异步电机软启动器控制系统研究
目 录
一、绪论 1
二、异步电机数学模型及其启动原理分析 2
（一） 异步电机等效电路 2
（二） 几种电机启动机理分析 3
三、软起动器硬件设计的研究 6
（一）软起动器控制系统的硬件设计 6
（二）控制系统的其他硬件设计 7
（三）软起动器触发电路的硬件设计 8
四、软起动器的软件系统研究 10
（一） 软起动器控制系统的软件设计 10
（二） 触发脉冲控制的软件设计 12
（三）触发控制算法的研究 14
（四）软起动器综合保护软件系统设计的研究 14
参考文献 16
谢辞 16
一、绪论
电机（Motor）作为当今工、农业业生产制造中应用最为广泛的电气设备，其为社会发展提供了源源不断的动力。从本质上讲，电机的主要功能是完成电能向机械能的转化，通常情况下整个电机控制过程包括：启动运行、恒速运行以及制动运行。以鼠笼电机（IM）为例，当将其投入工频电网（50Hz）直接启动时，电机在启动瞬间由于转速仍较低（接近于零速），此时其反电动势接近于零，而感应电机由于其自身不无励磁装置，其依靠定、转子之间的转差来感应出转子磁链，过大的转差频率对于实际电机系统而言将产生巨大的电流冲击，虽然多数电机在设计过程中充分考虑了过流问题，然而对于需要频繁启动的应用场合而言，过大的电流冲击将会对电机本体以及其输电电缆、机械轴承等多个部件产生危害。此外，在过流情况下进行频繁的启动，将使得转子绕组维持在发热运行状态，过热问题同样干扰着电机实际应用。可以看出，解决交流电机启动问题作为电机实际应用过程中的第一步，如何采取即成本低廉又安全可靠的方式进行电机启动一直是人们研 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
究和关注的热点问题，下文将对目前常见的几种电机启动方式进行逐一剖析，具体内容如下：
（一）直接启动
在电机功率等级较小的情况下，电机系统使用最多的方式为直接启动，该方法固然结构简单、操作便利，但是大量文献均指出[8-10]，直接启动会使电机冲击电流达到其额定电流的5~8倍，甚至在特殊的场合中超出10倍以上。然而对于大功率电机而言，直接启动的模式将产生巨大的系统压降，造成电网电流出现极大的波动，从而直接影响到电网中其他设备的安全运行；与此同时，直接启动造成的电机输出转矩为额定转矩的2-3倍，对于传动系统而言其将对机械部件造成极大的冲击，甚至造成机械系统的直接毁坏。
（二）软启动器
“软启动”的思想出现在上世纪的美国马歇尔研发中心，该思想结合了电力电子技术、控制理论以及数字处理技术等多个领域的知识。从功能上来看，软启动器可以实现平滑的电机启动与停车功能，此外由于数字处理系统的引入使得软启动器可实现电机智能保护等诸多功能。
二、异步电机数学模型及其启动原理分析
（一） 异步电机等效电路
在研究软启动器工作原理之前，首先需要认识其被控对象（异步电机）的物理结构，本文着重分析了异步电机定、转子电路中电压、电流以及磁链之间的等效关系，并作出了相关的简化系统设计。以等效为转化原则，进行了电机转子绕组向定子侧的折算变化。
图2-1 异步电机简化等效电路图
从本质上来讲，异步电机等效T形图为一个电阻、电抗串联的等效电路，其能较为精确的描述出电机内部的各参数之间的等效关系，然而当基于该等效电路进行空间矢量计算时系统数学方程仍然较为复杂，为此需对等效T形图进一步简化，图2-1中为电机等效并联电路图。
在电机启动瞬间，其实际转速较低（接近0速运行），此时电机对应的转差率s约为1。考虑到电机定子侧电抗值（互感+等效电阻）为Rm+jXm，其值比电机定、转子侧电抗之和大很多，故可将电机系统的等效电抗理解为：
(2-1)
根据式（2-1）可以直接推导出电机的启动电流表达式如下：
(2-2)
从公式（2-2）中可以看出，电机的启动电流与定子端口电压Us呈现正比例关系，因此通过控制启动过程中的定子电压即可实现限制电机电流的功能。本文即通过反并联3组晶闸管的方式实现调压功能，通过控制晶闸管的导通角度实现电机端口电压斩波控制功能，最终有效的控制了异步电机启动瞬间的冲击电流。
（二） 几种电机启动机理分析
1. 直接启动模式
当时机电机系统设计容量较小或轻载运行时，异步电机可以采取直接启动的方式将其投入电网中。在该启动模式，转子和旋转磁场之间的转速差达到最大，此时其在转子侧感应出的感应电动势值也达到最大。根据电机数学模型可知，其电磁转矩与定子侧端口电压的平方呈正比关系，此时电机的动态启动转矩达到最大，系统具备启动转矩大、加速度快、结构简单易控制等优势。然而此时的启动电力也同样增大，其值可达到电机额定值的5-10倍，引言部分已经对上述现象造成的危机进行分析。一般而言，对于额定功率较低（小于10kW）的异步电机，其是否运行直接启动运行科根据下式进行判断，具体如下：
(2-3)
若满足式（2-3）的条件，则认为该异步电机可以运行于直接启动模式；反正则需采取其他辅助启动手段。
2. 降压启动模式
式（2-2）中指出通过降低定子侧端口电压的方式可以有效地降低系统启动电流，在启动过程完毕之后再将系统定子侧电压切换至额定值，即可完成一套完整的电机启动。然而，降压启动使得启动瞬间电机输出电磁转矩值减低，在该启动方式下，异步电机仅可运行于对启动转矩输出要求较低的场合中，目前应用较为广泛的降压启动方式包括：
（1）定子回路串电抗方式
该启动方式是在电机定子侧接入回路中串入相应的电抗器，从而启动分压功能，等到电机完成启动过程后将上述电抗器从主回路中切除即可。例如启动瞬间通过串电阻的方式将电机端口电压降低至额定值的1/k后，则启动电流同样降低至1/k，启动转矩降低至1/k2。可以看出该启动方式仅可应用于轻载和空载条件下，此外串入的电抗器发热问题同样值得关注。
（2）星—三角方式
星—三角启动作为一种较易实现的降压启动方式，其无需外加辅助设备，但其同样存在相关限制，即其仅适用于定子侧角接的电机调速系统，在启动过程中将电机切换为星型接法，待启动完成后即将其切换为常规的三角接法，此时系统启动过程中加在每相绕组的电压值仅为额定值的1/1.732倍，对应的启动电流关系如下：
(2-5)
对比式（2-4）和（2-5）可知自耦变压器降压启动与星—三角启动的本质是一样的，不同点在于自耦变压器方式可以自由的调节启动电流的大小，且其不受电机定子侧接线方式的限制，但其需要为电机系统配置体积庞大、价格高昂的变压器装置，一定程度上限制了该方法的应用范围。
3. 软启动模式
图2-2 软启动器典型结构框图
如图2-2所示为软启动器的典型结构框图，从启动效果出发，可将电机软启动技术划分为有级启动、无极启动两种模式，其中前者为分档控制、后者为连续控制。为了更加深入的东西软启动模式与降压启动的区别，下文给出了两种启动方式的典型不同点概述：
一、绪论 1
二、异步电机数学模型及其启动原理分析 2
（一） 异步电机等效电路 2
（二） 几种电机启动机理分析 3
三、软起动器硬件设计的研究 6
（一）软起动器控制系统的硬件设计 6
（二）控制系统的其他硬件设计 7
（三）软起动器触发电路的硬件设计 8
四、软起动器的软件系统研究 10
（一） 软起动器控制系统的软件设计 10
（二） 触发脉冲控制的软件设计 12
（三）触发控制算法的研究 14
（四）软起动器综合保护软件系统设计的研究 14
参考文献 16
谢辞 16
一、绪论
电机（Motor）作为当今工、农业业生产制造中应用最为广泛的电气设备，其为社会发展提供了源源不断的动力。从本质上讲，电机的主要功能是完成电能向机械能的转化，通常情况下整个电机控制过程包括：启动运行、恒速运行以及制动运行。以鼠笼电机（IM）为例，当将其投入工频电网（50Hz）直接启动时，电机在启动瞬间由于转速仍较低（接近于零速），此时其反电动势接近于零，而感应电机由于其自身不无励磁装置，其依靠定、转子之间的转差来感应出转子磁链，过大的转差频率对于实际电机系统而言将产生巨大的电流冲击，虽然多数电机在设计过程中充分考虑了过流问题，然而对于需要频繁启动的应用场合而言，过大的电流冲击将会对电机本体以及其输电电缆、机械轴承等多个部件产生危害。此外，在过流情况下进行频繁的启动，将使得转子绕组维持在发热运行状态，过热问题同样干扰着电机实际应用。可以看出，解决交流电机启动问题作为电机实际应用过程中的第一步，如何采取即成本低廉又安全可靠的方式进行电机启动一直是人们研 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
究和关注的热点问题，下文将对目前常见的几种电机启动方式进行逐一剖析，具体内容如下：
（一）直接启动
在电机功率等级较小的情况下，电机系统使用最多的方式为直接启动，该方法固然结构简单、操作便利，但是大量文献均指出[8-10]，直接启动会使电机冲击电流达到其额定电流的5~8倍，甚至在特殊的场合中超出10倍以上。然而对于大功率电机而言，直接启动的模式将产生巨大的系统压降，造成电网电流出现极大的波动，从而直接影响到电网中其他设备的安全运行；与此同时，直接启动造成的电机输出转矩为额定转矩的2-3倍，对于传动系统而言其将对机械部件造成极大的冲击，甚至造成机械系统的直接毁坏。
（二）软启动器
“软启动”的思想出现在上世纪的美国马歇尔研发中心，该思想结合了电力电子技术、控制理论以及数字处理技术等多个领域的知识。从功能上来看，软启动器可以实现平滑的电机启动与停车功能，此外由于数字处理系统的引入使得软启动器可实现电机智能保护等诸多功能。
二、异步电机数学模型及其启动原理分析
（一） 异步电机等效电路
在研究软启动器工作原理之前，首先需要认识其被控对象（异步电机）的物理结构，本文着重分析了异步电机定、转子电路中电压、电流以及磁链之间的等效关系，并作出了相关的简化系统设计。以等效为转化原则，进行了电机转子绕组向定子侧的折算变化。
图2-1 异步电机简化等效电路图
从本质上来讲，异步电机等效T形图为一个电阻、电抗串联的等效电路，其能较为精确的描述出电机内部的各参数之间的等效关系，然而当基于该等效电路进行空间矢量计算时系统数学方程仍然较为复杂，为此需对等效T形图进一步简化，图2-1中为电机等效并联电路图。
在电机启动瞬间，其实际转速较低（接近0速运行），此时电机对应的转差率s约为1。考虑到电机定子侧电抗值（互感+等效电阻）为Rm+jXm，其值比电机定、转子侧电抗之和大很多，故可将电机系统的等效电抗理解为：
(2-1)
根据式（2-1）可以直接推导出电机的启动电流表达式如下：
(2-2)
从公式（2-2）中可以看出，电机的启动电流与定子端口电压Us呈现正比例关系，因此通过控制启动过程中的定子电压即可实现限制电机电流的功能。本文即通过反并联3组晶闸管的方式实现调压功能，通过控制晶闸管的导通角度实现电机端口电压斩波控制功能，最终有效的控制了异步电机启动瞬间的冲击电流。
（二） 几种电机启动机理分析
1. 直接启动模式
当时机电机系统设计容量较小或轻载运行时，异步电机可以采取直接启动的方式将其投入电网中。在该启动模式，转子和旋转磁场之间的转速差达到最大，此时其在转子侧感应出的感应电动势值也达到最大。根据电机数学模型可知，其电磁转矩与定子侧端口电压的平方呈正比关系，此时电机的动态启动转矩达到最大，系统具备启动转矩大、加速度快、结构简单易控制等优势。然而此时的启动电力也同样增大，其值可达到电机额定值的5-10倍，引言部分已经对上述现象造成的危机进行分析。一般而言，对于额定功率较低（小于10kW）的异步电机，其是否运行直接启动运行科根据下式进行判断，具体如下：
(2-3)
若满足式（2-3）的条件，则认为该异步电机可以运行于直接启动模式；反正则需采取其他辅助启动手段。
2. 降压启动模式
式（2-2）中指出通过降低定子侧端口电压的方式可以有效地降低系统启动电流，在启动过程完毕之后再将系统定子侧电压切换至额定值，即可完成一套完整的电机启动。然而，降压启动使得启动瞬间电机输出电磁转矩值减低，在该启动方式下，异步电机仅可运行于对启动转矩输出要求较低的场合中，目前应用较为广泛的降压启动方式包括：
（1）定子回路串电抗方式
该启动方式是在电机定子侧接入回路中串入相应的电抗器，从而启动分压功能，等到电机完成启动过程后将上述电抗器从主回路中切除即可。例如启动瞬间通过串电阻的方式将电机端口电压降低至额定值的1/k后，则启动电流同样降低至1/k，启动转矩降低至1/k2。可以看出该启动方式仅可应用于轻载和空载条件下，此外串入的电抗器发热问题同样值得关注。
（2）星—三角方式
星—三角启动作为一种较易实现的降压启动方式，其无需外加辅助设备，但其同样存在相关限制，即其仅适用于定子侧角接的电机调速系统，在启动过程中将电机切换为星型接法，待启动完成后即将其切换为常规的三角接法，此时系统启动过程中加在每相绕组的电压值仅为额定值的1/1.732倍，对应的启动电流关系如下：
(2-5)
对比式（2-4）和（2-5）可知自耦变压器降压启动与星—三角启动的本质是一样的，不同点在于自耦变压器方式可以自由的调节启动电流的大小，且其不受电机定子侧接线方式的限制，但其需要为电机系统配置体积庞大、价格高昂的变压器装置，一定程度上限制了该方法的应用范围。
3. 软启动模式
图2-2 软启动器典型结构框图
如图2-2所示为软启动器的典型结构框图，从启动效果出发，可将电机软启动技术划分为有级启动、无极启动两种模式，其中前者为分档控制、后者为连续控制。为了更加深入的东西软启动模式与降压启动的区别，下文给出了两种启动方式的典型不同点概述：
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