（电力电子与电力传动专业论文）基于现场总线的异步电动机综合控制系统研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 k b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y , t h ep r o d u c t i o n s c a l eo fm a n yi n d u s t r i e si s b i g g e ra n db i g g e r t h eq u a n t i t ya n dr a n g eo fh i g hv o l t a g ei n d u c t i o nm o t o r i sm o r e w i d e s p r e a du s e d i ti sw e l lk n o w nt h a ti n d u c t i o nm o t o r w h i c hi sd i r e c t o ns t a r t i n g h a sm a n ym a l p r a c t i c e s w h e nt h ei n d u c t i o nm o t o rl i g h t l o a d i n gi sn m n i n g ，t h e p o w e rl o s e si n c r e a s e ，t h ee f f i c i e n c ya n dp o w e rf a c t o r sb o t hg r e a t l yr e d u c e w h e n m a n yi n d u c t i o nm o t o r sa r eo p e r a t i n g ，t h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e nc o m p u t e ra n d c o n t r o l l e r si sv e r yd i f f i c u l t t h e r e f o r ei th a se x t r e m e l yv i t a ls i g n i f i c a n c e t o i m p l e m e n te f f e c t i v ec o n t r o lo ni n d u c t i o nm o t o r , a v o i d i n gt h ee l e c t r i c a ln e t w o r k i m p a c t ，g u a r a n t y i n gt h es e c u r i t yo ft h ei n d u c t i o nm o t o ne n a b l i n gt h ec o m p u t e r c o n t r o lg r o u pi n d u c t i o nm o t o r s f i r s t l y , t h ed e v e l o p m e n to ft h es o f ts t a r t i n ga n ds a v i n gc o n t r o lf o rh i 曲 v o l t a g ei n d u c t i o nm o t o ra n dt h ef i e l db u st e c h n o l o g ya r ei n t r o d u c e da th o m ea n d a b r o a di n t h i sp a p e r i ti sa n a l y z e dt h ev a r i a t i o no fc u r r e n ta n dt o r q u ed u r i n g i n d u c t i o nm o t o rs t a r t i n gp r o c e s s t h ep r i n c i p l eo ft h es c ra d j u s t i n gv o l t a g e c i r c u i ta n dt h es t a r t i n gm o d e lo fs o f ts t a r t e ra r ei n t r o d u c e d t h ev o l t a g ea d j u s t i n g m o d e ls c ri su s e di nt h i sp a p e r t h es i m u l a t i o nm o d e lo fh i g hv o l t a g ei n d u c t i o n m o t o r ss o f ts t a r t i n gc o n t r o li sc r e a t e db ym a t l a b t h es o f ts t a r t i n g c o n t r o l m o d e lo ft h ec u r r e n t - l i m i ts t a r ta n dt h ev o l t a g e s l o p es t a r ta r es i m u l a t e d t h e r e s u l t so ft h es i m u l a t i o np r o v e dt h a tt h es o f ts t a r t i n gc o n t r o lc a ne f f e c t i v er e d u c e s t a r tc u r r e n ta sh i g hv o l t a g ei n d u c t i o nm o t o rs t a r tu pd i r e c t l ya n dt h em o t o rc o u l d s t a r tu ps m o o t h l y s e c o n d l y , t h ep o w e ra n dt h ed i s s i p a t i o no fi n d u c t i o nm o t o ra r e a n a l y z e d t h ec h a n g er u l eo f t h ei n d u c t i o nm o t o rp o w e rf a c t o ra n g l e ，t h ee f f e c t o ft h es t a t o rt e r m i n a lv o l t a g ea n dt h ed e t e c t i o nm e t h o do fp o w e rf a c t o ra n g l eh a v e b e e ns t u d i e d w h e nt h ei n d u c t i o nm o t o ri sr u n n i n gi no n - l o a do rl i g h t l o a d ，t h e p o w e rf a c t o ra n g l e c l o s e dp o w e r - s a v i n gc o n t r o li sp r o p o s e d t h es i m u l a t i o n m o d e lo fi n d u e t i 矗m o t o rp o w e r - s a v i n gc o n t r o li se s t a b l i s h e db ym a t l a ba n d t h ep o w e rf a c t o ra n g l ec l o s e dp o w e r - s a v i n gc o n t r o li ss i m u l a t e d t h er e s u l t so ft h e s i m u l a t i o np r o v e dt h a tp o w e rf a c t o ra n g l ec l o s e dc o n t r o ls a v e sp o w e ro b v i o u s l y 哈尔滨工程大学硕士学位论文 t l b i r d l v t h ep r o b l e mo ft h es e r i e sc o n n e c t i o no fs c rt os o f t - s t a r t i n go fi n d u c t i o n m o t o rt h es t a t i ca n da c t i v ev o l t a g eb a l a n c i n ga r es t u d i e d 孔es i m u l a t i o nm o d e lo f s c rs e r i e si sc r e a t e db yp s p i c e t h ev o l t a g eb a l a n c i n gc i r c u i ta n dn ov o l t a g e b a l a n c i n gc i r c u i ta r es i m u l a t e da n dt h ep a r a m e t e ri sd e f i n e d t h er e s u l t so ft h e s i m u l a t i o np r o v e dt h a tv o l t a g eu n b a l a n c i n go fs e r i e ss c r si ss o l v e da n ds o m e s e r i e ss c r sv o l t a g eb a l a n c i n gi sw e l lc o m p l e t e d f i n a l l y ，t h es o f t w a r ea n d h a r d w a r eo ft h e6 l l l i 幽v o l t a g ei n d u c t i o nm o t o rc o n t r o l l e ri sd e s i g n e d a sf o r t h ep a r to fs o f t w a r e ，c u r r e n ta n dv o l t a g ez e r oc r o s sd e t e c t i o nc i r c u i t ，s y n c h r o n i s m s i g n a ld e t e c t i o nc i r c u i t ，c u r r e n ta n dv o l t a g e d e t e c t i o nc i r c u i ta n dc a nb u s i n t e r f a c ec i r c u i ta n ds oo na r ed e s i g n e d a sf o rt h ep a r to fh a r d w a r e ，t h eo v e r a l l d e s i g na n dt h em a i nf l o w c h a r ta r eg i v e n t h e nt h ep r o g r a mt h o u g h ta n d i m p l e m e n tm e t h o ds u c ha s 删u s t i n gv o l t a g em o d u l e ，p o w e r - s a v i n gm o d u l e ，c a n c o m m u n i c a t i o nm o d u l ea r eg i v e n t h ec o m p u t e rm o n i t o ri n t e r f a c ei sd e s i g n e d k e yw o r d s ：h i 曲v o l t a g ei n d u c t i o nm o t o r ；s o f ts t a r t i n g ；p o w e r - s a v i n g ；c a nb u s 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 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，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，均己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) 一堑丕 日 期：a 刀谚年多月仞日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 课题的背景 第1 章绪论 近几年来，随着经济的发展，许多行业的生产规模越来越大，使用高压 电机的数量越来越多，范围也越来越广。现在高压电机已广泛应用于冶金、 钢铁、石油、化工、水厂、电厂、机械加工厂等行业。据2 0 0 2 年电动机调 速技术产业化途径与对策的研究报告，全国仅风机泵类设备就达6 0 0 0 万 台，其中低压小容量电动机与高压大容量电动机的比例为4 ：l ，即仅风机泵 类设备的高压电动机达1 2 0 0 万台以上，如果再加上其他机械设备上所用的高 压电动机，其数量将是非常大的【1 】。高压异步电动机成为越来越多研究者关 注的焦点。 1 1 1异步电动机的起动 电动机起动是个非常重要的问题【2 】，目前很多场合的电机还在使用直接 合闸的起动方式，即直接起动。直接起动方式虽然起动简单，但是电机在直 接起动时会产生很大的瞬间电流冲击，其起动电流有效值可高达额定电流的 5 - - - 7 倍，甚至更大。过大的起动电流大大缩短电动机的使用寿命，对电网产 生冲击，造成供电线路产生较大的线路压降，使电网电压波动，影响供电线 路中其它用电设备的正常运行。电动机直接全压起动时的大电流在电机定子 线圈和转子鼠笼条上产生很大的冲击力，会破坏绕组绝缘，造成鼠笼条断 裂，引起电机故障，大电流还会产生大量的焦耳热，损伤绕组绝缘，减少电 机寿命。另外，电机所带的设备如齿轮传动设备，皮带传动设备将在此冲击 力作用下容易磨损齿轮甚至拉断皮带，对泵类负载的水锤效应等。 世界各国为了保证电网的供电品质，对电动机的起动有明确规定。我国 规定，在电动机起动时，电网电压的下降不能超过网压1 5 。这对用户来 讲，无非有两种解决方法：一是增大用户契约配电容量；二是采用起动设备 限制电动机的起动电流。如果只为起动电动机而增大契约配电容量，从经济 上来讲是不可取的。因此，需要对电动机的起动加以控制，限制其起动电 哈尔滨工程大学硕士学位论文 萱i 墨置宣昌瞄i t ti 暑置_ 流。限制起动电流常用降低电机定子输入电压的方法来实现。从2 0 世纪6 0 年代至今，所采用的降压起动的方法有：自耦变压器起动、串电抗器起动、 y 转换起动、延边三角形起动、电阻调节起动等等。其中自耦降压起动设 备复杂；y 转换起动附加设备少，操作简便，但起动电流仍较太，只适合 小型电动机起动；延边三角形的起动电流亦较大。采用这些起动方式起动时 降低了加在定了绕组的电压，起到了一定的限流作用，但仍存在着以下问题 1 6 1 ：第一，它们通常是靠接触器来切换电压以达到降压目的，所以无法从 根本上解决起动瞬间电流尖峰的冲击；第二，起动转矩不可调，起动时存在 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；第三，由于起动过程中，接触器是带载切换，因而容易造成接触器触点 拉弧损坏等。 随着电力电子技术的快速发展，各种电力电子器件出现，基于晶闸管调 压原理的电机软起动器逐渐发展起来。电机软起动器解决了电压连续可调的 问题，省去接触器、继电器等设备，减小了设备体积，具有可控性好等优 点。电机软起动器是基于晶闸管调压的原理，晶闸管的输出电压由小至大逐 渐调节，从而减小了起动电流的冲击。 1 1 2 异步电动机的节能控制 电动机是工农业生产及日常生活中耗电量最多的一种电气设备。据资料 统计，仅三相异步电动机的用电量就占全国总用电量的6 0 以上，其中高压 异步电动机占总异步电动机的2 0 以上。有相当多的异步电动机及其拖动系 统还处于非经济运行的状态，白白地浪费了大量的电能1 3 1 。究其原因，大致 是由以下几种情况造成的：一是由于大部分电机采用直接起动方式，除了可 能对电网及拖动系统造成冲击和引发事故之外，超出正常5 7 倍的起动电流 会造成巨大的能量损耗；二是在进行电动机容量选配时，往往片面追求大的 安全余量，且层层加码，结果使电动机容量过大，造成“大马拉小车”的 现象，导致电动机偏离最佳工况点，运行效率和功率因数降低；三是从电动 机所拖动的生产机械自身的运行经济性考虑，往往要求电力拖动系统具有变 压、变速调节能力，若用定速定压拖动，势必造成大量的额外电能损失。许 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 多负载，如空气压缩机等，一旦压力达到规定值后，电动机只需提供很小的 机械功率即能维持。风机和水泵不同时间或季节，要求不同的风量或水量， 故电动机轻载运行的时向往往占它运行寿命的大部分。在轻载，尤其是负载 率低于2 0 的情况下，由于有功电流很小，而无功电流不变、激磁损耗( 铁 耗) 不变。因此，功率因数和效率就很低。由于激磁的非线性特性，当定子 电压降低时，无功电流比电压调整率( 定子电压与定予额定电压之比) 降低 得更快。因此，适当降低定子电压以后，提高功率因数与效率，对异步电动 机进行节能控制是十分必要的。 电动机的非经济运行情况，早已引起国家有关部门的重视，并在1 9 9 0 年 制定了强制性的国家标准，先后在1 9 9 5 年和2 0 0 6 年分别修定了强制性的国家 标准：三相异步电动机经济运行( g b l 2 4 9 7 1 9 9 5 和g b l 2 4 9 7 2 0 0 6 ) 。 国家希望依此来规范三相异步电动机的经济运行，国标的发布对异步电动机 的经济运行起了很大的促进作用。 1 1 3 现场总线技术 软起动节能器有很多优点，然而，目前国内生产的异步电机的软起动节 能器大多数都不带通信接口，有一些带通信接口的，也多为r s 2 3 2 或r s 4 8 5 串行总线。r s 2 3 2 传送距离短( 1 5 m 以内) ，自身的抗干扰能力不强， 而工业控制现场往往有强烈的干扰。因此，r s 2 3 2 标准不适用作为现场控 制。r s 4 8 5 标准相对于r s 2 3 2 标准由于采用了差分信号传输，传送距离远 ( 1 2 0 0 m 以内) ，且具有较高的抗干扰能力。然而，r s 4 8 5 总线同样具有不 适合工业现场控制的特点。第一，r s 4 8 5 每个字节都有起始位和终止位，因 此效率不高，灵活性差，尤其是错误处理能力不强；第二，r s 4 8 5 标准是一 个主从式结构，总线上只能有一个主节点对系统进行总的调度，不易构成多 主结构系统。第三，网络中任一次数据传输都由主节点发出命令开始，从节 点接收命令后响应主节点，降低了网络传输效率。这些有碍于电动机机群的 进一步网络化发展和企业综合自动化的实现。在此背景下，对工业自控领域 内最具前途的现场总线技术之一，即控制器局域网( c a n ) 总线技术【4 】 5 1 的应用与开发是符合我国国民经济发展需要和市场需的。 哈尔滨 = 程大学硕士学位论文 早在2 0 世纪8 0 年代中期，国外就提出现场总线。近十年，世界上出现了 多种现场总线的企业、集团和国家标准，无统一的国际标准可遵守。出现此 种情况有两方面的原因。一方面是技术原因。现场总线是用于过程自动化和 制造自动化最底层的现场设备或现场仪表互联的通信网络，涉及到行业的方 方面面，不仅有技术问题，而且有不同行业标准和用户习惯的继承，还有不 同类型网络互联的协议制定。第二是商业利益。国际标准的制定不是空想， 而是要参照现存的的企业、集团或国家标准吸取众家之长，这就是各个企业 拼命想扩大自己已有技术在国际标准中占有更多的份额以使国际标准能对自 己产生更有利的影响，占领更多的市场，带来更多的经济利益。结果是互不 相让，各干各的，导致目前多种现场总线共存的局面 6 1 。目前较为流行的现 场总线主要有f o u n d a t i o nf i e l d b u s ( f f ) ，l o n w o r k s ，p r o f i b u s ，h a r t ， c a n 。它们具有各自的特色，在不同应用领域形成了自己的优势。 1 基金会现场总线。基金会现场总线，即f o u n d a t i o nf i e l d b u s ，简称 f f ，这是在过程自动化领域得到广泛支持和具有良好发展前景的技术，它 以i s o o s i 开放系统互连模型为基础，取其物理层、数据链路层、应用层为 f f 通信模型的相应层次，并在应用层上增加了用户层。f f 分低速h 1 和高速 h 2 两种通信速率。h 1 为用于过程自动化的低速总线，波特率为3 1 2 5 k b p s ， 传输距离2 0 0 - - 1 9 0 0 m ( 取决于传输介质) ，总线供电，提供本质安全型。 h 2 为用于过程自动化的低速总线，波特率为1 m b p s ，传输距离7 5 0 m 或波特 率2 5 m b p s ，传输距离5 0 0 m 。h 1 每段节点最多3 2 个，拓扑结构为总线型或树 型，h 2 每段节点最多1 2 4 个，拓扑结构为总线型。物理传输介质支持双绞 线、同轴电缆、光纤和无线电，协议符合i e c l l 5 8 2 标准。为满足用户需 要，h o n e y w e l l ，r o n a n ，v l s i ，y o k o g a w a 等公司已开发出可完成物理层和部 分数据链路层协议的专用芯片，许多仪表公司已开发出符合f f 协议的产 品。 2 l o n w o r k s 。局域操作网络，即l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k ，简称 l o n w o r k s ，它是又一具有强劲实力的现场总线技术，它是由美国e c h e l o n 公 司推出并由他与摩托罗拉、东芝公司等共同倡导的，于1 9 9 0 年正式公布而形 成的。它采用了i s o o s i 模型的全部七层通信协议，采用面向对象的设计方 法，通过网络变量把网络通信设计简化为参数设置，当通信速率为7 8 k b p s ， 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 传输距离为2 7 0 0 m ；当通信速率为1 5 m b p s ，传输距离为1 3 0 m ，节点数为 3 2 0 0 0 个。支持双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线、电源线等多种通 信介质。开发了相应本质安全防爆产品，被誉为通用控制网络。l o n w o r k s 现场总线技术所采用的l o n t a l k 通信协议被封装在被称之为n e u r o n ( 神经元) 的芯片中并得以实现。即神经元芯片是加载l o n t a l k 通信协议的平台，它的 作用不仅仅是一个处理器，一个芯片，而是一个平台，一个系统的途径。用 神经元芯片配以不同的通信媒介收发器，就可以完成绝大多数l o n w o r k s 控 制设备的需要。n e u r o n 芯片中有3 个8 位的c p u ，分工处理协议的不同层。 3 p r o f i b u s 。过程现场总线p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s ) 是作为德国国 家标准，1 9 9 1 年在d i n l 9 2 4 5 中公布了标准。i s o o s i 模型也是它的参考模 型。p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s f m s 和p r o f i b u s p a 组成了p r o f i b u s 系列。d p 型用 于分散外设间的信息传输，适合于加工自动化领域的应用。f m s 意为现场总 线信息规范，适用于纺织、楼宇自动化、可编程控制器、低压电器开关等基 础自动化。而p a 型则是适用于过程自动化，通过总线供电，提供本质安全 型，可用于危险防爆区域，它遵从i e c l1 5 8 2 标准。 4 h a r t 。h a r t 是h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et r a n s d u c e r 的缩写。 最早由美国r o s e m o u n t 公司开发并得到了8 0 多家著名仪表公司的支持，并于 1 9 9 3 年成立了h a r t 通信基金会。这种被称为可寻址远程传感高速通道的开 放通信协议，其特点是在现有模拟信号传输线上实现数字通信，属于模拟系 统向数字系统转变过程中工业过程控制的过渡性产品，因而在当前的过渡时 期具有较强的市场竞争能力，得到了较好的发展。h a r t 通信模型由3 层组 成：物理层、数据链路层和应用层。h a r t 能利用总线供电，可满足本质安 全防爆要求。 5 c a n 总线。c a n 总线是本文要加以讨论的主题。 控制器局域网络c a n ( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 的简称，最早是由德国 b o s c h 公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线 规范现已被i s o 国际标准化组织制订为国际标准l1 8 9 8 。得到了m o t o r o l a ， i n t e l ，p h i l i p s ，n e c ，s i e m e n s 等公司的支持，已广泛地应用在集散控制领 域。c a n 总线协议也是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上 的。不过，其模型结构只有3 层，只取i s o 底层的物理层、数据链路层和应 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 用层。其信号传输介质为双绞线和光纤等。c a n 支持多种工作方式，网络 上任何节点均可在任意时刻主动向其它节点发送信息，支持点对点，一点对 多点和全局广播方式接收发送数据。它采用总线仲裁技术，当出现几个节 点同时在网络上传输信息时，优先级高的节点可以继续传输数据，而优先级 低的节点则主动停止发送，从而避免了总线冲突。c a n 属于总线式串行通 信网络，由于其采用了许多新的技术和独特的设计，与一般通信总线相比， c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点可概括 如下： 1 c a n 总线是目前为止唯一具有国际标准的现场总线； 2 c a n 总线实现全分布式、多机系统且无主、从机之分。网络上任一 节点均可以在任意时刻主动地向网络上其它节点发送消息。用此特点可以方 便的构成多机备份系统； 3 c a n 总线网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时 要求，高优先级的数据最多可在1 3 4 u s 内得到传输； 4 c a n 总线采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送 数据时，优先级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点可不受影 响地继续传输数据，从而大大地节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负 载很重的情况下也不会出现网络瘫痪的情况； 5 c a n 总线只需通过报文滤波即可以实现点对点、一点对多点以及全 局广播等几种方式发送数据和接收数据； 6 c a n 总线的直接通信距离最远可达至l j l o k m ，此时的速率在5 k b p s 以 下；通信速率最高可达到1 m b p s ，此时的通信距离最长为4 0 m ； 7 c a n 总线上的节点数目主要取决于总线驱动电路的驱动能力，目前 最多可达到11 0 个； 8 对于扩展标准c a n 2 0 b ，报文标识符几乎不受限制，支持4 种报文 帧：数据帧、远程帧、出错帧、超载帧。报文采用短帧结构，数据段长度最 多为8 个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一 般要求。传输时间大大缩短，受干扰概率低，具有非常好的检错效果。占用 总线时间短，从而保证了通信的实时性； 9 c a n 总线的每帧信息都有c r c 校验及其它检错措施，保证了数据 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 d ti i 出错率降到很低的水平，保证了数据通信的可靠性； 1 0 c a n 总线的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活； 1 1 c a n 总线的节点具有自动关闭功能，当节点错误严重的情况下， 自动切断与总线的联系，以使总线上其他节点的操作不受影响； 1 2 c a n 总线具有较高的性能价格比。 本文研究带c a n 总线接口的软起动节能控制器，可以解决传统软起动 节能器现场通信的不足，实现电动机的群控，促进企业综合自动化的底层网 络建设，并能带来显著经济效益。 综合以上几点，对高压异步电动机基于现场总线的综合控制系统的研究 是非常有意义的。 1 2 国外在高压异步电机软起动节能方面的发展现状 国外从六、七十年代就开始了对中、小型异步电动机的节能研究【7 】【8 1 ， 1 9 7 5 年美国宇航局工程师f r a n kn o l a 为了减少航天飞机上泵和风扇的能耗 而研制了功率因数控制器。通过后面的分析可以得出：即在定子电压一定的 情况下，只要电动机运行时的负载率小于额定负载率，交流异步电动机的功 率因数基本是和它的负载率成一一对应的关系。这种装置的工作原理是通过 检测功率因数作为控制输入电压的信号，并通过该类装置控制定子端电压来 调节输入功率，使其随负载的变化而变化。该类装置空载时的节电率为 4 0 左右，总的节电率大致为2 0 左右，功率因数有一定改善，但并未超过 0 5 。利用晶闸管交流调压技术研制的软起动器是从7 0 年代开始应用的，后 来美国宇航局工程师诺瓦又把功率因数控制技术结合进去，以及采用微电脑 代替了模拟控制电路，发展成现在的智能化电机节能控制器。 目前，世界上有许多公司生产软起动器。例如：美国a l l e n b r a d l e y 公 司在9 0 年代初期推出了系列的智能控制器( s m c s m a r tm o t o rc o n t r o l l e r ) ； g e 公司生产的软起动器最大功率为8 5 0 k w ，额定电压5 0 0 v ，额定电流 1 1 8 k a ，最大起动电流为5 9 k a ；在欧洲，德国的金钟默勒公司的s o f t p a c t 系列起动器在欧洲销售得较好；意大利s i e i 公司生产的软起动器额定电压 达到6 9 0 v ，额定电流达到1 6 k a 。在国外，晶闸管三相交流调压起动技术 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的研究已从对通过控制电机电流的开环，闭环方式，发展到通过建立比较准 确实用的数学模型，找到适于三相交流调压电路电机负载的控制方法，从而 使三相交流调压电路电机负载性能更好。如降压变频调速中的矢量控制和磁 场定向控制的引入，创立软起动技术的转矩控制等等。在没有调速要求的场 合，轻载起动采用晶闸管软起动，负载功率比较大或重载的场合采用变频软 起动，晶闸管软起动装置是发达国家主流产品。各知名电器公司均有自己的 晶闸管软起动节能器品牌，在功能上也各具特色，但生产高压( 6 1 0 k v ) 晶闸管软起动节能产品的厂家不多。最高电压等级为1 2 k v , 最大容量为 5 0 0 0 k w 。 以上的电机控制器都有优良的性能。它们集软起动、节能、电机保护于 一体，并且有良好的用户界面，通过键盘和液晶显示器可以方便的设置系统 参数和得到控制器运行状态。 1 3 国内在高压异步电机软起动节能方面的发展现状 由于能源紧缺我国也从七十年代开展了大规模节能装置的研究【9 11 1 0 1 。 据国家第七批节能产品推广项目介绍，研制出了i d ，d j z ，x s z 等等一大 批系列节电器。其空载节电率大于3 0 左右，轻载( 小于3 0 负载率) 为 3 3 - 4 3 左右。与国外相比，国内集软起动、节能、保护于一体的电机节能 控制器的研制起步较晚，但发展很快。目前市场上已有天津、上海、西安等 多家企业的产品，系列产品达到3 2 0 k w 。就高压交流异步电动机而言，需 要软起动的电机数量尽管相对较少。但是，在全部软起动装置的总容量上大 约占了一半。对这类电动机，软起动的迫切性一点也不亚于低压电动机。从 一些文献看，国内电气公司数字式软起动产品适用的电压等级是( 3 8 0 v ) 的，但是，在3 1 0 k v 这样的电压等级范围内，电力电子软起动产品还不 多见。而且这些产品功能还不完善，性能不稳定，界面不友好，同国外产品 比较还有很大差距。而国外产品价格昂贵，操作复杂，对使用人员要求高， 限制了在国内的推广。在应用上，国内使用智能型电动机节能控制器的场所 还很少，传统的异步电动机起动器仍继续占领市场，所以目前研究智能型电 机节能控制器这种产品有非常广阔的市场前景。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 随着电力电子器件和电力电子技术的发展，用电力电子调压装置起动高 压异步电动机是一种理想的选择，适合在我国发展。晶闸管软起动的降压是 通过串联在电动机定子回路里的晶闸管实现的，晶闸管导通的占空比调节是 通过改变晶闸管的触发角完成。晶闸管通态和断态均无大的功耗是这类装置 的优势，另一优势来自微电子，便于实现智能化，使得电力电子软起动节能 装置越来越成为异步电动机软起动的主流产品。 1 4 本课题研究的主要内容 本文在以前研究工作基础上，对额定电压为6 k v , 额定功率为18 5 k w 的 高压异步电动机进行了基于现场总线( c a n 总线) 的软起动节能控制系统 的研究，研究的主要内容如下： 1 研究了高压异步电动机软起动控制，运用m a t l a b 搭建软起动控 制系统的仿真模型，并进行仿真。得到了高压异步电机在软起动过程中的转 速、电流的波形。 2 研究了高压异步电动机在运行过程中轻载或空载时节能控制方法， 运用m a t l a b 搭建高压节能控制的仿真模型，并进行仿真。得到了高压异 步电机在不同负载等情况下的功率因数、效率曲线。 3 设计主电路，并对主电路进行仿真。 4 根据系统的要求，设计、制作、调试系统的控制电路和接口电路。 5 系统软件的编程与调试。 6 采用v b 软件作为高级编程工具，设计了系统的上位机监控界面。 实现了p c 机与下位机的数据通信。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章高压异步电动机软起动控制规律研究 2 1 异步电动机起动过程的分析 异步电动机的等效电路图如图2 1 所示【1 1 】。 图2 1异步电动机的等效电路图 图中，吒、，。：定子、转子电阻，q ； 五、x 2 定子、转子漏抗，q ； ，：，i 铁损等效电阻，q ； 檄磁电抗，q ； j 转差率 u 定子电压，v ： ，l 定子电流，a 。 由此，可以得到异步电动机的基本关系式： u 2 垒 r ：旦 点 q 。( 吒+ 立) z + ( x 1 + x 2 ) z 乙= q 册1 。2c o s 呼a 2 ：1 = 亍 ( _ + 2 + ( x l - + - x 2 ) 2 1 0 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 哈尔滨工程大学硕士学位论文 生 c o s 够2 = c o s 2 = 1 亍一 ( 2 4 ) 、( 尘) 2 + x 2 2 1 1 = ( - i 。2 ) + l ( 2 5 ) 若不计，m ，则厶= - i ：即 五= 1 2 ( 2 6 ) 当异步电动机开始起动时，转速n - - - 0 ，即转差率s = l ，分别代入式 ( 2 - 1 ) 、( 2 3 ) 、( 2 - 6 ) 后，便可得到电动机的起动转矩l 和起动电流l ： 瓦2 要1 0 雨赫4 ( x l ( 2 - 7 ) 1 盯 q 。( 吒+ 厂2 ) 2+ x 。2 ) 2 、。7 驴和雨巧谪( 2 - 8 ) 在起动瞬间，转子不能立即旋转，n = o ，转差率s - - 1 ，转子电势最大。从 异步电动机的等效电路可以看出，起动瞬间无机械功率输出， ( 1 一s ) s r ： - - 0 。因此，起动电流，。很大。对于普通的鼠笼式异步电动机，直接起动的 起动电流为额定电流的5 7 倍。国产的某些鼠笼式异步电动机起动电流甚 至达到额定电流的8 1 2 倍。过大的起动电流导致线路压降增大，在电机起 动时间内，使同一供电网络电压降过大，影响其他设备的正常使用，尤其是 其他用电器欠压保护可能要动作。过大的起动电流还可以使电动机绕组因过 流引起高温，从而加速绝缘老化，影响电动机寿命。异步电动机起动电流过 大，尤其是频繁起动时导致保护装置可能动作，能量损失过大，浪费大量的 电能。 直接起动时，起动转矩乙不大，一般为额定转矩的1 2 倍。根据式 ( 2 2 ) 分析，因为起动转矩瓦取决于转子电流的有工分量( 2 c o s c p 。：) 和 气隙磁通。起动时s = l ，转子漏电抗最大，转子的功率因数c o s 呼o ：很 低。很大的起动电流使定子阻抗压降增大，从定子侧电压平衡关系分析，必 然导致电子电势色下降，气隙磁通。降低。 根据上述分析，当电源频率和电动机的参数都不变时，在一定的转差率 下，起动转矩与电机定子端电压的平方成正比，起动电流与电机定子端电压 成正比，即瓦o cu 2 l ，l u i 。因此，可以采用晶闸管交流调压电路，降 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 低加在定子两端的电压，从而减小起动电流。然后逐步升高电压值，使异步 电动机平稳起动。这就是软起动方式所采用的理论依据。通过控制异步电动 机的起动电压，避免了起动转矩和起动电流峰值过大。一方面可以使供电系 统避免遭受到过大起动电流的冲击，另一方面也可以使工作机械免受交流电 动机起动过程中过大的加速转矩应力的冲击，大大地减轻了作用在被传送物 体上的机械应力，减小了工作机械和传动装置零部件的磨损，从而达到减少 维护、提高工作安全性和延长设备使用寿命的目的。 2 2 交流调压软起动的原理 交流调压软起动器【1 2 】的主电路如图2 2 所示，采用三对反并联晶闸管。 电动机的转矩与加在定子端的电压平方成正比，电动机起动电流与定子端的 电压成正比。因此，可以通过控制定子端电压对起动转矩和起动电流进行控 制，定子端电压的控制是通过控制晶闸管的导通角来实现的。晶闸管的控制 方式有两种【1 3 】：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。本文所采用的交流调压方式均指相位控制。 工作时，软起动器接收到控制信号后，根据己设定的参数，控制三相反 并联晶闸管的导通角，使异步电动机按设定模式平滑起动。起动结束后，三 相反并联晶闸管继续工作，对异步电动机进行节能控制，是电机在工作过程 中减少能量的损失，运行在高效率的情况下【14 1 。关于异步电动机的节能控 制这部分内容在第三章将会做详细的介绍。 图2 2 交流调压软起动的主电路 由于图2 2 所示的电路中没有中线，因此在工作时若要负载电流流通， 1 2 哈尔滨 二程大学硕士学位论文 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，本系统采用能够 产生宽脉冲或双窄脉冲的触发电路。 和整流电路一样，交流调压电路的工作情况和负载性质有很大关系。因 此下面就分别予以讨论。单相交流调压电路是三相交流调压电路的基础，这 里就用单相交流调压电路为例进行讨论。 ( 1 ) 电阻负载 图2 3 为电阻负载的单相交流调压电路图。图中的晶闸管v t l 和v t 2 也可 以用一个双向晶闸管代替。在交流电源u 的正半周和负半周，分别对v t l 和v t 2 的触发角口进行控制角可以调节输出电压。正负半周口起始时间 ( 口= 0 ) 均为电压过零时刻。在稳态情况下，应使正负半周的口相等。从 而可以得出，负载电压波形是电源电压波形的一部分，而且负载电流和负载 电压波形相同。原因在于负载为纯电阻性负载，电流与电压同相位。 上述电阻负载电路在触发角为口时，负载电压有效值玑，负载电流有效 值厶分别为： = ( 2 9 ) 一厶寺= u i 1 ；万万- o l ：( 2 - 1 0 ) 由上述各式可以看出，口的移相范围为0 口y 。当口= 0 时，相当于 晶闸管一直导通，输出电压为最大值，砜= u 。随着口的增大，砜逐渐降 低，直到口= y 时，砜= o 。 + u 一 + 几 v t 2 ，v h o 图2 3电阻负载交流调压原理图 图2 4阻感负载交流调压原理图 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 2 ) 阻感负载 图2 4 为阻感负载的单相交流调压电路图。设负载的阻抗角为 伊= a r c t a n 国l 。如果用导线把晶闸管完全短接，稳态时负载电流应该是 正弦波，其相位滞后于电源电压的角度为9 。用晶闸管进行控制时，很显 然只能进行滞后控制，使负载电流更加滞后，而无法使其超前。为了方便， 把口= 0 的时刻仍定在电源电压过零时刻。 当在c o t = 口时刻开通晶闸管v t i ，负载电流应该满足如下微分方程式和 初始条件： 哮城= 厄s t n 国r 乇i 叫，。= o ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 解方程( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 可求得： f 0 ：粤k 卅加m ( 唧) p 酱l ( a c o t a + o ) ( 2 - 1 3 ) 二 lj 式( 2 1 1 ) 中，z = , r 2 + ( 国上) 2 ；汐为晶闸管的导通角。 v t 2 导通时，与上述表达式完全相同，只是乇的极性相反，并且相位相 差1 8 0 0 。 上述阻感负载电路在触发角为口时，负载电压有效值砜，负载电流有 效值厶分别为： u o = =u1。要o-+lsin2cr-sin(2a+