大型异步电机软起动的研究毕业设计.docx

1、大型异步电机软起动的研究毕业设计xxxx大学文华学院 毕 业 设 计 论文 题目: 大型异步电机软起动的研究 院 (系) 专业 ：电气工程及其自动化xxxx大学文华学院毕业论文本科生毕业设计（论文） 开题报告题目: 大型异步电机软起动的研究II xxxx大学文华学院毕业论文1. 课题的目的、意义、国内外概况和预测 1.1 课题的目的 电动机的非经济运行情况,早已引起国家有关部门的重视,并分别于 1990 年和 1995年制定和修定了强制性的国家标准:三相异步电动机经济运行(GB12497-1995)。国家希望依此来规范三相异步电动机的经济运行,国标的发布对低压电动机的经济运行起了很大的促进作用

2、,但对中压电动机则收效甚微。其原因是:(1)中压电动机一般容量较大,一旦发生故障,其影响也大,因此对节电措施可靠性的要求就更高; (2)中压电动机节电措施受电力电子功率器件耐压水平的限制,节电产品的开发在技术上难度更大一些。到目前为止,国内尚无成型的中压电动机软起动和节电运行的产品面市。 1.2 课题的意义 电动机的传统起动装置主要有: “Y- ”起动器、自藕降压起动器、饱和电抗器。传统的降压起动设备在很大程度上缓解了大容量电机在较小容量电网上起动时的矛盾，但是它们只是相对减小了大电流的冲击并未在本质上解决问题。而且这些起动设备还有一些固有的缺点，如对负载适应能力差、起动电流不连续、维修工作量

3、大等等。随着工业现场对自动化、机械化要求的提高，此类矛盾日益突出。 异步电动机起动过程的长短也是需要考虑的问题。在整个电动机起动过程中，电磁转矩大于负载的反转矩，电动机加速运转。在相同的转动惯量下转矩的差额越大，机组加速越快。转动惯量大的机械起动就较慢，对于重复起动的生产机械来说，起动过程的时间长短对劳动生产率的影响是很大的，因而对不同的生产过程，对电动机有不同的起动时间要求。 过去的起动装置大多采用接触器，属于有触点系统，容易磨损引发故障，起动特性不好。为了达到无触点控制，获得灵活多变的良好的起动特性，在 80 年代初期鼠笼型异步电动机电子软起动器诞生。软起动控制器是一种新型节能设备，在欧美

4、国家已得到大量的应用。它利用晶闸管交流调压技术实现降压起动，以后又融入了功率因素控制技术，在控制装置的研究上，正围绕着提高起动力矩、实现计算机联网远程监控、完善检测和自诊断功能以及提高产品可靠性、改进制造工艺、降低成本等方面努力。 电子软起动器采用使定子电压逐渐增大至额定电压的方法，使交流异步电机平滑起动，减少交流异步电机的起动电流，降低起动时对电网的冲击。由于三相交流异步电机的电磁转矩与定子电压的平方成正比，当定子电压降低时，电磁转矩就会降低很多，而电子软起动器是采用降压起动，降压并不降频，所以利用传统电子软起动器起动三相交流异步电机时，电磁转矩很小。电磁转矩小的特点限制了电子软起动器的应用

5、范围。 本文介绍的分级变频，可以使传统电子软起动器在降低定子电压的同时降低定子电压的频率，按同步转速由低到高分级起动，减小起动过程的能量损耗，克服传统电子软起动器电磁转矩小的缺点，可以使电机在全负载的情况下平滑起动和短时运行于低速状态。另外，分级变频还可以使电子软起动器输出负相序电压，使电机处于电磁制动状态。 1.3 国内外概况 20 世纪 60 年代以来，由于生产发展的需要和节省电能的要求，促使世界各国重视交流调速技术的研究与发展。尤其是 20 世纪 70 年代以后，由于科学技术的迅速发展为交流调速的发展创造了极为有利的技术条件和物质基础。从此，交流调速理论及应用技1 术大致沿下述四个方面发

6、展。 xxxxx大学文华学院毕业论文（1）电力电子器件的蓬勃发展和迅速换代促进了变流技术的迅速发展和变流装置的现代化（2）脉宽调制（PWM）技术的发展和应用优化了变频装置的性能，适用于各类交流调速系统，为交流调速技术的普及发挥了重大作用。（3）矢量变化控制技术的诞生和发展奠定了现代交流调速系统高性能化的基础（4）微型计算机控制技术与大规模集成电路的迅速发展和广泛应用为现代交流调速系统的成功应用提供了重要的技术手段和保证。 2.课题要研究的内容2.1 异步电动机起动方案的研究 m2 U R / STe1= (1) (2)21R1+CR2/ S+X1 +CX2从式中可看出，在电动机的参数已知和转差

7、率 s 不变时，感应电机的电磁转矩和所加的电源电压的平方成正比，电压越大，电磁转矩就大。 2.1.1 异步电动机调速系统的基本类型 由异步电动机工作原理可知，从定子传入转子的电磁功率 Pm 可分为两部分：一部分 Pd=（1-s）Pm 是拖动负载的有效功率；另一部分是转差功率 Ps=sPm，与转差率 s 成正比。转差功率如何处理、是消耗掉还是回馈给电网，可衡量异步电动机调速系统的效率高低。因此按转差功率处理方式的不同可以把现代异步电动机调速系统分为三类。 （1）转差功率消耗型调速系统 全部转差功率都转换成热能的形式而消耗掉。晶闸管调压调速属于这一类。在异步电动机调速系统中，这类系统的效率最低，是

8、以增加转差功率的消耗为代价来换取转速的降低。但是由于这类系统结构最简单，所以对于要求不高的小容量场合还有一定应用。（2）转差功率回馈型调速系统 转差功率一小部分消耗掉，大部分则通过交流装置回馈给电网。转速越低，回馈的功率越多。绕线式异步电动机串级调速和双馈属于这一类。显然这类调速系统效率较高。 （3）转差功率不变型调速系统 转差功率中转子铜损部分的消耗是不可避免的，但在这类系统中，无论转速高低，转速功率的消耗基本不变，因此效率很高。变频调速属于此类。目前在交流调速系统中，变频调速应用最多、最广泛，可以构成高动态性能的交流调速系统，取代直流调速。变频调速技术及其装置仍是 21 世纪的主流技术和主

9、流产品。 2.2 绕线式异步电动机的串级调速和双馈调速系统 绕线式异步电动机在工业中应用较多，它的传统调速方法是在转子回路串电阻调速。这中调速方式的本质是利用改变消耗于转子外串电阻中的转差率功率来改变转差率，从而达到调速的目的，因此，这种调速方式是转差功率消耗型调速。这种调速方式虽然结构简单，维护方便，但是调速是有级的，而且耗能多，效率低，是的调速性能和2 华中科技大学文华学院毕业论文经济性能很差。目前，这种调速方式正在逐渐被淘汰。 2.3 电动机软起动器 图 1 中，采用三对反并联的晶闸管串联于电动机的三相供电电路上,利用晶闸管的电子开关特性,通过控制其触发脉冲、触发角的大小来改变晶闸管的开

10、通时间,从而改变电动机定子输入电压的大小,以达到控制电动机的软起动过程。当电动机起动完成后即端电压升至额定电压时,三相旁路接触器 K 吸合,使电动机直接并网运行。起动时,晶闸管的导通角从 0u24320X始上升,逐渐增大,电动机的端电压也从零开始上升,直至达到满足起动转矩要求,保证起动成功。另外运用不同的设定方法,使被控电动机的输入电压按不同的要求而变化,就可以实现不同的控制功能。 2.3.1 软起动器的起动方法 串接于电源与被控电动机之间的软起动器通过控制其内部晶闸管的导通角,使电动机电流从零开始以预设函数关系逐渐上升,直至起动结束,实现软起动。通常根据预设函数及相应关系,软起动一般有如下几

11、种方法。 （1） 限电流软起动 限电流软起动可归纳为斜坡恒流软起动、阶跃起动和脉冲冲击起动三种方式。斜坡恒流软起动：这种起动方式是在电动机起动的初始阶段电流逐渐增加,当电流达到预先设定的值后保持恒定,直到起动完毕。起动过程中,电流上升变化的速率可以根据电动机负载调整设定。电流上升速率大,则起动转矩大,起动时间短。该方法应用较多,特别适用于风机、泵类负载。阶跃起动:这种方式是电动机开机时即起动,在最短时间内使起动电流迅速达到设定值,通过调节起动电流设定值,可以达到快速起动效果。脉冲冲击起动: 电动机在起动开始阶段,让晶闸管在极短时间内,以较大电流导通一段时间后回落,再按原设定值线性上升,进入恒流

12、起动。该起动方法适用于重载需要克服较大静摩擦的场合。上述三种电动机限电流软起动曲线如图 2 所示。电动机在起动时最大电流不超过预先设定的电流,通常该值的设定范围为额定电流的 0.44 倍。 （2） 电压斜坡起动 这种方式是通过设定电动机的输入电压的线性上升速率来完成电动机的起动过程。由于电压在起动过程中是线性变化的,可以保证电动机平稳起动。 （3） 转矩控制起动 3 华中科技大学文华学院毕业论文选取控制量为电磁转矩 T,并根据应用的要求在给定的区间内调节电动机的转矩,尤其是在起动、停止期间控制加速转矩,实现对电动机运行特性的控制,同时可以清除浪涌转矩以保护传动机械。如果转矩控制起动时间过长,通

13、过转矩突跳克服静转矩,加快起动周期。 2.4.软起动研究方案和利用 MATLAB 软件仿真波形 2.4.1 变频软起动 我们知道变频器实际上是一种电压、频率控制装置(VVVF)，其控制方式有电压、频率比例控制(V/F)、空间电压矢量控制和直接转矩控制(DTC)等。由于变频器在改变频率的同时，也按比例地改变其输出电压的幅值，因而能实现无过流软起动及调速节能运行。 由于变频器一般都采用交直交电压型逆变方式，因而可方便地实现自动能量优化(AEO)功能、自动电动机适配(AMA)功能以及自动电压调整(AVR)功能。由此得到启发，将变频器的 VVVF 功能分开就可实现 VVVF，或 VVCF 功能，即恒频

14、调压功能。这样对于不同运行方式的电动机，都可采用同一控制设备来实现综合节能保护控制功能了。对于需调速运行和调速节能的设备，让变频器以 VVVF 实现变频控制；对于不需要调速运行，且经常处于轻载或空载运行的设备。则采用 VVCF 控制方式，利用变频器进行恒频调压节电优化控制。实现一机多用。 在此，文章主要研究大型异步电动机交交分级变频起动。交-交变频器与交-直-交变频器相比，没有明显的中间滤波环节，电网交流电被直接变换成可调频调压的交流电。因为交-交变频器采用晶闸管自然换流方式，结构简单，可靠性高；而且交-交变频器能够直接进行能量转换，效率较高。交-交变频器最高输出频率是电网输入频率的 1312

15、，适合于低速大功率拖动的场合。 2.4.2 分级变频起动 在分级变频起动问题上，有很多问题。例如：1.分几次变频，在各种频率下的 ABC三相相角差；2.晶闸管控制问题，各相触发角角度；3.检测电源电压和反馈电流；4.单片机输入输出控制；5.谐波问题。 2.4.3 分级变频原理 在定子电压下降的同时将频率下调,将会减少电动机转矩的损失,就可以解决传统软起动器的起动转矩小的问题.分级变频就是使传统软起动器输出电压的频率从一个较低的值开始,分级上升,最后达到 50 Hz.分级变频虽然可以实现变频,但不能使频率连续地变化,只能使频率分级变化,而且各级频率都是 50 Hz 的 1/n,即 50 Hz 的

16、分频. 由电网提供的 50 Hz 的工频电源,可产生各级子频率系统,工频的 net 与子频率系统的 sub 的关系如下 net= subr (1) 其中,r 为分频数,且 r 为整数. 由表 1 可知,从 50 Hz 产生的三相平衡的各级子频率系统有的为负序如 25 Hz,有的为正序如 12.5 Hz.因为正序可产生较大的正转矩,所以对 25Hz 子频率系统来说,需要打破平衡,改变相位角,使之不平衡.重新定义子频率系统的 sub 与相位角关系如下 4 华中科技大学文华学院毕业论文由式(3),式(4)可计算出各级子频率系统的相位角.本课题将利用 MATLAB/SIMULINK库中的傅立叶模块,计

17、算出对 r 的不同取值对应的子频率系统电压的相位角。 要得到起动时的最大正转矩,需选出最优化的组合.利用三相电路的对称分量法对各种组合的三相电源系统进行分析。 2.4.4 在 Matlab 等软件中进行仿真计算 目前，MATLAB 已经成为国际上最流行的科学与工程计算的软件工具。MATLAB 给出了矩阵函数和特殊矩阵的专门库函数，大部分算术运算符可以照搬到数组的运算，使之在处理数字信号处理、建模、模式识别、自动控制、优化等领域的问题时，显得十分简洁、高效。MATLAB 的绘图功能十分方便，在调用绘图函数时调整自变量可以绘出不同颜色的点、线、复线和多重线。在国际学术界，MATLAB 已经被确认为

18、准确、可靠的科学计算标准软件。在设计研究单位和工业部门，MATLAB 是进行高效研究和开发的首选软件工具。（1） 建模及仿真根据原理分析,对起动过程建立模型，在不同起动方式下进行仿真，对定子电流(有效值)、转速、转矩这些常量进行波形比较，得出最终相应的结论。3. 课题研究进展计划 5 华中科技大学文华学院毕业论文第一阶段：2 月 9 日2 月 22 日，收集和整理相关文献资料和数据，选择好待翻译的文献，完成开题报告。 第二阶段：2 月 23 日3 月 22 日，讨论比较各软起动方案和设计主回路 第三阶段：3 月 23 日4 月 12 日，变频调速系统控制算法的研究及其波形的仿真 第四阶段：4

19、月 13 日4 月 26 日，软起动控制器初步设计 第五阶段：4 月 27 日5 月 10 日，严格按形式和内容的要求完成毕业论文，做好答辩准备。 4. 参考文献 1. 李华德 交流调速控制系统2. 宋书中 交流调速系统电子工业出版社 2003 机械工业出版社 2000 3吕锋.异步电动机的软起动器.华北电力技术，2001 年 6 期4徐甫荣.交流异步电动机软起动技术.电气时代，2003 年 8 期5张绍文.电动机软起动技术及其应用.唐山学院学报，2003 年 6 期6佘致廷.基于分级变频高转矩软起动器的研究.湖南大学学报，2004 年 12 月7. 徐甫荣 交流异步电机软起动及优化节能控制技

20、术研究，电气传动自动化，2003 年 1期8. 苏金明 MATLAB 实用教程电子工业出版社 2005 9. 刘叔军 MATLAB7.0 控制系统应用与实例机械工业出版社 2006 6 华中科技大学文华学院 毕 业 设 计 论文 题目: 大型异步电机软起动的研究摘 要 . 1 ABSTRACT . 2 1 绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 传统软起动器原理概述 . 2 1.3 分级变频高转矩软起动器原理概述. 2 1.4 本文的主要内容 . 3 2 异步电机软起动器基本原理分析 . 4 2.1 异步电机的起动性能分析 . 4 2.2 异步电机的几种起动方法 . 5 2.2.1 异步电

21、机的直接起动法与降压起动法 . 5 2.2.2 异步电机的电子式晶闸管降压软起动法 . 7 2.3 软起动器的应用和国内外研究现状. 8 3 高转矩软起动器的理论研究 . 9 3.1 分频原理及方法 . 9 3.1.1 分频原理 . 9 3.1.2 分频方法 . 9 3.2 分级变频相位组合 . 10 3.3 各级子频率触发角的计算 . 16 4 对软起动器起动过程的建模及仿真 . 20 4.1 仿真模型 . 20 4.1.1 三相电源模块 . 20 4.1.2 脉冲生成模块及晶闸管组模块 . 20 4.1.3 变频模块 . 21 4.1.4 电机及测量显示模块 . 22 4.2 仿真结果及分

22、析 . 23 结束语 . 28 参考文献 . 29 华中科技大学文华学院毕业论文摘 要 三相笼型异步电动机因具有结构简单、运行可靠、维修方便、价格便宜以及惯性小等优点而被广泛应用于工业、农业和交通运输等领域。随着各领域生产机械的不断更新和发展，对电动机的起动性能要求越来越高。传统的直接起动方式与降压起动方式因各有其局限性，如不能有效减少起动时对电网的大电流冲击，对负载适应能力差、起动电流不连续、维修工作量大等等已越来越不能适应生产发展的要求。为获得良好多变的起动性能，采用晶闸管做主电路的电子式软起动器得到大量的运用。本文研究的采用分级变频的软起动装置使电机的起动转矩增大，可以应用于传统软起动器

23、较少涉及的重载起动的场合，拓展了其应用范围。论文对分级变频理论进行了深入剖析，利用 MATLAB 对起动过程进行仿真，其中包含了各个频率下最大正转矩的三相电压波形和各个频率下的电压傅立叶分解的谐波分布，论证了理论的可行性。本文最后给出了仿真实验结果，仿真实验结果表明，该软起动器具有结构简单，起动转矩大，能实现速度闭环控制的优点，使软起动控制技术提高了一步，并且有持续研究开发的前景，有望在较广泛的应用领域得到推广应用。关键词: 异步电动机;软起动器;晶闸管;分级变频;高起动转矩华中科技大学文华学院毕业论文Large-scale asynchronous motor soft start Deve

24、lopmentAbstract The three phase squirrel cage induction machine is most used inindustry, agriculture, traffic area and etc because of its simple structure, stable running, convenient maintaining, and small inertia. With the development of machines in production area, the more excellent start perform

25、ance is desired. Conventional start methods include direct start and reduced-voltage start cant fit the request for production because they have some localization such as huge current impact, bad adaptive facultyfor load, uncontinuous start current, heavy maintaining work. For good start performance

26、, electronic formula soft starter has been used well which uses GTO as main circuit. A high torque soft starter is studied inthis paper. First, discrete frequency theory is used to improve start torque so that the soft starter can be used in more areas. This paper introduces in detail the soft start

27、ers principle, use MATLAB to simulate the start process, prove the feasibility. It has four start modes: the ramp voltage start, the limit current start, the ramp speed start and the discrete frequency start. Experiment results are given in the end. It proves that this soft starter has advantages such as simple structure, 华中科技大学文华学院毕业论文high start to