（电气工程专业论文）三相感应电动机软起动及智能制动研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r ei sa b i gc u r r e n ts u r g e i nt h ec a s eo fd i r e c ts t a r t i n go fa ni n d u c t i o nm o t o r t r a d i t i o n a lr e d u c i n gv o l t a g es t a r t i n gm e t h o dc s n tr e s o l v et h ep r o b l e mc o m p l e t e l y ag e n e r a l s o f t s t a r t e ro ft h et h r e e - p h a s ei n d u c t i o nm o t o ri sp r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n w h i c hc a b s o l v et h es t a r t i n gp r o b l e m t h em a i np o w e rc i r c u i tc o n f i g u r a t i o ni n c l u d e st h r e es e t so f b a c k - t o b a c kt h y r i s t o r st oc o n n e c tt h et h r e e p h a s ep o w e rs u p p l ya n dt h et h r e e - p h a s ei n d u c t i o n m o t o r t h ep r i n c i p l eo ft h es o f ts t a r t e ri sr e d u c i n gt h ev o l t a g ea p p l i e dt ot h es t a t o ro ft h e i n d u c t i o nm o t o rb yc o n t r o lt h et r i g g e r i n ga n g l eo ft h et h y r i s t o r si no r d e rt ol i m i tt h es t a r t i n g c u r r e n ts u r g e t i l es o f ts t a r t i n gc o n t r o ls y s t e mo ft h et h r e e - p h a s ei n d u c t i o nm o t o ri sc o n s t i t u t e do ft h e m a i nc o n t r o ls y s t e me m p l o y i n gt h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( t m s 3 2 0 f 2 4 0 ) a n dt h em o n i t o r s y s t e me m p l o y i n gt h es i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o r ( s 9 c 5 2 ) t h em a i nc o n t r o ls y s t e mi n c l u d e s t h es y n c h r o n o u ss i g n a lg e n e r a t i n gc i r c u i t 、t h et e s t i n gc i r c u i to ft h y r i s t o rc u t o f fv o l t a g ea n d t h et r i g g e rc i r c u i to f t h et h y r i s t o r se t c t h ea cv o l t a g er e g u l a t e dc i r c u i tw i t ht h y r i s t o mi sa n a l y z e di nd e t a i l t h ec l o s e d l o o p c o n t r o ls y s t e mo ft h et h r e e p h a s ei n d u c t i o nm o t o rs o f ts t a r t e ri sd e s i g n e d ，w i t ht h eu s eo f p o w e rf a c t o ra n g l ea st h ef e e d b a c ks i g n a li nt h es y s t e m a n dt h es i m u l a t i o nm o d e l o ft h e c l o s e d l o o ps y s t e mi sf o u n d e di nm a t l a b ( s i m u l i n k ) e n v i r o m e n t t h ec o n t r a s tr e s e a r c h o ft h eo p e n - l o o ps o f ts t a r tc o n t r o ls y s t e ma n dt h ec l o s e d - l o o ps o f ts t a r tc o n t r o ls y s t e mi s c a r r i e do u t t h er e s e a r c ho ni n t e l l i g e n tb r a k i n go ft h r e e p h a s ei n d u c t i o nm o t o r si sc a r r i e do u t ， i n c l u d i n gt h ed e s i g no fd y n a m i cb r a k i n ga n dp l u gb r a k i n g s i m u l a t i o nm o d e lf o ri ti sb u i l t ， a n dt h ei d e a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa r eo b t a i n e d i na d d i t i o n ，t h em o t o rs o f ts t o p p i n ga n di t s a p p l i c a t i o ni ss t u d i e d t h em e t h o do fr e d u c i n gt h ep o w e rs u p p l y f r e q u e n c yi nd i s c r e t es t e p st oi n c r e a s et h e s t a r t i n gt o r q u eo fi n d u c t i o nm o t o r si sp r o p o s e d ，w i t h o u tc h a n g i n gt h e m 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 rs t a r t e r t h es e q u e n c eo ft h ev o l t a g ea p p l i e dt ot h es t a t o ro ft h e t h r e e - p h a s ei n d u c t i o nm o t o r a n d t h et r i g g e r i n gs t r a t e g yo ft h et h y r i s t o r sa r es t u d i e d s i m u l a t i o nm o d e li sf o u n d e d ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t sh a v ep r o v e dt h a tt h ed i s c r e t e f r e q u e n c yc o n t r o lm e t h o dc a nb ea p p l i e dt ot h es o f ts t a r t e ro f t h ei n d u c t i o nm o t o rw i t hh e a v y l o a d s k e y w o r d s ：i n d u c t i o n m o t o r ：t h y r i s t o r s ：d i s c r e t e f r e q u e n c yc o n t r o l ；p o w e r f a c t o r a n g l e d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ； 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指 导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据 和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除 文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经公开发表的作品成果。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。 作者( 签字) ： 日期：夕彩车；月r 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景、目的和意义 在发达的工业化国家，三相感应电动机消耗了大约7 0 的电能”1 。电动 机起动是个非常重要的问题，目前很多场合的电机还在使用直接合闸的起动 方式，即直接起动。直接起动方式虽然起动简单，但是电机在直接起动时会 产生很大的瞬间电流冲击。“3 ，其起动电流有效值可高达额定电流的4 7 倍， 甚至更大呻1 。 电机直接起动产生的极大的电流冲击，有很多的危害。首先，过大的热 应力极易导致绕组损坏，造成绕组绝缘提前老化，从而降低电动机的使用寿 命；其次，过大的起动电流将使感应电动机的起动转矩冲击很大o “；此外， 过大的起动电流还造成对电网的冲击，造成能源浪费等后果。 世界各国为了保证电网的供电品质，对电动机的起动有明确规定。我国 规定，在电动机起动时，电网电压的下降不能超过网压的1 5 。这对用户来 讲，无非有两种解决方法“，1 、增大用户契约配电容量；2 、采用起动设 备限制电动机的起动电流。如果只为起动电动机而增大契约配电容量，从经 济上来讲是不可取的。因此，需要对电动机的起动加以控制，限制其起动电 流。 限制起动电流常用降低电机定予输入电压的方法来实现。从2 0 世纪6 0 年代至今，所采用的降压方法有：定子串电抗器降压、自耦变压器降压、星 一三角降压等方法“”3 。但这些方法起动设备体积庞大，起动过程中电机电 压难以自动地连续调节，负载适应能力差，即使电动机负载很轻时，它的起 动电流较之负载较重时也没有明显的减小，而且转换触点多，故障多，维修 工作量大。因此，传统降压起动方法已很难满足实际的需要。 随着电力电子技术的快速发展，各种电力电子器件出现，基于晶闸管调 压原理的电机软起动器逐渐发展起来。”“。电机软起动器解决了电压连续可 调的问题，省去接触器、继电器等设备，减小了设备体积，具有可控性好等 优点。电机软起动器是基于晶闸管调压的原理，晶闸管的输出电压由小至大 哈尔滨工程大学硕士学位论文 逐渐调节，从而减小了起动电流的冲击。目前国外的一些大公司，如美国的 r o c k w e l l 、m o t o r t r o n i c s 公司，德国的s i m e n s 公司等都已开发出相应的产 品。对于1 1 k w 以上容量的电动机( 不需要调速的场合) ，在条件允许的情况 下，都应当使用软起动控制器进行起、停控制。目前，虽然国外已研制出多 种性能优越的电动机软起动控制器，但也存在着一些需要继续探讨的问题， 而且国外的产品价格较高。目前国内在此领域的起步较魄，因此，无论从理 论上还是技术上，对电机软起动都有必要进行深入的研究。 1 2 感应电动机软起动器的研究现状 1 2 1 电机软起动器的发展 电力电子技术的发展促进了软起动器的发展。其主要原理是利用大功率 开关器件作为主电路单元，加上必要的检测控制单元，达到控制电动机定子 电压的目的。它一般采用晶闸管调压电路，如图1 1 所示。 b 图1 1 晶闸管控制感应电机电路结构 对于这种电路，可以通过控制晶闸管的触发角a 来改变电机的输入电压。 在电机起动过程中，若随着电机转速的变化，按照适当的规律调节触发角0 l ， 使电机在起动电流很小的前提下平稳地起动，这就是电机“软起动”这一概 念的含义。 电动机软起动器的发展和通用变频器的发展基本是同步的，都是伴随着 哈尔滨工程大学硕士学位论文 新的电子器件的出现而获得广泛应用。从7 0 年代起，先后出现以 s c r ( s i l i c o n c o n t r o l l e dr e c t i f i e r )、m o s f e t ( m o sf i e l d - e f f e c t t r a n s i s t o r ) 、g t o ( g a t et u r n o f ft h y r i s t o r ) 、i g b t ( i n s u l a t e d g a t e b i p o l a rt r a n s i s t o r ) 等作为功率器件且电压连续可调的电子式调压方法，常 用的电机控制设备有通用变频器8 “、电机软起动控制器等“”。 8 0 年代，f r a n km b r u c e 和r i c h a r dj g r a e f e 等人”论述了当时起动 笼型感应电动机的几种降压起动方法。文中提到，直接起动时电流冲击达 4 1 0 倍的额定电流，转矩瞬时冲击达2 0 0 满载转矩，文中阐述了固态降压起 动器即电机软起动器的工作原理。通常固态降压起动器以开环控制为控制方 式，而用测速机给出速度信号的闭环控制，则非常昂贵。对于轻载场合可以 设计成节能软起动器，但同时也会带来谐波以及配电系统传输线噪声等问题， 使用时需要考虑设备在该干扰下会不会出现问题。通过对比，固态降压起动 器能提供更加平滑的加速，可以调节起动时的电流和转矩，但对于起动时间 比较长的负载，需要选择更大容量的晶闸管，另外晶闸管导通时也损耗了总 功率的2 ，因此为了避免损耗，可以在起动结束后，通过接触器来旁路软起 动器而由电源直接供电。 国内外许多科研机构和国际著名公司如a b b 、r o c k w e l l 、s i e m e n s 、 m o t o r t r o n i c s 、e m o t r o n 等都在开展智能电动机软起动器的开发研究工作， 并形成了各其特色的系列产品，在性能上没有太大的区别，但价格普遍比较 昂贵。国内的研究工作起步相对较晚，还不十分完善，存在可靠性不高、稳 定性较差、容易受到现场环境的影响等诸多问题。目前国内有天津电气传动 设计研究所、武汉电力电子仪器厂、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在开发研制电机软起动器，现朝着多功能、高性能 方向发展。早期的电机软起动器就是为了克服直接起动的单一目的，受集成 电路和微处理器的限制，没办法增加额外的功能。设备所能提供的功能选择 都是一些基本的设置，如电压的线性上升速率、电机的初始转矩、起动电流 等级等。”3 。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，近年来的产品增加了区别负载类型的设置。如 对于恒转矩负载和风机、泵类负载的控制策略是不同的。”。 虽然诸多公司都有智能电动机软起动控制器的产品上市，但是做好软起 哈尔滨工程大学硕士学位论文 动控制器并非易事。目前在电机软起动控制器的诸多功能中。有些性能还不 理想，如节能问题、电机转矩特性与泵类负载特性的匹配问题、带重载起动 的问题等，均有待进一步深入的研究。 1 2 2 电机软起动控制技术的发展 2 0 世纪8 0 年代，g a u t a mn a t h 和g u n n a rj b e r g 对电机软起动系统进 行了仿真研究”1 。在忽略磁动势空间谐波和磁饱和效应的条件下，定子和转 子的损耗被认为是恒定的。按照图1 1 的主电路控制触发角的策略为：如果z 的触发角为c c ，则正的触发角为c c + 6 0 0 ，按照图中的晶闸管编号，每个晶闸 管的触发角依次滞后6 0 0 。晶闸管的触发角由大n 4 , 控制，直到将全电压完 全加到电动机定子端上为止。从仿真结果可以看出，这种起动方式是种无 级的调节电动机定子端电压的方法，可抑制电动机起动过程中的电流冲击问 题，并能缓解电动机起动过程中的电压降落问题。但是由于所采用的控制策 略是一种开环的控制方法，故在控制电动机起动过程中仍然存在着电磁转矩 和电流脉动问题。 为解决软起动控制过程中电磁转矩脉动和电流脉动问题，人们采用了多 种闭环控制方法。许多学者如，b j c h a l m e r s 、v ，v s a s t r y 、w s h e p h e r d 、 b s u t o p o 、k s u n d a r e s w a r a n 、n ，m o h a n 等都相继做过或正在开展这方面的 研究工作”“。要想获得优良的起动性能，必须采用闭环控制。目前采用的 反馈信号主要有：电动机定予电流、定子电压信号、晶闸管两端电压以及电 动机转速。采用电流做反馈信号，控制容易实施，而且控制性能相对较好， 但要在硬件实现中需要采用电流互感器，反馈回来的电流信号才准确，这必 然会增加软起动器的成本与体积：采用晶闸管两端电压作为反馈信号，由于 技术的原因，控制性能还有待改善，但由于其简单实用，仍然被广泛采用。 土耳其学者i s i kc a d i r c i 和m u a m m e re r m i s 等在这方面做了细致的研究工作 ”，他们的研究思路是先通过仿真找到减小脉动的控制方法，再通过实验加 以验证。该文建立了一个感应电动机的混合动态模型，并考虑到起动过程中 存在两相导通、三相导通的情况，给定触发角按照预先设定的余弦规律控制， 其反馈信号由电流传感器给出。对新的电机起动，第一个触发角按1 2 0 。给定， 哈尔滨 ：程大学硕士学位论文 根据反馈电流信号，按设定余弦规律减小触发角，保持电流瞬时值恒定直到 等于o o 。然后把触发角起动模式储存起来，每次根据电流的设定值选择最佳 的初始触发角。这样取得了较好的控制效果，起动性能得到很大改善，但是 如果电流的设定值比较大，那么初始触发角会比较小，电流会瞬间达到设定 值，那么冲击就不可避免了。 在节能方面，越来越多的人们在致力于软起动控制器节能功能的研究 。”。r h o m a sa l i p o 和t i m o t h ym r o w a n 比较恒功率因数节能、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 4 4 对感应电动机快速再合闸的瞬态性能做了分析，文中认为再合 闸产生的瞬时转矩冲击几倍于电机从零速度软起动模式的冲击，这取决于合 闸的第一个周期内给定子施加的电压大小和负载的大小，施加的电压小，振 荡也会减小，最大转矩瞬时值发生在合闸后的第一个周期内。文献 4 5 1 提出 了一种通用的仿真技术，可以仿真静态和动态软起动器带r l 负载和电机负载 的性能。该技术中逻辑变量为电压调节器的晶闸管开关，感应电机以不同开 关模式并通过套通用的幽参考系方程而运行，避免了任何逆矩阵的运算。 文献 4 6 描述了应用状态变量和矩阵方法求解带有开关系统规定参数的系统 差分方程，从而获得晶闸管控制的感应电机的静态解。文献 4 7 3 中也应用了 这种技术，对星型按法的电机做静态分析和性能预测。文献 4 8 应用状态变 量技术建立了萨口轴系的感应电机模型方程。 在电机软起动控制算法方面，从传统的p i d 控制到目前的模糊控制“”、 神经网络控制o ”等，电机软起动控制器的性能不断完善，功能越来越多。如 它可以替代某些测量及保护设备，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，品 闸管短路保护，电机短路保护等；还可以借助网络通讯实现远程监控，并能 够根据需要开发适合于中压电机的软起动控制器”。 综上所述，软起动控制方法对于改善电机的起动性能有非常积极的作用。 本文在解决软起动控制过程中电磁转矩和电流脉动的问题方面作了大量的工 作，采用功率因数角作为反馈信号，通过检测品闸管两端电压信号和三相同 步信号来获得功率因数角信号，形成闭环控制系统。同时本文对有级变频的 哈尔滨工程大学硕士学位论文 控制方法进行了理论研究和仿真分析。 1 3 本文的主要研究内容 本文的主要研究内容包括以下几点： ( 1 ) 三相感应电机软起动系统的硬件设计。本文利用d s p 的高速数据处 理能力及其丰富的外设资源，设计了一套三相感应电动机通用软起动控制系 统，设计了系统的硬件结构，其中包括三相电源同步信号检测电路、晶闸管 两端电压信号检测电路等。 ( 2 ) 三相感应电机软起动系统的闭环控制策略。给出了三相感应电动机 软起动控制系统的软件设计思路，以及以数字信号处理器( d s p ) 为核心的三 相感应电机软起动控制系统软件设计框图。建立起了三相感应电动机软起动 控制系统的m a t l a b ( s i m u l i n k ) 仿真模型。对直接起动、开环软起动和功率因 数角闭环控制方法进行了仿真研究，得到了仿真结果。对比三种起动时的异 步电动机定子电流和转矩曲线，验证异步电动机软起动的优点。 ( 3 ) 三相感应电机智能制动研究。进行智能制动的研究，详细论述了几 种传统的制动方法，给出了三相鼠笼型感应电动机的智能制动一能耗制动、 反接制动方案的设计思路，利用软起动以及直接起动的s i m u l i n k 模型基础建 立智能制动s i m u l i n k 模型，并且用m a t l a b 得到理想的仿真结果，实现感应 电动机的智能制动。同时还研究了感应电动机的软停车过程及其适用场合。 ( 4 ) 提高感应电机起动转矩方法研究。不改变感应电动机软起动器主电 路结构，通过合理选择软起动器三相反并联晶闸管的触发时刻，可获得一定 频率的电压和电流。最后对系统进行仿真研究，证明变频是可实现的，为实 际三相感应电动机软起动控制器实现电机的重载起动提供了一种可行方法。 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 奄三相感应电动机软起动器系统的硬件设计 2 1 引言 三相感应电动机软起动控制系统在硬件方面可以分为两部分，即主电路 单元和控制电路单元。主电路单元包括三相电源、三组反并联的晶闸管和三 相感应电动机。其中晶闸管的容量要根据所控制的三相感应电动机的容量来 选择，不同容量的电动机所用晶闸管的容量也不同，但电路结构是相同的； 控制电路单元与所控制的电动机的容量无关，可以设计成通用型的，三相感 应电动机软起动器所能实现的功能和其所能达到的性能指标，完全取决于控 制单元的电路结构和相应的控制算法。在国外产品中，控制单元一般由一些 检测、控制电路及专用c p u 组成，各产品中的电路功能都是类似的，需要检 测的物理量有电压、电流、转速、功率因数等信息，这些信息需送入c p u 进 行必要处理，最后形成对晶闸管的控制信号。在国内产品中。信号检测及控 制电路与国外的类似，但c p u 的选择一般无法做到“专用”，只能采用通用型 单片机或数字信号处理器( d s p ) 。 本文采用速度更高的d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为主控单元，m c s 一8 9 c 5 2 单片机作为辅控单元的双c p u 结构。将主控制单元和辅助监控单元分开进行 控制。这不仅有效地利用了d s p 的快速数据处理能力和丰富的外围硬件资源， 同时，单片机分担了主控单元的控制工作，使d s p 更能专心于运算，提高了 系统运行的稳定性和可靠性。 本章将以数字信号处理器d s p 为控制核心完成软起动控制系统的信号检 测、处理和控制任务，系统具有电压斜坡起动、限流起动、泵起动、节能控 制和软停车等控制功能，可检测电压、电流、功率因数等参数，还具有多种 保护功能，如电源缺相、过电压、过电流、电机堵转、晶闻管短路等功能。 下面介绍控制系统的硬件结构的设计思路。 2 2 三相感应电动机软起动控制系统硬件总体设计思路 哈尔滨工程大学硕士学位论文 随着电力电子技术的发展，对电机驱动设备的要求也不断提高。感应电 机软起动的设计也由最初简单限制起动电流的单一功能，朝多功能高性能方 向发展，相应的控制算法愈加复杂，控制量的实时采集要求也越来越高。若 采用5 1 、9 6 系列单片机作c p u ，其运算速度和硬件资源都难以满足要求，必 须增加很多外围硬件电路的支持才可以使用，因此具有丰富软硬件资源的数 字信号处理器已经逐渐取代了长期使用的单片机。新型感应电机离散变频软 起动控制系统，除主控单元采用高速d s p 芯片t m s 3 2 0 。f 2 4 0 7 a 外，监控单元 仍然采用单片机完成，电路设计简单，易于实现和控制。 2 2 1 三相感应电动机软起动器的总体电路结构 作为主控单元的d s p 除了完成控制算法的实现和对系统参数如电压、电 流、功率因数、功率等的采集和处理外，还要完成主电路中晶闸管器件触发 信号的产生和系统运行状态的相关数据传送及与监控单元传送之间的通讯。 而单片机的主要功能是系统设置参数的输入、系统运行状态和参数的显示， 数据的传送是通过s c i 串口直接通讯完成，系统的整体控制结构方框图如图 2 1 所示。 新型感应电机离散变频软起动控制系统由三个主要部分组成：主电路， 主控系统和监控系统。 主电路是由三组反并联的大功率晶闸管及相应的阻容吸收缓冲电路构 成，它是完成功率传输的关键，缓冲电路有效吸收因晶闸管导通、关断造成 的电压尖峰。 主控系统由数字信号处理器、信号采集电路和脉冲触发电路等组成，各 部分的功能如下： ( 1 ) 电流检测电路通过电流互感器检测电机的三相电流，将电流信号 经a d 转换送入d s p 中，作为过流保护、电流显示等的依据。 ( 2 ) 电压检测使用了一种无传感器电路，一方面将三相电源电压经中 间变换电路后送入d s p 的a d 通道，用于故障检测、过压及欠压保护、电压 显示等：另一方面，将三相电源的模拟电压转变为方波信号，作为触发三相 晶闸管的同步信号。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 1 新型离散变频软起动控制系统框图 ( 3 ) 功率因数角检测电路将每相晶闸管两端的电压经高阻抗衰减作为 运算放大器的差动输入信号，获得晶闸管两端截止电压信号。一方面此信号 的高度与电机的转速相关。可以作为监测电机起动状态的依据，如判断电机 是否堵转，是否达到额定转速等；另一方面，晶闸管的截止时刻具有与电流 的截止时刻一致的特点，因此利用它与同步信号过零点间的时间差，测出电 哈尔滨工程大学硕士学位论文 机的续流角度，作为功率因数角的近似值。由于电机的等效阻抗与电机的转 速有关，导致了电机起动过程中功率因数角的变化，若在电机调压过程中不 考虑电机功率因数角变化这一重要因素，会引起电机电流及电磁转矩的振荡， 严重地影响电机的起动性能。 ( 4 ) 脉冲变压器触发电路中，触发信号可以通过光电隔离电路与晶闸 管相连，或以脉冲串的形式经脉冲隔离变压器与晶闸管相连。c p u 按相应的 控制策略，以同步信号为基准，发出延时触发信号，调整晶闸管的触发角。 ( 5 ) d s p - l f 2 4 0 7 a 作为整个系统的主控c p u ，负责信号检测与处理、控 制算法的实时运算、各种数据和系统运行状态信息的传输。 监控系统主要由单片机、键盘和液晶显示组成。主要功能负责键盘管理、 信息显示及和主控系统之间的通讯，还包括利用串行存储器保存必要的预簧 数据信息等。l c d 液晶显示电路提供人机界面，显示预露初始数据信息、故 障信息及电机运行状态，如电压、电流、功率、功率因数等参数。键盘输入 电路完成预定参数的设置，如起动方式及时间、停机方式及时间、电机参数、 保护等级、显示模式等任务。 2 2 2 主控系统 主控系统以d s p - l f 2 4 0 7 a 为核心，包括相关的外围电路，附加信号采集 电路和触发电路，负责信号的检测、处理和控制，其控制框图如图2 2 所示。 从图2 2 可知，由三相供电电源获取的三相同步电压信号送入d s p 的外 部中断口，分别作为各相晶闸管触发角的基准：三相晶闸管两端的电压波形 经变换后形成方波脉冲，也送入d s p 的外部中断口，此中断的发生时刻与前 一个同步中断的发生时刻之差为电机的续流角度，也就是功率因数角。利用 d s p 的内部a i 转换器，可对三相电源电压和三相电机电流及晶闸管两端的 电压信号进行采样。采集前两种信号的目的是为相应的显示及保护功能提供 数据，采集晶闸管两端的电压信号是为了获取电机的转速信息。 与通用软起动控制系统相比，d s p 的同步中断信号对离散变频软起动控 制系统具有更重要的作用，要求检测的精确性更高。这是由于晶闸管的触发 角都是以电源同步信号为基准的，在离散变频控制阶段，要准确控制电源每 哈尔滨工程大学硕士学位论文 半个周期的内的每相晶闸管的导通或截止，必须对同步中断计数，以决定该 半个周期内触发还是不触发。这不仅需要硬件电路要提高信号的质量，同时 也需要从软件上加以调整，滤除非正常中断信号的影响。 复位 d s p 的 三柏晶闸管截 三相电流模拟三相电压模拟 止电压模拟信 电路3 2 k 闪存 信号检测电路信号检测电路 号检测电路 、 之多 乡之乡 d s p 的1 0 位a d 转换器 、 弋7， d s p l f 2 4 0 7 a d s p 的i o dd s p 的s c i 串口 d s p 的外部中断口 弓 享介介 燃| 黼忙c s - 8 9 机c 5 2 慷钏鬻 图2 2 主控系统的框图 到达d s p 的同步信号应是弱电信号，而同步的对象一一三相电源是强电 信号，由强电到弱电的连接，本系统没有使用同步脉冲变压器，而是应用了 一种更加简单的方法。如图2 3 所示，三相供电电网电压通过三个电阻形成 一公共点，根据电网电压三相对称，若令三个电阻的阻值相等，则此公共点 与电网的中性点等电位。 当电网电压完全对称时，三个电阻形成的公共点电位为零，但电阻中存 在电流，电阻将因功率损耗而发热，因此选取电阻时应注意电阻的功率等级。 将此点与控制电路的地线相连，对电网电压的测量及触发同步信号的获取非 常方便。电网的a 相通过高阻值电阻r 。与运算放大器相连，这样在运算放大 器的输出端，可得到低于电网电压的相电压信号，此信号再经过比较器及电 哈尔滨工程大学硕士学位论文 平转换电路变换为标准t t l 方波信号，就形成了晶闸管同步脉冲触发信号， 直接送入c p u 作为触发信号的基准。这种方法的优点是同步精确，同步电压 相移很小。 a b c 图2 3 同步信号产生电路 经过理论和实验的研究，下面给出了确定三相反并联晶闸管中每一个晶 闸管的触发时刻的方法： 1 确定触发主脉冲、补脉冲的控制策略；a b b c c a 。 2 确定触发角a 的可控范围：中 1 5 0 。，其中中为晶闸管的续流角。 3 检测晶闸管的续流角信号，作为反馈信号，形成闭环控制系统，计算各 个晶闸管的触发时刻。 控制信号 屯源 电机 图2 4 晶闸管触发硬件电路 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 4 给出了反并联晶闸管门级触发硬件电路图，其中脉冲变压器将控 制信号传递到反并联晶闸管的门级。这种设计只需处理器的i 0 口与脉冲变 压器的原端相连，由i o 口发出的控制信号同时控制反并联的两个晶闸管的 触发。因此只需处理器的三个i o 口即可控制三相反并联的晶闸管的触发。 由于三相感应电动机一般都没有中性线的结构，为了构成电流的回路， 需要同时触发两相晶闸管。在给某一相发触发脉冲时，需要给另外的相补发 脉冲信号，主发的脉冲信号称为主脉冲信号，补发的脉冲信号称为补脉冲信 号。经过分析，可得到三相反并联的晶闸管对称触发的控制策略：给a 相发 主脉冲同时给b 相发补脉冲，给b 相发主脉冲同时给c 相发补脉冲，给c 相 发主脉冲同时给a 相发补脉冲，这种触发策略简称为a b b c c a 。 在不考虑晶闸管续流的情况下，对于三相感应电动机软起动器主电路中 所采用的三组反并联晶闸管的结构，晶闸管的可控范围是：0 0 n 1 5 0 。考 虑晶闸管的续流角后，晶闸管的可控范围是：巾 一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 号与晶闸管压降信号的相位差作为功率因数角是切实可行的。 图3 4 功率因数角检测示意图 雎 ：r1 z 、 j 氏 |广 1， 1 s j1。 i皤 j ： ； ：￥：嚣墨黜慧 6 m s ，d l v 5 证f d j o ! 门。f1 ；| 、 踊 1j 【 i 垂一1 l j 、 - 、 lj i h a abv o l t a g e 。2 譬勰翟舞漱： ( a ) 电机定子电压电流波形( b ) 相电压和晶闸管两端管压降波形 图3 5 相电压，相电流和管压降的实验波形 3 5 功率因数角闭环控制方法 三相感应电动机的转速与定子端电压有直接关系，而定子端电压即晶闸 管输出电压，它和功率因数角之间有一定的关系，可以用功率因数角信号作 为反馈信号，形成闭环控制系统，来抑制电流和转矩的脉动。 图3 6 为功率因数角闭环控制的原理框图。对于晶闸管触发角的调整可 以分为两部分进行，一部分是按预定规律进行变化的，如图3 6 中的给定触 发角口：另一部分是随功率因数角的变化而增加的调整量，如图3 6 中的 口。两部分合起来形成实际触发角：口。= 口：+ a c t , , ( 其中的下标n 代表第 n 次调整) 。图3 6 中由功率因数角的变化量。计算触发角增量口。的过程 是很关键的，这需要根据电动机的具体运行状态及电动机所带负载的类型进 哈尔滨工程大学硕士学位论文 行计算，如电动机处于软起动状态与处于软停止状态，其控制方法是不同的； 电机所带负载的类型不同，控制方法也不同，如恒转矩类负载与风机、泵类 负载的起停控制是有区别的。根据具体情况，可采用p i d 控制、模糊控制或 经验曲线控制等方式。实践证明，将功率因数角进行闭环控制，其控制方法 简单、可靠，控制效果令人满意。 图3 6 功率因数角闭环控制原理框图 3 6 三相电机软起动控制系统的软件设计 三相电机软起动控制系统的主程序原理框图如图3 7 所示。在主程序中 首先要检测三相电源的输入电压及晶闸管截止电压，可根据三相电源输入电 压的大小，判断电源是否断相、过压、欠压及三相是否平衡，再根据三相晶 闸管截止电压的大小判断晶闸管是否短路及电机是否缺相。当发现有故障时， 将故障信息送至m c s 一8 9 c 5 2 用于显示，系统停止工作：若无故障，也将测得 的电压信息送至m c s 一8 9 c 5 2 用于显示。当控制系统的起动按钮按下时，设立 允许触发晶闸管的标志，为相关的中断程序提供状态信息：若无起动按钮按 下，则继续检测。晶闸管开始工作后，仍需检测上述电压，同时要检测电机 的电流，根据测得的数据可进行故障识别及实施保护。通过检测停止按钮是 否按下，决定程序是否继续运行或重新开始，并设立相关状态标志。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 7 主程序原理框图 2 啥尔滨工程大学硕士学位论文 3 7 功率因数角闭环控制的仿真研究 本文对三相感应电动机软起动器的各种控制方法建立了 f f 执t a l b ( s i m u l i n k ) 模型，进行了仿真。仿真结果如图3 8 ：图3 9 和图3 1 0 所示。 鼍i 塑 * 一一o jo 。j l rj 一| _ t 一i ? 1 l 气二二；二；二二；二；= = 二二= 二；2 j 时间( s ) 图3 8 电动机直接起动仿真曲线 一 图3 9 开环控制的电磁转矩和电流波形图 翥 l 一 | 拿删 | 黼 d 一 扛 j 赢 聚。 胛唧 l 宝 y _ 一一_ 0 l 羔 囊” 鼻1 0 s d 图3 1 0 功率因数角闭环时的转矩和电流波形图 图3 8 应用的是直接起动的控制方法，得到整个起动过程中三相感应电 动机电磁转矩和定子电流的变化曲线，其左图为起动过程中电磁转矩的变化 曲线，右图为定子电流的变化曲线。从图3 8 中可以看出，以这种控制方法 控制的电动机的起动过程中电磁转矩和定子电流都有很大的脉动现象，直接 起动电流的冲击最大。 图3 9 应用的是开环的控制方法，不考虑在电动机起动过程中功率因数 角的变化，线性的减小晶闸管的触发角o ，得到整个起动过程中兰相感应电 动机电磁转矩和定子电流的变化曲线。其左图为起动过程中电磁转矩的变化 曲线，右图为定子电流的变化曲线。从图3 9 中可以看出，以这种开环的控 制方法控制的电动机的起动过程中电磁转矩和定子电流都有相对较大的脉动 现象。 图3 1 0 是采用功率因数角闭环控制方法，根据起动过程中功率因数角的 变化来调节晶闸管的触发角n ，得到整个起动过程中三相感应电动机电磁转 矩和定子电流的变化曲线。其左图为起动过程中电磁转矩的变化曲线，对比 图3 1 0 的左图和图3 8 及图3 9 的左图，可以看出电磁转矩的脉动现象在应 用功率因数角闭环控制方法后得到了很明显的抑制。 图3 1 0 右图所示为应用功率因数角闭环控制方法时电动机起动过程中 定予电流的变化曲线，对比图3 1 0 的右图和图3 8 及图3 9 的右图，可以看 出在应用了功率因数角闭环控制方法后，三相感应电动机起动过程中定子电 流的脉动现象得到了抑制，电流波形在整个起动过程中平滑过渡，脉动总体 哈尔滨工程大学硕士学位论文 比开环控制时的定子电流要小的多。 3 8 实验结果 实验条件：选择额定功率为3 千瓦，额定转速为1 4 4 0 转分的电机作为 控制对象，电动机轴上联接一台额定功率为1 9 千瓦的测速发电机。 图3 1 1 为电动机软起动过程中，在没有功率因数角反馈的情况下，出现 的电机电流振荡波形，图中横轴代表时间，每大格为2 0 0 m s ，纵轴代表电流， 每大格为i o a ；图3 1 2 为具有功率因数角闭环控制的情况下，软起动过程中 电机电流的变化过程及电机转速的变化情况。图中，横轴代表时间，每大格 为2 0 0 m s ，纵轴方向上边的曲线代表电流，每大格为i o a ；下边的曲线是用电 压值代表的转速，每大格为5 0 v 。可以看到，在电机起动初期，电流较大， 电机转速在逐渐上升，当转速达到额定值时，电流达到最小值。在整个起动 过程中，电流和转速的变化都很平稳， 起动电流是其稳定运行电流的2 3 倍， 定运行电流的5 - 7 倍。 图3 1 1 软起动过程中的 相电流振荡波形 没有出现振荡现象。电机软起动时的 而电机直接起动时的起动电流是其稳 图3 1 2 软起动过程中的相电流 包络线及电机转速波形 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 9 本章小结 本章给出了三相感应电动机软起动控制系统的软件设计思路，以及以数 字信号处理器( d s p ) 为核心的三相感应电机软起动控制系统软件设计框图。 本章建立起了三相感应电动机软起动控制系统的m a t l a b ( s i m u l i n k ) 仿真模 型，对直接起动、开环软起动和功率因数角闭环控制方法进行了仿真研究， 得到了仿真结果。对比三种起动时的异步电动机定子电流和转矩曲线，验证 异步电动机软起动的优点。本章还在硬件设计和软件设计的基础上对功率因 数角闭环控制方法编写了汇编语言程序，在实际系统中实现了功率因数角闭 环控制方法，得到了实验波形。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第4 章三相感应电动机智能制动研究 4 1 引言 从三相感应电动机的机械特性分析知道，感应电动机的制动方法有回馈 制动、反接制动、倒拉反转制动、机械制动等。这些制动方法虽各有其优点 和实用性，但也都存在着明显的不足之处。如不能很好地解决电动机起动瞬 间大电流对电网的冲击问题，以及制动时定、转子回路电流过大而导致绕组 过热、制动过