（控制科学与工程专业论文）重载分级变频软起动器研究.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与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说明并表示了谢意。 2 0 f 8 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：监导师签名夕豪盘笸彳二一日期 。2 0 l l 。弋蠼 武汉理l ：大学硕十学位论文 摘要 在工业生产当中，有许多带重载的设备，比如传输带、矿井起重机、粉碎 机、球磨机等。这些设备如果出现故障停车，那么再重新起动就比较困难。三 相异步电动机直接起动时会产生很大的冲击电流，减少电动机的使用寿命，对 电网上的其它设备也会造成一定的影响。采用传统降压起动或电子式软起动器 起动又难以提供足够大的起动转矩，无法实现电动机的重载起动。而变频器造 价太高，将它仅用于电动机起动，是种浪费。 为此，本文完成了重载分级变频软起动器的研究该重载分级变频软起动 器将变频电抗器和分级变频器相结合，通过低压分级变频器控制高压变频，降 低电动机定子输入频率，提高电动机起动转矩，降低起动电流，从而实现电动 机的重载起动。本文主要研究了以下工作： ( 1 ) 采用分级变频的方法，在降低定子电压的同时也降低频率，提高电动 机的起动转矩，解决了传统降压起动和电子式软起动存在的起动转矩小的问题， 可以使电动机在重载的情况下平滑起动。本文详细地阐述了分级变频理论及其 控制策略，用对称分量法分析了分级变频子频率与最佳相位角的关系，又通过 数学分析方法计算出子频率对应的晶闸管触发角的大小 ( 2 ) 对三相异步电动机的重载分级变频软起动系统进行了建模与仿真。仿 真采用4 级变频起动模式，即l 7 f - l 4 f i l 2 f - f 同时还对电动机的直接起动 和降压软起动进行了仿真仿真试验结果表明：采用分级变频软起动方法起动 电动机时，起动转矩比降压软起动大，而且起动电流小，是一种较为有效的电 动机重载软起动方法。 ( 3 ) 对三相异步电动机的重载分级变频软起动方法进行了试验研究。分别 在一台额定功率为ll k w 的风机负载上通过了试验和一台额定功率为2 3 0 w 的提 升机负载上通过了重载软起动试验。试验结果表明，采用重载分级变频软起动 不仅可以使电动机平滑软起动，而且起动转矩大大提高，因而可以很好地实现 电动机的重载软起动。 因此，可以得出结论：采用重载分级变频软起动方法起动电动机时，可以 获得较大的起动转矩，同时起动电流也较小，可以用在电动机重载起动场合。 关键词：三相异步电动机，变频电抗器，分级变频，重载，软起动，仿真 武汉理l ：人学硕十学位论文 a b s t r a c t t h e r ea r el o t so fo v e r - l o a d i n gt r a n s p o r te q u i p m e n t si n i n d u s t r y , s u c ha s t r a n s m i s s i o nb e l t ，m i n ec r a n e ，m u l l e r , b a l lm i l l ，e t c 硼1 e s ee q u i p m e n t sw i l lb e c o m e m o r ed i f f i c u l tt or e s t a r to n c et h e yo c c u rt ob r e a kd o w n i ft h em o t o ri ss t a r t e dd i r e c t l y , i tw i l lp r o d u c eab i gc u r r e n ti m p a c ta n ds h o r tt h eu s e f u lt i m eo ft h em o t o r , a s l oc a n c a u s ec e r t a i ni n f l u e n c et oo t h e rd e v i c e so nt h en e t w o r k a d o p t i n gr e d u c i n g - v o l t a g e s t a r ta n dt r a d i t i o n a le l e c t r o n i cs o f ts t a r t e rc a nn o tp r o v i d eb i ge n o u g hs t a r t i n gt o r q u e a n dn o tc a r r yh e a v yl o a dt os t a r t a n di n v e r t e rc o s ti st o oh i g h s oi ti sak i n do fw a s t e i ft h ei n v e r t e ru s e do n l yf o rm o t o rs t a r t i n g t h e r e f o r e ，d i s c r e t ev a r i a b l ef r e q u e n c ys o f ts t a r t e ro fh e a v yl o a db a s e do nv a r i a b l e f r e q u e n c yr e a c t o rw a sc o m p l e t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t i l i ss o f ts t a r t e rc o m b i n e s v a r i a b l ef r e q u e n c yr e a c t o rw i t hd i s c r e t ev a r i a b l ef r e q u e n c yc o n v e r t e r , t h r o u g ht h el o w v o l t a g ef r e q u e n c yi n v e r t e rc o n t r o lh i g hv o l t a g ec h a n g ef r e q u e n c e ，r e d u c em o t o rs t a t o r c u r r e n tf r e q u e n c y , t h u si m p r o v em o t o rs t a r t i n gt o r q u ea n dr e d u c es t a r t i n gc u r r e n t ，s o a st or e a l i z et h em o t o rh e a v yi o a ds t a r t i n g t l l i sd i s s e r t a t i o nm a i n l ys t u d i e s t h e f o l l o w i n gj o b ： f i r s t l y , t h i sd i s s e r t a t i o nu s e sd i s c r e t ev a r i a b l ef r e q u e n c ym e t h o dr e d u c es t a t o r v o l t a g ea n di t sf r e q u e n c ea tt h e t l l l et i m e i tc a ni m p r o v et h em o t o r ss t a r t i n gt o r q u e a n do v e r c o m et h es t a r t i n gt o r q u es m a l lp r o b l e mb yt r a d i t i o n a le l e c t r o n i cs o f ts t a r t e r i t c a nm a k em o t o rs t a r ts m o o t h l yi nt h ec a g eo fh e a v yl o a d t h ep r i n c i p l eo fd i s c r e t e v a r i a b l ef r e q u e n c ys o f t s t a r t i n gw a si l l u s t r a t e d i nd e t a i l u s et h em e t h o do f s y m m e t r i c a lc o m p o n e n t sa n a l y s i ss u bf r e q u e n c ep r o d u c ep h a s ec o m b i n a t i o nm e t h o d w i t hm a x i m u mt o r q u eb yd i s c r e t ev a r i a b l ef r e q u e n c ym e t h o d a n dt h em a t h e m a t i c a l a n a l y s i sm e t h o di su s e dt oc a l c u l a t et h et h y r i s t o rt r i g g e ra n g l ei nt h o rc o r r e s p o n d i n g s u bf r e q u e n c e s e c o n d l y , i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h em o d e la n dt h es i m u l a t i o no fd i s c r e t ev a r i a b l e f r e q u e n c ys o f ts t a r t e ro ft 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 nd o n e t h e s i m u l a t i o nu s i n g4l e v e l ss t a r t i n gm o d e , n a m e l y1 7 f - 1 4 卜1 2 f - a tt h es a l t l e t i m e ，t h ed i r e c ts t a r t i n gw a ya n ds o f ts t a r t i n gm o d eo fm o t o rh a v eb e e ns i m u l a t e d 1 1 1 es i m u l a t i o nt e s tr e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h em o t o rw a ss t a r t e db yu s i n gd i s c r e t e v a r i a b l ef r e q u e n c ys o f t - s t a r t i n gm e t h o d ，i tc a np r o d u c eh i g hs t a r t i n gt o r q u ea n dl o w s t a r t i n gc u r r e n t , i tw a sar e l a t i v e l ye f f e c t i v em e t h o d so nm o t o ra b o u th e a v y - l o a d s o f t s t a r t i n g t 1 1 i r d l t l l i sd i s s e r t a t i o nh a sd o n et h ee x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o na b o u td i s c r e t e v a r i a b l ef r e q u e n c ys o f ts t a r t e ro ft h r e e - p h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o r 劢es y s t e m e x p e r i m e n t sa b o u ta i rb l o w e rl o a dw h o s ep o w e rw a s1 1k wa n dh o i s tl o a dw h o s e p o w e rw a s2 3 0 wr e s p e c t i v e l yw e r e d o n ei nt h el a b o r a t o r y 功ee x p e r i m e n tr e s u l tt h a t t h ed i s c r e t ev a r i a b l ef r e q u e n c ys o f ts t a r t e rn o to n l yc a ns t a r tm o t o rs m o o t h l y , b u ta l s o n 武汉理i ：人学硕十学位论文 c a ni n c r e a s et h em o t o r ss t a r t i n gt o r q u eg r e a t l y , t h u si tc a nr e a l i z es o f t - s t a r t i n go f m o t o rw i mh e a v yl o a de a s i l ya n dp e r f e c t l y t h e r e f o r e ，w ec a nd r a wt h ec o n c l u s i o n ：u s e st h ed i s c r e t ev a r i a b l ef r e q u e n c y s o f t s t a r t i n gm e t h o d t os t a r tm o t o r , i tc a no b t a i nh i g h e rs t a r t i n gt o r q u e ，s i m u l t a n e o u s l y t h es t a r t i n gc u r r e n ta l s ol o w e r , i tc a nb eu s e di no v e r l o a d e dm o t o rs t a r t i n go c c a s i o n k e yw o r d s ：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 , v a r i a b l e d i s c r e t ev a r i a b l ef r e q u e n c y , h e a v yl o a d ，s o f ts t a r t i n g , i i i f r e q u e n c yr e a c t a n c e ， s i m u l a t i o n 2 7 变频器软起动方法：l6 2 8 常用起动方法的比较分析1 7 2 9 本章小结19 第3 章重载分级变频软起动系统的方案与结构设计2 0 3 。l 变频软起动系统的方案设计2 0 3 1 1 直接变频软起动系统方案设计2 0 0 1 2 直接分级变频软起动系统方案设计2 l 0 1 3 基于变频电抗器的重载分级变频软起动系统方案设计2 2 3 1 4 三种起动方案的比较分析2 3 3 2 重载分级变频软起动系统的结构设计2 4 3 3 本章小结2 5 第4 章重载分级变频控制原理分析2 7 4 1 异步电动机的起动电流与起动转矩分析2 7 4 2 分级变频控制原理分析3 0 4 2 1 单相分频原理3 0 武汉理：r 大学硕士学位论文 一4 2 2 三相分频原理3 1 4 2 3 子频率与最佳相位角的关系3 5 4 2 4 子频率触发角的计算3 8 4 3 本章小结4 5 第5 章重载分级变频软起动系统的仿真研究4 6 5 1m a t l a b s i m u l i n k 仿真工具介绍4 6 5 2 重载分级变频软起动系统的仿真平台建立4 8 5 2 1 三相电压源仿真模块4 8 5 2 2 变频电抗器仿真模块4 8 5 2 3 控制器仿真模块4 9 5 2 4 分级变频器仿真模块5 2 5 2 5 电动机模型及测量显示仿真模块5 4 5 2 6 重载分级变频软起动系统仿真模型5 5 5 3 重载分级变频软起动系统的仿真结果分析5 5 5 3 1 直接起动和降压软起动仿真结果5 6 5 3 2 重载分级变频软起动仿真结果5 8 5 4 本章小结6 0 第6 章重载分级变频软起动试验研究6 1 6 1 风机负载的分级变频软起动试验。6 l 6 2 提升机负载的分级变频软起动试验6 3 6 3 本章小结“ 第7 章全文总结与展望6 5 7 1 全文总结。6 5 7 2 展望6 6 参考文献6 7 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文7 0 致谢71 v 武汉理一l ：人学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 随着经济与社会的不断发展，各种各样的电动机已经在国民经济的各个领 域中( 如冶金、钢铁、机械加工、石油等) 得到了广泛应用。其中在各种电力 拖动系统的电动机中，三相异步电动机以其高度稳定的性能，在工矿企业等各 个领域发挥着重要作用【l j 。 然而在三相异步电动机的的应用当中，其起动问题，长期以来都是人们关 注和研究的焦点。现在有许多企业仍然采用直接起动方法起动电动机。 在三相异步电动机的起动性能中，有两个非常重要的指标：起动电流和起 动转矩。三相异步电动机如果采用直接起动方法，那么会产生很大的起动电流， 其电流有效值一般可达额定电流的4 到8 倍。这样造成的危害是：对电动机本 身而言，过大的起动电流会产生过大的电磁冲击，且电动机如果频繁起动，会 使其绕组过热，从而减少电动机使用寿命；过大的起动电流会对电网及其负载 造成干扰，使电网电压波动，给生产带来不必要的麻烦。因此，必须减小电动 机在起动过程中的起动电流。对于如何降低电动机的起动电流，并且提高电动 机的起动转矩，一直以来都是广大电机学者及专家们重点研究的课题【2 】p j 。 一般情况下，生产机械对电动机起动性能的主要要求有四点：一是为了保 证生产机械正常起动，电动机应该能够提供足够大的起动转矩；二是在满足起 动转矩要求的前提下，希望电动机的起动电流越小越好，以便减轻起动电流对 电网及其它设备产生的冲击；三是起动设备应该力求造价低廉、结构简单和操 控方便；四是应该节约能源，降低电动机起动过程中的能量损耗 4 1 通常在实际应用中广泛采用降压起动的方法解决三相异步电动机在起动时 产生较大的电流冲击问题。传统的降压起动方法有定子串接电抗器起动、y 一 起动、自耦变压器降压起动、延边三角形起动等。这些方法虽然在一定程度上 降低了电动机的起动电流，但是也不同程度地降低了电动机的起动转矩，因此 电动机的起动性能并未有效改善。随着工矿企业对设备自动化、机械化水平的 不断提高，这种矛盾慢慢的凸显出来【5 】。 2 0 世纪7 0 年代兴起的电子式软起动方法，即晶闸管式软起动方法，其原理 武汉理l ：大学硕士学位论文 是在三相异步电动机和三相供电电源之间串联三相晶闸管组，通过控制三相晶 闸管组的导通角从而改变晶闸管组的输出电压，从而间接的改变电动机的实际 输入电压来达到降低电动机起动电流的目的。因此，从本质上说，晶闸管式软 起动方法属于降压起动范畴。由于可以连续控制晶闸管组的导通角，因此能够 连续控制电动机的实际输入电压，即可以连续调节电动机的起动电流，且可以 将电动机的起动电流控制在额定电流的0 5 至4 倍，克服了传统降压起动时出现 的电流冲击现象 6 1 。由于电动机的电磁转矩( 起动转矩) 与定子电压的平方成正 比，当定子电压降低时，其起动转矩也会降低，因此晶闸管式软起动方法只适 用于电动机空载起动或者轻载起动。对如传输带、球磨机、矿井起重机等需要 重载起动的场合并不适用。 2 0 世纪8 0 年代出现的变频器调速技术则可以克服晶闸管式软起动方法的不 足。由于采用传统降压起动和晶闸管式软起动器起动的电动机都有着起动转矩 小的缺点，因此它们无法适用于工矿企业中一些需要带重载起动的电动机。变 频器除了可用于电动机的调速外，也很好的解决了电动机的起动问题，不仅能 对电动机进行平滑起动，而且起动转矩高。但由于变频器的价格太高，对于不 需要调速而仅仅为了解决电动机起动问题的场合，使用变频器无疑是一种巨大 的浪科7 】。 电动机是工矿企业中使用最为广泛的一种必备设备，其数量多、应用范围 广、地位重要等特点造就了电动机的辉煌。但是，在实际应用中会有很多电动 机经常处于空载运行或者轻载运行，其运行效率极低，电能浪费相当严重。这 就势必造成了电动机巨大的的能量损耗。随着全球能源危机的日渐蔓延，根据 可持续发展的要求，节能降耗问题越来越受到人们的关注【引因此，如何有效的 使用电动机，使其运行效率达到最佳，成为目前亟待解决的重要问题。 综上所述，如果能在晶闸管式软起动方法的基础上，再提高电动机的起动 转矩，这将大大扩展软起动器的应用范围。分级变频器的出现，不仅解决了晶 闸管式软起动方法上存在的弊端，也克服了变频器这类造价很高的产品用在电 动机起动中的不足。分级变频器不改变晶闸管式软起动器的主电路结构，高效 低成本地解决了三相异步电动机的起动问题，大大提高了晶闸管式软起动器的 起动性能，而且对解决电动机的能源消耗浪费问题具有重要意义。因此，分级 变频软起动器的出现成为填补晶闸管式软起动器与变频器中间空白的重要研究 对象【9 1 【1 0 】。 2 ( 2 ) 智能化方向发展。理想中的电动机软起动器应该能够对以往起动过程 进行分析、诊断和评价，根据处理结果找出规律，自动修改起动曲线，实现自 学习。电动机软起动器的智能化应该包括诊断、推理、识别、规划、记忆、学 习等功能【1 2 】【1 3 】； ( 3 ) 微型化方向发展。例如采用的集成移相调控晶闸管模块，是在可控硅 工作原理的基础上，采用新技术，将晶闸管器件与复杂的移相触发控制电路集 成在一起，组成一个完整的、微型的晶闸管开环移相控制系统，只需搭建适当 的外围电路，就可以构成完整的控制系统。将该系统应用于电动机软起动器中， 不仅可以使软起动器体积大大减小，而且设备的稳定性和抗干扰能力也大大增 加【1 4 1 近年来国外的一些大公司，例如美国的a b 公司、法国的施耐德电气 ( s c h n e i d e re l e c t r i c ) 公司、德国的西门子( s i e m e n s ) 公司、法国的 t e 公司以及瑞士的a b b 公司等都推出了自己的比较有优势的产品，但国外这 些产品价格相对都比较高昂，无法满足国内市场的需要【l5 1 。我国在电动机智能 软起动器领域的研究起步相对较晚，虽然近年来有些企业在软起动器的产品开 发上有所创新，例如辽宁英信电力电子股份有限公司、杭州华光电气有限公司 等，但在技术上和性能上与国外同类型的产品还存在一定的差距。而且国内企 业所研发的软起动器通常仅适用于电动机的空载起动或轻载起动，在许多需要 重载起动的场合，如传输带、矿井起重机、挤出机和球磨机等，软起动器研发 的产品相对较少。因此，研究与生产新型的高起动性能的重载软起动器具有重 要的实用价值【1 6 】【1 7 1 。 晶闸管式软起动方法是通过改变三相晶闸管组的输出电压来间接改变电动 武汉理：r ：大学硕士学位论文 机定子侧的实际输入电压而达到降低电动机起动电流的目的，因此，从本质上 说，晶闸管式软起动方法属于降压起动范畴。由于可以连续控制晶闸管组的导 通角，因此能够连续控制电动机的实际输入电压，也就是说可以连续调节电动 机的起动电流，而且可以将电动机的起动电流控制在额定电流的o 5 至4 倍，解 决了传统降压起动方法存在的电流冲击问题。另外，由于三相晶闸管组所采用 的功率器件为电力电子器件，传统降压起动中用到的接触器、控制器等切换开 关便可省去，因此电动机起动装置的体积大大减小了，其后续的维修保护也简 单了许多【1 9 】。 随着晶闸管式软起动器的不断推广使用，其在限制起动电流的基础上逐渐 加入了一些新的功能，例如监测电动机的实时电压和电流、功率因数、过流和 过压保护以及电动机的短路保护等。所以，如今的晶闸管式软起动器已经不再 是传统简单的电动机起动装置，而是集电动机的起动、控制、监控、保护、节 能于一体的智能化设备。在当下，晶闸管式软起动器仍然为各工矿企业广泛使 用的电动机起动设备【2 0 1 然而，在晶闸管式软起动器的使用中，仍然有两个因素制约它的推广使用： 其一是如果电动机在高电压大电流下工作，那么电力电子器件晶闸管容量 的使用将会受到影响；其二是由于晶闸管式软起动方法属于降压起动范畴，在 起动过程中，电动机定子侧的端电压降低了，这样就导致了与电动机定子电压 的平方成正比的电磁转矩也降低了，因此难以使电动机工作在带重载起动或者 高转矩负载起动的场合【2 1 1 目前，国内外有些专家学者提出了提高晶闸管式软 起动器使用效益的一些解决方案：( 1 ) 将电力电子功率器件进行串并联组合以 便提高其耐压级别和触发速度，改善触发系统的性能以便提高晶闸管触发和关 断的同时性；( 2 ) 可以将电动机起动装置分为高压和低压两部分，控制系统位 于低压部分，通过控制低压部分电力电子功率器件来间接控制高压部分的 装置，如电抗器( 本文设计的分级变频软起动器就用到了电抗器) 和开关变压 器等。而对于电动机带高转矩负载或恒转矩负载的起动，只能考虑在电动机的 起动过程中降低起动电压的同时，增大电动机的起动转矩，这才是最要紧的解 决办法【2 2 】 2 3 】。 另外，国内外许多机电行业的专家学者纷纷致力于电动机软起动器中控制 系统的控制算法方面的研究，从传统简单的p i d 控制到模糊算法控制，再到目 前较为流行的神经网络控制及人工智能控制等。其中，控制变量包括电动机定 子电压、定子电流、电磁转矩、电动机转速和功率因数角等。于此同时，电动 4 武汉理jl ：大学硕+ 学位论文 机软起动器的总体性能也在不断完善，它可以将某些测量及保护装置集中于一 体使其功能越来越多，例如可以测量电动机的定子电压、定子电流、电动机转 速和功率因数等【2 4 1 【2 5 】。 诚然，采用晶闸管式软起动方法虽然在一定程度上提高了电动机的起动性 能，但它仍然属于降压起动范畴，所以无法有效地提高电动机的起动转矩，使 电动机带重载起动或者带恒转矩负载起动受到限制。所以，在一些需要重载起 动的工矿业场合，企业纷纷把目光投向采用变频器起动电动机。虽然采用变频 器起动可以有效的提高电动机的起动转矩，改善起动性能，但是变频器的价格 昂贵，成本高，将其只用在电动机的起动中是非常不经济的【2 6 1 。 1 9 9 7 年，美国田纳西州科技大学的a n t o n i og i n a r t 博士提出了离散变频控制 法，即分级变频，他为重载软起动器的研究与开发提供了最初的理论依据。分 级变频软起动方法是在保持晶闸管式软起动器的主电路结构不变而改变晶闸管 的触发控制方法，通过特殊控制来接通工频电源的某些半波而断开另外一些半 波，由此达到变频的目的【2 7 】【4 3 】晶闸管式软起动器在起动电动机时由于限制了 起动电压，这样虽然起动电流降低了，但是起动转矩也受到了影响起动转 矩降低了很多，这样就无法适应于一些需要带重载或恒转矩负载起动的电动机。 如果采用分级变频软起动方法，就可以提高电动机的起动转矩，从而很好地改 善了电动机的起动性能。概括地说，分级变频软起动是指在电动机起动时，像 变频器起动一样，使电动机定子电压频率从一个较小的值逐渐升高，直到工频 5 0 h z 为止( 在变频过程中，定子电压频率是分步、离散的升高，而不像变频器 是连续变频的) 2 8 1 【2 们 a n t o n i og i n a r t 博士提出的分级变频软起动方法，虽然从理论上解决了电动 机起动转矩小的问题，但仍然存在一些问题，例如：没有考虑一个正弦周期内 两个过零点处瞬时电压值方向性的不同，使得各子频率下三相初始相位角组合 过多，其中有一半组合对实际应用没有意义；产生各级子频率下最大正序分量 的相位角组合计算方法繁琐等。因此，a n t o n i og i n a r t 博士提出的分级变频软起 动方法并未有效地提高电动机的起动转矩，其应用受到一定的限制【3 0 】【3 1 1 。 另外，在电动机软起动器的控制系统中，往往需要对电动机的转速进行实 时监测。为了得到电动机的转速信息，通常采用的方法是在软起动器的控制系 统中安装速度传感器装置，如测速发电机、光电码盘等，但这些传统的速度传 感器装置不仅使软起动系统成本增高，复杂性增加，后续维护增多，系统的可 靠性和鲁棒性降低了，而且必然会在一定程度上影响软起动器的应用范围。为 武汉理1 ：人学硕十学位论文 此，许多机电行业的专家纷纷致力于无速度传感器技术的研究工作，即如何从 已知的电动机各运行参数中，准确无误地估算出电动机实际的转速大小。基于 无速度传感器的电动机软起动器的关键问题是怎样对电动机转子的速度进行估 算，目前主要用到的方法有直接计算、参数辨识、状态估计、间接测量等，即 从电动机定子侧相对比较容易测量的参数中( 如定子电压、定子电流、电磁转 矩等) ，计算出与转子速度有关的参数，从而进一步计算出转子的转速值【3 2 1 3 3 1 。 国外从2 0 世纪7 0 年代就开始从事无速度传感器技术的研究工作。1 9 7 5 年， a a b b o n d a n t i 等人首次公开了采用无速度传感器矢量控制的三相异步电动机调 速系统，但因为它是由稳态电路获得的，因此难以保证调速性和精度；1 9 8 6 年， t o n t a n i 首次从理论意义上提出了转速辨识方法；1 9 8 7 年，s t a m a i 在软起动控 制系统中引入了模型参考自适应方法。从此，各种关于三相异步电动机的转速 辨识方法陆续地被提出来。目前，关于无速度传感器的研究方法可分为以下三 大类【蚓脚】： ( 1 ) 基于基波模型的方法，主要的研究方法有直接计算法、模型参考自适 应辨识法( m r a s ) 、转差频率推导法、反电动势估算法和滑模变结构法等基 于基波模型的方法能够对电动机的各项参数变化做出快速、准确的响应，但其 鲁棒性较差，比较适用于检测电动机在高速度运行下的转速； ( 2 ) 高频信号注入法，美国威斯康星大学( w i s c o n s i nu n i v e r s i t y ) 的l o r e n z 等学者采用高频信号注入法以解决电动机在低转速运行时转子速度计算不准的 问题，其主要原理是通过给电动机出线端注入一个三相平衡的高频电流信号( 或 者电压信号) ，利用电动机的凸极性对高频电流波形( 或者电压波形) 的影响来 获取转子位置信息，鉴于这种方法采用的是电动机内部的凸极效应，不依赖任 何电动机参数，因此能够实现电动机转子位置的估算和低速段运行，具有较好 的鲁棒性和较高的精度【3 5 l 【3 6 】； ( 3 ) 人工智能理论基础上的估算方法，该方法中基于人工神经网络的方法 在电动机转速估算中用的较多，但是理论研究处于初级阶段，不太成熟，该方 法的应用暂处于起步阶段，硬件实现较困剌了7 1 继a n t o n i og i n a r t 博士之后，国外机电行业学者虽然也进行了相关分级变频 软起动方法的研究，但后续实验和应用报道较少，倒是国内有很多高校和研究 机构在此项技术的基础上进行了大量研究。较为突出的有国内学者赵凯岐，他 在a n t o n i og i n a r t 博士的分级变频理论的基础上有所改进，但其未解决各级子频 率不平衡和负序系统下的最优触发角组合方案；佘致廷等人提出了在分级变频 6 武汉理l ：大学硕十学何论文 软起动器的控制系统采用电动机转速作闭环控制并采用无速度传感器，可以克 服转矩突跳现象；王毅，徐殿国等人在采用无速度传感器的基础上，提出了基 于晶闸管截止电压来求出电动机转速的方法；李冬辉，马跃贤等人针对分级变 频的特点，提出了基于矢电残压的电动机转速测量方法【3 驯 4 5 o 在国内应用方面，哈尔滨工业大学的徐殿国教授所带领的团队将此项技术 应用于油田潜油螺杆泵重载起动中，并已进入半产业化阶段，但是他们的技术 主要应用于低压3 8 0 v 领域，且油田潜油螺杆泵的重载只是在起动瞬间，不完全 属于恒转矩的重型负载：西北工业大学、华北电力大学、华中科技大学及湖南 大学也都有相关的研究报道，但是大多处于理论研究和仿真阶段；企业应用方 面，山西太原惠特公司生产的应用于煤矿刮板运输带的调压调频软起动器也已 一 投入生产销售，年销售近千台，不过仍为低压领域，且目前只应用于煤矿的刮 板运输带负载；辽宁英信电力电子股份有限公司开发了高电压的有级变频软起 动装置，通过控制晶闸管来实现有级变频无级调压的功能。它可以输出1 2 5 h z 、 2 5 h z 和5 0 h z 三种频率，输出频率跳跃范围较大，虽然应用于高压领域，但采 用的是晶闸管串联的方式来解决晶闸管耐压问题，三级分级变频主电路拓扑结 构图如图1 1 所示。图1 1 中为五对反并联晶闸管组，成本较高，且目前其应用 从查询资料来看应用于风机负载，不是真正的重型负载【3 川 a b c 图1 1 三级分级变频主电路拓扑结构图 综上所述，从目前国内外电动机重载软起动器的研究现状来看，分级变频 软起动方法是利用品闸管式软起动器的主电路结构不变而改变晶闸管触发控制 方法的一种新型软起动技术，其不仅克服了传统降压起动中存在的电流冲击问 7 武汉理一f ：大学硕士学位论文 题，而且解决了晶闸管式软起动方法存在的起动转矩小的问题，并且其价格远 远低于变频器。因此，这项技术将是今后重载软起动领域的一个重要发展研究 方向。 1 3 论文的主要研究工作 本论文在总结国内外有关分级变频软起动技术的基础上，研究了一种基于 变频电抗器的分级变频软起动器，并对分级交频软起动器进行了理论分析和技 术研究，进行了分级变频软起动系统的建模与仿真，并在现有实验条件下进行 了分级变频软起动器的试验验证。其主要研究工作如下： ( 1 ) 检索本分析了课题的研究背景和意义以及国内外重载软起动器的研究 现状； ( 2 ) 比较并分析了国内外三相异步电动机常用起动方法，包括直接起动方 法、传统降压起动方法、电子式软起动方法，转子串频敏变阻器起动方法、转 子串液体电阻器起动方法、双绕组电动机起动方法以及变频器起动方法并从 电动机起动电流、起动转矩和起动设备的生产成本三个方面对常用起动方法进 行了比较。 ( 3 ) 进行了重载分级变频软起动系统的方案与结构设计，其中分级变频软 起动器主要由变频电抗器、分级变频器和控制器组成； ( 4 ) 进行了重载分级变频控制原理研究，分析了异步电动机起动电流和起 动转矩特性、分级变频原理、子频率与最佳相位角关系和子频率触发角的计算 ( 5 ) 进行了重载分级变频软起动系统的建模与仿真，并对电动机的直接起 动、降压软起动和分级变频软起动三种起动方法进行了仿真比较与分析； ( 6 ) 进行了重载分级变频软起动器的试验分析，分别对一台风机负载和一 台提升机负载进行了分级变频软起动试验验证。 武汉理：1 二大学硕士学位论文 第2 章三相异步电动机常用起动方法研究 目前，国内外三相异步电动机常用的起动方法主要有直接起动、传统降压 起动、电子式软起动器起动、转子串频敏变阻器起动、转子串液体电阻器起动、 双绕组电动机起动和变频器起动。 2 1 直接起动方法 直接起动是一种最直接、最容易的电动机起动方法，具有最低的设备成本 和最高的稳定性。直接起动方法能使电动机产生最高的起动转矩，具有最短的 起动时间。但是直接起动时，电动机起动电流约为额定电流的4 至8 倍，对电 动机本身而言，过大的起动电流会产生过大的电磁冲击，而对频繁起动的异步 电动机来说，频繁出现短时大电流会使电动机内部发热较多而过热，加速电动 机绝缘老化；过大的起动电流会对电网及电网上的其他负载造成干扰，使电网 电压产生波动，给生产带来不必要的麻烦，比如说电灯会变暗，数控设备可能 失常，重载的异步电动机可能停转等【1 】【2 1 。 2 2 传统降压起动方法 考虑到三相异步电动机的起动电流不能过大，因此传统降压起动主要是通 过降低电动机定子侧输入电压的方法来减小电动机起动电流的。传统降压起动 常用的方法有：定子串接电抗器起动、y 一起动、自耦变压器降压起动、延边 三角形起动等几种【3 】1 4 1 【5 1 。 ( 1 ) 定子串接电抗器起动。三相异步电动机定子串接电抗器起动是指在电 动机开始起动时，在电动机和三相供电电源之间串接电抗器，由于电抗器的分 压作用，减小了电动机的实际输入电压，从而减小了电动机的起动电流。随着 电动机转速上升，应逐次减小电抗器的分压量，待起动后，切除电抗器，使电 动机直接与三相供电电源相连，使电动机稳定运行在其额定工作点上。虽然电 动机定子串接电抗器起动降低了起动电流，但却付出了较高的代价起动转 矩降低得更多。因此，定子串接电抗器起动，只能适用于空载或者轻载起动。 9 武汉理i ：大学硕士学位论文 ( 2 ) y 一起动。对于运行时定子绕组接成形的三相异步电动机，为了减 小起动电流，可以采用y 一降压起动方法，即起动时，定子绕组y 形接，使电 动机定子绕组每相承受的电压为电网的相电压，起动后将电动机的定子绕组形 接，使电动机定子绕组每相承受的电压为电网的线电压。y 一起动时，起动电 压为运行时的1 3 ，则起动电流降低到直接起动时的1 3 ，起动转矩为额定转矩 的1 3 。y 一起动方法简单，只需一个y 转换开关，价格便宜，因此在轻载 起动条件下，应该优先采用。但采用y 一方法起动时，电动机绕组的六个出线 端都必须要引出来，这样电动机就不太适用于工作在高电压下。因此，国内采 用y 一起动方法的电动机额定电压都是3 8 0 v ，绕组都是形接。 ( 3 ) 自耦变压器降压起动。三相异步电动机采用自耦变压器降压起动，起 动时电动机的定子绕组和三相供电电源之间串接自耦变压器，通过调节自耦变 压器的输出电压，从而改变电动机定子绕组的实际输入电压。当电动机转速升 高到一定程度后，自耦变压器被切除，电动机定子直接接到三相电源上，电动 机进入正常运行自耦变压器降压起动，与定子串接电抗器起动相比，如果规 定二者的起动电流相同时，则起动转矩要高一些：而与y 一起动相比较，又有 几种抽头方式可供选择，可以实现带较大些的负载起动的电动机。自耦变压器 降压起动虽然可以降低起动电流，但它的体积大、价格高，也不能带重载起动。 自耦变压器降压起动在较大容量的三相鼠笼异步电动机上广泛应用。 ( 4 ) 延边三角形起动。延边三角形起动适用于三相定子绕组形接法的异步 电动机降压起动采用这种方法起动的电动机，其三相定子绕组每相有三个出 线端，分别为首端、尾端和中间抽头。电动机起动时，先将三相定子绕组每相 的尾端接成形，然后将每相的首端与三相供电电源相连，那么整个三相绕组接 法像三角形的每个边都延长了，故称为延边三角形。待转速上升到一定值后， 三相绕组再接为形，电动机进入正常运行。采用延边三角形起动的电动机的起 动设备比较简单，只需要一个三相绕组接线切换装置。但是采用延边三角形起 动的三相异步电动机需要对定子绕组的引出端进行特殊处理，而且对电动机定 子电压的调节是分级的、不连续的，造成了电动机起动时会产生较大的电流冲 击问题，因此这些缺点限制了延边三角形起动方法的实际使用。 上述传统降压起动方法共同的特点是，在一定程度上降低了电动机的起动 电流，但是也不同程度地降低了电动机的起动转矩，因此降压起动只适合空载 起动或者轻载起动场合。 ： 1 0 武汉理j ：人学硕十学位论文 2 3 电子式软起动方法 软起动概念最早来源于美国乔治马歇尔航天中心( g e o r g ec m a r s h e l ls p a c