大型泵站智能起停技术的研究PPT

1、大型泵站异步电机智能大型泵站异步电机智能 起停技术的研究起停技术的研究 专专 业：业：控制理论与控制工程控制理论与控制工程 学生姓名：学生姓名：倪华中倪华中 指导教师：指导教师：杨永立（副教授）杨永立（副教授） 答辩日期：答辩日期：2012014 4. .5 5. .2121 硕士学位论文答辩硕士学位论文答辩 目目 录录 异步电机起停问题的提出及意义1 基于泵类负载起动特性研究2 分级交交变频技术软起动的研究3 软起动器的谐波分析软起动器的谐波分析4 泵站软起停控制策略及其智能化实现 全文总结 5 6 1.1 课题背景课题背景 1.1.电机起停问题的提出及意义电机起停问题的提出及意义 兴建于六

2、七十年代的兴建于六七十年代的泵站存在超负泵站存在超负 荷运行、机组老化、能耗高、运行维荷运行、机组老化、能耗高、运行维 护成本高、自动化程度低等现状，已护成本高、自动化程度低等现状，已 经不能够发挥应有的排涝灌溉作用。经不能够发挥应有的排涝灌溉作用。 另一方面，水利机电设备处于带病运另一方面，水利机电设备处于带病运 行状态不仅影响着设备安全和操作维行状态不仅影响着设备安全和操作维 护人员的人生安全，而且严重影响当护人员的人生安全，而且严重影响当 地的防汛抗旱工作，危急当地的工农地的防汛抗旱工作，危急当地的工农 业生产，因此对这些泵站和水利设施业生产，因此对这些泵站和水利设施 的改造势在必行。电

3、机的起停技术的的改造势在必行。电机的起停技术的 改造是泵站更新改造中比较重要的一改造是泵站更新改造中比较重要的一 个环节，直接衡量着泵站更新改造水个环节，直接衡量着泵站更新改造水 平的好坏。平的好坏。 泵站立式鼠笼异步电机泵站立式鼠笼异步电机 1.1 泵站传统的起动及动其危害泵站传统的起动及动其危害 1.电机起停问题的提出及意义电机起停问题的提出及意义 1.1 传统的起动及动其危害传统的起动及动其危害 1.电机起停问题的提出及意义电机起停问题的提出及意义 F F U UF F U U S S B B 1 1 S S B B 2 2 K K M M 1 1 K K M M 1 1 K K M M

4、 2 2 K K T T K K M M 2 2 K K M M 3 3 K K M M 1 1 K K M M 2 2 K K M M 3 3 K K T T K K T T R R J J 电流可能会达到甚至超过额定电流的电流可能会达到甚至超过额定电流的57倍倍 1.1 传统的起动及动其危害传统的起动及动其危害 1.电机起停问题的提出及意义电机起停问题的提出及意义 发热发热破坏电机的端环和导条破坏电机的端环和导条 电弧电弧接触器切换带来电流尖峰冲击接触器切换带来电流尖峰冲击 流量不可调流量不可调速度不可调速度不可调 水锤及二次冲击水锤及二次冲击很难实现智能起停很难实现智能起停 1.2 新型

5、电力电子软起动方法新型电力电子软起动方法 软启动伴软启动伴随着电力电子技术、自动控制技术和微机控制技术的发展随着电力电子技术、自动控制技术和微机控制技术的发展 应运而生应运而生，常见的起动方法有常见的起动方法有 ：1 1、限流软起动限流软起动 2 2、电压斜坡软、电压斜坡软 起动起动 3 3、加突跳控制起动、加突跳控制起动 4 4 、分级变频软起动、分级变频软起动 5 5、两相变频软、两相变频软 起动起动 无法软停车无法软停车 耗能耗能 某泵站采用一拖三起停方式某泵站采用一拖三起停方式 1.3 软起动（软起动（soft-stater）结构及在泵站的应）结构及在泵站的应 用用 1.电机起停问题的

6、提出及意义电机起停问题的提出及意义 1.3 研究内容研究内容 1.电机起停问题的提出及意义电机起停问题的提出及意义 绘制两类频谱图 2.基于泵类负载起动特性研究基于泵类负载起动特性研究 2.1水锤现象水锤现象 2 2 1 2 1 )( N N p p 2 2 1 2 1 )( N N T T 流体流体具有具有动量动量而且而且可压缩，流量的急剧变化将在管可压缩，流量的急剧变化将在管 道内引起压强道内引起压强急剧变化，会对管道产生急剧变化，会对管道产生冲击，冲击，并伴并伴 随随“空化空化”现象。现象。 电机的转矩第变化和压力的变化成电机的转矩第变化和压力的变化成 正比，要减小压力的脉动，可以考虑减

7、小转矩的变正比，要减小压力的脉动，可以考虑减小转矩的变 化化。 软起动起来解决软起动起来解决 2.2电机起动模型电机起动模型 2.2.基于泵类负载起动特性研究基于泵类负载起动特性研究 dt d le JTT电机运动方程电机运动方程 dt d k-tk 2 01 J 60fcbtatp1s 2 ）（ 2.2电机起动模型电机起动模型 2.2.基于泵类负载起动特性研究基于泵类负载起动特性研究 2 21 2 1 2 2 11 2 2 1 2 2 2 11 )()( 3 3 ll p p m e LL s R R s R Un s R I nP T TeT1 TeTD 起动完成 起动开始 2.3三相交流

8、调压理论三相交流调压理论 2基于泵类负载起动特性研究基于泵类负载起动特性研究 无论 cos sin )tan( tan e 阻感负载 为何值， 只要满足 ，电流连续， 随着触发角 的增大，减小。 2sin 2 1 )()sin2( 1 2 UtdtUU rms )sin()sin( 2 )( 1 t L R T et Z U i 2基于泵类负载起动特性研究基于泵类负载起动特性研究 2.4 仿真仿真 斜坡闭环软起控制原理图斜坡闭环软起控制原理图 2 sin222sin2 01 ）（）（ UU ）t， e T（ 1 1 U t 12 ，U t e3 ，T 2基于泵类负载起动特性研究基于泵类负载起动

9、特性研究 2.4 仿真仿真 2基于泵类负载起动特性研究基于泵类负载起动特性研究 2.4 仿真仿真 2基于泵类负载起动特性研究基于泵类负载起动特性研究 直接起动和斜坡电压软起仿真电流、直接起动和斜坡电压软起仿真电流、 转矩、转速图像转矩、转速图像 2基于泵类负载起动特性研究基于泵类负载起动特性研究 结论结论 直接起动的起动电流比较大，起动极其不直接起动的起动电流比较大，起动极其不 平稳，转矩脉动大，但是起动达到平衡所需要平稳，转矩脉动大，但是起动达到平衡所需要 的时间较少；电压斜坡软起动起动较为平稳，的时间较少；电压斜坡软起动起动较为平稳， 起动电流也大大减小，却牺牲了起动时间，如起动电流也大大

10、减小，却牺牲了起动时间，如 果起动时间过长，可能会造成起动失败。果起动时间过长，可能会造成起动失败。 电压斜坡软起动具有优越的电压斜坡软起动具有优越的起动起动性能。性能。 3分级交交变频技术软起动的研究分级交交变频技术软起动的研究 分级变频即离散频率控制法，基本原理是通过一分级变频即离散频率控制法，基本原理是通过一 定的控制策略，让晶闸管连续导通一个或多个正、定的控制策略，让晶闸管连续导通一个或多个正、 负半波，使软起动器输出电压的频率从一个较低的负半波，使软起动器输出电压的频率从一个较低的 值开始一般情况下是值开始一般情况下是50H z的分频的分频(即即50/n)，分级上，分级上 升，最后达

11、到升，最后达到 50 H z,稳定后保持工频运行。稳定后保持工频运行。 分频率与初相位角关系分频率与初相位角关系 3.1分级变频平衡电压及相位角关系分级变频平衡电压及相位角关系 3 2 3 2 k B k B 3 2 当当 时，时， 1 2 3 k 分频后得到正相序分频后得到正相序 3分级交交变频技术软起动的研究分级交交变频技术软起动的研究 3.1分级变频平衡电压及相位角关系分级变频平衡电压及相位角关系 3 4 3 2 k B 当当 时，时， 2 1 4 3 k 分频后得到负相序分频后得到负相序 分频后的电压波形随着分频率的变化而周期性分频后的电压波形随着分频率的变化而周期性 变化变化 ，当分

12、频率为，当分频率为1、4、7、10、13、16、 19，正相序平衡；当分频率为，正相序平衡；当分频率为2、5 、8 、 11、14、17、20，负相序平衡；当分频率，负相序平衡；当分频率 =3、6 、9、12 、15、18 分频时相位和幅分频时相位和幅 值均不平衡。值均不平衡。 120 60 40 30 24 20 14.17 15 33.13 12 9 .10 10 23. 9 57. 8 8 5 . 7 058. 7 67. 6 31. 6 6 3分级交交变频技术软起动的研究分级交交变频技术软起动的研究 二分频二分频A、B、C相电压相位角相电压相位角 二分频电压表达式及矢量图二分频电压表达

13、式及矢量图 ) 3 2 2 1 sin(2 ) 3 1 2 1 sin(2 2 1 sin2 tUU tUU tUU C B A 3分级交交变频技术软起动的研究分级交交变频技术软起动的研究 二分频直接起动仿真图二分频直接起动仿真图 三分频电压表达式三分频电压表达式 ) 9 13 3 1 sin(2 ) 9 5 3 1 sin(2 3 1 sin2 tUU tUU tUU C B A 3分级交交变频技术软起动的研究分级交交变频技术软起动的研究 3.2分级变频带来的转矩脉动分级变频带来的转矩脉动 ),(),( 2211 ffU L 0),( 晶闸管关断时，由于电机属于感性负载，晶闸管晶闸管关断时，

14、由于电机属于感性负载，晶闸管 会续流导通一段时间，功率因数角会随着转速的变会续流导通一段时间，功率因数角会随着转速的变 化而明显变化，分级变频起动和停机时电磁转矩发化而明显变化，分级变频起动和停机时电磁转矩发 生脉动。抑制触发角生脉动。抑制触发角的变化率即可以抑制的变化率即可以抑制的变化的变化 率。率。 斩波电压有效值与功率因数角和触发角关系斩波电压有效值与功率因数角和触发角关系 )(nfcosICT T 3分级交交变频技术软起动的研究分级交交变频技术软起动的研究 3.3分级变频软起动仿真分级变频软起动仿真 建模建模 delay angle ASM measurement w Continuo

15、us powergui ia，ib，ic v + - UC UB UA simout1 To Workspace1 simout To Workspace simout2 Te Out1 In1 In2 Af Ab Bf Bb Cf Cb Six pulse generator Scope2 m is_abc wm Te -K- Gain 0 m A B C Tm Asynchronous Machine SI Units Af Ab Bf Bb Cf Cb A B C OutA OutB OutC 6SCR 3分级交交变频技术软起动的研究分级交交变频技术软起动的研究 电流电流 转速转速 3分

16、级交交变频技术软起动的研究分级交交变频技术软起动的研究 转矩转矩 conclusion：分级变频软起动：分级变频软起动 电流比较平稳，起动时间比较短，电流比较平稳，起动时间比较短， 分级变频起动的转矩脉动较平稳，分级变频起动的转矩脉动较平稳， 仅仅在仅仅在0.5s、0.9s会发生突变，会发生突变， 脉动幅度比值也比较小。对于要脉动幅度比值也比较小。对于要 求较高的泵站才适用此方法求较高的泵站才适用此方法 4软起动器的谐波分析软起动器的谐波分析 4.1电子式软起动器傅立叶分析电子式软起动器傅立叶分析 1 ) 1cos( 1 ) 1cos( 2n tn n tnu an 1 ) 1sin( 1 )

17、 1sin( 2n tn n tnu bn 幅度频谱和均方根频谱分析幅度频谱和均方根频谱分析 00.050.10.150.2 -1 -0.5 0 0.5 1 t y (a)正 弦 信 号 y=sin(2*pi*50t)时 域 波 形 020406080100 0 20 40 60 80 频 率 (Hz) 幅值 (b)正 弦 信 号 y=sin(2*pi*50t)幅 频 谱 图 N=200 02004006008001000 0 20 40 60 80 100 频 率 (Hz) 均方根谱 (c)正 弦 信 号 y=sin(2*pi*50t)均 方 根 谱 4软起动器的谐波分析软起动器的谐波分析

18、4.2分级变频软起动频谱图分级变频软起动频谱图 2分分 频频 4软起动器的谐波分析软起动器的谐波分析 4.2分级变频软起动频谱图分级变频软起动频谱图 020406080100 0 0.5 1 1.5 2 频 率 (Hz) 幅值 (b)正 弦 信 号 y=sin(2*pi*50t)二 分 频 幅 频 谱 图 N=200 02004006008001000 0 0.5 1 1.5 2 频 率 (Hz) 均方根谱 (c)正 弦 信 号 y=sin(2*pi*50t)二 分 频 均 方 根 谱 0.030.040.050.060.07 -1 -0.5 0 0.5 1 t y (a)正 弦 信 号 y=

19、sin(2*pi*50t)二 分 频 时 域 波 形 2分分 频频 00.020.040.060.080.1 -1 -0.5 0 0.5 1 t y (a)正 弦 信 号 y=sin(2*pi*50t)三 分 频 时 域 波 形 020406080100 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 频 率 (Hz) 幅值 (b)正 弦 信 号 y=sin(2*pi*50t)三 分 频 幅 频 谱 图 02004006008001000 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 x 10 5 频 率 (Hz) 均方根谱 (c)正 弦 信 号 y=sin(2*pi*50t)三

20、 分 频 均 方 根 谱 3分分 频频 4软起动器的谐波分析软起动器的谐波分析 4.2分级变频软起动频谱图分级变频软起动频谱图 4分分 频频 00.020.040.060.080.1 -1 -0.5 0 0.5 1 t y (a)正 弦 信 号 y=sin(2*pi*50t)三 分 频 时 域 波 形 020406080100 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 频 率 (Hz) 幅值 (b)正 弦 信 号 y=sin(2*pi*50t)三 分 频 幅 频 谱 图 02004006008001000 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 x 10 5 频 率

21、(Hz) 均方根谱 (c)正 弦 信 号 y=sin(2*pi*50t)三 分 频 均 方 根 谱 小结：讨论了谐波电压对转矩的影响，在此基础上小结：讨论了谐波电压对转矩的影响，在此基础上 对交交直接变频软起动的基波和各次谐波进行了分对交交直接变频软起动的基波和各次谐波进行了分 析探讨；文献析探讨；文献9虽然对分级变频起动的高次谐波只虽然对分级变频起动的高次谐波只 给出了相应的结论，本章的所做的工作在于对电压给出了相应的结论，本章的所做的工作在于对电压 做出了推导说明，做出了推导说明，并给出了奇次谐波的电压表达式并给出了奇次谐波的电压表达式, 绘制了单相分频的幅度频谱图和均方根频谱图，这绘制了

22、单相分频的幅度频谱图和均方根频谱图，这 些在其他类似的文献中是没有的。些在其他类似的文献中是没有的。 斜坡电压会沿直线上升到额定电压，若直线的斜率斜坡电压会沿直线上升到额定电压，若直线的斜率K1K1 大，起动时间短，平稳性减弱，电流和转矩的脉动严重；大，起动时间短，平稳性减弱，电流和转矩的脉动严重； 反之，起动较为平稳，电流和转矩的脉动会减弱。如果斜反之，起动较为平稳，电流和转矩的脉动会减弱。如果斜 率过小，会造成起动失败。率过小，会造成起动失败。在此基础上设计了闭环转矩在此基础上设计了闭环转矩 PIDPID模糊控制方法。以实现模糊控制方法。以实现PIDPID中三个参数的自整定。中三个参数的自

23、整定。 5. 泵站软起停控制策略及其智能化实现泵站软起停控制策略及其智能化实现 5.1基于模糊基于模糊PID的斜坡电压闭环软起动实现的斜坡电压闭环软起动实现 5. 泵站软起停控制策略及其智能化实现泵站软起停控制策略及其智能化实现 5.1模糊控制器的设计模糊控制器的设计 5. 泵站软起停控制策略及其智能化实现泵站软起停控制策略及其智能化实现 5.1基于模糊基于模糊PID的斜坡电压闭环软起动实现的斜坡电压闭环软起动实现 tkTTe 10 斜坡转矩为斜坡转矩为取取 0 0 T 拉氏变换拉氏变换 2 1 )( s k sTe 异步电机是一个多变量非时变非线性异步电机是一个多变量非时变非线性 函数，无法

24、得出其精确的传递函数函数，无法得出其精确的传递函数 5. 泵站软起停控制策略及其智能化实现泵站软起停控制策略及其智能化实现 5.1建模及仿真建模及仿真 012345678910 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 t/s c(t) 常规PID单位阶跃响应 012345678910 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 t/s c(t) 自适应模糊PID控制 5. 泵站软起停控制策略及其智能化实现泵站软起停控制策略及其智能化实现 转矩转矩 conclusion：上述两个仿真图：上述两个仿真图 像的对比可以知道，模糊自适应像的对比可以知道，模糊自适应 PID比

25、常规比常规PID的超调量明显小的的超调量明显小的 多，稳态误差和波动范围也要小，多，稳态误差和波动范围也要小， 到达峰值时间相差不大，但是到到达峰值时间相差不大，但是到 达稳态的时间后者明显快一些，达稳态的时间后者明显快一些， 由此说明自适应模糊由此说明自适应模糊PID较传统较传统 PID而言具有较强的自适应性和而言具有较强的自适应性和 鲁棒性能。鲁棒性能。 5. 泵站软起停控制策略及其智能化实现泵站软起停控制策略及其智能化实现 5.2分级变频软起动器的设计分级变频软起动器的设计 硬件系统：硬件系统：a.晶闸管选择晶闸管选择 b.主芯片：主芯片：16位单片机位单片机 S87C196MH c.键

26、盘和显示部分键盘和显示部分 (8255A拓展部分拓展部分) d.同步信号检测电路同步信号检测电路 e.电压电流检测电路电压电流检测电路 f.功率因功率因 数检测电路数检测电路 f.保护电路保护电路 5. 泵站软起停控制策略及其智能化实现泵站软起停控制策略及其智能化实现 软件系统：软件系统： 主程序主程序主程序自检程序主程序自检程序 5. 泵站软起停控制策略及其智能化实现泵站软起停控制策略及其智能化实现 软件系统：软件系统： WG中断程序中断程序分级变频程序分级变频程序 1、在在matlab/simulink环境下搭建了三相交流电机直接起动和环境下搭建了三相交流电机直接起动和 斜坡电压软起动的模

27、型，通过仿真对比两者之间的电流、转斜坡电压软起动的模型，通过仿真对比两者之间的电流、转 速、转矩波形图像速、转矩波形图像，说明软起动对，说明软起动对“水锤水锤”具有抑制作用。具有抑制作用。 2、提出了分级变频软起动方案的应用，分频后的电压电流波、提出了分级变频软起动方案的应用，分频后的电压电流波 形随着分频率的变化呈周期性的变化；形随着分频率的变化呈周期性的变化； 、正负相序电压产生的电磁转矩叠加后会产生转矩脉动，晶、正负相序电压产生的电磁转矩叠加后会产生转矩脉动，晶 闸管的导通角的变化随着功率因数角的变化而变化；闸管的导通角的变化随着功率因数角的变化而变化； 、在、在matlab/simul

28、ink环境下搭建仿真模型，仿真过程中分环境下搭建仿真模型，仿真过程中分 频时间变换函数是关键环节，各模块的输出输入类型不同，频时间变换函数是关键环节，各模块的输出输入类型不同， 需要加入数据转换模块。需要加入数据转换模块。 6. 全文总结全文总结 5、对电子式软起动和分级变频软起动进行了谐波分析。电对电子式软起动和分级变频软起动进行了谐波分析。电 子式软起动在子式软起动在120导通角时，导通角时，电流比为电流比为2.3，转矩比为转矩比为 1.6。对于分级变频软起动方式，求出了。对于分级变频软起动方式，求出了2、3、4分频的谐分频的谐 波电压三角级数表达式。在前人研究的基础绘制单相电压波电压三角级数表达式。在前人研究的基础绘制单相电压 的幅度频谱和均方根频谱图。的幅度频谱和均方根频谱图。 6、将模糊自适应、将模糊自适应PID斜坡电压的闭环控制应用于软起