（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的异步电动机软起动控制系统研究.pdf

哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：褥大悫 日期：2 , 0f 口年3 月阳日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 耐在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：青大志， 日期： 五o f 0 年3 月f 0 日 导师( 签字) ：幺易纱屹乞 伽d 年妒，护日 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 摘要 软起动是一项近代发展很快的新技术，其主回路一般都采用晶闸管调压 电路，可调起动电流和起动转矩，在保护传动系统不受磨损、维护电网质量 方面有突出的表现，是一种理想的起动方式。随着电力电子技术的发展，使 无电弧开关和连续调节电流成为可能。电力半导体器件的开关功能实际上无 磨损、寿命长、功耗小，加之微机控制技术，现代控制理论与电力电子技术 的紧密结合，为电机的起动节能提供了全新的思路，从而出现了电机软起动 技术。软起动技术具有传统起动方法无法比拟的优势，因此对三相异步电动 机软起动的研究有很重要的意义。 本文首先介绍了交流电动机软起动技术的国内外发展现状及前景，对电 动机的起动过程进行了理论分析，然后在综合比较各种起动方式特点的基础 上，提出了软起动方法，并详细介绍了以晶闸管为主电路的软起动器的工作 原理。 然后研究了异步电机软起动控制策略，研究了晶闸管管压降和功率因数 角及电动机转速之间的关系。因此，本课题引入功率因数角作为反馈量。应 用m a t l a b 中的s i m u l i n k 工具箱搭建了基于交流调压方式异步电机软起 动系统的仿真模型。应用所建的仿真模型对异步电动机直接起动与软起动的 过程进行了仿真研究，对仿真结果进行了比较和分析。 在上述基础上完成了基于d s p 三相异步电动机软起动控制系统的硬件 设计，采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为主控单元，外围电路包括主电路、检测电路、 驱动电路、保护电路和三相不平衡校正电路等。 最后在c c s 3 1 软件环境下完成了控制系统的软件设计，包括主程序、 同步信号中断服务程序、触发驱动信号中断服务程序、软起动算法子程序等， 并对部分软件模块给出了程序流程图。并且对硬件电路进行了调试，系统运 行良好，晶闸管管压降和功率因数角闭环控制方法，可以有效消除电流和转 矩振荡的现象，改善起动性能并达到良好的起动效果。 关键词：异步电动机；软起动；晶闸管；m a t l a b ；d s p 哈尔滨i ：稚大学硕 学位论文 a b s t r a c t s o f t s t a r ti san e wt e c h n o l o g yw h i c hi sd e v e l o p i n gv e r yf a s ti nm o d e m t i m e s ， t h em a i nc i r c u i tu s u a l l yu s et h y r i s t o rt om a k et h ev o l t a g er e g u l a t o rc i r c u i t ，t h e s t a r t i n gc u r r e n ta n ds t a r t i n gt o r q u ei sa d j u s t a b l e ，i th a sap r o m i n e n tp e r f o r m a n c e i nt h ep r o t e c t i o no ft r a n s m i s s i o ns y s t e ma n dm a i n t e n a n c eo fp o w e rq u a l i t y ，s ot h e s o f t s t a ri sa ni d e a ls t a r t i n gm o d e f i r s t l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to ft h ea cm o t o rs o f t - s t a r t t e c h n o l o g y ，a n a l y s e st h es t a r tp r o c e s so fm o t o ri nt h e o r y ，a n dt h e nb a s eo n c o m p a r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t a r tm o d e si nc o m p r e h e n s i v et op r o p o s et h e s o f t s t a r t m e t h o d ，a n dd e s c r i b e s t h em a i nc i r c u i to fs o f t - s t a r t e rw h i c hi s t h y r i s t o r b a s e d t h e nr e s e a r c h e sa b o u tt h es o f t s t a r tc o n t r o ls t r a t e g yo ft h ea s y n c h r o n o u s m o t o r ，a p p l i e st h es i m u l i n kt o o l b o xi nm a t l a bt ob u i l das i m u l a t i o nm o d e l o fa s y n c h r o n o u sm o t o rs o f ts t a r t e rs y s t e mw h i c hi sb a s e do na cv o l t a g e r e g u l a t i o nm e t h o d s t u d yt h ep r o c e s so fd i r e c ts t a r t i n ga n ds o f ts t a r t i n gb y a p p l i c a t i o no ft h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h ea s y n c h r o n o u sm o t o r ，t h es i m u l a t i o n r e s u l t sa r ec o m p a r e da n da n a l y z e d t h eh a r d w a r e o ft h ea s y n c h r o n o u sm o t o rs o f ts t a r tc o n t r o l s y s t e m i s d s p b a s e d ，u s et h et m s 3 2 0 f 2 8 12a st h em a i nc o n t r o lu n i t ，t h ee x t e r n a lc i r c u i t i n c l u d e st h em a i nc i r c u i t ，d e t e c t i o nc i r c u i t ，d r i v e rc i r c u i t ，p r o t e c t i o nc i r c u i t sa n d u n b a l a n c e dt h r e e - p h a s ec o r r e c t i o nc i r c u i t f i n a l l y ，t h es o f t w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e mi sc o m p l e t e di nt h ec c s 3 1 s o f t w a r ee n v i r o n m e n t i n c l u d i n gt h em a i np r o g r a m ，s y n c h r o n o u ss i g n a li n t e r r u p t s e r v i c er o u t i n e ，t r i g g e rd r i v i n gs i g n a li n t e r r u p ts e r v i c er o u t i n e ，s o f t - s t a r ta l g o r i t h m s u b r o u t i n e sa n ds oo n ，p a r t so ft h es o f t w a r em o d u l e sa r eg i v e dt h ep r o g r a mf l o w f i g t h e h a r d w a r ec i r c u i ti s d e b u g g e d ，t h es y s t e mi sr u n n i n gn o r m a l l y ，t h e c l o s e d l o o pc o n t r o lm e t h o do ft h et h y r i s t o rv o l t a g ea n dp o w e rf a c t o ra n g l ec a n e f f e c t i v e l yl i m i tt h es t a r t i n gc u r r e n ta n dt o r q u e ，i m p r o v et h es t a r t i n gp e r f o r m a n c e l 哈尔滨i ：群人学硕十学何论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题研究的背景、目的和意义1 1 2 软起动技术发展和研究现状1 1 2 1 软起动的概念和特点”1 1 2 2 软起动的分类2 1 2 3 软起动技术国内外研究现状及前景5 1 3 本课题主要研究内容6 第2 章异步电动机软起动原理8 2 1 异步电机运行特性分析8 2 1 1 异步电动机等效模型8 2 1 2 异步电机的运行情况10 2 1 3 异步电动机的起动特性1 0 2 1 4 异步电动机的转速和功率因数特性1 2 2 2 品闸管调压原理1 3 2 2 1 单相晶闸管输出电压分析1 4 2 2 2 三相晶闸管移相触发原理1 5 2 3 三相反并联晶闸管触发方法研究1 8 2 3 1 三路触发与六路触发l8 2 - 3 2 触发脉冲的方式1 9 2 4 软起动的方式2 0 2 4 1 限流软起动2 0 2 4 2 斜坡电压软起动2 l 2 4 3 转矩加突跳软起动2 2 2 5 本章小结2 3 第3 章软起动的控制方法及仿真2 4 3 1 功率因数角对软起动的影响“2 4 3 1 1 功率因数角对调压电路的影响2 4 3 1 2 功率因数角对转矩的影响2 4 3 1 3 晶闸管管压降与功率因数角和转速的关系2 5 3 2 电动机软起动控制方法的研究“2 9 3 3 软起动m a t l a b 仿真研究3l 3 3 1 触发角输出模块3 2 3 3 2 电流仿真结果3 4 3 3 3 转速仿真结果3 6 哈尔滨l ：稃人硕十学何论文 3 3 4 转矩仿真结果3 7 3 4 本章小结一3 8 第4 章软起动系统的硬件设计3 9 4 1 软起动系统硬件总体结构“3 9 4 2 三相反并联晶闸管主电路4 0 4 2 1 晶闸管参数的选取4 l 4 2 2 阻容吸收回路4 2 4 3 系统控制电路4 2 4 3 1d s p 2 8 12 介绍一4 2 4 3 2 晶振电路4 4 4 3 3 串口通讯电路”4 4 4 4 柃测电路“4 5 4 4 1 电源电压柃测4 5 4 4 2 品闸管两端电压检测4 6 4 4 3 同步信号检测4 7 4 4 4 晶闸管截止时刻检测4 8 4 4 5 三相电不平衡校正电路4 9 4 5 系统驱动电路5 0 4 6 本章小结51 第5 章软起动控制系统的软件实现5 2 5 1 系统软件开发环境”5 2 5 1 1 软件开发环境介绍5 2 5 1 2 定点d s p 对浮点数的处理5 2 5 2 系统总体程序设计一5 3 5 3 初始化程序设计”5 4 5 4 信号采集及处理程序5 5 5 4 1 功率因数角计算子程序5 5 5 4 2 电压检测及定子电流的计算5 7 5 5 软起动子程序一5 8 5 5 1 斜坡电压软起动5 9 5 5 2 限流软起动6 1 5 6 故障检测及抗干扰措施一6 2 5 6 1 故障检测6 2 5 6 2 抗干扰措施6 3 5 7 本章小结6 5 结论6 6 参考文献6 8 哈尔滨哔人学硕十学位论文 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果7 3 致谢7 4 附录7 5 哈尔滨l ：种大学硕十学伊论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景、目的和意义 三相异步电动机，由于结构简单、制造方便、价格低廉，而且坚固耐用， 惯量小，运行可靠等优势，在工业生产中得到了极广泛的应用，也正在发挥 着越来越重要的作用。交流异步电动机和直流电动机相比存在许多优点，但 当异步电机在起动过程中又有许多弊端。所谓起动过程是指在交流传动系统 中，当异步电动机投入电网时，其转速由零丌始上升到稳定转速的全过程。 因为交流异步电动机是以反电势为主的负载，即以反电势来平衡夕t - 力n 电压。 电动机的反电势随着转子转速的增加而逐渐增大，电动机在起动开始时反电 势为零，所以起动电流很大。如不采用任何起动装置的情况下，直接加额定 电压到定子绕组起动电动机时，电机的起动电流可达额定电流的3 7 倍，其 转速也在很短时间内由零上升到额定转速。同时三相异步电动机起动时的 转矩冲击较大，一般可达额定转矩的两倍以上。起动时过高的电流一方面会 造成严重的电网冲击，给电网造成过大的电压降落，降低电网电能质量并影 响其他设备的正常运行。而过大的转矩冲击又将造成机械应力冲击，影响电 动机本身及其拖动设备的使用寿命。因此，通常总是力求在较小的起动起动 电流下得到足够大的起动转矩，为此就要选择合适的起动方法。 近些年来，随着电力电子技术的发展，使无电弧开关和连续调节电流成 为可能。电力半导体器件的开关功能实际上无磨损、寿命长、功耗小，加之 微机控制技术，现代控制理论与电力电子技术的紧密结合，为电机的起动节 能提供了全新的思路，从而出现了电机软起动技术。软起动技术具有传统起 动方法无法比拟的优势，因此对三相异步电动机软启动的研究有很重要的意 义。 1 2 软起动技术发展和研究现状 1 2 1 软起动的概念和特点 所谓“软起动”，实际上就是按照预先设定的控制模式进行的降压起动的 过程。软起动概念具有多层含义，对于电网，在软起动过程中，希望电动机 哈尔滨i j 秤大学硕+ 学位论文 的起动电流对电网冲击要尽可能的小，以减少对其它电气设备的影响。对于 电动机，应设法减小电动机的起动电流和缩短起动电流的冲击时间。对于传 动系统和负载，软起动技术应保证在起动和停车过程中，作用在机械设备和 传动设备上的起动冲击能量最小，以延长减速器等关键部件的使用寿命并避 免冲击造成非讵常损坏。对于用户，软起动的过程应该是可控的，软起动装 置应该具备多种功能瞄1 。电子软起动器相对于传统的起动方式，其突出的优 点体现在：电力半导体开关是无电弧丌关和电流连续的调节，所以电子软起 动器是无级调节的，能够连续稳定调节电机的起动，而传统起动的调节是分 档的，即属于有级调节范围。软起动器在起动电机时使电机起动电流限制在 设定值以内，因而冲击电流小，也可控制转矩平滑上升，保护传动机械、设 备和人员p 1 。软起动器引入电流闭环控制，使电机在起动过程中保持恒流， 确保电机平稳起动。由于采用微机控制，可在起动前对主回路进行故障诊断， 数字化的控制具有较稳定的静态特性，不易受温度、电源电压及时间变化等 因素的影响，因此提高了系统的可靠性，有助于系统维护。同时，软起动器 还能实现直接计算机通讯控制，为自动化控制打下良好的基础。 1 2 2 软起动的分类 软起动可分为有级和无级两类，传统的软起动均是有级的，如电阻减压或 电抗减压起动、自耦补偿起动、星形三角形( y - ) 起动、延边三角起动等。 无级软起动的调节是连续的，在电动机定子回路，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；以变压变频为原理的变频器软起动；以晶闸管为限流 器件的品闸管软起动。 1 有级软起动的分类和特点 一次侧串电阻起动是三相异步电动机成本较低的一种起动方式。由于外 串了电阻，在电阻上有较大的有功损耗，特别对中型、大型异步电动机更不 经济，因此在降低了起动电流的同时使起动转矩降低了很多，一般只能用于 空载和轻载。 2 哈尔滨i ：稃大学硕十学位论文 y - 起动也是三相异步电动机最常用的方式之一。y 起动方法虽然简 单，只需一个y 转换丌关。但是y - 起动的电动机定子绕组六个出线端都 要引出来，对于高电压的电动机有一定的困难，一般接法只用于3 8 0 v 电 动机。 自耦变压器减压起动，当限定的起动电流和定子串接电抗器起动相同时， 起动转矩损失的较少。和y - 起动相比，有几种抽头供选用比较灵活，可以 拖动较大些的负载起动。但是自耦变压器体积大，价格高，也不能拖动重负 载起动。 延边三角形起动，采用这种方式起动的异步电动机，除了简单的绕组接 线切换装置之外，不需要其他专用起动设备。但是，电动机的定子绕组有抽 头，而且需要专门设计，制成后抽头又不能随意变动。 这几种减压起动方法都属于有极起动方法，起动的平滑性不高。它们通 常是靠接触器来切换电压以达到降压的目的，所以无法从根本上解决起动瞬 时电流尖峰的冲击h 。并且起动转矩不可调，起动中存在二次冲击电流，对 负载产生冲击转矩，当电网电压下降时，可能造成电动机堵转。由于起动过 程中，接触器是带载切换，因而易造成接触器触点的拉弧损坏。值得指出的 是，尽管各种老式降压起动方法各有其优缺点，但它们有一个共同的优点： 就是没有谐波污染。 2 无级软起动的分类和特点 液阻是一种由电解液形成的电阻，它导电的本质是离子导电。液阻有两 个特点：一是它的阻值正比于相对的二块电极板的距离，反比于电解液的电 导率，极板距离和电导率都便于控制，二是液阻的热容量大，液阻的这两大 特点恰恰是软起动所需要的。加上另一个十分重要的优势即低成本使液阻软 起动得到广泛的应用。液阻软起动也有缺点，一是液阻箱容积大，其根源在 于阻性限流，减小容积引起温升加大。一次软起动后电解液通常会有温升， 使软起动的重复性差。二是移动极板需要有一套伺服机构，它的移动速度较 慢，难以实现起动方式的多样化。三是液阻软起动需要维护，液箱中的水， 需要定期补充。电极板长期浸泡于电解液中，表面会有一定的锈蚀，需要作 表面处理。四足液阻软起动装置不适合于置放在易结冰或颠簸的现场p 1 。 哈尔滨l ：科人学硕十学何论文 磁控软起动是从电抗器软起动衍生出来的。用三相电抗器串在电动机定 子实现降压是两者的共同点。磁饱和软起动与电抗器软起动的主要不同点是 其限流作用可控。总体说来，起动开始时限流作用较强，在软起动过程中逐 渐减弱。电抗器在起动完成后被旁路。在工作原理上磁控软起动与晶闸管软 起动是完全相同的。高压磁饱和电抗器在原理和结构上与低压磁饱和电抗器 没有本质区别，只是在某些方面需要采取一些特殊处理罢了。磁饱和电抗器 具有0 1 秒量级的惯性，这使磁控软起动的快速性比晶闸管软起动慢一个数量 级。对于电动机系统的大惯性来说，磁控软起动的惯性是很小的。有的人提 出磁控软起动不产生高次谐波，这是错误的，只要饱和就一定会有非线性， 就一定会引起高次谐波旧1 。只是磁饱和电抗器产生的高次谐波会比工作于斩 波状态的晶闸管要小一些。磁控软起动装置需要有相对较大功率的辅助电源， 噪声较大则是其不足之处。 变频调速装置也是一种软起动装置，变频器的输出不但改变电压而且可 以同时改变频率，起动时它可以在限流的同时保持高的起动转矩。其原理是： 根据电动机拖动负载的性质及状态，改变电动机工作电源的电压和频率，使 电动机在拖动不同负载时达到最佳工作状态。变频器的主要特点是保护电动 机及负载设备免受瞬时起动的冲击，延长其工作寿命，提高电动机及负载设 备的工作精度。变频器本身具有软起动和调速两大功能，如果仅用其软起动 功能则显得更为昂贵。目前其价格是同功率晶闸管软起动产品的3 5 倍。 晶闸管软起动产品问世时间相对来说较短。它是当今电力电子器件长足 进步的结果。晶闸管调压软起动器采用大功率可控硅作主回路开关元件，通 过改变可控硅的导通角来实现电动机电压的平稳升降和无触点通断。起动电 流可根据负载和工况任意设定。起动器还能自动监视电动机的功率因数和负 载情况，经过计算来决定电动机的运行电压，以便提高电动机功率因数，使 其以最小电流运行，降低损耗，提高效率。它是实现电动机精确控制、替代 传统起动器的理想选择。目前在低压( 3 8 0 伏) 范围内，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 1 。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 1 0 倍， 4 哈尔滨i ：稃人学硕十学1 _ 寺：论文 二是晶l 甲j 管引起的高次谐波较严重。 1 2 3 软起动技术国内外研究现状及前景 电力电子技术的发展促进了软起动器的发展。其主要原理是利用大功率 开关器件作为主电路单元，加上必要的检测控制单元，达到控制电动机定子 电压的目的，它一般采用晶闸管调压电路。对于这种电路，可以通过控制晶 闸管的触发角口来改变电机的输入电压。在电机起动过程中，若随着电机转 速的变化，按照适当的规律调节触发角口，使电机在起动电流很小的前提下平 稳地起动。 异步电动机软起动器在凡不需要调速的各种应用场合都可适用。目前的 应用范围是交流3 8 0 v ( 或6 6 0 v ) ，电机功率从几千瓦到8 0 0 k w 。软起动器特 别适用于各种泵类负载或风机类负载。另外，对于变负载工况、电动机长期 处于轻载运行，只有短时或瞬i 、日j 处于重载场合，应用软起动器( 不带旁路接触 器) 则具有轻载节能的效果。 电动机软起动器的发展和通用变频器的发展基本是同步的，都是伴随着 新的电子器件的出现而获得广泛应用。从7 0 年代起，先后出现以s c r 、 m o s f e t 、g t o 、i g b t 等作为功率器件且电压连续可调的电子式调压方法。 9 0 年代以后，国外一些著名厂商如a b 公司、a b b 公司、s i e m e n s 公司等 都相继推出了软起动系列产品，技术已趋于成熟p 。而我国同期虽然也推出 了各种品牌的软起动器，虽然在价格上要比国外公司品牌的产品相对低一点， 但在技术上和可靠性上与国外同类产品尚有一定的差距。不过近年来随着技 术的相：豆渗透发展，国内外软起动器产品在控制原理技术及主要回路设计上 已经都同趋成熟了，而且差距也在不断拉近，因此如果还想有所改进和突破， 现在大概可以从以下这几个方面来考虑。 首先在控制算法上，由于当前交流电机控制系统已相对比较成热了，要 提出划时代意义的理论不大现实，因此今后的发展，可能在相当长的一段时 间内只有将现有的理论加以综合利用，相互取长补短，或是将其它学科的理 论引入进来，走交叉学科的路线，其中，智能控制研究己颇受关注，典型的 有模糊控制、神经网络控制、基于专家系统的控制。 其次在控制方式上，目前软起动器产品基本上都是以电流、电压或是转 哈尔滨l ：科人学硕十学何论文 矩作为主要控制手段，虽然在效果上起到了一定作用，但对用户来讲还是不 太直观，如果能控制电动机的转速，只要保证电流在一定范围内，使电机的 转速在起动时均匀上升，则是一种更加理想的起动方案。如果能在电机的转 轴上装上速度传感器，电机的转速是很容易测得的。但是，现场大多数应用 中，用户往往不能接受在现场安装速度传感器p 1 。因此，如何在无速度传感 器下根据可测参数电压和电流较精确地计算电机的转速是一个需要解决的问 题，尤其是在起动时电流有多种谐波分量时，检测与速度计算都是难题。 再次在控制器核心芯片的选择上，过去比较多用8 位单片机控制器的核 心芯片，但单片机的处理能力有限，特别对于一些系统，数据处理量大，且 实时性和精度要求高，这样，8 位单片机往往就不能满足要求。随着1 6 位机 乃至3 2 位机的出现，现在大多数产品已经都是使用1 6 位机，并且有部分公 司在采用3 2 位机或是d s p 芯片，但由于价格因素3 2 位机和d s p 的应用的 还比较少。 最后是对大功率半导体器件的选用上，大功率半导体器件已从最初的晶 闸管，发展别第二代g t r 、m o s f e t ，再到第三代i g b t ，但由于价格和技 术上的原因，目前软起动器产品在对大功率半导体器件选用上主要还是采用 三个双向晶闸管或是三对币反向并联的晶闸管作为控制组件0 。而如能应用 那些新半导体器件，便可以减小产品的体积，降低系统损耗，提高运行效率， 随着新材料新技术的应用，新的半导体器件的这些优点将越加明显，而且成 本也会下降，同时随着驱动电路的发展和集成化智能化的发展，将会大大简 化外围电路的设计，大幅度减少开发时间和开发费用，同时也提高了系统的 可靠性。 1 3 本课题主要研究内容 本课题主要研究内容 1 系统的构建与仿真研究，采用m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件构建控制系 统的各个模块。对直接起动和斜坡电压软起动进行了仿真研究，得到仿真结 果。对比异步电动机直接起动和软起动起动时的定子电流和转矩等参数，研 究异步电动机软起动的特性和优点。 2 在三相调压软起动的基本原理上，对d s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 处理器应用 6 n 合尔滨i ：稃大学硕+ 学何论文 于异步 路的设 不平衡 3 程序、 程序和 4 整参数 哈尔滨i ：群人学硕十学何论文 第2 章异步电动机软起动原理 2 1 异步电机运行特性分析 研究异步电机软起动，就要建立异步电机等效数学模型，掌握异步电机 的运行特性和起动特性。 2 1 1 异步电动机等效模型 为了研究异步电机的起动和停机时的电压、电流、转矩等变量的关系， 就要研究电机的数学模型，异步电动机的数学模型基本有两种：基于状态方程 的数学模型和基于集中参数等效电路的数学模型。对于变频调速而言，多采 用前者，对于软起动而言，一般采用后者1 。异步电动机的定、转子绕组与 普通双绕组变压器的一次、二次绕组一样，两者之间只有磁的耦合，而无电 的联系。如果不改变定子绕组中的物理量( 定子的电动势、电流及功率因数 等) 和异步电动机电磁性能的前提下，将转子绕组进行归算，然后将归算过 的转子绕组与定子绕组直接联系起来，就得到异步电动机的等效电路。基于 等效电路的数学模型如下图2 1 所示。这个电路叫做异步电动机的t 形等效 电路，用这种等效电路就可以很方便地分析电动机的运行特性。 r 1 i 。x 。ok i ： 1 - s 趟 s 图2 1 异步电动机的等效电路 由等效电路，可以得到异步电动机的电势平衡和磁势平衡等基本方程式。 8 哈尔滨l ：稃大学硕十学何论文 u l = 一e l + ，1 ( r l + 工v l 仃) 弘耻以等堋，) ( 2 - 1 ) si z - l l + i ；= ，。 一e 1 = i 。( r 。+ 弘。) 式( 2 i ) 中，汐，、宣、t 一定子绕组的电压、电动势、电流相量 足、x 。一定子绕组的电阻、漏电抗 度、i ：一转子绕组的电动势、电流相量折算值 r ；、x ；。一转子绕组的电阻、漏电抗折算值 r 。、x 。一定子铁心损耗相对应的励磁电阻、主磁通相对应的铁心磁路 的励磁电抗 ，。一励磁支路电流的相量 图2 1 所示的t 形等效电路是一个复联电路，计算和分析都比较复杂。 因此，在实际应用时，常把励磁支路移到输入端，因为励磁电流占总负载电 流的比例并不很小，故励磁支路只能前移，不能略去。等效电路中各个电阻 和电抗的数值可以通过实验或者计算的方法获得，于是可以很方便的用解电 路的方法计算感应电动机的各种运行特性2 1 。在工程计算中，可以更进一步 的化简，这样，电路就简化为单纯的并联支路，使计算更为简化，就可以得 到异步电动机简化等效电路，常用简化等效电路如图2 2 所示。 t d t i i i x i ox ；oi ： 1 一sd ， k s 图2 2 异步电动机的简化等效电路 这种等效电路称为异步电动机近似的等效电路。不难看出，这样算出的 9 哈尔滨i i 程大学硕十学何论文 定、转子电流将比用t 形等效电路算出的稍大，且电动机相对偏差越大。异 步电动机的t 形等效电路以电路形式综合了异步电机的电磁过程，因此它必 然反映异步电机的各种运行情况。 2 1 2 异步电机的运行情况 下面从t 形等效电路去看异步电动机典型的运行情况。 1 异步电动机空载运行 异步电动机空载时，转子转速与同步转速非常接近，因此转差率s 0 ， t 形等效电路中代表机械负载的附加电阻= = r ：专0 0 ，转子相当于开路情 s 况，这时定子电路中的电流j 。滞后于外加电压d ，的相位差接近9 0 。电角度n 3 1 。 所以异步电动机空载运行时，功率因数是滞后的，而且很小。 2 异步电动机在额定负载下运行 异步电动机带有额定负载时，转差率s 大约为5 ，这时归算过的转子 电路中的总电阻尺形为归算过的转子电阻r ；的2 0 倍左右，这使归算过的转 子电路基本上成为电阻性的，所以转子电路的功率因数较高4 1 。虽然定子电 流j 。由励磁电流乞和负载分量一定合成，定子的功率因数决定于这两部分电 流的滞后程度，但是在负载情况下，一昱这个分量比j 册大得多，一是的电阻 性程度起主要作用，因此定子的功率因数能达到0 8 0 8 5 。由于负载时定子 漏阻抗压降j ，z 的影响不大，瘩和相应的主磁通比空载时略小。 2 1 3 异步电动机的起动特性 1 异步电动机起动电流 异步电动机的定子电流方程式为： i l = ，。+ ( 一彩 ( 2 2 ) 空载时，转子电流，；0 ，此时定子电流几乎全部为励磁电流，。随着 负载的增大，转子转速下降，转子电流增大，定子电流及磁动势也随之增大， 以抵消转子电流产生的磁动势，保持磁动势的平衡。定子电流几乎随p 按正 1 0 哈尔滨l ：科人j 学硕十宁何论文 比例增加引。 异步电动机以自身的感应电动势来平衡外加电压，在电动机起动开始的 时候，感应电动势随着转子的转速的增加而逐渐增大。电动机起动瞬间，实 际上为转子堵转状态。异步电动机堵转时，n = 0 ，则s = l ，代表机械负载的附 加电阻( 1 一s ) r 名= o ，相当于电路短路状态。所以起动电流( 即堵转电流) 很大，而功率因数也较低。由简化等效电路可以得到，电动机的转子电流： e = 1 亏兰一 ( 2 - 3 ) 儿+ 墅) z 郴一z 由于起动时转子电流很大，励磁电流在起动电流中所占的比重就很小， 可以忽略不计。因此异步电动机的起动电流为： l f “丽零u 磊i 丽 g 4 当异步电动机在额定负载下运行时，它的转差率s 很小，仅为2 5 ， 假设s 、，= 5 ，则 堕：旦：2 0 r 2 ( 2 - 5 ) s 、，0 0 5 在起动丌始的瞬间，s = 1 ，代入式( 2 - 5 ) 可见s 将由2 0 r ；变为r ；。这样， 起动时的电动机阻抗明显减小，因此电动机的起动电流就会显著变大。 2 异步电动机起动转矩 稳念运行时，异步电动机的转矩平衡方程式为疋。= t o + 疋。因为输出功 率足= 疋q ，所以乙= 7 o + b q 。异步电动机负载不超过额定值时，转速 和角速度变化很小，而空载转矩瓦又可认为基本上不变，所以电磁转矩特性 疋。= f ( p 2 ) 近似为一条斜率为1 n 的直线。 由异步电动机的功率平衡及转矩平衡关系，可得异步电动机的电磁转矩： 丁：鱼： q 3 口塑业3 口堕 蔓 ： 点 一2 ：m q 1 6 0 ( 2 6 ) 哈尔滨f ：稃人学硕十学何论文 式( 2 6 ) 中q 是旋转磁场的i 叫步角速度 q ，：堕：一2 n 盟：盈 ( 2 7 ) 6 06 0 pp 将式( 2 3 ) 代x ( 2 6 ) 中，可得 ，3 u 2 竺 t = , i t = = 曼一 ( 2 8 ) q t ( r 。+ 堕) z + ( 置，+ 黾) z 卜 由式( 2 8 ) 可知，当频率不变的时候，同步角速度及电动机参数( 电阻、电 抗) 为常数，电磁转矩t 是定子电压u 和转差率s 的函数6 1 。当转差率s 一定 时，t 与u 成正比，u 越大，t 也就越大。 在电动机起动的瞬间，转差率j = 1 ，则起动转矩为： 驴击= 雨番 ( 2 - 9 ) 由式( 2 9 ) 可见，在电动机参数一定的情况下，起动转矩仅和定子电压u 有关。通过控制电动机的起动电压，就可以避免起动转矩和起动电流的峰值 过大。在降低初始起动电压和减小起动电流的同时，也降低了起动转矩”。 在一定的转差率下，当电源频率和电动机的参数都不变时，起动转矩与电动 机定子端的电压的平方成正比，起动电流与定子端的电压成正比。当异步电 机起动时，若将电机直接加在电网上，电动机电压从零突变到电网电压将会 产生很大的冲击转矩和冲击电流，对电网和设备都产生很大的不利影响。因 此，要通过控制定子电压对起动转矩和起动电流进行控制，这个理论依据被 很多起动方式和起动设备所采用。 2 1 4 异步电动机的转速和功率因数特性 1 异步电动机转速特性 异步电动机的转差率s 、转子铜耗只- ，和电磁功率的关系如下： ，2 s ：鱼竺：1 一旦：鲤：丝盟 ( 2 1 0 1 n on op e mm 2 e 2 j 2c o s 缈2 。 当电动机空载时，输出功率只0 ，在这种情况下，0 。上列关系显 1 2 哈尔滨i ：稃人学硕十学何论文 示出转差率s 差不多与，成正比，所以s 0 ，转速接近同步转速，即n n 。 负载增大时，必然使转速略有下降，转子电动势最，增大，所以转子电流，：增 大，以产生更大的电磁转矩去和负载转矩平衡8 1 。因此，随着输出功率只的 增大，转差率s 也增大，则转速稍有下降，为了保证电动机有较高的效率， 在一般异步电动机中，转子铜耗很小，额定负载时转差率为1 5 , - - - 5 ，相 应的转速胛= ( 1 一s 。) n 。= ( 0 9 5 - - 0 9 8 5 ) ，所以异步电动机的转速特性为一条 稍向下倾斜的曲线，这与并励直流电动机的转速特性极为相似。 2 异步电动机功率因数特性 由异步电动机等效电路求得的总阻抗是感性的，所以对电源来说，异步 电动机相当于一个感性阻抗，则其功率因数总是滞后的，它必须从电网吸取 感性的无功功率。空载时，定子电流，基本上是励磁电流，主要用于无功励 磁，所以功率因数很低，约为0 1 0 2 。当负载增加时，转子电流的有功分量 增加，定子电流的有功分量随之增加，即可使功率因数提高，在接近额定负 载时，功率因数达到最大”引。由于在空载到额定负载范围内，电动机的转差 率很小，而且变化也很小，所以转子功率因数角驴= a r c t g x ，s r 2 几乎不变， 但负载超额定值时，s 值就会变得较大，因此矽也变大，转子电流中的无功分 量增加，从而使电动机定子功率因数又重新下降。 2 2 晶闸管调压原理 异步电机软起动器主电路串接于三相电源和被控电机间，主要由三对反 并联晶i 甲j 管构成调压电路。目前晶闸管电路调压主要有两种方式：一种是相 控调压，即通过加到晶闸管的门极脉冲相位的改变来调整输出电压。另一种 是斩波调压，即相当于把晶闸管当作静止接触器，交替的接通和切断几个周 期内的电源电压，通过改变接通的和切断的电源电压周期数来改变输出电压 的有效值。但是用在异步电动机定子上的斩波调压，通断交替的频率不能太 低。因为频率太低一方面会引起电动机转速的波动，每次接通电流都相当于 一次异步电动机重合闸过程m 1 。通断交替的频率也不能太高，如果频率太高 每次通断时问间隔中交流电周波数较少，采用整周波斩波的控制方法会使调 速不够平滑，所以在异步电动机的调压控制中多采用相控技术。虽然采用相 控技术在输出电压波形中含有相当大的谐波，在异步电动机中会引起附加损 耗，产生转矩脉动等不良影响。总体来看相控调压还是优于斩波调压的，本 课题采用的就是相控调压方法。 2 2 1 单相晶闸管输出电压分析 要实现异步电动机的平稳起动，需要控制电机的定子端输入电压，使其 按照某种规律由小到大逐渐上升。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。晶闸管调压电路实质上是对电源电压进行斩波。晶 闸管调压获得的电压是非j 下弦的，但是每相电压的正负半周是对称的犯1 1 。晶 闸管任意一相的电压波形如图2 3 所示。其中电网电压的波形是完整的正弦 波，口是晶闸管的触发角，汐是负载的功率因数角( 也叫晶闸管的续流角) ，护 是晶闸管的导通角。 u jl 。万嘲一 一 - - 矽一 甏 + 口卜秒 图2：3 单相晶闸雀 输出电压 由上图可以艮容易地推导出触发角口、功率因数角够以及导通角0 2 _ f 自j 的关系： 口= 7 一口+ (伊 ( 2 - 11 ) 输出电压有；女值的表达，式为： u 。= 昙静u ，s t n 口，2 d 口+ 夏u ，s i n o r ) 2 如 u ， mi ，1 (，。，) ，y 、，) 、 2 疡、| 伊堋吲一歹c u “缈。5 u 比“ 二 其中u s 为电源相电压有效值。在调压时，每一相负载上所得到的电压 1 哈