交流调速技术 异步电动机起动过程分析 作业二.docx
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交流调速技术异步电动机起动过程分析作业二
BeijingJiaotongUniversity
异步电动机起动过程分析
结题报告
姓名：
TYP
班级：
电气0906
学号：
09291183
指导老师：
吴学智
完成日期：
2012.11.13
摘要
通过对笼型异步电机的分析，利用Matlab中的Simulink仿真工具对异步电动机的直接起动、降压起动、V/f比控制起动方式进行动态仿真。
通过对起动过程中电机的定子电流、起动转矩和转子转速进行检测，得出各种起动方式下电流—时间、转矩—时间、转速—时间和转矩—转速的特性曲线，从而比较不同起动方式的起动性能优劣。
异步电动机变频起动后，使起动电流大大减小，起动时对电网的冲击效应较小，并且使异步电动机起动转矩尽可能大，缩短了起动时间，从而克服了传统起动的弊端。
关键词
异步电动机；直接起动；降压起动；V/f比控制起动
Abstract
Withtheanalysisofcageasynchronousmotor,wecantakeadvantageofusingMatlabSimulinksimulationtoolforasynchronousmotordirectstarting,buckstarting,V/fratiocontrolthestartingmodefordynamicsimulation.Bydetectingthestartingprocessofthestatorcurrentofthemotor,thestartingtorqueandrotorspeed,wehavecometoavarietyofstartingmodecurrent-time,Torque-time,speed-thetimeandtorque-rotationalspeedcharacteristiccurves,inordertocomparetheprosandconsofstartingperformanceofdifferentstarting.Asynchronousmotorvariablefrequencystart,thestartingcurrentisgreatlyreduced,theknock-oneffectsofthestartinggrid,andtheasynchronousmotorstartingtorqueaslargeaspossibletoshortenthestarttime,inordertoovercomethedrawbacksofthetraditionalstart.
Keywords
asynchronousmotor;directstarter;buckstarter;V/fratiocontrolthestartingway
1.前言
1.1异步电动机起动过程研究意义
异步电动机由于具有结构简单、体积小、价格低廉、运行可靠、维修方便、运行效率较高、工作特性较好等优点，因而在电力拖动平台上得到了广泛应用。
据统计，其耗电量约占全国发电量的40%左右。
当电机并入电网时，电机转速从静止加速到额定转速的过程称为电机的起动过程。
异步电动机的起动性能最重要的是起动电流和起动转矩。
因此在电机的起动过程中，如何降低起动电流，增大起动转矩，一直是机电行业的专家们探讨的重要课题。
1.2异步电动机的起动分类及其发展方向
目前，最常见的是直接起动方式，这是一种最简单的起动方法。
就是用闸刀开关或者接触器把电机的定子绕组直接接到电网上。
这种方式的优点是操作和起动设备简单，缺点是起动电流很大。
一般鼠笼式异步电机直接起动的电流是额定电流的4～7倍，某些国产电机甚至可达8～12倍，起动转矩是额定转矩的1～2倍。
虽然,起动电流很大,但起动转矩并不大。
因此,直接起动方法只适用于小容量电机起动。
为了解决直接起动带来的一系列问题，人们采用了各种降压起动技术，目前应用较为普遍的有自耦变压器起动、串电阻或串电抗起动、Y-△启动和延边三角形起动等方法。
这些传统降压起动方法在很大程度上缓解了大容量电机在相对较小容量电网上起动时的矛盾，但它们只是缩短了大电流冲击的时间，并没有从本质上解决问题。
而且这些起动设备还存在一些固有的缺点:
如对负载的适应能力差、起动电流不连续、触点继电器控制、维修工作量大以及浪费能源等问题。
随着自动化、机械化要求日益提高，这些矛盾变得更加突出。
1.3 变频起动的发展
虽然软起动仍然以各种形式的降压（限流）软起动为主要形式，但是随着变频器价格的逐渐下降及可靠性的进一步提高，变频软起动将成为软起动的主流。
变频器具有所有软起动器功能，但它的价格比软起动器贵的多，结构也负责的多。
由于其价格太高，人们购置变频器一般都是着眼于调速，因此常常不把他归类于软启动装置。
但对于需要重载或者满载起动的设备，最好采用变频软启动。
因为软起动器调压不调频，转差率始终存在，难免过大的起动电流，而变频器采用调频调压方式，可实现无过流软启动，且可提供1.2－2倍的起动转矩，特别适合于重负载起动的设备。
相信随着电力电子技术的不断发展，变频器的价格会进一步降低，变频器作为一种软启动方式会得到更为广泛的应用。
各种形式的降压起动动将与星三角起动等技术一起归并为传统的起动技术。
未来成为主流产品的软起动装置将是带有软切换功能的廉价的变频器。
2.笼型异步电机的起动方式
2.1 直接起动
直接起动，也就是全压起动，是一种最简单的起动方法也是三相异步电动机应用最多的一种起动方法。
小功率电机常常采用这种起动方式然而对较大功率的电机而言，这种起停方式的缺点也是显而易见的。
在这种起动方式下，起动电流约为标称电流的4-7倍;起动转矩约为标称转矩的
倍。
其特点是:
电机端子少（一般为三端子电机），可带载起动、高电流峰值和大压降起动，设备简易。
直接起动是最简单的起动方式，起动时通过空开或接触器将电机直接接到电网上。
具有起动设备简单，起动速度快的优点,而且起动转矩比采用降压起动时大。
在电网和负载两方面都允许全压直接起动的情况下，鼠笼式异步电动机仍以直接起动为宜．因为操纵控制方便，而且比较经济。
其危害很大电网冲击大。
过大的起动电流，会造成电网压降，影响其他用电设备的正常进行。
还可能使欠压保护动作，造成用电设备的有害跳闸。
同时过大的起动电流会使电机绕组发热，从而加速绝缘老化，影响电机寿命；机械冲击严重，过大的冲击力矩容量造成电机转子笼条、端环断裂和定于端部绕组绝缘磨损，导致绝缘击穿烧毁电机，转轴扭曲，联轴节、传动齿轮损伤和皮带撕裂等。
因此尽管直接起动方法简单．起动设备也简单，价格便宜，但为了限制电和机械的冲击，以及保证电网的供电质量，在某种场合，就得采取减压起动方式，或者在绕线式异步电动机的转子电路中串入阻抗进行起动。
图2.1为三相交流异步电动机直接起动的电路图。
三相交流电源经由组合开关
，熔断器
，
，交流接触器KM的主触点到电动机定子绕组，构成了主电路。
图2.1 三相交流异步电动机直接起动的电路图
2.2 降压起动
降压起动通过降低起动时加在定子绕组上的电压来减小起动电流，起动结束后，再将定子绕组的两端电压恢复到额定值。
降压起动虽然能减小起动电流，但是起动转矩也大大减小了，所以降压起动一般适用于中、大容量的异步电动机轻载货空载起动。
降压起动适用于容量大于或等于
并带轻载的工况。
由于轻载，故电动机起动时电磁转矩很容易满足负载要求。
主要问题是起动电流大，电网难以承受过大的冲击电流，因此必须降低起动电流。
在研究起动时，可以用短路阻抗
来等效异步电动机。
电机的起动电流（即流过
上的电流）与端电压成正比，而起动转矩与电机端电压的平方成正比，这就是说起动转矩比起动电流降得更快。
降压之后在起动电流满足要求的情况下，还要校核起动转矩是否满足要求。
2.3 三相异步电动机变频起动的原理
根据三相异步电动机的转速公式为
式中
为异步电动机的定子电压供电频率；
为异步电动机的极对数；
为异步电动机的转差率。
改变异步电动机定子绕组供电电源的频率
，可以改变同步转速
，从而改变转速。
如果频率
连续可调，则可平滑的调节转速，此为变频调速原理。
3.笼型异步电动机的起动过程MATLAB仿真
3.1直接起动
仿真模型如下所示：
其中电压源按照三相对称电压源赋值，相电压为220V，50HZ，相角分别为0，-120,120，仿真算法为ode23tb，仿真时间为5s。
其中转速、转矩反馈模块如下：
转速、转矩反馈模块的功能为：
当输出转矩（Te）小于5时，使得模块输出（Tm）和电机产生的Te相同；当输出转矩（Te）不小于5时，使得模块输出（Tm）为5恒定。
这样避免了实际没起动的电机显示负的转速的不正确现象。
下图为转子电流和定子电流（均为三相，由上至下为a、b、c）：
下图由上至下为转子电流（a相），定子电流（a相），转速、转矩：
下图为直接起动时的转矩—转速特性：
由上可知：
直接起动时，起动过程在0.8秒左右结束，起动速度较快。
因为负载很小，所以转速非常接近同步转速1500
，转速上升速度快。
定子电流波形和转子电流波形呈现较大的振荡，起动后电流降至正常工作电流。
启动负载较小，异步电机在直接起动过程中的起动定子电流最大约为32A。
3.2降压起动
仿真模型如下所示：
其中受控电压源为：
设置上升时间为2s时，
下图为转子电流和定子电流（均为三相，由上至下为a、b、c）：
下图由上至下为转子电流（a相），定子电流（a相），转速、转矩：
下图为转矩—转速特性：
设置上升时间为4s时，
下图为转子电流和定子电流（均为三相，由上至下为a、b、c）：
下图由上至下为转子电流（a相），定子电流（a相），转速、转矩：
下图为转矩—转速特性：
设置上升时间为6s时，
下图为转子电流和定子电流（均为三相，由上至下为a、b、c）：
下图由上至下为转子电流（a相），定子电流（a相），转速、转矩：
下图为转矩—转速特性：
由上述三种情况整理：
加速时间
2s
4s
6s
稳定时间
2.3s
3.8s
5.3s
定子电流最大值（稳定之前）
26A
24A
22A
转矩最大值（稳定之前）
38N·M
30N·M
27N·M
定子电流波动幅值（稳定之后）
2A
1.5A
1.2A
转矩波动幅值（稳定之后）
1N·M
0.8N·M
0.6N·M
可以看出：
加速时间越长，稳定时间增加，稳定之前的定子电流最大值变小，转矩最大值变小，稳定之后的定子电流波动幅值变小，转矩波动幅值变小。
异步电动机降压起动，可以达到减小起动电流的目的。
当转速接近正常运行转速时，接入全电压，比直接起动的定子电流小。
但是在起动的过程中，起动转矩也较小，电流波形出现了高电流峰值，存在冲击电流。
3.3V/f比控制
仿真模型如下：
其中脉冲发生器为：
PWM产生模块为：
设置上升时间为1s时，
下图为转子电流和定子电流（均为三相，由上至下为a、b、c）：
下图由上至下为转子电流（a相），定子电流（a相），转速、转矩：
下图为转矩—转速特性：
设置上升时间为2s时，
下图为转子电流和定子电流（均为三相，由上至下为a、b、c）：
下图由上至下为转子电流（a相），定子电流（a相），转速、转矩：
下图为转矩—转速特性：
设置上升时间为3s时，
下图为转子电流和定子电流（均为三相，由上至下为a、b、c）：
下图由上至下为转子电流（a相），定子电流（a相），转速、转矩：
下图为转矩—转速特性：
由上述三种情况整理：
加速时间
1s
2s
3s
稳定时间
1.2s
2.3s
3.1s
定子电流最大值（稳定之前）
20A
12A
10A
转矩最大值（稳定之前）
30N·M
19N·M
15N·M
定子电流波动幅值（稳定之后）
5A
4.8A
4.6A
转矩波动幅值（稳定之后）
5N·M
4.5N·M
4.3N·M
由上可知：
加速时间越长，稳定时间增加，稳定之前的定子电流最大值变小，转矩最大值变小，稳定之后的定子电流波动幅值变小，转矩波动幅值变小。
相比于降压起动：
波形毛刺增加，谐波变大，稳定之前的转矩最大值变小，定子电流最大值变小，稳定之后的转矩波动值变大，定子电流波动值变大。
4.参考文献
[1]林飞，杜欣.电力电子应用技术的matlab仿真[M].北京：
中国电力出版社，2009
[2]冯晓云.电力牵引交流传动及其控制系统[M].北京：
高等教育出版社，2009
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