交流斩波应用于电机软起动的分析

交流斩波应用于电机软起动的分析

0.摘要：

大功率电机在电动机应用中的比例越来越大，其全压启动性能较差对电网的影响和电机本身的破坏也越来越大。最早人们采用定子串电阻、电抗器降压启动，自偶变压器降压启动，星型－三角形降压启动等等。但随着晶闸管技术的发展，交流斩波应用于电子软启动－三相晶闸管调压软启动器以其较优越的性能，占据大功率交流电机软启动的一席之地。

关键词：

交流斩波电动机软启动 晶闸管; 仿真：MATLAB;SIMULINK

Abstract: It deals with how to use SIMULINK or Stateflow simulate toolbars to make dynamic

simulation on the computer simulationmodel of thyristor motor soft starter which is constructed

before.The test result is ideal.It demonstrates that using SIMULINKplatform to analyze the soft

start progress is a convenient, high-efficient and practical method.Simultaneously, it can verify the

fact that the start performances of motor soft start are much better than the direct start

performances.

Key words: thyristor motor soft starter;simulation; MATLAB SIMULINK

1.引言

目前我国所有的电力消耗中, 电动机所消耗的电能占到60%～70%,其中交流异步电动机因其突出的优势在生产和生活中得到了广泛地应用, 成为当今传动工程中最常用的动力来源.但是,由于其启动特性,电动机直接启动将会产生过大的启动电流, 通常达到电动机额定电流的5～8 倍。在许多场合,这种过大的启动电流会对整个传动系统产生不良的影响。为了避免电动机直接启动时发生危害, 应当在电动机启动过程中采取必要的措施控制其启动过程, 降低启动电流冲击和转矩冲击。为了降低启动电流,必须使用启动辅助装置。近些年,晶闸管电动机软启动器的出现引起了人们的广泛重视,它不仅有效地解决了电动机启动过程中电流冲击和转矩冲击问题,而且可以根据应用条件的不同设置其工作状态,有很强的灵活性和适应性。晶闸管电动机软启动器主回路采用晶闸管三相交流调压电路, 利用晶闸管进行调压,

其输出电压大小由晶闸管的导通角决定, 而晶闸管的导通角又与其触发角有关。因此只需在电动机启动过程中通过控制晶闸管触发角的大小,就可使电动机的定子端电压和启动电流根据工作要求设定的规律进行变化。这样,电动机的启动方式和启动电流均可任意调整和设置,使之处于最佳的启动过程。为了更好地说明晶闸管电动机软启动器的原理及启动性能,通过MATLAB 软件构建软启动仿真模型。它能完全反映实际的物理系统,获得丰富、详细的数据资料。

2.晶闸管

2.1晶闸管特点简介

从本世纪 50 年代我国生产晶闸管器件问世以来 经历了 50 多年的历史刚开始时 由于制造工艺水平不成熟 性能很不稳定 那时有人称之为可怕硅现在随着制造水平的提高 各种性能相当稳定 已朝着大电流 3000A 以上 高电压 6000V 以上方向发展。

英文为 Thyristor,也称为可控硅 Silicon Controlled Rectifier 它是一种具有 P-N-P-N四

层三个 PN 结的功率半导体器件 它有三个电极 阳极 A 阴极 K 控制门极 G 是一种电流控制型器件 要使其导通必须具备两个条件 一是阳极电位高于阴极电位 即正偏置 二是控制门极施加足够功率和宽度的触发脉冲信号晶闸管具有如下特点 导通后即使控制门极触发信号撤去 只要流过器件的正向电流大于维持电流 一般几十个毫安 它还能导通 也就是说通过关断触发信号来关断晶闸管是不行的。这点与 IGBT GTR MOSFET 不同 要想关断它

必须将维持导通的电流减小至维持电流以下 因此有时需要进行强迫关断,即在需关断时,对它施加反偏置电压（即反压） 直至其关断。

相对其他功率器件晶闸管因其具有低的导通压降，过流能力强耐冲击耐高压所以在各种不同类型的电力电子变换装置中被广泛使用交流电机软启动就是一个典型的应用。

2.2晶闸管在电机软起动中的应用

电机起动时起动电流一般为额定电流 Ie 的6-7 倍,因此在起动瞬间对电网冲击很大

对变压器的容量要求更高,同时也对其它的用电设备造成很大的影响。

因此,实际工作中容量超过7.5KW,的电机都要求降压启动 传统的降压启动方式有磁控降压启动器,自耦降压启动 /Y 变换降压启动等,不管那种方式对电网还是存在一或两次的大电流冲击 采用晶闸管数字控制软启动器,具有比上面介绍的启动器更加优越的好处,主要表现在降低电机的起动电流,降低配电容量,避免增容投资,降低起动机械应力,延长电机及相关设备的使用寿命,起动参数可视负载调整,易于改善工艺,保护设备。

2.3晶闸管电机软起动器工作原理

晶闸管在电机软起动器中的应用是一种利用晶闸管进行交流调压的应用，利用晶闸管可以相控，改变晶闸管导通的相位角，调压的特点。我们知道电机转子上的力矩是与加在定子上电压的平方成正比的 因此改变加在电机定子绕组上的电压 可改变电机转子上的转矩

从而可根据电机负载的具体情况，设定电机的起动电流，电机的起动电流按与额定电流 Ie

的比例，可设定电机起动电流为 0.5 Ie; Ie;; 2 Ie; 3 Ie; 4 Ie 即限电流起动方式，其工作原理如下图

3.电机起动工程原理分析

电机运行过程是一个高阶非线性、强耦合的多变量系统，对其进行起动性能的仿真分析，不可避免地要进行矩阵的积分运算。传统的计算机编程语言，如fortran、C语言编出的程序冗长，调试费时，大部分时间和精力都花在矩阵的处理和图形生成上。虽然可以用Pspice来实现电子电路仿真，但由于其传递函数不足，因而在涉及复杂算法的仿真中（如电气传动系统）许多环节都要用简化传函表示，不但忽略了许多重要环节，而且仿真精度不高，而被誉为第四代计算机语言的Matlab，是以不定维矩阵运算为基础的科学计算软件，它很好地解决了矩阵的各种运算和图形处理，并提供了丰富的、常用的内部函数和各种仿真算法，提

高了仿真精度。本文根据其上述特点并利用它的simulink仿真工具建立了一个通用的电机动态仿真模型，并把它应用到异步电动机起动过程的分析中，对电机的设计和防护具有较高实用价值。

4.基于MATLAB 构建晶闸管电动机软启动器仿真模型

4.1 硬件系统设计

整个系统主要由三相晶闸管主电路、检测电路、控制电路和触发移相电路组成,如图1 所示。通过控制晶闸管的控制角由大到小变化,使电动机的电压从小到大逐渐上升, 从而完成电动机的软启动过程。

图一 系统硬件框图

4.2 构建仿真模型

启动SIMULINK 之前, 首先要打开MATLAB。打开MATALAB 主界面,在命令窗口(Command Window)输入命令simulink,回车即可启动SIMULINK,即打开SIMULINK库浏览器(Simulink Library Browser)窗口,它包含了所有安装在MATLAB 中的模块库、从中找到建模所需的模块,复制到所要建立的模型中。在打开的SIMULINK 库浏览器窗口菜单上点击新建快捷键即打开模型窗口,模型的建立是在模型窗口中实现的。模型如图2 所示。

图二 交流斩波应用于软起动仿真分析

图三 直接起动仿真分析

4.3触发移相电路(以A相为例)

晶闸管三相交流调压电路采用晶闸管器件的相位控制。反并联连接的晶闸管VT1 和VT2 组成了交流双向开关,在交流输入电压的正半周,VT1 导通,在交流输入电压的负半周,VT2 导通,通过控制晶闸管的导通时刻,调节电动机两端的电压.晶闸管控制角a 的移相范围是180°,a =0°的位置定在电源电压过零的时刻。在阻感负载时,按控制角与负载阻抗角(j

= arctan(L / R) )的关系,电路有两种工作状态:1) j ≤a ≤ 180°时,调压器输出电压和电流的正负半周是不连续的,在这个范围内调节控制角,负载的电压和电流将随之变化。2) 0 ≤a ≤j

时,调压器输出处于失控状态,即虽然控制角变化,但负载电压不变,且是与电源电压相同的完整正弦波。因此, 晶闸管采用后沿固定在180°的宽脉冲触发方式,以保证晶闸管能正常触发。

4.4 检测电路

为了获得与触发移相电路输入信号要求相匹配的信号, 检测电路需要将电流转变为0 ～5V 的电压信号。检测电路经电流互感器,由调理电路将电流信号转换为电压信号,供给控制电路,实现电流反馈。

4.5 控制电路

晶闸管电动机软启动器采用电流闭环控制方式。通过预置启动曲线,通过检测电路获得反馈信号,再输送触发移相控制电压。晶闸管三相交流调压器给电动机供电时, 晶闸管控制角的移相范围受一定限制,当控制角较大时,调压器输出电压过低,电动机启动转矩太小,电动机不能启动;当控制角小于电动机功率因数角时,调压器失去调压作用,调压器输出全电压;因此要预定一个移相控制电压初始值,当导通角全部导通时也有相应的处理。

图四 设置

5.结束语

本文首先说明了晶闸管电动机软启动器在电动机软启动时的优势,接着利用Matlab/SIMULINK 仿真工具建立了晶闸管电动机软启动器的仿真模型,并建立了直接起动的模型。通过本次学习，较为深入地了解了交流斩波应用于软起动的知识，很好地锻炼了能力。但由于经验不足，时间和能力有限，最后没有取得有效的仿真结果，有待更多的学习和实践。

参考资料

1.《自动化技术与应用》2011 年第30 卷第4 期

2.晶闸管在电机软启动领域中的选择与应用——彭俊晓