（电工理论与新技术专业论文）基于dsp的三相异步电机智能软起动器.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et h r e ep h a s ea s y n c h r o n o u sm o t o ri sm o s tu s e di ni n d u s t r y , a g r i c u l t u r e ，d a i l y l i f ea n de t cb e c a u s eo fi t ss i m p l es t r u c t u r e ，s t a b l er u n n i n g ，a n dl o w e rp r i c e w i t ht h e q u i c k l yd e v e l o p m e n to fm a c h i n e s i n p r o d u c t i o na r e a ，t h em o r ee x c e l l e n ts t a r t p e r f o r m a n c ei sd e s i r e d c o n v e n t i o n a ls t a r tm e t h o d sc a n tf i tt h er e q u e s tf o rp r o d u c t i o n b e c a u s et h e yh a v es o m el i m i t a t i o ns u c ha sh u g es t a r tc u r r e n ti m p a c tf o rt h ep o w e r n e t w o r k t os o l v et h ea b o v e - m e n t i o n e dp r o b l e m ，t h i sp a p e rp r e s e n t sah j i g h p e r f o r m a n c es o f ts t a r t e rb a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s ec o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a l s t a r t e r , t h i ss o f ts t a r t e rc a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fs t a r to ft h ea s y n c h r o n o u s m o t o ro b v i o u s l y t h ec o n t e n to ft h i st h e s i si sl i s t e da sf o l l o w s ：t h ef i r s tc h a p t e r i n c l u d e st h ep r e s e n ts t a t u so fs o f ts t a r t e r , t h ep u r p o s eo f s t u d y i n gt h es o f ts t a r t e ra n d t h i sp a p e r sm a i ns t u d y i n gc o n t e n t s t h es e c o n dc h a p t e rb r i n g sf o r w a r dt h es o f ts t a r t s a d v a n t a g e sa n de x p l a i n st h et h e o r yo fs o f ts t a r t t h et h i r dc h a p t e rm a i n l yi n t r o d u c e s t h eh a r d w a r ed e s i g no fs o f ts t a r t e r , i n c l u d i n gt h em a i nc i r c u i t ，c o n t r o lc i r c u i t ，d r i v e c i r c u i t ，a n dp r o t e c tc i r c u i ta n da u x i l i a r ys w i t c h e dp o w e rd e s i g n t h ef o r t hc h a p t e rt e l l s u st h es o f t w a r ed e s i g n 。o fs o f ts t a r t e r , i n c l u d i n gt h em a i np r o g r a m ，c l o s e dl o o p s u b p r o g r a ma n di n t e r r u p ts e r v i c es u b p r o g r a md e s i g n t h ef i f t hc h a p t e rg i v e su st h e e x p e r i m e n tw a v e f o r ma n dd a t ao fc o n t r o lc i r c u i t ；t h ee m u l a t i o n a lw a v e f o l r ao ft h e m a i nc i r c u i ti sa l s op r e s e n t e d k e y w o r d s ：d s ps o f ts t a r ta s y n c h r o n o u sm o t o r 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 电机软起动器的现状“2 埘h 朝 异步电机与其他各种电机相比，具有结构简单，制造容易，运行可靠，效率 较高，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。在电网总负荷中，异步电动机用电总量约占6 0 以上。当电机投 入电网时，电机从静止状态升速并达到稳定运行，这一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【1 】。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。 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。丽当电机容量较大时，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。起动电流过大时，将 使电机本身受到过大电磁力的冲击；频繁起动，绕组会过热。另外，由于起动应 力较大，使得负载使用寿命降低1 2 1 。 在电机的起动运行过程中，目前普遍采用的起动方法是直接起动，用这种方 式来起动电机，其优点是起动设备和操作比较简单，而且起动转矩比采用降压起 动时大，只要电网容量允许就能使用【1 l o 但是，直接起动电流可以达到电机额定 电流的4 7 倍，最大的甚至超过1 0 倍【3 】，大的起动电流将产生较大的线路压降， 使得电网电压波动过大，影响电网上其他设备的正常工作；同时j 由于过大的起 动电流将在电机轴上产生过大的转矩，这一起动转矩可达到满转矩的1 6 0 一 2 0 0 ，这对机械和传动部件会带来不应有的损坏【4 】。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，甚至有可能会烧毁 电机。而在要求电机频繁起动和制动的场合，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 浙江大学硕士学位论文 求起动设备简单、经济、可靠吼为了实现上述的功能，必须解决电机童接起动 带来的诸多问题，因此在很多电机控制装置中加上了软起动环节。 正是因为电机软起动装置有着很大的应用范围，很多国外擅长电气传动领域 的大公司投入大量的资金和人力研究开发，生产出各种不同型号，不同性能的电 机软起动器。如g e 公司的a s t a t 智能电机软起动，a b b 公司的p s t 、p s t b 系列电机软起动器，施耐德的a t s 4 6 软起动，德国s i e m e n s 公司的3 r w 2 2 s 0 s l m 盯软起动器，丹佛斯的a s ir o b i c o n 软起动器等等；在国内也有不少 公司加入到同类产品的开发过程中来，如：香港美高公司的电动机软起动器 s u p e r s t a r t ，西普电气的x p r l 系列软起动器，和平电气公司的h p s 系列软 起动器等等。虽然有这么多公司生产电机软起动器，但其基本功能和原理是一致 的e 目前，虽然有国内企业生产软起动器，但是在整个软起动市场上，占据统治 地位的还是国外产品，国内产品所占的份额很低，不少生产电机的厂商知道电机 软起动对于电机使用寿命的重要性以及软起动在大功率场合的广泛使用范围，但 是受本身科研能力的限制，目前只能通过引进国外配套的电机软起动器来实现整 套的电机控制系统，这样就使得国内自主生产的产品在国际市场上往往处于被动 的地位，缺乏竞争力。 1 。2 电机软起动器简介2 m 6 1 软起动概念起源于美国马歇尔航天中心，是一种采用电力电子技术、控制技 术和微处理器技术等多种技术综合而成的全新电机起动控制方式【2 1 。 智能电机软起动器是一种集电机软起动、软停车及多种保护功能于一体的新 型电机控制装置。它一般采用大功率双向晶闸管构成三相交流调压主回路；以微 处理器及信号采样、保护环节构成控制器，通过控制晶闸管的触发角，调节晶闸 管的开通时间，从而调节输出电压，使得起动电流缓慢上升，减少对电网的冲击； 起动过程中引入电流负反馈控制，使起动电流按照一定的速度上升到设定值，从 而使得电机平稳起动：电流负反馈的作用还表现在如果一旦出现电压波动情况， 这时就可以通过调节晶闸管的导通角来调整电机的端电压，保证起动电流稳定， 继而保证电机正常起动；而对于不同负载下对电机的不同起动要求。可以无级调 整起动电流设定值，改变电机的起动时间来达到最佳起动时间控制的目的。所以 浙江大学硕士学位论文 电机软起动器可以实现电机无触点降压软起动、软停车等多种功能。用软起动控 制起动电机时，晶闸管的输出电压逐渐上升，电机逐渐加速，直到晶闸管全通， 电机工作在额定电压的机械特性上。 1 3 软起动器研究的目的和意义1 m m m 在电机运行控制中，对设备的使用寿命影响最大的是电机的起动和制动。因 此能否很好的解决电机的起动和制动问题，对于电机的运行和使用寿命有着非常 重要的意义。现在一般中小型异步电机的起动方式有直接起动，定子回路串电抗 起动、星形一三角变换起动和自藕变压器等降压起动等等n 这些起动方式在起 动的瞬间有着很大的冲击电流，对电网会带来很大的冲击。 图1 1 各种起动方式对电网的影响【7 】 通过比较图1 1 所示的各种起动方式对电网的影响，可以清楚的看到，全 电压起动对电网的影响最大，它将带来最大的冲击电流和较长的作用时问；而在 星形一三角形起动，也就是通常使用的降压起动时( 一般称这种起动方式为硬起 动) ，由于存在着二次线圈的切换过程，因此在切换的过程中会出现一个二次冲 击的不利环节【7 】；而当采用软起动方式时，先设定一个起动电流，通过缓慢加载 电压，让电流逐濒增加到设定值，因此对电网的影响最小。 随着电力电子技术的快速发展和电力电子器件性能的不断改善和提高，相应 价格的不断降低，使得电力电子器件在电机控制上的应用越来越广泛；大规模集 成电路技术的快速发展，微处理器的性能越来越高、体积越来越小，使得以微处 理器控制的智能型电机控制器的应用越来越广泛。正是基于电力电子技术和微处 理器技术的快速发展，才使得以微处理器为主控制芯片的智能型电机软起动器的 浙江大学硕士学位论文 研制成为了可能。 1 4 软起动器与变频器的区别与展望“叭川h 叫畸 对于软起动器所要实现的功能，目前市场上的变频器一般都能实现，也就是 说变频器具有软起动器的功能，因此得首先区分出它们的异同，然后再给出软起 动器存在的必要性。软起动器和变频器是两种不同的产品，软起动器用在电机起 动时通过逐渐增大晶闸管的导通角来逐步增大起动电压，控制电机的起动电流不 超过设定值，从而使得电机平稳的起动，减小对电网的冲击：而变频器一般是使 用在需要频繁调速的场合，其输出在改变电压的同时还要改变频率，其结构设计 复杂，价格比软起动器贵的多1 1 1 】。再一个原因就是对于采用i g b t 设计的变频器， 受到现有i g b t 功率的限制，容量不可能做的很大。所以从价格和容量两方面的 因素考虑，软起动器在某些场合具有不可替代性。 正是因为软起动器的不可替代性，以及目前国内生产设计软起动的厂家还不 是很多，而且国外的软起动器相对来说价格昂贵，所以研究设计电机软起动器具 有非常重要的意义。本课题在根据现在电力电子技术和微处理器技术快速发展的 基础上了，综合各家之长，提出了一种基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 专用电机控制 芯片控制的高性能、低价格的电机软起动器。 1 5 本课题研究的内容“2 ”3 4 本课题选用可控硅和t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 4 0 7 型d s p 微处理器来实现智能 电机软起动器的研发。主要功能有起动功能：电压斜坡起动和电流限幅起动；制 动功能：软停车功能。下面分别对这些功能做简单介绍。 ( 1 ) 起动过程： 电压斜坡软起动： 4 浙江大学硕士学位论文 u n u 1 图1 2 电压斜坡软起动刚3 4 l 该软起动方式是最普遍采用的起动方式。由图1 2 可知，在电机起动时， 软起动器的输出电压迅速上升到设定值u ，该电压为电机起动时所需最小转矩 对应的初始电压，此电压可以按照不同电机和不同的带载情况下进行调节：当软 起动器的输出电压达到u 以后，按设定的速率逐渐加载电压，直至达到电网电 压u 。，软起动过程完成。在图1 2 中所示的斜坡软起动图中，电机两端电压逐 渐增加，而该斜坡加速时间在一定范围内可以自由调整，一般在1 - - 3 0 秒。 限流起动： i 。 i n 工 r 了， i 、 、 l一- t 图1 3 电流限幅起动图脚1 此软起动方式一般用在需要限定最大起动电流的场合，限定电流值可在2 5 倍的额定电流范围内调节。由图1 3 知，当电机起动时，软起动器的输出电 流迅速增大，直至输出电流达到设定的值。此后，在保证输出电流不大于该 值的前提下，逐渐提升电压，完成软起动的过程。这种起动方式限制了大电流的 冲击，又保证了一定的转矩。 ( 2 ) 制动功能： 5 浙江大学硕士学位论文 软停车 图1 4 软停车和自由停车图【3 4 】 这种制动的方式用在要求延长停车时间的场合，用来控制高摩擦负载的减速 状态1 3 4 】。电压下降时间可以调整，一般在1 - - 3 0 秒。在图1 4 中，自由停车就 是简单的切断电机两端的电压，使电机在负载的作用下实现停车的过程。丽软停 车其实就是软起动的相反过程，就是缓慢降低电机两端的电压，而并非一下子就 切断电源。与图1 4 曲线比较可知，在软停车的过程中，电机的转速缓慢下降， 以满足对高摩擦负载软停车控制的要求。 浙江大学硕士学位论文 第二章异步电机的起动和制动 2 。1 异步电机起动性能要求“1 拖动生产机械的异步电机在起动过程中，要求具有足够大的起动转矩，使生 产机械能够较快的达到正常运行；同时又希望起动电流不要太大，以免过大的起 动电流引起电源电压的下降，从而影响到电网上其他电气设备的正常工作l 。 不同负载和不同供电容量电网，对电机起动性能的要求是不一样的。异步电 机起动性能的基本要求有： ( 1 ) 足够大的起动转矩倍数k = m 。m ，： ( 2 ) 尽可能小的起动电流倍数l 凡； ( 3 ) 起动时间短，能够符合生产技术要求： ( 4 ) 起动设备简单、经济、可靠等。 在这当中，最主要的是起动转矩和起动电流的倍数【1 1 。 2 2 异步电机的一般起动方式 2 2 1 直接起动“3 将电机直接投入到额定电压的电网上，其优点是起动设备和操作都比较简 单，而且起动转矩比采用降压起动时大。其缺点则是起动电流较大，这是由于电 机刚投入电网，转子尚未开始转动时相当于短路，起动电流就是短路电流，而限 制短路电流的短路阻抗z 。一般很小，所以起动电流较大。此时，起动电流虽大， 但起动转矩却不大，这其中的原因可以用电磁转矩公式来解释： m 。一c 0 丸2c o s t p 2 ( 2 1 ) ( 1 ) 起动时，s 一1 ，2 = ，此时妒：；t g - 1 坦较大，使得c o s 妒2 较小，所以转 ，2 予电流的有功分量，2c o s 妒：并不大； 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) 由于起动电流较大，定子的漏阻抗压降z 。增大，致使感应电动势减小， 从而使得丸变小。这说明起动电流，2 虽然比较大，但是由于c o s 妒：和丸均变小， 故起动转矩并不大。 就电机本身而言，鼠笼型异步电机都允许在额定电压下直接起动。一般情况 下，对于经常起动的电机，起动电流引起供电母线的电压降落如不超过1 0 ，而 不经常起动的电机，电压降落如不超过1 5 ，就允许采用直接起动。对于电网容 量足够大，当起动电流不致于引起显著的电压降落时，应优先采用直接起动的方 式i ”。 2 2 2 降压起动“1 8 1 1 明 降压起动就是利用降低电机端电压的方法来限制起动电流，待起动完成以 后，再切换到额定电压下运行。由于异步电动机的起动转矩与端电压的平方成正 比，因此，降压起动时，起动转矩也较小。由上可知，这种起动方式只能适用于 对起动转矩要求不高的场合。 常用的降压起动方式有： 1 定子回路串电抗起动 这种起动方式是在电源接通以前，先将电抗串入定子绕组回路，然后接通电 源。待转速稳定后再将电抗切除。由于起动时定子绕组串入的电抗器，而起到了 分压作用，使加在电机上的端电压降低，因此减小了起动电流。 由于起动电流正比于定子端电压，而起动转矩正比于定子端电压的平方。如 果起动时电机端电压降低到额定电压的1 k 倍，则起动电流降低到额定电压时起 动电流的l l k ，而起动转矩则降到原来的1 k 2 倍，因此该起动方式只能用于空载 或轻载的情况【”。除此以外定子回路串电抗起动还存在着如下的限制： ( 1 ) 起动特性很难优化。其原因是制造起动器时电抗值必须确定，以后很难调 整： ( 2 ) 频繁起动场合下起动特性不好。因为起动过程中电抗值随着电抗的温度而 发生变化，从停止到再起动需要较长时问的冷却过程； ( 3 ) 负载较大或起动时间较长的场合下运行特性变坏。这是由于电抗值随着电 浙江大学硕士学位论文 抗的温度而变化； ( 4 ) 对于起动要求经常交化的负载不能提供有效的降压起动【8 】。 2 星形一三角起动 星形一三角起动只适用于正常运行时定子绕组接成三角形的电机。起动时定 子绕组先接成星形，待起动完毕后再转换成三角形。 设电机每相短路阻抗盈，且为常值，当定子绕组为三角形接法时，电机直 接起动时的线电流l 。为： 小拓乏( 2 - - 2 ) 式中u ，为电机额定线电压 当定子绕组改为星形接法时，加在每相绕组上的电压降为：以；u 3 ， 可见星形接法时起动电流为 k 老 将式( 2 - - 3 ) 除以式( 2 - - 2 ) 得到 生。! i n 3 由此可知，在星形一三角形起动时， 直接起动时的三3 。 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 电源供给的起动电流仅为三角形接法下 星形一三角形接法起动设备简单，操作方便，故星形系列产品中4 k w 以上 的电机，定子绕组都按三角形接法设计，以便采用星形一三角起动。 星形一三角形接法也有以下的限制： ( 1 ) 无法控制电流和转矩的下降，电流的下降值固定，约为额定值的1 3 ； ( 2 ) 当起动器从星形接法切换到三角形接法时，通常会出现较大的二次电流和 转矩变动。这将引起机械和电气的应力，导致故障【”。 3 自藕变压器起动 该起动方式是利用一台降压式的自藕变压器( 又称为起动补偿器) ，降低定 子绕组上的电压起动，等待起动完成后，再把电机直接接到电源上去。 9 浙江大学硕士学位论文 假定电机在额定电压u 。下，直接起动时起动电流为，玷，起动转矩为m ，。 自藕变压器原、副边电压之比为k 。，经过自藕变压器降压，加在电机上的端电压 降为u 。k 。，则电机的起动电流，。为： 1 l 。= isn(2-5) 而电机的起动转矩m 。则为： 1 m。t一m|n(2-6) k 口 可见，自藕变压器起动和星形一三角形起动具有相同的性质，其起动转矩和 起动电流减小的倍数是一样的。而自藕变压器起动的优点在于不受电机定子绕组 接法的限制，而自藕变压器的变比屯在一定范围内可调。但是这种起动方式也同 样受到一定的限制： ( 1 ) 电压的变化( 分级的原因) 引起转矩波动； ( 2 ) 有限的输出电压变比级数( 同样是因为分级) 限制了理想起动电流的选择； ( 3 ) 适用于频繁或较长时间起动条件的自藕变压器造价高： ( 4 ) 对起动要求经常变化的负载，不能提供有效的降压起动控制。例如，输送 机可能在有负载或无负载的情况下起动，自藕变压器式起动器只能在一种负载条 件下进行较好的起动控制1 羽。 从以上几种降压起动方式的分析可知： ( 1 ) 所有常规起动方法的一个共同特点：它们不能精细的调节电机参数以适应 特殊的软起动要求，即：初始力矩和初始电流虽然降低了，但要求如限定或者恒 定加速力矩下以及电流限制到特定值以下的起动，是不能够实现的； ( 2 ) 维护、保养复杂，安装费用高； ( 3 ) 不可能完全避免电流冲击和力矩冲击【8 1 。 2 3 软起动的原理和优点叫啪 由电机学原理可知，当异步电机定子与转子回路的参数为恒定时，在一定转 1 0 浙江大学硕士学位论文 差率下，电机的电磁转矩m 与加在其定子绕组上电压u 的平方成正比。因此， 通过改变电机定子电压就可以改变其机械特性函数关系，从而改变电机在一定输 出转矩下的转速f 8 。 异步电机在调压调速时的机械特性见图2 1 ： s o 图2 1 异步电机调压调速机械特性图【8 】 电机的软起动就是使用调压装置在规定的起动时间内，自动地完成起动电压 连续平滑的上升i 直至达到额定电压。能完成这一要求的电机软起动器应有以下 功能： ( 1 ) 能够简单灵活的控制起动电流和转矩的大小； ( 2 ) 适合频繁起动的场合； ( 3 ) 适合起动条件经常变化的场合； ( 4 ) 可以采用软停止控制来延长电机的减速时间； ( 5 ) 可以采用制动减少电机的减速时剐8 】。 2 4 晶闸管电路的调压原理儿”m 邮5 m 6 3 在交流供电电源和电机之间接入晶闸管调压电路，就可以通过改变晶闸管的 导通角来达到改变电机两端电压的目的。采用晶闸管电路调压有两种方式：一种 是相控调压，即利用加到晶闸管的门极脉冲相位的改变来调整输出电压；另一种 是斩波调压，即相当于把双向晶闸管当作静止接触器，交替的接通和切断几个周 期内的电源电压，改变接通的周期数和切断的周期数来改变输出电压的有效值。 当斩波调压用在异步电机定子上时，通断交替的频率不能太低，否则一方面会引 起电机转速的波动，另一方面每次接通电机就相当于一次异步电机重新合闸过 塑垩查兰婴圭兰垡至苎 一 程。当电源切断时，电机气隙中的磁场将由转子中的瞬态电流来维持，且随着转 子而旋转，气隙磁场在定子绕组中感应的电动势频率将有所变化，当断流时间间 隔较长时，这个旋转磁场在定子中感应的电势和重新接通时的电源电压在相位上 有可能会有较大的差别，这样就会引起较大的电流冲击，将会危及晶闸管的安全。 而为了实现软起动的功能，达到加载在电机两端的电压缓慢的上升，就必然要求 导通和切断的周期数较多，这样就使得晶闸管的工作频率较低，断流时间间隔较 长；又由于晶闸管不能自关断，如果采用斩波技术时，还需要附加斩波电路或用 自关断器件来替代晶闸管，这样就带来装置的复杂性以及价格上升等问题，因此 在异步电机调压控制中，晶闸管电路调压一般都用相控技术。移相调压时，输出 电压波形已不是完整地正弦波，但输出电压不含偶次谐波，而奇次谐波中则以三 次谐波为主要成分。当然，采用相控技术产生的谐波，会在异步电机中引起附加 损耗，产生转矩脉动等不良影响。此外，由于异步电机是感性负载，从电力电子 学知识中可以知道，在晶闸管交流调压电路带感性负载时，只有当移相角口大于 感性负载的功率因数妒时，才会起到调压作用。当ac 妒时，电流导通的时间将 始终为1 8 0 0 ，其情况与a = 0 时一样，相控不起任何作用，甚至在晶闸管触发脉 冲不够宽的情况下，会出现只有一个方向的晶闸管在工作的情况，使负载上可能 出现直流分量，危害到晶闸管的安全。所以口的下限幅值取为额定运行时的妒值， 而d 上限幅值取为1 8 0 0 。 在晶闸管交流调压系统中，晶闸管可咀采用负载电流波形过零而自关断的换 流方式( 阻性负载和感性负载均如此) ，不需要附加额外的换流电路，所以其主要 优点是电路简单，调压装置体积小，价格低廉，使用和维修方便。 本软起动采用晶闸管电路调压原理，通过相控调压的方式调节电机定子端电 压的大小来实现软起动器的各种功能。主电路接线图如下图2 2 所示。用三个 双向并联晶闸管分别串联在y 接法的电机三相定子线圈上，这种连接方式谐波 比较少，调压性能最为优越，控制系统简单、可靠。 1 2 浙江大学硕上学位论文 1 h l 一辜一 v t 4 v t 3 h 里 一厂1 7 ：卜 | 灯蒜 | j 图2 - - 2 晶闸管调压电路原n i l t t 2 1 】 为了方便分析，做以下假定： ( 1 ) 电源为三相对称的正弦电压源，内阻抗为零； ( 2 ) 各晶闸管的特性一致，对称触发，关断状态时，其阻抗为无穷大；导通状 态时，其压降为零； ( 3 ) 电机为理想电机，其定、转子绕组在空间产生正弦分布的磁通势； ( 4 ) 稳态运行时，电机的转速为常数。 在图2 2 所示电路中，由于没有中线，因此在工作时若要负载电流流通， 至少需要有两相构成通路，并且其中一相是正向晶闸管导通，而另一相为反相晶 闸管导通( 如v t l 和v r 6 导通) 。为保证在电路起始工作时有两个晶闸管同时导 通，及在感性负载和控制角较小时仍能保证不同相的两个晶闸管同时导通，要求 能够产生大于6 0 0 的宽脉冲或双窄脉冲的触发电路，以免在at 妒的情况下交流 调压电路中出现可能只有一个方向的晶闸管导通的情况，造成负载上的电压和电 流波形正负半波不对称。 在带感性负载时，这种交流调压电路控制角的最大移相范围为1 5 0 0 ，即 o oc 口c1 5 0 0 ；而当负载为异步电动机或变压器时，其控制角的最大移相范围为 盘 1 8 0 0 。 调压时，在不同口角时负载上所得到的电压与电流波形是不同的，负载两端 的电压与控制角a 的大小成反比。当晶闸管调压电路在电机起动时，随着控制角 a 由大n 4 , 变化，负载两端所加的电压则随之逐渐升高，而负载电流变化趋势将 从大缓慢减d , n 额定值。由于调压控制实质上是改变个周期内电压波形导通角 浙江大学硕士学位论文 的大小，故输出已不是正弦波。晶闸管采用对称触发，保证每一相负载上所得到 的电匿及稳态时的相电流是三相对称的，各相电压及稳态电流对称。根据谐波分 析，对于三相对称控制电路，其输出电压中只有奇次谐波，并以三次谐波所占的 眈重最大。由于没有零线，虽有三次谐波电势，但三次谐波却无通路，因此没有 三次谐波电流，这样对电源装嚣的干扰很小。 晶阉管调压电路电压过程分析： 由于电路的对称性，取单相晶闸管电路进行说明。在图2 3 所示的波形中， 电网电压波形为完整的正弦波，a 为晶闸管的触发角，伊为负载的功率因素角( 又 称为续流角) ，挣为导通焦，这些角度之间的关系为： 口= 万一a + 口( 2 - - 7 ) 晶闸管电路的输出电压为介于管导通角8 间的波形。改变口角的大小，就可 以调整电机的输入电压。由式( 2 7 ) 可以看到，a 与口和妒都有关，对于恒定 的负载阻抗，妒角是常量，只要调整a 角就可改变晶闸管调压电路的输出电压。 但是电机的功率因数角9 是电机转速的函数，在电机起动过程中，随着转速的提 升，功率因素角将不断变化，所以，对晶闸管触发角口的调整要兼顾妒角的变化。 只有这样，才能达到电机端电压按预定规律调压的目的。 图2 - - 3 单相品闸管工作波形【2 1 1 4 浙江大学硕士学位论文 u = 按照上图进行相控调压以后，输出电压有效值的表达式为： ( 2 8 ) 其中u o 为电源相电压有效值，经推导得： u ：u 0 丝垫甓业 ( z 吲 从式( 2 - - 8 ) 和( 2 - - 9 ) 得出了u 和移相触发角口、功率因素角妒都有很 大的关系。 2 5 交流调压电路工作状态研究m m 4 1 在了解了晶闸管调压电路原理和工作过程之后，接下来分析调压过程中三相 交流调压电路的工作模式。 在图2 2 所示的晶闸管调压电路图中，v t l v t 6 晶闸管参照图2 2 上的 位置所示。为了形成电流的回路，在每一瞬间，至少要有处于不同相的两个器件 导通。6 个晶闸管按照、v r 2 、v t 3 、v t4 、5 和v t6 的顺序循环触发 导通，相邻两个晶闸管触发应相差6 0 度电角度。 在电路进入稳态后，电路的工作状态就沿着状态图中的某一条封闭曲线循环 运动，每一条封闭曲线称为一种工作模式。三相交流调压电路有两种工作模式： “三相一两相”交替工作模式和“两相一全关断”交替工作模式。其中“- - + h 一 两相”交替工作模式出现在妒 口妒+ 6 0 “隋况下( 这里t p 为功率因素角，a 为 触发角) ；而当舻+ 6 0 0 口 1 5 0 0 时则出现“两相一全关断”交替工作模式。在 妒= a 情况时，则出现三相全导通的模式，相当于将电源电压直接加载在电机两 端的情况【1 4 】。 知道了不同的触发角下调压电路的工作状态，下面分析他们在各个状态的工 作情况，并利用有限状态机的模型进行分析。为了方便分析，晶闸管的编号用他 们对应的相电压的编号来代替，其中上标“+ ”表示的是f 向晶闸管，下标“” 表示的则是负相晶闸管，这样就可以分别用a + 、a 一、b + 、b 一、c + 和c 一来代 浙江人学硕士学位论文 替晶闸管v t l 、v t 4 、v t 3 、v t 6 、v t 5 和v t 2 。在“三相一两相”交替工作 模式下，假设电路的初始工作状态为三相导通状态a bc ，当a 相电流过零时， 晶闸管v t l 因电流过零而自然关断，这样电路就进入两相导通状态_ b + c 一，当a 相电压负相的触发脉冲触发v r 4 ，使得a 相导通，电路又进入三相导通状态 a bc ，依此类推，电路依照图2 4 的状态顺序在各个模态之间切换并循环运 行。在整个过程中有6 个三相导通和6 个两相导通共1 2 个工作状态【1 4 l 。 图2 - - 4 “三相一两相”交替工作模式1 1 4 i 三相全通的情况出现在妒z 口这种特殊情况时，只有6 个三相导通的状态交 替。如图2 5 所示。 浙江大学硕士学位论文 互相 三桐奄不通 图2 - - 5 “三相全导通”工作模式【1 4 】 在“两相一全关断”交替工作模式中，假设以a + b 一两相导通为初始状态， 此时c 相电流为零，当b 相电流过零时，由于三相电流之和为零，因此爿相电流 也为零，电路进入三相全不通的工作模态；之后c 。相晶闸管同时触发，标志 着三相全不通模态接束，转入a + c 一两相导通。依次类推，电路按照图2 6 的状 态顺序在各个模态之间切换并循环运行。 1 7 浙江丈学硕士学位论文 图2 6 两相一全关断”交替工作模式【1 4 2 6 软起电路的起动和制动 2 6 1 电压斜坡软起动原理“儿朝船7 1 斜坡电压软起动时，起动电压由小到大缓慢上升，所以起动转矩也缓慢上升。 在此起动过程中，一般设置一个整定电压值u ，当电机一起动时就把电压加至u 的大小，这样做的目的是让电机在起动时就具有一定的驱动转矩，避免了电机起 动时的冲击转矩。随后电机两端电压根据起动的时间设定逐渐上升，直至达到电 网额定电压为止。这种起动方式的起动冲击电流主要在电压由0 跳到玑时产生。 在起动转矩要求不是很高的场合，可以减小起动电压整定值u 的大小，从而减 小起动冲击电流。这种起动方法虽然只是通过控制电压来完成软起动，但是起动 的冲击电流不大。 根据国家标准：异步电机的转矩过载能力为m 。m ，) 1 1 8 ，那么当电机在 拖动额定转矩的负载时，在不致停转的前提下，假设电压为额定电压的百分比是 x ，则： 浙江大学硕士学位论文 - _ 。- 。_ _ - - _ 。一 x ；吖m 。+ 1 0 0 7 4 5 ( 2 1 0 ) 当电机驱动恒转矩负载，且uc 7 4 5 u u 时，如果电机仍未能起动，此时 流过电机的电流会非常大，因此这种起动方式不适合恒转矩负载的起动。 2 6 2 限流起动2 0 m m 3 在讨论电机限流软起动前，先讨论一下电机的简化模型。异步电机的r 型简 化模型如图2 7 所示： 图2 - - 7 异步电机r 型简化模型【1 1 在图2 - - 7 中，吒和分别是定子绕组的电阻和漏抗，和砭。分别为折算 后转子的电阻和漏抗，_ 和分别为励磁电阻和励磁阻抗，s 为转差率。 由简化模型可以求出异步电机的机械特性数学表达式： 虬2 环鬻 沪1 1 ) 在起动时，转子转速，l ：。0 ，转差率s 一1 ，此时机械特性方程式为： 帆。郦翻 1 2 ) 又因为在电机起动时，( + 以) + j ( x 。+ 工) 要比( r l + r m ) + j ( x l 。+ ) 小很 多，所以： z 。厄习百丽 ( 2 1 3 ) 1 9 浙江大学硕士学位论文 1 丝。堕( 2 1 4 ) 1 ( + 乏) 2 + j ( _ ，+ x 2 “。) 2 z x 从上面讨论得到的电机简化模型可知，起动时，s = 1 ，( ，1 + ) + ，( 五。+ ) 比( + ) + ，( _ 。+ z 二) 大很多，忽略激磁电流时，视z 。为开路，则： ，1一-i：(2-15) 由式( 2 - - 1 1 ) 可以得到起动转矩膨。与定子每相电流j 。的关系如下： 瓦m s t - ( 2 - - 1 6 ) 式中： m v ： 异步电机的额定电磁转矩 凡： 异步电机的每相额定电流 s ，： 异步电机的额定转差率 通常感应电机的晶很小，一般为0 0 1 - 0 0 5 ，所以要获得较大的m 。倍数， 必须要求有较大的起动电流倍数。限流起动时，若限流值i s t 较大，则电机的起 动转矩m 。也大。因此电机达到稳定转速的时间越短，起动也越迅速a 但是，为 了起动的时候保证有一定大小的起动转矩，起动电流的选择不能太小，限流值的 选择要大小合适。而在大转矩的起动场合，限流起动则不一定适用。这是为了满 足大的起动转矩，要求大的起动电流l 之故。而当起动电流，。过大对，会引起 对电网的较大冲击。所以在太转矩的起动场合，限流起动并不一定适用。 2 6 3 软停车 软停车的原理和限流起动相似( 不过方向相反) ，也是通过控制流过晶闸管 中的电流，使得电机端电压缓慢降到零，让电机平稳停机。 2 0 浙江大学硕+ 学位论文 第三章电机软起动器的硬件设计 3 1 硬件系统简介2 1 3 本软起动器主要包括主回路、控制回路和驱动保护回路。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。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，接触器驱动，r s 2 3 2 的上位机串口通信回路和辅助开关 电源等。下面对这些回路做简单介绍： ( 1 ) 电压检测：在电压检测回路中，实现两个功能。其一是同步信号的检测功 能，采样三相电压的过零时刻，它作为晶闸管脉冲触发信号的同步信号；其二是 将三相电源电压信号通过变压器降压后转变成直流信号，再经a d 转换后送入到 d s p 中，作为电压负反馈调节、故障检测、过压和欠压保护。 ( 2 ) 电流检测：通过霍尔传感器将三相电流信号转换成电压信号，再将这个电 压信号经过a d 转换后送入到d s p 作为电流负反馈调节、故障检测和过流保护。 ( 3 ) 晶闸管触发电路：利用d s p 给出的控制信号，经脉冲变压器后送出一定脉 宽的脉冲信号驱动晶闸管的导通，并通过控制导通角来改变加载在电机两端的电 压大小。 ( 4 ) 接触器驱动：在软起动功能完成以后，剥用d s p 给出的控制信号，经驱动 电路后驱动接触器动作，将软起动器从控制回路中断开。 ( 5 ) 主控微机t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 芯片：是系统控制的核心单元，主要负责对 检测信号的处理，移相范围的调节，给出晶闸管和接触器的驱动信号，接受来自 上位机的控制信号，反馈数据等功能。 ( 6 ) r s 2 3 2 上位机串口通信：通过上位机，给出起动、停机方式和各种预设置 参数，通过r s 2 3 2 串口传输，完成整个软起动的过程。 ( 7 ) 辅助开关电源：它是一个具有多路输出电压的开关电源，满足控制驱动回 路的各种供电需要。 塑坚查兰堡主兰生堡塞 一 3 2 主回路的设计 3 2 1 主回路1 1 1 1 7 3 软起动器主回路的具体电路如图3 1 所示 图3 1 主回路电路 采用三个双向晶闸管组成调压电路。在双向晶闸管和三相供电电源之间接入 接触器，当软起动时，接触器断开，软起动完成后接触器闭合。当软停车开始时， 浙江大学硕士学位论文 接触器再次打到双向晶闸管端，软起动器投入到停车运行，如此重复来完成软起 动和软停车。t v l l 、t v 2 2 和t v 3 3 为电压传感器输出，而m 1 、m 2 署i m 3 则为 霍尔传感器电流输出，该电流信号通过电阻后转变成电压信号输入到控制回路。 3 2 2 晶闸管参数选择“ 在选择双向晶闸管时，必须认真考虑其参数特性。由于晶闸管工作时可能会 遭受到一些意想不到的瞬时过电压，为了确保管子安全运行，在选用晶闸管时应 使其额定电压为正常工作电压峰值的2 倍。电机为3 8 0 v 三相异步电机时，双 向晶闸管的额定电压的选择由式( 3 - - 1 ) 决定： - ( 2 - 3 ) u - ( 2 - 3 ) 2 x 3 8 0 v = 1 0 7 5 1 6 1 2 v ( 3 1 ) 双向晶闸管在用于交流电路时，其通态额定电流是电流指有效值。例如 7 5 k w 的异步电机，额定电流，。为： i n 一7 5 0 0 3 8 0 4 3t1 14a(3-2) 而起动电流可以高达额定电流的4 8 倍，这就要求双向晶闸管的额定通态电 流为： j 。= ( 4 7 ) i = 4 5 6 9 1 2 a ( 3 - - 3 ) 在选择晶闸管时仅仅加大安全裕量是不够的。为了使晶闸管能正常工作而不 受损坏，还必须对过电压、过电流等进行适当的保护。根据市场现有产品和价格， 系统最后选择了上海椿树整流器有限公司生产的m t c l 6 0 a 1 6 0 0 v 型号的晶闸 管，其额定电压为1 6 0 0 v ，额定电流为1 6 0 a ，能满足系统的要求。 3 2 3 晶闸管保护回路“7 3 晶闸管由于击穿电压接近工作电压，热容量又较小，所以承受过电压、过电 流能力较差，短时间内的过电压、过电流都可能造成元件损坏。为了使晶闸管能 正常工作，除了合理的选择元件外，还必须对过电压、过电流发生的原因加以分 析，并采取合适的保护措施。 1 、过电压保护： 浙江大学硕士学位论文 过电压可以分为以下两类： ( 1 ) 操作过电压；因交流装置拉、合闸或器件关断等经常性操作，由电磁过程 引起的过电压。 ( 2 ) 浪涌过电压：因雷击等偶然原因引起，从电网串入到变流装置的过电压， 其幅度可能比操作过电压还高。 对过电压保护原则是：限制操作过电压，使其在晶闸管额定电压u 。以下， 浪涌过电压限制在晶闸管的断态和反相不重复峰值电压。和u 。，以下。 系统硬件设计中，过电压保护采用r c 阻容吸收回路。从图3 1 主回路电 路图可以看到，在每一个晶闸管的两端都并联上r c 阻容吸收回路，利用电容两 端电压不能突变的特性，可以有效地抑制过电压；串联电阻能消耗部分过电压能 量，同时能抑制l c 回路的振荡。 2 、过电流保护： 由于晶闸管的电流过载能力比一般电气设备差很多，因此必须对变流装嚣进 行适当的过电流保护。在系统硬件设计中，采用交流断路器作为交流装置的后备 保护，采用快速熔断器保护晶闸管的过电流。 3 3 电压检测回路 电压检测回路包括同步信号检测和电压反馈、保护两方面的内容。 3 3 1 同步信号检测回路。儿” 为保证三相交流调压器主回路中各个晶闸管的触发脉冲与其阳极电压保持 严格的相位关系。在电机软起动器的设计过程中，同步信号检测是很重要的一个 环节。只有准确的测量出电压的过零点，才能精确的控制晶闸管的导通角，从而 实现对电机两端电压的无极加载，完成软起动的功能。在模拟系统中，一般使用 三相同步，三相电源经过过零比较器得到三个同步方波信号，合成后，在每个周 期内产生6 个同步脉冲信号，再读出电源状态，进而实现同步目的。这样组成的 系统显得比较的复杂，使得维护和检修也变得很麻烦，另外价格不菲的三相同步 变压器增加了软起动器的成本。本系统中，引入了数字式智能化d s p 控制，可 浙江大学顶士学位论文 以用单相交压器代替三相同步变压器，得到所需的同步信号。它与三相同步变压 器相比，单相变压器具有体积小，成本低，在市场上较