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20
积分
- 关 键 词：
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电机
节能
控制器
设计
- 资源描述：
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电机节能控制器的设计,电机,节能,控制器,设计
- 内容简介：
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第 3 1 卷 第3 期 2 0 0 7 年2月 电网技术P o w e r S y s t e m T e c h n o l o g yV o l . 3 1 No . 3 F e b . 2 0 0 7文章编号:1 0 0 0 - 3 6 7 3 ( 2 0 0 7 ) 0 3 - 0 0 4 9 - 0 5中图分类号:T M7 6 1 + . 1 1文献标识码:A学科代码:4 7 0 4 0 5 4大型电力系统励磁比例一 积分一 微分调节器的 闭环优化方法程 林 ，张剑云 ， 孙元章 ， 管秀 鹏 ， 吴 深“ ， 李文云2( 1 .电力系 统及发电 设备控制和仿真国家重点实验室( 清华大学电 机系 ) ，北京市 海淀区 1 0 0 0 8 4 ;2 .云南电网公司，云南省 昆明市 6 5 0 0 1 1 )C l o s e d - L o o p O p t i m u m D e s i g n Me t h o d f o r P I D C o n t r o ll e r o f E x c i t a t i o n S y s t e m i n L a r g e - S c a l e P o w e r S y s t e m C H E N G L in ， Z H A N G J i a n - y u n ， S U N Y u a n - z h a n g ， G U A N X i u - p e n g , W U C h e n z , L I W e n - y u n 2( 1 . S t a t e K e y L a b o f C o n t r o l a n d S i m u l a t io n o f P o w e r S y s t e m s a n d G e n e r a t i o n E q u i p m e n t s ( D e p t . o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r in g , T s i n g h u a U n i v e r s i t y ) , H a i d i a n D i s t r i c t , B e ij i n g 1 0 0 0 8 4 , C h i n a ; 2 . Y u n n a n P o w e r G r i d C o r p o r a t i o n , K u n m i n g 6 5 0 0 1 1 , Y u n n a n P r o v i n c e , C h i n a )A B S T R A C T : C l a s s i c a l d e s i g n f o r p r o p o r t i o n a l i n t e g r a ld i ff e r e n t i a l ( P I D ) p a r a m e t e r s o f a n a u t o m a t i c v o l t a g e r e g u l a t o r( A V R ) s y s t e m i s b as e d o n s i n g l e g e n e r a t o r t h a t i g n o r e s t h ee ff e c t o f p o w e r g r i d , a n d i s s u b j e c t t o e x p e r i e n c e s o f d e s i g n e r s .T o c o m p r e h e n s i v e l y c o n s i d e r t h e o p e r a t i o n c o n d i t i o n o f b o t hu n i t a n d p o w e r g r i d a n d o v e r c o m e t h e d e f e c t i n t r a d i t i o n a ld e s i g n t h a t d e p e n d s o n e x p e r i e n c e s t o o m u c h , a c l o s e d - l o o po p t i m u m d e s i g n m e t h o d , i n w h i c h t h e w h o l e p o w e r s y s t e mw h e r e P I I ) c o n t r o l l e r i s e q u i p p e d i s t a k e n i n t o c o n s i d e r a t i o n , i sp r o p o s e d i n t h i s p a p e r . T i m e - d o m a i n i n t e g r a l c r i t e r i o n i sa d o p t e d t o e v a l u a t e o v e r a l l p e r f o r m a n c e o f c l o s e d - l o o p s y s t e m ,a n d N e l d e r - Me a d s i m p l e x m e t h o d i s e m p l o y e d t o s e a r c h t h eo p t i m a l P I D p a r a m e t e r s e f f i c i e n t l y . A p p l y i n g t h e p r o p o s e dm e t h o d t o a c e r t a i n l a r g e - s c a l e p o w e r g r i d , r e s u l t s d e m o n s t r a t et h a t d y n a m i c v o l t a g e p e r f o r m a n c e o f p o w e r s y s t e m i s e n h a n c e dg r e a t l y .K E Y WO R D S : a u t o m a t i c v o l t a g e r e g u l a t o r ;i n t e g r a l d i ff e re n t i a l c o n t r o ll e r ;t i m e d o m a i n o p t i m i z a t i o n ;s i m p le x a l g o r i th m ; p o w e r s y s t e m摘要:采用传统频域方法进行发电机比例一 积分一 微分( p r o p o r t i o n a l i n t e g r a l d i ff e r e n t i a l , P I D ) 励磁调节器的参数设计时只考虑本机组的运行，而忽视了电网的整体运行情况，且性能好坏取决于设计人员的经验。 针对这种情况， 提出了基于大型电 力系统时域仿真曲 线的励磁P I D调节器闭 环优化方法， 既能综合考虑机组和电网的运行情况， 又能克服传统设计过于依赖经验的不足。 该方法使用时域积分性能指标来评价含有 P I D调节器的闭环电力系统的综合性能，运用N e l d e r - M e a d 单纯形方法来有效搜索最优的P I D参数。 在实际大型电网中的应用结果表明， 该优化方法可有效提高大电网电压的动态调节能力，有很好的实际应用前景。关键词:自 动电压调节器; 比 例一 积分- 微分控制器; 时 域优化;单纯形算法:电 力系统0 弓 1 言 大型电网中实际运行的发电机组自 动电 压调节 器 ( a u t o m a t i c v o lt a g e r e g u l a t o r , A V R ) 普遍 采 用比例 一 积分 一 微分( p r o p o r t i o n a l i n t e g r a l d i f f e r e n t i a l , P I D )调节方式。目 前， 励磁控制P D 调节器的参数设计所采用的传统频域方法基本上只考虑了单个机组的运行， 而忽视了具体电网的整体运行情况; 且传统方法设计参数的好坏主要取决于设计人员的经验 1 -3 ， 因此所设计的参数虽然可满足国 家标准和电力行业标准规定的 要求4 ， 但无法确定所设计的参数在系统运行情况下是否最优或接近最优。 为 克服这些不足， 本文提出基于大型电力系统时域仿真曲线的励磁 P I D调节器闭 环优化方法，以提高励磁P I D调节器在大电网 运行中的性能。 P I D控制器参数频域设计方法的研究成果很多 s -10 1 ， 但闭 环 优 化 方 面的 研究 很少， 文 献 1 1 和 文献 1 2 1 分别使用遗传算法和粒子群优化算法对励磁系统进行P I D参数优化， 但只针对简单的单机系统进行了计算， 且遗传算法和粒子群优化算法属于随机搜索算法，虽然能够在全局范围内搜索最优值，程林等:大型电力系统励磁比例一 积分- 微分调节器的闭环优化方法V o l . 3 1 No . 3但对于大型电网而言速度较慢。 时域优化方法在工业中已 有广泛应用 1 3 ， 但在励磁P I D调节器参数设计方面还没有得到应用。 本文提出的励磁P I D调节器时域优化方法能综合考虑机组和电网的运行， 且能克服传统设计过于依赖经验的不足，该方法采用N e l d e r - Me a d 单纯形法搜索局部最优参数， 以优化反映系统动态性能的实 域 积分 指 标( i n t e g r a l s q u a r e t i m e e r r o r , I S T E ) 。 实际电网应用表明时域闭环优化方法比传统方法能更有效地提高大型电力系统中励磁控制系统的电压调节能力。1 励磁系统P I D调节器参数的设计与优化1 . 1 励磁系统P I D调节器的参数设计 实际广泛应用于电网机组励磁系统的P I D调节器的传递函数为 并网机组的动态响应可通过在发电机端施加小的无功阶跃信号， 来考察机组电压与功率的动态响应。 动态响应电 压或功率曲 线 y ( t ) 的超调量、上升时间、调节时间、振荡次数和阻尼比等指标可用一个综合指标来反映、 一 f 一 te 2 ( t)d t其中e ( t ) 二 y ( t ) 一 y ( + 二 ) 。 S 即为I S T E ( 2 )指标，是时域优化方法 所采用的 积分指标 1 6 - 1 7 。 积分指标S 使用了 按时间加权的 平方误差，曲 线 y ( t ) 的超调 量、上升时间、调节时间、振荡次数和阻尼比越小，指标S 就越小。 因此， 励磁系统P l I D 调节器的参数优化问题可表述为求解给定区域内的一组解 P ( K , T 1 ,T 2 , T 3 , T 4 ) I使得含有 P I D控 制 器 K 1 + s 1 . 1 + s T 3 的 闭 环 电W( s ) =K1 + s 不 1 + s 兀K v + s T 2 1 + s T 4( 1 )力系统x = .f ( x , y , P ) ，线的I S T E积分指标S K v + s T 2 1 + s T 40 = g ( x , y , P ) 的阶跃响应曲式中: K为调节器增益; K v 为比 例积分或纯积分选择因 子， K v = 0 或1 , ; ( 1 + s T 1 ) l ( K v + s T 2 ) 为滞后环节( 积分环节) ; ( 1 + s T 3 ) l ( 1 + s T 4 ) 为超前环节( 微分环节) 。 励磁系统P I D调节器参数的设计工作通常都是在现场完成的， 它主要依据国 家标准1 4 和电 力行业标准 1 5 ， 针对具体的 发电 机组进行单机试验， 根据机端电压静差要求设计增益， 根据系统开环传递函数的幅频和相频特性设计相位补偿， 使设计的闭环系统满足标准的要求。 国标和行标分别从频域和时域的角度规定了励磁系统的基本性能。 标准对于频域的要求主要是规定了励磁系统的稳态增益和动态增益的下限。 标准对于时域的要求主要是规定发电机空载/ 负载阶跃响应的超调量、振荡次数、调整时间和上升时间等指标的上限。1 .2 励磁系统P I D调节器的参数优化 当发电 机组投入到一个具体的电网运行时，由于电网的情况千差万别， 在励磁系统P I 1 调节器参数传统设计的基础之上， 有必要进一步优化P I D参数， 使得励磁控制系统综合考虑发电机组和电网运行情况，适应具体的电力系统运行。 励磁系统P I D调节器参数优化的过程， 主要是在发电 机组联网工作的情况下， 对P I D调节器的设计参数进行调整，使得并网机组动态响应的超调量、上升时间、调节时间、振荡次数和阻尼比等指标达到最优。一 f +a 一 te 2 (t)d t 最 小 。 需要注意的是， 励磁系统P I D调节器的主要任务是调节机端电压， 但也应兼顾发电 机有功和励磁电流的阶跃响应。因此如果 I S T E指标只针对机端电压的阶跃响应曲 线， 优化出来的参数虽然能有效改善励磁系统的动态调压能力， 但可能造成电力系统其它动态响应的恶化。为避免顾此失彼， 优化过程中I S T E指标主要针对机端电 压阶跃响应曲 线，仿真校验中兼顾发电机有功和励磁电流的阶跃响应特性进行必要的参数调整。此外，实际工程应用中，参数改变的代价也要有所考虑， 可根据实际情况对优化结果进行适当的调整。2 P I D调节器参数的优化算法 励磁系统P I D调节器的参数优化问题是一个针对大型非线性系统的多变量优化问题， 这类问题可用各 种 演化 算法 求 解1 2 - 1 3 1 ， 如遗 传 算 法、 粒 子 群优化算法等。 由于实际电网中P I D调节器的运行参数经现场设计和检验， 具有较好的性能，因此可搜索实测运行参数附近的局部最优值，以 提高对大型电网的搜索效率。 本文采用的N e l d e r - M e a d 单纯形方法是 一种求取高维数复杂优化问 题的 直接搜索算法( 它 与线性规 划中 的D a n t z i g 单 纯 形 法 不同 ) 1 8 -1 9 。 该 方 法由 于简单实 用， 在工程领域得到了 广泛 应用 1 9 。 单纯形方法的计算流程如下:第3 1 卷 第 3 期电网技术 给定 初始点Z O 和单纯形边长d ， 从初始点才出 发， 按无约束的 单纯形加速法对目 标函 数A Z ) 进行下降 迭代。 首 先以才为中 心点， 其边长为d ， 计算出 各 单纯形顶点Z I Z 2 - - . 2， 的目 标数值A 刁) ( i = 1 ,2 , - - - , n + 1 ) ， 然 后 求 出 最 好 点刁及 最 坏 点hZ 0 ， 并 计算出 除 去 最 坏点以 外的 所 有点的 中 心点刁。 然 后使 用 插 值 方 法 求出 新的 点 hZ 1 ， 并 用 其 代替 最 坏点刁。 在 新 一 轮 搜 索时， 令k - k + 1 ， 并 判 别d ( 责任编辑马晓华)国家电网公司发布2 0 0 7 年全国电力市场分析预测报告 近日 国 家电网 公司 发布了 2 0 0 7 年全国电 力市场分析预测报告 。 2 0 0 6 年全国电 力供需总体基本平衡，电力供需矛盾明显缓解。预计2 0 0 7 年全国G D P 增速将低于2 0 0 6 年水平，约增长9 .5 % 1 0 .3 %，全社会用电 量增长1 1 % - 1 2 . 5 % ， 达到3 1 3 03 1 8 0 T W h 。 其中，国 家电网公司经营区域全社会用电 量2 4 9 3 - 2 5 2 6 T W h ，同比 增长1 0 .7 % - x 1 2 .2 % 。 预计 一 2 0 0 7 年全国 新增发电 装机将达9 5 G W左右， 其中国 家电网公司经营区域新增装机约8 0 G W o年底全国 发电 装机容量将达到7 2 0 T Wo 电力电量平衡计算结果表明:2 0 0 7 年通过跨区跨省电能调剂，全国各区域电网均可实现平衡。其中华中、西北总体电力富余，东北、华北、华东、南方基本平衡。局部地区受来水、电煤供应等不确定因素影响， 仍可能出现短时供需紧张。 报告建议:优化 “ 十一五”后3 年的电 源开工项目，加快电源结构调整;加强电网建设，促进电网电源协调发展;高度关注电煤和燃气供应情况，避免燃料供应总量不足和质量下降造成出力受阻;继续发挥大电网调剂余缺的作用，缓解局部地区可能出现的供需紧张状况;继续推进电力需求侧管理长效机制的建立， 促进节能降耗。 l 摘要 ： 奉文提 出了用单片机 采控 制三相异步 电动机的起 动和正常运行时的工作过程 ， 使 电动机始终工 作在最佳功率 因数和效率之 中。单片机根据 电动 机妻际运行时的功 率因教 主化随 时计算 出最 佳工作电压并发 出相应的控制糟令 ， 使电动机的工作 电压随之调整， 以选到节能的 目的。 关 键 词 兰 兰 坠 采 样 信 号互 感 嚣相 差 氚 饥 够 器 l l 交流异步电动机是 目前使用最多且耗能 本文提供了一种角单片机系统来控制电 最 大 的动力 设 备 ， 在我 国 的年耗 电量 约 占总 动机 的起动 和正 常运行 过 程 因为 功率 因效 发电量的 6 0 一7 0 。在电动机 的实际应 是随着负载的变化而变化 ， 单 片机根据变化 用中， 有多效时间是工作在轻负载或撩 繁变 的功率因数随时计算出最佳工作电压值并发 挟负载的情况下 ， 而异步电动机无论负载多 出相应的触 发脉冲， 使电动机的工作 电压随 大 ， 都是在 全 电压下运行 的 ， 当电动机 负载 减 之调整变化 实 现其 在 起 动和 轻载 的情 况下 轻时 ， 功率 因数 降低 ， 大 量的 电能 空 耗 ， 造 成 降压限流 ， 从而使 电动机 始 终工 作 在最 佳 功 了很 大 的能 源浪 费。 目前国内生 产 的电动机 率 因数 和效 率之 中， 做 到 节能 。 下面 介绍 本 节能装置 主要有 ： 电抗降压转换节 能 器 、 双向 节能控制器 的主要组 成部分 和设 计方法 。 可控硅调压节能器等 ， 但它们却存 在着适应 1 电路组成部分的主要结构框图 ： 范围窄 、 稳定 性较差 、 生 产调 试 复 杂 、 成 本 较 电路 结构框图 由主 回路 ( 1 ) 、 控制 回路 电 高等 不 同程度 的缺点和不 足 。 源 ( 2 ) 、 电压 取样 回路 ( 3 ) 、 电流取样 回路 ( 4 ) 、 2 慵量产品与节蠢) 2 O 帅 年纂 3期 圈 1 电路 碌 理结 构 框雹 维普资讯 过流信号取样回路 ( 5 ) 、 零序保护信号取样回 路 ( 6 ) 、 单片机 系统 ( 7 ) 、 输 出接 口回路 ( 8 ) 、 电 源 ( 9 ) 、 电动机 ( 1 0 ) 共 同组 成 。 2 电路 设计原理 及说 明 ： 主 回路 串接 在 电源 和 电 动机 之 间 ， 由 可 控 硅 、 压敏电阻 阻 容保护 电路 和触 发 电路 组 成。控制 回路产生 相应 的 5 V 电源 。 电压 取 样回路从控制回路电源变压器的次级直接取 样 取样 信号为正 弦波 ， 经 阻容 耦合 电路输入 到 比较 器 。当取样 信 号 的正 半周 到来 时 ， 经 比较 器输 出高 电平 ， 直接至单 片机 的 踟 3 1的 P 1 0日。 当取 样信 号 的负半 周 到来 时 ， 经 比 较器输出低电平。当电压取样信号过零 时， 比较 器可输出过零 脉 冲。 0 0 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 s 圈 2电 源变 压器 次 级 输 出 波形 口 口口 口 0 0 0 2 0 0 4 0 0 6 s 圈 3电 压取 样 波形 电流取 样 回路 由接 在 C相 上 的 电流 互 感器 取样 ， 经 阻容 耦 合 电路 输 入 到 比较 器。 当电流取样信号过 零时 ， 比较 器反转 ， 发 出过 零脉 冲 ， 输 出到单 片机 8 0 3 1的 P 1 5口。其 原理与电压取样回路相似。过流信号取样 回 路也 由电流互感 器取样 ， 其 过流 信号经整 流 、 滤波后 ， 与电位 器上 给定 的直 流偏 置进 行 比 较 ， 然后输入到 比较器 ， 当过 流信 号超过 给定 的直流偏置 ， 即相 当于超 过 额 定 电 流 的 三倍 或由用 户 自定值 时 ， 比较 器会 输 出 中断 请 求 信 号 ， 输 送 到单 片 机 的 中断 申请 口 P 3 3， 此 时单 片机会 发 出指令 ， 荛 断主 可控硅 ， 以保护 电动机和可控硅本身 。零序 保护信 号取样 回 电子技 术应用 路 由零序互感 器 取得零 序不 平 衡 电流 信 号 ， 经稳压二极 管 、 电阻加 在 比较 器 上 ， 当电动机 由于缺相 ， 二相短路， 单相对地短路 ， 电动机 绕组局部短 路或漏 电等原 因而 产生不平衡 电 流等情况时 ， 在零 序互感 器 的 负载 上 产 生的 不平衡 电压会 超过稳 压 二极 管 的击 穿 电压 此时比较器反转， 发出中断申请信号， 输送到 单片机的中断申请口 P 3 2 ， 由单片机发出指 令关 断主可控 硅 ， 从 而保护 了 电动 机。 而 电 动机由于 制造 工艺 所产 生 的不 平衡 电流 ， 在 零序互感器 的负载上 的压 降因小 于稳 压二极 管的击穿 电压 ， 比较 器不会 反转 ， 不会 发 出中 断 申请脉 冲 ， 电动机 可正常 运行 。输 出 接 口 回路是将单片机输入的三相触发信号分别加 在三个驱动 器 ( I C 7 4 0 7 ) 上加以 放 大 ， 以 分别 推动三个 光耦合 器 ( M0： 3 o 2 3) ， 经这 三 个光 耦器输出的三相触发信号 ， 分 别加在主回路 的三个 可 控 硅 的触 发 极 上。单 片 机 系 统 由 8 0 3 1 、 地址 锄存 器 7 4 L S 3 7 3和 ) R OM2 7 6 4 组成 ， 采用 内部时钟方式 。 3 汇编程序设 计原理 和说 明 ： 电动机 的功率 因数 O 沿 是 电动机 负载 扭矩的正相关 函数 ， 当 电动机 在 满 负 载运行 时， 功率 因数 和效率最 高 ， 但 当 电动 机在轻载 或空载运行时 ， 功率因数和效率就都会降低。 一般情 况下满负载时交 流异 步电动 机的效率 可达 9 5 ， 半 负 载时 的 效率 为 7 O 而 1 4 负载时的效率仅为 3 O ， 此时若降低电动机 的输入 电压可有效的提高 电动机 的效率 。 1 主程序框 图 当电压过零信 号和 电流过零信 号输人 单 片机系统时 ， 单 片机 系统 可 以检 测 出其 相位 差值 ， 并据此 查表 计算 出 电动机 的最佳 工作 电压和发出相应 的触发信号， 从而控制可控 硅的输 出电压。下图是一个电 压调节 占空比 k V=3 0 的主程序框 图。通过控制置 位程 序和清零 程序 的重 复 个数 ， 在 电 动机 处 于轻 载或空载 的情 况下 ， 就 可 以通过 控制 发往 三 相异步 电动机的正 弦渡 的时间 与空 出时 问的 大小比例来 控制 其运行状 态 ， 从 而达 到控制 酋童产品与节麓瑚 l 呻 年 I | 3 期， 3 维普资讯 一电子技术应用 I 竺 竺 ： 兰 兰 I 启神 电 机过 程 。 。 。一 。一。 。 。 t j t 2 s f ) 船7 7 l 广 。_-_。-。 D vLOOP 3R 2, 。3 H i I M) v R 7 l 3 H l 二二 1 1接L O kOvP；3 13：。 出 齄 发 脉 冲 电动机功率 因数的 目的。例如 k V：3 0 ， 电 动机 三相 同时有 一 个周 期 时间 的导通 ， 二 个 周期 时间 的截止 ， 在轻载或空 载情 况下 。 发 出 功率 只有 全 电压运 行时的 3 0 左右。 2 其 它子 程 序 ： ( 1 )电机 启 动 子 程 序 ； ( 2 )信号 采 样 子 程序 ； ( 3 )清零 子 程序 ； ( 4 ) 置位于程 序。 4 结束语 本装置不仅能控制电机的正常运行 。 还 能控 制电机 的起 动 过程 实 现 电机 起 动 时 的 降 压限流 ， 起动 电 流一 般控制 在 三倍 额 定 电 流以下 ， 也可 对起 动力矩 有特殊要 求 的 用 户 作特殊设计 所以它 可取代如 自耦变压器、 Y 一降压起初等其它有触点的电动机起初装 4 c 擅息产品与节麓) O 帅 年纂 ，捆 置。本次试 验采 用 的为 o 5 k W 鼠笼 式 三 相 异步 电动机 。实验结果表 明其节 能效果 是明 显 的 。 参考文献 1 柯立 民： 单 片机应用文集 ( 2 ) ) 北 京航 空靛玉 大 学 出版 社 1 9 9 3年 2 何立民： ( MC S一5 1系列单 片机接 口技术) ， 北京 航空航 天 大学 出版 社 1 9 9 3年 3 高景善荨 ： 交藏电机厦其 摹统的分析) 清华大 学 出J 鬣社 1 9 9 2年 4 束建韩： 电压转换器与单片机接 口的设计 电子技 术， 1 9 9 2 8 f 5 沈慧 ： 用 8 2 5 3和 0 M 苏片构成可变采样事宴 时数据采皇系统 电子拄术 1 9 9 2 ， 8 昌 一 一 言 一 苇 宴 ； 维普资讯 1 3 6中国农村水利水电 2 0 0 7 年第4 期文章编号: 1 0 0 7 一 2 2 8 4 ( 2 0 0 7 ) 0 4 一 0 1 3 6 一 0 4一种新环保节能型软启动器系统刘叶飞， 赵德安， 卜 言柱， 钱洁， 周晓霞( 江苏大学电气信息工程学院， 江苏 镇江 2 1 2 0 1 3 ) 摘要: 介绍了一种以80C 196 K C单片机为核心， 利用晶闸管交流调压电 路来实现的环保节能型电 机软启动器系统的原理、 结构和应用， 并给出了系统的软硬件设计。该系统结构简单， 参数调整灵活， 能平滑、 无级地起动三相异步电动机， 是一种集电 机软起动、 软停车、 轻载节能和多 种保护功能于一体的新颖电 机控制装五。 关键词: 软起动; 调压电 路; 单片机; 异步电动机 中图分类号二 T P 2 71文献标识码: A Des i gn o f a N e w拟nd o f E nvi r o nm e n t 一 P rote c t i ng a n d E n e 乓 汀 一 S a v i ng s o fts t a rt e r L I UY e 一 fei， Z H A ODe一 an， B t J Y an- zhu ， Q I A NJ ic， Z H 0 l J X i ao- x i a ( E l e c t r i c a nd I n fo rma t i o n E 1 1 g i n e e r i ng Col l e g e o f J i ang s u 1 J n i v e r s i t y ， Z h e 闰 i a n g Z 1 2 0 1 3 ， J i a 飞s u P r o v i n c e )A 加 t ra c t : T h e a rt i c l e i n t ro d u c e s t h e p r inci p l e ， s tr u c t u rea nd a p p l ic a t io n o f a n e wt y p e o f e nvi ro nrne n t 一 p ro t e c t i 眼 a n de n e 笔 y 一 s a v i 昭s o f t s t a r t e r o f e l e c t r i c moto r u s i 眼 5 1 嗯l e- c h i p 8 0 C l 9 6 K Ca n d t h y ri s t o r A Gvol t 眼e r e g u l a t i o n c i r c u i t ， a n d p ro v i d e s t h e s o f t w a r e a n dh a r d war e d e s i g n o f thi s s y s t 呱T h i s s y s t em i s s i m p l e i n s t r u c t u r e ， e a s y t o a dj u s t p a r a m e t e r s ， a s w e l l a s s m o o t h tos t a r t t h r e e- p h a s ea s y n c h r o nou s mo t o r s . l t i s a nov e l d evi c e w h i chi n t e g r a t e s t h e a d v a n t 铭e s o f s o f t s t a r t ， s o f t s t o p ， l i g h t l o a d ， p o w e r s a v i 飞a n d mu l -t i p l e p rot e c t io n s .K e y w o r ds: s o f t s t a r t e r ; v o l t a g e r e g u l a t i o n c i r c u i t ; s i n g l e c h i p ; a s ”c h ro n o u s moto r0 引言 交流电动机作为重要的动力装置， 已经被广泛地应用到各行各业中， 可以 说， 交流电动机对于我国的经济建设起着不可或缺的作用。 但是由于其固 有的 起动性能较差， 通常要求采用专门的 起动设备来完成正常的起动工作， 尤其当频繁起动时更是如此。 采用电力半导体器件用于电动机起动控制的电力电子软起动器解决了 传统降压起动方法存在的二次电流冲击问题， 具有无触点、 起动电流及起动时间可控、 起动过程平滑等优点， 并且维护工作量小， 节能效果显著， 具备完善的电机保护功能。 本文针对这种新型电动机起动控制装置( 电子软起动器)的结构与工作原理作详细介绍。1 新环保节能型软启动器的经济指标 这种软起动控制器具有以下特点和优越性。 ( 1)提高公用电网质量。 软起动装置成功地解决了传统起收稿日 期: 2 0 0 6 一 0 9 一 0 9基金项目: 江苏省“ 十五” 农业攻关项目( B E 2 0 013 81) 。作者简介: 刘叶飞( 1968一 ) ， 男， 实验师。动设备在起动过程中产生的尖峰电流冲击、 电压瞬间降落等问题， 势必明显改善电网质量， 达到有效节省电能的目 的。 (2) 控制无触点。由于软起动装置使电机能按预先设定的起动方式和参数进行平滑加速起动， 既能满足不同用户的起动需要， 又能大大降低机械振动冲击， 可延长电机及传动系统的使用寿命。 (3) 与传统的起动方法相比， 可用较小容量的变压器来起动相应的电动机， 从而大大提高用户电力变压器的利用率或减少电力增容的费用。 根据经验， 如采用自 藕降压起动， 必须配备 2 . 5 倍于被起动电机容量的变压器才能正常起动。软起动装置由 于大大降低了起动电流， 只需采用 1 . 25倍于被起动电机容量的变压器即可， 如按企业年产 1 2 00 台、 平均每台按 1 10 k w计算， 则配电系统所需变压器容量， 可比采用传统起动设备时候减少 16万k V A ， 如按其中20%是靠电力增容解决， 可以节约 3 . 2 万k V A的电力增容费用约人民币3 0 00万元。 (4) 成本比 原有降压起动设备有所降低。与同等容量的自祸降压起动设备相比， 每千瓦容量可节约矽钢片0 . 7 k g ， 铜线0 . I k g ， 如按企业年产1 2 00台、 平均规格为1 10k w计算， 则可一种新环保节能型软启动器系统刘叶飞赵德安卜 言柱等1 3 7节约矽钢片92 t ， 铜线 13 t ， 约合人民币2 00万元左右。 (5 ) 系统的通用型强、 灵活性大以及功能便于扩展和修改。如增设R S 2 32接口， 可与其他单片机或咒 机通讯， 实现远程控制和多台电机集中控制。除用于起动外， 还可实现软停车控制。 (6) 由于采用单片机控制， 可在起动前对主回路进行故障诊断， 且数字化的控制具有较稳定的静态特性， 不易受温度、 电源电压及时间变化等因素的影响， 因此提高了系统的可靠性，有助于系统维护。 表 1 详细列举了软起动方式与传统方式的优劣比 较， 可见软起动方式是比 传统方式更优的起动方式。 ( 7)由于这种软启动器具有以上优点， 从而大大改善了电网运行环境和优化了生产环境。 表 1 各种起动方式基本性能对比表器降压后， 经过零比较器形成方波信号， 方波信号送人80C196K C 单片机的H I S.o 引脚正跳变产生外部中断。 R ， 、R : 、 和C l 起滤波作用和限制流过二极管的电流。D l 、 从 的作用是限幅比较器的差模输人信号以保护比较器。 R : 是上拉电阻， Q 是去藕电容。 + S VR IR ZHS I O 。 t T。 一起 动 方 式电气性能全压起动 星一角起动 电阻调节 自 藕变压器软起动尸八分声的弧七20.。 产司甘 自9八 愁.么 、堵转转矩0 . 5 0 0 . 7 5 TN1 . 5 0 . 4 0 . 8 5 1 、 N1 . 6 4 I N 0 . 0 6一2 . 8 0 T N起动电流1 . 5 需要的接线端子数/ 个3 632 硬件设计 新型电动机起动控制装置( 电子软起动器) 的系统硬件框图如图1 所示， 该系统主要由单片机控制部分和三相交流调压电路两部分组成。 图2 过零检测电路2 . 2 相序检测电 路 软起动装置中不可缺少相序检测的功能。应用微机控制的软起动装置， 同步信号通常只有一路， 其他脉冲信号都以此信号为基准， 因 此只有确定相序， 才能正确地发出脉冲来控制晶闸管的导通顺序， 起到相序自 适应的作用。本系统设计中利用将采集到的三路反并联晶闸管的管压降信号， 输人单片机高速输人引脚H IS . 1 一H I S.3 中， 通过编写软件可实现相序检测的功能。此种电路结构简单， 并巧妙地利用了晶闸管的触发脉冲线， 减少了主回路与控制回路的连线。图3 为其中的一路相序检测电路。管压降取自 反并联的两只晶闸管的阴极 K ， 和K : ， 这两点也正好是控制部分触发脉冲线的阴极线， 可以直接检测。 A相反并联的晶闸管管压降经过R : 限流和U l 整流桥的整流， 再经过光电隔离， 最后经滤波由A l 点输出送人到单片机 H I S.1 引脚上。同理， B 、 C相由A: 和A 3 送人 H I S.2 和H I S.3 引脚。 图 1 系统硬件框图2 . 1 同步信号电路 软起动器必须在一个电压周期内控制可控硅的导通角， 即通过确定电压波形的过零点， 延时一段时间后输出触发信号来控制其导通角。电压波形的过零点通过同步信号电路检测获得。 所谓同步， 就是通过供给各触发单元不同相位的交流电压， 使得各触发器分别在各晶闸管需要触发脉冲的时刻输出触发脉冲， 从而保证各晶闸管可以按顺序获得触发。根据同步基准的不同触发方式分绝对触发方式和相对触发方式。所谓绝对触发方式是指每一触发脉冲的形成时刻均由同步基准决定，这在三相桥式电路中就需要有 6 个同步基准交流电压， 需要一个专门的同步变压器; 而相对触发方式仅需一个同步基准， 当第一个脉冲由同步基准产生后， 再以第一个触发脉冲作下一个触发脉冲的基准， 以此类推。在笔者研究的系统中， 为减少外围电路和简单化， 使用的是相对触发方式。图2 是一种简单的单相同步信号电路， 线电压 Ua， 作为交流同步电压， 通过变压 图3 相序检测电路2 . 3 电 流 检测电 路 电流检测的方法多种多样， 用电流互感器测得交流电流值， 含有脉动成分， 可采用硬件或软件的方法减小脉动的影响。硬件实现可利用整流滤波电路。软件实现一般采用平均值滤波法即 让采样周期T与电源的频率保持严格的比 例关系， 在工频周期内 进行累加求积分而滤除交流成分。其电流检测原理电路图如图4 。主回路中接人电流互感器， 然后利用电路把电流互感器二次侧交流电流转换成与之成正比的直流电压， 最后输人A / D的 转换器。由于80C 196 K C自 带有集成的A / D转换器， 所以减少了系统的外围硬件电路。将转换得到的数值输人单片机， 由 软件比 较检测电流与给定电流的差值， 按照P ID调节算法完成限流调节和过流保护的功能。2 . 4 晶闸 管触发驱 动电 路 对晶闸管交流触发导通角的控制， 本系统采用一种以 In tel1 3 8一种新环保节能型软启动器系统刘叶飞赵德安卜 言柱等R 3V 耐红 图4 电流检测电路系列80 C 196 K C 单片机为控制核心， 构成数字触发器的新型数字触发方式， 克服了过去触发方式控制精度和可靠性差的特性。 其中， 脉冲的同步由前面的同步信号电路产生， 而脉冲的移相、 形成和输出是由80C196K C 单片机完成的。由单片机六路高速输出通道 H S( 输出的脉冲必须通过触发电路送至晶闸管的控制极。 触发电 路采用了绝缘强度高、 隔离效果好的脉冲变压器。 触发电 路共有六路， 一个周期内输出六路相角差为60” 的6 个驱动信号。图5 就是本系统中 使用的触发驱动电 路。 + S V线电流图6 主程序流程图Gl G。K: K6图5 晶闸管驱动电路3 系统应用软件设计 本系统应用程序主要由主程序， 中断服务程序和子程序组成， 采用96单片机汇编语言编程， 实现对数据的判断、 分析， 控制功能。主程序主要是完成系统初始化， 参数的设置， 相序的判断以 及起动方式的选择。 其程序流程图见图6 。中断服务程序有H I S.0 中断程序和H S ) 中断程序。3 . I H 巧 . 0 中断服务程序设计 本中断程序主要是完成对同步信号的检测和软起动子程序的调用。 对当 线电 压上升沿进人H I So 时， 产生H I So 外中断。 对三相交流调压电路而言， 必须进行电网周期的跟踪测量。 在本中断中， 利用软件来调整跟踪电网周期， 利用相邻同步信号上升沿之间的时差来计算电网周期。 设时间差为T ， 则a 电角度对应的时间为a T / 3 6 00， 这是第一号脉冲的触发时间。由于M C S 96有着高效的指令系统， 尤其是有 16位乘 16位和32位除16位的乘除指令。对于算式a T/3 60“ ， 为了提高运算效率和简化计算， 可先作除法将1 / 3 6 。 作为一常数来对待， 并精确到小数点之后16位( 对应的十六进制数为B6H ) ， 然后再作16位乘 16位的算法。设第一个脉冲的上升沿对应的时间为Tlu ， 其下降时间为TID ， 将对应的时间值写人H 劝 的内容定址存储区C A M中， H S( 通过与定时器 TI 比 较， 在Tlu 时刻输出高电 平， 在TID 时刻输出低电平， 这样就形成了第一号触发脉冲。触发角的变化规律是在 H SI中断中实现的， 采用调用触发角变化子程序来实现， 在子程序中根据系统的电流电压 反 馈 量 改 变 触 发 角。H I S.o 中断服务程序流程图如图7 。3 . Z H s O 中断服务程序 设计 本中断服务程序是形成触发晶闸管门极的脉冲信号。当第 1 号脉冲上升沿到来时，H SO 产生中断， 根据当前 a值， 加上两相脉冲之间的相位差， 在三相交流调压电路中相位差为60“ ， 则2 号脉冲的定时值 孔u 和 T ZD就可以确定了。同理当 2 号脉冲至 5 号脉冲的上升沿产生时， 也分别引起 H 3 中断， 产生 3 号至保护现场计算电网 周期调用软起动算法子程序发第一号脉冲恢复现场图7 HIS . 0中断程序流程图6 号触发脉冲。 三相交流调压电路要求触发脉冲宽度大于 60。或采用间隔6 00的双窄脉冲。 为减小所使用的脉冲变压器的体积， 脉冲信号采用的是双窄脉冲信号。利用 H 以 产生双窄脉冲也是十分方便的。在向C A M 中写人主脉冲产生时刻的同时， 将补脉冲产生的时刻也写人对应的高速输出的C A M 中，这样， 主脉冲和补脉冲就可在同一时刻发出。 值得着重提出的是。H so 中断服务程序流程图如图8 。3 . 3 软起动方法算法子程序 控制角计算程序流程图如图9 所示， 其算法设计思想如下: 因为软起动采用的是降压起动方式， 而交流异步电动机的转矩与电 压平方成正比， 因此， 必须注意使起动转矩大于负载转矩。 通常希望 踢 一几)10写， 电磁转矩与负载转矩之差要大于等于10%。 对于不同的负载， 特别是恒转矩负载( 因为风机负载和泵类负载转矩与转速平方成正比， 起动时不会出现一种新环保节能型软启动器系统刘叶飞赵德安卜 言柱等1
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