（控制理论与控制工程专业论文）软起动器的谐波抑制方法研究.pdf

中文摘要 三相异步电动机以其成本低、可靠性高和便于维护等特点，在各种工矿领域被 广泛应用。针对其起动时存在起动电流过大的缺点，本文对基于三相交流调压的异 步电机软起动方法进行了分析，仿真结果表明软起动方式可以有效实现三相异步电 动机的限流起动。该软起动方式的主电路使用晶闸管实现交流调压，在工作过程中 会产生谐波，破坏电网电能质量。为有效改善电网电能质量，本文采用有源滤波方 式来降低谐波危害。 有源电力滤波器弥补了传统无源滤波器的不足，能够对频率和幅值均发生变化 的谐波和无功电流进行补偿，因而得到快速的发展。有源电力滤波器的两大关键技 术是谐波与无功电流的检测和补偿电流控制，因此谐波电流检测技术对提高有源电 力滤波器的性能具有重要意义。 本文介绍了有源电力滤波器装置的工作原理，研究了基于瞬时无功功率理论的 谐波电流检测法，针对其仅适用于三相三线制的局限性，将单位功率因数的概念引 入有源电力滤波器的控制中，全面论述了基于单位功率因数的谐波和无功电流检测 技术，该检测技术适用于各种电路结构，电源或负载不平衡时也同样适用。 使用m a t l a b 软件对两种谐波电流检测法进行建模和仿真研究，仿真结果表明基 于单位功率因数的谐波电流检测法的正确性和有效性。 本文还考虑工作环境的突变对基于单位功率因数谐波电流检测法的影响，仿真 结果表明在工作环境发生突变时，该方案仍然能够准确、实时检测出负载基波电流 和谐波电流，具有良好的跟踪性能。因此，满足有源电力滤波器对谐波电流检测实 时性、准确性的需要。 最后，采用基于单位功率因数谐波电流检测法的有源电力滤波器对以软起动模 型为谐波源的非线性负载工作过程进行了仿真研究，仿真结果表明有源电力滤波器 可以有效抑制谐波电流对电网电能质量的破坏，验证了基于单位功率因数谐波电流 检测法有源电力滤波器的可行性。 关键字：软起动；谐波电流检测；瞬时无功功率理论；单位功率因数；仿真 a b s t r a c t t h r e e - p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o rh a sb e e nu s e dw i d e l yi na l lk i n d so f i n d u s t r i a lf i e l d sa n dm i n ea r e a sb e c a u s eo ft h e i rl o wc o s t ，h i g hr e l i a b i l i t ya n d e a s ym a i n t e n a n c ef e a t u r e s f o ri t ss t a r t u pp r o c e s se x i s tt o om u c hs t a r t i n g c u r r e n t ，t h i sp a p e ra n a l y z et h et h r e e p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o rs o f t s t a r t m e t h o dw h i c hb a s e do n t h r e e p h a s ev o l t a g e m o d u l a t i o n c i r c u i t ，t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h i ss o f t s t a r tm e t h o dc a ne f f e c t i v e l y1 i m i t 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 ss t a r tc u r r e n t s i n c et h em a i nc i r c u i to ft h e s o f ts t a r t e ru s ep o w e re l e c t r o n i cd e v i c e st or e a l i z ev o l t a g e m o d u l a t i o n ，s ot h i s m e t h o dw i l lb ep r o d u c i n gh a r m o n i c si nt h ec o u r s eo ft h e i rw o r k ，w h i c h a f f e c t st h eq u a l i t yo fe l e c t r i cp o w e re n e r g y i no r d e rt oe f f e c t i v e l yi m p r o v e t h eq u a l i t yo fe l e c t r i cp o w e re n e r g y , t h i sp a p e ru s i n ga c t i v eh a r m o n i cf i l t e r i n g m e t h o dt or e d u c et h eh a r mo fh a r m o n i c s a c t i v ep o w e rf i l t e rw h i c hm a k e su pt h es h o r t c o m i n g so ft h et r a d i t i o n a l p a s s i v e f i l t e rc a nc o m p e n s a t e st h eh a r m o n i ca n dr e a c t i v ec u r r e n tw h i c h f r e q u e n c ya n da m p l i t u d ea r ev a r i a t i o n t h e r e f o r et h i sd e v i c er a p i d l ym a k e s m o r ew i d e s p r e a di nl o t so ff i e l d s t h et w ok e yt e c h n o l o g i e so fa c t i v ep o w e r f i l t e ra r eh a r m o n i ca n dr e a c t i v ec u r r e n td e t e c t i o n ，a n dc o m p e n s a t i o nc u r r e n t c o n t r o l ，t h e r e f o r ei t sv e r ys i g n i f i c a n c et oc h o o s eh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o n t e c h n i q u ef o ri m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo f a c t i v ep o w e rf i l t e r t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ea c t i v ep o w e rf i l t e rd e v i c ew o r k i n gp r i n c i p l e ， r e s e a r c ht h eh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o nm e t h o dw h i c hb a s e do nt h e i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y , i nt h ev i e wo ft h el i m i t a t i o n so ft h i s m e t h o d ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ec o n c e p to fu n i t yp o w e rf a c t o rt ot h ec o n t r o l o fa c t i v ep o w e rf i l t e r , d e s c r i b e st h eh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o nm e t h o db a s e d o nu n i t yp o w e rf a c t o ri nd e t a i l ，t h i sd e t e c t i o nt e c h n i q u ea p p l i e dt oav a r i e t yo f c i r c u i ts t r u c t u r e a p p l ym a t l a bs o f t w a r e t os i m u l a t i o nt h et w oh a r m o n i cc u r r e n t d e t e c t i o nm e t h o d s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o n m e t h o dw h i c hb a s e do nu n i t yp o w e rf a c t o ri sc o r r e c t l ya n dm o r ee f f e c t i v e l y i l l t h i sp a p e ra l s oc o n s i d e rt h ei n f l u e n c eo nt h eh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o n m e t h o dw h i c hb a s e do nu n i t yp o w e rf a c t o rw h e nt h ew o r ke n v i r o n m e n t m u t a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i sp r o g r a ms t i l lb ea b l et o a c c u r a t e ，r e a l - t i m ed e t e c t i o no ft h el o a df u n d a m e n t a lc u r r e n ta n dh a r m o n i c c u r r e n tw h e nt h ew o r ke n v i r o n m e n tm u t a t i o n i th a sa g o o dt r a c k i n g p e r f o r m a n c e f i n a l l y , t h i sp a p e ru s et h ea c t i v ep o w e rf i l t e rw h i c hh a r m o n i cc u r r e n t d e t e c t i o nm e t h o db a s e do nu n i t yp o w e rf a c t o rt o s i m u l a t i o n ，a n dt h e n o n l i n e a r1 0 a db a s e do nt h es o f t s t a r tm o d e l t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h ea c t i v ep o w e rf i l t e rc a ne f f e c t i v e l ys u p p r e s st h eh a r mo fh a r m o n i cc u r r e n t t ot h eq u a l i t yo fe l e c t r i cp o w e re n e r g y , a n ds h o wt h ef e a s i b i l i t yo fa c t i v e p o w e rf i l t e rw h i c hh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o nm e t h o db a s e do nu n i t yp o w e r f a c t o r k e yw o r d s ：s o f ts t a r t e r ；h a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o nm e t h o d ；i n s t a n t a n e o u s r e a c t i v ep o w e rt h e o r y ；u n i t yp o w e rf a c t o r ；s i m u l a t i o n i v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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。本声明的 法律责任由本人承担。 作者繇娶霪垒隰丝导。 匹 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原科技大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件、复印 件与电子版；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；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 储签名：狴：日瓤一型孚上堑一一 导师签名：丝：叁毒垒日期：二二i ：竖 第一章绪论 第一章绪论 1 1 三相异步电机的起动问题 随着社会生产的日益发展，三相交流异步电动机作为重要的驱动执行机构，以 其结构简单、运行可靠、低成本等突出优点在工业、交通以及日常生活中作为重要 的动力装置被广泛的应用【1 1 。据国家有关部门统计，我国生产的电力约有6 0 供电 动机转化为机械能。 在交流传动系统中，当三相异步电动机定子绕组接入电源，电动机从静止状态 转动起来，然后升速到稳定运行状态的过程，称为起动过程，简称起动。对电动机 的起动，归纳起来有以下几个方面要求： ( 1 ) 起动电流倍数要尽可能小； ( 2 ) 起动转矩倍数要尽可能大； ( 3 ) 起动设备应尽可能的简单、经济、可靠，起动操作方便； ( 4 ) 起动过程中的功率损耗应尽可能的少。 传统的直接起动( 全压起动) 是用闸刀开关或接触器把电动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简单、维护方便且起动速 度快。但是直接起动的危害很大，主要表现在以下几个方面【2 】： ( 1 ) 电网冲击：过大的起动电流( 起动电流可达额定电流的4 7 倍，严重时可达 十倍以上) 。这会造成电网电压下降，影响其他用电设备的正常运行；某些情况下还 可能使欠压保护动作，造成设备的有害跳闸。 ( 2 ) 机械冲击：过大的冲击转矩往往造成电动机转子笼条、端环断裂和定子端部 绕组绝缘磨损，导致电动机发生事故。 ( 3 ) 对生产设备造成冲击：起动过程中的压力突变往往造成管道、阀门的损伤， 影响传动精度，对正常的过程控制产生不良影响。 直接全压起动的这些缺点都给设备的安全可靠运行带来潜在威胁，同时也造成 很大的起动能量损耗，尤其当频繁起停时更是如此。 为了解决直接起动带来的问题，技术人员研究了多种降压起动方式，其中普遍 应用的有自耦降压起动，串电抗器起动，星角起动和延边三角形起动等。这些起动 方式降低了加载定子绕组的电压，起到了定的限流作用，但由于传统起动设备都 有切换触点，仍然存在以下问题： ( 1 ) 依靠接触器来切换电压以达到降压目的，无法从根本上解决起动瞬间的电流 1 软起动器的谐波抑制方法研究 冲击； ( 2 ) 存在二次冲击电流，对负载产生冲击转矩； ( 3 ) 接触器带载切换，容易造成接触器触电拉弧损坏。 传统的起动方法适合于中小型电机起动过程的控制。对于大功率的电动机而言， 起动效果不佳。近三十多年来，随着电力电子技术的发展，电力半导体开关实现了 无电弧开关和电流的连续调节。2 0 世纪7 0 年代由英国人发明并推广利用晶闸管调压 技术的软起动器( 也称s o f ts t a r t e r ) ，这种软起动器主电路使用晶闸管三相交流调压 电路，通过对晶闸管的导通角的控制来实现调压电路输出电压有效值的改变。在电 机起动时，控制晶闸管控制角的大小，就可使加在电机上的电压和起动电流根据设 定的规律进行变化。 软起动方式的实质是降压起动，其优点是无机械触点，起动电压和起动电流可 调，解决了异步电机起动过程中的起动电流高、起动转矩小的问题。但是随着电力 电子装置的广泛使用，其工作时产生的谐波危害也目益为人们关注。在各种电力电 子装置的广泛使用之前，最主要的谐波源是电力变压器的励磁电流，其次是发电机； 在电力电子装置的大量使用之后，它已成为最主要的谐波源。大多数电力电子装置 功率因数低，工作过程中产生的大量谐波严重影响了供电质量，对各种电力设备、 通信设备及线路都会产生有害的影响，严重时会损坏设备，直接影响了生产的安全 和人们的正常生活。 1 2 谐波问题 1 2 1 谐波及其产生 在国际电工标准中定义：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波 频率的整数倍”。由于频率是基波频率的整数倍数，我们也常称谐波为高次谐波。对 谐波次数的定义为：“以谐波频率和基波频率之比表达的整数”。习惯上，规定电力 系统工频为基波频率，在我国工业用电基波频率为5 0 h z 。 在理想的情况下，电力系统应提供具有正弦波形的电压。但实际供电电压波形 会出现由于各种原因出现偏离正弦波的波形，即产生谐波。在供电系统中，谐波产 生的根本原因是电力系统中某些设备和负载的非线性特性，这些非线性负载使所加 的电压和所产生的电流不成线性关系。这些非线性负载工作时向电网反馈高次谐波， 使供电系统的电压、电流波形发生畸变。 电力系统中的谐波源主要是大量的非线性设备和负荷。按其非线性特性主要有 2 第一章绪论 三大类： ( 1 ) 电磁饱和型：各种铁芯设备，其铁磁饱和特性为非线性。如电抗器等。 但) 电弧型：各种电弧焊机以及炼钢设备等。如在电弧炉中，对原料加热时三相 电极很难同时接触到高低不平的炉料，使燃烧不稳定，会引起三相负荷不平衡，从 而产生的谐波电流注入电网。 ( 3 ) 电子开关型：主要是以整流器、逆变器为代表的各种交直流变流装置以及晶 闸管可控开关设备等。如晶闸管整流装置采用移相控制技术，从正弦波形的电网中 吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下另一部分缺角的正弦波形，使得留下部分 的波形严重偏离正弦形态，含有大量的谐波。经统计【2 】，由整流装置产生的谐波占所 有谐波的近4 0 。 1 2 2 谐波的危害 谐波对电力系统是有害的，其主要危害包括【4 1 ： ( 1 ) 增加输电、供电设备以及用电设备的额外附加损耗。频率为基波频率整数倍 的谐波电流流过导体时，由于“集肤”效应，使导体对谐波电流的电阻增大，从而 增加了设备的损耗，使设备发热严重； ( 2 ) 影响用电设备的继电保护装置和自动装置的动作和可靠性。电力系统中的谐 波会改变保护继电器的性能，引起误动作或拒绝动作； ( 3 ) 干扰通信系统的正常工作。谐波对通信系统的干扰是一个在国际上被十分重 视的问题。电力系统传输的功率以兆瓦计，而通信系统的功率以毫瓦计，两者相差 悬殊，所以，电力线路上流过的幅值较大的谐波电流在磁场耦合作用下，会引起附 近通信线路的噪声，降低通话清晰度，严重时会引起信号的丢失，影响通信系统的 正常工作。 1 2 3 谐波研究现状及发展趋势 研究谐波的意义，首先是因为大量电力电子装置的成熟使用，使得谐波的危害 日益突出。对电力系统而言，大量的谐波使电能的产生、传输和利用效率降低，用 电设备的涡流损耗因电流中高频成分的增加而增大，引起设备过热，缩短设备使用 寿命，严重时甚至发生设备损毁。对电力系统外部，谐波对附近的通讯线路和电子 设备的工作也会产生严重干扰。 其意义还在于其对电力电子技术自身发展的影响。电力电子技术是未来科学技 术发展的重要支柱。然而，电力电子装置所产生的谐波污染问题已成为阻碍电力电 子技术发展的重大障碍。如何有效的抑制谐波，推动电力电子技术的发展，成为科 3 软起动器的谐波抑制方法研究 研工作者的重点研究方向。 电力系统的谐波问题早在2 0 世纪3 0 年代就引起了人们的关注。7 0 年代以来， 随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置的广泛使用，世界各国对谐波的 危害更加关重视。许多国家已经制定出关于电力系统和用电设备谐波和波形畸变的 标准。近年来，国际上有关谐波的研究更是十分活跃，每年都有大量的论文发表。 这一方面说明了这一研究的重要性，另一方面也预示着该领域的研究有望取得重大 突破。 1 3 课题研究内容 采用晶闸管交流调压方式的电子软起动器实现平滑、无级的起动电机，减小起 动电流冲击，在矿山、运输领域被广泛使用的同时却带来了电网的谐波污染问题。 本文主要内容有如下几个方面： ( 1 ) 理论分析异步电机的起动过程及软起动器改善异步电机起动性能的原理； ( 2 ) 运用m a t l a b 软件的s i m u l i n k 搭建基于晶闸管交流调压电路的软起动系 统的仿真模型，通过对所搭建系统模型进行计算机仿真，对比直接起动过程和软起 动过程的性能，直观反映软起动的优点； ( 3 ) 对带阻性负载的晶闸管三相交流调压电路工作过程进行详细研究，并使用傅 立叶级数对其进行谐波理论分析； ( 4 ) 针对谐波抑制问题，介绍现有的抑制方案，详细分析有源电力滤波器的工作 原理和功能结构，建立三相三线制有源电力滤波器的数学模型； ( 5 ) 对广泛应用的基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法进行详细研究并仿 真分析，针对其局限性，提出基于单位功率因数的广义谐波电流检测法，进行理论 推导和仿真研究，证明该检测方法的实用性、可行性； ( 6 ) 以本文设计的软起动仿真模型作为谐波源，建立基于单位功率因数谐波电流 检测法的有源电力滤波器对其工作过程进行仿真，验证该方案的可行性。 4 第二章交流屯动机软起动原理及其谐波分析 第二章交流电动机软起动原理及其谐波分析 2 1 交流电动机软起动原理 2 1 1 异步电动机的起动分析 为了研究异步电动机起动时的电压、电流等变量的关系，需要研究电机的基于 集中参数等效的数学模型【5 1 。 异步电机由定子和转子两部分组成，定子由铁芯和三相交流绕组组成。转子绕 组是一个闭合的交流绕组。当异步电机定子三相对称绕组流入三相交流电时，就能 在气隙内产生一个旋转磁场。这一磁场同时匝链了定子和转子两个绕组，且与转子绕 组之间有相对运动，则在闭合的导条中产生感应电动势，进而形成感应电流，转子 绕组的感应电流和气隙旋转磁场相互作用产生电磁转矩，驱动转子转动，这就是三相 异步电动机的基本工作原理【2 】。 异步电机的稳态t 形等效电路如图2 1 所示： 五巧x 2 图2 1 异步电动机等效电路 f i g u r e 2 1t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to fa s y n c h r o n o u sm o t o r 其中：，；、五为定子绕组的电阻和漏抗； 巧、蔓为归算到定子方面的转子绕组的电阻和漏抗； 乙为定子铁芯损耗所对应的等效电阻； x 。对应与主磁通的励磁电抗； 弘为定子相电压；s 为转差率； l 为励磁电流；正为定子电流；e 为转子电流。 要深入了解软起动器的工作原理，必须首先对异步电动机的起动过程进行深入 研究，在此基础上再分析软起动器的特性。 根据图2 1 为异步电动机的t 形等效电路： 5 软起动器的谐波抑制方法研究 令互。：蔓+ 属，z 1 ：+ i x , ，z m ：+ 豇。， s 可推出如下两个方程式，即 两式联立求解得 u i = 厶( z j + 乙) + e 乙 正召。+ ( 厶+ e ) z m = 0 ( 2 1 ) 1 + 益1 + 盈 j 产反每一：反( 2 - 2 ) ，产u ；卜= u 争l 互+ ( 1 + i 争) 乏。z 1 + c l 互， - m j ：五 ：反( 2 - 3 )一，2 = u - = u 一 z 1 + ( 1 + 争) 乏，z l + c l 乏， 。m 式中c 1 是复数系数， c i = i + f z l 穗 ( 2 4 ) 在异步电机中，由于 x 1 ， ，若略去和，则复数系数c l 就简化为 常数q ，即q = 1 + 玉。将q 带入式( 2 3 ) ，则转子电流可以表示为： e 2 f 丽u 1 ( 2 - 5 ) 在刚起动时，n = o ，s = l ，旋转磁场以同步转速切割转子绕组，在转子绕组上感 应有较大的电势，产生较大的转子电流，从而定子绕组也有较大电流。由于激磁电 流相对较小，可略去不计，c l 也很接近1 。所以在( 2 - 5 ) 式中，令e i = 1 、s = 1 ，即可求 得起动电流： 驴弘丽赢r 2 萧j 。2 q 石) v 7 l 十 ，1 - 11 -j 由式( 2 - 6 ) 可以看出，电机起动时，起动电流大小仅由定子电压、电阻和漏抗决 定。根据电机学原理介绍可知：三相异步电机的电磁转矩简化表达式为： 第二章交流电动机软起动原理及其谐波分析 l ：墨：1 3 n p 蜘, ：蔓：t 掣盟_ ( 2 - 7 ) lc o l s 0 9 1i ( ，i + c 1 2 ) 2 + ( 五+ q 五) 2i l j j 式( 2 - 7 ) 中，己为电机的电磁转矩，为同步角频率，刀。是磁极对数。上式说明， 当转速或转差率一定时，电磁转矩与定子电压的平方成正比。 起动时，令式( 2 - 7 ) 中q = l 、s = l ，可得 l 2 署u 2 雨赫( x 1 ( 2 - 8 ) l( + 砭) 。+ x ；) 由上述可知，对起动电流和起动转矩两个方面的要求是衡量一步电机的起动特 性的主要标志；即希望电动机在起动时能产生足够的起动转矩，又希望起动电流不 要太大，软起动器的主要目的就是控制和调节电机起动时的起动电流和起动转矩。 2 1 2 软起动设计原理 电动机软起动是一种连续无级限流升压的起动方式，通过程序控制三对反并联 的晶闸管的导通角，实现在电动机起动时定子电压由某个初始值逐渐上升，并在电 压上升的过程中，限制起动电流的增加，实现小电流起动，大电流工作。 软起动器主电路原理图如图2 2 所示，其中软起动器的功率器件既可用三只双向 晶闸管也可用三对反并联晶闸管来实现。这两种方法在使用上各有优劣：双向晶闸 管由于只有一个门极，且正负脉冲均能触发，所以使得主电路的设计更加简化，触 发电路设计也更加灵活，但其工作的可靠性要低于单向晶闸管。而对普通晶闸管的 控制则比较简单。基于以上因素的综合考虑，本文使用三对反并联晶闸管作为软起 动器主电路的功率器件。 晶闸管采用相位控制，即在电压的每一周期，通过调整晶闸管的控制角，实现 负载与电源的接通，从而得到可以调节的输出电压。 图2 2 晶闸管软起动器主电路原理图 f i g u r e 2 2p r i n c i p l ed i a g r a mo ft h y f i s t o rs o f t s t a r t e rm a i nc i r c u i t 7 软起动器n , 3 i 皆波抑制方法研究 根据式( 2 6 ) 可得出，通过降低定子电压或者增大电阻和漏抗可以实现减小异步 电动机的起动电流，即实现降压起动。传统的降压起动方法有自耦变压器起动、星 三角起动和定子串电阻或电抗起动等。这几种降压起动方式虽然起到了一定的降压 起动效果，但它们都属于有级起动方式，在电压切换的瞬间会产生二次电流和转矩 的尖脉冲冲击，造成起动的平滑性不高。 根据式( 2 6 ) 所示，当异步电动机电路参数不变时，起动电流l 与定子电压u 的 大小成正比，即1 s t 芘u 1 。所以，在其它参数保持不变时，公式( 2 6 ) 可以简化为： u = 墨l( 2 - 9 ) 根据式( 2 8 ) ，当异步电动机电路参数不变时，在一定转速下，电动机的起动电 磁转矩瓦，与定子电压u 的平方成正比，即 瓦= 如u 1 2( 2 1 0 ) 因此，通过改变定子端的外加电压就可以改变电磁转矩，从而实现电动机转速 的改变。电机的转动惯量和转矩的关系可以表示为： j d o ，, ：乃一 ( 2 1 1 ) 其中z 为电机的负载转矩。 如果设定电机在起动，时间后角速度达到c o c ， 时间很短) 的这段时间内可近似线性化处理为： ja 6 0 = 鳞一0 = 婢 l 出= f ，一0 = t 将上式代入式( 2 11 ) 可得 ，等咆一互 综合式( 2 1 0 ) 可得： 则在气t ( 考虑实际电机起动时 乙= 互u 警= 蚜 u = ( 2 - 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) 通过式( 2 9 ) 和式( 2 1 4 ) 分析可知，电机定子外加电压对起动电流和起动转矩都有 较大影响，要实现电动机按照设定的起动电流和起动转矩在一定时间内平滑起动电 机的要求，只要对定子电压加以控制，使其能够逐渐上升。电子软起动器就是应用 8 第二章交流电动机软起动原理及其谐波分析 电力电子器件( 本文采用晶闸管) 实现对负载电压有效值的调节，使得输出电压能够满 足无级、平滑地调节，这样就可以消除传统降压启动装置触点切换时产生的二次电 流和转矩的冲击问题。 2 3 晶闸管三相调压电路的谐波分析 2 3 1 带阻性负载的晶闸管三相调压电路分析 晶闸管交流调压电路是交流电力控制器类电力电子装置的主要电路形式。按照 控制方式的不同，晶闸管调压的方式有两种【4 】：一种是移相控制调压，即利用门极脉 冲相位的变化来改变输出端电压的幅值；另一种是斩波调压，即利用改变元件占空 比来改变出端电压的有效值。晶闸管的工作频率一般不高，并且晶闸管不能自关断， 故在异步电动机调压控制中，晶闸管调压一般都用相控技术。经过移相调压，输出 电压波形已不是正弦波，经分析可知，输出电压谐波在异步电机中会引起附加损耗， 产生转矩脉动等不良影响。 下面，以电阻性负载为例，分析三相三线制晶闸管调压电路的工作过程。三对 反并联晶闸管分别串联在三相上，其中阴极连接在一起的三个晶闸管v 1 、v 3 、v 5 称为共阴极组；阳极连接在一起的三个晶闸管v 4 、v 6 、v 2 称为共阳极组。通过触 发电路的输出来改变晶闸管控制角的大小，从而来控制晶闸管的导通，使得电动机 的端电压缓慢平稳上升。 如图2 3 所示，由于没有中线，要保证电路的正常工作，在任何时刻都必须有两 个晶闸管同时导通形成回路，其中一个正向导通，另一个反向导通。为了确保电路 的正常工作，需保证同时导通的两个晶闸管均有触发脉冲，可以用两种方法实现： 一种是采用宽脉冲触发，即脉冲宽度大于6 0 。；另一种是采用双脉冲触发，即在触发 某个晶闸管的同时，给序号紧前的晶闸管补发脉冲，使用两个窄脉冲代替宽脉冲。 本文采用双脉冲触发方案。另外，为了保证输出电压实现三相对称且有一定的调节 范围，要求晶闸管的触发信号除了必须与相应的交流电源有一致的相序外，各触发 信号之间还必须严格地保持一定的相位关系。例如图2 3 所示的调压电路，六个晶闸 管门极触发相位满足：共阴极组v 1 、v 3 、v 5 的脉冲相位依次差1 2 0 。，共阳极组v 4 、 v 6 、v 2 的脉冲相位也依次差1 2 0 。；同一相中反并联的两个晶闸管触发脉冲相位相差 1 8 0 4 ，即各晶闸管触发脉冲的序列按照v 1 一v 2 一v 3 一v 4 一v 5 一v 6 的顺序，依次间 隔6 0 。 确定门极起始控制点，一般从相电压过零时刻开始，即触发延迟角a = 0 。的点定 9 软起动器的谐波抑制方法研究 在各相电压过零点，从相电压由负变正的零点开始计算触发延迟角仅。随着a 的增 大，三相交流调压电路输出的电压有效值不断的改变。a = 1 5 0 。时，各相输出电压和 电流为零。因为口是根据相电压定的，线电压超前相电压3 0 。，在a 1 5 0 。时，虽然 可以使得两相的两个晶闸管都有触发脉冲，但此时线电压却为零且即将变为负值， 晶闸管是不能导通的，故电阻负载时，触发延迟角a 的移相范围为0 。1 5 0 。 图2 3 带阻性负载的三相三线制调压电路 f i g u r e 2 3t h r e e - p h a s et h r e e - w i s ev o l t a g er e g u l a t o rc i r c u i tw i t hr e s i s t a n c el o a d 对于图2 3 所示的三相三线调压电路，以a 相电压的过零点作为时间零点，则可 u 。= u 。s i n o if = j 2 us i nc o t ( 2 - 1 5 ) 负载为电阻，触发延迟角a 的移相范围为0 。1 5 0 。根据任一时刻电路中晶闸管 的通断状态以及每半个周波内电流是否连续，可将这1 5 0 。的移相范围分为三段【4 】： ( 1 ) 0 。a 6 0 。范围内，调压电路处于两个晶闸管与三个晶闸管导通的交替状 态，因而输出的a 相负载电压波形由u 。，u 曲2 ，u 。2 交替构成，每个晶闸管导通 的角度为1 8 0 。一a ； “ 萨蕊_ 形 u 。o ? ， 一、芗7 7 ， ， a ， ，+ ， 图2 4 电阻负载三相调压电路的波形和各晶闸管导通区间( a = 3 0 时) f i g u r e 2 4t h ew a v eo f t h r e e - p h a s er e g u l a t o rc i r c u i tw i t hr e s i s t a n c el o a d a n dc o n d u c t i o ni n t e r v a lo f t h y r i s t o r ( a = 3 0 。) 1 0 第二章交流电动机软起动原理及其谐波分析 ( 2 ) 6 0 。a 9 0 。范围内，任一时刻电路中有两个晶闸管同时导通，输出a 相 负载电压波形由“曲2 和“。2 交替构成，每个晶闸管导通角度为1 2 0 。； u a b 一7 三、l 噶、。，；：! j j “d o f ， i ? ， l j 三鱼一、刀l t| 、 警影伊- 。| | | j j 、? 。j j 、4 i ， ，iq ， ， 图2 5 电阻负载三相调压电路的波形和各晶闸管导通区间( a = 6 0 时) f i g u r e 2 5t h ew a v eo ft h r e e p h a s er e g u l a t o rc i r c u i tw i t hr e s i s t a n c el o a d a n dc o n d u c t i o ni n t e r v a lo ft h y r i s t o r ( a = 6 0 。) ( 3 ) 9 0 。a 0 砟 。墨 o ，p 西u ( 5 - 1 9 ) 只要选择适当的值，在获得一个零稳态误差的同时，获得好的动态响应式可能 的。 软起动器的谐波抑制方法研究 5 2 主电路参数设计 有源电力滤波器主电路的工作实际上是通过进线电感l 和直流侧电容c 的充放 电来实现的。因此l 、c 的参数选择对滤波器的性能有重要的影响【4 1 。 1 主电路容量的计算 有源电力滤波器的容量由下式确定： s = 3 ( 5 2 0 ) 其中，u 为电网相电压有效值，l 为补偿电流有效值。 2 直流侧电压的计算 由表4 1 可知，当吃= 一1 3n ，电流f c 口上升，即要求生d t 0 ，若直流侧电压不 能满足3 u 。( u 。为相电压的峰值) ，且r 为有源电力滤波器逆变器的等效电阻， 通常情况下r 很小，因此可以忽略，则 三鲁= u , , , - r i g a k a u d ，= u , a + j 1 啦0 ( 5 _ 2 1 ) 就不能恒成立，这种效果是不希望出现的。 同理，当k 。= 1 3 时，电流f c 口下降，即要求生d t 0 ，若直流侧电压不能满足 u 出3 u 。，则 咯巩一r 乙一k a u a c = u , a + j 1 幡0 ( 5 - 2 2 ) 也不会恒成立。 综上所述，直流侧电压应满足如下条件：u d c 3 u m ( 5 - 2 3 ) 即主电路直流侧电压值应大于有源电力滤波器与供电系统连接点的相电压峰值 的3 倍。但是，若取值过大，将使装置容量增加，且器件和电容的耐压都要相应 地增加，因此要综合考虑。 由式( 5 - 2 3 ) 得，3 u 。= 3 x 2 2 2 0 = 9 3 3 2 4 v ( 5 2 4 ) 由此，可选择直流侧参考电压为：甜出，= 1 0 0 0 v 。 有源电力滤波器的工作，就是直流侧电容的充放电过程，为保证滤波器的性能， 必须维持其直流测电容电压基本不变。有源电力滤波器在实际运行时很难将主电路 直流侧电压控制在一个恒定值，直流侧电压波动的根本原因在于补偿电流在交流电 菜乏塞有游电力滤波器的控制及其仿真 源与有源电力滤波器之间的能量脉动。若电容值选择过小，主电路直流侧电压波动 就会过大，影响有源电力滤波器的补偿效果；若电容值选择过大，则主电路直流侧 电压动态响应变慢，电容体积和价格也会增加。因此需要合理选择有源电力滤波器 直流侧的电容值1 3 9 1 。 3 出线电感的选择 对电感的选择必须满足滤波器对补偿电流的跟踪能力的要求。如果电感l 选择 的过大，跟踪电流变化缓慢，导致跟踪电流和参考电流之间误差较大。如果电感l 选择的过小，当参考电流变化较缓时，补偿电流的变化量可能比参考电流的变化量 大的多，形成毛刺。此外，如果电感l 选择过小，开关器件开通关断所引起的电压 波动将严重影响电网侧电压，使电压波形中开关频率的谐波大大增加，波形变坏。 因此，出线电感值的选择要考虑以上三个因素。 为了满足电流跟踪能力的要求，以a 相为例，滤波器的输出电流变化率要大于 换向期间对应的参考电流的最大变换率，即 酬乱 ( 5 2 5 ) 斛一疋) | 2 6 ， 当有源电力滤波器工作的时间足够长，式( 5 2 6 ) 中交流电压 。的平均作用为 0 。而l e i a 2 3 的概率是1 3 ，f k i 取1 3 的概率是2 3 ，因此i 疋i 的平均值为4 9 。 因此可以求得输出电流变化率的平均值l l 盟a ti l a t ，令其为弓，则 而= 百4 u d c ( 5 - 2 7 ) 令亍为参考电流的最大变化率吲一的平均值，由式限2 5 ，可得： 彳 4 9 u 上a c ( 5 - 2 8 ) 7 7 r 、， 4 5 软起动器的谐波抑制方法研究 丝 ( 5 - 2 9 ) 9 7 7 + 4 无源滤波器电路 为了滤除主电路高频通断产生的高次谐波，可以通过设置高通滤波器并联在系 统的负载侧，使得有源电力滤波器工作中产生的高次谐波电流大部分流入高通滤波 器，从而达到消除系统中高次谐波的目的。 本文采用二阶高通滤波器。二阶高通滤波器的阻抗为【4 】： z o = 而1 ，i - 页1 + 面1 ) 一1 ( 5 3 。) 二阶高通滤波器在某一很宽的频带内呈现低阻抗，从而对高次谐波形成低阻抗 通路，使得这些高次谐波电流大部分流入高通滤波器，起到滤除高次谐波的效果。 高通滤波器的特性可以由以下两个参数来描述： f o2 意 ( 5 - 3 1 ) 肛高( 5 - 3 2 ) 丘为截止频率。在频率f = f 0 o 。的频率范围内，滤波器的阻抗是小于某电阻 r 的一个低阻抗。式( 5 - 3 2 ) 中的m 是一个与品质因数q 直接有关的参数，直接影 响到滤波器调谐曲线的形状。一般q 值取为0 7 - 1 4 ，相应的m 值在2 - 0 5 之间。 5 3 电流跟踪控制电路 由于并联型有源电力滤波器产生的补偿电流应实时跟踪其指令电流信号的变 化，因此要求补偿电流发生器具有很好的实时性。电压型p w m 变流器的电流控制 方法有很多种。其中，被广泛应用的主要是三角载波控制。 三角波比较电流控制方式又称为斜坡比较方式，其主要谐波频率是在开关频率及 其倍数频率附近位置。 图5 5 三角载波比较控制方式原理图 f i g u r e 5 5p r i n c i p l ed i a g r a mo ft r i a n g u l a rc a r d e rc o m p a r i s o nc o n t r o lm e t h o d 从图5 5 可以看出，三角波比较控制方式将指令信号i c 与逆变器输出信号t 的偏 第五章有游电力滤波器f l 冬控制及萁仿奏 差经放大器后再与三角波信号进行比较来产生逆变器的开关控制信号。放大器采用 比例放大器或比例积分放大器。 本文采用比例积分放大器，在三角波比较电流控制中，当比例系数k 。太大易出 现跟踪不上，即不稳定现象；当k 。太小时，跟踪会出现幅值和相位差；当比例系数k 。 取值基本合适后，可以通过调整积分系数露来改善跟踪性能，但是积分系数k 太大容 易影响动态性能。 5 ，4 仿真及其结果分析 5 4 1 三相有源电力滤波器的仿真模型 本文有源电力滤波器谐波和无功电流补偿系统电路如图5 6 所示，整个电路由三 相有源滤波器和三相非线性负载构成，其中非线性负载为软启动器仿真模型。三相 有源滤波器