中北大学2014届毕业设计说明书
UVWQFU1FU2FU3KM1KM3FR3M~KM2
图2.3 星-三角形起动法的原理图
(3)自耦变压器起动
自耦变压器起动法就是电动机起动时，电源通过自耦变压器降压后接到电动机上，待转速上升至接近额定转速时，将自耦变压器从电源切除，而使电动机直接接到电网上转化为正常运行的一种起动方法。
图2.4所示为自耦变压器起动的自动控制主回路。控制过程如下：合上空气开关Q接通三相电源。按启动按钮后KM1线圈通电吸合并自锁，其主触头闭合，将自耦变压器线圈接成星形，与此同时由于KM1辅助常开触点闭合，使得接触器KM2线圈通电吸合，KM2的主触头闭合由自耦变压器的低压抽头(例如65％)将三相电压的65％接入电动。当时间继电器KT延时完毕闭合后，KM1线圈断电，使自耦变压器线圈封星端打开；同时KM2线圈断电，切断自耦变压器电源，使KM3线圈得电吸合，KM3主触头接通电动机在全压下运行。自耦变压器一般有65％和80％额定电压的两组抽头。
若自耦变压器的变比为k，与直接起动相比，采用自耦变压器起动时，其一次侧起动线电流和起动转矩都降低到直接起动的l／k2。
自耦变压器起动法不受电动机绕组接线方式(丫接法或△接法)的限制，允许的起动电流和所需起动转矩可通过改变抽头进行选择，但设备费用较高。
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图2.4 异步电动机的自耦变压器起动法
自耦变压器起动适用于容量较大的低压电动机作减压起动用，应用非常广泛，有手动及自动控制线路。其优点是电压抽头可供不同负载起动时选择；缺点是质量大、体积大、价格高、维护检修费用高。
2.1.3 软启动
软起动可分为有级和无级两类，前者的调节是分档的，后者的调节是连续的。在电动机定子回路中，通过串入限流作用的电力器件实现软起动，叫做降压或者限流软起动。它是软起动中的一个重要类别。按限流器件不同可分为：以电解液限流的液阻软起动；以磁饱和电抗器为限流器件的磁控软起动；以晶闸管为限流器件的晶闸管软起动。
晶闸管软起动产品问世不过30年左右的时间，它是当今电力电子器件长足进步的结果。10年前，电气工程界就有人预言，晶闸管软起动将引发软起动行业的一场革命。目前在低压(380V)内，晶闸管软起动产品价格已经下降到液阻软起动的大约2倍，甚至更低。而其主要性能却优于液阻软起动。与液阻软起动相比，它的体积小、结构紧凑，维护量小，功能齐全，菜单丰富，起动重复性好，保护周全，这些都是液阻软起动无法比拟的。
但是晶闸管软起动产品也有缺点。一是高压产品的价格太高，是液阻软起动产品的5～10倍，二是晶闸管引起的高次谐波比较严重。
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2.2软起动的原理及分析 2.2.1 晶闸管调压原理
晶闸管的控制方式有两种：一是相位控制，即通过控制晶闸管的导通角来调压；二是周波控制，即把晶闸管作为静止接触器，交替的接通与切断几个周波的电源电压，用改变接通时间与切断时间之比来控制输出电压的有效值，从而达到调压的目的。但周波控制用在异步电机定子上时，通断交替的频率不能太低，一方面会引起电动机转速的波动，另一方面每次接通电流就相当于一次异步电动机的重启动过程。当电源切断时，电动机气隙中的磁场将由转子中的瞬态电流来维持，并随着转子而旋转，气隙磁场在定子绕组中感应的电动势频率将有所变化，当断流时问隔较长时，这个旋转磁场在定子中感应的电势和重新接通时的电源电压在相位上可能会有很大的差别，这样就会出现较大的电流冲击，可能危及晶闸管的安全。故在异步电动机的调压控制中，晶闸管调压一般采用相位控制。采用相位控制时，输出电压波形已不是正弦波，经分析可知，输出电压不含偶次谐波，奇次谐波中以三次谐波为主要成分。谐波在异步电机中会引起附加损耗，产生转矩脉动等不良影响。此外，由于异步电机是感性负载，从电力电子学中可以知道，当晶闸管交流调压回路带有感性负载时，只有当移相角大于负载的功率因数角时，才能起到调压的作用。当?
本系统软起动器采用晶闸管调压原理，通过调节电动机定子输入端电压的大小和相位实现软起动的各种功能。本系统软起动器采用了如图2.5所示的主电路。用三组反并联晶闸管分别串联在星形接法的电机三相定子线圈上，这种连接方式谐波比较少，调压性能最为优越，控制系统简单、可靠。
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图2.5软起动主回路原理图
为了方便分析，做以下假定：
(1)电源为三相对称的正弦电压源，内阻抗为零；
(2)各晶闸管的特性一致，对称触发，关断状态时，其阻抗为无穷大；导通状时压降为零；
(3)电机为理想电机，其定、转子绕组在空间产生正弦分布的磁通势； (4)稳态运行时，电机的转速为常数。
由于主电路中没有中线，因此在工作时若要负载电流流通，至少要有两相构成通路。其中一相是正向晶闸管导通，另一相则是反向晶闸管导通。为了保证在电路起始工作时有两个晶闸管同时导通，以及在感性负载与控制角较小时仍能保证不同相的两个晶闸管同时导通，本系统采用了能够产生大于60°的双窄脉冲的触发电路。
要实现异步电动机的平稳起动，需要控制电机的输入电压，使其按照某种曲线由小到大逐渐上升。通过按照一定时序调整六个晶闸管的触发角就可以实现该目标。该电路的调压实质是对电源电压进行斩波。电机获得的电压是非正弦的，但是每相电压的正负半周是对称的。晶闸管任意一相的电压波形如图2.7所示，其中电网电压的波形是完整的正弦波，?是晶闸管的触发角，?是负载的功率因数角(也叫晶闸管的续流角)，?是晶闸管的导通角。
由图2.6可以很容易地推导出触发角?，功率因数角?以及导通角?之间的关系： ??????? 公式(2.1)
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图2.6 任意相晶闸管的工作波形
其中晶闸管的输出电压是介于导通角?之间的波形。通过改变导通角?的大小，就可以改变晶闸管的输出电压，从而改变了电机的输入电压。由式(2.1)可以得知，导通角?与触发角?、功率因数角?都有关。对于恒定的负载而言，功率因数角?是常量，导通角?仅仅与触发角?有关。此时，只要改变晶闸管触发角
?就可以改变晶闸管的输出电压。但是对于异步电动机而言，功率因数角?是个
变量，并且是电机转速的函数。在电机起动过程中，随着转速逐渐变大，功率因数角?也在不断变化。因此，改变晶闸管触发角?的同时也要兼顾功率因数角?的变化情况。只有这样，才能实现异步电动机的输入电压按照预定规律变化的要求。
2.2.2 软起动的起动方式
软起动器的功能主要是实现软起动和软停车，而软停车相当于是软起动的逆过程。三相异步电动机软起动器拥有多种起动模式，可以满足不同的起动要求。下面详细介绍：
(1)限流起动
限流起动就是在电动机的起动过程中限制其起动电流不超过某一设定值Im的软起动方式，起动波形如图2.7所示。主要用于轻载起动的降压起动，其输出电压从零开始迅速增长，直到其输出电流达到预先设定的电流限值Im，然后保持输出电流不大于该值的条件下逐渐升高电压，直到额定电压。这种起动方式的优点是起动电流小，且可按需要调整起动电流的限定值Im。其缺点是在起动时难以知道起动压降，不能充分利用压降空间，损失起动转矩，起动时间相对较长。该方法应用较多，适用于风机，泵类负载。