（电路与系统专业论文）大功率异步电机安全运行控制器的研究.pdf

摘要 大功率异步电机直接启动时，存在大的冲击电流和冲击转矩，对电网有冲击， 并对负载液压站引起水锤效应；大功率异步电机直接停车时，液压站同样存在水 锤效应；在大功率异步电机运行时，它可能存在过载、过压、欠压、断相等故障。 针对上述问题，设计了一个大功率异步电机运行于泵类负载的安全运行控制 器，它主要解决启动电流冲击、泵类负载启动和停车时的水锤效应、大功率异步 电机本身的故障诊断、以及在强电磁干扰下的控制器良好的抗干扰能力和安全稳 定性等问题。主要研究内容包括： 1 提出了一种基于新型模糊变论域自适应控制的大功率异步电机软启动策 略。 针对时变、非线性的高阶的大功率异步电机软启动系统，提出了大功率异步 电机的数学模型，分析了常规的模糊控制和基于函数模型的变论域在工程应用中 的不足，将一种新型的变论域自适应模糊控制方法应用于异步电机的软启动控制 系统中，并建立电机软启动控制系统的。妇芒_ f a 6 s j 历“l j 力女的仿真模型，与传统尸口 控制和常规模糊软启动控制方法进行了比较。仿真结果表明，该方法具有无需精 确建模、响应快速、精度高、鲁棒性好、适应性强等优点，切实可行，并优于其 它控制方法。 2 建立了大功率异步电机的泵控软停车控制策略。 大功率异步电机的负载是液压泵，泵在启动和停车时容易产生水锤效应，传 统的基于电压斜波控制方式的软停车不能完全解决水锤效应，液压系统还是会有 喘振，而基于功率闭环控制的大功率异步电机的泵控软停车控制方案能更有效地 解决水锤效应，消除了液压系统的喘振和噪音。 3 对大功率异步电机的运行状态进行了监测和大功率异步电机的常规故障进 行诊断。 4 设计了基于刃铲的大功率电机安全运行控制器的硬件系统，充分的考虑了 安全运行控制器的大电磁干扰的工作环境，采取了良好的抗干扰措施，提高了安 全运行控制器的抗干扰能力。 5 设计了大功率异步电机的安全运行控制器的软件系统，并将嵌入式操作系 统删瓣ii 移植到安全控制器，利用别爷ii 对安全运行控制器的软硬件进行 管理，提高了整个系统的安全性和稳定性。 关键词：大功率异步电机；新型模糊变论域；软启动；泵控软停车； ( ，c 佃s i i a bs t r a c t t h e r ea r eab i gi m p a c tc u r r e n ta n dt o r q u ew h e na s y n c h r o n o u sm o t o ro fh y d r a u l i c s t a t i o ns t a r t sd i r e c t l y i tw o u l db r i n gg r e a ti m p a c to nap o w e rs y s t e m ，a n dc a u s ea w a t e rh a m m e re a e c t ，w h e ni ts t o p ，t h e r ea l s oe x i s tt h ew a t e rh a m m e re 丘e c t w h e nt h e h i g hp o w e rm n s ， i tw o u l d b r i n g m a k e d i a g n o s i s o ff a u l t ss u c ha s o v e r l o a d o v e 卜v o l t a g e ，u n d e 卜v o l t a g e i no r d e rt oo v e r c o m et h e s ep r o b l e m s ，as a f eo p e r a t i o nc o n t r 0 1 l e ri sd e s i g n e df o r t h eh i g hp o w e fa s c h r o n o u sm o t o r hc a nd e c r e a s et h es t a r t i n gc u r r e n ta n dr e s t r a i nt h e w a t e rh a m m e re f r e c ti ns t 锄i n ga n ds t o p p i n g ，d i a g n o s i st h ef a u l t so ft h eh i g hp o w e r a s c h r o n o u sm o t o ri t s e l e i ta l s op r o v i d et h ee x c e i l e n ta n t i d i s t u r b i n g a b i l i t va n d s t a b i l i t vi nt h es t r o n ge l e c t r o m a g n e t i ci n t e 疵r e n c e t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa s f o l l o w s ： f i r s t ，an e ws o rs t a r tc o n t r o ls t r a t e g vo fv a r i a b l eu n i v e r s e 如z z yc o n t r o la d a p t i v e f u z z yc o n t r o lf o rt h eh i g hp o w e ra s y n c h r o n o u sm o t o r i sp r o p o s e d f o rt h es v s t e mo fs o rs t a r tc o n t i i o lo fh i g hp o w e ra s v n c h r o n o u sm o t o ri sa t i m e - v a 咖n ga n dn o n l i n e a rh i 曲l e v e ls y s t e nm a t h e m a t i c a lm o d e lo fh i 曲p o w e r a s v n c h r o n o u sm o t o ri sa n a l v z e d t h ed e f 宅c t so fc o n v e n t i o n a lm z z vl o g i cc o n t r o la n d v a r i a b l eu n i v e r s ef u z z yc o n t r o lb a s e do n 如n c t i o nm o d e la p p l i c a t i o n si ne n g i n e e r i n gi s a n a l y z e d ，a i l dan e wv a r i a b l eu n i v e f s ea d a p t i v e 缸z z yc o n t r o lm e t h o di sa p p l i e dt o h i g hp o w e ra s v n c h r o n o u sm o t o r t h es i m u l a t i o nm o d e lo fs o rs t a r ti n m a t l a b s i m u l i n ki se s t a b l i s h e d ，t h es i m u l a t i o nr e s u l to ft h en e wa d a p t i v er l z z v c o n t r o n e rb a s e do nv a r i a b l eu n i v e r s ei sp r o v i d e da n di tc o m p a r e st ot h em e t h o d so f t r a d i t i o n a lp i dc o n t r o la n dc o n v e n t i o n a lm z z vl o 西cc o n t r 0 1 t h es i m u l a t i o nr e s u l t s h o w st h a ta p p l i c a t i o no ft h i sm e t h o dt os o rs t a r ti se 日e c t i v e ，i tb r i n g sa d v a n t a g e s s u c ha sn on e e df o re x a c tm o d e l s ，f a s tr e s p o n s e ，a n dh i g hp r e c i s i o na n ds t r o n g r o b u s t n e s s ，a n di ti ss u p e r i o r t oo t h e rt w o s e c o n d ，t h es o rs t o pc o n t r 0 1s t r a t e f wi se s t a b l i s h e d a st h el o a do ft h eh i g hp o w e ra s y n c h r o n o u sm o t o r h y d r a n li cp u m pa l w a y s b r i n gt h ew a t e rh a m m e re h e c t t h et r a d i t i o n a ls o rs t o pb a s e do nv o l t a g er a m pc o n t r o l c a n n o ts o l v et h ew a t e rh a m m e re 行b c tc o m p l e t e l v a n dt h es u r g e ss t i l le x i s t s t h es o r s t o pb a s e do np o w e rc l o s e d l o o pc o n t r o lc a ns o l v et h ew a t e rh a m m e re h e c tm 0 1 e e n e c t i v e l v a n de l i m i n a t et h es u r g e sa n dn o i s eo ft h eh v d r a u l i cs v s t e m t h i r d ，t h em n n i n gs t a t e so ft h eh ig hp o w e ra s v n c h r o n o u sm o t o ra r em o n h o r e d a n di t sc o m m o nf a u i t sa r ed i a g n o s e d f o u r t l l lt h eh a r d w a r es v s t e mb a s e do nd s po ft h es a f eo p e r a t i o nc o n t r o l l e ri s d e s ig n e d t h ew o r k i n gc o n d i t i o n so ft h ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea r ec o n s i d e r e d a n dt h ea n t i d i s t u r b i n ga b i l i t yi si m p r o v e db yt a k i n gu s eo fg o o da n t i d i s t u r b i n g m e a s u r e s f i r l l t h es o r w a r es v s t e mo ft h es a f eo p e r a t i o nc o n t r o l l e ri sd e s i g n e d ，a n dt h e e m b e d d e do p e r a t i o ns v s t e mu c o s i ii st r a n s p i a n t e dt ot h es a f e t vc o n t r o l l e r t h e u c o s i ic a nm a n a g ee f r e t e l vt h es o r w a r ea n dh a r d w a r e ，t h e r e f o r et h es a f e t ya n dt h e s t a b i l i t ya r ei m p r o v e d k e yw o rd s ：h i g hp o w e ra s y n c h r o n o u sm o t o r ；an e wo fm z z yc o n t r o lb a s e do n v a r i a b i eu n i v e r s e ；p u m pc o n t r o is o rs t o p ：u c 0 s i i m 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 学位论文作者签名： 劣1 9 菊 1 卵7 年月何日 湖南师范大学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， 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属湖南师范大学。 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。本人授权湖南师范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 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密日。 ，( 请在以上相应方框内打“ ”) 作者签名：多1 列膏 日期：2 ，夕7 年月厂哆日 导师鲐；掺l 蟛魄曲年6 月 大功率异步电机安全运行控制器的研究 1 1 发展和研究现状 第1 章绪论 1 1 1 大功率异步电机的启动方式综述 1 直接启动 如图卜1 所示，直接起动就是用刀开关或接触器把大功率异步电机的定子绕 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， 缺点是起动电流高达5 倍以上的电机额定电流，存在电流及转矩冲击。对电动机 本身来说，异步电机都允许直接起动。直接起动方法的应用主要是受电网容量的 限制。若电网容量不够大，则大功率异步电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正常运行。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l0 15 ，才允许直 接启动。 k abc fif f u k m 图卜1大功率异步电机直接启动 2 定子串电阻或电抗降压启动 如图卜2 所示，当大功率异步电机启动时，合上开关丘断路器删断开，使 电源经电阻或电抗斤流进异步电机。当大功率异步电机起动完成时合上觥短 接电阻或电抗z 。 通过电机的进线端串接电阻( 或电抗) 以降低电机定子电压实现降压起动。因 为起动瞬间s = 1 ，定子起动电流i 近似与u 成正比例，故降低了电动机端电压也 就降低了电机的起动电流。这种起动方式由于其损耗较大、起动转矩小、起动电 硕+ 学位论文 流大以及起动转矩比起动电流下降得更多等缺点，一般较少采用。 k k m abc f i i 图卜2 串电阻降压启动 z 3 液阻软启动 液阻软启动是通过改变一种电解液体的电阻值大小，从而调节电机启动电流 的一种启动方式。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。 液阻有两个特点：一是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：二是液阻的热容量大。液阻的这两大 特点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。 液阻软起动也有缺点：一是液阻箱容积大，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 0 度3 0 0 度的温升，使软起动 的重复性差；二是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；三是液阻软起动需要维护，液箱中的水需要定期补充，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；四是液阻软起 动装置不适合于置放在易结冰或颠簸的地方。 4 自耦变压器降压启动 将电动机的定子通过可有级调整电压的自藕变压器接至电网的降压启动方式 称之为电动机自藕减压启动，其原理图所图卜3 所示。自藕减压启动的特点是： 1 ) 需加台有抽头可调起动电压和电流的自藕变压器； 2 ) 起动时间长； 3 ) 在电压转换瞬间有尖峰电流和尖峰转矩； 4 ) 只能直接停止电机运行； 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。这种方 法有两个明显的优点：其一，电压可以多级调节，对系统的冲击减少：其二，起 动电流折合到电网端减少到1 n ，此处n o ，l n 为变压器的降压比。 对于大容量电机启动，需要大容量的自耦变压器，启动转矩随起动电流的降 2 大功率异步电机安全运行控制器的研究 低而大幅度降低。由于这种启动方式具有不能频繁起动电机、变比不能调节、造 价较高以及体积庞大等缺点，因此应用受到限制。 k q ab c f1i 图1 _ 3异步电机自耦减压启动 t 5 星一三角启动 利用当电机工作在相对低的电压的时候，其转矩降低的同时电机电流下降较 多的特点，将电机定子通过星一三角转换，在启动时先接成星形，正常运行时再转 换成三角接法( 即接到电源) 的起动方式，称之为电机星一三角起动，具体接线方 式见图卜4 。 异步电动机的定子相绕组是分别被引出到电机接线板上( 共六个接线端子) ， 起动时将定子绕组接成星形，就可使起动电压下降到额定电压的l 3 ，达到降压 起动的目的，待电机转速上升到某个数值后，再改接成三角形连接。此时，电机 厂可 电压只能分两级：、u 调到u ，u 是电机所在电网的电压。 v ) 其特点是： 1 ) 低起动电流( 不能调节) 2 ) 低起动转矩 3 ) 长起动时间 4 ) 只能直接停止电机运行 5 ) 星一三角切换产生电流和转矩的尖脉冲冲击 由于起动转矩与电压平方成j 下比，故起动转矩为直接起动时的三分之一。这种起 动方式起动电流小，可以频繁起动，造价较低。但只能将起动电流和起动转矩降 到1 3 ，起动转矩既小又不能根据负载的大小进行调节，同样存在电流和转矩冲 击，属于有级启动。 3 硕士学位论文 k ab c fff 图1 4星一三角降压启动 k a 尬 6 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。高压磁饱和电抗器在原理和结构上与低压( 3 8 0 伏) 磁饱 和电抗器相似。磁控软起动器是利用磁控限幅调压的原理：在电动机起动过程中 电压可由一个较低的值平滑地上升到全压，使电动机轴上的转矩匀速增加，起动 特性变软，并可实现软停车。 磁饱和软起动不同于电抗器软起动的主要点是其限流作用可控。总体说来， 起动开始时限流作用较强，在软起动过程中逐渐减弱。电抗器在起动完成后被旁 路。限流作用的强弱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。因为磁饱和电抗器的输出功率比控制功率大几十倍，因此 它也可以被称为“磁放大器”。磁饱和电抗器有三对交流绕组和三相共有的一个直 流励磁绕组。在交流绕组里流过的是电动机定子电流，它必然会在直流励磁绕组 上感应出电动势，影响励磁回路的运行。所以，在工作原理上磁控软起动与晶闸 管软起动是完全相同的，没有本质区别，只是在某些方面需要采取一些特殊处理 罢了。磁饱和电抗器具有0 1 秒量级的惯性，这使磁控软起动的快速性比晶闸管 软起动慢一个数量级。对于电动机系统的大惯性来说，磁控软起动的惯性是不足 为虑的。有人说磁控软起动不产生高次谐波。这是错误的，只要饱和，就一定会 有非线性，就一定会引起高次谐波。只是磁饱和电抗器产生的高次谐波会比工作 于斩波状态的晶闸管要小一些。磁控软起动装置需要有相对较大功率的辅助电源， 噪声较大，其启控电压在2 0 0 矿左右，用户不可调整，会有较大的电流冲击，且体 积较大。 7 变频器启动 变频器通过改变电机的电源的频率，从而调节电机的转速和转矩以及启动电 流比1 。不断加强的软件功能使得通用变频器的适应性不断增强，有的转矩过载能 达到额定值的1 5 倍，使得起动和低速运行性能得到很大提升。但它价格很昂贵， 4 大功率异步电机安全运行控制器的研究 维修难度大，价格与容量成正比，在不需要调速的场合成本太高。 8 软启动 软启动用得最多的是基于晶闸管的软启动方式，它主要由晶闸管调压单元和 控制单元组成。晶闸管软启动器的控制单元调节晶闸管两端的电压从而改变加在 大功率异步电机上的电压，大功率异步电机启动时，按一定的规律，使大功率异 步电机端电压或电流从小到大连续地变化，从而避免了大的电流和转矩冲击一。 启动初始电压或电流的大小根据负载的大小进行设定。 基于晶闸管的软启动器相对液阻软启动器和磁控软起动器具有价格便宜、体 积小、结构紧凑，几乎免维护，功能齐全，菜单丰富，起动重复性好，保护周全 等显著优势( 本文后面所提的软启动全是指基于晶闸管的软启动) 。 电力电子软起动的出现是随着晶闸管的出现而发展起来的。最早采用晶闸管 三相交流调压电路对电动机软起动的应用出现在1 9 7 0 年，采用这种方法可以获得 很好的起动性能，所以一开始就引起人们广泛的注意。三十多年来，国外对晶闸 管三相交流调压电路进行了广泛的研究，在工业应用领域得到广泛的应用。在某 些领域应用显示出独特的技术优势。德国的a b b 、法国的施耐德、德国的西门子、 美国的a b 公司等均推出了软起动器系列产品。晶闸管软起动装置是发达国家的主 流产品。国外软启动器在我国卖的价格较高，如一台5 5 k w 异步电机软启动器的价 格高达人民币2 万元以上。 我国的软起动技术起步于9 0 年代初期，在全国各个地区都有软启动生产厂 家，现做得比较好的有湖南的开利软启动公司和上海的雷诺尔公司，软启动器在 国内得到较快的应用推广，虽然取得了一些成绩，但由于国内自行开发和生产的 能力相对较弱，产品的性能还不可靠，国内的市场特别是高端的应用场合主要还 是被国外的西门子、a b b 、a b 等著名国际大公司占领。从总体上看，我国软起动 技术及其市场占有份额与欧美发达国家相比尚有差距。主要表现在整机技术落后， 国内虽有很多单位投入了一定人力和物力，但由于分散，并没有形成一定的技术 和生产规模，所用的半导体功率器件的制造业规模较小，相关配套产业及行业落 后，软起动器产品销量少，电磁兼容性及工艺水平不高。 目前国内高校和研究所对软启动控制方式的研究主要集中在功率是几千瓦的 异步电机的软启动研究，目前没有专门针对大功率的异步电机的软启动研究。 9 大功率异步电机启动方式对比。 如图卜5 所示。通过比较异步电动机的各种起动方式，当电机进行全压启动 ( 直接起动) 时，对电网的冲击最大，冲击时间也最长。而通常使用的降压起动如 星一三角启动，对电网的冲击虽然比较小，但是由于涉及到一个线圈电压切换过 程，所以出现二次冲击的不利环节。软起动由于在起动前设定了一个不对电网产 生影响的起动电流，电流是缓慢增大至设定电流，故无冲击电流，所以对电网的 影响最小，并且能消除起动力矩的冲击。 5 硕十学何论文 0 t 图1 5各种启动方式的启动电流 综上所述软启动是电机的最理想的启动方式，它能有效地解决电机启动的电 流和转矩冲击问题。 1 1 2 大功率异步电机的故障诊断在安全运行控制器中的应用 大功率异步电机在运行过程中，大功率异步电机可能出现过流、过压、欠压、 过载等故障随3 ，传统的大功率异步电机保护设备是各种继电器，如过载器、过压继 电器等。继电器等传统电机保护器件价格较贵，功能单一，器件体积庞大。随着 计算机技术和微电子技术的飞速发展，安全运行控制器不仅能够完成继电保护所 要求完成的计算和逻辑判断等性能，同时，对于每一个被保护对象来讲，安全运 行控制器以其方便、灵活、可靠、节能等诸多独特的优点，为理论研究和应用研 究提供了更先进的手段。与传统保护装置相比，其通用性、人机对话功能强，可 实现各种非常复杂的算法和保护原理。 在安全运行控制器中，故障诊断的实现，故障诊断的方法是核心。目前，异 步电机故障诊断中应用广泛的信号处理技术仍是傅立叶变换、短时傅立叶变换等。 随着科学技术的发展，电动机故障检测和诊断用到现代信号处理理论，神经网络 和数据融合理论技术越来越广泛地应用到异步电机故障诊断领域。神经网络的自 学习、自组织、联想记忆及容错等功能能较好地处理不确定的、矛盾的、甚至错 误的信息，也在故障诊断领域受到广泛关注。这些以现代信号处理理论为理论基 础的故障诊断方法，其诊断的准确率高，但在工程应用时，存在计算量大、算法 复杂等缺陷，传统的基于阀值比较等的常规故障诊断方法，在工程应用时，实时 性好、算法容易实现，能较好地满足异步电机故障诊断在工程应用上的要求。 1 2选题的背景及意义 大功率异步电动机在起动过程中，瞬时电流冲击很大，一般可达额定电流的 5 8 倍，甚至更大，且起动时转矩冲击也很大，这些将对大功率电动机本身及拖 动设备的使用寿命有很严重的影响，同时也会对电网造成冲击阳1 。为保证大功率 异步电机使用寿命及电网的供电品质，传统上采用的起动设备有星三角、自耦变 6 大功率异步电机安全运行控制器的研究 压器起动等，大多是降压起动，虽能够缓解较大容量电机在较小电网上起动使用 的矛盾，但并未解决瞬间电流冲击问题。所以，采用良好的控制方法对起动电流 进行控制以减小其危害，使起动过程中无瞬间冲击，且能连续变化，是大功率异 步电机起动控制中关键的一步。大功率异步电机急停车时，对水泵及液压泵有冲 击，会产生水锤效应，对水泵、液压泵有损害，甚至引起水管、油管裂开，软停 车能有效地解决水锤效应。 大功率异步电动机因其结构简单、成本低、运行维护方便以及机械特性等能 满足大多数机械行业的要求，在工业控制特别是各种电气、液压传动系统中有着 广泛的应用。在一些非正常的情况下，例如：过载、欠压、过流缺相等会损坏电 动机，所以对大功率异步电机实行有效保护至关重要。 国内高校和研究所对小功率异步电机的软启动控制、软停车控制、故障诊断 的研究很多，本文对大功率异步电机的软启动控制、软停车控制、故障诊断的研 究，弥补了国内高校和研究所在大功率异步控制软启动控制、软停车控制、故障 诊断方面研究的不足。 本课题来源于湖南师范大学机电研究所液压站项目，液压站由一个3 7 k w 的三 相异步电机提供动力源，学校的变压器容量不大，3 7 k w 的异步电机相对容量不大 的变压器是一个很大的功率的电机。所以本文所提的大功率异步电机是指异步电 机的功率相对所在电网的容量很大。大功率异步电机软启动解决瞬时电流和转矩 冲击问题，抑制了对液压站所在电网的冲击，同时也避免了对电机及它所拖动的 液压设备的损害；大功率异步电机的泵控软停车可以解决液压站停机时的水锤效 应；大功率异步电机的保护系统可以保护异步电机本身，防止故障进一步的扩大 ( 本文后面所提的异步电机指大功率三相异步电机) 。 1 3 选题的研究重点 1 分析大功率异步电机数学模型，提出变论域模糊自适应控制软启动控制策 略，建立软启动的仂af - a 6 仿真模型，并把变论域模糊自适应控制应用到大功率异 步电机软启动中，进行仿真分析。 2 建立大功率异步电机的泵控软停车控制策略。 大功率异步电机的负载是液压泵，泵在启动和停车时容易产生水锤效应，传 统的基于电压斜波控制方式的软停车不能完全解决水锤效应，液压系统还是会有 喘振，而基于功率闭环控制的大功率异步电机的泵控软停车控制方案能更有效地 解决水锤效应，消除了液压系统的喘振。 3 建立大功率电机的安全控制器的软硬件系统。 1 ) 对安全控制器的电子和电气元件进行选型，设计安全控制器的电路并制作 控制电路板，设计大功率电机的电气控制单元的电路。 2 ) 设计安全运行控制器的软件系统；移植嵌入式操作系统杉胞尹ii 到安全控 制器中，并对安全控制器的软硬件进行管理。 7 硕十学位论文 第2 章大功率异步电机的数学模型分析 大功率异步电机安全运行控制器的的控制对象是大功率异步电机，为了对整个 系统进行分析，首先必须了解大功率异步电机的数学模型和机械特性。 2 1 大功率异步电机的数学模型 2 1 1 大功率异步电机两相静止坐标系下的数学模型 大功率异步电机是一个高价、非线性、强耦合的多变变量系统，因此对大功率 异步电机的数学模型进行分析时，通常做以下一些假设呻1 们： 1 忽略空间谐波，假设三相绕组对称，所产生气隙磁场按正弦分布。 2 忽略磁路饱和现象。 3 不记铁心陨耗。 4 不考虑频率和温度变化对绕组的影响。 在建立大功率异步电机的数学模型时所作的假设的情况下，可以推出其在三 相静止坐标系即a 、b 、c 坐标系上的数学模型，但是要分析和求解这样的数学 模型时很困难的，所以通常通过坐标变换使之简化。坐标变换的原则为： 1 功率不变原则。这可以使变换前后所计算的功率、转矩等有相同的值。 2 磁势等效原则。电机是通过气隙磁场传递能量，为了使变换前后电机的能量关 系不变，应保证变换前后产生的磁势是相同的。 3 电流和电压进行坐标变换的变换矩阵相同的原则，这可以带来坐标变换使用上 的方便。 三相对称静止绕组，通过三相平衡的正弦电流，产生合成磁动势，以同步转 速旋转，则此三相成为三相静止坐标系。两相静止绕组，它们在空间上互差9 0 0 ， 且通入时间上互差9 0 。的两相电流，也产生上述磁动势，则此两相称为两相静止 坐标系。 大功率异步电机在两相静止坐标系a 、口下的数学模型由电压方程、磁链方 程、转矩方程、运动方程组成。 1 电压方程为： ( 2 1 ) ( 2 2 ) 加 甲甲 p p + + k 足艮 = 1 1 ，、【 q q 卜 一 伊 甲甲 p + + 0 协 b b = = 咖咿 ，j、【 大功率异步电机安全运行控制器的研究 2 磁链方程为： j 甲船= t s + 乙t ，( 2 3 ) 警醣= l 乒瓠七l m i 8 r j 甲盯= 屯r + l t( 2 4 ) 攀重r = l r t 阶+ l b s 3 转矩方程为： 乙= 咒p 乙( 么乞，一屯，移，) ( 2 _ 5 ) 4 运动方程为： 乙= 互+ 丢鲁 6 ) 上述描述鼠笼式异步电机在a 、坐标系下的微分方程组，其中仅、表示坐 标系中的仅轴和轴分量：s 和，表示定子和转子分量；p 厅为极对数；为转动惯 量；死为负载转矩；，为电机转子绕组旋转角速度；r ”r ，分别表为定、转子电 阻；v a 。、| ，毋分别为a 、轴定子磁链；v 玟，、i ，砂分别为反、轴转子磁链；如。、协 分别为a 、轴定子电流；如，、协分别为a 、轴转子电流；“n 。、“肪分别为仅、 轴定子电压；“a ，、“砂分别为仅、轴转子电压；三”三，分别为定、转子自感；三m 为定、转子之间的互感。 建模仿真过程中，一般采用数值积分代替数值微分。故对上述方程组进行变换。 由式( 2 1 ) 、式( 2 2 ) 变换可以得： j 、王，。2j ( “。，一足乞。) 疵( 2 7 ) 【、y 肛2j ( 甜历一r 么) 斫 l 甲。，2j ( “。，一r 屯，一洲) 出( 2 8 ) 【甲2j ( “一r 绉，+ 洲。) 以 由式( 2 6 ) 变换可得： 缈= 粤f ( t 一互) 巩 ( 2 - 9 ) 2 1 2 大功率异步电机由三相变二相的数学模型 若在输入端加上三相二相坐标变换模块，模型就变成了二相静止坐标系a 、 下的大功率异步电机仿真模型。定子电压的三相二相坐标变换数学模型如式 ( 2 1 0 ) 所示。 若在输出端加上二相三相坐标变换模块，模型就能得到三相静止坐标系a 、b 、 9 硕七学位论文 c 下的异步电机输出量。定子电流的二相三相坐标变换数学模型如式( 2 1 1 ) 所示： 甜信 胖 1一三一三 22 o 鱼一笪 22 lo 1压 2 2 1压 22 “一 “口 “c ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 式中“月、“丑，甜c 和“、幻、f c 分别为三相坐标系下定子相电压、相电流的瞬时值； “a 。、和f a 、扫则分别为两相坐标系下定子相电压、相电流的瞬时值。 2 1 3 大功率异步电机的软启动过程 基于集中参数大功率异步电机等效电路n 卜”3 如图2 1 所示： 图2 一l大功率异步电机的稳态等效电路 图中，所一定子相电压有效值；，i ，巧一定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电 阻；五占，五占一定子每相漏抗和折合到定子侧的转子每相漏抗；r 转差率；r 。，x 。 一励磁电阻和励磁电抗。 令电磁功率砌= 3 ( i ：) z 蔓 ( 2 1 2 ) 则大功率异步电动机的电磁转矩方程即机械特性方程表达式为： 产 3 j p u 。2 ( 2 一1 3 ) 2 矿陋) 2 ) 2 刚起动时，转子转速为力= 0 ，转差率l ，此时的机械特性方程式为： 1 0 大功率异步电机安全运行控制器的研究 ，3 尸u 2 t f 2 丽陌习翮 ( 2 1 4 ) 因为电机起动时，( ，i + 2 ) + j ( 彳l 占+ 石2 j ) 要比( ，l + ，。) + j ( x l 占+ z zs ) 大 得多，则： 乞狐了砑i i 可 ( 2 一1 5 ) ，l 。堕 z x ( 2 1 6 ) 式中，卜电机的电磁转矩；咒。一电机启动电磁转矩；磊一电机的等效总电阻； 厶一电机启动电流。大功率异步电机启动时，( 厂。+ 巧) + j ( 五j + 工：j ) 要比( 吒+ 吃) + j ( 五占+ 工。) 大得多，此时大功率异步电机的总电阻磊如式( 2 15 ) 所示，大功率 异步电机的总电阻磊变小，漏磁路中的铁磁部分发生饱和，启动电流五变得很大， 引起了瞬时启动电流冲击。在图2 2 中绘出电动机的电流与转速关系曲线力= ，( 力 以及转矩与转速的关系曲线肝，( 肋。点为电机的稳定工作点，从图中可以看出 其启动电流是正常运行的5 倍以上，启动转矩远大于电机的额定转矩。 异步电机的电磁转矩无。跟电压的平方成正比，异步电机的电流跟电压成正 比，软启动就是通过降低启动电压来降低启动电流，解决启动电流瞬时冲击问题。 n 孔 0 x 图2 2电机的电流、转矩和转速曲线 2 2大功率异步电机的机械特性 要对大功率异步电机进行控制，就必须理解异步电机的机械特性。根据公式 ( 2 1 3 ) ，电机的电磁转矩与电压的平方成正比。不同电压下的机械特性如图2 3 所示3 ，曲线说明了不同定子电压下的大功率异步电机的机械特性。 硕十学位论文 0 图2 3 不同定子电压下的大功率异步电机的机械特性曲线 图中一电机定子额电压：所、玢一调压后的定子电压。 为了成功地控制三相异步电动机，使控制模式和不同的负载相匹配，必须了 解电动机和生产机械的复合特性。将电动机和生产机械特性绘于一个坐标平面内， 就是电动机和生产机械的复合特性。图2 4 绘出典型的三相异步交流电动机与负 载转矩一速度关系。 m 够 o n 5 n kn h n 图2 4 大功率异步电机的机械特性与负载机械的机械特性 图中勉一负载转矩； 膨厂芒= 0 时的负载转矩； 腑一电机加速转矩； 膨一电机固有特性的起动转矩( 堵转转矩) ； 肌一电机额定转矩。 由图2 4 可知， 1 、启动转矩必须大于芒= 0 时的负载转矩膨。，电机才能成功启动。 2 、负载曲线与电机固有特性的交汇点“是传动系统的稳定工作点。曲线 膨。膨麒即是电动机由静止不动到稳定工作的起动过程( 如曲线旁的箭头所示) 。 对于电机负载是液压设备，一方面电机的电能转化为液压泵的动能；另一方 面电机的电能转化为液抓系统的冲击能，可能引起液压系统的喘振和噪声，图2 4 中膨础膨所围面积的能量大部分就转化为液压的冲击能。因此对于负载是液压的 系统，电机的机械特性曲线尽可能跟液压泵的机械特性曲线基本吻合，即图2 4 1 2 人功率异步电机安全运行控制器的研究 中版。从膨所围面积尽可能小。因此可以通过调节电机启动时的定子电压，来实现 电机的机械特性曲线跟液压泵的机械特性曲线的基本吻合。 硕： ：学位论文 第3 章大功率异步电机安全运行控制器的整体设计方案 3 1 大功率异步电机安全运行控制器的设计思想 大功率异步电机在启动时有大的电流冲击和转矩冲击，工作在液压站中的异 步电机停机时存在水锤效应，大功率异步电机在运行时其自身需要监视和保护。 大功率异步电机安全控制器的主要研究内容： 1 软启动，采取一种合理的控制方法，实现大功率异步电机的安全软启动。 2 大功率异步电机的泵控软停车，主要提出一种适合负载是液压系统的大功 率异步电机的泵控软停车控制策略，实现大功率电机的软停车，并有效解决液压系 统的水锤效应。 3 大功率异步电机的监测和故障诊断，安全控制器通过采集大功率异步电机 的电压和电流，送入微处理器中进行数字滤波和计算出它们的有效值及其它的有 关数据处理，对大功率异步电机的运行状态进行实时监测，并对大功率异步电机 的故障进行判断和发出警示信号。 4 嵌入式操作系统u c o si i 实时好，内核小，并可根据需要对内核进行裁剪， 它现在已成功移值到很多芯片中，甚至在资源有限的5 1 单片机也已经移植成功。 u c o si i 已通过美国航天局的安全测试，它是一种安全性强、稳定性好的一种嵌入 式操作系统。大功率电机对它的控制器有很大的干扰，会影响控制系统的运行的 稳定性。移植嵌入式操作系统u c o si i 到安全控制运行器上，用它对应用程序进 行管理，提高控制系统的稳定性、安全性。 3 2 大功率异步电机安全运行控制器的系统设计方案 大功率异步电机安全运行控制器由微处理器和晶闸管及电子、电器元件所组 成，其中六个相向的晶闸管和异步电机直接串接在一起。异步电机启动时，微处 理器发出脉冲加到晶闸管触发极上，采用相控的方式控制晶闸管的控制角，输出 电流电压大小由触发脉冲宽度决定。微处理器通过合适的控制算法控制晶闸管输 出电压由零缓慢升至全压，电动机转速也由零升至额定转速，此时，控制器与晶 闸管并联的交流接触器合上，晶闸管不再工作。当发出停机指令后，断开与晶闸 管并联的交流接触器，微处理器监测异步电机的电压、电流，通过控制晶闸管使 输出电压按一定规则下降，当输入电压过零时，随后流过晶闸管的电流小于维持 电流而自然关断，使大功率异步电机端电压由全压逐渐降为零而实现泵控软停车 。电流采样和电压采样电路把采样的信号送入微处理器中，微处理器对这些信 号进行分析处理，实现对大功率异步电机运行状态的监测和故障诊断，微处理器 并完成软启动控制和泵控软停车控制算法。 1 4 大功率异步电机安全运行控制器的研究 3 2 1 基于单片机的安全控制器的系统设计方案 单片机占9 玖刀，它有4 组通用口叫9 口，分别是册、尸j 、刀、刀，3 个定时 器，2 个外部中断接口，鲋的程序存储空间，2 5 6 的数据存储空间引。 彳刃5 刀是美国模拟数字公司( 彳加，昭) 推出的单片高速12 位逐次比较型彳胗转 换器，内置双极型电路构成的混合集成转换芯片，具有外接元件少、功耗低、精 确度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件 即可构成一个完整的彳肋转换器，数据输入格式可分为1 2 位或8 位。 删刀万是德国西门子公司开发的第三代移相触发集成电路，与其它芯片相 比，俐刀万具有温度适应范围宽、对零点的识别更可靠、输出脉冲的整齐度更好、 移相范围更宽、输出脉冲宽度可手动调节等优点n 卜博，。 图3 1 基于单片机的安全控制器系统方案 基于单片机的安全控制器的系统框图见图3 一l 。晶闸管模块为6 个相向晶闸 管，改变晶闸管的导通角，调节晶闸管两端的电压，从而控制异步电机的启动和 停机时的电压，实现异步电机的软启动和软停车；控制器采用单片机占9 晒2 ，移9 掰诊 完成采集进来的数据的计算处理和实现电机的控制等算法；对单片机进行外围电 路扩展，通过外围的彳佃器件彳勿5 刀束完成对电机电流和电压的采样；电压同步 采样和晶闸管触发脉冲信号的驱动采用移相触发集成电路删刀舅电网的电压通 过同步变压器送入删刀5 ，为硎砸提供脉冲触发基准时间点。硎掰输出六 路脉冲信号，去触发六个相向的晶闸管，单片机按一定的规则输出数字信号给仍勿 器件驴占船，啪器件输出模拟电压信号为硎砸提供一个移相控制电压，实现输 出脉冲的移相变化，调节晶闸管的输出电压；因矽乡蚀2 的通用j 加口数量有限， 通过并行接口器磁鼯进行肋口扩展，彪硒接一液晶屏和键盘完成人机交互功 硕十学位论文 能对系统参数进行设定、电机运行状态及故障的显示；端口彳，曰，f 接3 8 0 v 三相交流电压。 单片机实现软启动、大功率异步电机的泵控软停车、故障诊断的算法，占9 伽 单片机的时钟频率不高，系统资源有限，移植嵌入式操作系统u c o s ii 到上面去， 将会影响安全运行控制器的实时性，因此基于船晒? 单片机的安全运行控制器上 不适宜移植嵌入式操作系统u c o s i i 。 3 2 2 基于d s p 的安全控制器的系统设计方案 砌娶理沈尼4 护7 在公司的多款及妒芯片中具有很高的性价比，且十分适合 控制领域，执行速度达4 0 删，指令周期缩短到2 5 ，7 s 引，内置3 2 的凡彳刚程 序存储器，2 5 的数据存储器，3 个定时器，同时可直接扩展外部6 4 程序存储 器，6 4 数据存储器和6 4 的肋寻址空间，带有10 位1 6 路的彳彻转化器，彳胗 转化