基于分级变频的重载软起动系统
MST机械软启动—一种重载软启动传动装置
MST机械软启动——一种重载软启动传动装置山西华润联盛能源投资有限公司机电设备管理部贾猛摘要：本文介绍了一种新型重载软启动传动装置。
该传动装置能实现大功率机械设备的重载软启动、软停车等功能，而且服务和维修方便，大大降低生产运行成本。
1.概述对负载启动的设备而言，软启动技术是指机械系统即使在满载的工况下也能够按照人们要求的速度逐步克服整个系统的惯性而平稳地启动或停车。
软启动技术不仅能有效地减小启动时电动机对机械传动系统和执行机构的启动冲击，延长减速器和轴承等关键部件的使用寿命，同时还能大大减小启动电流对电动机的冲击负荷以及对电网的影响。
目前国内外常用的软启动设备主要有液力偶合器、液体粘性软启动传动装置、大功率直流调速电动机、变频器等。
对于大功率机械设备的重载软启动，只有变频器和美国罗克韦尔公司生产的CST软启动才能满足使用要求，但变频器和CST都有价格高昂、维护困难等无法克服的缺点，本文要介绍的MST机械软启动是一种新型的、能实现大功率机械设备重载软启动的传动装置，可广泛应用于各种负载启动的机械设备如皮带输送机、刮板输送机、球磨机、破碎机等。
2.MST机械软启动的结构MST机械软启动主要由差动行星减速器、外置的液粘制动器和控制系统三部份组成，其机械部分结构如图1所示。
图1 MST软启动机械部分结构示意图2.1 差动行星减速器如图1所示MST减速器输入轴通过联轴器与主电机相连，输入轴一端通过轴承在箱体上，另一端与减速齿轮啮合，减速齿轮与过渡轴通过平键相连，过渡轴支承在箱体上，通过浮动齿套与行星机构中太阳轮相连。
行星机构中内外齿圈经前、后支撑支承与箱体内，行星架经轴承支承于齿圈前后支撑内，行星架上行星轴连接的行星轮分别啮合太阳轮和内外齿圈，行星架与输出轴相连。
内外齿圈的外齿与增速一轴的圆柱齿轮啮合，增速一轴支承与箱体内，通过平键与增速大伞齿连接，增速大伞齿轮与增速二轴中小伞齿啮合，增速二轴经轴承支承于箱体内，并通过花键与液粘制动器的输入轴连接。
一种分级变频软起动电路原理与仿真
第２ ６卷 第 １期
王 怡 华 等 一 种 分 级 变 频 软 起 动 电路 原理 与 仿 真
６ ７
＿ ｉａ Ｕ √ ｓ２ × ｎ
．
（ ４ ）
，
、
导 通
限定 ｂ相控 制 角小 于 １ ０ ， 有 己 相 输 出 电压 ２ 。则 ，
，
）） ． （
—
） （
Ｕ 一∑： ＋ ） （ ．
（ ５ ）
丑—一
１Ｏ 。Ｊ ２
由于 采用 相 控 调 压 和 两 组 相 控 调 压 电路 并 联 ， 理论上 能 实现 输 出 电 压 的无 级 连 续 可 调 ， 出 电 压 输
（ ） Ｗ 相 输 出 电压 波 形 ｃ
在 任何 频率 下 均 可 连 续 调 节 ， 到 ／ 得 － 出 电压 和 厂输
电源分别 经过 两组 反 并联 晶闸 管 后接 到 电动 机 的 １
相输 入端 ． 电路 上相 当 于两 组 相 控 调 压 电路 交 错 在
１３ 输 出电压 ．
以 ｕ 相输 出电压 为例 ， 采用 相控 调 压技 术 ， ２ 图 （ ） 控制 角 ａ＝ ａ为 ： ０时 的 Ｕ 相 输 出电压 ， ａ相输 入 ＝ 是 电压 和 ｂ相输 入 电压 的包 络 线 ， ２ ｂ 为控 制 角 ａ 图 （） ≠ｏ时 的 Ｕ 相 输 出电压 ， ａ相 输 入 和 ｂ相输 入 在 是 控制 角 ａ时 的输 出电压 ， 阴影部 分 为输 出电 压． 图 如 ２ ｂ 所 示 ， ａ相第 一 个 波头 的控 制角 为 输 出 电 （） 设
［ 章 编 号 ］ ｏ ３ ６４ ２ １ ） １ ０ ６ ４ 文 １ｏ —４ ８ （０ １０ —０ ６ —０
一
基于高压变频器的大功率电机软启动
基于高压变频器的大功率电机软启动Based on High Voltage Frequency Converter of High Power Motor Soft Starter玉溪万达广场商业管理有限公司 吕勇(Lv Yong)摘 要：高压变频器以其节能优势在电气传动领域广泛应用，对大功率风机、水泵的生产工艺改善，电网适应性具有良好的应用效果；本文通过分析大功率电机软启动的技术特点，基于TMEIC高压变频软启的案列，为高压变频应用提供借鉴。
关键词：高压变频；软启动；节能Abstract: High voltage frequency converter is widely used in the field of electrical transmission with its advantage of energy saving. It has a good application effect on the improvement of the production process of high-power fans and pumps and the adaptability of power grid. This paper analyzes the technical characteristics of Soft starter of high power motor, and provides reference for the application of high voltage frequency conversion based on TMEICcase.Key words: High voltage frequency conversion; Soft start; Energy saving【中图分类号】TN773【文献标识码】B 【文章编号】1561-0330(2021)03-0076-051 引言风机和水泵在工业上应用的数量众多，分布面极广，耗电量巨大。
基于高压变频器的大功率电机软启动研究
基于高压变频器的大功率电机软启动研究摘要：在大功率电机的软启动体系建设中，运用高压变频器能够提高软启动的效果。
基于此，本文从软启动原理、软启动变频器的选用、软启动过程、软启动回路设置、软启动仿真分析、软启动的优势展望等方面对基于高压变频器的大功率电机软启动进行了研究，希望能够为化工机电领域的建设发展提供助力。
关键词：高压变频；电机启动；大功率电机随着国民经济的发展，许多行业的生产规模越来越大，所使用的高压电机的容量也越来越大，在钢铁、煤炭、水泥、化工等行业，MW 级的高压大功率电机的使用越来越多，以钢铁行业为例，我国的钢铁行业正面临着结构调整，为了增加钢铁的产能，要逐渐淘汰 300 立方米的小高炉，使用 1 000立方米以上的大高炉，着样就需要使用到更大功率的电机，因此 5 MW、10 MW、20 MW 级的高压大功率电机将会在这些行业中大规模使用。
目前常用大功率常用的软启动方式主要有自耦变压器降压启动和独立变压器供电直接启动，在高压大功率电机启动中，存在电源切换出现冲击电流和电机不能带载启动等问题。
低压电机的常用软启动方式，串电阻的方式和晶闸管软启动的方法，在高压大功率电机软启动中，存在工艺实现困难等问题。
高压大功率电机的启动技术一直是业内研究的一大课题。
1.电机软启动电机直接启动时的冲击电流约为电机额定电流的 4~7倍，当电机的容量特别大的时候会引起电网电压的急剧下降，影响电网的其他设备；当有前级配电的场合，这么大的冲击电流需要前级配电的容量增大，这样就无偿增加配电成本；直接启动使电机轴上的启动转矩约为额定转矩的 2 倍，这么大的启动转矩突然加在电机的轴上，对电机轴产生很大的应力，并会引起电机的震动，对电机的使用和电机负载可靠性产生重要影响。
针对电机直接启动出现的问题，形成了电机软启动的技术。
电机软启动时，通过调整电机的输入电压使电压从零以预设函数关系逐步升高，直至启动结束，赋予电机全电压，即为软起动，在软起动过程中，电机起动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。
变频器软启动原理
变频器软启动原理
变频器软启动是一种通过逐渐增加输出电压和频率来实现平稳启动的技术。
其原理基于变频器主电路中的电力电子器件和控制单元的协调工作。
首先，在软启动开始时，变频器将输出电压及频率设置为较低的初始值。
控制单元会逐渐增加输出电压，从而逐渐提高负载的供电能力。
一般情况下，软启动的时间段持续几秒钟至几分钟不等，具体取决于负载的特性。
其次，在软启动过程中，控制单元还会逐渐增加输出频率。
通过逐步增加频率，使负载逐渐适应变频器的输出，减小负载对变频器的冲击。
这样可以避免因电压和频率突然增加而对设备和负载造成潜在的损坏。
最后，在软启动过程完成后，变频器达到额定输出电压和频率，可以正常运行，并适应负载的工作要求。
总的来说，变频器软启动的原理是通过逐渐增加输出电压和频率，以避免对负载和设备造成过大的冲击，实现平稳启动和适应负载的能力提升。
基于可变电抗的重载分级变频软起动研究
关键 词 ： 变频 器 ；可变 电抗 ；分级 变频 ；软起 动
中 图 分 类 号 ：Ｎ ７ Ｔ ７ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ０ １０ ２ １ ）３ ０ ０ — ３ １０ — ０ Ｘ（０ １０ — １６ ０
Ｒｅ ｓ ａ ｃ ｎ Ｄｉｃ ｅｅ Ｖａ ｉ ｂｅ Ｆ ｅ ｕ ｎ ｙ Ｈ ｅ ｖ － ａ ｏ ｔＳ ａ ｔ ａ ｅ ｒ ｈ ｏ ｓ ｒ ｔ ｒａ ｌ ｒ ｑ ｅ ｃ ａ ｙ ｌ ｄ Ｓ ｆ ｔ ｒ ｏ
Ａｂ ｔａ ｔ Ａ ｄ ｓ ｒ ｔ ａ ａ ｌ ｅ ｕ ｎ ｙ ｈ ａ ｙ ｌａ ｓ ｆ ｓａ ｔ ｇ ｓ ｓｅ ｂ ｓ ｄ ｏ ａ ａ ｌ ｅ ｃａ ｃ ｅ ｈ ｉ ｕ ｉ ｄ — ｓｒ ｃ ： ｉｃ ｅ ｅ ｖ ｒ ｂ ｅ ｆ ｑ ｅ ｃ ｅ ｖ — ｄ ｏｔ ｔｒｉ ｙ ｔｍ ａ ｅ ｎ ｖ ｒ ｂ ｅ ｒ ａ ｔｎ ｅ ｔ ｃ ｎ ｑ ｅ ｓ ｅ ｉ ｒ ｏ ｎ ｉ ｓｇ ｅ ｗｈ ｃ ｏ ｓｓ ｓ ａ ａ ｌ ｅ ｃ ａ ｃ ｏ ｖ ｒ ｒ ｄ ｓ ｒ ｔ ａ ａ ｌ ｆ ｑ ｅ ｃ ｃ ｎ ｅ ｅ ａ ｄ ｏ ｔ ｌ ｒＴ ｅ ｙ ｔ ｍ ｉ ｎ ｄ， ｉ ｈ ｃ ｎ ｉｔ ｖ ｒ ｂ ｅ ｒ ａ ｔ ｎ ｅ ｃ ｎ ｅ ｅ ， ｉｃ ｅｅ ｖ ｒ ｂ ｅ ｒ ｕ ｎ ｙ ｏ ｖ ｒ ｒ ｎ ｃ ｎｒ ｌ ． ｈ ｓ ｓｅ ｅ ｉ ｔ ｉ ｅ ｔ ｏｅ ｔｐ ｌｇ ｃ ｌ ｓ ｕ ｔ ｒ ｓ ｄ ｓ ｒ ｅ ｎ ｄ ｔ ｎ ｈ ｒ ｃｐ ｅ ｏ ｉｃ ｅｅ ｖ ｒａ ｌ ｅ ｕ ｎ ｙ ｈ ａ ｙ ｌ ａ ｏ ｔｒ ｎ ｓ ｏ ｏｏ ｉ ａ ｔ ｃｕ ｅ ｉ ｅ ｃ ｂ ｄ ｉ ｅｍｌ ａ ｄ ｔ ｅ ｐ ｎ ｉ ｌ ｆ ｄ ｓ ｒ ｔ ａｉｂ ｅ ｆ ｑ ｅ ｃ ｅ ｖ —ｏ ｄ ｓ ｆ ｓａ ｔ ｇ ｉ ｒ ｉ ｉ ｒ ｔ ｉ
分级变频软起动
分级变频软起动Graduation frequency conversion soft start哈尔滨九洲电气股份有限公司何晓平He Xiaoping 【摘要】本文介绍一种针对三相鼠笼异步电动机起动的起动方式，在不改变传统晶闸管软起动的主电路结构，通过改变频率来保证电动机在起动初期具有低电流、高转矩的特性。
【关键词】晶闸管、电动机、触发、电压Abstrakt: This article introduced that one kind the starting way which starts in view of the three-phase mouse cage asynchronous motor.In does not change the traditional thyristor soft start the main circuit structure.Through the change frequency guaranteed that the electric motor has the low electric current, the high torque characteristic in the starting initial period.Key words: thyristor、electric motor、trigger、voltage1 引言目前市场上的的软起动设备都是采用降低起动电压的方法来起动电动机的，由于起动转矩与其电压的平方成正比，当定子电压降低时，其起动转矩会降低很多。
所以，降压起动只适合空载起动或轻载起动，对于需重载起动的电机并不适用。
另外，由于普通软起动器降压而不降频，在起动过程中由于大的转差率的存在，不可避免地会出现大的起动电流，因而大大地限制了软起动器的使用范围。
本文推出一种通过控制信号降低起动频率来提高电动机的起动转矩的新的软起动方式。
基于分级变频的软启动器控制系统的研究与设计
要将三相正弦交流 电进行 １ ｒ 频 ， 以利 用传 统软启 动器 ／分 可
的硬件结构 ， 过 控制 三相 晶 闸管 的触 发 顺 序控 制交 流 电 的通 通
断， ｒ 将 周期 的交 流 电合 并 为一个 周期 ， 正半 周时 只让 正 向半 其 波导通 ， 负半周 时则让反 向半波导通 。图 １和 图 ２分别 为 ｆ２和 ／
李 红
Ｌ ／Ｈｏ ｇ ｎ
本文指 出了近 年来常用交流电动机 几种启动 方法存在 的弊端 ， 细分析和研 究 了分级 变频 的原理与 方 详
法， 设计 了基 于分级 变频 启动方法的软 启动 器。实验 结果表 明， 该软 启动 器具有启 动电流 小， 启动转矩 大， 控制效果好等特点。
一
定程度上能减小 电机 的启动 电流 。
从２ ０世纪 ６ ０年代 至今 ， 所采用 的启 动 方法 主要 有 ： 定子 串
电抗器 降压 、 自耦变压器降压 、 星— —三角 降压 、 子 回路 串接频 转 敏 电阻 、 电阻等方法 。串电阻启动方 法全部转差 功率都转 换成 液 热能 的形式 消耗掉 ， 耗太 大 ， 能 而且启 动时 产生 的操作 过 电压和 较大的启动转矩冲击 对电机 和机 械设备 都会 造成 较大 伤害 。降 压启动方法也存 在缺 陷 ： 由于启 动转 矩 与启 动 电压 的平 方 成正 比， 小启 动电压必 然严重 降低 启动转 矩 ， 减 使得 电动 机重 载启动 困难 。因此降压启动 方法 只适用 于风 机 、 类负 载启 动场合 ， 泵 不 适用于重载启动或恒 转矩 启动 。然 而在 交流 异步 电动机 的广泛 应用 中 ， 很大一部分要 求能 带重 载 的恒 转矩 启动 。这 就要求 ： 小
ｆ３分 频 时 一 相 的 电压 波 形 和 半 波 的 导 通 周 期 。 ／
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H eavyload Soft Starting Based on D iscrete Variable F requency
LAN Zhi jie, ZHANG Chang fan, CHEN Y ing, WANG M ing ju ( Inst itute o f Com puter, H unan Un iversity of T echno logy, Zhuzhou 412008, Ch ina)
将第 k 个 作为新生 B相的起点, 把 k = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7代入式 ( 9)、( 10), ∀B 和 ∀C 分别 有 n= 8种可能相位。
对于 = 5, 6, 7, 8等分频, 运用同样分析法, 考虑所有的可能相位, 选择最优的相位组合, 可得 到每个分频台阶的晶闸管触发控制的最佳方案。 电机先在低频下起动, 随着电机转速升高逐渐提 高频率, 然后切换到软起动, 最后并网完成起动。 从系统的平衡性、波形在时间轴上的对称性和消 除转矩脉动及限制电流上综合考虑, 整个重载软 起动仿 真过 程 中 选 择频 率 台 阶 为: f /13、 f /7、 f / 4、f / 3、f /2, 分级变频控制软起时间为 2. 4 s, 再 切换至普通软起动系统, 3. 8 s时跳闸到全压。频 率切换时刻为: 0. 76 s, 1. 2 s, 2 s, 2. 12 s, 2. 4 s。
0, 基波周期为 T 0。三相相序与工频同为正相序 平衡系统, 则当 为分频数 ( 是整数 )时, 有
i=
0
( 1)
以工频 a相电压过零点为同步点, b 相、c相
电压过零点可表示为
it=
2 3
+
k
( 2)
it =
4 3
+
k
( 3)
式中, k 为整数。 由式 ( 1) ~ ( 3)可推得
=
3 2
k
+
51
图 2 相位不稳定曲线
1. 2. 2 当 = 3时 ( 基波频率为 16. 7 H z) 把 k = 0、1、2、3、4、5代入式 ( 9)和 ( 10), 计算
得到正序分量、负序分量和零序分量, 同样可得到 3组正序分量最大且相等的系统; 再 对这 3 组系 统进行各次谐波幅值分析和转矩计算, 统计结果 如表 3所示。
从图 3~ 5可以看到: 在额定负载时, 直接起 动电流达到约 5倍额定电流, 而斜坡软起动开始 的时候能很好地限制电流的冲击; 但随着触发角 的变小, 电流值上升到和直接起动相当, 失去了软
图 3 直接起动电 流波形 52
图 4 软起动电流波形
图 5 分级变频软起动电流波形
图 6 直接起动电机 转速波形
0 0. 33
0 0. 160 2 - 0. 011 2∀2∀1
0 2∀1∀1
0 2∀2∀1 2∀2∀1 0. 803 5
0! 100! 260! 0. 323 5
0 0. 33
0 0. 153 5
0 0. 4135
0 2∀1∀1
0 0. 21 0. 08 0. 807 5
注: 基波基值 0. 26; 三次谐波基值 0. 33; 五次谐波基值 0. 1; 七次谐波基值 0. 04。
K ey word s: m otor; soft star ting; electrom agn etic torque; d iscrete var iab le frequen cy
0引 言
晶闸管调压电路能限制起动电流, 在轻载场 合下具有节能的优点, 但很难满足如球磨机、粉碎 机、矿井起重机等场合的需求。如何降低起动电 流, 增大起动转矩, 一直是国内外机电行业专家们 探讨的重要课题 [ 1 3 ] 。自 A ntonio G inart提出了离 散频率控制法 (即分级变频 ) , 并讲述了其概念和 原理 [ 4] 后, 分级变频理论成为国内机电行业学者 研究的热点。国内有数位学者对此作了研究 [ 5 9] , 并给出了试验结果。但存在定子电流过大和电机 转矩脉动较大的问题, 难以推广使用。针对上述 问题, 本文推出了最优的晶闸管触发控制方案, 从 理论上限制了定子电流大小和消除电机转矩的脉 动, 为分级变频控制方法的工程应用提供参考。
sin( 0 t - ∀B ) = 0
( 6)
sin( 0 t - ∀C ) = 0
( 7)
结合三相关系和式 ( 6) 、( 7), 可以推得
k ∀B =
+
2 3
( 8)
k ∀C =
+
4 3
则 UB = U i s in 0 t - ∀B UC = U i sin 0 t- ∀C
( 9)
( 10) ( 11)
以分析, 使其产生最大的正序分量。对于负相序
平衡的系统, 将其转变为不平衡的系统, 再利用对 称分量法进行分析 [ 10] , 从中选择合分量为正序且
最大的相位组合。
1. 2 3种新生相位系统的计算分析
1. 2. 1 当 = 2时 ( 基波频率为 25 H z) 把 k= 0, 1, 2, 3代入式 ( 8)和 ( 9), 经计算可得
图 7 软起动电机转速波形
图 8 分级变频软起动转速波形
图 9 直接起动转 矩波形
图 10 软起动转矩波形
图 11 分级变 频软起动转矩波形
起动的意义; 而分级变频软起动的起动电流明显 比直接起动的要小, 且由于电流正负半轴不对称, 电流有效值大大减小, 很好地限制了电流, 而且在 频率切换时刻, 电流过渡较平滑。从图 6~ 8的转 速波形看, 斜坡软起动是失败的, 电机转不动 ( 堵 转 ); 而分级变频软起动可以看出由六段转速台 阶组成, 并且起动完成不超过 4 s。从图 9~ 11的 转矩波形可以看出, 分级变频软起动的起动转矩 明显大于直接起动和斜坡软起动的转矩, 且转矩 脉动时间较短, 故能很好地应用于重载场合。
表 3 16. 7 H z谐波分析统计表
项目
统计结果
A相 B相 C相 基波合正序分量 二次谐波合正序分量 三次谐波合正序分量 四次谐波合正序分量 五次谐波合正序分量 七次谐波合正序分量 基波幅值 二次谐波幅值 三次谐波幅值 四次谐波幅值 五次谐波幅值 七次谐波幅值 各谐波总合正序分量
0! 100! 200! 0. 324 3
2 系统仿真
建立基于 S imu link的分级变频重载软起动系 统模型。电机为 Y 形接法, 中性线短接悬空。电 机参数: 线电压 380 V, 50 H z, 3 kW, 4 极, 1 440 r /m in; 额定电流 5. 5 A, 定子电阻 1. 9 #, 定子电感 10 mH, 转子电阻 1. 6 #, 转子电感 16. 56 mH, 互感 235. 7 mH, 额定负载 17 N# m。图 3~ 图 11分别 为电机在额定负载时, 直接起动、斜坡软起动和分 级变频软起动情况下的仿真结果。
1 相位分析及控制方案确定
1. 1 新生基频平衡系统 分级变频控制法不改变传统软起动系统主电
路结构, 通过使晶闸管导通一个或多个半波时间,
50
在电机端得到新生频率的电压和电流。 新生基波频率示例如图 1所示。
图 1 新生基波频率示例
假设在平衡的三相系统中, 工频 f1 = 50 H z, 角速度为 i, 周期为 T i, 三相电压分别用 Ua、U b、 Uc 表 示。设新 生成的基 波频率为 f 0, 角速 度为
0! 150! 300! 0. 245 0. 5
0. 005 0. 424 5
0. 5 0. 254 5
0. 06
0! 150! 210! 0. 245 0. 5 0. 1696
0. 424 5 0. 5
0. 254 5 0. 06
0! 60! 210! 0. 245 0. 5
0. 005 0. 424 5
表 1 新生基频平衡系统表
k
相序
2
2
负相序
3
不平衡
4
2
5
6
正相序 负相序
6
不平衡
7
4
正相序
8
10
负相序
9
不平衡
!
!
!
从表 1看出, 分频后的系统有如下规律: ( 1) 1, 4, 7, 10, 13, , 分频为正相序平衡; ( 2) 2, 5, 8, 11, 14, , 分频为负相序平衡; ( 3) 3, 6, 9, 12, 15, , 分频为不平衡系统。 现一般化推导, 同样以 A 相为参照, 对于新 生三相系统, B相和 C 相电压总满足
基于分级变频的重载软起动系统
兰志杰, 张昌凡, 陈 颖, 王明菊 (湖南工业大学 计算机系, 湖南 株洲 412008)
摘 要: 介绍了一种增大电机起动转矩的控制方法。它不改变传统软起动的主电路结 构, 通 过控制晶闸 管导通一个或多个半波 时间, 在电机端得到新生基频电 压。由于新生 基频电压相 位生成有 很多种方式, 为了 得到最优的生成系统, 使转矩最大, 考虑了 3种系统 下各次谐波对系统的影响, 并通过仿真给出了结论。
正序分量最大且相等的 3组相位系统。再针对这
3组系统利用 MATLAB中的 Sim ulink建模, 进行各
次谐波幅值分析和转矩计算, 统计结果见表 2(为 了便于分析, 幅值均取 1)。
表 2 25 H z谐波分析统计表
项目
统计结果
A相 B相 C相 基波合正序分量 二次谐波合正序分量 三次谐波合正序分量 五次谐波合正序分量 基波幅值 二次谐波幅值 三次谐波幅值 五次谐波幅值