（电力电子与电力传动专业论文）基于dspic的离散变频软起动控制器的研究.pdf

a b s t r a c t t r a d i t i o n a ls o f ts t a r t e rc a nr e d u c es t a r t i n gc u r r e n tb yr e g u l a t i n gs c rt r i g g e r a n g l e ，m e a n w h i l ei tr e s t r a i n ss t a r t i n gt o r q u e ，w h i c h m a k e si tn o ts u i tf o rs t a r t i n gw i t h h e a v y - l o a d d i s c r e t ef r e q u e n c y - c o n t r o ls o f ts t a r t i n gt e c h n i q u e ，w h i c hk e e p st h e s t r u c t u r eo fe l e c t r o n i cs o f ts t a r t e r ，m o d i f i e sa m p l i t u d ea n df r e q u e n c yo fv o l t a g eb y c o n t r o l l i n gt h ep o w e rf r e q u e n c yh a l f - w a v ei ns o f t w a r e ，s oi tc a nm e e tt h ed e m a n d s o fs t a r t i n gc u r r e n ta n dt o r q u e t h i sp a p e rs t u d i e st h ec h a r a c t e r i s t i c s ，c o n t r o l l i n g s t r a t e g y ，s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no f t h es t a r t i n gm e t h o d i nt h i sp a p e rt h ep r i n c i p l eo fm o d i f y i n ga m p l i t u d ea n df r e q u e n c yo fv o l t a g ei s d i s c u s s e d ，t h ei n f l u e n c eo nt h ep h a s eo ff i r s t - h a r m o n i co fg e n e r a t e dv o l t a g ei s a n a l y z e d ，t h eb e s tt r i g g e r i n gm o d eo fe v e r yf r e q u e n c yi sp r o p o s e d ，a n ds t a r t i n g f r e q u e n c i e so f m o t o r sa r ec h o s e n i no r d e rt or e d u c eh a r m o n i c sa n do p t i m i z et h eo u t p u t w a v e ，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 r t or e a l i z et h eb e t t e r s 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 ，an o v e ls p e e dm e a s u r i n gm e t h o db a s e do np 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 sp r o p o s e d b e c a u s eo ft h ei n f l u e n c eo fp o w e rf a c t o r a n g l e ，t h ec o m b i n a t i o nc o n t r o lo ft r i g g e ra n g l ea n dp o w e r f a c t o ra n g l ei si n t r o d u c e d ， w h i c he n s u l e st h es t a b i l i t yo fs t a r t i n g i no r d e rt om a k et h em o t o rp e r f o r mi ne n e r g y s a v i n gc o n d i t i o n , c o m eu pw i t ha no p t i m i z e d m e t h o d s e c o n d l y , as i m u l a t i o nm o d e lo fd i s c r e t ef r e q u e n c y - c o n t r o ls o f ts t a r t i n g o f t h r e e p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o r si sd e s i g n e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h e a c c u r a c ya n df e a s i b i l i t yo fp r o p o s e ds c h e m e a tl a s t ，d i s c r e t ef r e q u e n c y - c o n t r o ls o f ts t a r t i n gs y s t e mb a s e do nd s p i c 3 0 f s e r i a l si n c l u d i n gt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sd e s i g n e d e x p e r i m e n tr e l a t e dt o s y s t e md e s i g ni sd o n e k e yw o r d s ：h e a v y - l o a ds t a r t ，d i s c r e t ef r e q u e n c y - c o n t r o l ，p o w e rf a c t o r , e n e r g ys a v i n g ，d i g i t a ls i g n a lc o n t r o l l e r 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：争玉勘签字日期：2 善年月，。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤注盘鲎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：乒参勃 签字日期：3 年f 月f oe t 导师虢孝易易年 签字日期：翮年厂月，pe t 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 在工、矿业应用中，有许多需要重载起动的运输设备，比如皮带输送机、矿 山刮板输送机、球磨机等。这些设备一旦出现故障停车，再重新起动就比较困难。 三相异步电动机在重载起动方面存在许多问题，尤其在运输设备满载或超载情况 下，如果对电动机施加额定电压直接起动，必然会产生很大的电流冲击，一般为 5 8 ，这将大大影响电动机的使用寿命，也会影响电网上其它设备的正常工作。 如果采用降压起动装置或常规软起动器起动，虽然可以抑制起动电流，但由于电 压的下降而使得电动机的起动转矩随之下降，无法实现重载起动。如果采用变频 器起动，在起动性能上是可以满足要求的，但由于变频器的造价比较昂贵，将变 频器仅仅用作起动装置，投入成本太大。目前，重载起动一般采用双绕组电机进 行切换起动，不但需要双绕组电机和双回路电缆给电机供电，而且还需要专门的 起动切换装置，也会产生较大的冲击，其安全性和可靠性较差，不能很好地解决 异步电机的重载软起动问题。 直接起动方式已经不适用于现代电动机的起动要求。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。以往人们使用软起动控制器的主要目的是为了减 小电机的冲击电流，设备所能提供的功能选择都是一些基本的设置。由于这些设 置没有考虑到电机所带负载的情况，因此在有些场合不能很好地满足用户要求。 如在重载起动场合，调压起动限制了起动电流但也导致电磁转矩降低很多，因此 难以适应重载起动情况。实际上在感应电机的广泛应用中，确有一部分要求电机 能带重载甚至是超额定负载起动。这样要求起动具有小的起动电流，大的起动转 矩，负载适应能力强。在全世界的电能消耗方面，电机占5 0 以上，因此对电机 节能的研究也需要高度重视，若在电机上增加节能装置，必然提高系统的成本。 因为软起动控制器自身具有对电机输入电压的控制能力，在电机轻载时，且在保 障电机转速基本不变的前提下，若降低电机的定子电压，则可以减小电机的内部 损耗，如铜耗、铁耗等，达到节能的目的。 综上所述可以看到，如何克服现有的起动方法缺陷，找到一种较高性价比的 方法，是三相异步电动机起动亟待解决的问题。 第一章绪论 1 2 异步电机起动方法 三相交流异步电动机在许多领域得到了广泛应用，如冶金、钢铁、石油、机 械加工等，并发挥着重要作用。而三相交流鼠笼电机更以其结构简单、价格低廉、 运行可靠等优点受到人们的青睐，尤其在采矿业，许多大负荷的运输任务都由异 步电机来完成。与此同时，异步电机的起动问题一直是人们所研究的课题。 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、液力耦合器起动、转子串液体电阻起动、双绕组电机起动和 变频器起动等。下面简单分析一下各方法的优缺点。 ( 1 ) 全压起动 全压起动方法是一种最容易应用的方法，具有最低的设备成本和最高的稳 定性。该方法能使电机产生最高的起动转矩，具有最短的加速时间。但是电机的 起动电流约为额定电流的5 - 8 倍【l 】，会使电机绕组严重发热，加速电机绝缘层老 化，起动电流过大还会使变压器输出电压出现短时大幅下降，影响电网上其他设 备【2 】 3 】。 ( 2 ) 传统降压起动 4 】【5 】 传统降压起动主要包括定子串电阻或电抗降压起动、y 一降压起动、自耦 变压器降压起动和部分绕组起动四种。这种方法通过降低电机的定子端电压来限 制了起动电流，但是仍存在许多问题：由于通常是由接触器来切换电压的，无法 从根本上解决起动瞬时电流尖峰冲击问题；起动转矩不可调，起动中存在二次冲 击电流；接触器是带载切换，容易造成接触器触点拉弧损坏。 ( 3 )电子软起动器起动 6 】 7 】【8 】 软起动器的主电路是三相反并联晶闸管，通过调节晶闸管的触发角，改变加 在定子上的电压，实现电压的平稳上升，电机的转速也相应的由零平滑加速至额 定转速。电子软起动器具有良好的软起动能力，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。但是其实质仍然是一种降压起动，它的 起动转矩不能满足大功率运输机等重载起动的要求。 ， ( 4 ) 液力耦合器起动【9 】 液力耦合器是一种常用的液力传动装置，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。 ( 5 ) 转子串液体电阻起动 第一章绪论 转子串液体电阻起动能够有效地限制起动电流，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。 ( 6 ) 双绕组电机起动 双绕组电机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。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，增加了投入 成本。 ( 7 ) 变频器起动【1 0 】【1 1 】 变频器起动具有更大的灵活性，可以对电机提供更加全面的控制，在很低的 起动电流条件下能提供很高的起动转矩。起动电流通常保持额定电流的1 5 0 以 内，最高起动转矩可以达到额定转矩的1 0 0 以上。但是，相对于其他起动方法 其最大缺点在于成本比较高。 1 3 解决方法 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 2 】【1 3 】，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【1 4 】【1 5 】【1 6 1 。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 动器起动转矩低的不足，成为解决重载设备起动问题有效手段1 7 】【18 】【1 9 1 。但是， 该方法在技术实现上还存在着很多问题，这也是一直没有形成成熟产品的重要原 因。 本研究的目的就是想沿着离散变频的思路，研究和解决离散变频技术在软起 动应用中的理论和实际中的关键问题，使该离散变频技术进一步发展及实用化。 第一章绪论 1 4 研究的主要内容 离散变频是通过有选择的通断工频半波实现变压变频的目的，而且控制器件 晶闸管属于半控型元件，使得这种分频方式与变频器变频方式有着很大的不同， 在技术实现上有一定的困难，实现变压变频的同时也引入了很多问题，现在将主 要研究内容归纳如下： 1 在不改变传统软起动拓扑结构基础上，研究离散变频技术，实现三相变频； 2 通过控制不同周波通断组合实现最大电磁转矩的离散变频软起动； 3 通过对正序、负序和零序分量的分析，研究三相电机起动的最佳组合方式； 4 研究三相电源相序对称性及电机的电磁转矩，选取各离散频段； 5 研究无速度传感器的转速观测方法，以完成各离散频段的切换； 6 引入等效正弦控制，减少了谐波，优化了输出波形； 7 研究起动过程的功率因数的影响及校正策略； 8 当前运行负载率判断及节能方法研究； 9 基于s i m u l i n k 构建系统模型，对离散变频软起动进行仿真，验证可行性； 1 0 设计离散变频软起动硬件结构，满足整个系统的要求； 1 1 基于m p l a b i d e 开发平台进行软件编程，完成软件设计； 1 2 构建基于d s p i c 3 0 f 4 0 1 1 的实验系统，进行相关实验验证。 第二章离散变频软起动原理分析 第二章离散变频软起动原理分析 2 1 常规软起动原理 首先介绍基于三相反并联晶闸管交流调压电路的工作原理。异步电机三相调 压电路的拓扑结构如图2 - 1 所示，其中，a 、b 、c 为电源的三相输入端，电源 电压通过三组反并联的晶闸管连接到电机定子端。在电机起动过程中，调节三相 晶闸管的触发角由大到小变化，逐渐增大电机的起动电压，避免电机起动过程中 电流冲击，此起动过程称为软起动，但仍是降压起动，在降低电流冲击的同时也 降低了电磁转矩 2 0 1 。 2 4 1 。为解决软起动提供电磁转矩不足的缺陷，本研究拟在传 统的软起动器拓扑结构上，引入离散变频的思想，从而使得电机在降低起动电流 的同时能提供较大的电磁转矩【2 5 j 【2 9 1 。 图2 - 1 软起动主电路拓扑图 2 2 离散变频基本原理分析 1 9 9 7 年，美国田纳西州科技大学的a n t o n i og i n a r t 博士提出了离散变频的思 想。通过对晶闸管进行触发控制，有选择地控制工频电源半波的通断，由此实现 了对基波频率的控制。此变频方式得到的只是工频的整数分之一的频率，得到的 基波频率不是连续变化的，是离散的，所以称这种变频方式为离散变频，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称为分频基波，变频后 的频率分别称为2 分频、3 分频、4 分频、5 分频 ( a )2 分频 5 第二章离散变频软起动原理分析 ( b ) 3 分频 由转矩公式 ( c ) 4 分频 图2 22 、3 和4 分频的示意图 ，l l p u l 2 生 t = r 一 ( 2 1 ) 2 n 3 ( 1 + 2 ) 2 + ( _ + x ：) 2 】 其中丁为电机转矩，m l 为电机的相数，对三相异步电机m 1 = 3 ，p 为极对数， 矾为电源相电压有效值，一是转子每相绕组折算到定子边的电阻，s 是转差率， 正为定子电压的频率，为定子每相绕组电阻，而为定子每相漏抗，蔓为转子每 相漏抗。 由式( 2 1 ) 可知，在其它参数不变的情况下，电机的电磁转矩和电机定子 端电压的平方成正比，和电源频率近似成反比。因此常规软起动器通过降低电机 电压来降低电机起动电流的同时，也限制了电机起动转矩。如能在降低电源电压 的同时降低电源频率则既可以降低起动电流，又能够提高电机的电磁转矩，就可 以很好的满足电机的起动要求。 2 3 基波信号相位的研究 图2 34 、5 分频基波信号 图2 - 3 中粗实线为4 、5 分频基波信号波形。每个工频周期由两个半波组成， 因此有2 个零点，那么变频后新频率下波形的零相位点的可能位置点数 n ：= 2 r ( 2 - 2 ) 其中r 为分频数，n ，为分频后零相位点可能位置数。原始信号经过2 分频后， 可以得到4 种波形，波形如图2 - 4 所示。它们所对应的2 5 h z 的基波电压u ( 如图中 虚线所示) 的初始相位分别为0 。、9 0 。、1 8 0 。和2 7 0 。 第二章离散变频软起动原理分析 0 0 0 历叭= u oz i n ( 1 0 搦o x 趴锄扒 u ) 叫= u ；s i n ( 5 0 t ) ； 国国固 00 0 20 0 40 0 60 0 80 10 1 2 t s 1 l ：嵋s i n ( 1 0 0 扛t ) _ = 喵s 1 9 ( 5 0 粤t + l ，2 岣 搿八该锄八 够v 锾v 铤 00 0 20 0 40 0 60 0 80 10 1 2 t s 耳2 沁s i n ( 1 0 0 n t ) 掣= v ；s 9 【5 0 t + 帕 鳜八庞趴笏 i 澎v 蟛认髯 00 0 20 0 40 0 60 0 10 1 2 t s u = v o s i n ( 1 0 0 n t ) 口= s i n ( 5 0 立t + 3 ，2 帕! 憎翰叭) 翰八豫 v 髟v 够v 翰 00 0 2 0 0 40 0 60 0 80 10 1 2 t ，s 图2 42 分频后的四种波形 离散变频后基波信号的零点为原工频信号的零点，由式( 2 2 ) 可以确定每 一分频下所对应的基波个数，这些波形互差相等的角度够，日，角度是由新频率 波形零相位点在原工频信号相邻两个零点间平移所产生的。所以变频后，原半周 波的相位角仅为18 0 。厂。如二分频时为9 0 。，三分频时为6 0 。即 日，：1 8 0 。( 2 3 ) 厂 设原工频信号的初始相位角为0 。，则新频率下波形的初相位妒，为 办= 0 0 + 七口，( 后= 0 , i ，2 ，n ：) 。 ( 2 - 4 ) 表2 一l 、2 2 和2 3 分别列出了2 分频、3 分频和4 分频的组合情况。 表2 12 5 h z 下三相交频后的组合 a 相 0 。 b 相 3 0 01 2 0 02 1 0 0 3 0 0 0 c 相 6 ( 。1 1 5 0 。4 0 。3 3 0 。| 6 0 。1 1 5 0 。4 0 。| ；3 ( ) 。0 。1 1 5 0 。4 0 。3 0 。| 6 ( ) 。 1 5 0 。2 4 0 。b 3 0 。 第二章离散变频软起动原理分析 表2 216 6 7 h z 下三相变频后的组合 a 相 0 。 b 相 2 0 0 8 0 。1 4 0 。 c 相 4 0 1 1 0 0 。 1 6 0 。1 2 2 0 。 8 0 。 4 0 。 4 0 。1 0 0 。16 0 4 1 2 0 。k 8 0 。 4 0 。4 0 。 l o o 。1 1 6 0 。k 2 0 。i a 相 0 。 b 相 1 4 0 02 0 0 0 2 6 0 03 2 0 。 c 相 2 8 0 。 4 0 。 4 0 。1 0 0 。 1 6 0 。 2 0 。仁8 0 。 4 0 。 4 0 。1 0 0 。16 0 。k 2 0 。k 8 0 。 4 0 。1 4 0 。 1 0 0 。 a 相 0 b 相 3 2 0 。 c 相16 0 。1 2 2 0 。 1 8 0 。 4 0 。 表2 31 2 5 h z 下三相变频后的组合 a 相 0 0 b 相 1 5 0 6 0 。 c 相3 0 。1 7 5 。1 1 2 0 。1 1 6 5 。1 2 1 0 。1 2 5 5 。1 3 0 0 。 3 4 5 。1 3 0 。1 7 5 。 1 2 0 。1 1 6 5 。1 2 1 0 。k 5 5 。1 3 0 0 。 3 4 5 。 a 相 o o b 相 1 0 5 。 1 5 0 。 c 相3 0 。1 7 5 。1 1 2 0 。 1 6 5 。1 2 1 0 。1 2 5 5 。1 3 0 0 。 3 4 5 。1 3 0 。1 7 5 。1 2 0 。1 1 6 5 。k l o 。1 2 5 5 。1 3 0 0 。 3 4 5 。 a 相 0 。 b 相 1 9 5 0 2 4 0 。 c 相3 0 。1 7 5 。 1 2 0 。 1 6 5 。k l o 。1 2 5 5 。1 3 0 0 。1 3 4 5 。1 3 0 。1 7 5 。1 2 0 。1 1 6 5 。k l o 。1 2 5 5 。1 3 0 0 。1 3 4 5 。 a 相 o 。 b 相 2 8 5 。3 3 0 。 c 相3 0 。1 7 5 。 1 2 0 。1 1 6 5 。1 2 , o 。1 2 5 5 。t 3 0 0 。1 3 4 5 。1 3 0 。1 7 5 。1 1 2 0 。1 1 6 5 。1 2 , o 。1 2 5 5 。1 3 0 0 。 3 4 5 。 2 4 最佳分频方式的确立 由以上分析可知，对于三相对称的电压进行变频后，产生的新频率下的三相 电压相序有多种组合方式，变频的目的是想获得较大的电磁转矩。由电机学知识 可知，正序分量产生正向的电磁转矩，因此在三相相位组合中需要找出具有最大 正序分量的组合。 2 4 1 对称相序的分析 设原工频电源角速度为国，分频电压基波角速度为c o ，为分频数。 对于分频后三相对称系统来说，相序为正则表示三相之间有1 2 0 。的相移， 可用下式来表示 第二章离散变频软起动原理分析 u 一= u s i n ( 0 9 ，f ) 驴u s 缸叫一争 ( 2 - 5 ) 铲u s 试叫一争 分频后b 相零点对应于原工频b 相在整个时域内的零点中的某一个，原工频电 源b 相的过零点应满足下式 c o t 一等= 2 k n ，( 七= o ，l ，2 ，3 ) ( 2 6 ) j 对称运行时c o ，f 一等= 0 ，结合= ，国，代入上式中可得 j 厂= 3 七十1 ，( 尼= 0 ，1 ，2 ，3 ) ( 2 7 ) 可见，如果分频数厂= 4 、7 、1 0 、1 3 等时，分频后可以得到对称的正序供电电源， 因此我们选取分频数时应优先选择。 同理，可推出得到对称负序供电电源的分频数表达式 ，：3 后+ 2 ，( 后= 0 , 1 ，2 ，3 ) ( 2 - 8 ) 除去上述两种情况，还有分频数厂= 3 尼，( 七= 0 ，1 ，2 ，3 ) 的情况，这种分频方式 得到的电源相序不是对称的。 2 4 。2 求取最佳分频组合 由上节分析，分频方式下存在一种非对称方式，那么应遵循正序分量最大的 原则，由此来寻求最佳的分频组合，这样才能使电动机最大限度的获得正向的电 磁转矩。 下面我们对r 分频电压信号吭、唬、吱利用对称分量法进行分析 u 1 o u 。= ( u 朋+ + u 。) 卞1 o 痧，口= 妻( u ，口+ 口u r 6 + 口2u 。) ( 2 - 9 ) 一1 o u 憎= ( u ，口+ 口2u 而+ 口u 。) 其中6 ：、6 二和6 二分别为分解的零序、正序和负序电压分量。a 为变 换系数。 叫z o o 一一丢+ 歹孚 协 利用公式( 2 9 ) g v j - ：g - , - 表2 1 各种组合分析，可求得2 5 h z 下的最佳分频方式。在 第二章离散变频软起动原理分析 2 5 h z 下( 0 。，6 0 。，2 1 0 。) 、( 0 。，1 5 0 。，2 1 0 。) 和( 0 。，1 5 0 。， 3 0 0 。) 这三种组合方式使得正序分量最大。 各频率下的最佳相位角以及它们的对称分量幅值所占的比例见表2 4 所示。 表2 4三相离散变频最佳初始相位角 分 正 负 频频率 最佳相位组合 相，6 相，c 相) 序序 零序 数( h z ) 分分分量 ， 量量 9 1 13 3 3 2 2 5 0 ( 0 0 , - 6 0 0 , - 210 0 )( 0 。，一1 5 0 - 2 1 0 0 )( o 。，- 15 0 。, - 3 0 0 0 ) 2 4 4 9 6 11 7 7 2 1 7 31 6 7 ( o o ，- 10 0 - 2 0 0 0 )( 0 。，一1 0 0 。, - 2 6 0 0 )( 0 。，- 16 0 0 , - 2 6 0 。) 1 0 0 41 2 5 ( 0 012 0 0 , - 2 4 0 0 ) 0o 9 8 61 2 7 51 0 0 ( 0 0 , - 9 6 。, - 2 2 8 0 )( 0 - 9 6 - 2 6 4 。)( 0 0 9 - 1 3 2 。, - 2 2 8 。) 1 1 3 9 5 68 3 3 ( 0 。，- 11 0 。, - 2 2 0 。)( o 。，一110 。, - 2 5 0 。)( 0 。，- 1 4 0 - 2 5 0 。) 9 9 1 0 5 1 0 0 77 1 4 ( 0 。，一12 0 。, - 2 4 0 。) 0o 86 2 5 ( 0 0 ，一10 5 。, - 2 3 2 5 ( 0 。，一1 2 7 5 9 9 47 8 o )o ，2 3 2 5 0 ) ( o o ，- 1 2 7 5 。, - 2 5 5 。) 7 2 ( 0 0 r - 1 1 3 3( o 。，- 1 1 3 3( o 。，一1 3 3 3 9 9 66 5 9 5 5 66 9 。，- 2 2 6 7 。)。，- 2 4 6 7 。)。，一2 4 6 7 。) 1 0 0 1 05 o ( 0 。，一1 2 0 。, - 2 4 0 0 ) 0 0 ( o 。，1 0 9 1( 0 。，一1 2 5 4 ( o o ，一1 2 5 4 0 , - 2 5 0 9 9 9 75 7 1 14 5 55 3 。，一2 3 4 5 。)。，一2 3 4 5 0 )。) 9 9 84 9 1 2 4 1 6 ( 0 0 9 - 115 - 2 3 0 0 )( o 。，一115 0 ，- 2 4 5 0 )( o o ，一1 3 0 。, - 2 4 5 。) 5 1 1 0 0 001 33 8 5 ( o 。，- 1 2 0 。，- 2 4 0 。) ( 0 。，一1 1 1 4( 0 。，- 1 2 4 3( 0 。，- 1 2 4 3 02 4 8 6 9 9 84 2 1 4 3 5 74 2 。，- 2 3 5 7 。)o ，- 2 3 5 7 。)o ) 9 9 83 9 1 53 3 3 ( o 。，一116 。, - 2 3 2 。) ( 0 。，- 116 - 2 4 4 0 )( o 。，- 12 8 - 2 4 4 0 ) 4 o 1 0 0 o0 1 6 3 1 3 ( o o ，一1 2 0 0 , - 2 4 0 。) 第三章离散变频软起动的控制策略 第三章离散变频软起动的控制策略 3 1 电磁转矩分析【3 川 图3 1 交流异步电动机t 型等效电路图 把实际相数为m ：、绕组匝数为n 2 、绕组系数为k m ：的转子绕组，归算成与 定子绕组有相同相数、相同匝数和相同绕组系数的转子绕组，归算的条件满足归 算前后电机内部的电磁性能和平衡关系保持不变。由此得到电机的等效电路如图 3 - 1 所示。 根据电动机原理，按照图3 1 所示的电动机等效电路，可得三相异步电动机 的电磁转矩为 3 p u l 22 t = _ j l 1 ( 3 1 ) 2 须i ( + 等) 2 “”玎l l s l 式中，为定子一相电阻，五为转子一相电阻折算到定子侧的折算值，x 1 为 定子一相漏感抗，x ：为转子一相漏感抗折算到定子一侧的折算值。 如果设厶为定子一相漏电感，厶为转子一相漏电感，则有如下关系 托1 _ 2 顽l i ( 3 - 2 ) 【x ：= 2 矾t 将公式( 3 2 ) 代入公式( 3 1 ) 可得 丁土2 n ：( 2 、f 一 阢吒 ( s r z + 砭) 2 + 4 万2 s 2 2 2 ( 三l + t ) 2 ( 3 3 ) 对公式( 3 - 3 ) ，令矗丁凼= 0 ，可求得电动机的最大电磁转矩k 和对应的 临界转差率s ，为 第三章离散变频软起动的控制策略 厂2 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 2 + 4 万2 石2 ( 上l + t ) 2 乙= 三芸c 2 习丽赢 上式亦可改写为 乙= 互12 3 p 万( 、u z i ，2 i 上 z ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 由上式可知，最大转矩是随着一的降低而减小的，频率很低时，将限制电动 机的带载能力。造成互。，降低的原因是在低频段【，和巨都较小，此时定子漏磁 阻抗压降所占的分量就比较显著，从而使得等效励磁电流，。减小，为了使其不变， 可以在低速段人为地把电压u 。抬高一些，以便近似地补偿定子压降。对于带定 子阻抗压降补偿的恒压频比控制方式，其控制算式可以按照如下来控制： u 。= 研+ u 。式中，k 为常数。在实际应用中，由于负载大小不同，需要补 偿的定子压降值也不一样，可以在控制器中备有不同斜率的曲线，以便选择。该 控制策略使用时只需根据经验或试运行设定参数k 和u 。，十分方便。 图3 2 恒压频比控制特性 3 2 频段等级的选取和划分【3 1 】【3 2 】 变频软起动中变频的目的是想通过降低z 使得起动转矩获得提升，使其能够 满足重载起动的要求。然而，并不是频率越低，起动转矩就越高，因此在采用变 频方式进行起动的时候，不能使起始频率无限制地降低，需要找到一合适起始频 率。 另一方面，由于本课题采用的离散变频技术，当频率过低的时候电压也降至 很低的数值，这样就会使得触发角很大，会带来很大的谐波成分。根据电动机的 第三章离散变频软起动的控制策略 不同，选取的起动频率也不一样。另外需考虑离散频率等级是否正序对称，本文 选取1 3 分频的3 8 5 h z 作为起动频率比较合适【3 3 】【3 4 】【3 5 1 。 在应用中，可以根据具体情况进行设定为1 6 分频或1 0 分频等，以此来适应不 同的电动机参数和不同工况。 离散变频是通过对5 0 h z 的工频电源进行分频来实现的，因此频率变化是断 续的，每个分频点对应着一个频率等级。需要从最小频率点至u 5 0 h z 的工频频率 之间适当选择一些频率点作为过渡频率，在低频段由于频率点之间的数值相差不 大，所以选择波形比较理想的频率点即可，如存在正序对称的1 3 分频的3 8 5 h z 、 1 0 分频的5 h z 、7 分频的7 1 4 h z 和4 分频的1 2 5 h z ，如果从1 2 5 h z 直接过渡到5 0 h z 之间跨度比较大，为了过渡平滑，需要在中间插入3 分频的1 6 6 7 h z 和2 分频的 2 5 h z ，虽然这两个频率点并不存在正序对称的相位组合，但它们的最大正序分 量远大于负序分量，虽然最大转矩会有一定程度的下降，但其电磁转矩仍然大于 电动机的额定转矩，能够满足电动机的起动运转，但由于此时电动机处在不对称 电源运行状态下，所以应尽量缩短这一过程的运行时间。 3 3 离散变频的等效正弦控制 变频器起动性能之所以好，是因为经变频器后输出的供电电源是接近理想的 正弦波形式。采用离散变频的方式后得到的电源为非正弦，且含有很大谐波成分。 根据采样控制理论中的面积等效原理冲量相等而形状不同的脉冲加在具有 惯性的环节上时，环节的输出响应波形基本相同，按照某种控制规律调节触发角 的大小，可以使得输出波形近似等效正弦波，从而显著减小谐波以及转矩脉动对 电机的冲击。 u l 众办| | | | | 国囱圉。 t 图3 - 3p w m 波和正弦半波的等效图 第三章离散变频软起动的控制策略 u ，v ，1 l，1，1f 、n厂、f，、n厂 陡：；|!|：f ：￥： 王一 ：二 f 一； f 1、吨 1 ifh潜r j iil 【 闱 卜阱 l ，r i|l l 一- - - 匕弛 if 【- h 州嫩址：瞄 嬲f 盼毛l i 一- - 卜 鲥 1f 一一- 7 l 一- j f - - - v t s 图3 41 3 分频下a 相基波示意图 图3 4 是对电源1 3 分频单相基波电压的示意图，粗线代表分频后新电源的 基波频率。由图可知，基波的正、负半波均包含7 个工频电压半个周期的一部分。 将其看成为1 4 个脉冲，每一个脉冲的幅值可用晶闸管输出电压和横轴所围的面 积求得，脉冲的宽度由晶闸管的导通角决定。 根据每个脉冲时刻对应的正弦基波的幅值，改变晶闸管触发角的大小可改变 面积的大小，使得该面积和该时刻基波幅值对应的等效面积相等，从而可以得到 当前的触发角。这种触发方式得到的1 3 分频的波形是近似正弦变化的。 下面以7 分频为例，对两种触发方式下的输出电压波形进行分析。 图3 - 57 分频基波不意图 设原工频电压为u l = u ls i n r a l f ，分频后电压基波为u ，= u ，s i n a o ，t ，根据面积 等效原理得： 0 1 u l $ i n q t d t = 0 0 2 u rs 1 n ，t d t ( 3 7 ) 由此式得到第一个工频半波的触发角对应的时间，可由口= 焉等 转换为对 应的触发角。依此类推，可以得到四个正半波的触发角。由于正负半波的对称性， 四个负半波和四个正半波的触发角相等。 等效正弦触发方式所对应的触发模块在m a t l a b 仿真中的设计，详见第四章 中的说明。 在m a t l a b 中利用f f l t o o l s 对用上述两种触发方式得到的输出波形进行分 析，如下图所示。 第三章离散变额软起动的控制策略 f a ) 等触发角方式 自渡丹析 ( b ) 等效正弦触发方式下谐波分析 图3 - 6 两种触发方式的谐波分析 由图可知采用等效正弦触发方式后，t h d 由采用等触发角控制时的2 4 01 6 降为1 9 15 7 ，降低了电压中f f , i 旨波，优化了输出波形，能够减小电机转矩冲击。 第三章离散变频软起动的控制策略 3 4 功率因数角控制 晶闸管调压电路输出电压的有效值是通过调节触发角的大小来控制的，因此 只要按照特定的控制规律调节触发角即可输出预想的电压有效值。但电机是感性 负载，在电压过零时刻电流并不为零，即电压电流之间存在一个相位差，它等于 电机一相阻抗的阻抗角，此角度称为功率因数角 3 8 1 。由图3 1 电机的t 型等效电 路可得： 、 眈+ j 。) fr 2 + j x , 2 ，l z = | zl 么伊= r l + 豇l ，+ i _ _ 一 ( 3 8 ) + 豇。+ 2 + 豇：。+ j x m + + - ，x ；a s 功率因数角难以用实验的方法直接获得。根据晶闸管调压电路的工作原理， 真正影响晶闸管输出电压的因素是电机的续流作用，而电机续流角的变化规律决 定于其功率因数角，且该续流角便于实际测量，因此可以通过研究续流角来确定 功率因数角的变化趋势。 由( 3 - 8 ) 可知，功率因数角随转差率s 的变化而变化，也就是说，在电机起 动的过程中，随着转速的增加，电机的功率因数角一直在变，其变化如图3 - 7 所 示，电机参数为：电源频率f = 5 0 h z ，额定转速n = 1 4 4 0 r m ，定子每相绕组电 阻= o 7 3 8 4 q ，定子每相漏感，。= 0 0 0 3 0 4 5 h ，转子折算到定子边的每相漏感 = 0 0 0 3 0 4 5 h ，转子折算到定子边的每相电阻一= 0 7 4 0 2q ，励磁电感 ，。= 0 1 2 4 1 h ，极对数p = 2 。 舱( r m i n ) 尹( 。) 图3 7 转速与功率因数角的关系 晶闸管调压电路的一相等效电路如图3 - 8 所示，其中z 为电机一相的等效阻 抗，u a 为电网相电压，“z 为晶闸管输出电压。设“。= 面，s i n o t ，z = lzi 么伊。 第三章离散变频软起动的控制策略 z 图3 8 晶闸管调压电路的一相等效电路图3 - 9 一相晶闸管的工作电压示意图 图3 - 9 为一相晶闸管的工作电压示意图，其中口为晶闸管的触发角，9 为电 动机的功率因数角，即z 的阻抗角，0 为晶闸管的导通角。晶闸管导通角的大小 决定了输出电压的大小。 对晶闸管正负半周的触发是对称的，现以r = 4 分频为例，晶闸管输出电压的 有效值的表达式 卟再 ( 3 9 ) 整理( 3 1 5 ) 得如下表达式 矿一口一1 zs i n 2 c p + j 1s i n 2 a = i l 一万( 3 - 1 0 ) 设：f ( a ，伊) = 9 一口一寺s i n 2 c p + 三s i n 2 a = 等一万 ( 3 1 1 ) 由此式可知：不考虑功率因数角的变化而按预定规律去调整触发角是不行 的。例如，当晶闸管的触发角为a ，、电机功率因数角为仍时，对应晶闸管输出 电压为u ，在电机起动过程中，吼将随电机转速n 变化为9 ：= 9 。+ 驴，此时若 想保持u ，不变，须按照式( 3 1 1 ) 相应地修正口，使口：= 口+ a a ，从而使得： f ( a ，仍) = f ( a ：，9 ：) ，只有保持此式，才能保持晶闸管输出电压保持稳定，否则 会造成电磁转矩振荡 3 6 1 【3 7 1 。 为解决电机起动过程中的转矩振荡问题，必须对软起动系统实施闭环控制。 实施闭环控制就有一个反馈量选取的问题，由以上分析可知，引起转矩振荡的最 直接原因是电机功率因数角的变化，因此必须及时检测功率因数角的变化，并将 此作为反馈量去调节触发角。厂= 4 分频时的控制规律为 f ( a ，9 ) = 伊- - a - 寺s i n 2 c p + 二，s i n 2 a = 一r 7， ( 3 - 1 2 ) 设计中只要检测到当前的功率因数角，由上式即可得到相应的触发角。结合 缈调整a a ，可通过绘制9 a a 曲线或编写数值计算