三相异步电动机软启动仿真研究

本科毕业设计 (论文)

三相异步电动机软启动仿真研究Three-phase asynchronous motor soft start

simulation research

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目录

1 绪论 (1)

1.1 课题研究的目的及意义 (1)

1.2 国内外研究现状 (1)

1.3 主要研究内容 (2)

3 三相异步电动机的启动特性研究 (3)

2.1 三相异步电动机的等效模型 (3)

2.2 三相异步电动机的机械特性 (4)

3 三相异步电动机的常规研究 (6)

3.1 直接启动 (6)

3.2 降压启动 (10)

4 三相异步电动机的软启动 (17)

4.1 软启动的实现方式 (17)

4.2 软启动的调压原理 (17)

4.3 软启动的仿真 (20)

4.4 启动性能比较 (29)

结论 (30)

致谢 (31)

参考文献 (32)

1 绪论

1.1 课题研究的目的及意义

电动机作为各种机械设备的动力装置，已被广泛地应用于社会生产各个部门和社会生活各个方面。直流电动机由于换向问题，远远不能适应现代生产向快速大功率化发展的要求。相比之下，交流电动机的性能优异，尤其是三相异步电动机具有结构简单、价格低廉、经久耐用等优点，而且具有较好的稳态和动态特性，因此在各行各业中发挥着越来越重要的作用。可以说，交流电动机在经济建设中扮演着不可替代的角色。

但是当电机功率较大时，其冲击电流会对电网及负载设备造成很强的干扰，同时会降低机械设备的使用寿命。为解决这些问题，当前大部分电动机使用传统降压启动的方法来改善其启动特性。这些降压启动方法在很大程度上降低了大电流的冲击，但是这些启动设备历来还存在一些缺点：如启动电流不连续、接触器触点控制等问题。

随着生产技术的不断创新和迅猛发展，我们对电动机的性能指标相应地提出了更高的要求，电动机软启动装置应运而生，它是新型工业发展必备的基础装备，它使无机械触点和连续调节电流成为可能。采用软启动装置，启动电流一般为额定电流的1.5~2.5倍，对机械设备的冲击非常小。显而易见，如果我们采用软启动，则可以大大减轻冲击力，还能使电动机的使用寿命延长。

1.2 国内外研究现状

近些年来，电动机软启动的研究和开发越来越受到国内外的重视。在1970年，国外最早开始研发基于晶闸管交流调压技术制作的软启动器，并采用微控制器替代模拟控制电路，发展成为现在的电子软启动器，至今已经在工业领域得到广泛地应用。

我国对软启动的研究始于90年代，然而，我国电动机软启动产业发展面临着一些突出问题，主要表现在产业发展集中度不够，规模优势不突显；创新能力不足、竞争力不强；市场无序竞争、技术水平处于国际中低端等等。随着现代工业的飞速和市场需求的多样化，电动机软启动正朝着节能化、智能化、系统化方向发展，电机控制应用领域开发前景巨大，我国电动机软启动产业正面临机遇和挑战。

自从Matlab仿真软件推出以后，我们分析流电动机的启动性能就变得十分方便。因为Simulink

Matlab/工具箱中有大量的元器件模块，而且这些模块都能全面地反映出实际元器件的电气特性，仿真结果的可信性很高。运用Matlab来研究电机的启动特性时，我们只需要从Simulink工具箱中找出对应的模块，按照系统框图搭建模型，再对各个模块进行参数设置，然后仿真运行，最后根据仿

真结果来分析系统的启动性能即可。

目前，国内已有一部分人通过试验法在做三相异步电机启动方面的仿真研究，根据他们的研究，我们可以知道：运用仿真的方法的优点是速度快、效率高、可靠性高、实时性好、费用低。这样可以节省大量的实验时间和成本。

1.3 主要研究内容

通过复习《电机与拖动基础》这本教材，我对三相异步电动机的启动特性和常规启动方法有了更深的了解。首先根据异步电动机的等效模型可得到电流与电压之间的关系，转矩与电压之间的关系，推导出可以通过控制电压来控制电流和转矩。再根据机械特性表达式，画出固有机械特性曲线(即T-s曲线)，从曲线分析中知道三相异步电动机的启动性能。再在理论上分析常规启动的启动特点，最后运用仿真的方法研究启动性能。

鉴于Matlab仿真工具的庞大，我参考了《MATLAB电机仿真精华50例》这本书，对建立直接启动和降压启动模型有了明确的方向，然后从《交直流调速系统与MATLAB仿真》一书中，我学会了运用Matlab软件对交直流系统进行仿真，先根据电气结构图搭建出相应的模型，再对每个模块进行了参数设置，最后根据设定的参数进行仿真与结果分析。

通过上述仿真方法对传统启动方式下的启动特性做了相关的研究，发现传统启动方式共同存在的启动问题，即在启动瞬间会有电流尖峰的冲击。本论文提出了采用软启动控制方案来解决问题。

由于对软启动的原理不甚了解，也没有书籍针对软启动作具体的分析讲解。所以我查阅了大量的期刊论文，了解到软启动的研究目前都是基于晶闸管三相交流调压的原理的研究，对此我通过阅读教材《电力电子技术技术与MATLAB》，知道了三相晶闸管交流调压电路的基本原理。

再通过收集的期刊论文，分析各种能实现软启动的方式，提出了限流与斜坡电压启动相结合的控制策略。通过以上对软启动的理论分析后，开始对系统的整体框图进行了设计，主电路采用三对反并联的晶闸管，控制电路采用了将电流反馈转化为电压值来控制晶闸管触发角的交流调压控制。

最后利用仿真软件建立软启动系统的模型，并对其仿真运行，根据仿真结果来验证限流控制的软启动系统能克服启动电流过大，从而避免对电网产生不利的影响。

2 三相异步电动机的启动特性研究

三相异步电动机从接入电网开始，转速从零上升到稳定转速的这一段过程称为启动过程。体现异步电动机启动性能的指标有：启动转矩、启动电流、启动时间以及启动设备，因此在电机的启动过程中，我们希望电动机启动转矩足够大，启动电流比较小，启动时间尽可能缩短，启动设备尽量安全简单。

2.1 三相异步电动机的等效模型

三相异步电动机经绕组、频率折合后，由于定、转子绕组的相数、匝数以及频率都相同，因此可以得到如图2-1的等效电路。

图2-1异步电动机的T型等效电路

为了简化T型等效电路的分析和计算，可将励磁支路左移到输入端，使电路简化成单纯的并联电路如图2-2所示。

图2-2异步电动机的简化等效电路

由简化等效电路可得到转子电流为

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因为启动瞬间，由于异步电动机定、转子的漏阻抗比较小，则定、转子的启动电流就会很大，励磁电流在启动电流中所占的比重很小，可忽略不计。故

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