（控制理论与控制工程专业论文）基于离散变频理论的感应电动机软起动器的研究.pdf

硕t - 学位论文 摘要 在工业生产中，有许多重载设备，比如粉碎机、皮带运输机、矿山刮板输送机等。 这些设备一旦出现故障停车，再重新起动就比较困难。直接起动会产生很大的冲击电 流，影响电动机的使用寿命。采用降压起动装置或常规软起动器起动又很难提供足够 大的起动转矩，无法实现重载起动。而采用变频器起动虽然具有起动电流小、电网冲 击小等优点，但将变频器仅用于电动机起动，其投入成本又过大。针对这些矛盾，本 文研究了一种基于离散变频理论的感应电动机的高转矩软起动器。该软起动器根据电 磁转矩与电源频率成反比的关系，采用与传统软起动器相同的三相反并联晶闸管主电 路，将交交变频原理引入到软起动器的电动机起动控制，有选择地让工频信号的某些 半周波通过，而另一些半周波截止，由此改变电动机频率，实现离散变频软起动。在 变频的同时改变晶闸管的触发角，可以调节定子端电压的大小，这样有效地降低了电 机的起动电流，减小了对电网的冲击，同时又提高了感应电动的起动转矩，满足了重 载设备的起动要求。 本文首先对离散变频理论进行了深入剖析，提出了选取基于离散变频的感应电动 机的最大转矩的最佳相位组合，通过对感应电动机离散变频软起动器的仿真与实验的： 研究，证明了所研究的控制策略具有改善起动转矩及降低电网冲击的显著优点，在重 载电动机的起动方面具有一定的创新性和较好的应用前景。本文利用高速d s p 芯片 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为主控单元，研制出基于离散变频控制的高转矩软起动控制系统， 并完成了主电路和控制电路的软硬件设计。采用m a t l a b s i m u l i n k 构建了基于离散变频 的感应电动机软起动器仿真模型，仿真结果与传统软起动方式相比较，验证了离散变 频理论的正确性和可行性，证明了离散变频高转矩软起动器具有优良的性能。 关键词：离散变频；高转矩；软起动；t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a i i 基于离散变频理论的感应电动机软起动器的研究 a b s t r a c t t h e r ea r el o t so fo v e r - l o a d i n gt r a n s p o r te q u i p m e n t si ni n d u s t r y ，s u c ha sd i s i n t e g r a t o r s ， b e l tc o n v e y e r s ，d r a w i n gc o n v e y e r s ，e t a l t h e s ee q u i p m e n t sw i l lb e c o m em o r ed i f f i c u l tt o r e s t a r to n c et h e yo c c u rt ob r e a kd o w n s t a r t i n gd i r e c t l yw i l lp r o d u c eab i gc u r r e n ti m p a c ta n d s h o r tt h eu s e f u lt i m eo ft h em o t o r r e d u c i n gv o l t a g es t a r ta n dt r a d i t i o n a ls o f ts t a r t e rc a r ln o t p r o v i d eb i ge n o u g hs t a r t i n gt o r q u ea n dn o tc a l t yh e a v yl o a dt os t a r t u s i n gi n v e r t e ri ns t a r t w i l lr e d u c es t a r tc u r r e n ta n di m p a c tt op o w e rs y s t e m ，b u tb r i n gg r a t ec o s t a i m i n ga tt h e s e p r o b l e m s ，ah i g ht o r q u es o f ts t a r t e rb a s e do nd i s c r e t ev a r i a b l eh a sb e e nr e s e a r c h e do n a c c o r d i n gt ot h ei n v e r s ep r o p o r t i o nr e l a t i o nb e t w e e nf r e q u e n c ya n de l e c t r o m a g n e t i ct o r q u e ， t h i ss o f ts t a r t e ru s e st h et h r e eg r o u p so fi n v e r s e l yp a r a l l e l - c o n n e c t i n gt h y r i s t o r s ，w h i c ha r e t h es a m eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o na st h et r a d i t i o n a ls o f ts t a r t e r s ，a n di n t r o d u c e st h ea c a c v a r i a b l ef r e q u e n c yt h e o r yt ot h es o f ts t a r t e r t h e nw ec a l ls e l e c ts o m eh a l fc y c l e so ft h el i n e f r e q u e n c ya n do m i tt h eo t h e r st oo b t a i ns u b - f r e q u e n c yo ft h el i n ef r e q u e n c y w h e nc h a n g i n g t h ef r e q u e n c y ，s w i t c h i n gt h et r i g g i n ga n g e lc a na d j u s tt h es t a t o rv o l t a g e ，s ot h a tt h es t a r t i n g c u r r e n tc o m e sd o w na n dw i l ln o tc a u s et h ei m p a c tt ot h ee l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m ，a n dt h e s t a r t i n gt o r q u ew i l lb ei n c r e a s e dw h i c hc a nf i tt h ee q u i p m e n tw i t hh e a v yl o a d t h i sp a p e rr e s e a r c h e so nt h ed i s c r e t ev i a b l ef r e q u e n c yp r i n c i p l e ，a n dp r o p o s e st h em o s t o p t i m a lc o m b i n a t i o no fd i s c r e t ef r e q u e n c yi n i t i a lp h a s ea n g e l sw h i c hc a l lp r o d u c et h eb i g g e s t e l e c t r o _ m a g n e t i ct o r q u eo ft h ei n d u c t i o nm o t o r s t u d i n go nt h es i m u l a t i o na n de x p r i m e n to f t h es o f ts t a r t e r ，t h er e s u l t ss h o wt h ep r o p o s e ds t r a t e g yc a l li m p r o v es t a r tt o r q u ea n dr e d u c e i m p a c tt ot h ep o w e rs y s t e m ，a n dp o s s e s ss o m ei n g e n u i t yo ns e t t l i n go v e r - l o a d i n gs t a r t t h e p a p e rs e t su pt h es y s t e ms i m u l a t i o nm o d e lb yu s i n gm a t l a b s i m u l i n k c o m p a r i n gw i t ho t h e r s t a r t i n gw a y s ，t h er e s u l t so fs i m u l a t i o nv e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h i sc o n t r o ls t r a t e g y b a s e do n t h es i m u l a t i o n ，t h es o f ts t a r t e rh a sb e e nd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d t h es y s t e ma d o p t st h e 1 1 i g l ls p e e dd s pc h i pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 aa st h ec e n t r a lc o n t r o lc e l l ，a n dc a l ls e l e c tt h eb e s t s t a r t i n gs t r a t e g yf r o mt h et r a d i t i o n a ls t a r t i n gm a n n e r so rd i s c r e t ev i a b l ef r e q u e n c ys t a r t i n g f o rd i f f e r e n t o c c a s i o n s s y s t e mh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n ，b l o c kd i a g r a mo ft h es y s t e m s o f t w a r ea r ea l s oi n t r o d u c e di nd e t a i l t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l t sa p p r o v e st h a t t h es o f ts t a r t e rb a s e do nd i s c r e t ef r e q u e n c yt h e o r yc a r li m p r o v et h es t a r t i n gt o r q u eo ft h e m o t o re f f e c t i v e l ya n df i tt h eo v e r l o a ds t a r t i n gs u i t a b l y k e yw o r d s ：d i s c r e t ef r e q u e n c y ；h i 曲t o r q u e ；s o f ts t a r t e r ；t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a i i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体己经发表或撰写的成果作品。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后果由本人承担。 作者签名2 膨王日期叩年r 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名： ) 羡厶 刷币签名：鲧旋之 吒1 、4 饼一 日期j 年f 月57 日 醐加f 年f 月弓1 日 硕十学位论文 1 1 研究的背景和意义 第1 章绪论 三相交流感应电动机的起动问题，一直都是人们关注和研究的热点。 三相交流感应电动机因其结构简单、制造方便、运行可靠和价格低廉等优点， 广泛应用于国民经济的各个领域。评价感应电动机起动性能的两个最重要的指标 是起动电流和起动转矩。在研究电动机的起动过程中，如何降低电动机的起动电 流、增加电动机的起动转矩，一直都是机电行业专家们探讨的重要课题之一。 三相交流感应电动机若直接起动，将会产生很大的起动电流，一般电动机的 起动电流大约为其额定电流的4 7 倍。过大的起动电流会造成如下危害： ( 1 ) 在大电流的冲击下，电动机绕组( 尤其是端接部分) 受电动力的作用有发生 位移和变形的趋势，若电动机在操作工艺和绝缘处理上不够完善，以及使用日久 的情况下，电动机绕组易发生短路以至于烧毁电动机。 ( 2 ) 过大的电流会造成电动机发热以致会加速电动机的绝缘老化，大大降低电 动机的使用寿命，而且导致大量的能量损耗。 ( 3 ) 超大的电流会给电网带来不良影响，使电网电压波动，如电网电压波动较 大时将会干扰网络上的其它负载，给生产带来不必要的麻烦。 所有这些都给设备的安全可靠运行带来威胁同时也造成较大的起动能量损 耗，尤其当频繁起停时更是如此晗一1 。 为了解决三相感应电动机起动时产生的较大的电流冲击，在实际中通常采用 降压起动的方法。传统的降压起动方式有y 起动，自耦降压起动，串电阻或电 抗器降压起动，延边三角形起动等。这些方法虽然可以起到一定的限流作用，但 仍存在着负载适应能力差、起动电流不连续、维修工作量大等缺点。随着工业现 场对自动化、机械化要求的提高，此类矛盾日益突出。 上世纪七十年代，开始采用晶闸管移相触发降压起动，即晶闸管软起动器。 到目前为止，所有的软起动设备都是采用降低起动电压的方法来起动交流电动机 的，由于电动机的电磁转矩与其绕阻所加电压的平方成正比，当定子电压降低时， 其电磁转矩会降低很多，所以只适合起动空载或轻载起动的电机，一般起动转矩 应小于额定转矩的5 0 左右。对于需重载起动的电机，如球磨机、粉碎机、矿井 起重机等，则并不适用。另外由于普通软起动器降压而不降频，在起动过程中由 于大的转差率的存在，不可避免地会出现大的起动电流，因而大大地限制了软起 动器的使用范围h 一】。 上世纪八十年代发展起来的应用于电力电子驱动的变频器则可以满足上述 要求。变频器除可控制电机调速运行外，也完美地解决了异步电机的软起动问题。 基于离散变频理论的感府电动机软起动器的研究 但由于其价格昂贵，对于不需要调速，仅仅为了解决起动问题而使用变频器实现 软起动，是非常不经济的，也是一般的工业企业所无法承受的。 如果能在传统晶闸管软起动器的基础上，提高电动机起动转矩，使其既具有 传统软起动器的优点，又具有高起动转矩的特性，低成本，大容量，可靠性也比 变频器高，这将大大扩展软起动器的应用范围。因此，研究传统晶闸管软起动器 带重载起动问题具有重要的理论意义和实用价值。 1 2 软起动器的应用 软起动装置，已广泛应用在石油、化工、冶金、电力、建材等领域，取得了 显著的经济效益哺1 。软起动器的使用场合非常广泛，主要包括： ( 1 ) 离心分离机、风机类电机具有较大惯性，起动时需要较长的时间；风机类 电机转动力矩随速度增大而增加，在电源从星型变为三角形之前很难上升到需要 的速度。软起动器能解决这些问题。在正常情况下带负载的风机类电机一般转速 较慢，因此采用软起动器还有利于节约能量。 ( 2 ) 带负载的挤压机起动时必须克服全部的反向力矩，采用软起动器不仅可以 减少机器磨损，还可以保护负载峰值时的能量传送装置。 ( 3 ) 运行中的起重机和升降机所吊的负载在急速起动和转动时很容易发生摆 动或振荡，软起动器非常适用于这些场合。不过，在以正常速度运行的简单升降 机中不需要软起动器。 ( 4 ) 搅拌机2 耀高粘性物质时，如果突然起动，容易使搅拌机的搅臂和传送机 构过负荷。使用软起动器就能避免这类问题。 ( 5 ) 泵类电机采用直接起动或星三角形起动会对管网和阀门及其它供水设备 形成冲击，而损坏设备，水泵突然停止时会产生水锤效应。突然停机时，泵管里 的水除了自身的重量，还带着高位势能形成的巨大冲击力，冲坏水泵进水管的底 阀( 俗称“拍门”) 。利用软起动器能消除水锤效应。 ( 6 ) 皮带装置。当电机与其齿轮的比例太大时，急速起动可能会导致其畸变， 运输带突然起动会使皮带上的物体落下损坏。使用软起动能平滑起动。 原则上，软起动器可适用于笼型异步电动机不需要调速的各种应用场合，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，只有短时或瞬间处于重载场合，应用软起动器( 不带旁路接触器) 则具 有轻载节能的效果。 1 3 异步电动机的起动方法 1 3 1 传统降压起动方法 降压起动方式通过降低电机定子输入电压的方法来减小定子绕组中的电流， 硕十学位论文 降压过程一般只用于电动机的起动初期，当电动机转速上升到一定量值时，再将 电压恢复到额定值，以使电动机能够稳定运行在其额定工作点上。降压起动常用 的方法有：定子串电抗器降压、自耦变压器降压、星一三角形( y ) 降压、延边 三角形降压、磁控软起动器降压等几种h 一】。 ( 1 ) 定子串电抗器或水电阻起动。在电网与电机间串联电阻或电抗器或水电 阻，利用电阻或电抗的分压作用，使电机的输入电压低于电网电压。随着电机转 速的上升，应逐渐减小电抗器的分压量，最终使电机直接与电网相联。此方法所 需电抗器的容量决定于所起动电机的容量，因此，对于大容量电机的起动，所需 电抗器的体积将很庞大，而对其电抗的连续调节却难以实现，即电机起动过程中 的输入电压是非连续变化的，其结果会使电机在起动过程中产生电流和转矩冲击。 ( 2 ) 自耦变压器起动。通过调节自耦变压器的输出电压，使电机的输入电压低 于电网电压。对于大容量电机的起动，需要大容量的自耦变压器，这将使电机起 动设备的体积庞大、笨重，消耗较多的有色金属，维修费用高，而在电机起动过 程中输入电压的连续调节也难于实现。 ( 3 ) 星一三角形( y - ) 起动。在电机起动时将电机的定子绕组接成y 形，使电 机每相承受的电压为电网的相电压，从而减小电机起动电流，当电机达到额定转 速时再将电机的定子绕组接成形，使电机每相承受的电压为电网的线电压。y - 起动方法的优点是起动设备简单、成本低，能量消耗少。但其电压调节只分为两 挡，存在二次电流冲击，冲击电流仍然非常大，故障率高，不宜频繁起动，起动 电压为运行时电压的l 怕，故起动转矩为额定转矩的l 3 ，而且要求电机正常运 行时其定子绕组必须为形接法。 ( 4 ) 延边三角形起动。三相定子绕组的每一相除首、尾端外，还有一个中间抽 头，整个电机有9 个出线端。起动时将各相中间抽头的后半段接成形，再将三 个首端接电源，从整体看是一个三边都有一段延长线的形，故称“延边三角形起 动”。当电机达到额定转速时，可通过开关使三相绕组首尾相连接成形而稳定运 行。这种起动方法对电机定子绕组的引出端有特殊要求，而且其对电机电压的调 节是分档、非连续的，电机起动时的冲击电流较大。 ( 5 ) 磁控软起动。控磁限幅调压，在电动机起动过程中，电压由较低值平滑上 升到全压，起动电压2 0 0 v 左右，用户不可调节，会有较大的电流冲击，设备体 积庞大。此外还有绕线式电机转子绕阻串频敏电阻或水电阻起动，但频敏电阻器 成本高，定子串电阻起动，损耗大。 上述传统降压起动方法共同的优点是：在一定程度上降低了电机的起动电 流，且无谐波污染。缺点是在降压限流的同时降低了电机的起动转矩，因此只适 合空载或轻载起动，且由于降压过程为有级变化，所以存在电流和转矩的二次冲 击 1 。 基于离散变频理论的感应电动机软起动器的研究 1 3 2 晶闸管软起动器 1 3 2 1 晶闸管软起动器的主电路 软起动概念起源于美国马歇尔航天中心，是一种采用电力电子技术、控制技 术和微处理器技术等多种技术综合而成的全新的电机起动控制方式。上世纪七十 年代，随着电力电子技术和计算机控制技术的快速发展，软起动这门新技术在欧 美国家得到了广泛应用。与传统的降压起动不同之处在于软起动采用的是无触点 电子开关器件，能控制电压的平稳上升。实现软起动的装置称为软起动器，传统 的软起动器的主电路是由串接于电源与被控电动机之间的三相反并联晶闸管组成 的，因此也称为晶闸管软起动器n 别。晶闸管软起动器主电路如图1 1 所示。 图1 1 晶闸管软起动器主电路 1 3 2 2 晶闸管软起动器的控制方式 晶闸管软起动器通过控制晶闸管的导通角使电动机的定子电压从预先设定 的值上升到额定电压，与其他传统起动方式相比，具有更好的软起动能力，它既 能保证电动机在要求的起动特性下平滑起动，又能降低对电网的冲击n 3 1 钉。根据 晶闸管软起动器的调压原理，常有以下几种控制方式： 1 斜坡电压起动方式 斜坡电压起动方式如图1 2 所示，使电动机上的电压从0 开始，以线性斜坡 的方式逐渐增大到额定电压值。斜坡电压起动方式主要用于重载起动，其起动时 间可调，起动力矩完全按给定电压的斜坡值变化，当斜坡时间结束，电动机还未 到全速时将以全电压提供起动电流直至额定速度。这种起动方式的优点是起动时 间较短。缺点是起动转矩小，起动电流相对较大。一般是采取分段式，先使输出 电压迅速上升到u ，u 为电动机起动所需最小转矩所对应的电压值，然后按所设 斜率逐渐升压，直至额定电压。其中u 以及上升斜率可根据负载特性调整n 引。 2 限流起动方式 图1 2 斜坡电压起动 硕士学位论文 限流起动方式如图1 3 所示，就是在电动机的起动过程中限制起动电流不超 过预先的设定值以的大小可根据需要设定) ，该值可设为额定电流的0 4 - 4 倍 之间。这种方式主要适用于轻载起动的风机、泵类等负载。电动机在起动初始阶 段时，电压从0 开始迅速增长，电流逐渐加大，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，电动机转速也达到额定转速。这种起动 方式的优点是起动电流可控，可根据需要调整助，对电网冲击小。缺点是起动时 损失了起动转矩，起动时间较长n 7 1 。 图1 3 限流起动 3 转矩控制起动方式 转矩控制起动方式如图1 4 所示，主要用于重载起动，是按电动机的起动转 矩线性上升的规律来控制输出电压。它的优点是起动平滑、柔性好，对拖动系统 有利，对电网冲击小，是最优的重载起动方式之一。缺点是起动时间长n 刚。 图1 4 转矩控制起动 4 转矩加突跳控制起动方式 转矩加突跳控制起动方式如图1 5 所示。与转矩控制起动相同也是用在重载 起动的场合，如皮带传输机、挤压机、搅拌机等。由于其静阻力矩较大，必须施 加一个短时的大起动力矩，克服大的静摩擦力，然后转矩平滑上升，缩短起动时 间。这种起动方式所提供的辅助突跳力矩所需电流可达到满载电流的5 0 0 ，突 跳起动时间可在o 2 秒内选择，但是突跳会给电网发送尖脉冲，干扰其他负荷， 使用时应特别注意。 图1 5 转矩加突跳控制起动 基于离散变频理论的感应电动机软起动器的研究 1 3 3 变频器软起动 传统的软起动方式和晶闸管软起动器都存在着起动转矩小的问题，无法适用 于工业中一些需要重载起动或恒转矩起动的负载。上世纪八十年代发展起来的变 频调速技术，除可控制电机调速运行外，也完美地解决了感应电动机的软起动问 题n 引。根据三相感应电动机电磁转矩与电源频率成反比的关系，在电压大小不变 的情况下，降低供电电源的频率，可以有效地提高电动机的起动转矩。于是有人 把应用于电机调速系统的变频器作软起动器，对电动机进行平滑起动。变频器可 根据负载情况线性调整起动时的输出频率，对负载较轻的电动机，频率一般从零 开始起动；对负载较大的电动机则需设置适当的起动频率，以便起动时增加冲击 力，拖动负载起动旺0 1 。 变频器软起动具有性能好，效率高，能自动平滑加速，降低电流冲击等优点， 但由于变频器的价格昂贵，成本高，且存在用变频器作软起动的电动机投入电网 时的同步问题，变频器的容量也没有晶闸管软起动器大，因此变频器软起动不适 宜推广应用。 1 4 高转矩软起动器的研究现状 晶闸管软起动是通过降低晶闸管输出端的电压来降低电动机的起动电流，故 其实质也是一种降压起动。用晶闸管软起动器起动电机可以实现起动电流的连续 控制，起动电流为额定电流的0 5 4 倍，避免了传统软起动方式使用时出现的电 压变换导致的电流冲击现象。另外由于这种软起动器所用的功率元件为电力电子 元件，省去了接触器，控制器等换档开关，因此减小了起动装置的体积，维护起 来也很方便。 随着晶闸管软起动器的推广使用，晶闸管软起动器在限流的基础上逐渐加入 了许多新的功能，如监测电机的电压、电流、功率因数、过压或欠压保护、过流 保护、电源缺相保护、电机短路保护等。因此现在的晶闸管软起动器已经不再是 简单的软起动工具，而是集控制、监控、保护、节能于一体的智能装置。目前广 泛使用的软起动器仍为晶闸管软起动器。 现在影响晶闸管软起动器推广的因素有两个：一是由于电力电子元件容量在 高电压大电流下使用受到限制。另一个是由于晶闸管软起动器在起动过程中降低 了电机定子两端的电压，导致了与电压平方成正比的电磁转矩的降低，因此很难 实现电机带重载或是恒定负载起动。对于提高晶闸管软起动器使用电压的问题已 经提出了一些解决方案：1 功率元件的串并联，提高其耐压等级和触发速度，改 进触发系统，提高触发和关断的同时性。2 通过控制低压电力电子元件来间接控 制高压执行元件，如开关变压器和高压磁饱和电抗器心。而对于大转矩负载或恒 定负载的起动，只能考虑在降低起动过程中的电机起动电压的同时，增大电机的 硕十学位论文 起动转矩输出，这才是最根本的解决途径。 近年来，国外有关软起动的研究侧重于减小起动转矩脉动、增大起动转矩、 节能等方面。许多学者都相继做过或正在开展这方面的研究工作。 文献 2 2 】在解决软起动控制过程中电磁转矩脉动和电流脉动问题上，做了细 致的研究工作。文献 2 3 】比较了恒功率因数节能、最小定子电流节能和最小功率 因数角控制节能的原则，认为最小定子电流和最小功率因数角节能更接近理想情 况，效果好于恒功率因数节能。文献【2 4 】提出了一种转矩控制策略，能够减小起 动时的冲击电流和转矩，同时能使电机起动时间按照所给定的时间。文献 2 5 】将 当前的半导体技术和电路设计技术结合起来，应用到电机的控制领域，尤其是对 高压大功率交流感应电动机，提出了一些控制策略并指出了每种策略的优点。 另外，人们在电机软起动控制算法方面也不断地进行探索，从传统的p i d 控 制到目前的模糊控制、神经网络控制等。其中，控制变量包括电机定子电压，定 子电流，电磁转矩及晶闸管电压，功率因数角等幢卜2 ”。电机软起动控制器的性能 在不断完善，功能越来越多，它可以替代某些测量及保护设备，如可以测量电机 的电压、电流、功率因数、电能消耗，在保护方面可以实现过流、过压及欠压保 护，电源缺相保护，晶闸管短路保护，电机短路保护等。另外还可借助网络通讯 实现远程监控。根据需要开发适合于中压电机的软起动控制器。 上述软起动控制方法都在一定程度上改善了电机的起动性能，但仍都属于调 压不调频的控制方法，所以电机起动转矩的提高仍受到很大的限制，难以适应电 机重载、满载时的起动。在一些需要重载起动的场合，人们把目光投入到变频器 控制起动。诚然变频器起动可以提供很高的起动转矩，但正如前所述，成本和复 杂性必然上升，因此也是不经济的。目前，有关利用软起动方法实现电机重载、 满载起动的研究成果不多。1 9 9 9 年，g i n a r t 等人提出了一种提高电动机起动转矩 的方法：在不改变传统晶闸管软起动器的硬件结构的情况下，降低晶闸管两端输 出电压的同时降低供电电源的频率，从而达到提高起动转矩的目的瞳轧圳。该方法 从理论上解决了电机起动转矩小的问题，但存在许多不足，如：三相初始相位角 的组合过多；产生最大正序分量的相位角组合分析方法繁琐等。其结果造成并未 有效提高电机的起动转矩，因此其应用受到限制。 近年来，不少国内专家学者在g i n a r t 提出的变压变频的理论上做了深入研 究。文献【3 0 】提出了在离散变频中采用无速度传感器，用速度作闭环控制，可以 防止转矩突跳；在无速度传感器方面，文献 31 】等提出了基于晶闸管截止电压来 获取电机转速的方法；文献【3 2 】针对离散变频的特点，提出了基于失电残压的转 速测量方法。文献 3 3 3 4 提出了离散变频的等效正弦控制，功率因素角闭环控制。 离散变频是重载设备起动的好方案，且目前尚没有成型产品出现，因此国内 外不少专家仍在不断研究和开发之中。 基于离散变频理论的感应电动机软起动器的研究 1 5 本文的主要内容 本文在离散变频理论的基础上，研究了通过控制晶闸管导通角来改变定子电 压频率，提高起动转矩的方法和控制策略。提出了一种更易于实现且控制更优的 离散频率组合方式，并利用t i 公司的电机专用控制芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 对提出 的高转矩软起动器进行了数字化实现和实验研究。本文的主要内容有： ( 1 ) 晶闸管软起动器提高感应电动机起动转矩方法研究。本文分析了电磁转矩 和供电电源频率成反比的关系，对离散频率的形成，相位角的变化，最大正转矩 的相位角组合，和离散频率的最佳组合进行了详细分析，并利用m a t l a b s i m u l i n k 构建离散变频软起动器的仿真模型。仿真结果与传统软起方式相比较，验证离散 变频理论的正确性。 ( 2 ) 离散变频高转矩软起动器控制系统研究。采用高速d s p 芯片 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为主控单元，研制一套提高感应电动机起动转矩的离散变频 软起动控制系统，并给出了主电路和控制电路软、硬件设计。用研制的软起动器 对感应电动机进行实验，验证离散变频理论的有效性和可行性。 硕十学位论文 第2 章软起动器离散变频原理 2 1 感应电动机等效电路 利用三相感应电动机的较准确f 形等效电路如图2 1 ，可求得起动转矩瓦： 乙2 丽面i 两m , p 万u ? 瓦r ；了面丽 ( 2 1 ) 1 盯 2 顽【( 尺l + 仃l r ：) 2 + ( 五。+ 仃l x ：。) 2 】 “， a i r 。嘎扎彳焉彳z 。 图2 1 感应电动机等效电路 e 由式( 2 1 ) 可知，电磁转矩乙= q o , , 1 2c o s ：在起动时，由于脚2 石赢 减小，另外2 = a r c t a n ( x 2 。r 2 ) 接近9 0 0 ，c o s2 也很小，所以尽管电机起动时电 流很大，起动转矩仍是变小口5 1 。同时，由式( 2 1 ) 可以看出，在电机参数不变的情 况下，起动转矩与电源电压的平方成正比，与电源频率成反比。离散变频理论即 是通过降低供电电源的频率，来提高电机起动转矩，解决传统软起动器起动转 矩小的问题。 2 2 离散变频的基本原理 2 2 1 离散变频方法 由2 1 可知，只要降低供电电源的频率就能提高电机的起动转矩。离散变频就是在 不改变晶闸管软起动器的硬件结构的情况下，将变频器交交变频原理引入其中，通过 控制晶闸管的导通和截止，有选择地使工频供电电源的半个周波全部或部分通过，获得 频率下降的电压和电流，从而提高电动机的起动转矩。显然，离散变频虽然可以实现变 频，但不能使频率连续地变化，它只能是原工频电压的任一整数分频，例如，对于频率 5 0 h z 的工频电源来说，依次进行2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 ，8 的分频，就可得到频率为2 5 h z ， 1 6 7 h z ，1 2 5 h z ，1 0 h z ，8 3 h z ，7 1 h z ，6 3 h z 的离散子频率。图2 2 是对5 0 h z 交流电 基于离散变频理论的感应电动机软起动器的研究 源变频得到2 5 h z 和1 6 7 h z 频率的示意图。 a ) 5 0 h z 电源变频得到的2 5 h z 示意图b ) 5 0 h z 电源变频得到的1 6 7 h z 示意图 图2 2 对5 0 h z 交流电源变频得到的2 5 h z 和1 6 7 h z 频率的示意图 图2 2 中阴影部分为原工频正弦波被导通选择的部分。从图可以看出，离散变频产 生的子频率的波形是晶闸管对原工频电压斩波形成的，已经不再是正弦波，它包含或去 掉了原工频供电电源的半个周波的全部。所以，对离散子频率来说，原工频供电电源的 频率是它的谐波频率。反过来，对工频电源来说，它又是工频电源的分数子频率，或者 说分数谐波频率。 2 2 2 离散频率的相位角 通过选择或去掉原工频电源的半个周波的全部来形成频率为2 5 h z 的电源波形时， 在两个正半波和两个负半波中可以各选通一个正半波和一个负半波，这样就有四种不同 的组合方式，即有四种方法形成2 5 h z 波形如图2 3 所示。这四种方法形成的2 5 h z 波形， 频率和振幅相同，但相位不同。 为了对产生的波形进行分析，本文利用m a t l a b s i m u l i n k 的电气系统库中的f o u r i e r 模块，建立了如图2 4 所示的仿真模型，对波形进行傅里叶分析，得到不同变频方式下 的相位，结果如下： 四种方法将a 相转换成2 5 h z 后的相位分别为：0 0 、9 0 0 、1 8 0 0 、2 7 0 0 。 a ) 产生a 相2 分频后相位为0 。的方法示意图b ) 产生a 相2 分频后相位为9 0 。的方法示意图 c ) 产生a 相2 分频后相位为1 8 0 。的方法示意图d ) 产生a 相2 分频后相位为2 7 0 。的方法示意图 图2 3 产生a 相2 5 h z 电压的四种方法 四种方法将b 相转换成2 5 h z 后的相位分别为：6 0 0 、1 5 0 。、2 4 0 。、3 3 0 0 。 硕十学位论文 四种方法将c 相转换成2 5 h z 后的相位分别为：6 0 0 、3 0 0 、1 2 0 0 、2 1 0 0 。 图2 4 傅里叶分析模型 将以上各相相位进行组合，可以得r a = 6 4 种不同的2 5 h z 三相交流电压，如表2 1 所示。 表2 1r = 2 时a ，b ，c 三相相位角( 2 5 h z ) a 相0 09 0 。2 1 0 02 7 0 0 b 相6 0 。1 5 0 。2 4 0 03 3 0 。 c 相6 0 0 3 0 01 2 0 02 1 0 。 为了简化问题，我们可假定离散频率a 相初始相位角同工频电源的初始相位角一 致，即都为0 0 。但b 、c 的相位角仍有多种可能。而且，随着分频数，的增大，b ，c 相位角的组合，2 将更多。 原工频供电电源是三相平衡系统，供电频率= 5 0 h z ，供电角频率为f o r m , ，三相 供电电压为，若以a 相电压为参考，则b 相滞后a 相1 2 0 0 ，c 相滞后a 相2 4 0 0 。 设离散产生的电压角频率为。，新产生的电压用虬，u 表示，为分频系 数，取正整数，则新频率和电网频率的关系是： r - o t m e2r f - o s 曲( 2 2 ) 若要使新产生的子频率电压三相相序为正，则三相电压a ，b ，c 三相之间应有1 2 0 0 的相移。同样，以a 相为参考，b 相滞后a 相1 2 0 0 ，c 相滞后a 相2 4 0 0 。由电网提供的 工频供电电源是三相平衡的正弦交流电源，三相之间互差1 2 0 0 。对正弦周期内过零点进 行分析，我们可以发现决定初始相位角的三相电压过零点的电压瞬时值单调性是一致 的，以工频a 相为参考，初始相位角为0 0 ，其在原点处的电压瞬时值单调性若为递增， 则b 相和c 相的初始相位角的过零点处电压瞬时值单调性也必定为递增，反之则为递 减，因此，在一个工频电源周期内只有一个过零点是有效的。工频三相电源平衡系统的 示意图如图2 5 所示。 基于离散变频理论的感府电动机软起动器的研究 图2 5 工频三相电源平衡系统分析不意图 对a 、b 、c 三相工频供电的情况，a 相初始相位角为0 0 ，且过零点单调性为递增。 则与a 相具有相同单调性的b 相过零点在整个时域内的相位角为： ：孥+2ko)lmet 2 k x ( 2 3 )2 _ +瞄j ) 其中，k 为整数。 结合式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 可推导出b 相电压的相位角： 偿一了2 x + 2 后万 ( 2 4 ) 口6 = l ( 2 4 ) 同理，工频电源中与a 相初始相位角为o o 过零点具有相同单调性的c 相过零点在 整个时域内的相位角为： ：挈+2ktot船t 2 k ；r ( 2 5 )2 _ +【z ，j 结合式( 2 2 ) 、( 2 5 ) 可推导出c 相电压的相位角： 竺+ 2 j | 万 a c = 3 ， ( 2 6 ) 由于k 为整数，所以b ，c 相的相位角仍有无数多个，但在新频率下的一个周期内， b 相、c 相的相位角数日是有限的，这个相位角称为初始相位角。新频率的周期为2 兀r ， 根据式( 2 4 ) 和( 2 6 ) 可得到对应每个新频率的b 相、c 相的初始相位角，也就可以得到每 个新频率下所有初始相位角的组合，这样组合数目为，：个。表2 2 2 5 分别列出了2 ，3 ， 4 ，5 分频时所有b 相、c 相初始相位角的组合，在各级频率下的一个周期内，这样的组 合数目是，2 个。 表2 2r = 2 时相位角( 2 5 h z )表2 3r = 3 时相位角r = 3 ( 1 6 7 h z ) nolno12 b 相6 0 0 2 4 0 0 b 相4 0 02 8 0 0 1 6 0 0 c 相1 2 0 03 0 0 0c 相8 0 02 0 02 0 0 0 硕十学位论文 表2 4r - - 4 时相位角( 1 2 5 h z )表2 5r = 5 时相位角( 1 0 h z ) n0l23 b 相3 0 01 2 0 02 1 0 03 0 0 。 c 相6 0 02 0 0 02 4 0 03 3 0 0 b 相2 4 0 9 6 01 6 8 02 4 0 03 1 2 0 c 相4 8 01 2 0 0 1 9 2 02 6 4 03 3 6 0 2 2 3 离散频率的相序 从表2 2 2 5 中可以看出，各新频率下b 相和c 相的初始相位角可以是上述组合中 的任意一种。以原工频供电电源相序为参考，若新频率下，能找到= 0 。，a b = 1 2 0 。， 口c = 2 4 0 。时，则该频率下的电压为正序三相平衡系统。若新频率下，能找到= 0 。， a b = 2 4 0 。，t z c = 1 2 0 。的三相组合，则该频率下的电压为负序三相平衡系统。若新频率下， 找不到互差1 2 0 0 的三相相位角，则该频率下的电压为三相不平衡系统。 下面给出分频系数，与三相相序关系的具体分析。 若新产生的频率的相序和原工频供电电源相序相反，则此时b 相初始相位角为： 塾+ 2 七万 + z 七死 a b ：土一：竿 ( 2 7 ) 由式( 2 7 ) 可以推出： ，：_ 3 k - + 1 ( 2 8 ) ，= 一 z 6j 2 、 分频系数厂只能取正整数，所以对式( 2 8 ) 中k 只能限定取奇数，设此时k = 2 n + l ， 代入( 2 8 ) 式可得到 ，= 3 n + 2 ( 2 9 ) 其中珂为整数。 所以，当分频系数，= 3 n + 2 时，可以得到平衡的负序供电电源，例如r = 2 ，5 ，8 等分频。 若新产生的频率的相序和原工频供电电源的相序相同，则此时b 相的初始相位角 为： g b ：垫：娶1 0 = 一= 等 ( 2 ) 由此可推出： ，- = 3 k + 1 ( 2 1 1 ) 所以，当分频系数，- = 3 k + 1 时，可以得到对称的正序供电电源，例如r = l ，4 ，7 等 基于离散变频理论的感应电动机软起动器的研究 分频。 还有一种情况是当分频系数，= 3 k 时，例如，r = 3 ，6 ，9 等分频，新频率的相序 不是三相对称的，三相之间不能互差1 2 0 0 的电角度。表2 6 列出了部分子频率下三相系 统的相序情况。 表2 6 三相系统离散序列 2 2 4 离散频率的最大转矩 从上一节的分析知道，离散变频之后，新频率下的三相相序有正序平衡的情况，有 负序平衡的情况，也有不对称的情况。从电机学中，我们知道，若三相供电电源的相序 为正序，则电动机的转矩也为正，对应电动机的正转；反之，若三相供电电源的相序为 负序，则电动机的转矩也为负，对应电动机的反转；若三相供电电源的相序为不平衡， 则取决于正序分量、负序分量、零序分量的所占比例啪1 。 必须为了提高电动机的起动转矩，必须使新频率下的电源产生最大转矩。而三相电 源能产生的转矩的大小取决于各分量在该三相相序中所占比重。为了合理而有效地利用 有限的离散频率，必须在子频率中找出能产生所需转矩最大的初始相位角组合。例如， 若要产生正向最大转矩，就必须使新频率电源的正序分量最大，对负序平衡或不平衡相 序的电源来说，要