软起动器基本原理

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,软起动器的基本原理与应用,1,软起动器的基本原理与应用,一,慨述,交流异步电动机应用非常广泛，有许多不调速的场合，仅需要对电机进行起动，又与起动电流过大，会对电网和其他用电设备造成冲击，受电网容量的限制和保护其他用电设备正常工作，应对电机的起动过程加以控制。,传统的起动方式：,低压电机：串电阻起动，自耦减压起动，星三角起动，绕线式电机转子串电阻起动等。,高压电机：串电抗器起动，绕线式电机转子串水阻起动器起动 ，频敏变阻起动等。,软起动器的基本原理与应用一,慨述,2,电机的传统起动方式缺点是明显的，即起动电流和机械冲击较大，起动器体积过大。随着电力电子技术，微机技术和现代控制技术的发展，电机软起动技术出现。,二,软起动器基本原理,由图1交流异步电动机,等值电路图，在忽略激磁,电流,I,0,的条件下，有,图1 交流异步电动机等值电路图,（1）,二,软起动器基本原理,3,由(1)式可知，电动机直接起动时，,n=0，S=1，,定子旋转磁场以同步转速切割转子线圈，在转子线圈中感应很大的电势，转子的等效阻抗很小，感应电流很大，则与之平衡的定子电流的负载分量也随之急剧增加；随着转速的提高，转子等效阻抗逐渐增大，相应的定子电流也随之减小。,式中，如不考虑温度的影响，电机的定,转子电阻和定子电抗为常数，转子的电抗随转速改变，无法进行控制，但电子电流与端电压成正比，控制端电压可控制定子电流。,4,利用双向（两只单向反并联）晶闸管的相控交流调压原理，通过改变相控角来改变加在电机定子上电压的均方根值。晶闸管过载能力强，价格便宜。,三,软起动器电路拓扑结构方案,1,低压软起动器（1100,V,以下）电路拓扑结构方案,如图2有多种结构方案，(,a),(b),方案谐波比较少，(,C),、,(d),、,(f),元件相对较少，电路不对称，谐波含量较大，(,e),这种方案在同等容量下，晶闸管承受的电流小，承受的电压高，需引出六个端子。,另外，还由其他的电路拓扑结构方案，由于有这样或那样的缺点，最常用的是(,a),(b),方案。,三,软起动器电路拓扑结构方案,5,图2 软起动器电路拓扑方案,(a),(,b),(C),(,d),(,e),(,f),6,2,高压软起动器电路拓扑方案（6000,v,以上）,这种结构由低压软起动演变而来，由于,SCR,串联对器件的一致性和阀体均压性能要求较高，技术难度较大。电压等级越高，技术难越大。,图3,SCR,直接串联形式,7,利用高压变频器作为软起动器。,四,软起动器的控制方式：,1,电压斜坡式起动控制方式,电压斜坡式起动控制方式,是一种开环控制方式，是,软起动器最早起动方式。,它的电压按预先设定好的,曲线变化，其斜率由斜坡,上升的时间,t,决定。另外，,当起动之初电压低于一定,值时（一般为,120v,左右）,图4 电压斜坡/电压突跳方式曲线,四,软起动器的控制方式： 1,电压斜坡式起动控制方式,8,电机转矩小于负载转矩，电机不能运转，反而使电机发热，因此电压斜坡式起动控制方式的电压不是从0开始上升，而是有一初始电压,U,0,。,这个电压通常要根据负载特性设定成能使电机起动所需的最小电压。也可设置为按两段斜率起动。,起动效果受到负载和电源变化的影响，因此无法准确地获得希望的效果，往往需要反复调试才能达到比较满意的起动效果。,2,电压突跳式起动控制方式,有些负载，在静止状态下有较大的静阻力矩，在电机起动初始需要很大的转矩使电机起动，当电机一旦转,2,电压突跳式起动控制方式,9,动起来，阻力矩反而减小。对此，起动时加一短时的高电压,Ub(,其值和时间可以设置）以克服阻力矩，如图4。,3,电流限幅起动控制方式,电压斜坡起动控制方式是开环控制，因此斜坡上升率不能随系统的变化自动调节，往往电流会超出所希望的值，由此发展了电流限幅控制方式。,电流限幅起动控制方式是一种闭环控制方式。起动过程中，需要不断地采样和调整电机电流，使之具有图5的电流曲线。这种控制方式特别适合恒转矩负载，限幅值2.5,I,N,5I,N,。,在电网容量受限时时电机以最小的起动电流快速起动。,3,电流限幅起动控制方式,10,图5 电流限幅/电流斜坡方式曲线图,电流限幅,电流突跳,电流斜坡,4,电流斜坡起,动控制方式,如图5所示，初,始电流为使电机起,动所需的最小电流,这种控制方式使电,机电流按照设定的,曲线逐步上升，直达到设定的最大电流值，然后保持到起动完成。电流斜坡起动控制方式同样可设置为多段，也可加突跳电流。,这种控制方式是电流限幅起动方式控制方式的扩展，,4,电流斜坡起动控制方式,11,特别适于具有平方转矩特性的风机,泵类负载，起动时所需要的转矩很小，随着转速的上升，所需转矩近似成平方关系增加。因此，起动初始宜加小的起动电流，随着转速的上升，起动电流也随之上升，这样有利于负载的平稳起动，电机发热较少。,5,转矩控制方式,由于大型感应电机在起动过程后期，功率因数变化很快，转子转速常常超过同步转速，经过一个衰减震荡过程才能达到稳态运行点，电机负载力矩越小和转动惯量越小就越容易发生震荡，这种现象叫“超标”。对于采用电流闭环的软起动器，,PI,调节器的输出跟随电流的下降，反而会,5,转矩控制方式,12,输出更大，控制触发角迅速推至全压，使得电动机输出转矩过冲，造成系统震荡。于是有一些新的控制方法来克服这个问题，目前有转矩控制方式和模糊控制方式。转矩控制方式原理如下：,电动机的电磁转矩,（2）,式中： 为电动机的电磁功率,为旋转磁场的角速度,又,（3）,因此，电磁转矩,（4）,基于上述方程的控制方框图如图6所示。通过实时检测三相电流,功率因数结合实际,SCR,触发角计算出电机的,13,实际转矩作为反馈再通过,PID,调节器输出电压实现转矩的闭环控制，如图6所示：,转矩控制方式能很好地解决转矩过冲问题，但是同时应当看到重构电机转矩有相当的难度，由式（1）,（,4,）可见，电动机的转矩还同转速（转差率）有关，从,T(t),到,U(t),的映射很不明显，因而对电压轨线不易做到准确,实际转矩,三相电流,功率因数,图6 转矩控制方式原理图,14,6,模糊控制方式,电流限幅起动控制方式不能有效的克服负载,模型的大范围变化，特别是起动过程中电动机参数的变化和不确定性，传统的,PID,调节器，难以达到理想的控制效果，易产生震荡。而起动过程中电动机的电流与晶闸管调压电路的控制很难得出精确的数学模型，同时，电动机本身又是一个高阶,非线性,强耦合的被控对象，因此实现准确地转矩控制很困难。不依赖被控对象的精确数学模型用模糊控制进行控制，适合电动机软起动控制。,下式是一种带多个加权因子的软起动器模糊控制规则，如（5）式：,6,模糊控制方式,的预测。,15,（5）,这里，需要选择合适的电流偏差范围，如将3,A,的电流偏差,E,经比例因子,K,1,变换到-9,+9论域中，并选取7个模糊子集，即负大，负中，负小零，正小，正中，正大，将8,A,的电流偏差变化率,E,c,经量化因子,K,2,变换到-4，4的论域中，并选取5个模糊子集，即负大，负小，零，正小，正大。通过调整加权因子 的取值，可以改变偏差和偏,16,差变化率对输出控制量的权重。要适应系统状态的变化，加权因子 应设置多个，根据系统状态不同,的变化，选取不同的加权因子。,模糊控制相对与其他方式来说，能够实现系统,的平稳起动，控制较容易实现且负载适应能力强。,7,分级变频起动控制方式,前述的起动控制方式都基于降压控制原理，,电动机电磁转矩与端电压的平方成正比，因此，,起动转矩相应减少，一般负载起动转矩在额定,转矩的60%时，可采用减压或软起动其起动。,另外，起动过程中，电动机的转差率,S,始终小于1，,7,分级变频起动控制方式,17,起动电流通常较大。,分级变频起动方式在改变电压的同时也改变频,率，实现了高转矩的,V/F,控制。分级变频起动方式,的主电路拓扑结构同一般软起动器相同。将交流电,进行,N,分频，频率不连续，如50/,N,50/3,50/2,50,。,方法是将,N,个周期的交流电合并，如图7中所示：,图7 分级变频方式25,Hz,和10,Hz,时一相电压波形图,18,阴影为晶闸管导通，红线为25,Hz，,蓝线为10,Hz,波形图。,起动过程中，控制晶闸管时电机定子端电压按,预设的分频级数上升，如50/13 50/7 50/4 50/2,50/2 50,Hz。,停车按相反的顺序进行。,由于分级变频起动电压,电流,频率不连续，,因而电动机的转矩是脉动的，起动过程中特别,在低频时振动和发热比较严重。,8,转速闭环控制,转速控制方式实际上是转速电流双闭环控,制，这种控制方式同转矩控制方式有类似之处，,均须控制转矩。电动机的转矩还与转速有关，转速闭环后，,8,转速闭环控制,19,转矩控制方式控制电机的转矩，目的是为了获得稳定的转矩；,而转速闭环控制方式控制电机的转速，目的是使负载按给,定的转速曲线起停。,这种控制方式适合矿山皮带运输机，不可控的起动与,停止过程，将产生很大的加速度和冲击，造成物料滑落，,损坏设备和传送带。,9,软停车方式,10,直流制动,T,1,T,2,正半周导通，负半周截止。,11,节能运行,电动机调压节能，谐波增加使功率因数,输出转矩降低,功耗：,3W/A,；允许起动次数：每小时不超过,20,次。,9,软停车方式 10,直流制动,T,1,T,2,正半周导通，负半周截止。,11,节能运行,20,电动机转子发热也要消耗一定的能量，节能有限。,五,软起动器应用,软起动器是一种电动机起动的新概念产品，完,全取代星三角起动,自耦减压起动等传统的起动,器，广泛应用于各工业领域。市面上软起动器种,类繁多，一般都具有电压斜坡式起动控制方式,电压突跳式起动控制方式,电流限幅起动控制方,式和软停车方式。实际场合使用最多的是电流限,幅起动控制方式和软停车方式。电流限幅值可在,（25）,I,N,之间任意调节。停车方式可设定为软停,车或惯性停车，软停车的时间也可根据负载情况设定。,五,软起动器应用,21,另外，软起动器对电机还有过流,过载,过压,欠压,堵转等多种保护功能。在使用中还可考虑内接,和外接接线方式。,在线运行软起动器：,晶闸管长期在线运行功耗大，浪费能源；晶闸,管散热量大需要风冷，成套设计时需考虑通风散,热；高次谐波污染；可靠性低于低压电器开关。,旁路型软起动器：,电路简单，自然风冷；晶闸管只管电机启动,和停车，回避了在线运行时的功耗和散热，节能,与旁路相比减少60%的耗能；可靠性得到提高。,22,