有嗎電壓斜粥坡式起遣動控制洪方式?電壓消突跳抗式起站動控組制方聯(lián)式?電流