一种工频380V电力系统下轻载异步电机简易软起动的系统及方法与流程

本发明涉及电力电子
技术领域：
，尤其涉及一种工频380V电力系统下轻载异步电机简易软起动的系统及方法。
背景技术：
：三相鼠笼式异步电机在输出功率较大或者起动负载较小的情况下，直接起动时会不可避免地产生较大的冲击电流和冲击转矩，。对一般的鼠笼电动机，直接起动电流为额定值的4～7倍，起动转矩为额定值的0.9～1.3倍。起动电流过大，会使电网电压降过大，影响其他用电设备的正常运行，甚至使电动机本身根本启动不起来。此外，冲击转矩不仅会对电机本身运行造成危害，而且会对负载设备造成强烈的干扰，长远来看这些冲击会减少电机及机械设备等的使用寿命。目前广泛采用的技术是热变电阻软起动和微机式闭环晶闸管软起动。热变电阻软起动方案。热变电阻起动装置利用具有负温度特性的电解液体，在温度变化下改变电阻值实现软起动。高压起动热变电阻器是利用上述理论解决大型高压电动机的软起动问题而开发的新产品———高压大容量热变电阻器。它由液箱、热敏电解液、电极及导流机构组成。将该电阻器串入电动机的三相定子回路中，实现电动机降压起动。当电动机起动时，电机的定子电流流过热变电阻器从而使电阻体发热，温度逐步升高，电阻逐步降低，在电机起动电流基本恒定的情况下，电动机端电压逐步升高，从而使电机起动转矩逐步增大，实现电动机的平滑起动。微机晶闸管软起动方案。在起动过程中，晶闸管的触发角由软件控制，当起动器的微机控制系统接到起动指令后，便进行有关的计算，输出触发晶闸管的信号，通过控制晶闸管的导通角θ，使起动器按照所设计的模式调节输出电压，使加在交流电动机三相定子绕组上的电压由零逐渐平滑地升至全电压。同时，电流检测装置检测三相定子电流并送给微处理器进行运算和判断，当起动电流超过设定值时，软件控制升压停止，直到起动电流下降到低于设定值之后，再使电机继续升压起动。若三相起动电流不平衡并超过规定的范围，则停止起动。当起动过程完成后，软起动器将旁路接触器吸合，短路掉所有的晶闸管，使电动机直接投入电网运行，以避免不必要的电能损耗。热变电阻软起动存在着缺点是：①不可控；②无法在不同环境温度下保持相同起动特性；③存在热变电阻温度超极限等安全隐患。微机式闭环晶闸管软起动虽然在一定程度上克服了热变电阻技术的缺点，但由于存在着闭环控制系统，其不可避免的产生造价高、维护复杂的问题，同时容易在频繁起动的出现起动失败的问题。因此，需要需找其他方法来解决工频380V电力系统下轻载异步电机起动的问题。技术实现要素：本发明的第一目的在于提供一种工频380V电力系统下轻载异步电机简易软起动的系统，以解决的技术问题是如何在380V工频下异步电机的启动问题，需要解决直接起动情况中电流过大以及转矩过大的问题。本发明的第二目的在于提供一种工频380V电力系统下轻载异步电机简易软起动的方法，以解决现有技术中直接起动情况中电流过大以及转矩过大的问题。为了解决上述问题，本发明提出了一种工频380V电力系统下轻载异步电机简易软起动的方法，包括如下步骤：S100：在异步电机定子端加入连接器，以便接入电力晶闸管模块。S200：作为本发明进一步的实施方式，电机采用Γ型等效电路模拟分析，因此求出折算后转子电流I'2为：I2′=U1(R1+R2′s)2+(X1+X2′)2---(1)]]>其中R1、X1分别为定子绕组的等效电阻和等效漏抗，R2、X2分别为转子绕组折算后的等效电阻和等效漏抗，s为等效负载所引入的系数。对于异步电机来说，在启动的这段时间定子和转子的漏阻抗较小，当启动时，定子转子的启动电流处于一个较大的水平，励磁阻抗较大则励磁电流相对较小，则励磁电流则可以忽略不计：I2′=U1(R1+R2′)2+(X1+X2′)2---(2)]]>电磁功率PM等于转子回路上总的等效电阻上的损耗：PM=P1-PCu1-PFe=3I2′2[R2′+(1-s)sR2′]=3I2′2R2′s---(3)]]>转子绕组中的铜损耗PCu2为PCu2＝3I'22R'2＝sPM(4)附加电阻R2消耗的功率为电磁功率PM减去铜损耗PCu2，计算得：Pm=PM-PCu2=3I2′2(1-s)sR2′=(1-s)PM---(5)]]>电磁转矩T计算公式如下：T=PmΩ=Pm2πn60=Pm(1-S)2πn160=PMΩ1---(6)]]>合并化简得异步电机机械性能的参数表达式：T=3I2′R2′s2πn160=3I2′2R2′s2πf1p=3pU12R2′s2πf1[(R1+R2′S)2+(X1+X2′)2]---(7)]]>其中，f1为频率50HZ.S300：分析推导：频率一定的情况下定子两端电压决定了其大小，而在直接启动时，这个电压往往很大，造成了冲击电流和冲击转矩。另一方面，在异步电动机起动过程中通过调节定子电压就可以达到改变电机的机械特性的目的，并且能改变起动转矩和起动电流，为此设计晶闸管电路以改善起动性能。S400：在电机定子端串联反并联晶闸管电路。电路主要部分两个反向并联在一起的电力晶闸管，为其中反并联电路一个输入端T1串接在电源线路上，另一个T2端接电机定子端，门极信号则由移相控制电路产生。整个系统共需要三个反并联晶闸管模组进行降压调控，每一相各串联一个。S500：建立同步相电压采集电路。此电路可以由一个变压器进行采集，对于380V低压电路，负载一方的变动基本不影响电网电压，则也可以直接用连接器从电网上接出相电压。为下个步骤的相电压处理，本发明利用变比k＝22的变压器采集信号。采集到的电压作为移相控制电路的输入。S600：建立交流移相控制电路。将经过变压器采集到的电压输入到由555定时器(LM555CM)构成的施密特触发器。将触发器得到的方波再由运放电路(uA741运放)处理为等宽锯齿波。再由减法器电路将一斜坡信号与之作差，由此改变锯齿波过零点。此外，上述斜坡信号由S700步骤得到。最后经过运放三角波-方波转换电路得到晶闸管门极信号，此信号为一180度宽脉冲。S700：简单斜坡信号发生器。针对低压轻载电机系统，电机所需转矩不用太大，不存在无法起动的问题。此斜坡信号可以用CMOS图像传感器列级数模转换器，也可以用单片机直接输入。此斜坡信号可控制晶闸管的导通角。本发明提出了一种新的异步电机软起动方法，该方法基于两个反并联晶闸管分别控制电压正负半周，通过移相控制模块获得晶闸管的门极信号，通过斜坡信号源来控制晶闸管的导通角，实现电机的软起动过程，极大地提高电机的起动性能。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或者现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见，下面的附图仅仅是本发明的模型。图1是本发明一实施例中工频380V电力系统下轻载电机软起动的系统结构框图；图2是本发明一实施例中工频380V电力系统下轻载电机软起动的主电路示意图；图3是本发明一实施例中工频380V电力系统下轻载电机软起动的电机模块Γ型等效电路图；图4是本发明一实施例中工频380V电力系统下轻载电机软起动的反并联晶闸管模块模拟仿真图；图5是本发明一实施例中工频380V电力系统下轻载电机软起动的移相控制模块模拟仿真图；图6是本发明一实施例中工频380V电力系统下轻载电机软起动的斜坡信号波形图；图7是本发明一实施例中工频380V电力系统下轻载电机软起动的仿真模型图；图8是本发明一实施例中工频380V电力系统下轻载电机软起动的起动电流仿真结果图；图9是本发明一实施例中工频380V电力系统下轻载电机软起动的起动转矩仿真结果图；具体实施方式请参阅图1一种工频380V电力系统下轻载异步电机简易软起动的系统，包括：反并联晶闸管电路2、移相控制电路6、同步相电压采集电路5和斜坡信号发生器7；其中，在异步电机3定子端加入以接入电力晶闸管模块的连接器。在电机定子端串联反并联晶闸管电路2，该电路(请参阅图2)主要部分两个反向并联在一起的电力晶闸管，其中反并联电路一个输入端T1串接在电源线路上，另一个T2端接电机定子端，门极信号由移相控制电路6产生，整个系统共需要三个反并联晶闸管模组进行降压调控，每一相各串联一个。即每一相都需要一个反并联晶闸管电路2进行降压调控。同步相电压采集电路5，用以将采集到的电压作为移相控制电路的输入；此电路可以由一个变压器进行采集，对于380V低压电路，负载一方的变动基本不影响电网电压，则也可以直接用连接器从电网上接出相电压。为下个步骤的相电压处理，本发明利用变比k＝22的变压器采集信号。采集到的电压作为移相控制电路的输入。斜坡信号发生器7：用以产生斜率为-0.1～-0.3之间，最好是-0.2左右斜坡信号，从而控制晶闸管的导通角。斜坡信号发生器为220V、50HZ的三相交流电路产生的斜坡信号，用CMOS图像传感器列级数模转换器产生或用单片机直接输入。移相控制电路6，用以产生门极信号，控制把并联晶闸管模组2进行降压调控。请参阅图5，移相控制电路进一步包括：运算放大电路，用将同步相电压处理为等宽锯齿波；减法器：用于将锯齿波与输入的斜波信号作差；运放三角波-方波转换电路：用以将作差后的信号处理得到一个180度的宽脉冲。进一步，同步相电压经过延迟后成为一段方波，与其正半周等宽，经过延迟而成的方波再由斜率设定模块的处理形成锯齿波，锯齿波使之成为触发脉冲，把之前的锯齿波与斜坡信号Uc作差，再处理得到一180度的宽脉冲作为门极信号。晶闸管作为一种控电力电子器件，在电路中常常用作无触点开关，通过控制其门极电压来达到打开、关断电路的目的。而异步电机软启动最关键的技术是如何控制启动时定子两端的电压，本发明采用晶闸管作为控制器件，对正弦波电压采取“削峰”以获得一个较低的启动电压，同时针对正弦波负半周也采用反向晶闸管达到同样的效果，从而达到软启动的目的。下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行完整描述。包括如下步骤：S100：在异步电机定子端加入连接器，以便接入电力晶闸管模块。S200：作为本发明进一步的实施方式，电机采用Γ型等效电路模拟分析，因此求出折算后转子电流I'2为：I2′=U1(R1+R2′s)2+(X1+X2′)2---(1)]]>对于异步电机来说，在启动的这段时间定子和转子的漏阻抗较小，当启动时，定子转子的启动电流处于一个较大的水平，励磁阻抗较大则励磁电流相对较小，则励磁电流则可以忽略不计：I2′=U1(R1+R2′)2+(X1+X2′)2---(2)]]>电磁功率PM等于转子回路上总的等效电阻上的损耗：PM=P1-PCu1-PFe=3I2′2[R2′+(1-s)sR2′]=3I2′2R2′s---(3)]]>转子绕组中的铜损耗PCu2为PCu2＝3I'22R'2＝sPM(4)附加电阻R2消耗的功率为电磁功率PM减去铜损耗PCu2，计算得：Pm=PM-PCu2=3I2′2(1-s)sR2′=(1-s)PM---(5)]]>电磁转矩T计算公式如下：T=PmΩ=Pm2πn60=Pm(1-S)2πn160=PMΩ1---(6)]]>合并化简得异步电机机械性能的参数表达式：T=3I2′R2′s2πn160=3I2′2R2′s2πf1p=3pU12R2′s2πf1[(R1+R2′S)2+(X1+X2′)2]---(7)]]>S300：分析推导：频率一定的情况下定子两端电压决定了其大小，而在直接启动时，这个电压往往很大，造成了冲击电流和冲击转矩。另一方面，在异步电动机起动过程中通过调节定子电压就可以达到改变电机的机械特性的目的，并且能改变起动转矩和起动电流，为此设计晶闸管电路以改善起动性能。S400：在电机定子端串联反并联晶闸管电路。电路主要部分两个反向并联在一起的电力晶闸管，为其中反并联电路一个输入端T1串接在电源线路上，另一个T2端接电机定子端，门极信号则由移相控制电路产生。整个系统共需要三个反并联晶闸管模组进行降压调控，每一相各串联一个。S500：建立同步相电压采集电路。此电路可以由一个变压器进行采集，对于380V低压电路，负载一方的变动基本不影响电网电压，则也可以直接用连接器从电网上接出相电压。为下个步骤的相电压处理，本发明利用变比k＝22的变压器采集信号。采集到的电压作为移相控制电路的输入。S600：建立交流移相控制电路。将经过变压器采集到的电压输入到由555定时器(LM555CM)构成的施密特触发器。将触发器得到的方波再由运放电路(uA741运放)处理为等宽锯齿波。再由减法器电路将一斜坡信号与之作差，由此改变锯齿波过零点。此外，上述斜坡信号由S700步骤得到。最后经过运放三角-方波转换电路得到晶闸管门极信号，此信号为一180度宽脉冲。S700：简单斜坡信号发生器。针对低压轻载电机系统，电机所需转矩不用太大，不存在无法起动的问题。此斜坡信号可以用CMOS图像传感器列级数模转换器，也可以用单片机直接输入。此斜坡信号可控制晶闸管的导通角。下面通过仿真案例对该输出电压控制策略进行具体分析。仿真是通过软件MATLAB实现的，步骤如下：S1：首先按照说明书附图构建电源及电机模块。电源模块选择线电压380V工频三相交流电源。异步电机参数如下表：表1.异步电机参数项目有名值及单位额定容量4.7×10-3MVA额定电压380V额定频率50Hz定子电阻Rs＝0.435Ω定子电感Ls＝0.004H转子电阻Rr＝0.816Ω转子电感Lr＝0.004H定子和转子间互感Lm＝0.0693H异步电机的极对数Np＝2惯性系数J＝0.189kg.㎡S2：按照说明书附图3建立晶闸管模块。其中T1串接在电源线路上，T2端接电机定子端，门极信号则由S3步骤中移相控制电路产生。每一相都需要一个反并联晶闸管模组进行降压调控。S3：按照说明书附图4建立移相控制模块。UT为同步相电压，经过延迟模块后成为一段方波，与其正半周等宽，经过延迟而成的方波再由斜率设定模块的处理形成锯齿波。第三部分处理之前形成的锯齿波使之成为触发脉冲，把之前的锯齿波与移相控制电压Uc作差，达到改变锯齿波电压的过零点的目的，之后再处理为180度的宽脉冲。S4：建立斜坡信号发生模型。移相控制电压Uc由控制模块(给定积分器)产生，输出Uc为一斜坡信号，其波形如说明书附图6所示。S5：构建完整仿真模型。如说明书附图7所示。S6：仿真结果分析。仿真结果如说明书附图8、9所示。软启动的过程中启动电流平滑上升，且最大值不超过30A，有效的消除了冲击电流带来的不良影响，整个软启动过程中，电流变化相对平稳。启动结束后，电机的定子电流同样也是接近于额定电流21.4A，这也是由于本仿真中负载转矩可以忽略不计而产生的结果。虽然在启动开始时启动转矩不大，但随着调压过程的继续，加在定子两端的电压也在升高，转速也逐步上升，启动完成后达到了额定转速。本发明仿真案例只是用于帮助阐述本发明的特点与优点。仿真案例只代表一种形式的具体应用，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属
技术领域：
技术人员能很好地利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。当前第1页1 2 3