（电力电子与电力传动专业论文）离散变频软起动及节能控制系统的研究与设计.pdf

a b s t r a c t t h et h r e ep h a s ei n d u c t i o nm o t o ri sm o s tu s e di ni n d u s t r ya g r i c u l t u r ed a i l vl i f e a n de t c ，b e c a u s eo fi t ss i m p l es 仃u c t u r e ，s t a b l er u n n i n ga n dl o w e rp r i c e w i t ht h e d e v e l o p m e n to fm e c h a n i c a lp r o d u e t i o na r e a ，t h eb e t t e rp e r f o r m a n c eo fm o t o rs t 剐1 i n g i sd e s i r e d t h es t a r t i n gc u r r e n to fm o t o r c a l lb er e d u c e db yl o w e r i n gs t a t o rv o i t a g ei n u s i n gt r a d i t i o n a ls o f ts t a r t e r , m e a n w h i l et h es t a r t i n gt o r q u ei sr e s t r i c t e d 。w h i c hm a k e s i tn o ts u i tf o r s t a r t i n g w i t hh e a v y - l o a d w i t h o u t c h a n g i n gt h em a i nc i r c u i to f c o n v e n t i o n a lm o t o rs o f t s t a r t e r , d i s c r e t e f r e q u e n c yc o n t r o lt e c h n o l o g yi sa b l et o c o n t r o l st h et h y r i s t o r sc o n 血c tb yp a s s i n gt h eh a l fc y c l e ss e l e c t l y ad i s c r e t ef r e q u e n c v v o l t a g ec a nb eg o tw h i c hi sl o w e rt h a nt h ep o w e rs u p p l yv o l t a g ef r e q u e n c ya n dt h e s t a r t i n gt o r q u ec a l lb ea l s oi n c r e a s e d b e s i d e s ，t h ee f f i c i e n c ya n dp o w e rf a c t o ro ft h ei n d u c t i o nm o t o r g r e a t l vr e d u c e s w h e ni t c a r r y sw i t hl i g h tl o a d w h i c hm a k i n gh u g ec o n s u m i n go fe n e r g y w h i l et h e s o f ts t a r t e ro w n st h ea b i l i t yo f c o n t r o l l i n gv o l t a g ew h e nt h em o t o rm nw i t hl i g h tl o a d i tc a nr e d u c et h ev o l t a g et os a v et h e e n e r g y f i r s t l y ，i nt h i sp a p e rt h ep r i n c i p l eo fd i s c r e t f r e q u e n c ys o f ts t a r t i n gi sd i s c u s s e d a n dt h eb e s tf r e q u e n c ys w i t c h i n gs t e p sa res e l e c t e d i no r d e rt o r e i i u c et h eb a s i c f r e q u e n c yh a r m o n i o u s ，t r i g g e r i n gm o d eo fe q u i v a l e n ts i n ei si n t r o d u c e d i no r d e rt o r e a l i z et h eb e t t e rs w i t c h i n go fd i f f e r e n tf r e q u e n c i e s ，ab a s i cp r i n c i p l eo fs w i t c l l ih a s b e e np r o p o s e d t h ep o w e rf a c t o ri sd e t e c t e db y u s i n gv o t a g es i g n a lo fs c rb o t he n d s s oas p e e dm e a s u r i n gm e t h o db a s e do l lp o w e r f a c t o rw i t h o u ts p e e ds e n s o ri sa d o p t e d a n dt h ep o w e rf a c r o rc l o s e d l o o pc o n t r o ls 昀t e g yi si n t r o d u c e d s e c o n d l y , t h ec o n t r o l s t r a t e g yb a s e do nb e s tr e g u l a t i n gv o t a g ei sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h er e a l a t i o n s h i p a m o n gb e s tv o l t a g e ，b e s tp o w e rf a c t o ra n dt h eb e s t e f f i c i e n c y t h ec o n t r o l l i n g a l g o r i t h mi sa l s op r o p o s e da n ds i m u l a t e d t h i r d l y ，t h es o f t w a r ea n dh a r d w 踟e 踟e d e s i g n e db a s e do nd s p i c 3 0 f 4 011s i g n a l c h i ps o f ts r a r t i n gc o n t r o l l i n gs y s t e m b a s e do nt h et h e o r yt a l k e da b o u t ，t h ed i s c r e t 、f r e q u e n c ys o f ts t a r t i n ga n dn o r m a l s o f ts t a r t i n ga l es i m u l a t e di nm a t l a bw h i c hv e r i f i e st h ea d v a n t a g e so f p r e v i o u s w a yu n d e rh e a v y l o a ds t a r t i n g t h ee x p e r i m e n t sr e s e a r c hh a sb e e nd o n eo ns e v e r a l h a r d w a r em o d u l ea n dt h er e s u l t sp r o v et h eg o o dp e r f o r m a n c eo f t h ed e v i c e 。 k e yw o r d s ：h e a v yl o a ds t a r t i n g ，d i s c r e t ev a r i a b l ef r e q u e n c y ，p o w e rf a c t o r a n g l e ，l i g h tl o a de n e r g ys a v i n g ，b e s tr e g u l a t i n gv o l t a g e 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘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了谢意。 学位论文作者签名： 关芡 签字日期：2o 。夕年6 月3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 吴吴 签字日期：2 口d9 年月3 日 导师始膨毒芝 签字日期：2 罗年6 月3 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 三相交流笼型异步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，广泛应用于工矿企业、交通运输和国防工业等领域。在电动机的应用当中， 电动机的起动问题尤为重要。但是，当电动机起动时，存在着两个严重的问题： 一是异步电动机起动瞬时的电流冲击很大，一般可达电机额定电流的5 7 倍，甚 至更大，过大的起动冲击电流，对电机本身和电网以及其它电气设备的正常运行 都会造成不利的影响。一方面对电网造成冲击，使得电网电压突降许多，直接影 响在电网中其它用电设备的正常工作。另一方面在电动机经常起动的情况下，过 大的电流会造成电动机严重发热，以至加速电动机的绝缘老化，大大缩短电动机 的使用寿命。二是异步电动机起动时的转矩冲击也很大，一般可达额定转矩的两 倍以上，这么大的起动转矩冲击会影响电动机本身及其拖动设备的使用寿命。1 。 电机直接起动方式会带来许多问题，已经不适用于现代电机的起动要求。传 统的降压起动方法也已很难满足实际的需要。随着技术水平的进步，电机软起动 控制器的研究工作正朝着多功能、高性能方向发展。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电动机的，由于电动机的电磁转矩与其 绕组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， 降压起动只适合空载起动或轻载起动，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 1 。所 以，如何能够实现起动电流小，起动转矩大，负载适应能力强的目标，从而拓宽 软起动器的应用范围是本文重点研究的问题。 电动机作为机电行业使用的最为广泛的设备之一。其数量之多，应用范围之 广，地位之重要，几乎没有其他设备能与之相比，但这也造成了电动机的能量消 耗也是惊人的。实际应用当中会有很多电动机经常处在轻载甚至空载运行，其运 行效率很低，电能浪费很严重p 1 。随着全球能源日趋紧张，可持续发展要求日趋 高涨的情况下，节能问题越来越受人们重视。因此使用电动机时，采取有效节能 措施提高电动机运行效率尤为必要。 综上所述，在晶闸管调压软起动主电路的基础上，对提高起动转矩的离散变 频控制方法和节能控制方法进行深入研究，使得软起动器既具有软起动的优良性 能，又具备变频起动的高转矩特点，并且在轻载状态下可以进行节能运行。这种 第一章绪论 集电动机高转矩软起动、轻载节能功能于一体的新型电动机综合应用系统具有很 高实用价值。 1 2 三相交流异步电机的起动方法 目前，国内外三相异步电动机的起动方法主要有全压起动、传统降压起动、 电子软起动器起动；用于重载起动的液力耦合器起动、转子串液体电阻起动、双 绕组电机起动；以及可以调节频率的变频器起动，分级变频软起动和本文进行深 入研究的离散变频软起动等。全压起动，传统降压起动及常规软起动有较多文献 做过详细阐述卵1 这里不再赘述。 1 2 1 重载起动方法 一般的软起动设备仅适用于较轻的负载，所以针对重载或者满载起动，各国 学者也研究了很多起动方法和起动设备，比如机械式的起动，电气控制式的起动 等。以下为应用较多的几种起动方式： 1 ) 转矩控制起动 这种起动主要用于重载设备的起动，它控制电机的输出转矩线性增加，使起 动设备平稳升速，避免起动过程的转矩振荡。它的优点是起动平滑、升速均匀、 稳定，对负载和传动设备起动冲击小，有利于设备的维护保养，对电网的冲击也 比较小，缺点是起动时间相对较长。 2 ) 转矩加突跳控制起动 转矩加突跳控制起动和转矩控制起动具有相似控制原理，也是用于重载起动 当中。唯一不同的是在起动初期控制电机产生一个突跳的起动转矩，该转矩主要 是用来克服电机刚开始起动时比较大的静摩擦力转矩，使电机能够快速起动起 来。但该方法会对电网产生瞬间的电流冲击，会影响其它设备的正常运行，在实 际应用中要加以注意。 3 ) 液力耦合器起动p 液力耦合器是一种常用的液力传动装置，属于机械式起动。电动机功率通过 耦合器输入和输出部件之间油、液的流动，平稳而无冲击地传送到负载，其加速 平缓，冲击载荷小，但其传动效率低、损耗大，液压油泄露现象难免，环境污染 严重，耐用液压油频繁更换，更重要的是液力耦合器集风、电、油三能为一体， 难以做到真正的防爆，不利于安全。 4 ) 转子串液体电阻起动 此类起动方式仅适用于绕线式交流异步电动机。它能够有效地限制起动电 第章绪论 流，并且能够提供较大的起动转矩，液体电阻有很大的热容量，能够适应大功率 电动机的起动，但液体电阻软起动器体积庞大，起动时产生大量的热量，不利于 煤矿井下生产，且液体电阻散热速度慢，不适合频繁起动。 5 ) 双绕组电机起动 目前煤矿使用较多的双绕组电机与普通三相笼型异步电动机相似，不同的是 定子槽内嵌放两套对称的三相绕组，起动时先将电源电压施加于低速绕组，使电 动机按照较低的同步转速机械特性进行起动，然后再利用电源切换装置将电机绕 组切换到高速绕组。采用双绕组电机起动在一定程度上限制了起动电流，但起动 过程中有一个很大的突变过程，同时伴有电流的二次冲击。并且起动中需要进行 极数变换，需要在控制器端到电机端布设两套供电电缆，由此增加了投入成本。 1 2 2 变压变频起动方法 变压变频的起动方法也是用于重载起动，但由于它改变了频率，这里单独分 类讨论。由电机的转矩公式可知，转矩与电源电压成正比，与定子电压频率成反 比。所以在其它参数不变的情况下，单纯的降压虽然可以减少电流冲击，但转矩 也会同时下降。但在降低电源电压的同时，通过降低频率则既可以降低起动电流， 又能够提高电磁转矩，从而满足电机在重载或满载情况下顺利起动。根据主电路 拓扑结构和控制方式的不同，有以下三种方法： 1 ) 交交变频软起动 有些学者利用电机调速的交交变频电路作为软起动的主拓扑结构进行了研 究p 1 。交交变频电路让两组交流电路按一定频率交替工作，就可以给负载输出该 频率的交流电。改变两组变流电路的切换频率，就可以改变输出频率。改变变流 电路工作时的控制角口，就可以改变交流输出电压的幅值。因为没有中间直流环 节，仅用一次变换就实现了变频，所以效率较高。它的主要缺点是：首先，交交 变频电路的输出电压是由若干段电网电压拼接而成的。当输出频率升高时，输出 电压一个周期内电网电压的段数就减少，所含的谐波分量就要增加。这种输出电 压的波形畸变限制了输出频率的提高。一般认为，变流电路采用6 脉波的三相桥 式电路时，最高输出频率不高于电网频率的1 3 1 2 ，从而向工频过渡的过程中 就会出现一定问题。其次，交交变频产生的无功功率和谐波会对电网产生不良影 响。第三，交交变频电路使用的晶闸管数量较多，接线复杂，设备体积大，成本 较高。 2 ) 交直交变频软起动 交直交变频器是应用最多的一种变频器，现在大多数用于软起动的变频器正 是此种。由于增加了中间的直流环节，频率可以连续调节，平稳性能好。另外， 第一章绪论 变频起动时可以按照矿f 恒压频比控制，即随输出频率增大，电机端电压可以 按照一定的线性关系慢慢上升，既可使起动电流限制在相应的允许范围内，保证 起动电流小，不产生冲击，又能保证一定的起动转矩。因此变频软起动无疑是一 种很好的软起动方法。但是仅仅采用通用的大功率交直交变频器来起动而不调 速，未免有些成本过高，造成浪费。为此，寻求种成本适中，控制方法简单， 能够解决重载或满载起动的设备，具有重要的现实意义。 3 ) 离散变频软起动 1 9 9 9 年a n t o n i og i n a r t 等人提出离散变频的软起动方法1 ，该方法在保持 常规软起动器主电路拓扑不变的基础上，通过对晶闸管进行触发控制，有选择地 控制工频电源的某些半波通过，而另一些半波截止，由此达到变频的目的，这种 频率变换并不是连续的，变换后的频率只能是工频的整数分之一，因此称作离散 变频。由于电磁转矩与频率近似成反比，这样在降低电压的同时也降低频率，能 够在较小起动电流下补偿转矩损失，提高了起动转矩。该方法结合了常规软起动 器设计简单、价格低廉和变频器起动转矩高的优点，弥补了常规软起动器起动转 矩小的不足，成为解决重载设备起动问题有效手段。但是，该方法在技术实现上 还存在着很多问题，本文正是针对离散变频中的关键技术问题做进一步研究。 表1 1 各种起动方式性能对比表 传统降压 常规 交交变频交直交变离散变频 比较项目全压起动 起动起动频起动起动 软起动 起动电流最大较低中等较低较低较低 起动转矩 最大 较小较小较大很大较大 装置成本最低较低适中最高较高适中 可否重载可以不妥不妥可以 可以 可以 谐波大小小小较大很大小很大 控制难易简单较简单中等 复杂复杂 复杂 1 3 三相异步电机软起动研究现状和发展方向 虽然软起动器的种类众多，但根据应用场合以及对性能需求的不同，对各种 产品的选择也不尽相同。一般在生产工艺兼有调速要求时，采用变频器软起动。 在没有调速要求的场合，起动负载较轻时( 例如风机、水泵) 多采用品闸管软起 第一章绪论 动，在负载功率较大时，多用变频软起动“。 对于软起动器的研究工作国外开始的较早，从7 0 年代就陆续有文章发表， 至今已经有大量产品上市。目前在市场上有影响力的也基本上都是国外产品，如 施耐德的t e 、罗克韦尔的a - b 、a b b 、西门子的产品等。而国内的研究工作 相对较晚，主要生产厂家有北京三义电力电子公司、天津电气传动设计研究所、 武汉电力电子仪器厂、雷诺尔电气公司、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。虽然诸多国内公司都有智能电动机软起动控制器的产 品上市，并占有了一定的市场份额，但在技术和市场占有上还是同国外公司有很 大差距。如何能把软起动控制器做的简单、经济、可靠、耐用并具有优秀的起动 性能是各个研究机构和公司所共同面临的问题”1 。 随着科学技术不断进步，软起动技术的发展可以从以下几个方面进行考虑： 1 ) 从控制算法来看，当前三相感应电动机软起动控制系统大多采用p i d 控 制算法，但由于其自身的缺点，对非线性、强耦合系统控制效果差。因此今后的 发展，可能在相当长的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 已颇受关注，典型的有模糊控制、神经网络控制和基于专家系统的控制。 2 ) 从控制方式来看，目前软起动器产品基本上都是以电流、电压或是转矩 作为主要控制手段，在控制效果来看电流控制是比较理想的控制方式，对于轻负 载或重负载适应能力较强，起动电流冲击小起动转矩脉动小，在今后的发展中这 种以电流为控制量的方式成为主流，其与突跳控制相结合是今后的发展方向。 3 ) 从对大功率半导体器件的选用来看，大功率半导体器件已从最初的晶闸 管，发展到第二代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 闸管或是三对正反向并联的晶闸管作为功率器件。随着新材料新技术的应用，新 的半导体器件会被应用到软起动中，使系统成本下降，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。 4 ) 从软起动系统性能来看，目前的三相电机软起动器，己与最初的功能单 一的软起动器大大不同，它不仅仅是要限制电机起动时的电流，一般还要完成电 机运行参数的采集、记录和显示，以及完成包括电源断相、过压、欠压、过流、 过载乃至晶闸管过热等等保护功能，还要实现电机的节能运行。这么多错综复杂 的功能包含其中，使得当前的三相感应电机软起动控制系统越来越像是一种综合 运行的保护装置。 第一章绪论 1 4 课题研究的主要内容 本课题是结合常规软起动和变频器起动的特点对离散变频软起动进行了研 究，以满足重载起动的要求。并针对电机起动后在轻载状态运行下效率降低的缺 点，利用软起动装置实现降压节能运行。由此本课题的主要研究内容如下： 1 对电机起动方案进行了比较，深入研究了离散变频软起动的原理，包括： 晶闸管移相调压原理，离散变频软起动原理，离散变频后的相序分析以及离散频 段的选取，并利用仿真工具对最佳相序组合进行了分析： 2 研究了谐波对离散变频的影响，利用等效正弦控制策略抑制工频谐波对 离散频段的影响，总结了各个频段的切换原则。采用晶闸管两端的截止电压信号 来检测功率因数角；利用功率因数角进行无速度传感器的转速测量，以便于频段 顺利切换；确定了功率因数角闭环的控制策略； 3 分析了异步电机调压节能的原理，针对现有的节能控制方法进行了比较， 并根据最佳电压与最佳功率因数、最佳效率之间的关系，设计了基于最佳调整电 压的控制策略，并给出了相应的控制算法，通过仿真验证了该方法节能效果明显： 4 设计了基于d s p i c 3 0 f 4 0 1 1 单片机的晶闸管软起动控制系统，确定了控制 系统中各个组成部分的实现方式。设计了硬件电路，包括主电路、同步电压信号 检测电路、晶闸管截止电压检测电路和电压、电流的反馈量检测电路以及触发电 路等，并在此基础上设计了装置的软件系统； 5 论文最后利用m a t l a b 仿真软件对基于等效正弦策略的离散变频软起 动和常规软起动控制方法进行了仿真验证，证明了离散变频方法在重载起动场合 的优越性。并对各部分硬件模块进行了实验，验证了控制检测电路的正确性。 第二章离散变频软起动的实现方式及控制策略 第二章离散变频软起动的实现方式及控制策略 2 1 晶闸管控制电机的调压原理 由于离散变频软起动的主电路拓扑结构仍然采用三相反并联晶闸管，所以这 里首先介绍一下晶闸管交流调压控制电机的基本原理。图2 - 1 为三相异步电机交 流调压主电路拓扑结构示意图，其中a 、b 、c 为电源的三相输入端，当电机起 动时，通过调节三组反并联晶闸管的触发角从大到小的变化，使电机的定子电压 从某一个初始值逐渐上升到额定电压，从而避免电流冲击，达到平滑起动的目的。 待电机达到额定转速后，便让晶闸管两端的旁路接触器吸合，起动过程结束叫1 。 当电机在运行过程中，检测到处于轻载运行状态时，让晶闸管重新接入到电网和 电动机之间，进行调压节能。 晶闸管调压一般分相控和斩控两种方式。相控调压即利用门极脉冲相位的变 化来改变输出端的幅值；而斩控调压就是利用改变元件的占空比来改变输出电压 的有效值。在异步电动机调压控制中，晶闸管调压都用相控技术。移相调压时， 输出的电压波形已经不是正弦波，经分析可知，输出电压不含偶次谐波，而以奇 次谐波中的三次谐波为主要成分。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。此外由于电动机是感性负载，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。图2 1 所示的电路采用三相三线制，由 于没有中线，要想形成电流通路，至少某相的一个正向晶闸管和另相的一个反 向晶闸管同时导通时，电源电压才能加在电机的定子端上。当晶闸管全部导通时， 负载上得到全压，相当于负载直接接到电源上，这种状态称为调压电路的自然工 作状态。同时要注意，没有中线也就没有了三相零序电流的通路，所以无论采用 何种晶闸管触发方法，三相中是不存在零序电流分量的。 电网 图2 1 三相异步电机交流调压主电路拓扑结构 7 电动机 第二章离散变频软起动的实现方式及控制策略 2 2 离散变频技术 2 2 1 降低电源频率提高起动转矩的基本原理 感应电动机的电磁转矩公式为 t = 丽若舞i2zrj。 ， = 一 l 一j 。 ( + 以j ) 2 + ( 工l + 工：) 2 。 其中，z 是电机的电磁转矩，m 为电机的相数，三相异步电动机，l ，= 3 ，p 为极对数，以为电源相电压有效值，一为转子每相绕组折算到定子边的电阻，s 为转差率，一为定子电压频率，为每相绕组电阻，x 。为每相绕组漏抗，x ：为转 子每相漏抗【i 】。 上式表明，当转差率一定以及其它电机参数不变的情况下，电机的转矩和定 子电压的平方成正比，和频率成反比。常规软起动器单纯的通过降低电压来减小 起动电流的冲击，但是却以牺牲电机的转矩为代价。而通过在降低电压的同时降 低电源频率，可以使转矩不至于下降，使电机在重载情况下可靠的起动。如果通 过变频器实现降频，则由于昂贵的价格得不偿失。若能在不改变软起动主电路拓 扑结构的情况下实现降频，则不仅使其具有传统软起动器电流小的优点，又可以 显著提高转矩，满足电机起动的要求。 2 2 2 离散变频技术 由上节分析可知，我们熟悉的变频器可以实现在降低电压的同时降低频率， 并由于它具有整流和逆变环节，可以输出完整的连续频率的正弦波。虽然三相晶 闸管主电路拓扑结构无法实现连续频率，但可以通过调节晶闸管的触发时刻，控 制晶闸管的通断，有选择的触发导通每个电源工频半波，使得某些半波通过，某 些半波截止，便可以得到一定频率的电压和电流，实现对频率的控制“。如图 2 2 所示对5 0 h z 的工频电源进行7 分频，其频率就变为了7 1 4 h z ( 粗线表示分 频后的电压波形) 。通过调整触发脉冲还可以得到任意整数倍工频周期的电压波 形，它们对应的分频基波电压频率为工频频率l ，( ，为正整数) 。由于这种触发 方式得到的电压频率不是连续变化的，是离散的，所以这种改变电压频率的方法 被称为离散变频，称，为分频数。每种分频方式对应的时间段称为离散频段，分 频电压对应的基波就成了所获得电压和电流的基波分频，而原来工频5 0 h z 就成 了它的谐波频率。反过来说，它同时也是工频5 0 h z 的分数子频率。 第二章离散变频软起动的实现方式及控制镱略 辨删州州“蔹审讯喇“ ，mmm 磷、 。醚确m_ mn 图2 - 27 分频( 7 1 4 h z ) 电压波形 2 2 3 离散频率的相序分析 三相感应电动机的转速及其旋转方向取决于它的电磁转矩大小和方向。电动 机起动时，三相工频供电电源的相序如果是正序，对应电机正转；如果相序为负， 对应电机反转。虽然电源的相序是固定的，但经过离散变频之后，新频率下的三 相相序可能有正序对称的情况，也可能有负序对称的情况，还可能有不对称的情 况。正序对称对应正向转矩，负序对称对应负序转矩，不对称情况则既有正序分 量又有负序分量和零序分量。因此为了提高电动机的起动转矩，选择频率首先要 确定哪些频率下具有对称的正序组合，哪些频率下有对称负序组合，哪些情况下 没有对称的组合。 设三相交流电源供电平衡，供电频率f o = 5 0 h z ，供电角频率为。，三相供 电电压为“。，“。，“，则 “。= usin(o)tuos i n ( c o o t ) “d2 一 “6 = u os i n ( c o o t 一万) “。：u os i n ( 缈。f 一= 47 r ) 并设新的分频电压的角频率为c o ，则分频和工频频率之间的关系为： ( 2 2 ) 国o2 ( o r 宰厂 ( 2 3 ) 三相电网供电电源是正弦的交流电源，一个正弦周期内，存在两个过零点， 分别是电压瞬时值递增变化的过零点和电压瞬时值递减变化的过零点。而决定初 始相位角的三相电压过零点的电压瞬时值单调性应该一致，以a 相为参考，初始 相位角为0 度，其在原点处的电压瞬时值单调性若为递增，则决定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应为递增，反之则为递减。因为只有 单调性一致才可以保证谐波分量的最小，各相之间不会产生振荡。因此，在一个 工频电源周期内只有一个过零点是有效的。 第二章离散变频软起动的实现方式及控制策略 以a 相作为参考，当a 相初始相角为0 度时，与它过零点相同单调性的b ， c 两相过零点在整个时域内的相位角为： 2 b o t52 k l r + ：万 j 。f ：2 k 万+ ：4 万 j ( 2 - 4 ) 其中，k 为整数。 如果新产生的频率与原工频频率相序相同，则b 相必有： 叫一争o ( 2 - 5 ) 由式( 2 3 ) ，( 2 _ 4 ) ，( 2 5 ) 可推出正序对称时分频数，需满足的条件： 厂= 3 k + 1 ( 七= 1 , 2 ，3 )( 2 - 6 ) 即分频数为4 ，7 ，1 0 ，1 3 ，1 6 时，能够获得正序对称的电压。同理， 可以求出负序对称时分频数，需满足的条件： ，= 3 k 一1 ( 七= 1 , 2 ，3 )( 2 - 7 ) 即分频数为2 ，5 ，8 ，1 1 ，1 4 时，能够获得负序对称的电压。而对于厂= 3 k 时，即分频数为3 ，6 ，9 ，1 2 ，1 5 时，无法得到对称的电压相序。 设加在电机侧新频率下b 相，c 相电压的相位角为a 。，a 。，则口。，a 。必定 是式( 2 4 ) 中过零点中对应的一个角度，即 结合式( 2 - 4 ) 可推出 丝+ 2 尼万 气 口6 。，- 一 ， 竺+ 2 | j 7 r 1 口一= 二一。 ， ( 2 8 ) ( 2 9 ) 根据式( 2 9 ) 就可以确定每个分频下的b 相和c 相的初始相位角，也容易推导出 初始相位角的组合数目为r 2 。例如，表2 - 1 和表2 2 分别为2 分频$ d 3 分频下各相 o o = i l 、，、， 6 c 口 口 一 一 j j 缈 li、 n n i 1 s s r(【 第二章离散变频软起动的实现方式及控制策略 初始相位角的组合情况。2 分频下有4 种组合情况，3 分频下有9 种组合情况。 表2 12 分频下各初始相位角的组合 a 相0 。 b 相 6 0 。 2 4 0 。 c 相1 2 0 。3 0 0 。1 2 0 。3 0 0 。 表2 23 分频下各初始相位角的组合 a 相 0 。 b 相4 0 。1 6 0 。2 8 0 。 c 相 8 0 4 2 0 0 。3 2 0 。8 0 。2 0 0 。3 2 0 。8 0 。2 0 0 。3 2 0 。 由于电压既包含正序分量又包含负序分量和零序分量，而且每种分频方式下 又存在很多种初始相位角的组合，所以对于无法得到正序对称的分频方式，为了 合理的利用有限的离散频率，提高电机的起动转矩，应该找到其中具有最大的正 序分量的初始相位角组合。这里，在考察最大正序分量的初始相位角时，把所有 的过零点都作为b 相和c 相的零点。因为最大正序分量的初始相位角组合不一定 存在于以有效过零点作为b 相和c 相零点的组合中。 采用对称分量法可以找到最大正序分量的一组或几组，从而确定最大的转矩 相位角组合。对称分量法的基本公式为： 痧+ ：昙( 6 j 痧一：三( 痧 j 6 。- 三( 方 j + a u 占+ a 2u c ) 4 - o c u a + a 2 u c l ( 2 - 1 0 ) 其中，a = p ，2 旷。 根据计算，2 分频下最大正序组合包括：0 。，1 5 0 。，3 0 0 。；0 。，1 5 0 。， 2 1 0 。；0 。，6 0 。，2 1 0 。三分频下最大正序组合包括：0 。，1 0 0 。，2 0 0 。； 0 。，1 0 0 。，2 5 0 。；0 。，1 5 0 。，2 5 0 。然而这三组相位是否都是最优组合， 还是其中有更优的一组，将在接下来的仿真研究中给出结论。 利用m a t u 心s 嗍h ，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 3 所示的仿真模型进行傅里叶分析。 第二章离散变频软起动的实现方式及控制策略 图2 - 3 傅里叶分析模型 当，= 2 时，新生相序系统为负相序平衡，由相量变换可得到3 组正序分量 相等的组合，把这3 组组合代入模型，进行f o u r i e r 分析，统计各次谐波含量， 再计算以各次谐波为基波所对应的相位角产生出来的正序分量，将计算出来的正 序分量进行统计，可得到表2 3 。( 注：为便于分析，各次谐波幅值均取1 ) 从表中可以看出，这3 组组合的各相电压波形谐波含量完全是相同的，表中 缺项为该次谐波存在相位不稳定现象，存在剧烈的波动，这将不利于电力系统的 稳定，会造成电动机的转矩脉动。当a ，b ，c 相分别取0 。，1 5 0 。，2 1 0 。时， 虽然5 次谐波同样存在相位不稳定，但5 次谐波含量较少，且5 次谐波产生的为 负转矩分量，同时它的正合转矩为最大，故此组相位为三组相位组合中最优组合。 表2 - 32 5 h z 诣：波仿真分析统计表 a 相 0 。o o 0 。 b 相 1 5 0 。 1 5 0 。1 5 0 。 c 相3 0 0 。2 1 0 。2 1 0 。 基波( 2 5 h z ) 幅值0 4 2 4 50 4 2 4 50 4 2 4 5 2 次谐波幅值0 50 5o 5 3 次谐波幅值0 2 5 4 50 2 5 4 50 2 5 4 5 5 次谐波幅值 0 0 6o 0 60 0 6 基波( 2 5 h z ) 合正序分量0 2 5 4 50 2 5 4 50 2 5 4 5 2 次谐波合正序分量0 50 50 5 3 次谐波合止序分量0 1 6 9 6i 5 次谐波合j e 序分量0 0 0 5 0 0 0 5 当，= 3 时，新生相序系统为三相不平衡系统，同样把由相量变换得到的3 组正序分量相等的组合代入模型，进行f o u r i e r 分析，统计各次谐波含量，再计 第二章离散变频软起动的实现方式及控制策略 算以各次谐波为基波所对应的相位角产生出来的正序分量，将计算出来的正序分 量进行统计，可得到表2 - 4 。 从表中可以看出，系统中出现了基波和谐波幅值不对称情况。三相电机的供 电源一般处于对称状态，这样能够抑制高次谐波，降低电动机的损耗，使电动机 工作平衡，但对称供电并非电动机运转的必要条件，只要输入电动机定子的三相 电压能够产生需要的旋转磁场，电动机就可以转动，但必须在短时间内使用非对 称的三相电压对电动机进行供电才可以避免不良影响。很显然，当a ，b ，c 相 分别取0 。, 1 0 0 。，2 6 0 。时，存在不对称的情况最少，且合正序分量最大，可以尽量 的减少不对称带来的不良影响。 当系统为正相序平衡时，a ，b ，c 相分别取0 。，1 2 0 。，2 4 0 。就是最佳的相位组 合，可以产生最大的正序分量。 表2 - 41 6 7 h z 仿真谐波分析统计 a 相 0 。0 。o 。 b 相 1 0 0 。1 0 0 。1 6 0 。 c 相2 0 0 。2 6 0 。2 6 0 。 基波( 2 5 h z ) 幅值 2 ：2 ：l ， 0 4 1 3 52 ：l ：2 2 次谐波幅值 o00 3 3 3 次谐波幅值2 ：l ：l2 ：1 ：12 ：1 ：1 4 次谐波幅值 o00 2 3 6 5 次谐波幅值 2 ：2 ：1 0 2 1 2 ：1 ：2 6 次谐波幅值 2 ：2 ：10 0 82 ：1 ：2 基波( 2 5 h z ) 合正序分量 0 3 2 4 30 3 2 3 50 2 8 4 1 2 次谐波合正序分量o0o 3 次谐波合正序分量 o 3 30 3 3 0 3 3 5 次谐波合正序分量0 1 6 0 20 1 5 3 50 1 0 5 3 7 次谐波合正序分量 一0 0 l lo一0 0 1 4 各谐波总合正序分量0 8 0 3 50 8 0 7 50 7 0 4 5 注：基波标量值= 0 2 6 ；三次谐波标量值- - - - 0 3 3 ；五次谐波标量值= 0 1 ： 七次谐波标量值= 0 0 4 。 2 3 离散频段的选取 由上章的分析可知，利用离散变频方法可以提高电动机起动转矩。但究竟 第二章离散变频软起动的实现方式及控制策略 利用哪种频段来控制电机起动，并且频段之间如何切换才能达到最佳起动效果还 需进一步研究。 2 3 1 离散频段确定依据 第一，最低频段的确定。选取的频率越低，固然获得的转矩越大，但其对应 的转速也会随之变小，所以并不是频率越低越好。第二，中间频段的确定。从最 低频段到工频之间有多个频段可以选择。由上一章分析可知，不同频率的起动转 矩效果也是不一样的。况且，每个频段都利用就会增加起动时间，造成电机效率 下降。因此，要选择最佳频段。第三，各个频段所加电压大小。电压和频率的大 小共同决定了磁通的大小，磁通大小又决定了转矩的大小，所以要同时考虑电压 和频率，从而保持转矩基本恒定。第四，各个频段的持续时间以及频段时间的切 换时刻。时问要足够长以保证能够带动负载，达到额定转速；但太长又会使电机 在低速运行状态下浪费能量，损耗较大。所以切换时刻的选取要保证转矩不能有 较大跌落，造成电机振荡。 2 3 2 过渡频段的选择 过渡频段的选择包括：最低频段的选择；中间频段的选择；与工频之间衔接 频段的选择。 从理论上来说，对原工频供电电源能够任意整数分频。根据电动机起动电磁 转矩与其供电电源的频率成反比的原理，似乎频率越小越好，获得的起动转矩越 大，但是，变频调速的异步电动机存在一个频率变化的极限，而且从实际应用 角度来看，实现离散变频需要对原三相工频供电电源每相周期的半波进行独立控 制，这就意味着如果选择的离散频率很低，所包含的工频半周数目就会很大，不 但使控制程序变得很复杂，而且起动时间也变长，频率降低所带来的优点就会大 打折扣。比较理想的起动是：起动转矩足够大，起动电流小，在初始时刻能够克 服重载，满载，超额定负载起动。为实现起动转矩足够大，起动电流小这一目的， 首先需要满足起动电压较小的情况下，能够超额定负载转矩起动。起动电压较小 能够保证起动电流小，较低的频率能够保证足够高的起动转矩。 对于过渡频段的选择，应该选择那些三相对称的频段。由上一节分析可知， 应该只选择厂= 3 k + 1 的频率，如：4 ，7 ，1 0 ，1 3 ，1 6 等频段即可。这是因为， 选择频段过多，起动持续的时间就越长，这对电机的起动是不利的。其次，选择 了三相对称负序或不对称相序的频段，对电机的运行也是不利的。图2 4 、2 5 、 2 - 6 、2 - 7 和2 8 给出了电机在4 分频、7 分频、l o 分频、1 3 分频、1 6 分频下电 第二章离i 啦变频轼起动的蛮现方式及控制策略 机的直接起动的电流瞬时值和有效值波形，以分析不同分频方法在减低起动电流 和提升转矩方面的作用，确定过渡频段。仿真中电机的额定电流是1 3 a ，额定转 矩为4 8 n m ，通过调节触发角控制电机的起动转矩为额定转矩的l2 5 倍为 6 0 n m ，从仿真结果来看，随着起动频率的降低电机的起动电流减小，1 6 分频 时起动电流为2 7 a ，仅为额定电流的2 倍，可以作为起动的最低频率。而1 3 分 频，1 0 分频和7 分频4 分频可以作为起动的中间频段。 尹1 0 0 _ _ _ _ s ：暖 ir 一 - r - “。l ”r ： o l 一立一一 “。 1 0 0 i ! ! 一j 一 e ，。 0 1 。二- = - - - 2 0 0 0 删蒂亩面一：3。广百 图2 - 44 分频a 相电流渡彤 一 幻 5 - 5 0 雌! 一j 蔓上斗! 5 m _ r 。二i 一羔l _ ” 。5 0 音7 _ _ 一。俐。 1 0 一 “r 面矿面百击r 。广可1 r 面1 f 百叫? 囤2 - 61 0 分频a 相电流波形 一一4 0 一一 ；- ，、一 一一 2 。一 一 -一 0 - r - 一 c0 + 020 ：04 0 5 0 60fc2 ：104c ：0 囝2 71 3 分频a 桕电流波形 i | 一 | | | | 删i | 二。 形一 一 一，竺二。筘匹 一墼一 一 | d 一。 o 勋 m 第二章离散变频软起动的实现方式厦控制策略 ： 固2 - 81 6 分频a 相电流波再； 离散变频起动最终要与软起动结台起米，以实现带额定负载甚至超过额定负 载离散变额软起动。由上一节分析可知，2 分频不能产生足够的转矩使得电动机 带动额定负载以上起