?软启动是相对于硬启动的概念,在工程中最常用的就是三相异步电机,在民用和工业工程电动设备中,由于其电机启动特性,这些电动机直接连接供电系统(硬启动),
会导致较大的冲击电流和峰值转矩,不利于机械装置的良好运转。软启动则是平滑的启
动运行,电压由零慢慢提升到额定电压,使电机启动的全过程都不存在冲击转矩。
目录
?软启动的特性
?软启动的原理
?软启动与其他降压启动性能比较
?软启动的起停方式
?软启动的应用
?软启动的发展趋势
软启动的特性
异步电机启动性能主要有两个指标,启动电流倍数和启动转矩倍数,软启动器是就是在启动时通过改变加在电机上的电源电压,以减小启动电流、启动转矩。电动机传统启动方式有自耦减压、Y/△减压等方式,其共同特点是控制线路简单,启动转矩不可调并有二次冲击电流,对负载有冲击转矩。软启动可以有效地降低电动机的启动电流,其启动电流仅为标准电机硬启动电流的50%,是高效电动机硬启动电流的20%(见图1)。软启动的限流特性可有效限制浪涌电流,避免不必要的冲击力矩以及对配电网络的电流冲击,有效地减少线路刀闸和接触器的误触发动作;对频繁启停的电动机,可有效控制电动机的温升,大大延长电动机的寿命。
软启动的原理
目前应用较为广泛、工程中常见软启动器时晶闸管(SCR)软启动。
晶闸管软启动原理:在三相电源与电机间串入三相联晶闸管,利用晶闸管移相控制原理(见图2),改变晶闸管的触发角,启动时电机端电压随晶闸管的导通角从零逐渐上升,就可调节晶闸管调压电路的输出电压,电机转速逐渐增大,直至达到满足启动转矩的要求而结束启动过程;软起动器的输出是一个平滑的升压过程(且可具有限流功能),直到晶闸管全导通,电机在额定电压下工作;此时旁路接触器接通(避免电机在运行中对电网形成谐波污染,延长晶闸管寿命),电机进入稳态运行状态;停车时先切断旁路接触器,然后由软启动器内晶闸管导通角由大逐渐减小,使三相供电电压逐渐减小,电机转速由大逐渐减小到零,停车过程完成。
软启动与其他降压启动性能比较
软启动的起停方式
软启动通常利用其特性,采用如下四种起停方式:
1. 电压斜坡软启动:启动电机时,软启动器的电压快速升至U1,然后在设定时间t 内逐渐上升,电机随着电压上升不断加速,达到额定电压和额定转速时,启动过程完成。
2. 限流启动:启动电机时,软启动器的输出电压迅速增加,直到输出电流达到限定值,保持输出电流不大于该值,电压逐步升高,使电动机加速,当达到额定电压、额定转速时,输出电流迅速下降至额定电流,启动过程完成。该方式用于某些需快速启动的负载电机。
3. 斜坡限流启动:启动电机时,输出电压在设定时间内平稳上升,同时输出电流以一定的速率增加,当启动电流增至限定值Im 时,保持电流恒定,直至启动完成。该方式适用于泵类及风机类负载电机。
4. 软停车:在该方式下停止电机时,电机的输出电压由额定电压在设定的软停时间内逐步降低至零,停车过程完成;常用于水泵负载,它成功地解决了传统停车过程中的“水锤”现象(即瞬间停机引起流体原来状态的剧烈变化,造成流体对管道的冲击)。
软启动的应用
按电机的负载和速度变化分类,软启动常用于:
负载变化较大且不允许速度变化的设备:如港口皮带输送机、煤矿皮带输送机、水泥皮带传送设备、电动扶梯、不带变频器的升降电梯、轧钢设备、各类工业输送机械等
变负载设备:如中央空调主机、六角机床、碾磨机、研磨机、成形机、冲床、抛光机、悬垂机、压机、切削机、压缩机、油井抽油机、电动衣车、食品搅拌机、塑胶开炼机/密炼机、注塑机、锻机、板机混凝土成型机、橡胶成型机、化工工业设备、农用设备、纺织机械、造纸设备、工业机械、食品及其它重工业机械。
利用软启动特性设备简介如下:
空气压缩机-大容量电动机轻载时进入节能运行状态;当输入电源电压不平衡时,可以自动调节使相电流平衡,减少电动机发热和延长寿命。
离心泵-利用泵控制功能,减少启动和停止时液流冲击所产生地系统喘振现象,节省系统维修费用。
桥式起重机-利用双斜坡起动,实现加速过程最有效控制,提高生产率并减少产品的损坏。
皮带运输机和自动传输线-利用软启动和预置低速运行,实现平滑起动,避免产品移位和液体溢出。
通风机-利用软启动取代旧的机电启动器,减少皮带磨损和机械冲击,节省维修费用。
粉碎机械-利用堵转和失速保护,避免机械故障或阻塞造成电动机过热而烧毁。
切碎机-利用软启动取代自耦降压起动,有助于减少对电网的冲击和节约能源。
搅拌机-利用双斜坡起动和预置提速运行,避免机械故障,节约能源,不需要变频器驱动。
软启动的发展趋势
电动机软起动技术在不断发展,随着电力电子器件和技术的发展,电动机的软起动有几个值得重视的分支:磁控软起动、晶闸管软起动(SCR)、液阻软起动;其中以晶闸管(SCR)软起动应用最为广泛。晶闸管软启动器自20 世纪80 年代由国外进入国内后,随着该产品国产化率提高、产品质量稳定,现逐步进入全面应用阶段。目前国内厂商着手中高压电动机软启动器研制、开发、推广。
为便于控制,软启动器和开关及控制电路可以设计一个完整的电机控制中心以实现对电机的综合控制及故障记录报警,可实现控制集成化;软启动器与可编程序控制器(PLC)组合后,使控制系统的设计更为方便灵活及可靠,可实现控制的数字化;与计算机网络技术相结合可实现控制的智能化和网络化。
步进电动机的工作原理及特点随着微电子和计算机技术的发展,步进电机的需求量与日俱增,它广泛用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人、医疗器械等机电产品中,其在各个国民经济领域都有应用。研究步进电机的控制系统,对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。 1 步进电机概述 步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机,国外一般称为Steppingmotor、Pulse motor或Stepper servo,其应用发展已有约80年的历史。步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的控制电机,其位移速度与脉冲频率成正比,位移量与脉冲数成正比。步进电机在结构上也是由定子和转子组成,可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制。当电流流过定子绕组时,定子绕组产生一矢量磁场,该矢量场会带动转子旋转一角度,使得转子的一对磁极磁场方向与定子的磁场方向一着该磁场旋转一个角度。因此,控制电机转子旋转实际上就是以一定的规律控制定子绕组的电流来产生旋转的磁场。每来一个脉冲电压,转子就旋转一个步距角,称为一步。根据电压脉冲的分配方式,步进电机各相绕组的电流轮流切换,在供给连续脉冲时,就能一步一步地连续转动,从而使电机旋转。步进电机每转一周的步数相同,在不丢步的情况下运行,其步距误差不会长期积累。在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差,精度高,步进电动机可以在宽广的频率围通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等,这是步进电动机最突出的优点[1]。 正常情况下,步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比;连续输入一定频率的脉冲时,电动机的转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系,不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入,所以特别适合于微机控制。 2国外的研究概况 步进电机是国外发明的。中国在文化大革命中已经生产和应用,例如、、、、都生产,而且都在各行业使用,驱动电路所有半导体器件都是完全国产化的,当时是全分立元器件构成的逻辑运算电路,还有电容耦合输入的计数器,触发器,环形分配器。国外在大功率的工业设备驱动上,目前基本不使用大扭矩步进电动机,因为从驱动电路的成本,效率,噪音,加速度,绝对速度,系统惯量与最大扭矩比来比较,比较不划算,还是用直流电动机,加电动机编码器整体技术和经济指标高。一些少数高级的应用,就用空心转杯电机,交流电机。国外在小功率的场合,还使用步进电机,例如一些工业器材,工业生产装备,打印机,复印件,速印机,银行自动柜员机。国外用许多现代的手段将步进电机排挤出驱动应用,除了前面提到的旋转编码器,打印机还使用光电编码带或感应编码带配合直流电动机,实现闭环直线位移控制。国过去是用大力矩步进电动机实现机床数控,有实力的公司现在也采用交流电动机驱动数控机床,在驱动设备的主要差距,是国外对交流电动机的控制理论与工程分析和应用能力强,先进的控制理论作为软件,写在控制器部。 总的来说,步进电机是一种简易的开环控制,对运用者的要求低,不适合在大功率的场合使用。 在卫星、雷达等应用场合,中国在文化大革命后期,就生产了力矩电机,就生产了环形
第4卷第1期2000年3月 电机与控制学报 ELECTRICMACHINESANDCONTROL V01.4NO.1 March2000 无刷直流电动机直接驱动系统动态特性分析 杨贵杰1,孙力‘,孙立志1,陆永平1,高苏华2 (1哈尔滨工业大学.黑龙江哈尔滨15的001:2哈尔滨理工大学.黑龙茳哈尔滨150076) 摘要:在推导了转予表面安装永磁体无刖直流电动机的数学模型曲基础上,介绍了一种以集成数字信号处理器ADMC331为核?o全数字矢量控制无刷直流电动机直接驱动系统。着重分析了电流参考信号超前角(滞后角)、系统参数和驱动方式对无刷直流电动机系统动态性能的影响.仿真及试验结果证明超前(或滞后)角的存在都会使系统的动态性能变差,无刷直流电动机系统处于磁场定向控制的情况下,电机的输出转矩最大,系统的动态性能最好;增大电流比例调节嚣增益和功率逆变驱动电路放大倍数可以使系统获得更好的动态性能:采用正弦波加三次、五次谐波的复合驱动方式时,系统的动态性能得到提高. 关键词:无刷直流电动杌;数字信号处理器:矢量控书j;动态特性 中圈分类号:TM33文献标识码:A文章编号:1007—4a9x(2000)Ol一000l一05DynamiccharacteristicsanalysisofthebrushlessDC motordirectdrivesystem YANGGui—jiel,SUNLi‘,SUNLi—zhi。,LUYong—pingl,GAOSh—hua2r】HarbinInstituteofTechnologyHarbinl50001China;2Harbin UniversityofScienceandTechnology,Harbin】50076China) Abstract:ThemathematicalmodelofabrushlessDCmotordirectdrivesystemwithintegralDSPmotorcontrollerADMC33IisdeducedandafulldigitalvectorcontrolbrushlessDCmo-totdirectdrivesystemisintroducedinthispaperTheinfluenceoftheleadingangle(1aggingangle)ofthecurrentreferencesignaltheparametersanddrivemodeofthesystemtothedy-namJccharacteristicsaleanalyzedTheresulIsofsimulationandexperimentjndicatethatthedeteriorationofthedynamiccharacteristicsoftbesystemiscausedby1eadingangle(1aggingangle)ofthecurrentreferencesignaIWiththemagneticfieldorientcontrol,thebrushlessDCmotorsystemcanobtainamaximumoutputtorqueandthebestdynamiccharacteristics.Whenthegainoftheturretratioregulatorandenlargementfactorofpowerinverterarein-cgeased,dyuamiccharacteristicsofthesystemwillbecomebetter;whenthecompounddrivemodeofsineWAVeplustripleandquintupleharmonicsisused,thedynamiccharacteristicsofthesystemCanbeimproved, Keywords:brushlessDCmotor;digitalsignalprocessor;vectorcontrol;dynamiccharacteristics l引言 永磁无刷直流电动机和有刷直流电动机都具有良好的控制特性和相似的机械特性,但后者还存在许多不足,具体体现为有刷直流电动机体积大.惯量大,过载能力有限,电机结构复杂,制造难度犬,驱动电源响应馒。撼比之下,无刷直流电动机系统有力矩系数大,过载能力强,散热条件好.没有换相火花.电 收孺日期:t999一叩05 作者蕾丹糟首杰0965一),男.在职博士研究生,to]柱授,主要^L事水硪走剧直流电动机系兢度一雄化电机系纯的研完工砟朴力“9田一1.募.博士后.教授,主-t-a.事电机控舯.一律化电机厦科直系境砖研兜工砟. 万方数据
近期我公司#1发电机测温元件对地电压异常升高(最高达380V左右),经联系电科院进行端部动态特性试验,现将具体实验过程介绍如下: 3.1试验目的:检验发电机定子绕组端部振动特 性,发电机运行中是否避开了100HZ的共振频 率。一般发电机在设计制造时,端部绕组的结构 均避开了100HZ,但在运行时因线棒绝缘、绑绳、 垫块、支架等绝缘材料受电、热作用,绝缘和机 械性能逐渐降低,因振动磨损、绑扎紧固件之间 连接紧度也会改变,故端部振动特性也随之发生 变化,其端部固有频率呈下降趋势,逐渐接近 100HZ,导致端部绕组处于谐振状态,即使很小的激振力也会诱发较大的振动,导致端部绝缘磨损,发生发电机绕组短路、断线、断裂等事故。所以对于大型发电机进行定子绕组端部动态特性试验是十分必要的。 3.2试验方法:一般多采用一点激振多点响应法,在发电机励端、汽端、中部分别进行测量。即用力锤定点敲击定子绕组端部上的某点,向绕组端部提供一个瞬态冲击力,动态信号分析仪拾取端部绕组上各测点的振动响应值,再经模态分析软件分析处理,便得到定子绕组端部模态参数:频率、振型和阻尼等模态参数。具体方法为:将试验用仪器(AZ804-A、AZ308)接好线后,先在发电机励磁侧定子绕组端部任选一点,将带有数据线的加速度计用橡皮泥或其它粘性物体固定在定子绕组端部,注意固定时尽量靠近发电机定子绕组端部,以不下滑为宜。用另一带有数据线的橡皮锤在临近加速度计的发电机定子端部进行敲击,每个线棒敲击4次取平均值,之后按照顺序每隔一个线棒敲击4次,每个线棒敲击后取平均值,待沿发电机圆周敲击一遍后便得到每次敲击时的振动值和频率,取每次敲击时的峰值,由测试软件
10.3 节 一、填空题 1、异步电动机的电磁转矩是由和共同作用产生的。 2、三相异步电动机最大电磁转矩的大小与转子电阻r2 值关,起动转矩的大小与转子电阻r2 关。 (填有无关系) 3、一台线式异步电动机带恒转矩负载运行,若电源电压下降,则电动机的旋转磁场转速,转差率,转速,最大电磁转矩,过载能力,电磁转矩。 4、若三相异步电动机的电源电压降为额定电压的0.8 倍,则该电动机的起动转矩T st =?T stN 。 5、一台频率为f1= 60Hz 的三相异步电动机,接在频率为50Hz 的电源上(电压不变),电动机的最大转矩为原来的,起动转矩变为原来的。 6、若异步电动机的漏抗增大,则其起动转矩,其最大转矩。 7、绕线式异步电动机转子串入适当的电阻,会使起动电流,起动转矩。 二、选择题 1、设计在f1= 50Hz 电源上运行的三相异步电动机现改为在电压相同频率为60Hz 的电网上,其电动机的()。 (A)T st 减小,T max 减小,I st 增大(B)T st 减小,T max 增大,I st 减小 (C)T st 减小,T max 减小,I st 减小(D)T st 增大,T max 增大,I st 增大 2、适当增加三相绕线式异步电动机转子电阻r2时,电动机的()。 (A)I st 减少, T st 增加, T max 不变, s m 增加(B)I st 增加, T st 增加, T max 不变, s m 增加 (C)I st 减少, T st 增加, T max 增大, s m 增加(D)I st 增加, T st 减少, T max 不变, s m 增加 3、一台运行于额定负载的三相异步电动机,当电源电压下降10%,稳定运行后,电机的电磁转矩()。(A)T em =T N (B)T em = 0.8T N (C)T em = 0.9T N (D)T em >T N 4、一台绕线式异步电动机,在恒定负载下,以转差率s 运行,当转子边串入电阻r = 2r2',测得转差率将为 ()(r 已折算到定子边)。 (A)等于原先的转差率s (B)三倍于原先的转差率s (C)两倍于原先的转差率s (D)无法确定 5、异步电动机的电磁转矩与( )。 (A)定子线电压的平方成正比;(B)定子线电压成正比; (C)定子相电压平方成反比;(D)定子相电压平方成正比。 6、一般电动机的最大转矩与额定转矩的比值叫过载系数,一般此值应( )。 (A)等于1 (B)小于1 (C)大于1 (D)等于0 三、问答题
电动机类型及特点 一、同步电机与异步电机区别:(均属交流电机) 结构:同步电机和异步电机的定子绕组是相同的,主要区别在于转子的结构。同步电机的转子上有直流励磁绕组,所以需要外加励磁电源,通过滑环引入电流;而异步电机的转子是短路的绕组,靠电磁感应产生电流(又称感应电机)。相比之下,同步电机较复杂,造价高。 应用:同步电机大多用在大型发电机的场合。而异步电机则几乎全用在电动机场合。同步电机效率较异步电机稍高,在2000KW以上的电动机选型时,一般要考虑是否选用同步电机。 二、单相异步电动机与三相异步电动机: 单项电动机:当单相正弦电流通过定子绕组时,电机就会产生一个交变磁场,这个磁场的强弱和方向随时间作正弦规律变化,但在空间方位上是固定的,所以又称这个磁场是交变脉动磁场。这个交变脉动磁场可分解为两个以相同转速、旋转方向互为相反的旋转磁场,当转子静止时,这两个旋转磁场在转子中产生两个大小相等、方向相反的转矩,使得合成转矩为零,所以电机无法旋转。当我们用外力使电动机向某一方向旋转时(如顺时针方向旋转),这时转子与顺时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变小;转子与逆时针旋转方向的旋转磁场间的切割磁力线运动变大。这样平衡就打破了,转子所产生的总的电磁转矩将不再是零,转子将顺着推动方向旋转起来。通常根据电动机的起动和运行方式的特点,将单相异步电动机分为单相电阻起动异步电动机、单相电容起动异步电动机、单相电容运转异步电动机、单相电容起动和运转异步电动机、单相罩极式异步电动机五种。 区别:三相异步电动机采用380V三相供电,单相电机是用220V的电源,而且都是小功率的,最大只有2.2KW 。相比于同转速同功率的三相电机,单项电机的效率低、功率因数低、运行平稳性差、且体积大,成本高,但由于单相电源方便,且调速方便,因此广泛用于电动工具、医疗器械、家用电器等。
第一章电力拖动系统的动力学基础 【引入】用电动机作原动机的拖动方式,称为电力拖动。现代化矿井使用着大量的生产机械,几乎全部是采用电力拖动的。 第一节机械特性 一、电力拖动装置的组成 通常,一套电力拖动装置由工作机构(生产机械)、电动机、传动机构和控制设备四部分组成。如图1.1.1所示。 图 1.1.1电力拖动系统示意图 1、工作机构 工作机构是生产机械执行工作的机械部分,如提升机的卷筒、钢丝绳及提升容器,采煤机的滚筒与截齿等。电力拖动过程中,负荷的变化往往来自工作机构。 2、电动机 电动机是电力拖动装置的原动机,它的作用是把电源提供的电能转变为机械能用以拖动生产机械运转。 电动机分交流电动机和直流电动机两大类。 3、传动机构 大多数情况下,电动机与工作机构并不直接连接,而是中间还有一套传动机构用来变速或改变运行方式,如联轴器、皮带、链条及减速器等。 4、控制设备 控制设备是控制电动机运转的设备,由各种控制电器和控制电机组成,用以控制电动机的起动、调速、制动和反转等。
除了上述四部分外,还有电源装置,如各种开关柜,上面配有继电保护装置和指示仪表,用以向电动机和控制设备供电。 二、拖动系统的类型 单轴系统:电动机的转轴直接与工作机构的转轴相连接的拖动系统; 多轴系统:电动机和工作机构之间通过若干传动机构相连接的拖动系统。 1、电动运行状态(第一三象限) 其特点是电动机转矩M的方向与 旋转方向(转速n的方向)相同,M为拖 动转矩。电动机从电网取得电能并变为 机械能带动负载运转。 2、制动运转状态(第二四象限) 电动机的转矩M与转速的方向相反,M为制动转矩。此时生产机械带动电动机旋转,电动机吸收机械能并变成电能送回电网或消耗在电阻上。关于制动运转状态的分析将在后面有关章节中讨论。 三、机械特性 1、生产机械的负载特性 生产机械在运转中受到阻转矩的作用。此转矩叫负载转矩M?L反映到电动机轴上即为M L。生产机械的负载特性指其转速n L与负载转矩M L'的关系反映到电动机轴上便是 n=?(M L) 大多数生产机械的负载特性可归纳为以下三种类型: 1) 恒转矩特性 恒转矩特性的特点是负载转矩与转速无关,如图1.1.3所示。矿井提升机、带式输送机等机械具有这种特性。