（交通运输工程专业论文）中压固态软起动器的控制系统研究与设计.pdf

摘要 异步电机因其结构简单，运行可靠而在工业和交通运输中获得 广泛应用。但其直接起动会产生5 7 倍额定电流，往往会对电网造 成很大的冲击。对于泵类负载，突然停机会产生水锤效应，严重时将 导致管道破裂。在我国，基于晶闸管的固态软起动器在低压( 如3 8 0 v ) 电机领域已获得应用。而对于中压( 如6 k y 、l o k v ) 系列，由于技术 层面的原因，以前则是全部依赖进口。论文研究设计了基于晶闸管的 中压固态软起动器的控制系统。在分析异步感应电机的起动性能和起 动方法的基础上，详细阐述了软起动控制器的几个问题，包括起动方 式、运行方式、停机方式、软起动的保护、人机交互功能和应用场合。 并对交流调压电路理论进行了分析和探讨。论文提出了控制系统的工 作原理和所需的硬件资源，给出了部分硬件电路和为提高可靠性而采 取的措施。在研究分析基于d s p 的限流软起动和有功功率闭环的软停 车的软件算法的基础上，给出了相应的流程图，同时阐述了c p l d 的 软件设计和软件的可靠性设计。最后给出了电磁兼容试验和负载试验 的情况，在带水泵类负载的6 k v 、l o k v 电机上论证了所设计的控制系 统的正确性。 关键词软起动器，品闸管，电机，数字信号处理器中压 a b s t r a c t a s y n c h r o n o u s m o t o r sa r e w i d e l y u s e di n i n d u s t r y a n d t r a n s p o r t a t i o na r e ab e c a u s eo f i t ss i m p l i c i t yo fs t r u c t u r ea n dr e l i a b i l i t yo f r u n n i n g b u ti tw i l lg i v ei m p u l s i o nt ot h ee l e c t r i cg r i dw h e ni t ss t a r t e d d i r e c t l y t ot h ep u m p l o a d ，t h es u d d e n s t o pw i l lc a u s ew a t e rh a m m e r e f f e c t s ，e v e nc r a c kt h ep i p e - l i n e i nc h i n a ，t h es o l i d s t a t es o f t - s t a r t e r sa r e d i f f u s e l yu s e di nl o w - v o l t a g em o t o r a r e a b u to u rc o u n t r yi m p o r t e da l lt h e m i d v o l t a g es o f t - s t a r t e rb e f o r e t h i sp a p e r s t u d i e dt h ec o n t r o ls y s t e mo f t h em i d - v o l t a g es o f t - s t a r t e r , w h i c hb a s e do nt h et h y r i s t o r t h ep a p e ra l s o i n t r o d u c e st h e s t a r t i n g ，r u n n i n g a n d s t o p p i n g m e t h o d so ft h e a s y n c h r o n o u sm o t o r s t h ep r o t e c t i o n ，m a n m a c h i n e c o n v e r s a t i o na n d a p p l i c a t i o na r ea l s oi n c l u d e d w h e r e a f t e r , t h et h e o r yo fa d j u s t e da c v o l t a g ei sd i s c u s s e d t h ec o n t r o lp r i n c i p l ea n dt h eh a r d w a r er e s o u r c ea r e d e s c r i b e d ，t o o a n a l y z i n gt h ea r i t h m e t i co f t h el i m i t e dc u r r e n ts o f t - s t a r t e r a n dr e a lp o w e rc l o s e d - l o o ps o f ts t o p ，t h ep a p e rp r e s e n t st h ef l o wc h a r t w h i c hb a s e do nd s p , t h ec p l dd e s i g na n dd e p e n d a b i l i t yo ft h es o f t w a r e i nt h ee n d ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ee m i ，e m ct e s ta n dt h el o a d e x p e r i m e n t a t i o n t h ec o r r e c t n e s so ft h ec o n t r o ls y s t e mi s d e m o n s t r a t e d o nt h e6k va n d10 k vm o t o rw i t hp u m p l o a d k e yw o r d ss o f t - s t a r t e r , t h y r i s t o r , m o t o r , d s p , m i d - v o l t a g e 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了沦文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者躲磷蹶趟年业月旦口 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅：学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文：学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名： 期：! ! 年旦月卫h 踏 ：群硕七学位论文 第一章前言 第一章前言 1 1引言 异步电机因其结构简单，运行可靠而在工业和交通运输中获得广泛应用。据 统计，其用电量占全国用电总量的3 0 以上然而，其直接起动会产生5 7 倍额 定电流，造成网压骤降。影响网上其他设备的讵常工作；同时强大的电磁力将冲 击电机本身及其拖动负载，造成电气和机械磨损。对于泵类负载，突然停机会产 生水锤效应，严重时将导致法兰盘损坏和管道破裂。因此，采用软起动器设法降 低电机起动时的电流和实现软停车，是异步电机应用方面的一大课题。i t 2 1 作为软起动的一种，基于晶闸管的固态软起动器在低压( 如3 8 0 v ) 电机领域 已获得应用。而对于中压系列( 如6 k v 、l o k v ) ，由于技术层面的原因，我国以i j 则是全部依赖迸口国外大公司如a b b 、s i e m e n s 、摩托托尼、a b 公司等一直垄断 该技术，其产品在中国市场的价格很高，配件不好购买，售后服务相对较差，严 重影响了用户利益。为追赶国际先进水平，振兴民族工业。株洲变流技术国家工 程研究中心予2 0 0 2 年率先研制国内首台具有完全自主知识产权的中压软起动器， 并于当年应用于某油嗣注水机用电机( 6 k v 2 0 0 0 k w ) ，一次性起动成功，现已安全 可靠运行近三年，无任何故障该系列产品已广泛应用于钢厂、矿山、纸厂等的 6 k v 、l o k v 电机的起动，部分并出口至阿富汗等国，初步取得了良好的社会效益 1 2 选题意义及研究背景 1 2 1 传统软起动原理概述 现有的软起动可分为：星角变换软起动，自耦变压器软起动，电抗器软起动 液阻软起动、磁控软起动等1 3 l 变频调速装置也是一种软起动装置，它是比较理想的一种，它可以在限流同 时保持高的起动转矩价格贵是制约其推广应用的主要因素，特别在有些不需要 调速的场合。其性价比不高。 在电动机定子回路，通过串入有限流作用的部件实现软起动，叫做降压或限 稃硕+ 学付论文第一章前言 流软起动。它是软起动中的一个重要类别。以限流器件划分。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。 1 ) 液阻软起动 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。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。另外液阻的热容量大。液阻的这两大特点( 阻值可以无级控制和热容量大) ， 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 4 1 液阻软起动的缺点： 1 、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1 0 。c 3 0 。c 的温升，使软起动的重复性差。 2 、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。 3 、在起动时有噪声及电动力致使振动，特别是在极板运行中易造成导电水飞 溅，安全性差。在高压起动回路中，用传动电机及传动机构控制极板运行，一旦 控制失灵，后果比较严重。 4 、液阻软起动需要维护，液体电阻因起动发热较大，在动静极板运行接近 时，带电极板日j 水量减少，水蒸发严重，需要定期补充。在高压回路罩加水作业 有很大危险性。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。 5 、液阻软起动装置不适合于置放在易结冰或颠簸的现场。 近年有所谓的热变液阻软起动装置，通过液阻本身在软起动过程中的温升， 借助电解液电导率与温度的正相关性实现无极板伺服机构的软起动。但是，其可 行性大可质疑：它的限流器件不具备限流能力易控性，装置对使用环境温度要求 高，软起动重复性差。因为热变电阻软起动装置具备。原理决定的、与生俱 来的几个内在特点： l 、电极无需动，因而减免了移动电极的伺服机构，减免了伺服机构可能带 来的不安全。但是，需要采取防范蒸汽散发的措施 2 拌硕+ 学位论文第一章前言 2 、无法进行实时控制，也不能进行“闭环控制”。 3 、根据一次软起动的质量对装置进行下次再调整的余地不大可能的调整 仅仅是：极间距离，电解质浓度，液面高度。但调整裕度相当有限 4 、具有一切液态软起副装置的共性，如发热量大、体积大，不能做到免维 护。 5 、对环境尤其是温度变化的耐受能力较差。难于保证不同环境温度下软起 动性能的一致性 6 、软起动功能单一，使适用范围受到一定的限制：不能实现软停止，不能 实现带电流突跳的软起动 液阻软起动装置可以串在绕线电动机转子回路实现重载软起动，售价低廉， 在软起动过程中不产生高次谐波等等，则是它突出的优点， 2 ) 磁控软起动 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。磁饱和软起动不同于电抗器软起动的主要点是其电抗值 可控总体说来，起动丌始时电抗器的电抗值较大，在软起动过程中，通过反馈 调节使电抗值逐渐减小，及至软起动完成后被旁路 电抗值的变化是通过控制直流励磁电流，改变铁芯的饱和度实现的，所以叫 做磁控软起动。磁饱和电抗器有三对交流绕组( 每相一对) 和三相共有的一个直 流励磁绕组。在交流绕组罩流过的是电动机定子电流，它必然会在直流励磁绕组 上感应出电势，会影响励磁回路的运行所以通常不是用一个，而是用一对交流 绕阻的主要原因就是为了抵消这种影响。1 5 1 1 6 1 显然，电抗值的调节是静止的、无接触的、非机械式的。这就为微电子技术 的介入打丌了大门。所以，在工作原理上磁控软起动与晶闸管软起动是非常类似 的。 磁控软起动的缺点： l 、起控电压高，有较大的电流冲击； 2 、体积较大，基建成本高； 3 、工作时的噪音较大； 稃硕+ 学位论文 第一章前言 4 、有0 1 秒量级的惯性，这使磁控软起动的快速性比品闸管软起动慢一个数 量级： 5 、会引起高次谐波 1 2 2 固态软起动原理概述 固态软起动器主电路山反并联的品闸管组成，实质为典型的三相交流调压电 路1 7 1 。其工作原理基本与交流调压电路相同，只是用来控制异步电机及其拖动负载， 有其特殊性当运用不同的方法，控制三相反 并联晶闸管的导通角，使被控电机的输入电压 按不同的要求而变化，就可实现不同的功能。 当起动完成后，程序控制将接触器闭合，短接 所有晶闸管，使电机直接投网运行，以避免在 元件上的持续损耗，同时也避免了相控元件引 起的电流波形畸变及功率因数低等问题。 固态软起动器的基本特点是： 图1 - 1 软起动示意图 1 、具有技术先进、工作可靠、结构模块化、便于维护等特征； 2 、采用现代先进的数字信号处理和系统集成技术，显著提高各项性能指标、可 靠性及稳定性； 3 、具有良好的人机界面，现场参数修改容易，操作方便： 4 、电机起动时，电流从零平滑上升到设定值，平稳起动，无电流冲击，减小了机 械负载的冲击转矩，防止过压和水锤效应，保证了设备的安全运用，可提高电机 和相关机械设备的使用寿命； 5 、能实现完美的软停车，可消除骤然停机对某些设备的冲击与损坏： 6 、整套设备体积小、施工方便。同等功率下，体积仅为其他方式软起动器的3 0 6 0 ，可为用户节约大量基建投资。 1 2 3 选题的意义 从上所述的对比来看，固念软起动具有较高的性价比。而在我国，用于工 一一一一絮一一 4 7 ”镕# 一 拌硕十学位论文第一章前言 业系统的异步电机占有相当大的比重。随着工业的不断进步，6 k v 1 0 k v 系列电机 的功率也越来越大对于几十兆瓦甚至上百兆瓦的电机来说。应用变频调速装置 对其进行软起动和软停控制无论在经济上还是技术上都需跨越较大的门槛。而采 用品闸管阀作为主电路元件，在控制方法和手段上进行研究，制造出性价比高的 软起动器，实现电机的平稳起动和平滑停车，在相当长的时间内无疑是极有积极 意义的。论文的意义在于针对中压固态软起动在国内的大量需求与国外对该产品 垄断的现状，通过有关理论研究，设计制造有关符合中压固态软起动要求的控制 系统，并通过实践来检验其理论的正确性和设计的合理性。 1 3 本文主要内容 在当今建设节约型社会中，积极节约能源无疑是具有重要意义的( 应用软起 动器减少供电设备的容量可减少损耗，间接节约能源) 加之软起动控制器的诸多 优点，并从欧美等国家的发展趋势来看，固态软起动装置势将成为传统起动设备 的理想更新换代产品，并且随着工业的不断发展，对中压软起动控制器的性能要 求越来越高。本文的主要内容是运用数字信号处理技术和微电子技术，实现高压 电机的软起动和软停车，并解决高压晶闸管阀的触发、状态监测等问题，提高系 统稳定性，并方便人机交互 论文的第二章，简要介绍了异步感应电机的起动性能和起动方法，详细叙述 了软起动控制器的情况，包括软起动控制器的起动方式、运行方式、停机方式、 软起动的保护、人机交互功能和应用场合第三章对软起动器用到的交流调压理 论进行了分析和探讨。第四章介绍了基于d s p 和c p l d 控制原理和所需的硬件资 源。给出了部分硬件电路并对提高可靠性采取的措施作了简述。第五章分析确定 了基于d s p 的软起动和软停车的软件算法，并给出了相应的流程图，简述了c p l d 的软件设计和软件的可靠性设计第六章介绍了电磁兼容试验和全功率负载试验 的情况，在6 k 7 、1 0 k v 电机上论证了所设计数字控制系统的正确性并给出了试 验所测电压电流波形，与理论分析一致。 种硕+ 学俺论文 第一二章电机的起动和例态软起动器 第二章电机的起动和固态软起动器 2 1感应电机的起动性能 电动机得电后从静止状态升速到达稳定运行的转速的过程称为起动感应电动 机的起动性能包括下列几项【8 l 【9 l ： ( 1 ) 起动电流倍数l 1 。： ( 2 ) 起动转矩倍数瓦n ： ( 3 ) 起动时日j ； ( 4 ) 起动时绕组中消耗的能量和绕组的发热； ( 5 ) 起动设备的简单性和可靠性； ( 6 ) 起动时的过渡过程。 如上所述中最重要的是起动电流和起动转矩的大小为了使电机能够转动起 来，并很快达到额定转速正常工作，要求电动机且有足够大的起动转矩；而为了 避免对电网产生冲击，要求起动电流不能太大因此，总是希望在起动电流比较 小的情况下，能获得较大的起动转矩。电动机如直接挂网运行时，往往不能满足 上述要求，因为它的起动电流过大，约为额定电流的5 7 倍 起动电流很大的原因，从物理现象看，起动时n = 0 ，s = l ，旋转磁场以同步转 速切割转子，在短路的转子绕组中感应很大的电动势和电流，引起与它平衡的定 子电流的负载分量也跟着急剧增加，以致定子电流很大；从等效电路来看，j 下常 运行时，转差率s 很小( o 0 1 - - 0 0 5 ) ，所以砭，s 很大，从而限制了定、转子电流， 但起动时s = l ，r ：s 很小，随之整个电动机的等效阻抗很小，所以起动电流很大。 对于起动电流很大，但起动转矩却不大，因为电磁转矩7 k = g o 。1 2c o s ：起动 时，s = l ，转子频率( 转子绕组感应电动势的频率) 正= z ，转子漏电抗x 2 。= 2 矾：， 远大于转子电阻r 2 ，使转子功率因数角= a r c t a n ( x 2 。r 2 ) 接近9 0 。，c o s c 2 很 小，所以尽管，：很大，但其有功分量lc o s ：却不大；其次，由于起动电流很大， 定子绕组的漏阻抗压降增大使感应电动势减小主磁通中m = 4 4 4 f 刍。n 一, k m 随 之减小。m 。变小，2c o s2 不大，所以起动转矩乙= c r o 。，2c o s l p , 2 并不大。 6 辫硕十学位论文第一二章电机的起动和i 嗣态软起动器 n 蜀q k ， 焉彳兄 图2 1 感应电动机的较准确r 形等效电路 利用感应电动机的较准确r 形等效电路( 图2 - - 1 ) 。可以分析出起动电流 l ： ，：_ !：= ：= ：堕( 2 一1 ) 厶2 而幂菰雨雨雨一z k 叫 上式表明：感应电动机的起动电流与外加电压u 成正比，而与短路阻抗 气= 币蕊成反比在u = 下起动时，由于短路阻抗毛很小，所以起动电 流很大 利用感应电动机的较准确f 形等效电路，可求得起动转矩l ： l = 丽而瓦面m , p 瓦v i ! r 再；而( ：一z ) 上式表明：( 1 ) 电源频率和电机参数不变时，起动转矩和电源电压平方成正比。 ( 2 ) 当电源的频率和电压一定时，漏电抗( x 。+ 盯x ；。) 越小，则起 动转矩越大。 ( 3 ) 对于绕线转子感应电动机，在转子回路内串入适当附加电阻胄。， 可提高起动转矩，当转子回路总电阻的折算值( r ：+ 疋) 等于电机 的总漏抗( x 。4 - x ：。) 时，起动转矩达到最大值，等于最大电磁转 矩 ( 4 ) x ，和工0 随电源频率的降低而减小，所以起动转矩随电源频率 的降低而增大。 7 l ：种硕十学t i ) = 论文 第一二章电机的起动和州态软起动器 2 2 笼型感应电动机的起动方法 笼型感应电动机的起动方法有直接起动、降压起动和变频起动三种 2 2 1 直接起动 直接起动1 8 i1 9 1 就是用断路器或接触器把电动机的定子绕组直接接到额定电压的 电网上直接起动的优点是操作和起动设备都很简单，缺点是起动电流很大从电 动机本身来说，笼型感应电动机都允许直接起动。直接起动方法的应用主要足受电 网容量的限制。若电网容量不够大，则电动机的起动电流可能使电网电压显著下降， 影响接在同一电网上的其他电动机和电气设备的j 下常运彳亍。在一般情况下，只有直 接起动时的起动电流在电网中引起的电压降落不超过1 0 - 1 5 ( 对于经常起动的电 动机取1 0 ，对于不经常起动的电动机取1 5 ) ，才允许直接起动。 一般规定，异步电动机的功率低于7 5 k w 时允许直接起动。如果大于7 5 k w ， 而电网总容量较大，能符合下式要求，也允许电动机直接起动。 华苦s 丢 3 4 蒜黼揣卜( 2 - - 3 ) 如果不能满足上式的要求，则必须采用减压起动的方法，把起动电流限制到 允许的数值。 2 2 2 降压起动 当电网容量不够大，不能采用直接起动时，根据起动电流与端电压成i f 比的 关系( 式2 一1 ) ，可以采用降低电压的方法来减小起动电流，即降压起动【l o l 。但是， 从式2 2 可知，起动转矩与端电压的平方成正比，所以当定子绕组的端电压降低 时，起动转矩也减小了很多。这说明降压起动只适用于对起动转矩要求不高的场 合，如驱动离心泵、通风机等低起动转矩负载【5 0 i 。 对于降压起动，起动转矩倍数与起动电流倍数之问的关系是： 争：f 鲁卜( 2 _ 4 ) o 1 上式表明：起动转矩倍数l 等于起动电流倍数的平方( l “) 2 与额定负 载时的转差率s 。的乘积。出于一般感应电动机的值很小( o 0 1 - 0 0 5 ) ，因此若 要获得较大的起动转矩倍数，则必须有更大的起动电流倍数。对于同一台电动机 来说，是一定值，则瓦，巧与( l 几) 2 成讵比。若起动电流降低一半，则起动 i ：稃硕十学位论文第一二章电机的起动和l 卉i 态软起动器 转矩降到只有原来的1 4 。一般来说，如果起动电流降到原来的l k ，则起动转矩 降到只有原来的1 七2 。这说明降压起动将使起动转矩显著减小。 常用的降压起动方法主要有以下几种： ( 1 ) 星形一三角形换接起动； ( 2 ) 用自耦变压器降压起动： ， ( 3 ) 磁控软起动： ( 4 ) 晶闸管固态软起动。 软起动与传统的降压起动的性能指标对比见表2 1 0 0 1 表2 - 1软启动与传统降压启动的性能指标 起动方式y ，起动自耦降压起动磁控软起动固态软起动一 起动电压 0 5 7 7 u e1 1 k z u e2 0 0 v由零逐步升压至全压 起动电流 0 3 3 1 q el k z i q z( 1 8 2 5 ) i e( 0 3 3 ) i e 间调节 起动转矩 0 3 3 1 1q z1 k z 2i l q z ( 1 2 5 ) i lq z( 0 3 1 ) l aq z 转换方式丌路丌路闭路闭路 电流冲击2 次以上2 次以上1 次0 次 初投资低较高 较高高 2 2 3 变频起动 l 虻霉 式( 2 - - 2 ) 表明：_ ，即电动机起动转矩与定子电压的平方成j 下比，与 频率成反比如果频率不变，则随着定子电压的下降，电动机转矩将按平方规律 下降同时也说明如果说在定子电压下降的同时将频率下调，将会减少电动机转 矩的损失因此重载起动一般说来需要变频起动，但是，变频调速装簧的售价太 贵，仅仅用来作为起动的话性价比很低。 2 3 软起动 随着电力电子技术和微机控制技术的发展，国内外相继开发出一系列固态起 动控制设备，用于异步电动机的起动控制，以取代传统的降压起动设掣1 1 1 新型 的固态软起动器的主电路一般都采用品闸管调压电路，调压电路由六只晶闸管构 9 1 ：稃硕+ 学位论文 第一二章电机的起动和i 州态软起动器 成、每两只管反相并联，串接于电动机的三相供电线路上1 1 2 j 当起动器的控制系 统接到起动指令后，便进行有关的计算，输出品闸管的触发信号，通过控制品闸 管的导通角q ，使起动器按所设计的模式调节输出电压，以控制电动机的起动过 程 4 3 1 当起动过程完成后，一般起动器将旁路接触器吸合，短路掉所有的晶闸管 主电路，使电动机直接投入电网运行，以避免不必要的电能损耗，软起动器的控 制框图如图2 2 所示 旁路接触器( 正常运行 图2 2 软起动器的控制框图 2 3 1 软起动控制器的起动方式 目前的软起动器有以下四种起动方式： l 、限流启动i ”i ，就是电机的启动过程中限制其启动电流不超过某一设定值( i m ) 的软启动方式。其输出电压从零丌始迅速增长，直到输出电流达到预先设定的电流 限值i m 。然后保持输出电流1 妒为方便起见， 把触发时刻定为倒= 0 时刻，此时晶闸管 k z i 导通，这相当与在交流斤。电路中突 因3 2 感性负载时电流波形的求取然闭合丌关，此时有电流i 丌始导通。根掘 1 4 岛 犁硕十学位论文第二章交流调压电路理论 电路理论可把此电流分为强制分量7 i 与自由分量，2 两部分瞰i 在交流输入电压 蚝= 2 墨s i n ( o x + a ) ，电流表达式为 i = + 如， ：孚咖+ a - c p ，一粤s t 岍办e ：， 或粤如( c o t + g - - 咖粤s i n 沪咖 e - 嚣 其中丁2 责为自由分量的衰减时间常数。 z = 旯2 + ( ) 2 由图可见，当交流电压材- 变负时，由于电感的作用使负载电流不为零；当电压 反向进入负半周、且电路中电感储能释放完毕时，电流降为零，而品闸管k z l 电 流不能反向，它就被关断。设k z l 导电角为口，则在o x = o 时，i = o 把这个条件 代入式( 3 - - 2 ) 中。得 生 s i n ( o + a 一o ) = s i n ( o r 一纠。p ” ( 3 3 ) 也可以写作 一旦 辔口；s i n ( o - 伊) + s i n o e ； c o s ( o 一妒) 一c o s ( p e 丽 这是一超越方程，表示了口= f ( a ，妒) 的关系图 ( 3 - 3 ) 是按式( 3 3 ) 所绘制的曲线族。利用它可 以按给定的负载阻抗角伊求得不同a 时的导电角口 但这族曲线只适合口 妒的情况【”i 。 根掘以上讨论，对图3 一l ( b ) 所示的负载电流 ，与负载电压的波形就易于理解。并得到以 图3 3 , g g & a 妒时的口2 f ( a ，伊)下的概念： ( 1 ) 当妒= 0 。，式( 3 3 ) 的右部等于零，此时从式的左部看必须有 o + a = 1 8 0 。的条件。此即纯电阻负载的工况，相应的负载电压与电流波形见图3 拌硕十学住论文第三章交流调压电路理论 - - 4 ( a ) 。 ( 2 ) 当口 妒时。导电角口 1 8 0 4 ，此时电流波形也是断续的。见图3 4 ( b ) ( 3 ) 当口= 妒时，依式( 3 2 ) 可知如2 0 ，即没有电流的自t h a i ! 。另依式( 3 - - 3 ) 可求得口= 1 8 0 。，这表明反并联的晶闸管在这个相当于全导通工作，负载上 得到全电压且电流连续，见图3 - - 4 ( c ) 。此时晶闸管已不能调压作用。 舯耐鲜令延扣 。秤b 仰蕊， 聃器 衙戈一 埘止n 址 ( 4 ) 当盯 1 8 0 。如果品闸管k z l 与k z 2 是用窄脉冲触发 的，由于口 妒时的。口和的关系曲线 3 2在三相电阻一电感负载时的工作原理 当三相调压电路中有电感负载( 即妒0 ) 时，分析工作就很复杂。因为既要 1 7 榉硕十学位论文第二章交流调压电路理论 考虑到在线电压或相电压过零瞬f n j ，品闸管的导电并不停止，负载中仍有电流在 流通；同时要计及三相电路工作的特点以及负载阻抗角的大小，它直接影响到每 相电路导电的时问i ，j 。这里根据一些典型的示波曲线进行分析如i i 所述，当调 压电路在三帽电阻一电感负载下工作时，控制角口不能小于负载阻抗角妒，否则 系统就工作在不可控的情况下 以三相y 连接电路作分析。当负载阻抗角尹与晶闸管控制角口有相等的数值 时，以图3 7 表示在a = 矿= 4 0 ”时的试验波形，它分别给出了三相负载帽电压 与相电流的波形【1 6 1 。 u 。 人髓气 安 伊飞， l i 婚 矗 柏阜一 - 卜 。叩 妗心a 彭飞。 f 一 i 沁夕1 叼沁汰母 飞， 叼，一诊 ! 也 ， f 一憨 瓠 纱” 锦 拶 。l - 趣 图3 7 三相y 接调压电路在r - l 负载时的工作波形( 口= 够) u 一负载电压i 一电流 可以看到时落后与u 舢4 0 0 的，但与【，。波形基本上都连续，说明任何瞬问都 有三个晶闸管导通，而负载上所得的电压是不可调的最大值。图中在口时刻以后， 每隔6 0 9 都出现电压波形有缺口与电流波形振荡的现象，这正好是晶闸管关断的时 刻。这是由于晶闸管不是理想的元件，它并不是在零电流时关断，而是在一个很 小的反电流下爿关断。所以在关断瞬日j ，储存在负载电路电感中的能量，将消耗 在由电感和用来限制品闸管电压变化率的r c 吸收电路中( 即与品闸管并联的r c 保护电路) 。从而引起电流的振荡与电压波形的缺口。当然缺口的大小与电路元件 的参数是关联的。例如在图3 - - 7 的甜时刻之| ； f ，由于三相品闸管k z l 、k z 6 、k z 5 都导通，电流从 、c 相流向b 相，此时三相电路在正常工作状念。到耐2 耐时 刻，c 相电流过零，k z 5 被关断，而k z 2 还未导通：此时只有a 、b 相形成电流回 1 8 榉硕十学位论文 第二章交流调压电路理论 路，为维持原来的电流变化趋势，有如下的电路方程式： 堪= i r o - i - r 0 + e 恤+ e 协 州尼，驴肠盟d t 鲁 ， 珊 当不计l 作用时，在耐时刻y 连接电路中一帽负载上的电压为h a b 2 ，显然它 小于相电压当计及l 作用后，y 连接中点的电位也变了，对a 相负载来说压降为 兄一厶鲁，i l i ib 相则为毛心一厶鲁，所以此时。减小了- m 也更负了其它 品闸管切换点上的波形分析同理 至于在口妒时的波形分析更为麻烦，因为此时很难计算出每一相电路的导通 时刻( 它与口、伊都有关系) 。图3 8 给出了 此时的典型线电流波形，它们还是符合单相电 感负载电路规律的。即在同一个阻抗角妒下，口 越大，晶闸管的导电角就越小，流过晶闸管的 电流也越小 对应三帽y 连接调压电路，当妒0 时，以 不同的妒值进行试验，可获得如图所示的品闸 管电流平均值如= f ( 口) ( 图3 9 ) 和晶 图3 8 电路的线电流波形( 妒2 衫4 ) 闸管电流有效值吃= f ( 口) ( 图3 一l o ) 的曲线。图中给出的电流都是相对值，其所对应的基准电流为竺! 堕这些曲线 4 3 z 对于计算三相y 形连接电阻一电感负载的调压电路有很好的参考作用。 图3 9 三相y 连接调压电路的晶闸管e = 缃图3 1 0 三相y 连接的调压电路的忘= 朐 1 9 j ：科硕十学住论文第四章中压软起动器的控制系统原理和i 硬什设计 第四章中压软起动器的控制系统原理和硬件设计 4 1 中压软起动器工作原理 软起动器主电路由反并联的品闸管组成，实质为典型的三相交流调压电路【1 l m 。其工作原理基本与交流调压电路相同，只是用柬控制异步电机及其拖动负载， 有其特殊性1 1 8 】【1 叭。 典型的中压软起动器系统电路如图4 1 所示，其中i q s 是隔离开关或断路器， 1 0 f 、2 q f 是真空接触器，t r q 由三组相同的晶闸管阀串并联组成，e z p 为基于d s p + c p l d ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ra n dc o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 的控制系统。 图4 一l 中压软起动器典型系统电路图 软起动丌始静，1 q s 、1 0 f 、2 q f 均处于断态丌始后，l o s 闭合，电子控制屏 接收到软起动指令，合上i q f ，三相中压电源接至t r q 。控制系统检测丌关状态、 光纤触发部分和晶闸管组件最常后，根掘用户设定的工作特性，按一定函数和 严格逻辑关系，给出移相脉冲，经光纤传输至t r q ，控制品闸管触发角。平滑调 i ：稃硕十学竹论文第四章鱼巫丛塑塾矍塑控制系丛厦堡型堙盟婆过 节输出电压( 见图4 2 ) ，平稳起动电机m ，并 在液晶屏上实时显示电压电流等参数和主要v 器件的工作状态。当软起动器已输出满电压 时，闭合2 q f ，停发脉冲，t r q 停止工作后， 断开i q f ，于是电源电压直接加到电机端子， 电机m 进入正常运行。 ， 氏a vv 一 软停车则是其逆过程。图4 - 2 单相晶闸管移相控制电压示意图 4 2控制系统工作原理 由软起动器的工作原理可知，控制系统需具有的基本功能是；接受软起动、 软停车指令，按照设定的电流或电压曲线给出触发脉冲，同时监视各重要部件 工作状态，具有友好的人机交互界面，并能对相关过程特别是故障进行记录。 理想状况是在调节过程中，具有自学习和自适应功能，达到初级智能化的目标 1 2 0 1 1 4 7 1 为了与外界接线尽量简单，软起动器的主电路和控制电路设计为一体化结 构。对于中压系统，控制部分对外接口较多，但空问有限，故采用子母板结构。 其中子扳完成脉冲输出光纤接口功能，其余控制功能由母板完成又由于主电 路上交流电压较高，一般为交流6 k v 或1 0 k v ，且有真空接触器的合断，所以 对控制系统在电磁兼容方面提出了较高的要求，对此采取了如下措施，取得了 良好效果：1 ) 控制插件采用了多层印制板，按数字电路一模拟电路、高压电 路一低压电路进行合理分区：2 ) 模拟输入信号采用互感器隔离，数字输入信号 采用光耦隔离，输出信号采用继电器隔离，重要信号的连接还采用了屏蔽线： 3 ) 控制板作为整体安装在对主电路双层屏蔽的低压控制盒内“ 控制系统特性要满足恒流和斜坡电压等基本软起动方式的要求当为恒流 软起动时，控制系统动态结构图4 - 3 所示，采用了电流外环、电压内环的双闭 环调节。其中i 。为恒流设定值，在使用中，用户可根据工况需要通过键盘输 入电机额定电流和起动倍数。 2 l ：稃硕+ 学位论文第四章中厍软起动器的控制系统原理币i 硬什设计 a l a 2 + i ， 一 图4 - 3 恒流控制系统动态结构图 1 )a c r 为电流调节器环节。为改善系统的静、动态性能，采用p i d 控制， 传递函数为： kl ( s tl + 1 ) 木( st2 + 1 ) t 。在数字系统中，一般采用增 量算法，以去除累积误差1 2 2 l ； 2 ) t v r 为调压电路，包括移相触发器和品闸管，可近似为一阶惯性模型， 传递函数为：k2 ( st3 + 1 ) 【1 6 】： 3 ) m c a 为异步电机定子电流相对于定子电压的特性传递函数。出于在不同负 载下的电机动态过程为非线性方程组l 吼，往往用解析法求解困难，故本系统采用 了基于稳态特性基础上的小偏差线性化法【4 小。此方法在实现上不至于太复杂，同 时较为有效地模拟了实际工作状况： 4 ) 反馈环节a l 、a 2 在实际应用中，一般有由硬件或软件形成的比例和滤波 环节。传递函数视为： k f1 ( stfl + 1 ) 、kf2 ( stf2 + 1 ) 【2 3 1 。 4 3 控制系统硬件结构 中压软起动器的控制、显示、保护功能由基于d s p + c p l d 的控制系统完成。控 制系统的框图如图4 4 所示。其中d s p 选用t i ( 德州仪器) 公司的t m s 3 2 0 f 2 4 0 ， c p l d 选用a l t e r a 公司的e p m 7 0 0 0 系列。它们构成了整个控制系统的核心。 4 3 1d s p 及其外围电路洲 t m s 3 2 0 c f 2 4 x 2 4 x x 系列是t i 公司推出的专为基于控制的应用而设计的十 i ：稃硕十学何论文第四章空匝墼墼塑矍塑鳖剑墨丝亟堡塑! 堡! ! ：墼生 六位定点d s p 控制器，它将高性能的d s p 内核和微控制器丰富的片内外设集成于 一个芯片中，提供比传统的微处理器和微控制器强大得多的性能，从而成为传统 的微控制器单元和昂贵的多c p u 结构的理想替代。1 6 位定点d s p 内核具有每秒 2 0 4 0 兆条指令( m i p s ) 的高速运算能力，不仅能够实现全数字化的控制而且 能够实时实现自适应控制，卡尔曼滤波器和状态控制等复杂的高级控制算法，得 到更好的系统性能。此外，还可支持非常高的采样频率以减小控制延时同时， 此系列的体系结构很适合处理控制信号，1 6 位字长、用于存储中日j 运算结果的3 2 位寄存器及两个独立于c p u 的硬件定标移位器使量化和截尾误差最小 t m s 3 2 0 c f 2 4 x 2 4 x x 系列d s p 还具有满足控制应用所需的功能强大的片内外 设，这些外设有定时器、串口( s c i 、s p i ) 模数转换器( a d c ) 、事件管理器、c a n 控制器和系统保护如低电压检测和看门狗定时器等 t m s 3 2 0 c 2 4 x 系列包括t m s 3 2 0 c 2 4 0 2 4 2 、f 2 4 0 2 4 1 2 4 3 、c 2 4 0 2 a 2 4 0 4 a 2 4 0 6 a 、 l f 2 4 0 l a 2 4 0 2 2 4 0 2 a 2 4 0 3 a 2 4 0 6 2 4 0 6 a 2 4 0 7 2 4 0 7 a 等型号，其运算速度、片内 存储器和外设的配置不同，但有相同的c p u 和指令系统。该系列d s p 已经在工业 电机驱动、功率转换和控制、汽车电子系统、机器人和数控系统、办公自动化等 领域得到了广泛应用。 t m s 3 2 0 f 2 4 0 是t m s 3 2 0 c 2 4 x 系列d s p 控制器的第一代产品，为单片数字电机 控制器建立了标准。它的主要特点概括如下； 3 2 位中央算术逻辑单元( c a l u ) ； 3 2 位累加器； 1 6 位1 6 位并行乘法器，产生3 2 位乘积； 三个定标移位器； 八个辅助寄存器和一个用于数据寄存器日j 接寻址的辅助算术单元；一 5 4 4 字1 6 位片内程序数掘双口r a m = 1 6 k 1 6 位片内程序f l a s he 2 p r o m ： 2 4 4 k x l 6 位最大寻址存储空间( 6 4 k 字程序空日j 、6 4 k 字数掘空日j 、6 4 k 字 i o 空日j 和3 2 k 字的全局数掘空口j ) ； 外部存储器接口模块，包括：软件等待状念发生器、1 6 位地址总线和1 6 位 数掘总线； 群硕十学位论文第四章中压软起动器的控制系统原理和硬f l 没计 支持硬件等待状态： 四级流水线操作；。 八级硬件堆栈i 六个外部中断：功率驱动保护中断、复位、非屏蔽中断( n m i ) 和三个可屏 蔽中断： 源码兼容t m s 3 2 0 c 2 x c 2 x x c s x 系列； 单指令重复操作； 用于程序数据管理的存储块移动指令； 变址寻址能力： 用于基- - 2 快速傅立叶变换( f f t ) 的位反转变址寻址能力； 5 0 n s 的指令周期( 2 0 m i p s ) 且绝大部分指令为单周期； 1 2 路比较p w m 通道，其中9 路为独立的； 3 个1 6 位具有6 种运行方式的通用定时器，其中包括连续增计数连续增 减计数方式： 3 个具有死区功能的1 6 位全比较单元； 3 个1 6 位简单比较单元； 4 个捕获单元，其中两个具有与正交编码器脉冲接口的能力； 双l o 位模数转换器( a d c ) ； 2 8 个可单独编程的多路复用i o 引脚； 基于锁相环的时钟模块； 带实时中断的看门狗模块： 串行通讯接口( s c i ) ； 串行外围接口( s p i ) 。 4 3 2c p l d 部分 c p l d 完成电路的译码、相关时序和组合逻辑，保证控制系统各部分和谐有序 的工作，并对重要的信号适当冗余和连锁，同时完成复杂的保护功能。 e p m 7 1 2 8 s l l 8 4 l 巧1 内置j t a gb s t 电路，支持在线编程，可方便实现逻辑重构：有 6 4 个i o 接口，内含8 个逻辑阵列块，1 2 8 个宏单元；并具有可编程的速度功