摘要

能源匮乏和环境污染是当今人类生存与发展必须面对的两个主要挑战。在我国这两个挑战更加严峻。在资源不足的情况下，我国仍然存在能源利用率低下和无节制的资源浪费现象。因此，研究如何更好地提高能源利用的效率和促进节能产业的发展具有重要的意义。把电能转换成机械能的主要途径就是电动机的应用，各类电动机中应用最广泛的是三相异步电动机。然而,异步电动机的应用仍存在一些问题，主要存在两个问题，一、启动电流过大；二、运行效率较低。目前，虽然很多学者在异步电动机的软启动与节能运行领域做了很多研究工作，但多数没得到实际应用。由于本文是基于与天津石化合作关于三相异步电动机节能研究的项目，因此更侧重于实用性。因此， 研究具有实用性的异步电动机软启动方法和节能运行技术对抑制启动电流危害和降低电机损耗进而减少企业的生产成本具有重要的现实意义。本文的主要内容如下：
1、介绍了课题研究的背景和意义；简述了软启动和节能技术常用的方法及其优缺点，通过对比分析确定了运用三组反向并联的晶闸管构成的调压电路来实现电机软启动和调压节能的功能；并简述了几种常用的控制方法。
2、分析了交流调压电路单相以及三相的调压原理；然后详细介绍了电动机内部损耗情况，进而分析降压节能的原理；并论述了电动机效率与功率因数的关系，并指出用功率因数大小来表征电机效率高低的可行性。
3、在 MATLAB 仿真环境下，搭建了电动机软启动仿真模型，并对比分析了全压启动、斜坡升压软启动和限流软启动三次仿真的结果，说明了异步电动机软启动的优越性， 以及两种软启动方法的特点。
4、详细论述了线性自抗扰控制技术（LADRC）的基本原理；搭建了调压节能的仿真模型，并对比了传统PID 控制下和 LADRC 控制下的调压节能效果，仿真结果表明， LADRC 控制效果优于传统PID，调压节能效果更加突出。

关键词：三相异步电动机 软启动 调压节能 线性自抗扰控制技术 仿真分析

Abstract

The challenges from lack of energy and pollution of the environment have to be faced today. These two challenges are more serious in our country. Under the condition of insufficient resources, our country still exists low energy utilization and unchecked resources waste phenomenon. Therefore, it is of great significance to study how to improve the efficiency of energy utilization and promote the development of energy-saving industry. The main way of converts electrical energy into mechanical energy is the application of motor. The most widely used in all kinds of motor is the three-phase asynchronous motor. However, there are still some problems in the application of asynchronous motor. There are two main problems, one is the large starting current, the other is the low running efficiency. Currently, although many scholars have done a lot of research work in the field of asynchronous motor soft starting and energy saving operation, most of which have not been applied in practice. This paper focus more on practicality, because it is based on a project which is about three-phase asynchronous motor energy-saving cooperation with Tianjin petrochemical company. Therefore, it has important practical significance to study the practical application of asynchronous motor soft starting method and energy-saving operation technology, which can reduce the harm of starting current, the loss of motor and the production cost. The main contents of this paper are as follows:
1, This paper introduces the background and significance of the research. The common
methods of soft starting and energy-saving technology and their advantages and disadvantages are introduced in this paper. Through the comparison and analysis, the three groups of reverse parallel thyristor voltage regulating circuit will be selected to achieve the function of soft starting and voltage regulation in this paper. And several common control methods are briefly introduced.
2, The principles of single phase and three-phase AC voltage regulation are analyzed. Then the internal loss of the motor is introduced in detail, and the principle of reducing energy consumption is analyzed. The relationship between motor efficiency and power factor is discussed. And it is pointed out that the power factor can be used to characterize the efficiency of the motor.
3, In the simulation environment of MATLAB, the simulation model of motor soft starting is built. The results of three simulation of full voltage starting, slope booster soft starting and current limiting soft starting are compared and analyzed. The advantage s of soft starting and the characteristics of the two soft starting methods are explained.
4, The basic principle of the linear active disturbance rejection control technique is discussed in detail. The simulation model of energy saving through voltage re gulation is set up. And the energy-saving effects under the control of the traditional PID and LADRC are compared. Simulation results show that the control effect of LADRC is better than that of the

traditional PID, and the energy saving effect through voltage regulation is more prominent.

Key words: Three phase asynchronous motor, Soft starting, Energy saving through voltage regulation, Linear active disturbance rejection control technique, Simulation analysis

目 录

第一章 绪论 1
1.1课题的研究背景与意义 1
1.2软启动器的研究现状 1
1.2.1传统软启动 2
1.2.2电子式软启动 3
1.2.3软启动的常用控制方式 4
1.3异步电机节能的研究现状 6
1.3.1异步电机节能的主要方法 6
1.3.2调压节能控制的基本方法 7
1.4本文的主要工作 8
第二章 异步电动机软启动及调压节能技术的理论分析 9
2.1电子式软启动原理分析 9
2.1.1异步电动机的等效电路 9
2.1.2交流调压器工作原理分析 10
2.2异步电动机的损耗分析 14
2.2.1恒定损耗 14
2.2.2负载损耗 14
2.2.3杂散损耗 15
2.3电机的功率关系 15
2.4降压节能原理 17
2.4.1降压节能概述 17
2.4.2不同负载下的降压节能分析 17
2.4.3最佳电压值 18
2.4.4效率与功率因数的关系 20
第三章 异步电动机软启动仿真分析 22
3.1仿真模型的搭建 22
3.2异步电机软启动仿真 26
3.2.1全压启动仿真 26
3.2.2斜坡软启动仿真 28
3.2.3限流软启动仿真 29
3.3仿真结果的对比分析 31
3.4本章小结 31
第四章 基于 LADRC 的异步电动机降压节能仿真分析 32
4.1自抗扰控制理论的基本原理 32
4.1.1自抗扰控制技术概述 32
4.1.2自抗扰控制技术理论 34
4.1.3LADRC 的基本原理 37
4.2异步电动机调压节能控制系统的建模与仿真 39
4.2.1仿真系统的模块设计 39
4.2.2调试仿真 43
4.3仿真结果对比分析 49
4.4本章小结 50
第五章 总结与展望 51
5.1工作总结 51
5.2研究展望 51
参考文献 53

第一章 绪论

1.1课题的研究背景与意义

当今世界，人类面临的两个主要问题就是能源短缺和环境污染。在我国这两个问题更加严重。虽然，我国幅员辽阔、资源丰富，但由于人口众多，导致人均能源占有率很低，远远低于世界平均水平[1-2]。在资源不足的情况下，我国还存在能源利用率低下和无节制的资源浪费现象。因此，如何更好地提高能源利用的效率，促进节能产业的发展， 成为全社会要关注和解决的问题。
目前，把电能转换成机械能的主要途径就是电动机的应用，调查数据显示，我国各类电动机每年的用电量约占全国用电量的 50%[3]。各类电动机中应用最广泛的是三相异步电动机，尤其是三相鼠笼式异步电机更是凭借着其结构简单，运行可靠。价格便宜等优点，得到了广泛的应用。近几年，一些新型高效电动机如永磁同步电机等得到了一定的推广应用，但由于价格较高，推广进度缓慢。因此，三相异步电动机尤其笼型异步电机仍然是应用最广泛的电动机。然而，异步电动机的应用仍存在一些问题，主要存在两个问题，一、启动电流过大；二、运行效率较低。电动机的起动电流一般可达到额定电流的4 ~ 8 倍，最高可达额定电流的 15 倍，这种较大的冲击电流对电动机本身以及机械负载甚至其所在的配电网都会造成巨大冲击，影响电动机及其拖动机械设备的使用寿命，严重时会造成电动机所在配电网的电压突降，直接影响配电网中其它用电设备的正常工作[4]。电动机在额定负载附近工作时，效率最高，当电机负载下降以后，效率随之显著下降。现实中，很多电动机在设计时，层层留余量，最后造成“大马拉小车”的状态，其效率之低就可想而知了[5]。此前很多学者己经在电动机启动和节能方面做了大量的研究工作，也取得了显著的成果[6-10]，但是在限制启动电流和进一步发展电动机的节能技术方面仍有很大的空间和现实意义。

1.2软启动器的研究现状

针对异步电机直接启动的危害，国内外学者提出了“软启动”的概念。通常情况下， 我们对异步电动机启动性能的要求主要有以下两点：1、启动电流要小，以减小对电网的冲击；2、启动转矩要足够大，以加速启动过程，缩短启动时间[11]。因此，软启动的目的就是：在不影响电机正常启动的情况下，要尽可能减小启动电流，从而减小对电网的冲击和对其他用电设备的影响。根据电动机的基本原理可知，要想实现软启动的功能， 应采用适当地降低定子电压U1 启动方法来限制启动电流。目前，主要的软启动方法主要分为传统软启动和电子式软启动。

1.2.1传统软启动

传统软起动一般是保持电动机输入端电压额定频率不变的前提下逐步升高其幅值直至额定幅值的方式来起动，根据电压幅值是否连续可调分为有级调压和无极调压。有级调压是将电压分为几个等级，用较低的电压等级启动电机，启动过程中逐级提高电压的幅值，直至电机启动完成，即电机达到额定转速时，将电压升高到额定电压。其中值的注意的是，其最低的电压等级的电压幅值，不能过于低，应能满足电动机启动的最低要求。另外，对于同一等级，电压幅值保持不变。无级调压的电压幅值的大小是连续可调的，而有级调压电压幅值的调节是跳变的。常用的传统软启动方式中，有级调压主要有：星型-三角形（Y  ）转换启动、自耦变压器起动、定子串电阻电抗器启动；而无级调压主要有：频敏电阻器启动、液阻软启动、磁控式软启动等，下面分别予以介绍[12]。
（1）有级调压软启动
1）星型-三角形（Y  ）启动
这种方法仅限于正常运行时，定子绕组为 连接且有六个出线端子的三相笼型异步电动机，将定子的六个接头接到转换开关上，启动时将定子绕组按Y 型连接，来实现降低启动电流，启动完成后再通过转换开关将定子绕组连接成 型。Y  启动的优点是启动设备机构简单、价格便宜和操作方便且能达到降低启动电流的目的；缺点是无法对电流和转矩的下降进行有效控制，电流和转矩的下降值是固定的，不能改变，另外，当将定子绕组从Y 切换到 时，一般会出现比较大的转矩波动和二次电流，从而出现较大电气和机械的应力，致使电机发生故障。由于 启动时，启动电压U1  1 3UN ，且电

动机的输出转矩T 与U 2 成正比，故其起动转矩T  1 3T

，因此Y  启动仅适用于空载

2 1 2 N
或轻载（负载率小于1 3 ）起动的电机上[13]。
2）自耦变压器减压启动
启动前，根据不同的电机情况选择合适的自耦变压器抽头来实现电机的启动；待电机启动完成，切除自耦变压器,使得电机在额定电压下稳定运行。自耦变压器的优点是启动电流较小，启动转矩较大，适合阻力矩较大的情况，价格便宜；缺点是抽头的分级导致电压不能连续调节，限制了理想启动电流的选择，对于启动转矩经常变化的电动机， 这种方法不能提供有效的降压控制，另外自耦变压器一般体积较大，且故障率较高。因此，随着新的软启动器的不断推广，现在自耦变压在电机启动中的应用越来越少[14]。
3）定子串电阻或电抗减压启动
原理很简单，就是利用了串联电阻或电抗的分压原理。由于一般串联的电阻或电抗器都是分级的，且随着电机启动过程中，转速逐渐增大，就会分级地切除电阻或电抗直至电阻或电抗完全被切除。其优点是：启动平稳、原理简单、价格较低、无谐波。其缺点也较为明显，因为串电阻虽然可以启动降压的作用，但也会消耗大量的电能，另外其控制精度较低，易受外界干扰[15]。
（2）无级调压软启动
1）频敏电阻器软启动
频敏电阻，顾名思义，就是对频率敏感的电阻器。其应用在转子回路中，能起到降低启动电流的目的。其工作原理是：电机刚启动时，转子尚未转动，定子绕组产生的高

速旋转的主磁场，转子绕组静止，就会高速切割主磁场，产生幅值和频率都很高的感应电动势，此时转子回路的频敏电阻器呈现高阻抗，从而可以降低起动电流；转子产生的感应电动势的幅值和频率也不断减小，此时频敏电阻器呈现的阻抗不断较小，启动完成后，转差率将接近于零，转子感应电动势频率亦接近于零，频敏电阻器呈现近似零阻抗转态，此时相当于将转子绕组短接，之后电机便正常运转。
2）液阻软起动
液阻，即为一种液体电阻，主要是由电解液构成，因此它通过电解液中的离子是实现导电的动能。液阻软启动的主要优点是：其阻值便于控制，因为它的阻值与其中两块电极板的相对距离成正比，与电解液的电导率成反比，而极板的相对距离和电解液的电导率都便于控制；另外，液阻主要由水构成，因此其热容量较大、而且成本较低，因此液阻软起动得到了较为广泛的应用。
但液阻软启动仍存在许多缺点，主要有以下三个[12]：
要想使得液阻的阻值可调范围较大，即必须有足够大容积的，且如果液阻箱容积较小时，其温升加大。一次软起动后电解液通常会有100 C  300 C 的温升，如果在启动频繁的场合，液阻箱温度无法及时的降低，就会严重影响电机的启动性能。
在需要通过移动极板来调节电阻是，需要一套伺服系统来控制极板的距离，受限于极板的移动速度，会导致控制精度较低。
对液阻软起动的维护较为麻烦，液阻箱中的水需要定期补充甚至更换，且金属电极板长期浸泡于电解液中，表面会产生一定的锈蚀，需要定期作表面处理。
3）磁控式软启动
磁控式软启动是在串联电抗器降压启动的基础上发展过来的，它们都是将三相电抗器串联与电网与电动机之间，从而实现降低电机启动电压的作用。磁控式软启动与串联电抗器降压启动不同的地方在于，磁控式软启动可通过控制其直流励磁电流，来改变铁芯的饱和程度，从而实现限流的作用。磁控式软启动主要优点是其调节限流作用是非机械式，无接触的，并且可以实现无级调压，控制精度较高。但也有一些不可避免的缺点， 如：电机定子绕组的交流电流会在直流励磁绕组上感应出感应电动势，进而影响直流绕组励磁回路的正常运行；另外，磁控式软启动调节速度比下文介绍的电子式软启动方式慢了一个数量级。
1.2.2电子式软启动

随着电力电子技术的快速发展，国内外企业相继开发出各种电力电子设备用于异步电动机的软启动控制，来取代传统的软启动设备。常用的电子式软启动器的主电路由三对反向并联的晶闸管组成，串联与电网与电动机之间。其调压原理是通过控制晶闸管的导通角，来实现调节异步电动机定子端电压的功能。大多晶闸管控制的软启动器都会并联旁路接触器，当电机启动完成后，旁路接触器就会闭合，从而将晶闸管调压电路短路， 使电动机直接与电网相连，来避免调压电路造成的电能损耗[16]。
常见的电子式软启动器主要是变频软启动和晶闸管调压软启动器。
（1）变频软启动

实际应用中，变频器通常用于实现电机的转速控制，理论上也可以用来实现电机的软启动，其主要原理是：通过改变输入电动机定子端电压的频率来改变电动机内部主磁通的角速度，来逐渐提高电动机的转速，从而实现电动机的软启动。虽然变频器用于电机的软启动可以很好地解决电机的启动问题，但由于其成本较高，可靠性相对较差且对维护人员技术要求较高，在对转速要求不高的情况下，很少把变频器仅仅当做软启动器来使用。
（2）晶闸管调压软启动
晶闸管调压软启动是目前应用最广泛的软启动器，其基本原理是基于晶闸管移相调压原理，通过控制晶闸管导通角的变化，来实现不同工况下电机的启动要求。虽然，晶闸管调压软启动器也存在一些缺点，如：产生大量的高次谐波等，但它相对于其他软启动器仍然具有很大的优势。例如，与传统软启动中常用的液阻软启动相比，其具有结构紧凑、启动重复性好等优点。另外，对比变频器，晶闸管软启动器性价比要高很多。
综合分析，选择晶闸管调压装置来实现异步电动机软启动的功能，仍是当下最好的方法。因此，本文在分析软启动原理以及仿真实验时都将选用此方法。下文中所提到的电机软启动，无特殊说明，默认为晶闸管调压软启动。
1.2.3软启动的常用控制方式

电动机软启动控制的实质是通过控制调压电路各个晶闸管的导通角，使电动机输入电压从零逐渐上升，直至启动结束，从而实现限制启动电流的作用。因此，其基本原理就是基于晶闸管调压电路的交流调压技术，在软启动的过程中，电机启动转矩逐渐增加， 转速也随之增大，直至启动完成。在具体应用中，软启动器的控制方式有很多，常用的有：斜坡升压软启动、限流软启动、转矩控制启动和转矩突跳控制启动等[17]，下面简要介绍它们的基本原理。
（1）斜坡升压软启动
其波形图如图 1-1 所示，其中U1 为启动的起始电压，UN 为电机的额定电压，有图中可知，斜坡的斜率和启动时间成反比，即斜坡电压上升越平稳，启动时间越长，根据不同的工况启动要求，可以设定不同的启动电压斜坡斜率和启动时间。较于传统的降压启动，其可实现无级调压。它的主要缺点是，由于不限流，在电机启动过程中，有时会产生较大的冲击电流。

U

UN

U1

0
图 1-1 斜坡升压软启动波形

（2）限流软启动
限流软起动基本的控制原理是：以电动机定子电流作为闭环反馈信号，然后通过控制器对其运算处理，得到触发晶闸管导通的角度，从而实现限制启动电流的目的。如图1-2 所示，其中Im1 、 Im 2 、Im3 为控制系统设定的启动电流限定值，从图中可以看出，启动电流限定值越大，启动时间越短，因此根据不同的工况启动要求，可以设定不同的启动电流限定值。该方式的优点是：可以有效地限制起动电流、从而减小对电网电压的影响，且可按实际工况的启动需要进行调整起动电流的限定值；其缺点是：该启动方式关注的重点是启动电流，如果设置过小的启动电流，会导致电机启动转矩过小，有可能造成电机赌转的现象。

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0 t
图 1-2 限流软启动波形

（3）转矩控制软启动
转矩控制软启动的控制原理是：以电机输出转矩为闭环反馈信号，同样是控制晶闸管导通角来控制电机输入电压，从而实现对电动机转矩的控制。转矩控制软启动波形图如图 1-3 所示，图中TL 为负载转矩， T1 和T2 为电动机输出转矩。其主要用在重载启动， 它的优点是可以减小转矩突变，缺点是起动时间较长。

0 t
图 1-3 转矩控制软启动

（4）转矩加突跳控制软启动
在转矩控制中，有时候会因为启动转矩过小，而导致电机发生赌转现象，为了克服这个缺点，在转矩控制的基础上进行改进，得到了转矩突跳控制，其原理与转矩控制基本相同，不同的是，在电机启动开始时，给电机施加一个突跳的电压信号，致使电机转矩突然增大，然后再平稳上升，这样就可以有效避免电机的赌转现象。其波形图如图 1-4 所示，图中TL 为负载转矩，T1 和T2 为电动机输出转矩。这种方式虽然可以有效避免电机启动时发生堵转现象，但由于突跳电压会产生脉冲干扰信号，对电动机负载及电网都会造成一定的影响[18-20]。