（电力电子与电力传动专业论文）基于全数字转矩测量的带泵控制功能的软起动器研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t or e d u c et h eh i g l ls t a r t i n gc u r r e n ta sa s y n c h r o n o u sm o t o r ss t a r tu pd i r e c t l ya n d e l i m i n a t et h en e g a t i v ei n f l u e n c et oe l e c t r i c a le q u i p m e n ta n dm e c h a n i s mt h a tb r o u g h t a b o u tb ya s y n c h r o n o u sw h e ni ts t a r t su pw i t hr e d u c e d - v o l t a g em e a n s ，an e wm e t h o d b a s e do np o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g yf o ri m p r o v i n gt h es t a r t i n gc h a r a c t e r i s t i c so f a s y n c h r o n o u sm o t o ri sp r e s e n t e d t h ep a p e ri n t r o d u c ean e w - s t y l es o f ts t a r t e r w h i c hb a s e do nd s p ( t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ) i th a st h r e es t a r tm o d e s ：t h er a m pv o l t a g es t a n 。t h el i m i tc t t r r e i l ：ts t a r t , a n d t h ep u m p c o n t r o ls t a r tw h i c hi sd i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a ls o f t8 t a r t e r t h es o f t s t a r t e rc a nr e d u c et h ew a t e rh a m m e rw h e nap u m pi ss t a r t e do rs t o p p e d , a n dr e l e a s e t h ev i b r a t i o no f t r a n s f e rs y s t e m f i r s t l y , o nt h e b a s i so f t h er e s e a r c ho f t h es t r u c t u r ea n dt h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo f t h ea s y n c h r o n o u s , t h eb a s i cp r i n c i p l ea n dc o n t r o lm e t h o do ft h es o f t s t a r t e ra r e e s t a b l i s h e d ，t h ew a t e rh a m m e rc a nb ed e c r e a s e do ra v o i d e db yu s i n gt h es o f ts t a r t e r w i t ht o r q u ec l o s e d - l o o pc o n t r o lf u n c t i o n s e c o n d l y , t h ec o n t r o lc i r c u i t so ft h e s o f ts t a r t e ra r ei m p r o v e d ac h i po f t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7m a d eb yt ic o m p a n yi st h ec o r eo f t h es o f ts t a r tc o n t r o l l e r ad e t a i l i n t r o d u c t i o no ft h ec o n t r o l l e r , s u c ha s t h ep o w e rs u p p l yc i r c u i t s ，t h ea cs a m p l e c i r c u i t s ，t h ec o m m u n i c a t i o nc i r c u i t sa n ds oo n , i sg i v e ni nt h ef o l l o w i n gp a s s a g e s t h e s o f t w a r ea d o p t sca n da s s e m b l el a n g u a g e st or e a l i z em o d u l a r i z e dp r o g r a m m i n g i t i n t r o d u c es e v e r a lp r o g r a m so ft h ec o n t r o l l e r , s u c ha st h em a i np r o g r a m ，t h ed i f f e r e n t c o n t r o lp r o g r a m so fd i f f e r e n ts t a r tm o d e s ，a dp r o g r a m ，a n dt h ec o m m u n i c a t i o n p r o g r a ma n ds oo n l a s t l y , t h et h r e e - p h a s er e g u l a t i n gc i r c u i to fa s y n c h r o n o u sm o t o rs y s t e m i s a n a l y z e da n ds i m u l a t e db ym a t l a b a l s ot h ee x p e r i m e n t sh a v em a d ew i t ht h es o f t s t a r t e rw h i c hi sd e s i g n e d b o t ht h er e s u l t so f t b es i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n ts h o w t h a tt h es y s t e mb a s e do nt o r q u ec l o s e d - l o o pc i r c u i tc a nr e d u c et h eh i 曲s t a r t i n g c u r r e n ta sa s y n c h r o n o u sm o t o r ss t a r tu pd i r e c t l y , r e d u c et h ew a t e rh a m m e r , a n da l s o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo f t h em o t o r k e yw o r d s ：s o f ts t a r t e r ；p u m p - c o n t r o l ；d s p ；t h y r i s t o r 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 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。据我所知，除了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 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) 粥炙签字目期如少朋f 护 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 靴敝储嬲。椒铆雠：痧红 签字日期：少v 7 年f 硐日签字日期：阳口7 年肖伦日 | 、 1 j 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 随着社会的发展与科技的创新，电机已经在国民经济发展当中具有举足轻 重的作用。异步电机与其他各种电机相比，具有结构简单，制造容易，运行可 靠，效率较高，价格低廉，坚固耐用等优点，因此在工农业生产和日常生活中 获得了广泛的应用。在电机的起动运行过程中，目前普遍采用的起动方法是直 接起动，用这种方式来起动电机，其优点是起动设备和操作比较简单。但是， 直接起动电流可以达到电机额定电流的4 7 倍，最大的甚至超过1 0 倍，过大的 起动电流使得电网电压波动过大，影响电网上其他设备的正常工作【1 】；同时，由 于过大的起动电流将在电机轴上产生过大的转矩，这一起动转矩可达到满转矩 的1 6 0 0 o - , - 2 0 0 ，这对机械和传动部件会带来一定的损坏【2 】。 软起动器的产生较好地解决了以上那些问题。它起源于上世纪5 0 年代，并 于7 0 年代末到8 0 年代初投入市场。它以电子和可控硅技术为基础，微控制芯 片为核心，可以起到控制电动机的电压，限制起动电流作用，使电动机得以平 稳的起动，同时还具备软停机的功能。 一般的软起动器能够很好地控制起动电流，但是对于泵类负载不能够有效 地改善泵系统起动和停机时的性能，会在泵系统中产生喘振现象嘲。泵类系统是 异步电机被广泛应用的领域，当异步电机带动泵类负载运行时，由于流体不易 压缩以及具有动量，极短时问内的变化会导致流体中的气隙为达到平衡而产生 冲击，使泵系统产生喘振和噪声，严重时还会使管道和管道支架晃动，甚至使 管道和阀门破裂。m 。采用变频器来驱动电机能够获得理想的效果，但是它的价 格比较昂贵，并且在不需要流量调节的场合使用会使它的性价比更低。所以如 果使用廉价的异步电机软起动器能够达到平稳的泵控制功能，将能取得良好的 经济效益和社会效益。 1 2 国内外软起动器的发展状况 最早在1 9 7 0 年，英国人发明了采用晶闸管三相交流调压电路对电动机进行 软起动控制的技术。由于采用这种方法可以获得很好的起动性能，所以曾一度 l 第1 章绪论 引起人们的广泛注意。三十多年来，国内外对软起动器进行了广泛的研究，使 得软起动控制技术日趋成熟，主要表现在以下几个方面： 一、在控制算法方面，智能控制与常规p i d 控制相结合，形成所谓智能p i d 控制，并已得到较为广泛的应用。它具有不依赖系统精确数学模型的特点，对 系统的参数变化具有较好的鲁棒性。目前，智能p i d 控制已经运用于软起动器 的设计当中，并且新一代的产品已经陆续生产出来。从传统的p i d 控制到目前 的模糊控制、神经网络控制等，电机软起动控制器的性能不断完善，功能越来 越多州。 二、在控制器核心芯片的选择上，过去比较多用8 位单片机控制器为核心 芯片，但单片机的处理能力有限，特别是对于一些数据处理量大、实时性和精 度要求高的系统，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，其强大的指令系统、高速数据处理能力及创新的结构使其在数据处理方 面有着与普通单片机不可比拟的优势，可大大提高系统的可靠性和快速性。 三、在对大功率半导体器件的选用上，大功率半导体器件己从最初的晶闸 管，发展到第二代c t r 、m o s f e t ，再到第三代i g b t ，但是由于价格和技术上 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 向晶闸管或是三对正反向并联的晶闸管作为控制组件。但是如果能应用些新型 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。 国外的许多大公司都相继开发了有关产品，如美国的a b 公司生产的交流调 压式电力电子软起动器，德国的西门子公司，英国的c t 公司，法国的t e 公司， 及欧洲a b b 公司等均推出了软起动器产品 8 1 ；而我国近年来国内很多企业也纷 纷开始投资开发这方面的产品开发，天津电气传动设计研究所、武汉电力电子 仪器厂、西安西普电力电子有限公司，湖南开利机电产品事业有限公司等都在 开发研制电机软起动器，虽然价格上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。 1 3 本课题任务与工作 本课题的任务是在现有的电子软起动器的基础上，开发一种硬件电路简单， 控制可靠，性能优越，除了具有一般软起动功能外，还具有泵控制功能的软起 动器。本课题是一个实践和理论结合较强的课题，它具有以下特点： 2 第1 章绪论 1 在控制方式上采用了转矩闭环p i d 控制方式，在功能上能够根据水泵的特 性曲线来控制电机的电磁转矩，减小加速转矩，消除“水锤”。 2 模拟交流量的检测采用了交流采样法，相比于传统的将交流电参量整流滤 波成直流量的检测方法，此方法在检测的速度与精度上具有优势，而且不会受 整流桥非线性因数的影响。本课题采用的交流采样法并不是通过抬高电平的方 式来检测的，而是将正负半波变成两个正半波，这样在同样的a d 转换口下，用 这种检测法就比用抬高电平法检测的精度提高了一倍。 3 从电机的数学模型出发，通过对定子的电压、电流等信号的检测，由d s p 计算出电机实际输出的转矩，这种转矩测量方法计算精度高，使用方便，并且 相比于通过转矩测量仪来测量转矩成本大大地降低。 4 刑用了强大的硬件资源和灵活的软件编程，不但使软起动器硬件电路简单 化、集成化，而且也提高了系统的可靠性和稳定性。 5 具有s c i 串行通信接口，能够与上位机进行远程通信，能够实现远程控制 和监控功能。 本文立足于实践，自行设计了以美国n 公司生产的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a d s p 芯片为主控芯片的软起动器。所做的主要工作有： 1 运用m a t l a b 仿真软件对电机的三种起动方式进行了仿真，证明了泵控 制软起动器具有减小起动电流，实时准确地控制电机加速转矩等功能。 2 讨论研究了通过交流采样法可以实时准确地检测电压、电流值，通过所检 测的电压、电流值来测量转矩，实现了全数字转矩测量。 3 设计了软起动器的硬件电路和编写出与之相应的软件，并用p r o t e ld x p 软 件画出了电路板，购买了元件，搭建并调试了硬件电路。 4 对所设计软起动器进行了现场调试，并对结果进行了分析。 本课题的工作就是设计出一种硬件电路简单，性能优良，能够实现泵控制 功能的智能软起动器，利用d s p 强大的运算功能，以d s p 作为软起动器的核心， 研究基于d s p 的软起动器的硬件电路实现及相关软件的设计。最后通过实际应 用以及现场试验来检验其效果，本文所做的工作是为了能在实践中掌握d s p 的 软硬件开发以及在软起动控制系统的应用，并对本论文提出的转矩闭环控制进 行了实际的验证与分析。 3 第2 章软起动器的理论基础 第2 章软起动器的理论基础 2 1 引言 本论文中的软起动器采用的是三相交流调压方式，通过改变晶闸管的导通 角来改变输出电压的有效值，从而实现调压功能 9 1 。本文先从异步电机的数学模 型出发，进而分析软起动器的基本原理。 2 2 异步电机的数学模型 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，首 先就需要研究异步电机的数学模型，异步电动机的数学基本模型有以下两种： 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 1 1 】【1 2 1 。对于变频 调速而言，多采用前者，然而对于软起动而言，一般采用后者。基于集中参数 等效电路的数学模型如图2 1 所示： ，i x l d ，r 2 x 2 口 l s ， s 图2 i 异步电机单相等效电路图 图2 1 中各符号意义：u 。为电网相电压有效值，0 、x 。分别为励磁电阻和 励磁电抗， 、x l ，分别是定子的电阻和漏抗，、膏0 分别为电动机转子电阻 和漏抗的折算值，s 为转差率。 。 由电机学的原理可以知道，三相异步电动机机械特性方程表达式为： 4 第2 章软起动器的理论基础 p3 p u ? r 2 乙= = - 量一 ( 2 1 ) q 2 须+ 蔓) z + ( x 。，+ 算溯 “ 在电机刚起动时，转子转速为n ：= 0 ，转差率s = 1 ，此时电机的机械特性方 乙= 瓦而哥3 p 百u ? 6 而 2 2 ) “2 顽【( + 以) 2 + ( x l ，+ x ：，) 2 】 。7 因为l ( 1 + ) + - ，( x 。，+ x 二) i 要比i ( + 。) + ( x 。+ 靠) | 小得多，所以在起动时： 乙 z4(rl+*2)21-(xlet-x20)2 * 芝 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 由于在电机起动时定转子电流比额定电流大得多，电机中的定转子漏抗使得 漏磁路中的铁磁部分发生饱和，引起漏磁阻变大，从而使得而。和工：变小，z 则 变得更小，电流更大。由式( 2 2 ) 和( 2 4 ) 可知，起动电流和端子电压成正比， 起动转矩和定子端电压的平方成正比。当起动电压较低时，起动转矩较小，电 流也较小，如果电压较高，则起动转矩较大，同时冲击电流也很大。如果异步 电机起动时就是采用直接起动，电压从零到电网电压的突变将会产生很大的冲 击转矩和冲击电流，对电气设备和机械设备都会产生很多不利的影响。 2 3 电机传统起动方式原理 电机传统的起动方式可以分为直接起动和降压起动两种，降压起动又可以 分为y - 起动，自耦降压起动，定子串电抗器起动等，下面对这些起动方法和 原理进行分析。 2 3 1 直接起动法 直接起动是用接触器直接将电机接到电网，又称硬起动或全压起动。图2 2 的曲线就是在电机定子直接接至电网条件下给出的，它也就是电机的固有特性， 为了说明起动过程中电流的变化规律，还增加了一条电流曲线。起动前，转速 等于零，接通电源后的第一瞬间起动电流达到它的最大值，只要起动转矩l 大 5 第2 章软起动器的理论基础 于负载转矩瓦，其差就是电机和负载系统的加速转矩，这个加速转矩使得电机 开始旋转。随着转速增加电流急剧下降，电磁转矩先增加后下降，到h 点后，电 机的电磁转矩等于负载转矩，系统停止加速，起动过程结束。 图2 2 电动机的起动转矩和起动电流 因为电动机的转矩与电压的平方成正比，所以采用直接起动方式起动迅速， 起动过程短，操作简单，无需很多附属设备。但也有很多不足，主要不足有：( 1 ) 起动电流可以大到电动机额定电流的扣7 倍，最大时甚至可高达1 5 倍，如果直 接起动较大的电动机，过大的起动电流将造成电网电压显著下降，影响到同一 电网中其他电气设备和电子设备的正常运行，甚至会使其他设备因电压过低而 退出运行【1 3 】。( 2 ) 直接起动会使被拖动的工作机械受到机械性冲击，对生产工艺 产生影响进而导致生产出废品，严重时还会造成机械设备的损坏。 因此，异步电动机只有在电网的容量许可，电动机的容量不大于供电变压 器容量的1 0 - - 1 5 ，起动过程中的电压降a u 应不大于额定电压的1 5 ，以及 非高扬程的供排水系统不会产生水锤效应的情况下才可直接起动。大功率的电 动机都不允许直接起动。 2 3 2 降压起动法 降压起动是在起动时先降低定子绕组上的电压，起动完成后再把电压恢复 到额定值。降压起动虽然可以减小起动电流，但是起动转矩也会同时减小。因 此，降压起动方法一般只适用于轻载或空载情况下起动。降压起动的具体方法 很多，这里介绍三种典型的降压起动方法。 6 第2 章软起动器的理论基础 ( d y - a 起动 y - a 是一种降压起动方法，起动时把定子绕组先接成星型，起动完毕后再换 成三角型。故该方式只适用于正常运行时定子绕组接成三角型的电动机。 设电机每相短路阻抗乙为常数，当定子绕组采用三角型接法时，电机起动 线电流为： k ：挚 ( 2 5 ) 二t 式中，u 为电机额定线电压。 当定子绕组为y 型接法的时候，每相绕组上的电压降为： u ，= 三，上 ( 2 6 ) 故星型接法的起动电流为： o 2 最 q _ ) 所以，可以得出： 生：三 ( 2 8 ) i n 3 由于乙正比于相电压的平方，所以y 起动时的起动转矩z 0 为起动的起动转矩 的1 3 ，即 篆弓 ( 2 。) 3 所以，可以得出y 型接法的起动电流为型接法起动电流的1 3 ，使起动电流变 小。所以，y - a 起动具有以下特点： a 、低起动电流； b 、低起动转矩： c 、长起动时间； d 、只能直接停止电机运行； e 、y - a 切换会产生电流和转矩的尖脉冲冲击，出现较大的二次电流和转矩变 动，这将引起机械和电气的应力，导致故障； ( 2 ) 自耦降压起动 在电机起动时，将定子通过可以有级调整电压的自耦变压器接至电网，等 待起动完成之后，再把电机直接接到电网上去，这样的降压起动方式称之为自 7 第2 章软起动器的理论基础 耦降压起动。 设电机在额定电压u ，下直接起动的电流为，。， 变压器原副边变比为k ，则经过自耦变压器降压后， u ，k ，故电机起动电流为： i 。= 鼍 电机起动转矩为： 起动转矩为m 。记自耦 加在电机上的端电压降为 ( 2 1 0 ) z ，= 二里 ( 2 1 1 ) ” j ! 【 可见，自耦变压器起动和y - a 起动具有相同的性质，其起动转矩和起动电 流减小的倍数是一样的。自耦变压器起动的优点在于不受电机定子绕组接法的 限制，而自耦变压器的变比置，在一定范围内可调，但是这种起动方式也同样受 到一定的限制： a 、需加一台有抽头可调起动电压和电流的自耦变压器； b 、有限的输出电压变比级数限制了理想起动电流的选择； c 、在电压转换瞬间有尖峰电流和尖峰转矩； d 、对起动要求经常变化的负载，不能提供有效的降压起动控制。例如，输 送机可能在有负载或无负载的情况下起动，自耦变压器式起动器只能在一种负 载条件下进行较好的起动控制。 ( 3 ) 定子串电抗器起动 定子串电抗器起动方式是在电机和电网接通以前，先将电抗器串入定子绕 组回路，然后接通电源，待转速稳定后再将电抗器切除。由于起动时定子绕组 当中串入的电抗器，而起到了分压作用，使加在电机上的端电压降低，因此减 小了起动电流。由于起动电流与定子端电压成正比，而起动转矩正比于定子端 电压的平方。如果起动时电机端电压降低到额定电压的1 k 倍，则起动电流降 低到额定电压时起动电流的1 k ，而起动转矩则降到原来的i k 2 倍，因此该起 动方式只能用于空载或轻载的情况。除此之外，定子回路串电抗器起动还存在 着如下的限制： 轧因电抗值不便调整，所以制造起动器时电抗值必须确定，这样使得起动特性 很难优化； b 起动过程中电抗值随着电抗的温度而发生变化，从停止到再起动需要较长 时间的冷却过程，使得在频繁起动场合下起动特性不好； 8 第2 章软起动器的理论基础 c 对于起动要求经常变化的负载不能提供有效的降压起动。 从以上几种降压起动方式的分析可知，常规的降压起动方法有一个共同特 点，就是它们不能精确地调节电机参数以适应特殊的起动要求。初始转矩和初 始电流虽然降低了，但是如果要求在恒定的加速转矩下以及电流限制到特定值 以下的起动，通过降压起动是不能够实现的。并且这种起动方式维护和保养复 杂，安装费用高，不可能完全避免电流冲击和力矩冲击，导致电网中器件的损 坏。 2 4 一般软起动方法与原理 由于传统起动方式很难在起动过程中精确地调整电机参数以满足电机按照 某种要求平滑地起动，并且会对电网造成一定的冲击，为了解决这一问题，软 起动器就应运而生了【1 4 1 。一般的软起动器都具有电压斜坡起动和限电流起动这 两种起动方式，下面分别对其原理进行介绍。 2 4 1 电压斜坡起动 电机起动电流正比于定子端电压，起动转矩正比于定子端电压的平方。电 压斜坡起动是将传统的有级降压起动变为无级降压起动。电机定子端电压是逐 渐线性上升的，电机产生的驱动转矩也是逐渐上升的，随着电压升高，驱动转 矩也增大，当驱动转矩大于阻尼转矩和负载转矩之和时，电机开始起动，并最 终达到稳定运行，它的起动过程如图2 3 所示。电压斜坡起动需要设置初始电压 乩，使得电机起动的瞬间就己经具有一定的驱动转矩，但是初始电压一般并不 高，这样既避免了电机起动时的转矩冲击，又减小了电流冲击。 u ( o 。 o 图2 3 电压斜坡起动 9 t 第2 章软起动器的理论基础 对电机的电压斜坡起动采用的控制方式：一方面是在软起动电流低于额定 电压所对应的电流值时，触发角就按既定的变化规律变化，当检测到导通角 0 = 厅，即电流己稳定在额定值时，就认为起动过程结束；二是若软起动时的起 动电流大于额定电压所对应的电流值，则调节环节就投入运行，自动调节触发 角口，限制电流的进一步增大，但电流被调节n d , 于设定的额定电流值时，调 节器就退出系统运行，触发角继续按规律变化，如此反复工作，一直到起动完 毕。 目前我国国标规定：异步电动机的过载能力z o 1 8 ，即在电机拖动 额定转矩的负载而不致停转的前提下，电压占额定电压的： 厩川帖，4 舶 眩 即如果电机驱动恒转矩负载，则u 7 4 5 u n 时，电机仍未能起动，在此 时的电压下，流过电机的电流将会很大，因此电压斜坡起动方式不适合恒转矩 负载起动。 2 4 2 限电流起动 限电流起动是控制电机起动时的电流为某一恒定值，起动电流及起动时间 均可在一定范围内预先设定。电动机在起动初始阶段时，电压从0 开始迅速增 长，电流也逐渐加大，当电流达到设定值时保持恒定不变，继续升高电压直至 达到额定电压，电机转速也达到额定转速【1 6 】【1 7 1 。限电流起动过程如图2 4 所示。 图2 4 限流起动原理 限流起动时，要求控制电机起动时的电流为某一恒值，调节环节一直投入 系统运行，使起动前期的定子电流稳定在给定的电流值上起动，直到晶闸管完 1 0 第2 章软起动器的理论基础 全导通，起动完毕，电流回复到稳定的额定值上。 由异步电机等效电路模型可知，起动时，s = l ，乙较互大很多，忽略励磁 电流时，视z 。开路，参考图2 1 ，可知 i i = - i ； ( 2 1 3 ) 可以推出起动转矩l 和定子相电流j 。的关系为： r， 二韭= 生r s 。 ( 2 1 4 ) ? t 。 ” 式中：瓦为异步电机的额定电磁转矩 ，。为异步电机的每相的额定电流 s 。为异步电机的额定转差率 通常感应电机的s 。很小，因此若要获得较大的l 倍数，必须有较大的起动 电流倍数。限流起动时，若电流限定值较大，则此时电机的起动转矩瓦也大， 因此电机达到稳定转速的时间就越短，起动就越迅速。所以对于限流起动方式， 为保证有一定的起动转矩的同时又防止电流冲击，限流值的大小要合理选取。 当必须限制最大起动电流时，可使用此方式，这种方法的启动电流小，可 根据需要调整，对电网冲击小，但是它的缺点是难以知道启动压降，不能充 分利用压降空间，损失起动转矩，起动时间较长，它主要用于轻载起动，以及 风机、泵类的负载的起动。 2 5 晶闸管谓压电路 本课题所研制的软起动器是以晶闸管作为执行机构的，通过控制单元发出 p w m 波来控制晶闸管触发脉冲，以控制晶闸管的导通，从而实现对电机起动的 控制【1 8 1 1 2 ”。所以说晶闸管的调压电路在整个软起动器的功能实现方面具有重要 的意义，下面分别从晶闸管的调压原理和调压电路的工作状态两方面来介绍晶 闸管的调压电路。 2 5 1 晶闸管调压原理 ， 在交流电源和异步电机之间接入晶闸管调压器，就可以改变电机定子端电 压。用晶闸管调压的方式有两种：一种是相控调压，即利用门极脉冲相位的变 化来改变出端电压的幅值；另一种是斩波调压，即利用改变元件占空比- 厂r 来 改变输出端电压的有效值1 1 9 1 。 第2 章软起动器的理论基础 如果要把斩波调压运用在异步电机定子上时，则要求通断交替的频率不能 太低，否则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 一次异步电动机重合闸过程。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，当断流时间间隔较长时，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，这样就会产生较大的冲击电流，严重的可能危及晶闸管的安全1 2 叭。然而， 晶闸管的工作频率一般不高，并且晶闸管不能自关断，所以若采用斩波技术则 还需要附加斩波电路或用自关断器件来替代晶闸管，这样就会使得装置变得复 杂，而且价格也会上升。 ， 所以在异步电机调压控制中，晶闸管调压一般都用相控技术。本系统采用 晶闸管调压原理，通过调节定子端电压的大小和相位实现软起动器的各种功能。 用六个晶闸管分别串联在三相定子线圈上，如图2 5 所示： 图2 5 晶闸管调压主电路 在调压时，负载上所得到的电压与电流波形在不同口角时是不同的。例如 晶闸管调压器在电机起动时，随着控制角o r 由大n d , 变化时，负载所得的电压 也随之升高的。对于单相晶闸管电路的电压波形，如图2 6 所示： 弋妒 c a t 妒r - 甏 。 一a 卜 、， 一目 图2 6 单相晶闸管工作波形 其中口角为触发角，伊为续流角，口为晶闸管真正导通角，u 为电机相电 1 2 第2 章软起动器的理论基础 压。由图2 6 可得口角决定了晶闸管的输出电压，故改变口角的大小就可以调节 电机的输入电压矾，并且口角与口角、妒角又有关系，0 = 石一口+ 伊，所以u 。和 移相触发角口，续流角p 都有关系，经过相控调压后，其有效值数学表达式为： u = 痧 = 历瓦= 面巧瓦二面 汜 其中u o 另电网相电压有效值，经推导后得： u i ：u o ，j 堡型塑垫竺塑垫丝 ( 2 1 6 ) v 2 ：r 由此可以得到u 与触发角口，续流角矿的具体关系。 从电力电子学中可以知道，当晶闸管交流调压电路带有感性负载时，只有 当移相角口大于感性负载的功率因数角妒时，才能起到调压作用，因为当口 妒 时，电流导通的时间将始终为1 8 0 0 ，其情况与口= 0 时一样，相控起不了任何调压 作用，甚至在晶闸管触发脉冲不够宽的情况下，还会出现只有一个方向的晶闸 管在工作，负载上可能出现直流分量。因此口的下限幅值取为额定运行时的p 值， 而口上限幅值取为1 8 0 0 。 2 5 2 交流调压电路的工作状态 在分析了晶闸管调压电路原理和工作过程之后，接下来分析调压过程中三 相交流调压电路的工作状态。在图2 5 所示的晶闸管调压电路图中，v 1 卜v t 6 晶闸管参照图2 5 上的位置所示。为了形成电流的回路，在每一瞬间，至少要有 两个处于不同相的器件导通。6 个晶闸管按照v t l ，v t 2 ，v t 3 ，v t 4 ，v t 5 和v t 6 的顺序循环触发导通，相邻两个晶闸管触发角应相差6 0 度电角度。 在电路进入稳态后，电路的工作状态就沿着状态图中的某一条封闭曲线循 环运动，每一条封闭曲线称为一种工作模式仁5 j 闭。三相交流调压电路有三种工 作模式：“三相两相”交替工作模式、“两相全关断”交替工作模式和“三相全 导通”工作模式。其中“三相两相”交替工作模式出现在p 口妒+ 6 0 0 情况下 ( 这里妒为功率因素角，口为触发角) ，而“两相全关断”交替工作模式则是出现 在妒+ 6 0 0 口 1 5 0 0 的情况下。在妒= 口情况时，则出现三相全导通的模式，相 当于将电源电压直接加载在电机两端的情况。 第2 章软起动器的理论基础 知道了不同的触发角下调压电路的工作状态，下面分析他们在各个状态的 工作情况，并利用有限状态机的模型进行分析。为了方便分析，晶闸管的编号 用他们对应的相电压的编号来代替，其中上标“+ ”表示的是正向晶闸管导通， 下标“- ”表示的则是负相晶闸管导通，这样就可以分别用 爿+ 、彳一、矿、曰一，c + 、c 一来代替晶闸管v t l ，v t 4 ，v t 3 ，v t 6 ，v t 5 和v t 2 。 当妒 口妒+ 6 0 0 时，电路处在“三相一两相”交替工作模式下，假设电路 的初始工作状态为三相导通状态4 bc ，当a 相电流过零时，晶闸管v t l 因 为电流过零而自然关断，这样电路就进入两相导通状态口+ c 一，当a 相电压负相 的触发脉冲触发v t 4 ，使得a 相导通，电路又进入三相导通状态彳bc ，依 此类推，电路依照图2 7 的状态顺序在各个模态之间切换并循环运行【2 3 1 。在整个 过程中有6 个三相导通和6 个两相导通共1 2 个工作状态。 图2 7 晶闸管“三相一两相”交替工作 当妒+ 6 0 0 口 t 1 ，所以系统中不会产生突然冲击。但是，q 3 与t 3 区间仍然会产生一个流量的速度改变，这使得泵机在将达到1 0 0 转速时仍会有 一个过量的加速转矩。这个表明，对于电压斜坡式这种传统的软起动器来说仍 然会产生一个较高的临界转矩，这种在泵机临近尾声时产生的突升转矩仍会引 起流体的瞬间冲击。 所以，综上所述，电压斜坡软起动等传统的软起动器可以改善泵机的起动 转矩特性，但是不能对引起冲击的突升临界转矩进行控制。 4 5 泵控制软起动功能水锤分析 泵控制其实是通过转矩控制来实现的，要求控制电机起动时的电磁转矩按 照泵特性曲线上升，即尽量使加速转矩保持在一个稳定的范围，而且数值不大， 电磁转矩刚刚超过负载转矩即可 3 2 1 【3 6 1 。 泵控制功能的软起动器的转矩，转速图如图4 5 所示，为了与前面两种方法 进行比较，把直接起动和电压斜坡起动的转矩特性曲线也加了上去。 第4 章泵控制原理分析 转矩 愿厦uu 拍 图4 5 泵控制软起动的转矩转速曲线 从图4 5 中可以比较直接起动，电压斜坡起动以及专用泵控制软起动的转矩 转速曲线，可知使用了泵控制功能后，电机转矩一直和泵负载的转矩相差一个 近似恒定且数值不大的一个值，使起动过程产生的加速转矩大大地降低，使输 出转矩得到了完善的控制。 为了再进一步地分析它的起动特性，本文对泵控制起动和直接起动以及电 压斜坡起动的流量，时间关系曲线进行分析，如图4 6 所示。 4 6 泵控制软起动流量时间关系 时问 第4 章泵控制原理分析 从图中可以看出，泵控制起动功能是通过控制泵机的加速转矩以及延长起 动时间来降低流体的冲击的，转矩是一个平缓的上升过程，没有瞬间变化，极 大地优化了电机的起动特性，将“水锤”最小化。 4 6 泵控制停止功能水锤分析 在泵停止阶段中，降低冲击及水锤与起动过程同样重要。在使用直接停止 方式下，当停止命令发出后，泵机则断电自由停车，系统“水头”会迅速超过 电机惯量，而且泵机快速停止，但管道中的流体仍在运动，具有很大动量。这 种状况会引起管道及阀门的压力突升，由此会在系统中引起严重的管道损坏。 对于一般的软起动器，通过延长停止时间以缓解冲击，但是软停止功能并 不能解决泵在停止的瞬间产生的冲击转矩问题。因为当软停止功能作用后，电 压沿斜波按用户设定的时间从满电压降到0 电压，降压可以同时降低转矩，从 而电机逐渐慢下来，但总有一点负载转矩大于电压转矩，使电机停转。液体仍 会撞击关闭的阀门并存在“水锤”现象 3 3 】。 然而，具有泵停止功能的软起动器，能精确控制泵机的减速，这和泵控制 起动的原理一样，只不过是它的逆过程。当停止命令发出后，软起动器控制电 机的减速，防止任何转矩突变，减低对系统的冲击。软起动器能够持续降低泵 机转矩，改变速度特性，这种形式的泵机减速曲线在系统中产生的冲击及水锤 最小，从而管道中的流体不会产生瞬间突变。同样，本文也对自由停车、一般 软停车、泵停止这几种停车方式进行了分析对比，它们的流量时间图如图4 7 所示。 图4 7 泵控制停止流量时间曲线 3 0 第4 章泵控制原理分析 从图4 7 可以得出，与自由停车和软停车相比，泵控制的停车时间变长，但 是能够使流量缓慢地降低，制止了流量的突变，很好地控制了停机时所产生的 一系列冲击问题。 4 7 泵控制软起动器的原理分析 通过上面的比较，可以知道泵控制功能的软起动器在解决转矩冲击，消除 水锤上的优越性，下面对它的控制原理进行迸一步的分析【6 j p 6 】。 。 由电机运动方程，可知： 乙一瓦= ，警 ( 4 6 ) “i 其中乙、瓦，j 分别为电机电磁转矩、负载转矩和转动惯量，将电磁转矩近 似为时间t 的一次函数，故可设： 乙= t o + k 1 ， ( 4 7 ) 瓦为初始转矩，爱，为电磁转矩的上升斜率，这即为转矩的预定变化规律。 又异步电机转子的转速为： 胛：6 0 a ( 1 1 一曲 ( 4 8 )胛=一j )l 4 8 ， p 根据上述三式，可以得到： r l = a t 2 + b t + c c ，s = l 一p ( a t 2 + b t + c )( 4 9 ) 6 0 a 其中p 为电机极对数，a , b , c 为常系数。 假定起动过程中负载转矩几乎是不变的，且在移相角口变化到口+ a a 这一 小段时间内，由于电机转速的变化相对应其电磁量的变化来说要缓慢的多，因 此只要口足够小，就可以假定电机在b + a o t ) 时刻处于稳定状态，只要u 不变， s 是不变的，因此此时，电磁转矩7 二与负载转矩相等： 口口+ a a 时， u l 恒定 又由式( 2 1 ) 乙= 瓦 ( 4 1 0 ) 2 顽【以+ 垒) 2 + o l 。+ 工) 2 】( 瓦+ k i t ) s 3 p 垒 f 3 1 ( 4 1 1 ) 第4 章泵控制原理分析 将式( 4 9 ) d p 求得的s 代入该式，可得u 。( f ) = f c t ) ，即相电压以可以表示为时 间t 的函数，再综合式( 2 1 6 ) ，就可以得到口和t 的对应关系口= f ( f ) ，这就是 在转矩预定规律下得到的口角变化规律，式中的p 可以实时检测得到。在s 接近 于1 时，l 应有正比于圻的变化规律。 泵控制是通过转矩闭环控制来实现的，采用转矩p i d 控制来调节电磁转矩。 转矩控制起动时，要求控制电机起动时的电磁转矩按控制规律上升，p i d 调 节环节一直投入系统运行，自动调节，使电机能够平滑起动。本方案的给定值 是根据所设定的转矩斜坡对应的转矩值，反馈值是根据电动机反馈的电压、电 流运算出的实时转矩值，对其进行p i d 控制，其输出量经过适当变换后，结合 此控制策略，产生与交流调压装置的触发角口相对应的驱动脉冲。闭环控制框 图如下图4 8 所示： 图4 8 转矩闭环控制策略 图中乇为按时间给定电磁转矩，7 二为根据电压、电流计算出的实际转矩， 乙为p i d 调节后得出控制转矩，通过巧计算出的电压的大小，结合电压, 和功 率因数角妒就可以确定触发角盯，其中妒是可以通过交流采样法实时计算的。 综上所述，本文采用的是一种转矩斜坡控制方式来实现泵控制功能的，可 以通过设定初始转矩瓦和转矩上升斜率j r ( r ，对转矩的差值p i d 控制器的调节进 而实现降低加速转矩，减小水锤冲击。 4 8 本章小结 本章从水锤产生原因出发，分析比较了直接起动、电压斜坡起动、泵控制 起动这三种起动方式下水锤的大小，得出采用泵控制起动方式能够很好地抑制 水锤，降低流体对设备的冲击。此外，还对泵控制的原理进行了分析，得出采 用转矩斜坡控制可以实现泵控制功能。 第5 章软起动器的硬件设计 第5 章软起动器的硬件设计 5 1 引言 控制系统的硬件设计是软起动器开发与研制过程中的重要环节，设计异步 电机软起动器时首先要考虑它所要实现的功能，最后设计完成这些功能所需要 的各个模块。本章将从整体硬件框图出发，介绍构成软起动器的各个主要模块 的硬件设计。 5 2 软起动器的硬件总体设计 本课题研究的软起动器通过采集电压，电流信号计算出电磁转矩，实现泵 控制功能，并且能够与上位机进行通信功能。 根据以上要求，本软起动器的总体硬件结构图如下： 图5 1 软起动器硬件总电路图 本课题设计的泵控制软起动器是由主电路板和控制电路板组成( 见图5 1 ) 。 主电路板是软起动器的执行单元，控制电路板则包括主控单元和检测单元。执行 单元中用上海椿树整流器有限公司生产的m t c l 6 0 a 1 6 0 0 v 型号的晶闸管，软起动 结束后采用继电器驱动交流接触器把软起动器短路。主控单元采用了美国德州仪 器( t i 公司) 生产的高性能d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为运算控制核心。为了能 3 3 第5 章软起动器的硬件设计 够实时的显示电压、电流、转矩值，以及能够使操作人员能够进行远程控制，软 起动器还设有一个键盘与显示电路以及串行通讯接口电路。检测单元则采用体积 小巧的电压互感器合电流互感器，实现电压和电流模拟量的摄取，然后通过电源 运放调整电路对模拟信号进行处理后，输入到d s p 的a d 转换口中【3 9 i 。 5 3 软起动器的主控单元 本课题设计的软起动器以d s p 芯片1 m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为运算控制核心。 控制芯片根据检测单元检测到的信息进行相应的判断和计算后，输出六路触发 脉冲，通过改变触发角的大小来调整晶闸管的输出电压，从而改变异步电机的 定子端电压。 5 3 1 控制芯片简介 近年来随着软起动器不断的发展和更新换代，一般的单片机显然在处理比较 复杂的控制算法时需要耗费较长时间，已经不能满足软起动器控制电流时的快速