交-交变频技术实现感应电机的重载启动

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毕 业 论 文（设 计）

题 目：交-交变频技术实现感应电机

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目 录

第一章 绪论

1.1 摘要……………………………………………………………………………… 3

第二章 传统的启动方法

2.1 定子串电抗器起动 ……………………………………………………… 4

2.2 Y-Δ三角起动 …………………………………………………………… 6

2.3 自耦变压器起动 ………………………………………………………… 7

2.4 频敏变阻器起动 ………………………………………………………… 8

小结 …………………………………………………………………………………… 9

第三章 软启动

3.1 软启动器工作原理………………………………………………………… 10

3.2 电动机软启动的接线方法 ……………………………………………… 11

第四章 重载起动方式(交-交变频起动)

4.1 交-交变频工作原理 ……………………………………………………… 15

4.2 整流与逆变工作状态 …………………………………………………… 16

4.3 输出正弦波电压的调制方法 ………………………………………… 16

4.4 三相低频信号的产生原理 …………………………………………… 17

4.5 同步信号电路 ……………………………………………………………… 18

4.6 零电流检测电路 …………………………………………………………… 18

第五章 出现的问题及解决方法………………………………………………… 20

参考文献 ………………………………………………………………………………… 21

致谢 ……………………………………………………………………………………… 22

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1 绪论

摘 要

三相交流电动机从发明以来，经历了100多年的历程，在这漫长的岁月

里，它为奠定与发展这项经典的传动技术树立了丰碑，。又由于其具有结

构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉，而广泛作用于电力拖动生产机

械的动力，在机械、化工、纺织和石化等行业有大量的应用。然而，电动

机的起动特性却一直举步维艰。这是因为电动机在恒压下直接起动，其起

动电流约为额定电流的4-7倍，其转速要在很短时间内从零升至额定转速，

会在起动过程中产生冲击，很容易使电力拖动对象的传动机构等造成严重

磨损甚至损坏。在起动瞬间大电流的冲击下，将引起电网电压降低，影响

到电网内其它设备的正常运行。同时由于电压降低，电动机本身起动也难

以完成，造成电机堵转，严重时，可能烧坏电动机。因而如何减少异步电

动机起动瞬间的大电流的冲击，是电动机运行中的首要问题。为此必须设

法改善电动机的起动方法，使达到电动机的平滑无冲击的起动，于是各种

限流起动方法也就应运而生。

关键词:感应电机 软起动 交交变频

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2 传统的起动方法

2.1 定子串电抗器起动

原理：在电动机启动时，在三相定子电路中串入电阻，使加在电动机绕

组上的电压低于电网电压，待启动后，再将电阻短路，电动机在额定电压

下正常运行。 此种方法适应于低压电动机

(图1) 电动机定子串电阻降压起动控制电路原理图

控制过程如下：

1、合上电源刀闸QS，线路有电。

2、按下启动按钮SB2，接触器KM1和时间继电器KT的线圈同时得电吸合，

KM1的主触点闭合，电动机定子串电阻R降压起动。接触器KM1的辅助常开

接点闭合电路实现自锁。时间继电器KT的线圈得电后，开始延时。

3、时间继电器延时的时间到，时间继电器的延时闭合的常开接点闭合，

接触器KM2线圈得电吸合，KM2的主触点闭合，将电阻器R短接，电动机在

全压下运行，KM2的辅助常开接点闭合实现电路自锁，同时KM2的辅助常闭

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接点断开，切除接触器KM1和时间继电器KT线圈的电路，使KM1和KT失电复

位。

4、电动机过电流保护由热继电器FR完成。

对于鼠笼式异步电机一般采用定子回路串电抗器分级起动，绕线式异步

电机则采用转子回路串电抗器起动。定子边串电抗器起动，即增加定子边

电抗值，可理解为降低定子实际所加电压，其目的是减少起动电流。此起

动方式属降压起动。

异步电动机采用定子串电阻或电抗器的降压启动原理接线图如图示。

（图2）

启动时，接触器1KM断开，KM闭合，将启动电阻RST串入定子电路，时启

动电流减小；待转速上升到一定程度后再将1KM闭合，RST被短接，电动机

接上全部电压而趋于稳定运行。

这种启动方法的缺点是：启动转距随定子电压的平方关系下降，又由于

是分级起动，起动特性不平滑,故它只适用于空载或轻载启动的场合。不

经济，在启动过程中，电阻器上消耗能量大，

不适用于经常启动的电动机，若采用电抗器代替电阻器所需设备较贵，且

体积大。

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2.2 Y-Δ三角启动

凡是在正常运行时，当负载对电动机启动力矩无严格要求,又要限制电

动机启动电流,且定子绕组接成三角形的鼠笼式异步电动机，可以采用星

--三角降压启动。电动机定子绕组为三角形接法时，其六个引线端接到星

--三角启动器上。启动时，将定在接成星形，待电动机转速接近额定转速

再改变为三角形。目前我国生产的Y系列电动机，容量在4kw以上的都是三

角形接法。

电动机接成星形，启动电流只有原来三角形连接的1/3.启动力矩也是三

角形连接的1/3.星三角启动，属降压启动他是以牺牲功率为代价来换取降

低启动电流来实现的。所以不能一概而以电机功率的大小来确定是否需采

用星三角启动，还的看是什么样的负载，一般在需要启动时负载轻运行时

负载重尚可采用星三角启动，一般情况下鼠笼型电机的启动电流是运行电

流的5—7倍，而对电网的电压要求一般是正负10%，为了不形成对电网电

压过大的冲击所以要采用星三角启动，一般要求在鼠笼型电机的功率超过

变压器额定功率的10%时就要采用星三角启动。

（图3）

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（图4）

2.3 自耦变压器起动

原理：将自耦变压器一次侧接入电网，二次侧接入电动机，以便降压启

动。

一般可以调节自耦变压器的分接头来调节电动机的端电压（根据负荷所

要求的启动转矩来选择变压器的抽头）以减小启动电流。

（图5） 自耦变压器减压起动原理接线图

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自耦减压启动时，电动机的启动电流一般不超过额定电流的3-4倍，最大启动时间不超过2min，若超过2min，按照产品规定应冷却4h后方能再启动。

当电动机起动时，电动机的定子通过自耦变压器接到三相电源上。当电机转速升高到一定值时，自耦变压器被切除，电动机定子直接接到电源上，电动机进入正常运行状态。同直接起动时相比，当电压降到W2/W1倍时，起动电流和起动转矩降到(W2/W1)2倍(W2/W1为自耦变压器的变比)。这种起动方式的优点是起动时定子电压的大小可调。比起定子串电抗起动，当限定的起动电流相同时，起动转矩损失较少。要使变压器的容量和耐压水平提高，将使得变压器的体积增大，成本高，且不允许频繁起动，同样也不能带重负载起动。

优缺点：启动转矩比星三角启动大，启动转矩和电流通过自耦变压器可以调节，但设备庞大，成本高，而且不允许频繁启动。

2.4 频敏变阻器起动

频敏电阻器就是一组电感器，对频率高的电压阻抗大，频率低的电压阻抗小。 绕线转子式电机刚起动时，转子尚未转动，定子绕组产生的旋转磁场高速旋转，转子绕组相对高速切割磁场，产生高频率幅度亦很高的感生电压，转子回路的频敏电阻器呈现高阻抗，降低起动电流；转子旋转起来以后，随着转差率的降低，转子绕组切割磁场的相对速度降低，转子产生电压频率及幅度亦降低；频敏电阻器呈现低阻抗；起动完成后，转差率接近于0，转子感生电压频率亦接近于0，频敏电阻器阻抗接近于0，相当于短接转子绕组，电机正常运转。

对于绕线式异步电机来说，如果仅仅是为了限制起动电流、增大起动转矩，则一般采用转子回路串频敏变阻器起动方式。但此起动方式在频繁起动下，易发生温升，且结构复杂，不常用。

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小结

由此可知上述几种起动方式的共同特点是控制电路简单，起动转矩基本固定不可调，起动中都存在二次冲击电流，对负载机械有冲击转矩，且受电网电压波动的影响，一旦出现电网电压下降，会造成电机堵转，起动困难，且上述几种起动方法，在停机时都是瞬间停机，遇到负载较重时会造成剧烈的机械冲击。

小容量的三相异步电动机可以采用直接启动，容量较大的笼型电动机可以采用降压启动，降压启动分为：Y-Δ降压启动和自耦变压器降压启动，Y-Δ降压启动只适用于三角形联结的电动机，其启动电流和启动转矩均降为直接启动时的1/3，它适用于轻载启动，自耦变压器降压启动时，启动电流和启动转矩均降为直接启动时的1/k2(k为自耦变压器的变比）。它适用于带较大的负载启动

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3 软起动

3.1 软启动器工作原理

软起动(软启动器)是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为Soft Starter。软启器采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间。这种电路如三相全控桥式整流电路。使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。待电机达到额定转数时，启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额 定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。

软启动设备的优点：

1)、起动时无冲击电流，通过逐渐增大晶闸管导通角，使起动电流从零线性上升至设定值；

2)、属恒流起动，软起动器可引入电流闭环控制，使电动机在起动过程中保持恒流，确保电动机平稳起动；

3)、可根据负载情况及电网继电保护特性选择，能自由地无级调整至最佳的起动电流。

4)、可以频繁的启动电动机，软启动允许10次/小时，而不致电动机过热。 （笼型电动机传统的减压起动方式有：Y-△起动、自耦减压起动、电抗器起动等，皆属于有级减压起动，其缺点是在起动过程中会出现二次冲击电流。）

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（图6）

3.2 电动机软启动的接线方法

a. 主回路接线：包括三相电源输入和输出主电机接线以及断路器、旁路接触器接线。如图

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（图7） 电机软起动器主回路接线示意图

b. 控制端子接线：有12个（不确定，与产品有关）小型接线端子引出，包括旁路接触器控制线，停、启开关控制线和模拟输出信号线。

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（图8）二次标准接线示意图

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电机软起动器外控端子说明

(1) 端子1、2用于控制旁路接触器，为无源动合触点，起动成功时闭合。

(2) 端子3、4为可编程延时输出、输出功能和方式由设置项PD确定，为无源触点。

(3) 端子5、6为故障输出，软起动器发生故障或失电时闭合，工作正常时断开，为电源触电。

(4) 端子7、8、9、10组成外部控制电路，均为无源触点。

(5) 端子10为公共端。

(6) 端子7为瞬停输入：当7与10断开时，软起动端停止工作。（用于接热继电器常闭）

(7) 端子8为软停输入：当8与10断开瞬间，为软停车。（不必自锁）

(8) 端子9为软起输入：当9与10接通瞬时，为软起动。（不必自锁）

以上接线为三线控制，当8、9端子并联作为一个端子使用时，与10接通为起动，断开为停止，可用于一个继电器接点控制起停，此为二线控制方式。

端子11、12为0~20mA直流模拟输出，输出最大电阻值为300Ω

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4 重载起动方式(交-交变频起动)

4.1 交-交变频工作原理

尽管软起动具有起动平滑，起动时间等参数可调的特性，具有传统起动方法无法比拟的优越性，是传统降压起动器的理想换代产品。但可控硅调压方式的软起动器控制感应电动机，在减小电压的同时，供电频率仍为工频，使得其功率因数低，无功功率增加，这决定了其只能应用于轻载场合，对于重载起动就勉为其难了。然而在很多场合下，不能保证负载为轻载起动，如球磨机、破碎机、空气压缩机、风机等，这就使得我们想在降低电压的同时，能够减小供电电压频率，即保持V/F不变，保证恒力矩起动，因而变频器变频起动无疑是最好的起动设备，但如果把 变频器仅作起动，不调速，资金浪费很大，特别是高压大容量的通用变频器价格就更为昂贵， 且感应电动机的重载起动只是短时间的过程，故寻求一种感应电机的重载安全起动方法是很有必要的。纵上述几种起动方式可得出采用交-交变频器来实现重载起动。因为交-交变频没有中间直流环节，仅用一次变换就实现了变频，所以效率较高，而且大功率交流电机调速系统所用的变频器也主要是交-交变频来完成的。

交-交变频的工作原理是让两组交流电路按一定频率交替工作，就可以给负载输出该频率的交流电。改变两组变流电路的切换频率，就可以改变输出频率;改变变流电路工作时的控制角α，就可以改变交流输出电压的幅值。

如果让α角不是固定值，在半个周期内让正组变流电路P的α角按正弦规律从90º逐渐减小到0º，然后在逐渐增大到90º。那么，正组整流电路在每个控制间隔内的平均输出电压按正弦规律从零逐渐增至最大，在逐渐减小到零。在另外半个周期内，对负组变流器N进行同样的控制，就可以得到接近正弦波的输出电压。和可控硅整流电路(软起动)一样，交-交变频电路也属于电网换相。

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4.2 整流与逆变工作状态

假设负载的功率因数角为Φ，即输出电流滞后输出电压Φ角。另外两组交流电路在工作时无环流工作方式，即一组交流电路工作时，将另一组变流电路的脉冲封锁。变流电路工作是由输出电流的方向决定的，与输出电压极性无关。变流电路是工作在整流状态还是逆变状态，则是由输出电压方向和输出电流方向的异同决定的。

4.3 输出正弦波电压的调制方法

使交-交变频电路的输出电压波形为正弦波的调制方法有多种，这里介绍广泛采用的余弦交点法

晶闸管变流电路的输出电压为

(1)

o Ud0cos （1）

式中，Ud0为α=0时的理想空载整流电压。对交-交变频电路来说，每次控制时α角是不同的，式(1)中的U0表示每次控制间隔内输出电压的平均值。

设要得到的正弦波输出电压为

(2)

uo Uomsin ot （2）

则比较式(1)和式(2)可得(3)

(3) Uomcos sin ot sin ot （3） Ud0

式中γ称为输出电压比，

因此 (4) Uom

Ud0 (4)

(0 1)

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上式就是用余弦交点法求变流电路α角的基本公式。

式(4)可以用模拟电路来实现，但线路复杂，且不易实现准确的控制，所以采用微机来实现上述运算。可把事先计算好的数据存入存储器中，运行时按照所存的数据进行实时控制。为了用计算机实现实时控制，必须具备三相低频信号、同步信号、零电流检测三个基本条件。

4.4 三相低频信号的产生原理

用计算机产生三相低频信号，必须首先将要产生的低频信号进行数字化。这不仅在幅值上数字化，在时间上也要数字化。在时间上，以一度为单位(分辨率已经足够)，将低频信号的一个周期分成360等份。根据需要的频率求出低频信号一度的时间，以次作为定时时间，这样每隔一度，便输出一次低频信号的对应值，每360循环一次，构成低频的周期。其它两相输出和上面一样，只是输出的对应数值不一样，正好相差120、240度。这样就构成了互差1200的低频信号。由于准梯形波具有较高的基波幅值，因此这里采用它作为低频参考信号，它是限幅的正弦波，当等于600时就已经到达了最大值。其目的是提高直流电压的利用率。

下面以准梯形波为例来说明三相低频信号实现的具体方法。

a. 建立一个准梯形波波形的表格，表格的大小为360个数据，这些数据分别以1度为间隔的准梯形波波形数据。表格存放在表首地址为TABLE的内存中，第一个数据为1度时对应的波形数据，最后一个为360度对应的波形数据。表格的数据是按比例得到的。

b. 设一计数指针COUN，初始化时，使COUN=0，并起动定时器。在定时时间到达之后，计数指针COUN增1，同时取出表中的数据(对应内存地址为TABLE+COUN)输出。当计数指针COUN=360时，使COUN复位为0，便完成了本周期的数据输出，为下一周期做准备。这样周而复始不断的取数输出，就产生了低频数字信号。

c. 其它两相低频信号分别滞后120、240度的同样波形，可以完全使用同样的表格。

d. 为了得到复值可变的低频信号，在低频数字信号输出之前，应乘以调

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制系数，调制系数的范围是0~1。

e. 1度对应的时间是由所需输出频率决定的，将其转换为定时时间常数后，存放于TIME的单元中，它就是控制交-交变频器输出频率的变量。

4.5 同步信号电路

采用微机定时方式进行交-交变频的移相控制时，需要给微机提供各晶闸管控制角起时定时时刻的方波信号，使移相控制装置向晶闸管发出的触发脉冲信号在电源电压的每个周期内均能重复出现。因此，这一方波信号的频率应与电源频率相同。所以，一般将此方波信号称为同步信号。此外，同步信号的另一作用是微机利用它的状态来进行判相定管，决定是某相的上管或下管工作与否。

4.6 零电流检测电路

不论是电压型还是电流型控制的无环流交-交变频器，正反组变流器的换向都必须处于零电流状态，此时两组变流器的触发脉冲都被封锁。因此，实际的零电流一定要准确可靠的检测出来，这关系到换相的死区长短，以及换相的可靠性。

（图9） 零电流检测电路

检测方法： 检测负载电流的方法常用的有两种：LEM电流传感器和检测和晶闸管端电压法。用LEM电流传感器检测负载电流，可将主电路与控制电路完全隔离，且检测电路结构简单。但由于换相等原因，负载电流含有

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丰富的电流谐波，给电流检测、尤其是过零点检测带来了一定困难。LEM传感器输出信号经滤波、整形后，会产生伪过零点，使控制系统出现误动作。由于晶闸管导通时其端电压为管压降，近似等于零，而阻断时端电压等于其所接交流电压(电网线电压或相电压)。同时检测变频器主电路中每一相上的六个晶闸管，如有一管导通说明此相有电流。如六管全关断则说明此相无电流，也就是电流过零点。这种方法直接检测零电流，不需要对电流波形进行整形，其输出信号完全对应着电流波形中的零电流，使检测电路更加准确、可靠。

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5 出现的问题及解决方法

交-交变频电路的输出电压是由若干段电网电压拼接而成的。当输出频率升高时，输出电压一个周期内电网电压的段数就减少，所含谐波分量就要增加。这种输出电压的波形畸变是限制输出频率提高的主要因数之一。所以最高输出频率不高于电网频率的1/3-1/2。但由于我们主要用于起动，一旦速度达到了1/3全速，可以控制相应的晶闸管，使它们切换到软起动，软起动方式仍由本装置实现。在软起动的作用下完成起动结束。因为此时电压相对较小，切换的过程中，不会有很大的冲击电流。

由于采用无环流控制方式，有换流死区，所以输出波形有一点畸变。可以采用快速的，比较好的零电流检测方法来减小死区时间。

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参考文献

[1] 电动机降压起动器的选择与分析 凌浩 2000.12 vol.20 P66

[2] 交流异步电动机的软起动与保护探讨 何友全 矿山机械 2000.5

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[4] 交-交无环流变频器-异步电机的牵引和再生制动 北方交通大学学报 梁晖 1995.9 vol.19

[5] 交-交变频调速技术在矿井中的应用 冯立杰 中州煤炭 1997.2 p24-25

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/jzo4.html