（电力电子与电力传动专业论文）基于pic的智能异步电机软起动器的研究.pdf

a b s t r a c t t br e d u c et h eh i 曲s t a r t i n gc u r r e n ta sa s y n c h r o n o u sm o t o r ss t a r tu pd i r e c t l ya n d e l i m i n a t et h en e g a t i v ei n f l u e n c et oe l e c t r i c a le q u i p m e n ta n dm e c h a n i s mt h a tb r o u g h t a b o u tb ya s y n c h r o n o u sw h e ni ts t a t su pw i t hr e d u c e d v o l t a g em e a n s ，an e wm e t h o d b a s e do np o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g yf o ri m p r o v i n gt h es t a r t i n gc h a r a c t e r i s t i c so f a s y n c h r o n o u sm o t o r i sp r e s e n t e d t h i sp a p e rd e s i g n e da n di n t r o d u c e das o f ts t a r t e ro fa s y n c h r o n o u se l e c 仃1 3 m o t o r w h i c hi sc o n t r o l l e db yp i c18 f 4 5 5 0 ，a n a l y z e dt h ew o r k i n gp r i n c i p i e ，f - u n c t i o n a n d a p p l i c a t i o n t h i ss y s t e mo p t i m i z e dt h et m d i t i o n a lv o l t a g er a m p i n gt e c h n i q u ea n d c u r r e n tl i m i tt e c h n i q u e t h em o d eo ft o r q u ec l o s e 1 0 0 pc o n t r o lw a sd e s i g n e d ，w h i c h c a ns t a r tp u m pl o a dm o r es m o o t h l y i tc a na l s or e d u c et h ew a t e rh a m m e ra n dt h e v i b r a t i o no fp i p e l i n e a tt h es a m et i m e ，o s c i l l a t i o no fc u r r e n t ，e l e c t r o m a g n e t i ct o r q u e a n ds p e e da p p e a r sd u r i n gs o f t s t a t i n g s o m ei n n u e n c i n gf a c t o r so ft h eo s c i l l a t i o na r e a n a l v z e da n dt h ec a u s eo fo s c i l l a t i o ni sd e r i v e d t h a n ，am e t h o do fc o n t r o i l i n gh o l d - o f r a n g l ei sp r o p o s e dt or e d u c et h eo s c i l l a t i o n f i r s t l v o nt h eb a s i so ft h er e s e a r c ho f t h es t r u c t u r ea n dt h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo f t h ea s y n c h r o n o u sm o t o r ，t h eb a s i cp r i n c i p l ea n dc o n t r o lm e t h o do ft h es o rs t a r t e ra r e e s t a b l i s h e d s o rs t a r t e rw i t ht o r q u ec l o s e d - l o o pc o n t r o lm n c t i o nt or e s t r a i nw a t e r h a m m e ra n dt h eh o l d o 厅a n g l eo fc u r r e n tm e t h o dt 0r e d u c eo s c i l l a t i o na r ea v a i l a b l e s e c o n d l t h ec o n t r 0 1c i r c u i t so ft h es o rs t a r t e ra r ei m p r o v e d ac h i p o f p i c18 f 4 55 0m a d eb ym i c r o c h i pc o m p a n yw a su s e da st h ec o r eo ft h es o rs t a r t c o n t r o l l e r ad e t a i li n t r o d u c t i o no ft h eh a r d w a r ed e s i g n ，s u c ha st h ea cs a m p l e c i r c u i t s t h ec o m m u n i c a t i o nc i r c u i ta n ds oo n t h es o f t w a r ea d o p t sc a n da s s e m b l e l a n g u a g e st o r e a l i z em o d u l a r i z e dp r o g r a m m i n 吕i n c l u d i n gt h em a i np r o g r a m ，a d s 帅p l i n gp r o g r a m a n dt h ed i f f e r e n tc o n t r o lp r o g r a m so fd i f f e r e n ts t a r tm o d e s l a s t l y ，t h es y s t e mi sa n a l y z e da n ds i m u l a t e db ym a t l a b t h er e s u l t so ft h e s i m u l a t i o ns h o wt h a tt h e s y s t e mb a s e do nt o r q u ec l o s e d - l o o pc i r c u i tc a nr e d u c et h e h i 曲s t a r t i n gc u r r e n ta sa s y n c h r o n o u sm o t o r ss t a r tu p k e yw o r d s ：s o rs t a r t e r ，t o r q u ec l o s e d l o o pp u m pc o n t r o l ，p i c ，h o l d 。o f r a n g l ec o n t r o l i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕盗盘堂或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 吕萄燕 签字日期： 加口臼年占月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 丕鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅牙口借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 昌看袭 签字日期：矽口艿年石月jz 日 新虢辫。 签字目期：功p g 年莎月，2 ，同 第一章绪论 1 1 选题背景、目的和意义 第一章绪论 异步电机与其他各种电机相比，具有结构简单，运行可靠，效率较高，容 易制造，价格低廉，坚固耐用等优点，因此在工农业生产和日常生活中获得了 最广泛的应用。例如，中小型轧钢设备、各种机床、起重机、鼓风机、水泵、 轻工机械和农副业加工设备，日常生活中的家用电器及医疗器械中的拖动等 等，大都采用异步电动机。 当电机投入电网时，电机从静止状态升速并达到稳定运行的过程称为电机 的起动过程。异步电机的起动性能的两个最重要的指标是起动电流和起动转 矩。在研究电机的起动过程中，如何降低电机的起动电流，增加起动转矩，一 直是机电行业专家们探讨的重要课题之一。 在电网总负荷中，异步电动机用电总量约占6 0 以上，因此电动机的起动 问题尤为重要。三相异步电机作为一种反电势负载，是用反电势来平衡外加电 压。电机在起动开始时反电势为零，冲击电流很大。而当电机容量较大时，冲 击电流会对电网及其负载造成较大干扰，严重时甚至危害电网的运行安全。此 外在电机起动过程中，定子绕组中过大的起动电流，将使电机绕组绝缘过热而 加快老化。在电机能耗制动过程中，也有大量的能量消耗在转子电阻上，影响 电机的绝缘，甚至烧毁电机。而在要求电机频繁起动和制动的场合，又希望获 得较好的起动性能，比如快速起动同时减小起动冲击电流，及较好的制动性能 等；除此之外，起动过程还要求起动设备简单、经济、可靠。为了实现上述的 功能，必须解决电机直接起动带来的诸多问题，因此在很多电机控制装置中增 加了降压软起动环节i lj 。 软起动器的产生较好的解决了以上这些问题。它源于2 0 世纪五十年代，并 于7 0 年代末到8 0 年代初投入市场。该技术以电子和可控硅技术为基础，微控 制芯片为核心，可以起到控制电动机的电压，进而限制起动电流的作用，使得 电动机得以平稳的起动，同时兼具了软停功能。目前市场上出现的软起动器一 般具有限流软起动和电压斜坡软起动等基本起动方式，虽然能满足大多数负载 的软起动需求，但一些特定负载的起动状态并没有达到最优，且在软起动过程 中易出现电流、电磁转矩以及转速振荡问题。尤其对于风机以及泵类负载，该 第一章绪论 方法还不能有效地改善系统起动和停机时地性能，会在泵系统中产生喘振和噪 声，从而损坏设备【2 j 。遇到这样的情况般采用变频器来驱动电动机，但是它 的价格比较昂贵，并且在不需要流量调节的场合使用会进一步降低性价比。因 此，如果能够改进现有晶闸管调压软起动器的不足，使其兼具价格低廉、性能 稳定、功能齐全的特点，并能平稳的起动特定的负载，具有现实意义和很大的 应用空间，势必取得良好的经济效益和社会效益。 1 2 电动机软起动原理及方法概述 1 2 1 异步电机的数学模型 为了研究异步电机的起动和停机时的电压、电流、转矩等变量的关系，首 先需要研究异步电机的数学模型【3 1 。异步电动机的单相简化等效电路如图1 1 所 示： 图1 1 异步电机单相等效电路图 图中u ，为电网相电压的有效值，、五分别代表定子的电阻和漏抗，、 z ；分别表示电动机转子电阻和漏抗的折算值，、z 。分别为励磁电阻和励磁电 抗，s 为转差率。 异步机等值电路中，由于励磁阻抗比定、转子漏阻抗大很多很多，把等效 电路中励磁阻抗这一段电路认为是开路来计算电流，误差很小。因此可以近似 得出，的电流值为： i i 畚i l = 三相异步电动机机械特性方程表达式为： 第一章绪论 疋= 吾= 磊羔 ( 1 - 2 ) 在电机刚起动时，转子转速n ，= o ，转差率j = l ，此时电机的机械特性方程： t一 3 p u l z 吃 耻瓦丽式筹商 l 叫t 而寄鼍丽 m 4 ， 在起动初瞬，转子不能立即旋转，n = 0 ，转差率s = l ，转子电势最大。从简 1 化等效电路来看，起动初瞬无机械功率输出，= = 以= o 。因此，起动电流，。 j 一 很大。对于普通鼠笼型电机，起动电流为额定电流的4 7 倍。过大的起动冲击 电流，对电机本身和电网以及其它电气设备的正常运行都会造成不利的影响， 一方面使电机发热会影响其使用寿命，供电线路电压损失增大，另一方面可能 破坏并联于同一供电线路上的其它电气设备的正常运行。 因为起动转矩决定于转子电流的有功分量，c o s 仍和气隙磁通。起动时 j 三1 ，转子漏电抗最大，功率因数c o s 9 ，很低( 一般为0 3 左右) 。很大的起动电 流使定子阻抗压降厶z 1 增大，从定子侧电压平衡关系分析，必然导致定子电势e 下降、气隙磁通纯降低。起动转矩小，将延长起动时间，增大起动过程的能量 损耗，降低生产率。如果起动转矩小于负载转矩，则电动机将无法起动。但是 起动转矩过大，又会产生过大的加速转矩，使传动系统的速度变化过快，从而 产生不利得影响，尤其对泵类负载。因此适当的控制转矩的大小尤为重要。 据上述分析，当电源频率和电动机的参数都不变时，在一定的转差率下， 起动转矩与电机定子端的电压平方成正比，起动电流与定子端的电压成正，即 f ，芘【，1 2 ，。，芘u 。因此，可以通过控制定子电压对起动转矩和起动电流进行 控制。 上述原理就是多数起动方式和起动设备的理论根据。通过控制电动机的起 动电压，来避免了起动转矩和起动电流的过大峰值。采用这种方式，一方面可 以使供电系统避免受到过大起动电流的冲击；另方面也使工作机械免受交流 电动机起动过程中过大的加速转矩应力的冲击，大大减轻了作用在被传送物体 上的机械应力，减小了工作机械和传动装置的零部件磨损，从而达到减少维护 工作量、提高工作安全和延长设备使用寿命的目的。 第一章绪论 1 2 2 晶闸管软起动技术原理 本文所研究的软起动器是以晶闸管作为执行机构的，通过控制单元发出 p w m 波来控制晶闸管触发脉冲，以控制晶闸管的导通，从而实现对电机起动 的控制。所以说晶闸管的调压电路在整个软起动器的功能实现方面具有很重要 的意义，下面简单对晶闸管的调压电路进行分析。 在分析软起动原理之前先强调以下几个术语： ( 1 ) 触发角口：指从晶闸管正向电压起到加触发脉冲为止的这一期间对应的 电角度。 ( 2 ) 导通角目：指晶闸管在一个周期内导通的时间所对应的角度。 ( 3 ) 续流角9 ：感性负载电流滞后于它所对应的相电压的相角。 ( 4 ) 关断角万：指从电流达到零的时刻起到该相晶闸管再次开通为止这段时 间所对应的角度。 图1 2 晶闸管软起动器主电路图 如图卜2 为晶闸管调压软起动主电路图，调压电路由六只晶闸管两两反向并 联组成，串接在电动机的三相供电线路中。在起动过程中，晶闸管的触发角由 软件控制，当起动器的微机控制系统接到起动指令后，便进行有关的计算，输 出触发晶闸管的信号，通过控制晶闸管的导通角矽，使起动器按照所设计的模 式调节输出电压，使加在交流电动机三相定子绕组上的电压由零逐渐平滑地升 至全电压。同时，电流检测装置检测三相定子电流并送给微处理器进行运算和 判断，当起动电流超过设定值时，软件控制升压停止，直到起动电流下降到低 于设定值之后，再使电机继续升压起动。若三相起动电流不平衡并超过规定的 范围，则停止起动。当起动过程完成后，软起动器将旁路接触器吸合，短路掉 所有的晶闸管，使电动机直接投入电网运行，以避免不必要的电能损耗。 另外，由电机学原理可知，当电动机的输入电源频率不变时，电动机的输 出转矩与输入电压的平方成正比。因此，软起动不仅可以通过使定子电压连续 第一章绪论 平滑增加来实现了升压限流起动，而且还减小了电动机起动转矩的冲击。 1 2 3 常见起动方式 目前的软起动器一般具有电流限流软起动和电压斜坡软起动两种起动方 式。在一些起动大转矩负载的场合会有时会采用突跳加电压斜坡软起动方式， 例如起动大风机负载。 下面分别对这几种起动方式的起动特点进行介绍。 ( 1 ) 限流软起动：如图1 3 为限流起动方式下的电流曲线。限流起动就是在 电动机的起动过程中限制起动电流不超过某一设定值，。的软起动方式。起动电 流，。及起动时间“均可以在一定范围内预先设定。这种起动方式主要用于轻载 起动的负载的降压起动，其输出电压从零开始迅速增长，直到其输出电流达到 预先设定的电流限值，。，然后在保持输出电流 f 1 所以系统中不会产生突然冲击。但是，在f 3 很短的时间 内仍然会有流量q 3 的急剧改变，这使得泵机在快到达全速时仍会有一个过量的 第二章转矩闭环控制软起动方法的研究 加速转矩。上述分析表明，对于电压斜坡式这种传统的软起动器来说仍然会产 生一个较高的临界转矩，这种在泵机临近尾声时产生的突升转矩仍会引起流体 的瞬间冲击。 综上所述，电压斜坡起动等传统的软起动方式可以改善泵类负载的起动转 矩特性，但是不能对引起冲击的突升临界转矩进行控制。 2 3 采用泵控方法起动时的水锤分析 通过转矩闭环控制来实现的泵控制软起动要求控制电机起动时的电磁转矩按 照泵类负载特性曲线上升，即尽量使加速转矩保持在一个稳定的范围，而且数 量近似恒定。 泵控制软起动的转矩转速图并与前面两种方法进行比较如图2 4 所示： 丁 1 8 互 7 1 、 ，1 砖紫讴 l 以 电匿稿壤褪角。 ，么、土 ，磊二二， 二 一德多 l 载转矩 图2 - 4 采用不同软起动方式的转矩转速曲线 从图中比较直接起动，电压斜坡起动以及泵控制软起动的转矩转速曲线可 知使用了泵控制功能后，电机转矩时刻和泵类负载的转矩相差一个近似恒定的 值，使起动过程产生的加速转矩恒定且数值大大地降低，使输出转矩得到了良 好的控制。 这种优势也可通过流量时间曲线分析出来，如图2 5 所示。从图中可以看 出，泵控制起动通过控制水泵机的加速转矩以及延长起动时间来降低流体的冲 击，转矩是一个平稳的上升过程。没有转矩瞬间突升，极大的优化了电机的起 动特性，有效的防止了水锤现象的发生。 第二章转矩闭环控制软起动方法的研究 q 图2 5 三种不同起动方式流量时间关系 在泵机的停止阶段，降低冲击和水锤与起动过程同样重要。采用泵控制软 停车与泵控起动的原理一样，只不过是它的逆过程，这里不再赘述。 2 4 转矩闭环泵控制原理分析 通过前几节的比较与分析，可以知道泵控制功能的软起动方式在解决转矩 冲击，消除水锤上的优越性，下面对它的控制原理进行进一步的分析引。 由电机运动方程，可知： 乙一疋“警 ( 2 - 5 ) 其中乙为电机的电磁转矩、瓦为负载转矩、- ，为转动惯量，将电磁转矩近 似为时间t 的一次函数，故可设： 乙= 瓦+ k 。f ( 2 - 6 ) 此表达式为转矩的预定变化规律，其中死为初始转矩，恐为电磁转矩的上升 斜率。 又异步电机转子的速度为： 根据以上三式，可以得到： 玎= 勉( 1 一s ) 玎= o ( 1 一引 p( 2 7 ) 第二章转矩闭环控制软起动方法的研究 肛等( 1 - 加舶f + 惜弘卜铲 ( 2 - 8 ) po u ，l 。7 异步电动机电磁转矩公式： p3 p u ? 三 驴吾2 丽i 慕杀鬲 弘9 ，q 2 顽【( _ + 蔓) ：+ ( x 。+ x 2 。9 把( 2 6 ) 式和( 2 8 ) 式带入( 2 9 ) 式，可得出u 与时间f 的函数关系式： u ( f ) = f ( f ) = 2 顽 ( + 垒) 2 + ( 五+ 毫) 2 】( 瓦+ k 。f ) s 3 p 垒 电机相电压经过相控调压后的表达式为： ( 2 - l0 ) 卟眄= 痧瓦面面巧面面面 其中为电网相电压有效值，矿为续流角，口为晶闸管触发角 上式经推倒后得出： u = 乒巫萼巫仁，。， 由( 2 1 0 ) 式和( 2 11 ) 式可推得以口和f 的函数关系式，这就是在转矩预定规律 下得到的口角变化规律，公式中的9 可以实时检测得到，在后面有关转矩测量 的章节会具体介绍矽角的测量。 转矩闭环控制泵起方式在控制策略上采用p i d 控制来调节电磁转矩。起动 时要求控制电机起动时的电磁转矩按控制规律上升。本方案的给定值是根据所 设定转矩斜坡对应的转矩值，反馈值是根据电机反馈的电压，电流运算出的实 时转矩值，对其进行p i d 控制，其输出量经过适当变换后，结合此控制策略， 产生与交流调压触发角口相对应的驱动脉冲。闭环控制框图如下图2 6 所示 图2 6 转矩闭环泵控软起动控制策略 1 4 第二章转矩闭环控制软起动方法的研究 图中丁。m 为给定的电磁转矩，兀m 是根据电压、电流实时计算出来的实际的 转矩值，劝p i d 调节后得到控制转矩，通过研算出电压的大小，结合电压“和 功率因数矿计算出晶闸管的触发角，从而调节起动电压实现软起动。 综上所述，本文采用种转矩斜坡控制方式来实现泵控制功能，可以通过 设定初时转矩瓦和转矩上升斜率k 。，对转矩的差值进行p i d 调节，从而实现恒 定的加速转矩控制，减小水锤冲击。 2 5 电量检测及转矩测量的方法 2 5 1 交流采样法 在转矩控制软起动系统中，需要采样电机定子绕组的电压、电流信号以及 功率因数角，进而推算电机的输出转矩。因此电量的检测是转矩闭环泵控起动 方式的必要组成部分，是软起动系统能够对电机进行准确控制的基础。 目前经常使用的电量检测方法有两种：一种是直流采样法，一种是交流采 样法。 直流采样是将交流电参量经过互感器后再经过整流、分压、滤波后转换为 直流量进行采样。然而，这种方法只能反应某段时间内无谐波的交流量有效值 的大小，不能够准确反应电压和电流之间的相位关系，必须外加检测电路。由 于硬件电路存在滤波电路这样的大惯性元件，所以会产生较大的滞后，实时性 较差，不能满足软起动控制的实时性要求。并且整流桥的非线性特性会影响检 测的精度，这样势必会影响软起动器的性能。 交流采样法则是把电参量经互感器后直接进行采样1 9 】。这种方法实时性好， 而且使电压、电流的同步采样或准同步采样成为可能。但是当采用傅氏算法 时，为保持较高的精度需要采样的点数较多。而在交流采样中运用瞬时功率算 法，只需要知道某个时刻电压和电流的采样瞬时值，便可以通过软件精确的计 算所需要的电参量瞬时值，即使所测量的交流量含有谐波但也能通过此算法得 出精确的基波电参量。 2 5 2 交流采样的瞬时电量 根据瞬时无功功率理论，只要知道三相相电压g 。，“。) 和三相电流( f 口，f 6 ，t ) 的瞬时值便可以通过计算得出所需的三相瞬时有功功率p ，三相瞬时无功功率 g ，机端相电压有效值的瞬时值“。以及负载相电流有效值的瞬时值i 。 根据瞬态功率理论可以得到： 第二章转矩闭环控制软起动方法的研究 ：地 亿2 ， 其中口，是以异步电机定子为坐标轴定向的坐标系统，通过口，0 坐标变 换，可以将三相电压或电流正交化。把瞬时采样的电压“。，“。，“。和电流f 。，f 。变 换为口，坐标系下的电量。其转换矩阵为： c = l 2 小 2 1 正 由此可以推得，2 一1 2 式中得“。，“，屯，绉 材c 目小豳 瞬态有功功率p 和无功功率g 一般为平滑的输出量，它们表示电机的实时功 率的变化，稳定时则为稳态有功功率和无功功率。 当电压和电流对称时，由它们的口，分量的平方和，可以求得相电压和相 电流的有效值，即： 3 2 = “口2 + “，2j z f 一2 “口+ “卢 3 2 = f c r 2 + 2 ( 2 - 1 3 ) 当以线电压 咖“k 的瞬时值以及两相电流，f 。的瞬时值作为输入量时，则可 得出瞬时电参量p 、目与输入量的关系为： p 2 “a 6 2 。一“缸z c ( 2 - 1 4 ) g = ( 2 “曲+ “6 c ) t + ( 2 “钯+ “曲) 瓦( 2 1 5 ) 通过得到的p ，g 值可以求得功率因数角缈，矽= a r c t a n 竺。 在起动过程中需要实时计算电机瞬时线电压有效值“，线电流有效值f ，的大 小，以便为过电压、过电流保护提供依据。 由采集到的电压及电流的瞬时值可以方便的计算出“，和f ，值。 驴乒萼匠 q 。6 t = 降 ( 2 - 1 7 ) 一j 2 笪；万 。 o 一1 厄 l 后 第二章转矩闭环控制软起动方法的研究 2 5 3 转矩的测量方法 要实现转矩闭环控制泵起功能，对转矩的检测是十分关键的。转矩的测量 方法按其基本原理分为三种：传递法、平衡力法、能量测量法【1 8 1 。 传递法又称为扭轴法，是根据弹性元件在传递转矩时所产生的物理参数的 变化而测量转矩的方法。这里的物理参数通常指的是弹性元件的变形、应力和 应变。传递转矩的弹性元件一般是旋转件，在旋转件上所产生的变形、应变和 应力，通过信号变换机构变换成与转矩值成比例的信号，在把该信号传到转矩 测量仪上。 平衡力法是指，任何一种匀速工作的动力机械或制动机械，主轴受到转矩 丁作用时，必定同时存在着一个方向相反的平衡力矩丁，且有丁= 丁，因此只要测 量出平衡力矩r 。，就可以确定机械主轴上的主用平衡力矩丁。平衡力矩丁通常 是通过作用在力臂上的作用力，形成的，设力臂长度为厶则有：丁。= 凡。但 此种方法仅可以测量匀速工作情况下的转矩，且不能测动态转矩。 能量测量法是根据能量守恒定律，通过测量其他形式能量如电能、热能参 数来测量旋转机械的机械能，进而求得转矩的方法即能量转换法。从方法上 讲，能量转换法实际上就是对功率和转速进行测量的方法，从而间接的测量转 矩。 能量测量法测转矩计算精度高，实时性好，在电机和液体方面有较多的应 用，本文采用的就是这种方法。通过对电机定子电压、电流等电信号进行测 量，把这些模拟量转换成数字量，经过控制器的计算得出电机转矩的实际输出 值。 2 5 4 转矩的推算 通过能量转换法对电参量的检测，得到输入电机定子绕组的电压、电流信 号后，根据异步电机转矩计算公式直接求解出电机的输出转矩。常用的转矩测 量方法有电压模型法、电流模型法。但是由于电压模型、电流模型在计算时， 计算结果受到定子、转子电阻得影响，而定子、转子的电阻又受环境温度影响 较大，所以为了提高电机输出转矩的测量精度，本文采用一种新型的转矩计算 方法l0 1 。 在同步旋转坐标系中，以定子电流b ，岛) 转子磁通，) 为状态变量建立 电机的稳态状态方程，如下所示： i 一口l f 耐+ q 0 + 口2 y 坩+ 口3 啡少w + 口u 叫= o j 一口l 岛国，o + ，口2 沙w 一、口3 缈r 耐+ 口u 田= o ( 2 1 8 ) f一口4 沙耐+ 心i 一缈，炒w + 口5 f 耐5 0 i一口4 耐+ 忉s 一缈，胄矿耐+ 口5 f 田= o 第二章转矩闭环控制软起动方法的研究 式中： 舻考奢确却+ 争c l s l r l 0 j l r 铲等础，2 争铲扣巩厶 c = 岩等l 电磁转矩公式：i ：警和乙) i = 三 妒一岛一乙j ( 2 - 1 9 ) 上述公式中：月，尺，为电机定子、转子的电阻；l ，t 为电机定子、转子的 角速度，与输入定子的电流频率有关；，为转子旋转角速度；0 ，岛，u 田分 叫i 掣卜 掣师 p 2 。， i e ，筇= u 妒f ，。一【，。f 印 1 叫2 = f 三+ r 易 其中：【，v 印，0 可由电测量材。，蹦。，“。，屯，屯，f 。及转换矩阵c 直接计算求 得。 因此，运用此方法通过测量定子绕组的电压、电流值的大小就可以间接推 算出转矩的大小，与使用转矩测量仪测量转矩相比大大的节省了成本。 2 6 本章小结 本章首先从水锤产生的原因出发，通过分析比较直接起动、电压斜坡起 动、转矩闭环泵控起动这三种方式下水锤的大小，得出采用转矩闭环泵控软起 第二章转矩闭环控制软起动方法的研究 动方式能够更好的抑制水锤，降低流体对设备的冲击。进而对转矩闭环泵控软 起动的基本原理及控制策略进行了分析，并介绍了通过检测实时电压和电流值 来测量转矩的方法，为更好的实现系统的转矩反馈控制做好铺垫。 1 9 第三章起动过程中电流及电磁转矩振荡分析 第三章起动过程中电流及电磁转矩振荡分析 上一章通过对转矩闭环泵控软起动策略分析和优化，解决了泵类负载起动 时所产生的水锤和喘振问题。除此之外，当软起动器控制电机带空载或轻载起 动时常会出现电流、电磁转矩以及转速的振荡，这也会对负载产生不必要的冲 击。本章针对影响振荡的因素进行分析，得出了振荡产生的原因并给出了解决 方案。 3 1 振荡现象产生的原因 由式2 9 和式2 1 1 可知，u 与疋均为晶闸管触发角口与续流角矽的函数。 图3 1 给出了三相四极感应电动机的续流角妒与电动机转速胛之间的关系曲线。 当晶闸管的触发角口固定时，电机在相应的电压下不断加速，从图3 1 可以看 出续流角随着转速的增加而减小，由于导通角口= 万一口+ 伊，故导通角随着续 流角缈的减小而减小，这会使得加在电动机上的端电压减小，电动机的电磁转 矩也会随之减小。当电磁转矩小于负载转矩时，电动机开始减速，续流角又会 随着电动机转速的降低而增大，因而导通角也会随之增大，电动机的端电压又 会回升，电磁转矩又会增大，转速又会增加，由于晶闸管的触发角不变。所以 上述过程会重复出现，即产生了电磁转矩以及转速的振荡。 图3 1 续流角与转速之间的关系曲线 这种振荡现象一般发生在轻载或空载起动，且振荡发生在同步转速附近， 在重载起动时不会发生。这是由于轻载起动时，转速会超过同步转速，续流角 9 将会继续增大并超过触发角，由于电机转速超过同步转速会使转差率5 0 ， 第三章起动过程中电流及电磁转矩振荡分析 从而疋如。这时的电磁转矩变为制动转矩，所以转速减小，续流角将会减小， 当转速减小到同步转速以下时，使s 珈。这样再次由于定、转子磁场的相互作 用使得转速重新增加并超过同步转速，则上述过程将会重复出现，因而产生电 磁转矩的剧烈振荡，从而引起电流的振荡。当电机负载较重时，其续流角较 小，转子转速不会超过同步转速，因而续流角也不会围绕触发角大幅度变化， 故不会发生电磁转矩以及电流的振荡现象l l2 】【l 引。 通过以上分析可以得出：在一定条件下，电动机起动过程中的转子转速会 超过同步转速，与瓦均为晶闸管转速在同步转速附近变化时，续流角矿会 大幅度变化，当续流角伊围绕晶闸管触发角口变化时，会引起三相交流调压电 路输出电压的振荡，从而引起电流和电磁转矩的振荡。这里需要强调的是，电 动机在起动过程中出现的转速振荡不是低速下的振荡，而是在同步转速附近振 荡，电流以及电磁转矩的震荡均发生的同步转速附近。 通过以上分析，可以得出以下结论： ( 1 ) 异步电动机在空载或者轻载软起动过程中，晶闸管触发角处于某一范 围内会产生电流、电磁转矩以及转速的振荡，并且转速是围绕同步转速振荡而 非在低速下振荡。 ( 2 ) 异步电动机在软起动过程中产生的电流、电磁转矩以及转速的振荡与机 组的转动惯量、负载转矩等多种因素有关，机组的转动惯量越小，负载转矩越 小，异步电动机软起动过程中越容易出现振荡。 ( 3 ) 异步电动机在软起动过程中产生振荡的原因是：在一定条件下，电动机 起动过程中的转子转速会超过同步转速，当转子转速在同步转速附近变化时， 续流角缈会大幅度变化，当续流角伊围绕晶闸管触发角口变化时，会引起三相 交流调压电路输出电压的振荡，从而使振荡加剧。 3 2 振荡的解决方法 为了抑制异步电动机软起动过程中的振荡现象，已有文献提出采用功率因 数角的闭环控制来消除电机软起动过程中的震荡。这种方法通过检测到功率因 数角的变化量，使晶闸管触发角的调整自动跟随功率因数角的变化。由功率因 数角的变化量痧。计算触发角增量口。的过程是很关键的，这需要根据电机的 具体运行状态及电机所带负载的类型进行计算，如电机处于软起动状态与处于 软停止状态，其控制策略是不同的；电机所带负载的类型不同，控制策略也不 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。图3 2 为功率因数角闭 第三章起动过程中电流及电磁转矩振荡分析 环控制原理副1 5 】【1 6 】。 图3 2 功率因数角闭环控制原理图 上述方法虽然可行，但增加系统的计算量。为了达到既能有效的抑制振荡 的同时，且控制方法简便的目的，本系统采用关断角控制策略来消除异步电动 机软起动过程中的振荡。 关断角的实现方法为：首先以某一个触发角触发晶闸管，使异步电动机产 生一定的电流，然后以电流关断时刻为基准( 即检测晶闸管电流的截止时刻) ， 延时一定的角度( 即关断角) 触发相应的晶闸管，在异步电动机软起动过程 中，应使电流关断角逐渐减小到零。通过这种方式可以使得感应电动机在整个 起动过程中的续流角始终小于晶闸管的触发角，这样续流角的变化就不会引起 电动机端电压的振荡，因而可以从根本上消除感应电动机软起动过程中出现的 电流、电磁转矩以及转速的振荡。需要说明的是，这种控制方法与传统的晶闸 管触发角控制方法的不同之处在于该方法触发晶闸管是以电流过零点为基准而 非电压过零点。在异步电动机软起动过程中，该方法是使电流关断角逐渐减小 到零而并非使晶闸管触发角逐渐减小到零。如图3 3 为采用关断角控制的原理 图。 图3 3 关断角控制原理图 第三章起动过程中电流及电磁转矩振荡分析 采用关断角控制的异步电动机软起动仿真模型与以往不同，在该模型中增 加了3 个电流过零检测模块。三相异步电动机的相电流通过相应的电流过零检 测模块送至晶闸管三相交流调压电路模块，用以作为晶闸管的触发基准。 3 3 本章小结 本章分析了软起动过程中产生电流以及电磁转矩振荡的原因，并针对影响 因素给出了解决办法。采用关断角控制可以使得电机在软起动过程中的续流角 始终小于晶闸管的触发角，这样续流角的变化不会引起电动机端电压的振荡， 力争从根本上消除起动过程中的振荡现象。 第四章硬件电路设计 第四章硬件电路设计 软起动控制系统的硬件设计是系统开发与研制过程中的重要环节，必须基 于系统所要实现的功能。在异步电机软起动技术日趋完善的今天，尽量使系统 的性价比最大限度的提高。因此，本章在主控芯片的选择，电量采集电路，同 步触发电路以及通讯接口电路的设计方面都做了较为完善的考虑。 4 1 系统的总体结构设计 本软起动器主要包括主回路、控制回路和驱动保护回路。如图4 1 为系统 总体控制电路图。 图4 1 软起动控制电路图 主回路主要由三对双向晶闸管和接触器组成，通过控制双向晶闸管的导通 实现改变加载在电机两端的电压；而接触器的主要作用是在软起动过程完成以 后，把双向晶闸管从三相电源中旁路。在需要软停车时，再把软起动器装置接 入到电机回路中，完成软停车的功能【2 2 】【2 卯。 在控制回路和驱动保护回路中，电路包括了电压检测，电流检测，主控微 机，晶闸管触发电路，晶闸管保护电路，接触器驱动，r s 4 8 5 的上位机串口通 信回路和辅助开关电源等。c p u 采用m i r c o c h i p 公司的p i c l 8 f 4 5 5 0 。 下面按照模块化的思想介绍几个重要模块的硬件设计。由于本系统采用了 2 4 第四章硬件电路设计 交流采样法进行电量采集，关断角控制触发晶闸管，并增加了r s 4 8 5 通讯接 口，因此本章重点对电量检测电路，同步信号产生电路以及通讯接口电路等进 行详细的说明。 4 2 软起动器主控芯片的选择 在芯片的选择上1 3 2 】，考虑片内程序存储器f l a s h 需配置为3 2 k 左右，片内数 据存储器r a m 至少配置在2 0 4 8b y t e s 、e e p r o m 配置在2 5 6b y t e s ，可以扩展 ，z c 总线芯片。片内集成需至少8 路1 0 b i ta d c 通道以采集三相电流信号、三 相电压信号；具有p w m 功能模块。根据以上要求本设计选用m i r c o c h i p 公司的 p l c l 8 f 4 5 5 0 ( p d i p 封装) 作为运算控制核心，与t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 类 似也是一款可用于电机控制的芯片，但更适合应用于对成本限制比较高的产 品。下面简要的介绍这款芯片的一些特点【3 2 】： ( 1 ) 低功耗管理模式： 运行：c p u 工作，外设打开 空闲：c p u 不工作，外设打开 休眠：c p u 不工作，外设关闭 处于空闲模式时电流降至5 8 衅( 典型值) 处于休眠模式时电流降至o 1 衅( 典型值) ( 2 ) 高性能精简指令集c p u 片内高达3 2 k 字的f l a s h 程序存储器，2 m b 的程序存储器，4 k b 的数 据存储器 高达1 0 m i p s 的执行速度 1 6 位宽指令，8 位宽数据通道 ( 3 ) 外围功能模块特性 3 个外部中断 增强型捕捉比较p w m( e c c p ) 模块： 多种p w m 输出模式 可选择p w m 极性 可编程的p w m 死区时间 主同步串口( m a s t e rs y n c h r o n o u ss e r i a lp o r t ，m s s p ) 模块支持3 线s p i ( 总共4 种模式) 和，2 c 主从模式 ( 4 ) 高级的a d 转换特性 1 0 位最多1 3 路通道模数转换器模块( a d ) ，采集时间可编程 第四章硬件电路设计 两个输入复用的模拟比较器 模拟比较模块：可编程多路输入输出技术 m c l 尺，v p p f 难3 + - r a o a n o + 卜 r a l a n l + r a 2 艏n 2 ，v r e f ，a 讲难f + r a 引a n 3 ，v 品f + + 斗 r a 4 厂t o c k l ，c 1o 帆r ( ：v + r a 5 a n 4 s s ，h l _ v d i n ，c 2 0 u t r e 0 a n 5 c k ls p p + 叶 f 乏e 1 胪n 6 ，c k 2 s p p o r e 2 州7 y o e s p p + v s s 卜 o s c l ，c l k l 0 s c 2 ，c l k 0 r a 6 + 一 r c 0 厂r 1o s o 厂r 13 c k l + 斗 r c l 厂r 1 0 s i ，c c p 27 u o e + - r c 2 ，c p p l p 1 a + + v u s b - r d o ，s p p o + r d l ，s p p l + + r b 7 ，k 引3 ，p g d r b 6 ，k b l 2 ，p g c + + r b 5 ，k b | 1 ，p g m r b 4 ，a n l1 ，k b l 0 ，c s s p p + r b 3 a n 9 ，c c p 2 a ，p o + r b 2 a n 8 ，i 盯r 2 m o + r b l a n l 0 门n t l ，s c k ，s c l h 唧，a n l 2 ，i n t 0 ，f lt 0 ，s d l ，s d a i v d d 卜v c c 卜r d 7 ，s p p 7 ，p 1d r d 6 ，s p p 6 ，p 1 c + r d 5 s p p 5 p 1b + r d 4 s p p 4 + r c 7 r ) ( ，d t ，s d o 卜r c 6 几w c k + r c 5 d f 、，p + r c 4 ，d l 、m + r d 3 s p p 3 + r d 2 s p p 2 控制芯片p l c l 8 f 4 5 5 0 与外围电路的连接图如图4 2 所示。图中开关量信号 送入单片机的i o 口，用于实现感应电动机的起动、停止和外部故障的输入。 触发控制部分是通过p i c 产生p w m 波来控制晶闸管的触发时刻。除此之外系 统还用到了p i c l 8 f 4 5 5 0 自带的加转换器进行电流量采集，利用l m 2 5 7 6 作 为开关电源稳压环节，保证单片机系统的正常工作。 稳压环节 电一堕 硬狗及 扩展存 、 ， 储茸莹兀 关量输入 触 中央处理器 pc 18 f 4 5 5 0 发 、 控 电压 信 制 号 a d ) 转 电流处 换输出环节【 理 图4 2 控制芯片与外围电路连接框图 闸管控制 开关量输出 第四章硬件电路设计 4 3 电量检测电路 本文所设计的软起动器需要准确的采集电压量、电流量，才能准确的推算 出转矩量，从而进行转矩闭环控制。第三章已经介绍了系统所采用的交流采样 的方法，下面介绍在硬件上如何实现交流采样【2 4 】【3 4 】。 交流量检测的输入通道原理图如图4 3 所示： 模拟量【，。 姆遥1 信号预处理电路 模拟量u k 通澎。 采 信号预处理电路 样 俣拟亘4 保 a ，d 转换器 信号预处理电路 脚一 持 模拟量f6 脚 信号预处理电路 图4 3 交流采样示意图 由于p i c l8 f 系列单片机的a d 模块中已有采样保持电路，因此检测板中无 须另设采样保持电路。采样环节采用交流采样法，采样的交流量有线电压瞬时