中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 1 分類號(hào) 密級(jí) 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 本 科 畢 業(yè) 論 文 題 目 交流異步電機(jī)的 節(jié)能技術(shù)研究 英文題目 Ac Induction Motor Energy Saving Technology Research 系 別 工 程 技 術(shù) 系 學(xué)生姓名 靳亞豐 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué) 號(hào) 05208334 指導(dǎo)教師 胡順斌 職 稱 副教授 年 月 日 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 2 交流 異 步 電 機(jī)的 節(jié) 能技 術(shù)研 究 靳亞豐 （中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院，保定 河北?。?摘 要 ： 面對(duì)日 益增長(zhǎng)的能源需求和能源危機(jī)，人們?cè)?jīng)提出用可再生能源來(lái)發(fā)電或通過(guò)改善發(fā)電、輸電和用電系統(tǒng)中所用設(shè)備的效率來(lái)節(jié)能。異步電機(jī)應(yīng)用范圍很廣泛，而且使用數(shù)量極大。任何顯著改善感應(yīng)電機(jī)運(yùn)行效率的措施都可以幫助我們節(jié)約能源，因此，本文對(duì)電機(jī)進(jìn)行了全面的分析和研究，在電機(jī)的啟動(dòng)和控制上加以改進(jìn)。 關(guān) 鍵 詞 :能源危機(jī)，節(jié)約能源，電機(jī)啟動(dòng)和控制。 Abstract:In the face of growing energy needs and the energy crisis, it was proposed with renewable energy to power generation or through the improvement of power generation, transmission and power system in the efficiency of equipment used to energy conservation. Asynchronous motor application range is very wide, and use a number. Any significant improvement induction motor efficiency measures can help us to save energy, therefore, in this paper, the motor for a comprehensive analysis and study, in the start of the motor control and improved. Key words: The energy crisis, Saving energy, Motor start-up and Control. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 3 目 錄 引言 . 4 1、了解電機(jī)節(jié)能概念： . 5 2、節(jié)能設(shè)備改造需要的理由 . 5 2.1、生產(chǎn)工藝普遍落后； . 5 2.2、供配電系統(tǒng)運(yùn)行效率低； . 5 2.3、電力品質(zhì)低、電能質(zhì)量差； . 6 2.4、能源管理方式粗放； . 6 3、異步電機(jī)軟啟動(dòng)與節(jié)能運(yùn)行技術(shù)的重要意義 . 6 3.1、異步電機(jī)軟啟動(dòng)技術(shù)概述 . 7 3.2、直接起動(dòng)的危害 . 7 3 3、老式降壓起動(dòng)方式的適用場(chǎng)合及性能比較 . 8 3.4、軟啟動(dòng)器的工作方式及適用場(chǎng)合 . 8 3.4.1、軟啟動(dòng)的工作方式 . 8 3.4.2、軟起動(dòng)器的適用場(chǎng)合 . 11 3.5、軟起動(dòng)器與傳統(tǒng)降壓起動(dòng)器的比較 . 12 3.6、傳統(tǒng)啟動(dòng)與軟啟動(dòng) . 13 3.7、節(jié)能運(yùn)行技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 . 14 3.7.1、節(jié)能運(yùn)行的基本原理 . 14 3.7.2、 節(jié)能運(yùn)行在軟啟動(dòng)器上的實(shí)現(xiàn) . 14 4、軟啟動(dòng)器的基本原理 . 16 4.1、電機(jī)軟啟動(dòng)器控制原理圖 . 16 4.2、控制原理及軟件實(shí)現(xiàn) . 18 4.2.1、 軟起動(dòng)器的上電與起動(dòng)控制 . 18 4.2.2、 軟起動(dòng)器的參數(shù)設(shè)置 . 19 5. 結(jié)論 . 20 6,、參考文獻(xiàn) . 21 謝 辭 . 22 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 4 引言 人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的能源需求和能源供應(yīng)緊缺之間的矛盾使得節(jié)能成為了人們目前日益關(guān)注的焦點(diǎn)。人們?cè)啻卧噲D通過(guò)利用可再生能源來(lái)發(fā)電或通過(guò)改善發(fā)電、輸電和用電系統(tǒng)中所用設(shè)備的效率來(lái)節(jié)能，來(lái)解決這對(duì)矛盾。由于我國(guó)電機(jī)產(chǎn)品種類繁多，但效率不高。與發(fā)達(dá)國(guó)家比，平均效率低 3-5 個(gè)百分點(diǎn)，運(yùn)行效率低 10-20 個(gè)百分點(diǎn)。目前我國(guó)約有 1億臺(tái)工業(yè) 電機(jī) ， 2500 萬(wàn)臺(tái)壓縮機(jī)， 3000 萬(wàn)臺(tái)風(fēng)機(jī)和泵。但具備設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、測(cè)試高效電機(jī)能力的企業(yè)只有 30-50 家。一些工業(yè)電機(jī)系統(tǒng)用戶對(duì)電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益缺乏認(rèn)識(shí)，或?qū)M(jìn) 行電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造的技術(shù)問(wèn)題存在障礙，并且缺乏有效的信息平臺(tái)分享電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能改造方面的成功經(jīng)驗(yàn)。 再說(shuō)異步電機(jī)是工業(yè)領(lǐng)域中主要的耗能設(shè)備，大約 80%以上電能由異步電機(jī)所消耗。市場(chǎng)調(diào)查表明，高效電機(jī)和普通電機(jī)的銷售價(jià)格分別為 70 元 /kw-90 元 /kw 和約 40 元 /kw。此外，電機(jī)系統(tǒng)效率低下，長(zhǎng)期低效率運(yùn)行。電機(jī)系統(tǒng)匹配不合理，大馬拉小車現(xiàn)象嚴(yán)重 ，其運(yùn)行效率并不那么令人滿意，所以，節(jié)能型異步電機(jī)的研究成為了目前電機(jī)行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。在過(guò)去異步電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要考慮的是實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)的優(yōu)良性能和降低其生產(chǎn)成本。它的精度性不高，僅僅靠的是一些專業(yè)經(jīng)驗(yàn)。計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，使一些不可能電機(jī)節(jié)能設(shè)計(jì)和技術(shù)的新研究有了可能。然而現(xiàn)在化得社會(huì)中異步電機(jī)的節(jié)能在逐漸的提高，并且節(jié)能技術(shù)的研究有了新的突破。 全套資料帶 CAD 圖， QQ 聯(lián)系 414951605 或 1304139763中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 5 1、了解電機(jī)節(jié)能概念： 主要包括更新淘汰低效電機(jī)及高耗電設(shè)備；節(jié)能電機(jī)概念和技術(shù)，合理匹配電機(jī)系統(tǒng)，提高電機(jī)效率；以先進(jìn)的電力電子技術(shù)傳動(dòng)方式改造傳統(tǒng)的機(jī)械方式，實(shí)現(xiàn)被拖動(dòng)裝置控制和設(shè)備制造；推廣軟啟動(dòng)裝置、無(wú)功補(bǔ)償裝置、計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)、優(yōu)化電機(jī) 系統(tǒng)的運(yùn)行和控制。 2、節(jié)能設(shè)備改造需要的理由 企業(yè)是否需要節(jié)能可從以下方面可以做初步判斷，也就是能源浪費(fèi)情況診斷： 2.1、 生產(chǎn)工藝普遍落后； 在我國(guó)的工業(yè)企業(yè)中，很多技術(shù)還停留在上世紀(jì)七八十年代水平，甚至還有部分企業(yè)采用蘇聯(lián)時(shí)期的生產(chǎn)技術(shù)或工藝，特別是高耗電行業(yè)，鋼鐵、化工、建材、機(jī)械、有色金屬、紡織、石油、煤炭等行業(yè)，生產(chǎn)工藝普遍落后，產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量也相對(duì)很低，單位產(chǎn)品能耗和電耗大。 2.2、供配電系統(tǒng)運(yùn)行效率低； 變壓器及配電線路配置不合理工廠供配電系統(tǒng)中能耗最多的是電力變壓器及配電線路。由于市 場(chǎng)需求的變動(dòng)和工廠生產(chǎn)工藝的改變，往往出現(xiàn)按設(shè)計(jì)配置的電力變壓器容量與實(shí)際如何不相匹配的情況，例如變壓器容量過(guò)大、負(fù)載率低，變壓器損耗大；配電線路粗細(xì)和長(zhǎng)短不合理、不規(guī)范，也導(dǎo)致線路損耗大幅度增加。 設(shè)備配置不合理，“大馬拉小車”情況嚴(yán)重國(guó)內(nèi)工業(yè)企業(yè)用電設(shè)備多為滿負(fù)荷設(shè)計(jì)，額定功率普遍偏大，實(shí)際運(yùn)行效率低，占我國(guó)工業(yè)用電總量 60%-70%的電機(jī)，通常的使用效率不到 75%，“大馬拉小車”與低負(fù)荷運(yùn)行的情況相當(dāng)普遍。在此狀態(tài)下，電機(jī)消耗的電能中有相當(dāng)部分是以發(fā)熱、鐵損、銅損、噪音與振動(dòng)等形式被浪費(fèi)掉。 用電設(shè)備 陳舊老化目前我國(guó)工礦企業(yè)中也有不少的變壓器、 電機(jī) 、風(fēng)機(jī)、泵類、壓縮機(jī)、電焊機(jī)等通用設(shè)備是屬于六七十年代的產(chǎn)品，有的設(shè)備及供電線路非常陳舊，這些設(shè)備及供電線路在運(yùn)行時(shí)效率低、耗電多、浪費(fèi)非常大，存在著很大的節(jié)電潛力。 流體設(shè)備運(yùn)行工藝不合理風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)等通用機(jī)械拖動(dòng)設(shè)備為我國(guó)最主要終端耗電設(shè)備，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，風(fēng)機(jī)和泵類設(shè)備裝機(jī)容量大 1.6 億千瓦，占全國(guó)用電量的 20%。而此類設(shè)備大部分設(shè)計(jì)為固定功率運(yùn)行，但實(shí)際運(yùn)行時(shí)所需的壓力或流量并不固定，且大多數(shù)低于電機(jī)額定功率供給的壓力或流量，電能浪費(fèi)嚴(yán)重，節(jié)電潛力大。 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 6 2.3、電力品質(zhì)低、電能質(zhì)量差； 瞬變電壓和浪涌電流的影響工業(yè)企業(yè)用電設(shè)備數(shù)量多、啟動(dòng)頻繁、負(fù)荷變化大，容易對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，引起瞬變電壓和浪涌電流情況嚴(yán)重，嚴(yán)重威脅和影響其它設(shè)備的正常運(yùn)行，導(dǎo)致電機(jī)的溫升和電表轉(zhuǎn)速加快而浪費(fèi)電能，系統(tǒng)用電效率下降 諧波的影響工業(yè)自動(dòng)化使用整流器、變頻器、可控硅等非線性設(shè)備，會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，使系統(tǒng)電壓和電流的波形畸變，惡化電力品質(zhì)，不但增加電耗，也影響了用電安全和設(shè)備使用壽命，諧波的危害已成為電網(wǎng)最主要的公害。 供電電壓不穩(wěn)定工業(yè)輸變電網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)荷大、分布廣，用電高峰期和低 谷期分布時(shí)段非常明顯，因此在用電高峰和低谷時(shí)段電壓波動(dòng)很大，都會(huì)在很大程度上浪費(fèi)電能，同時(shí)會(huì)惡化用電品質(zhì)，不但會(huì)增加了電耗，也影響到用電設(shè)備的使用壽命和用電安全。 2.4、 能源管理方式粗放； 能效使用與供電系統(tǒng)及各種設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)管理、維護(hù)、檢修密不可分，而大部分企業(yè)只從保障設(shè)備能正常運(yùn)行角度對(duì)電能進(jìn)行管理，沒(méi)有從使用效率、生產(chǎn)成本和設(shè)備使用壽命等角度，對(duì)電能進(jìn)行精益管理，比如能源計(jì)量、檢測(cè)管理制度不健全，能源管理崗位不到位，職責(zé)不明確等。由于缺乏科學(xué)有效的電能利用及電能質(zhì)量管理手段，企業(yè)一般都不知道電能 主要消耗在什么地方，電能質(zhì)量有沒(méi)有被污染以及污染程度有多大？不清楚什么時(shí)間消耗了多少，不明白電能浪費(fèi)的漏洞在哪里，更不清楚改善的機(jī)會(huì)有哪些，怎么樣改善。 3、異步電機(jī)軟啟動(dòng)與節(jié)能運(yùn)行技術(shù)的重要意義 電 機(jī)是工業(yè)生產(chǎn)中最重要的拖動(dòng)設(shè)備之一，交流異步電機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維修容易等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)及其他生產(chǎn)當(dāng)中。但電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)的電流過(guò)大，啟動(dòng)瞬間轉(zhuǎn)矩造成的機(jī)械沖擊也會(huì)影響其本身及拖動(dòng)設(shè)備的使用壽命，過(guò)大的啟動(dòng)電流還加速了電機(jī)絕緣老化。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)會(huì)引起較大的電網(wǎng)壓降，影響電網(wǎng)供電和其他設(shè)備運(yùn)行。頻繁啟動(dòng)電機(jī) 的場(chǎng)合，還會(huì)因電機(jī)的短路、缺相、過(guò)流、欠壓、堵轉(zhuǎn)等故障影響設(shè)備運(yùn)行。因此，宜采用軟啟動(dòng)控制技術(shù)，改善電機(jī)的不良啟動(dòng)性能，延長(zhǎng)電機(jī)壽命，減少電網(wǎng)沖擊。 據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，電機(jī)的用電量已占到我國(guó)發(fā)電總量的 50%，研究電機(jī)節(jié)能運(yùn)行技術(shù)具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。由電機(jī)學(xué)理論可知，異步電機(jī)運(yùn)行在額定負(fù)載時(shí)效率最高，通?？蛇_(dá)80%左右；其負(fù)載越小，效率和功率因數(shù)就越低。多數(shù)電機(jī)，其大部分運(yùn)行時(shí)間內(nèi)的負(fù)荷率都在 50%-60%，實(shí)際運(yùn)行效率較低；而電機(jī)選型時(shí)又是按照需要的最大負(fù)載和最壞情況下所需要的功率而定的，因此在大部分時(shí)間內(nèi)，電 機(jī)都運(yùn)行在效率較低的輕載情況下。在輕載情況下降低電機(jī)電壓，既提高了其運(yùn)行效率，也可以顯著節(jié)省電能。 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 7 3.1、異步電機(jī)軟啟動(dòng)技術(shù)概述 由于工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械的不斷更新和發(fā)展，對(duì) 電機(jī) 的起動(dòng)性能提出了越來(lái)越高的要求，歸納起來(lái)有以下幾個(gè)方面： （ 1）要求 電機(jī) 有足夠大的，并且能平穩(wěn)提升的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和符合要求的機(jī)械特性曲線； （ 2）盡可能小的起動(dòng)電流； （ 3）起動(dòng)設(shè)備盡可能簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠，起動(dòng)操作方便； （ 4）起動(dòng)過(guò)程中的功率損耗應(yīng)盡可能的少。 根據(jù)以上相互矛盾的要求和電網(wǎng)的實(shí)際情況，通常采用的起動(dòng)方式有兩種：一種是在額定電 壓下的直接起動(dòng)方式，另一種是降壓起動(dòng)方式。 3.2、直接起動(dòng)的危害 直接起動(dòng)是最簡(jiǎn)單的起動(dòng)方式，起動(dòng)時(shí)通過(guò)閘刀或接觸器將 電機(jī) 直接接到電網(wǎng)上。直接起動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單，起動(dòng)速度快，但是直接起動(dòng)的危害很大： （ 1）電網(wǎng)沖擊：過(guò)大的起動(dòng)電流（空載起動(dòng)電流可達(dá)額定電流的 4 7倍，帶載起動(dòng)時(shí)可達(dá) 8 10 倍或更大），會(huì)造成電網(wǎng)電壓下降，影響其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行，還可能使欠壓保護(hù)動(dòng)作，造成設(shè)備的有害跳閘。同時(shí)過(guò)大的起動(dòng)電流會(huì)使電機(jī)繞組發(fā)熱，從而加速絕緣老化，影響電機(jī)壽命； （ 2）機(jī)械沖擊：過(guò)大的沖擊轉(zhuǎn)矩往往造成 電機(jī) 轉(zhuǎn)子籠條、端環(huán)斷裂和定子端部繞組絕緣磨損，導(dǎo)致?lián)舸龣C(jī)，轉(zhuǎn)軸扭曲，聯(lián)軸節(jié)、傳動(dòng)齒輪損傷和皮帶撕裂等； （ 3）對(duì)生產(chǎn)機(jī)械造成沖擊：起動(dòng)過(guò)程中的壓力突變往往造成泵系統(tǒng)管道、閥門的損傷，縮短使用壽命；影響傳動(dòng)精度，甚至影響正常的過(guò)程控制。 所有這些都給設(shè)備的安全可靠運(yùn)行帶來(lái)威脅，同時(shí)也造成過(guò)大的起動(dòng)能量損耗，尤其當(dāng)頻繁起停時(shí)更是如此。因此對(duì) 電機(jī) 直接起動(dòng)有以下限制條件：（ 1）生產(chǎn)機(jī)械是否允許拖動(dòng) 電機(jī) 直接起動(dòng)，這是先決條件； （ 2） 電機(jī) 的容量應(yīng)不大于供電變壓器容量的 10 15； （ 3）起動(dòng)過(guò)程中的電壓降 U 應(yīng)不大 于額定電壓的 15。對(duì)于中、大功率的 電機(jī) 一般都不允許直接起動(dòng)，而要求采用一定的起動(dòng)設(shè)備，方可完成正常的起動(dòng)工作。 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 8 3 3、 老式降壓起動(dòng)方式的適用場(chǎng)合及性能比較 降壓起動(dòng)的目的是減小起動(dòng)電流，但它同時(shí)也使起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降了。對(duì)于重載起動(dòng)，帶有大的峰值負(fù)載的生產(chǎn)機(jī)械，就不能用這種方式起動(dòng)。傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)有以下幾種方法： （ 1）星形 /三角形轉(zhuǎn)換器：這種方法適用于正常運(yùn)行時(shí)定子繞組采用 接法的 電機(jī) 。定子有六個(gè)接頭引出，接到轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)上，起動(dòng)時(shí)采用星形接法，起動(dòng)完畢后再切換成 接法。起 動(dòng)電壓為 220V，運(yùn)行電壓為 380V。這種起動(dòng)設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單，起動(dòng)過(guò)程中消耗能量少。缺點(diǎn)是有二次電流沖擊，設(shè)備故障率高，需要經(jīng)常維護(hù)，所以不宜使用在頻繁起動(dòng)的設(shè)備上。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，由于瞬變電勢(shì)和 電機(jī) 剩磁產(chǎn)生的電勢(shì)往往與電源電壓有相位差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓相加，引起過(guò)大的沖擊電流和電磁轉(zhuǎn)矩，因此大大地限制了它的使用。由于起動(dòng)電壓為運(yùn)行電壓的 1/，故其起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的 1/3，只能用在空載或輕載（負(fù)載率小于 1/3）起動(dòng)的設(shè)備。在 電機(jī) 輕載或空載運(yùn)行時(shí)，也可利用該起動(dòng)設(shè)備作降壓運(yùn)行，以提高 電機(jī) 的功率因數(shù)和 效率。 （ 2）自耦變壓器降壓起動(dòng)：三相自耦變壓器（也稱補(bǔ)償器）高壓邊接電網(wǎng)，低壓邊接 電機(jī) ，一般有幾個(gè)分接頭，可選擇不同的電壓比，相對(duì)于不同起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的負(fù)載。在 電機(jī)起動(dòng)后再將其切除。其優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)電壓可以選擇，如 0.65、 0.8 或 0.9UN，以適應(yīng)不同負(fù)載的要求。缺點(diǎn)是體積大，重量重，且要消耗較多有色金屬，故障率高，維修費(fèi)用高。 (3)磁控軟起動(dòng)器：磁控軟起動(dòng)器是利用控磁限幅調(diào)壓的原理，在 電機(jī) 起動(dòng)過(guò)程中電壓可由一個(gè)較低的值平滑地上升到全壓，使 電機(jī) 軸上的轉(zhuǎn)矩勻速增加，起動(dòng)特性變軟，并可實(shí)現(xiàn)軟停車。但其起控電壓在 200V 左右，用戶不可調(diào)整，會(huì)有較大的電流沖擊，且體積較大。 (4)串聯(lián)電抗器或水電阻：對(duì)于高壓電機(jī)，可在定子線路中串聯(lián)電抗器或水電阻實(shí)現(xiàn)降壓起動(dòng)，待起動(dòng)完成后再將其切除。但電抗器成本高，水電阻損耗又大。 (5)串接頻敏變阻器或水電阻：對(duì)于繞線式異步 電機(jī) ，可在轉(zhuǎn)子繞組串接頻敏變阻器或水電阻實(shí)現(xiàn)起動(dòng)，待起動(dòng)完成后再將其切除。但頻敏變阻器成本高，而水電阻損耗又大。其他還有延邊三角形起動(dòng)，定子串電阻起動(dòng)等方法。 值得指出的是：盡管各種老式降壓起動(dòng)方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，但它們有一個(gè)共同的優(yōu)點(diǎn)：就是沒(méi)有諧波污染。 3.4、軟 啟動(dòng)器的工作方式及適用場(chǎng)合 隨著電力電子技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外相繼開(kāi)發(fā)出一系列電子式起動(dòng)控制設(shè)備，用于異步 電機(jī) 的起動(dòng)控制，以取代傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)設(shè)備。新型的電子式軟起動(dòng)器的主電路一般都采用晶閘管調(diào)壓電路，調(diào)壓電路由六只晶閘管兩兩反向并聯(lián)組成，串接于 電機(jī) 的三相供電線路上。當(dāng)起動(dòng)器的微機(jī)控制系統(tǒng)接到起動(dòng)指令后，便進(jìn)行有關(guān)的計(jì)算，輸中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 9 出晶閘管的觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)控制晶閘管的導(dǎo)通角 , 使起動(dòng)器按所設(shè)計(jì)的模式調(diào)節(jié)輸出電壓 ,以控制 電機(jī) 的起動(dòng)過(guò)程。當(dāng)起動(dòng)過(guò)程完成后，一般起動(dòng)器將旁路接觸器吸合，短路掉所有的晶閘管主電路， 使 電機(jī) 直接投入電網(wǎng)運(yùn)行，以避免不必要的電能損耗，軟起動(dòng)器的控制框圖如圖 1 所示。 3.4.1、軟啟動(dòng)的工作方式 所謂 “ 軟起動(dòng) ” ，實(shí)際上就是按照預(yù)先設(shè)定的控制模式進(jìn)行的降壓起動(dòng)過(guò)程。目前的軟起動(dòng)器一般有以下幾種起動(dòng)方式： (1)限流軟啟動(dòng) 主要用于輕載啟動(dòng)。在啟動(dòng)過(guò)程中限制啟動(dòng)電流不超過(guò)某一設(shè)定值 (Im)，其輸出電壓從零開(kāi)始迅速增長(zhǎng)，直到其輸出電流達(dá)到預(yù)先設(shè)定的電流限值 Im，然后在保持輸出電流 IIm 的條件下逐漸升高電壓直到額定值，使電機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸升高，直到額定轉(zhuǎn)速。限流軟啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)電流小、對(duì)電網(wǎng)電壓影響 小，且可按需要進(jìn)行調(diào)整 (啟動(dòng)電流的限值 Im 必須根據(jù) 電機(jī) 的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩來(lái)設(shè)定， Im 設(shè)置過(guò)小將會(huì)使啟動(dòng)失敗或燒毀電機(jī) )，缺點(diǎn)是在啟動(dòng)時(shí)難以知道啟動(dòng)壓降，不能充分利用壓降空間，損失啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，啟動(dòng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。 圖 1 軟起動(dòng)器的控制框圖 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 10 (a)限流起動(dòng) (b)電壓斜坡起動(dòng) (c)轉(zhuǎn)矩控制起動(dòng) (d)轉(zhuǎn)矩加突跳 控制起動(dòng) (2)電壓斜坡啟動(dòng) 用于重載啟動(dòng)。輸出電壓由小到大斜坡線性上升，將傳統(tǒng)的降壓?jiǎn)?dòng)變有級(jí)為無(wú)級(jí)。電壓斜坡啟動(dòng)缺點(diǎn)是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，轉(zhuǎn)矩特性呈拋物線型上升，對(duì)啟動(dòng)不利，且啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)電機(jī)也不利。改進(jìn)的方法是采用雙斜坡啟動(dòng)：輸出電壓先迅速升至 U1（ 電機(jī) 啟動(dòng)所需最小轉(zhuǎn)矩所對(duì)應(yīng)的電壓值），然后按設(shè)定的速率逐漸升壓，直至額定電壓。初始電壓及電壓上升率可根據(jù)負(fù)載特性調(diào)整。這種啟動(dòng)方式的特點(diǎn)是啟動(dòng)電流相對(duì)較大，但啟動(dòng)時(shí)間相對(duì)較短。 (3)轉(zhuǎn)矩控制啟動(dòng) 主要用于重載啟動(dòng)，它是按 電機(jī) 的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩線性上升的規(guī)律控制輸出電 壓，它的優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)平滑、柔性好，對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)有利，同時(shí)減少了對(duì)電網(wǎng)的沖擊，是最優(yōu)的重載啟動(dòng)方式，其缺點(diǎn)是啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。 (4)轉(zhuǎn)矩加突跳控制啟動(dòng) 與轉(zhuǎn)矩控制啟動(dòng)同樣用于重載啟動(dòng)。不同的是，突跳控制在啟動(dòng)瞬間用突跳轉(zhuǎn)矩克服拖動(dòng)系統(tǒng)的靜轉(zhuǎn)矩，然后轉(zhuǎn)矩平滑上升，可縮短啟動(dòng)時(shí)間。但是，突跳會(huì)給電網(wǎng)發(fā)送尖脈沖，干擾其它負(fù)荷。 (5)電壓控制啟動(dòng) 用于輕載啟動(dòng)，在保證啟動(dòng)壓降的前提下使 電機(jī) 獲得最大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，盡可能地縮短啟動(dòng)時(shí)間，是最優(yōu)的輕載軟啟動(dòng)方式。 停車方式有三種：一是自由停車，二是軟停車，三是制動(dòng)停車。軟起動(dòng)器帶 來(lái)的最大好處是軟停車和制動(dòng)停車，軟停車消除了拖動(dòng)系統(tǒng)的反慣性沖擊，對(duì)于水泵就是 “ 水錘 ”效應(yīng)；制動(dòng)停車則在一定場(chǎng)合代替了反接制動(dòng)停車功能。 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 11 3.4.2、 軟起動(dòng)器的適用場(chǎng)合 (1)生產(chǎn)設(shè)備精密，不允許起動(dòng)沖擊，否則會(huì)造成生產(chǎn)設(shè)備和產(chǎn)品不良后果的場(chǎng)合； (2)電機(jī) 功率較大，若直接起動(dòng)，要求主變壓器 容量加大的場(chǎng)合； (3)對(duì)電網(wǎng)電壓波動(dòng)要求嚴(yán)格，對(duì)壓降要求 10 UN 的供電系統(tǒng)； (4)對(duì)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求不高，可進(jìn)行空載或輕載起動(dòng)的設(shè)備。 嚴(yán)格地講，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩應(yīng)當(dāng)小于額定轉(zhuǎn)矩 50的拖動(dòng)系統(tǒng)，才適合使用軟起動(dòng)器解決起動(dòng) 沖擊問(wèn)題。對(duì)于需重載或滿載起動(dòng)的設(shè)備，若采用軟起動(dòng)器起動(dòng)，不但達(dá)不到減小起動(dòng)電流的目的，反而會(huì)要求增加軟起動(dòng)器晶閘管的容量，增加成本；若操作不當(dāng)，還有可能燒毀晶閘管。此時(shí)只能采用變頻軟起動(dòng)。因?yàn)檐浧饎?dòng)器調(diào)壓不調(diào)頻，轉(zhuǎn)差功率始終存在，難免產(chǎn)生過(guò)大的起動(dòng)電流；而變頻器采用調(diào)頻調(diào)壓方式，可實(shí)現(xiàn)無(wú)過(guò)流軟起動(dòng)，且可提供1.2 2倍額定轉(zhuǎn)矩的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，特別適用于重載起 動(dòng)。 (5)軟啟動(dòng)器的缺點(diǎn)是不能長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用于啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩要求很高的電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置上。這是因?yàn)殡姍C(jī)軟啟動(dòng)器實(shí)際上是將自身電壓斜坡式抬升至最大值，停機(jī)過(guò)程中又逐漸下 降至設(shè)定的關(guān)機(jī)水平來(lái)完成工作的。由于轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比，連接電機(jī)無(wú)法一開(kāi)始就達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩，因此軟啟動(dòng)器更適合于風(fēng)扇、電梯、水泵、傳送帶等輕型易啟動(dòng)設(shè)備。 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 12 3.5、 軟起動(dòng)器與傳統(tǒng)降壓起動(dòng)器的比較 軟起動(dòng)器與傳統(tǒng)降壓起動(dòng)器的性能比較見(jiàn)表 2。 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 13 3.6、 傳統(tǒng)啟動(dòng)與軟啟動(dòng) 異步電機(jī)的傳統(tǒng)啟動(dòng)方式有全壓?jiǎn)?dòng)、星三角降壓?jiǎn)?dòng)和自耦降壓?jiǎn)?dòng)等。前者啟動(dòng)電流大， 5-7 倍的啟動(dòng)電流造成能量的巨大消耗，對(duì)電網(wǎng)和變壓器也有很大沖擊，影響電機(jī)本身及控制期間的壽命；后兩者啟動(dòng)電流較小， 但同樣存在沖擊電流，設(shè)備故障率較高，同時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩降低，啟動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)。 所謂“軟啟動(dòng)”，就是按預(yù)先設(shè)定的控制模式進(jìn)行的電機(jī)降壓?jiǎn)?dòng)過(guò)程。交流電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電流一般是額定電流的 1.5 倍，軟啟動(dòng)的主要目的是降低異步電機(jī)的啟動(dòng)電流，提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，延長(zhǎng)電機(jī)及相關(guān)設(shè)備的使用壽命。 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 14 3.7、 節(jié)能運(yùn)行技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 3.7.1、 節(jié)能運(yùn)行的基本原理 電機(jī)效率是電機(jī)輸出功率與輸入功率比值的百分?jǐn)?shù)。因?yàn)殡姍C(jī)的輸入功率并不僅用來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、在軸上輸出功率，還有一部分成為電機(jī)的固有損耗，所以電機(jī)效率總是小于 1。 電機(jī)的主要損耗為 鐵耗和銅耗，其中銅耗是電流經(jīng)過(guò)電機(jī)繞組產(chǎn)生，與電流平方成正比：鐵耗是電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子鐵心中的勵(lì)磁電流而產(chǎn)生，與供電電壓成正比。其他損耗很小可忽略。若電壓不變而電機(jī)負(fù)載變化，則與電壓成正比的勵(lì)磁電流基本不變，電機(jī)從電網(wǎng)吸取的無(wú)功功率 Q也不變，但電機(jī)吸收的有功功率是隨負(fù)載增加而增大的。因此，電機(jī)在空載和輕載時(shí)功率因數(shù)很低，同時(shí)由于與負(fù)載電流成正比的可變損耗降低使電機(jī)的效率也大大下降。如能在負(fù)載減輕的同時(shí)，相應(yīng)降低電機(jī)端電壓，則勵(lì)磁電流隨之減小， Q下降，從而提高了功率因數(shù)；同時(shí)，定子鐵損耗下降，可較大地提高效率，達(dá) 到節(jié)電的目的。 3.7.2、 節(jié)能運(yùn)行在軟啟動(dòng)器上的實(shí)現(xiàn) 為獲得最佳的節(jié)能效果，人們提出很多電機(jī)端電壓優(yōu)化調(diào)節(jié)原則，如恒功率因數(shù)控制、最小定子電流控制、最小功率因數(shù)角控制和最小定子輸入功率控制等，但最為重要的因素應(yīng)是功率因數(shù)角定義的工程實(shí)用性。 異步電機(jī)通?？傇谌珘合逻\(yùn)行，電機(jī)從空載到滿載，磁場(chǎng)幾乎不變。因此磁化電流在所有負(fù)載下基本相同。當(dāng)電機(jī)工作在空載或輕載時(shí)功率因數(shù)很低，造成電機(jī)效率低。如在輕載時(shí)適當(dāng)降低端電壓，則定子電流中的無(wú)功分量將減小，從而使功率因數(shù)上升。由此可見(jiàn)，功率因數(shù)既能反映電機(jī)負(fù)載的變化， 又能反映供電電壓波動(dòng)，是一個(gè)理想的控制參數(shù)。因此，恒功率因數(shù)控制成為目前在異步電機(jī)節(jié)能運(yùn)行技術(shù)中采用最多的控制策略。其原理方框圖如圖 7所示。 圖 7 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 15 利用軟啟動(dòng)器實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行，就是單片機(jī)通過(guò)不斷檢測(cè)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)角（ cos ），并與設(shè)定的功率因數(shù)角比較，根據(jù)比較結(jié)果自動(dòng)地調(diào)節(jié)軟啟動(dòng)器可控硅的導(dǎo)通角， cos 數(shù)值低表明是輕載，要降低 電機(jī) 的端電壓； cos 數(shù)值高表明是 重載，則需升高電機(jī)的電壓。如此一來(lái)，實(shí)現(xiàn)了可控硅輸出電壓的自動(dòng)調(diào)節(jié)，使 電機(jī) 始終工作在設(shè)定的功率因數(shù)下，減少了電機(jī)輕載運(yùn)行時(shí)的損耗，提高了電機(jī)運(yùn)行效率，從而達(dá)到節(jié)能的目的。 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 16 4、軟啟動(dòng)器的基本原理 4.1、 電機(jī)軟啟動(dòng)器控制原理圖 圖 3 軟啟動(dòng)器控制原理圖 軟啟動(dòng)器的晶閘管調(diào)壓電 路由 6個(gè)晶閘管兩兩反向并聯(lián)組成，串接于交流異步電機(jī)的三相供電線路之上。 (圖 4)加入啟動(dòng)信號(hào)后，系統(tǒng)軟件首先施加若干毫秒的固定延時(shí)用于系統(tǒng)自檢，然后進(jìn)行有關(guān)計(jì)算，輸出晶閘管觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)控制晶閘管導(dǎo)通角，使啟動(dòng)器按所設(shè)計(jì)的模式調(diào)節(jié)輸出電壓、控制 電機(jī) 的啟動(dòng)過(guò)程。啟動(dòng)過(guò)程完成后，單片機(jī)再發(fā)出控制信號(hào)，啟動(dòng)器將用于短接可控硅的旁路接觸器吸合，短路掉所有的晶閘管，使單片機(jī)控制系統(tǒng)停止工作，電機(jī)直接投入電網(wǎng)運(yùn)行，避免不必要的電能損耗。 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 17 （圖 4） 軟起動(dòng)器是電力電子技術(shù)與自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，其電路原理如圖 4 所示。將三組反并聯(lián)晶閘管串接于供電電源與被控電機(jī)之間。起動(dòng)時(shí)，由電子電路控制晶閘管的導(dǎo)通角，使電機(jī)的端電壓逐漸增大，直至全電壓，使電機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)沖擊軟起動(dòng) ；停機(jī)時(shí)，則控制晶閘管的關(guān)斷速度，使電機(jī)的端電壓由全電壓逐漸下降至零，實(shí)現(xiàn)軟停車，可見(jiàn)，軟起動(dòng)器實(shí)際上是一個(gè)晶閘管交流調(diào)壓器。改變晶閘管的觸發(fā)角，就可調(diào)節(jié)晶閘管調(diào)壓電路的輸出電壓。在整個(gè)起動(dòng)過(guò)程中，軟起動(dòng)器的輸出是一個(gè)平滑的升壓過(guò)程（且可具有限流功能），直到晶閘管全導(dǎo)通，電機(jī)在額定電壓下工作。 圖 5是 ABB PSD 系列軟啟動(dòng)器產(chǎn)品的原理圖，圖中的元件如下： E1：電路板 ；F6：溫度監(jiān)視器 ；J1 J3：連接端子 ；K4：繼電器，在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)動(dòng)作 ；K5：繼電器，在全壓狀態(tài)時(shí)（ Ue=100%）動(dòng)作 ；K6：繼電器，故障信號(hào) ；T2：電流互感器 ；T5：控制變壓器 ；V1 V6：晶閘管 ；X1 X3：端子板。另外，根據(jù)功率范圍，還有兩組或三組風(fēng)扇作為標(biāo)準(zhǔn)配置。根據(jù)不同的應(yīng)用要求，還可選擇過(guò)載保護(hù)器。在圖 1 中， V2、 V4、 V6 三只晶閘管依次對(duì)應(yīng)于U、 V、 W 三相電源的正半周，開(kāi)通角 相同，故三相的觸發(fā)脈沖應(yīng)依次相差 120；每相的正、負(fù)半周依次分別由反并聯(lián)的兩只晶閘管觸發(fā)控制，所以同 一相的兩個(gè)反并聯(lián)晶閘管觸發(fā)脈沖應(yīng)相差 180，觸發(fā)順序是 V2、 V5、 V4、 V1、 V6、 V3，依次相差 60。 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 18 圖 5 軟啟動(dòng)器原理框圖 4.2、 控制原理及軟件實(shí)現(xiàn) 4.2.1、 軟起動(dòng)器的上電與起動(dòng)控制 軟起動(dòng)器控制回路如圖 6 所示。操作員首先手動(dòng)合上開(kāi)關(guān) Q50，如果沒(méi)有過(guò)載等故障并且 熔絲 F40 正常， K51 將吸合，給 PLC 發(fā)出 “ 上電準(zhǔn)備好 ” 信號(hào)，此時(shí)操作員可以在 HMI畫(huà)面上給出上電命令， K51 將吸合，從而 K10 吸合，給 PLC 發(fā)出 “ 上電完成 ” 信號(hào)，完成上電操作。 起動(dòng)時(shí)，操作員從操作臺(tái)上按下起動(dòng)按鈕，電機(jī)按設(shè)定的起動(dòng)時(shí)間從低速起動(dòng)至設(shè)定值，給 PLC 發(fā)出 “ 運(yùn)行 ” 信號(hào)。抱閘風(fēng)機(jī)也與主電機(jī)同時(shí)起動(dòng)。為了保護(hù)電機(jī)和機(jī)械設(shè)備，除了必須收到 “ 上電完成 ” 信號(hào)，還必須滿足以下條件：無(wú)急停連鎖 ；潤(rùn)滑油泵運(yùn)行 ；潤(rùn)滑壓力達(dá)到規(guī)定值 ；干油泵運(yùn)行 ；空氣壓力達(dá)到規(guī)定值。 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 19 圖 6 控制回路原理圖 4.2.2、 軟起動(dòng)器的參數(shù)設(shè)置 軟起動(dòng)器上電后，需對(duì)其有關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。對(duì)于 PSD 型軟起動(dòng)器來(lái)說(shuō)，主要參數(shù)及其設(shè)定范圍如下： （ 1） 起動(dòng)時(shí)升壓時(shí)間： 0.5 60s。 （ 2） 起動(dòng)時(shí)初始電壓： 10 60%電源電壓。 （ 3） 限流功能： 2 5倍電機(jī)額定電流。 （ 4） 停止時(shí)降壓時(shí)間： 0 30s。軟起動(dòng)器在得到停止信號(hào)后，按照設(shè)定的降壓時(shí)間，輸出端由設(shè)定的級(jí)落電壓（ 100% 30%的電源電壓）降至初始電壓，然后即刻降到零電壓。 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 20 5.結(jié)論 能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)資源，是制約生產(chǎn)力發(fā)展的重要因素。電能是一種廣泛利用的優(yōu)質(zhì)能源，電力是工業(yè)動(dòng)力之源， 電機(jī) 是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的樞紐，當(dāng)今世界上一切電力拖動(dòng)基本上都是通過(guò)這一形式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 電機(jī) 的廣泛應(yīng)用，近百年來(lái)使整個(gè)世界的生產(chǎn)力獲得了迅猛發(fā)展，同時(shí)它的耗電（世界各國(guó)）一直占駐國(guó)家總電量的一半以上，現(xiàn)代社會(huì)隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，運(yùn)行 電機(jī) 的總量還在與日俱增 ，更加速了電力的生產(chǎn)，加速了一次能源（煤、石油）的開(kāi)采，據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)的估計(jì)，還有一個(gè)世紀(jì)，這些有限的一次能源諸將開(kāi)采殆盡。因此，提高現(xiàn)有能源的利用效益應(yīng)成為當(dāng)今人類關(guān)注的大事。對(duì)于占駐主要耗電量的電機(jī)及其供配電系統(tǒng)的電效益的提高應(yīng)首當(dāng)重視。這方面有待國(guó)家統(tǒng)籌方略。 軟起動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，較之傳統(tǒng)的 /Y 起動(dòng)器，自