（电气工程专业论文）基于dsp的高压软起动装置的控制研究.pdf

华北电力人学i ：稃硕十学位论文摘要 摘要 电机直接起动时产生几倍于额定电流的冲击电流，不仅对电网造成不良影响， 而且的影响电机的使用寿命。为了改善电机的起动特性，在电机领域采用由晶闸管 控制电机软起动器。基于电机软起动器的优良特性，本文重点探讨了高压软起动装 置的控制方法，通过m a t l a b 仿真分析了软起动装置的控制方式，并设计了基于 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片的主控单元和基于西门子p l c 控制器的监测单元，对l o k v 高 压阀组的设计进行了详细的介绍。 关键词：电机软起动器，数字信号处理器，晶闸管 a b s t r a c t t h ed i r e c ts t a ro ft h ei n d u n c t i o nm o t o rc a ng e n e r a t es e v e r a l f o l dr a t i n gc u r r e n t w h i c h w i l lc o n t a m i n a t ct h ep o w c rs u p p l ys y s t e ma n dd 姗a g et h em o t o ri t s e l ft bi m p r 0 v et h e p a r a m e t e ri ns t a r to fm o t o r ，av o l t a g ea d i u s t i n gm o d e lw i t hs c ri su s o d b a s e do nt h e c h 撇c t 硎s t i co fs c r t h ea r t i c l ed i s c u s s e sc o n t r o lm e t h o do fh i 曲v o l t a 留es o rs t a r t e ra n d a n a l l i ，z e sc o n 仃o lm o d e lo fs o rs t a n e rb ys i m u l a t i o no fm a t l a b w ed e s i 印m a i nc o n t r o l u n i tb a s e dt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 锄dm o n i t o r i n gu n i tb a s e ds i m e n sp l c i nt h i sa n i c l e ，w e i n t r o d u c ed e s i 霉皿o fl0 k vt h 、m s t o rv a l v e t h er e a lw a v e f o 硼a n dr e s u l to ft e s t i n gi s 西v e ni n t h i sl a s tc h a r p t e l z h a n gl i - q i a n g ( p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rd “v e r s ) d i r e c t 毛db yp r o fs h ix i n c h u n k e yw o r d s ：s o rs t a n e r d sp s c r 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于d s p 的高压软起动装置的控制研 究，是本人在华北f c l 力大学攻读硕士学位期日j ，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。掘本人所知，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，也不包含为获得华北电力大学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 兑明并表示了谢意。 学位论文作者签名：悻啦日 学位论文作者签名：i 盟：垒 一日 期：i 彳：- _ 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：雌 导师签名： 日期： 勋珏 华j 匕电力人学i ：稃硕十学位论文 1 1课题的背景 第一章引言 随着我国经济的快速增长，科学技术的f l 新月异，智能控制系统得到了越来越 广泛的应用，同时也给我们提出了更高要求，如电网的波动性，执行机构的智能配 套等，都要求越来越严格。作为重要驱动执行机构的电动机来说，它的控制方式受 到广大技术人员的高度重视，既要为智能控制打下良好基础，又要降低电动机起动 时对电网的冲击。 历年用电量统计数据表明，高压异步电动机用电量占总发电量的4 0 左右， 它们的运行状况与节电措施为众多的研究者和使用者所关注。众所周知，电动机直 接合闸起动时，起动瞬时的冲击电流可达电机额定电流的4 8 倍，这将对电网造 成很大的冲击，直接影响电网中其它用电设备的币常工作；另外起动时的冲击转矩 也将近是额定转矩的两倍，这会影响电动机本身及其拖动设备的使用寿命，因此控 制异步电机起动过程中过大的电流，过大的转矩具有重要的经济价值。 为了最大限度的利用电动机及其拖动设备，创造更多的经济价值，延长使用寿 命，就必须保证使用它们的科学性。在众多的影响因素中，电动机起动和制动的控 制显得尤为重要。高压电机软起动装置因其结构简单，成本低，运行维护方便和机 械特性能满足大多数机械的要求，在工业控制与各种电气传动系统中有着广泛的应 用，它能改变电动机的起动特性，保护拖动系统，能够保证电动机可靠起动，又能 降低起动冲击，而且配有计算机通讯接口，可实现智能控制。 1 2 课题的发展现状和研究意义 利用晶闸管交流调压技术制作的软起动器是从7 0 年代丌始应用的，后来美国 宇航局工程师诺瓦又把功率因数控制技术结合进去，随着电力电子技术及大规模集 成电路的发展，目前采用微控制器代替模拟控制电路。当前，世界上许多大公司都 在生产软起动器，g e 公司生产的软起动器最大功率为8 5 0 k w 乜1 ，额定电压5 0 0 v ，额 定电流为1 1 8 k a ，最大起动电流为5 g k a 。意大利s i e i 公司生产的软起动器额定 电压达到6 9 0 v ，额定电流达到1 6 k a 。美国a l l e n b r a d l e y 公司也在9 0 年代初 期推出了一系列的智能控制器。在国外，晶闸管三相交流调压起动技术的研究已从 对通过控制电机电流的开环，闭环方式，发展到通过建立比较准确实用的数学模型， 找到适于三相交流调压电路电机负载的控制方法，从而使三相交流调压电路电机负 载性能更好，如降压变频调速中的矢量控制和磁场定向控制的引入，创立软起动技 l 华北电力人学i ：样硕十学何论文 术的转矩控制等等。电动机在工业控制中使用很多，其中尤以异步电机为主。电机 的耗电量约占电气设备总耗电量的6 0 左右。在世界能源严重不足的今天，节能降 耗便成为各国研究机构的首要任务。在额定负载附近，电机的效率最高，通常在8 0 以上。当负载下降以后。效率随之显著下降，而电机选型时是按照需要的最大负载 和最坏情况下所需要的功率而定的，因而大多数情况下，在轻载或不均匀负载情况 下，电机的运行效率都较低，为了提高电机的工作效率，多年来世界各国从电机的 设计制造、电机的选择使用、电网供电管理等几方面入手，做了大量研究工作，取 得了很大成果。从电机的设计制造方面入手，开发出了高效节能电动机，使效率显 著提高，可大量节能。但是这种电机造价较高，而且经济效果较大地取决于负载的 情况，即对于长期工作于额定负载、连续运行的场合，其节能效果达到最佳。因此 这种电机暂时无法普及，对大多数电机用户来讲，如何使现有设备上的电机工作于 效率较高的状态显得尤为现实。与国外相比，固内在软起动、节能控制器的研究工 作起步较晚，但近年来发展很快。目前国内做相关产品的公司达几十家，产品功率 可达几百k w 。但经过使用发现其中很大一部分产品功能不够完善，性能不够稳定， 同国外的产品比较还有一定的差距。国外产品的缺点是价格昂贵，操作复杂，因此 限制了在国内的推广。在应用上，国内使用电子式软起动器的场所所占比例还很小， 传统的起动方式仍继续占领市场。随着“十五”规划对节能的重视，从2 0 0 7 年我 国指定企业节能标准体系编制通则国标可见，节能软起动控制器的市场空问极 其广阔。 1 3 本文的工作 本文主要对高压软起动装置的控制方式进行了分析，并采用m a t l a b 搭建了软 起动装置的控制模型，设计了以d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心的控制电路，并以 西门子s 7 2 0 0 和液晶显示器设计了软起动装置在线监测系统，最后采用a b b 的 6 5 0 0 v 8 0 0 a 可控硅设计了高压可控硅阀组。 具体工作将分为以下几方面： 1 从理论上分析了高压软起动装置的控制原理，并用m a t l a b 进行了仿真分析， 验证了控制方法的可行性。 2 设计了以d s p 为核心的控制单元，以及以西门子s 7 2 0 0 和液晶显示器为核 心的在线监测系统。 3 设计完成了高压阀组单元中的触发单元、b o d 保护单元、取能单元、可控硅 在线监测单元。 华北电力人学l ：程硕十学位论文 第二章高压软起动装置控制分析 在电机运行控制中，对设备的使用寿命影响最大的是电机的起动和制动，因此 能否很好的解决电机的起动和制动问题，电机的运行和使用寿命有着非常重要的意 义。本章首先对异步电动机的起动过程进行了分析，然后对电机起动和制动的传统 控制方法与软起动控制方法进行了比较，并分析了电机软起动的原理，最后根据电 机软起动的原理搭建了软起动装置的m a t l a b 模型，对控制方法和结果进行了仿真 分析。 2 1三相异步电机起动过程和各种起动方式的比较 2 1 1 异步电动机的起动过程分析 为了研究异步电动机起动时的电压、电流、转矩等变量的关系，进而分析异步 电机起动时的电流、起动转矩和所外加电压的关系，就要研究电机的数学模型。对 于电机的软起动而言，多采用基于集中参数等效电路的数学模型。 采用集中参数等效电路的数学模型时首先需作一些假定，根据电机学知识，可 得： 1 ) 忽略空间和时i 、日j 谐波； 2 ) 忽略磁饱和； 3 ) 忽略铁损。 l 酗 图2 1 异步电机的稳态等效电路 其中等效电路中元件为定子绕组的电阻，西为定子绕组的漏电抗，吃为归算 到定子方面的转子绕组的电阻，x 2 为归算到定子方面的转子绕组的漏抗。为定 子铁心损耗所对应的等效电阻，为励磁电抗。u i 为定子电压向量，巨为定子感 华北电力人学i ：样硕十学何论文 应电动势向量，l 为定子电流向量，厶为磁化电流向量。 基于t 等效电路的数学模型为： 日= 砭= 一l 乙= 一厶( + 风) i 1 2 = i m 忘= 之( 孚+ 反) u = 一巨+ 厶“+ a ) ( 2 一1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 由等效电路可见，异步电机输入的电功率p l 一部分消耗在定子绕组的电阻而 成为定子铜耗p c u l ；另一部分消耗在定子铁心上而变成铁耗p f e 。剩余的通过气隙 传递到转子的功率成为电磁功率p e m 。其中p e m 为： 厶= + 巨t c 。s 岛= 学詈 ( 2 5 ) 电磁转矩司表不为： 丁一r 一( 1 一j ) ，乙一聊 硎 q ( 1 一s ) q 1q l 其中，卟等砌吾为同步角撼转子机械角速度q = 等； 机械功率。 由式( 2 5 ) 和式( 2 - 6 ) 得：乙音喑譬詈 据式t 型等效电路可知：丘= 由式( 2 8 ) 代入式( 2 7 ) ，同时考虑到q l = 2 巧，于是有： 4 ( 2 6 ) 为 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 一门 一恐垒l “ 型争 鬲 p 一丁 瓦 m乙 华北电力人学i ：稃硕十学位论文 丁一p 听呓 气一丽丽砑可丽 l o ) 垒+ 础 j j = 吐上土墼一 一，i + 炳+ ( 1 + 糍) 在异步电动机里，因为1 ，口如，故可以省去1 和厂册，则上式( 2 一1 1 ) 三二c + 型l 一 ( 2 _ 1 2 ) ( 1 + “) + ( 1 + 未) ( 詈+ 应) 小丽焘丽 ( 2 1 2 ) 由式( 2 1 0 ) 和式( 2 1 3 ) 可知，起动转矩f 比于定子端电压的平方，起动电流正 比于定子电压。起动电压较低时，起动转矩较小，电流也较小；反之，如果电压较 高，则起动转矩较大，但同时起动时的冲击电流也很大。而异步电动机的起动特性 主要标志在起动电流和起动转矩两个方面：希望电动机起动时能产生足够的起动转 矩，以便带动负载快速地达到正常转速；同时，也希望起动电流不要太大。因为如 果在供电变压器的容量较小，过大的起动电流将造成较大的线路压降，从而影响接 在同一电网上的其它电气设备的j 下常工作。下面分析对异步电动机的起动特性，传 统的起动方式和原理。 2 1 2直接起动 直接在线起动是三相异步电动机使用最多的一种起动方式，也是起停方式中最 简单、最直接的一种，而且起动转矩比采用降压起动时大，是标称转矩的1 5 2 倍。然而对较大功率的电机而言，这种起停方式的缺点是对电力系统的冲击大，起 动电流是标称电流的4 8 倍。这是由于电机刚投入电网，转子尚未丌始转动时相 华北电力人学i ：科硕十学位论文 当于短路，起动电流就是短路电流，而限制短路电流的短路阻抗z 木一般很小，所以 起动电流较大。此时，起动电流虽大，但起动转矩却不大，这其中的原因可以用电 磁转矩公式来解释： mp 肌= c m 矽，l ，2cos 沙2 ( 1 ) 起动时，s = l ，f ：= f ，此时少z 较大，使得c o s 吵2 较小，所以转子电流的有 功分量i ：c o s 2 并不大。 ( 2 ) 由于起动电流较大，定子的漏阻抗压降i 。z 。增大，致使感应电动势e 。减小， 从而使得m 变小。这说明起动电流i ：虽然比较大，但是由于c o s 缈z 和m 均变小， 故起动转矩并不大。 就电机本身而言，鼠笼型异步电机都允许在额定电压下直接起动。一般情况下， 对于经常起动的电机，起动电流引起供电母线的电压降落不超过1 0 ，而不经常起 动的电机，电压降落如果不超过1 5 ，就允许直接起动。假如电网容量足够大，当 起动电流不致于引起显著的电压降落时，应优先采用直接起动的方式。 2 1 3 传统降压起动 降压起动就是利用降低电机端电压的方法来限制起动电流，待起动完成以后， 再切换到额定电压下运行。由于异步电动机的起动转矩与端电压的平方成正比，因 此，降压起动时，起动转矩也较小。由上可知，这种起动方式只适用于对起动转矩 要求不高的场合。常用的降压起动方式有： 1 定子回路串电抗起动 这种起动方式是在电源接通以前，先将电抗串入定子绕组回路，然后接通电源， 待转速稳定后再将电抗切除。由于起动时定子绕组串入的电抗器，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。 由于起动电流正比于定子端电压，而起动转矩j 下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l k 倍，则起动电流降低到额定电压时起动电 流的l k ，而起动转矩则降到原来的1 k ：倍，因此该起动方式只能用于空载或轻载 的情况。除此以外定子回路串电抗起动还存在着如下的限制： ( 1 ) 起动特性很难优化，其原因是制造起动器时电抗值必须确定，以后很难调 整： ( 2 ) 频繁起动场合下起动特性不好，因为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问的冷却过程； 6 华北电力人学i ：程硕十学位论文 ( 3 ) 负载较大或起动时间较长的场合下运行特性变坏，这是由于电抗值随着电 抗的温度而变化； ( 4 ) 对于起动要求经常变化的负载不能提供有效的降压起动。 2 星形一三角起动 星形一三角起动只适用于正常运行时定子绕组接成三角形的电机，起动时定子 绕组先接成星形，待起动完毕后再转换成三角形。 设电机每相短路阻抗z k ，且为常值，当定子绕组为三角形接法时，电机直接起 动时的线电流时为： k 压罢 式中u 1 为电机额定线电压。 当定子绕组改为星形接法时，加在每相绕组上的电压降为：= u l 3 ，可见 星形接法时起动电流盯l r 为： i s t y = 坠 3 磊 ( 2 一1 4 ) 将五f y 除以厶得到： i s t y 、 一：一i s l 3 ( 2 一1 5 ) 由此可知，在星形一三角形起动时，电源供给的起动电流仅为三角形接法下直 接起动时的l 3 。 星形一三角形接法起动设备简单，操作方便，故星形系列产品中4 k w 以上的电 机，定子绕组都按三角形接法设计，以便采用星形一三角起动。星形一三角形接法 也有以下的限制： ( 1 ) 无法控制电流和转矩的下降，电流的下降值固定，约为额定值的l 3 ； ( 2 ) 当起动器从星形接法切换到三角形接法时，通常会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。 3 自耦变压器起动 该起动方式是利用一台降压式的自耦变压器( 又称为起动补偿器) ，降低定子 绕组上的电压起动，等待起动完成后，再把电机直接接到电源上去。 7 华北电力人学l ：程硕十学位论文 假定电机在额定电压u n 下，直接起动时起动电流为五f ，起动转矩为胍f 。 自耦变压器原、副边电压之比为乜，经过自藕变压器降压，加在电机上的端电压降 为玑乜，则电机的起动电流厶为： k = 毛k n 而电机的起动转矩觚f 则为： 胁= 去胍r ( 2 一1 6 ) ( 2 1 7 ) 可见，自耦变压器起动和星形一三角形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。而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，而自藕变压器的变比肠在一定范围内可调。但是这种起动方式也同样受到 一定的限制： ( 1 ) 电压的变化( 分级的原因) 引起转矩波动； ( 2 ) 有限的输出电压变比级数( 同样是因为分级) 限制了理想起动电流的选 择： ( 3 ) 适用于频繁或较长时间起动条件的自藕变压器造价高； ( 4 ) 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，自藕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。 从以上几种降压起动方式的分析可知： ( 1 ) 所有常规起动方法的一个共同特点：它们不能精细的调节电机参数以适应 特殊的软起动要求，即：初始力矩和初始电流虽然降低了，但要求如限定或者恒定 加速力矩下以及电流限制到特定值以下的起动，是不能够实现的； ( 2 ) 维护、保养复杂，安装费用高： ( 3 ) 不可能完全避免电流冲击和力矩冲击。 2 1 4 软起动与一般降压起动的区别 高压电机软起动装置是通过对晶闸管导通角的控制实现电压控制的，图2 2 ： 8 华北电力人学i 。样硕 ：学忙论文 戋h = 梦 _ 图2 2 晶闸管调压电路原理图 在电动机起动过程中软起动装置以不同速率改变晶闸管的导通角，使异步电 动机端电爪从设定的初始值( 通过操作面板进行设置) 逐渐增加，直到晶闸管全部 导通，如图2 3 所示： 7 一_ 一一一一鼢 l 二：二二二二二。- 。 ! 譬州州似舶0 ? 国2 3 晶闸管工作波形 “目= 华北电力人学l ：判硕十学何论文 传统的起动方法属于有级减压起动，存在明显缺点，即起动过程中出现二次冲 击电流。而软起动与传统减压起动的不同之处是： ( 1 ) 无冲击电流：软起动器在起动电机时，通过逐渐增大晶闸管的导通角， 使电动机起动电流从零线性上升到设定值； ( 2 ) 恒流起动：软起动器可以引入电流闭环控制，使电机在起动过程中保持 恒流，确保电机平稳起动； ( 3 ) 根据负载情况及电网继电保护特性选择，可自由的无级调整至最佳的起 动电流。在电动机起动时，降低加到电动机定子绕组的电压，可以减小电动机的起 动电流。 一般降压起动是电动机在起动过程中，加在电动机定子绕组的电压的变化是瞬 问突变的，主要有降压起动和自耦变压器降压起动等。而软起动是使用调压装置在 规定的起动时间内，自动地将起动电压连续平滑地上升，达到额定电压，也就是本 文介绍的软起动器所要完成的功能。 2 2 电机软起动原理及分析 2 2 1晶闸管控制原理 在交流供电电源和电机之问接入晶闸管调压电路，就可以通过改变晶闸管的导 通角来达到改变电机两端电压的目的。采用晶闸管电路调压有两种方式：一种是相 控调压，即利用加到晶闸管的门极脉冲相位的改变来调整输出电压：另一种是斩波 调压，即相当于把双向晶闸管当作静止接触器，交替的接通和切断几个周期内的电 源电压，改变接通的周期数和切断的周期数来改变输出电压的有效值。当斩波调压 用在异步电机定子上时，通断交替的频率不能太低，否则一方面会引起电机转速的 波动，另一方面每次接通电机就相当于一次异步电机重新合闸过程。当电源切断时， 电机气隙中的磁场将由转子中的瞬态电流来维持，且随着转子而旋转，气隙磁场在 定子绕组中感应的电动势频率将有所变化，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有可能会有较大的差别，这 样就会引起较大的电流冲击，将会危及晶闸管的安全。而为了实现软起动的功能， 达到加载在电机两端的电压缓慢的上升，就必然要求导通和切断的周期数较多，这 样就使得晶闸管的工作频率较低，断流时间问隔较长：又由于晶闸管不能自关断， 如果采用斩波技术时，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 带来装置的复杂性以及价格上升等问题，因此在异步电机调压控制中，晶闸管电路 调压一般都用相控技术。移相调压时，输出电压波形已不是完整地币弦波，但输出 1 0 华北电力人学i ：科硕十学位论文 电压不含偶次谐波，而奇次谐波中则以三次谐波为主要成分。当然，采用相控技术 产生的谐波，会在异步电机中引起附加损耗，产生转矩脉动等不良影响。此外，由 于异步电机是感性负载，从电力电子学知识中可以知道，在晶闸管交流调压电路带 感性负载时，只有当移相角a 大于感性负载的功率因数矽时，才会起到调压作用。 当q 矽时，电流导通的时问将始终为1 8 0 。，其情况与a = 0 时一样，相控不起任 何作用，甚至在晶闸管触发脉冲不够宽的情况下，会出现只有一个方向的晶闸管在 工作的情况，使负载上可能出现直流分量，危害到晶闸管的安全。所以q 的下限幅 值取为额定运行时的切值，而a 上限幅值取为1 8 0 。i 在晶闸管交流调压系统中，晶闸管可以采用负载电流波形过零而自关断的换流 方式( 阻性负载和感性负载均如此) ，不需要附加额外的换流电路，所以其主要优点 是电路简单，调压装置体积小，价格低廉，使用和维修方便。 本软起动采用晶闸管电路调压原理，通过相控调压的方式调节电机定子端电压 的大小来实现软起动器的各种功能。主电路接线图如图2 2 所示。用三个双向并联 晶闸管分别串联在y 接法的电机三相定子线圈上，这种连接方式谐波比较少，调压 性能最为优越，控制系统简单、可靠。 为了方便分析，做以下假定： ( 1 ) 电源为三相对称的正弦电压源，内阻抗为零； ( 2 ) 各晶闸管的特性一致，对称触发，关断状态时，其阻抗为无穷大：导通状 态时，其压降为零； ( 3 ) 电机为理想电机，其定、转子绕组在空间产生正弦分布的磁通势； ( 4 ) 稳态运行时，电机的转速为常数。 在图2 2 所示电路中，由于没有中线，因此在工作时若要负载电流流通，至少 需要有两相构成通路，并且其中一相是正向晶闸管导通，而另一相为反相晶闸管导 通。为保证在电路起始工作时有两个晶闸管同时导通，及在感性负载和控制角较小 时仍能保证不同相的两个晶闸管同时导通，要求能够产生大于6 0 。的宽脉冲或双窄 脉冲的触发电路，以免在a 够的情况下交流调压电路中出现可能只有一个方向的 晶闸管导通的情况，造成负载上的电压和电流波形正负半波不对称。 在带感性负载时，这种交流调压电路控制角的最大移相范围为1 5 0 。，即 0 。 q 1 5 0 。；而当负载为异步电动机或变压器时，其控制角的最大移相范围为够 a l8 0 。 华北电力人学l ：程硕十学位论文 调压时，在不同q 角时负载上所得到的电压与电流波形是不同的，负载两端的 电压与控制角a 的大小成反比。当晶闸管调压电路在电机起动时，随着控制角a 由 大到小变化，负载两端所加的电压则随之逐渐升高，而负载电流变化趋势将从大缓 慢减小到额定值。由于调压控制实质上是改变一个周期内电压波形导通角的大小， 故输出己不是正弦波。晶闸管采用对称触发，保证每一相负载上所得到的电压及稳 态时的相电流是三相对称的，各相电压及稳态电流对称。根据谐波分析，对于三相 对称控制电路，其输出电压中只有奇次谐波，并以三次谐波所占的比重最大。由于 没有零线，虽有三次谐波电势，但三次谐波却无通路，因此没有三次谐波电流，这 样对电源装置的干扰很小。 2 2 1 1 晶闸管调压电路电压过程分析 由于电路的对称性，取单相晶闸管电路进行说明。在图2 3 所示的波形中，电 网电压波形为完整的正弦波，设q 为晶闸管的触发角，矽为负载的功率因素角( 又 称为续流角) ，o 为导通角，则这些角度之间的关系为： 晶闸管电路的输出电压为介于管导通角。问的波形。改变。角的大小，就可以 调整电机的输入电压。由这些角度之间的关系可以看到，o 与q 和矽都有关，对于 恒定的负载阻抗，够角是常量，只要调整q 角就可改变晶闸管调压电路的输出电压。 但是电机的功率因数角矽是电机转速的函数，在电机起动过程中，随着转速的提升， 功率因素角将不断变化，所以，对晶闸管触发角a 的调整要兼顾矽角的变化。只有 这样，才能达到电机端电压按预定规律调压的目的。 按照图2 2 进行相控调压以后，输出电压有效值的表达式为： u = = 拄夏风s i n 础斛舟风s i n 训抛 其中u 0 为电源相电压有效值，经推导得： u = 乒巫雩互巫 浯 从上式得出了u l 和移相触发角q 、功率因素角矽都有很大的关系。 2 2 1 2 交流调压电路工作状态研究 1 2 华北i 也力人学i ：稃硕十学何论文 在了解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 流调压电路的工作模式。 在图l 所示的晶闸管调压电路图中，v t l v t 6 晶闸管参照图l 上的位置所示。 为了形成电流的回路，在每一瞬日j ，至少要有处于不同相的两个器件导通。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。三相交流调压电路有两种工作模式：“三 相一两相”交替工作模式和“两相一全关断”交膂工作模式。其中“三相一两相 交替工作模式出现在矽 q 缈+ 6 0 。情况下( 这罩缈为功率因素角，q 为触发角) ； 而当矽+ 6 0 。 o 1 5 0 。时则出现“两相一全关断”交替工作模式。在妒= a 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。 知道了不同的触发角下调压电路的工作状态，下面分析它们在各个状态下的工 作情况，并利用有限状态机的模型进行分析。为了方便分析，晶闸管的编号用它们 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，上标“一”表示 的则是负相晶闸管，这样就可以分别用彳+ 、彳一、b + 、b 一、c + 和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 。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彳+ b + c 一，当a 相电流过零时，晶闸管v t l 因电流过零而自然关断，这样电路就进入两相导通状态b 十乙，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一b + c 一，依此类 推，电路在各个模态之自j 切换并循环运行。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。 2 2 2 软起动的控制方式 以不同的参量作为控制目标，可以得到多种起动方式，进而影响电机不同的起 动性能。电子软起动器以灵活多变的控制方式应用极为广泛，它一般有以下几种起 动方式： 1 限流软起动( 可设定起动电流值，设定起动时问) 限流软起动就是在电动机的起动过程中限制其起动电流不超过某一设定值i 的 软起动方式，起动波形如下图所示。主要用于轻载起动的降压起动，其输出电压从 零丌始迅速增长，直到其输出电流达到预先设定的电流限值，然后保持输出电流 时r 町( 七) 图2 5 限流软起动方式 如下图所示：起动时，使起动电流以一定斜率不断上升，直至起动完毕，期间 对起动电流不加任何限制。这种起动方式因为没有对起动电流进行限制，所以对电 网冲击较大，一般不使用，适应重载起动场合。 图2 6 不限流软起动方式 3 恒流软起动 起动时，电流以一定的斜率上升至设定值，其后维持恒定，直至起动结束。适 应场合为绝大多数应用场合。 j 小油 几 l n 0 图2 7 恒流软起动方式 1 4 华北电力人学i ：样硕十学位论文 4 阶跃恒流起动 起动一丌始在极短的时问罩，使晶闸管接近于全导通，然后恢复至较小导通角， 进行讵常的恒流软起动。适应场合：起动时静摩擦力矩较大的场合。 问 图2 8 阶跃恒流软起动方式 5 小斜率软起动 这种起动的特点是电流上升速率缓慢，d i d t 变化率小。适应场合为对电机转 矩、速度变化敏感的场合，如小张力绕线机构。 i u 流 i n 一门 r o 时问 图2 9 小斜率软起动方式 6 电压双斜坡起动 电压双斜坡起动方式的输出电压由小到大斜坡线性上升，主要用在重载起动， 如下图所示。输出电压先迅速升至u s ( u s 为电动机起动所需的最小转矩所对应的电 压值) ，然后按设定的斜率逐渐升高电压，直至达到额定电压，初始电压和电压上 升率可根掘负载特性调整。在加速斜坡时问期间，电动机电压逐渐增加，加速斜坡 华北电力人学l ：张硕十学位论文 时白j 在一定时f b j 范围内可调整，加速斜坡时自j 在2 6 0 秒之间可以设定。 t ( 时间) 图2 一l o 电压双斜坡软起动方式 2 3 软启动控制算法的仿真分析 s i m u l i n k 是m a t l a b 五大通用功能之一，它是基于m a t l a b 语言环境下实现动态 系统建模、仿真的一个集成环境，具有模块化、可重载、图形化编程、可视化及可 封装等特点，可大大提高系统仿真的效率和可靠性。s t m u l i n k 提供了丰富的模型库 供系统仿真使用瞄1 ，s i m u l i n k 仿真工具箱还包括了专门用于电力电子、电气传动学 科进行仿真的电气系统模块库( p o w e rs y s t e mb 1 0 c k s e t ) 。本文结合实际设计了软 起动装置的仿真模型，模型如图2 一l l ： 图2 一l l 软起动装置的仿真模型 电机起动的电流信号经过限流模块后得到触发可控硅的延迟角度，送入到阀组 模块中，阀组模块内部包含同步触发模块、可控硅模块，阀组模块根据输入的延迟 角度实时触发可控硅达到调节电机端电压的目的。在模型中，电机参数为：额定功 率为p = 7 4 6 木3 k w ，额定电压u ：3 8 0 v ，胎= o 4 3 5 q ， 厶= 2 0 朋，肼= o 8 1 6 q ， 1 6 华北电力人学i ：科硕十学位论文 d = 2 咖，砌= 6 9 3 1 肌。 2 3 1 触发延迟角和定子电流的关系 利用图2 一ll 中的仿真模型做起动的仿真f 1 ，在此阶段控制角由大到小逐渐变 化，定子电压逐渐上升，从而定子电流随之发生相应的变化。分别对控制角为“o 。、 9 0 、6 0 。、4 0 。时进行仿真，其对应的定子电流波形如下图所示。 图2 1 2 控制角为l l o 。时的定子电流 图2 一1 3 控制角为9 0 。时的定子电流 图2 一1 4 控制角为6 0 。时的定子电流 图2 一1 5 控制角为4 0 。时的定子电流 华北电力人学l ：样硕十学何论文 从彷真结果可以看到随着控制角度的变小，可控硅丌通角度逐渐变大，定子电 流逐渐接近于正弦波，在控制角为4 0 。时可控硅完全丌通。通过仿真结果可以知道， 在电机起动时逐渐减小控制角度，电机定子电流逐渐增大，可以实现电机软起动的 目的。 2 3 2 电机直接起动和软起动仿真结果分析 图2 一1 6 电机直接起动时定子电流 从图2 1 6 可以看到如果电机直接起动1 ，定子电流最大能达到1 2 0 a ，从0 0 1 秒之i 日j 定子电流达到了额定电流的4 1 2 倍。在0 1 秒之后电机定子电流进入稳定 状态，该方式虽然起动时间很短，但是如果电网容量小的情况下，电机起动时会对 电网电压造成很大冲击影响其他设备的正常运行。 二零一蠢_ ：| i ：一童_ i ：_ ：_ i 图2 1 7 电机软起动时定子电流 从图2 1 7 可以看到，电机起动过程中最大电流为4 0 a ，远小于直接起动时的 1 2 0 a 电流，在起动电流不超过给定值时，起动电压基本是线性上升的，一旦起动电 流超过给定值，则p i 调节器投入系统运行，限制电流的增加。波形表明此负载情 况下的软起动的起动电流未超过给定的最大电流值( 本系统设定为4 “) ，因而没用限 流调节。起动完毕后，在忽略晶闸管压降的情况下，电机端电压就是电源电压了。 2 4 小结 本章从理论公式上分析了异步电动机的起动过程，采用s i m u l i n k 模型搭建了 晶闸管调压的软起动模型，最后通过仿真波形的比较证明了软起动方式具有很强的 优越性。 1 8 华北电力人学i ：科硕十学位论文 第三章基于d s p 的控制系统硬件设计 3 1 控制系统设计方案 控制系统的硬件电路是软件算法的运行平台，控制系统的框图如图3 一l ： 图3 一l 控制系统框图 控制系统的硬件组成主要包括一h m l ：基于d s p 的主控单元、基于p l c 逻辑控制 单元、液晶显示单元。 控制系统反应于各种被量测的系统变量和运行人员的输入量，主要功能包括： 根据预先设定的起动方式和起动参数产生光触发脉冲信号：接收来自高电位电子单 元的光反馈信号；系统的故障监控和人机交互界面。控制系统中的计算单元采用数 字信号处理芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，该芯片具有精度高、数据处理能力强的特点，模拟 量板将电流、电压变换成数字信号后经光耦隔离送到d s p 芯片中，d s p 芯片计算触 发脉冲的宽度。由于控制系统处于低压侧，晶闸管阀组处于1 0 k v 或6 k v 高压侧， 因此要采用光纤进行电位隔离，电光转换电路的作用就是将电脉冲信号变成光脉冲 信号后经过光纤送至高电位电子单元触发阀组。光电转换板负责接收处理来自阀组 的状态信息，然后将阀组状态通过r s 4 8 5 或i o 口线传送到p l c 中，最后在液晶中 显示出具体信息。1 0 k v 晶闸管阀组每相由1 2 个6 5 0 0 v 的晶闸管反并联而成，整个 阀组由3 6 个晶闸管组成，为了便于操作人员及时有效获知阀组状态，采用p l c 和 西门子t d 4 0 0 c 构成监测单元，p l c 接收到d s p 的数据后通过触摸屏将阀组状态实时 显示出来，如果某一相阀组出现一只晶闸管故障时，p l c 发出报警信号，如果两只 以上晶闸管出现故障时，p l c 报警并自动跳闸，在液晶界面中显示故障晶闸管的编 1 9 华北电力人学l ：群硕十学位论文 号，提示操作人员及时维修。 3 2 基于d s p 的主控单元 3 2 1d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 介绍 美国德州仪器( t i ) 公司于1 9 9 6 年推出了专门用于电机控制的t m s 3 2 0 c 2 4 0 ( f 2 4 0 ) 数字信号处理器。通过高性能的d s p 核心与功能强大的片上外设的集成， c 2 4 x 系列d s p 为传统的微处理器单元和昂贵的多c p u 系统提供了高性价比的替代 品。随后t i 公司又推出了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ( 2 4 0 7 a ) 芯片，其运行速度达到4 0 m i p s ( 每秒百万次指令) 。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 具有强大的片上i o 和其他外设，它的事件管 理器( e v e n tm a n a g e r ) 是专门为控制设计的，具有多达4 个可编程定时器，每个 定时器又具备多种中断，非常有利于产生控制信号。丰富的i o 口为控制信号的输 入输出提供了极大的便利1 。 l f 2 4 0 7 内部主要特性一览： t m s 3 2 0 l f 2 4 0 x 内核的c p u 3 2 位中央算术逻辑单元( c a l u ) 3 2 位累加器 1 6 位1 6 位的3 2 位输出能力并行乘法器 8 个具有专用算术单元的1 6 位辅助寄存器可以用于内存的间接寻址 一内存 3 2 k 1 6 位f l a s he p r o m 1 9 6 k 1 6 位最大可寻址空间( 6 4 k 字程序空问、6 4 k 字数据空1 1 日j 、6 4 k 字i o 空 间) 程序控制 4 级流水线操作 6 个外部中断：驱动保护中断、复位、不可屏蔽中断n m i 和三个可屏蔽中断 指令集 和c 2 x 、c 2 x x 、c 5 x 定点d s p 在源代码级别上保持兼容 单指令重复操作 华北电力人学l ：拌硕十学位论文 单周期乘加指令 间接寻址能力 速度 2 5 n s 的指令周期( 4 0 m i p s ) ，且大多数指令都是单周期指令 事件管理器 1 2 路比较脉冲宽度调制( p w m ) 通道 4 个1 6 位通用定时器可工作于六种工作方式。 6 个1 6 位比较单元具有产生死区的能力 6 个捕捉单元，其中两个有与正交编码器脉冲接口电路 一l o 位模数转换器 2 8 个独立可编程复用的i o 引脚 具有实时中断监视定时器( w a t c h d o g ) 模块 串行通讯接口( s c i ) 串行设备接口( s p i ) 3 2 2 主控板整体设计 主控电路板是整个控制装置的核心，它的主要功能是对调理好的电流、电压信 号进行采样；和外部设备通过4 8 5 通信；计算电机起动过程中产生的触发脉冲信号； t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 内部虽然有高精度a d 转换内核但是考虑到这种方式模拟量信号会直 接送入芯片内部，没有实现d s p 和外部电路的真j 下隔离，因此我们采用了外部a d 芯片a d s 7 8 4 4 ，模拟量信号经过该芯片转换成数字信号后再经过高速光耦隔离通过 s p i 通信接口送入d s p 内部进行计算，采用这种方式实现了d s p 控制电路和外围电 路的隔离，具有很强的抗干扰能力酆。考虑到4 8 5 通信的通用性和很好的抗干扰能 力，我们选用了m a x 4 8 5 芯片作为4 8 5 通信的控制芯片，最大传输距离1 2 1 9 米，最 大传输速率1 0 m b s 。 3 2 3 看门狗电路设计 由于d s p 芯片本身工作频率很高，本装置中t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的工作频率是4 0 m h z ， 特别是软起动器主控系统常常工作在强磁场的干扰环境下，一旦程序受到干扰进入 死循环或者处于死机状态将使触发脉冲时序混乱，从而使晶闸管阀组处于误触发状 2 l 华北l 乜力人学i ：氍硕十学何论文 态严重影响电机的正常起动。为了提高软起器控制系统的稳定性，我们在设计中采 用了m a x i m 公司生产的微处理器专用的监控芯片m a x r 7 0 6 ，该芯片具有如下功能削： 提供上电、断电复位功能 独立的看门狗保护功能 电源电压告警功能 手动复位功能 一剖盎 剐，_ 1 0 k c l 1 0 4 s w s u l m rw d o v c cr e s e t g n dw d i p f l p f 0 r 2 9 1 0 k 互二二i f 鲢划d s p 的复位信n 卫开r j 釉脉冲输入端 图3 2 看门狗电路 d s p 芯片在上电初期必须保持芯片内部处于清零状态，m a x 7 0 6 r 芯片在上电初 始状态时，v c c 电压高于l v 时，r e s e t 引脚输出低电平的复位信号，当v c c 高于复 位门限电压2 5 5 v 后m a x 7 0 6 r 内部定时器启动，计时2 0 0 m s 以后低电平变为高电平 复位过程结束。当电源电压低于复位门限电压时，r e s e t 输出低电平，使d s p 处理 器自动复位，这样可以保证在电源电压异常波动时使处理器恢复正常工作。 看门狗电路可以检测到控制软件的运行情况，在正常情况下d s p 处理器通过i o 口输出一个脉冲大于5 0 n s 的信号，该信号输入到m a x 7 0 6 r 的w d i 口线上，这样可 以不断使看门狗定时器清零，如果软件出现死循环，在1 6 秒内没有脉冲输入到w d i 口线，w d 0 口线将会输出一个低电平信号，从图3 2 可以看到w d o 和m r 相联，由 于m r 置低时r e s e t 输出复位信号由此使d s p 实现复位恢复征常工