（电力系统及其自动化专业论文）感应电机在变负荷条件下软起动及跟踪控制研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕上学位论文感应电机在变负衙条件下软起动及跟 踪控制研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期| 日j ，在导师指导f 进行的研究工 作和取得的研究成果。掘本人所知，除了文中特别加以标注和敛谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构 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已在论 文l l 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：盔鑫趣 日 期：丝丑! 堑 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向订天部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制7 - 段复制j ：保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校u 丁以学术交流为 j 的复制赠送和交换学位论文：州意学校可以用不同方式在不6 日媒体l 发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 硷主盈： 矽d 7 、； 。j 。1 。一 导师签名： 日期： 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 三相异步电动机由于其坚固耐用、运行可靠和所需维护少的特点而作为标准的 驱动系统解决方案，广泛应用在工业、建筑以及家用电器领域中。这其中的大部分 电动机一直采用在额定电压下直接起动的工作方式，但从异步电动机的工作原理可 知，电动机在工频、额定电压下直接起动瞬间，旋转磁场切割转子绕组产生的电动 势很高，转子电流很大，致使电机的起动电流往往为其额定工作电流的4 - 7 倍，这种 特性对于额定电流上百安培的中等容量及以上的电动机来说，有其难以克服的弊端： ( 1 ) 直接起动电流可达上千安培如果电网容量不十分大，线路又长，这么大的起动 电流会造成很大的电压降。使同一线路上运行的其它电动机受到影响。当电动机的 端电压下降到一定的数值时，欠压保护就会起动，造成电气设备误动作，影响正常 工作。( 2 ) 过大的起动电流使起动电机本身的绕组因过热而加速绝缘老化，使电动 机的使用寿命缩短。( 3 ) 如果电动机运行时，其端电压超过额定值将增大铁心损耗， 而低于额定值电动机电流增大将导致铜损耗上升。另外，对于一些特殊的负载如抽 油机负载、皮带传送类负载等要求电机在不同负荷条件下进行软起动时，由于起动 初始时刻负载变化趋势的差异，对软起动的控制方式提出了新的要求。因此，研究 异步电机在不同负载条件下软投入的过渡过程并将其应用于电机的实际控制中对 于系统运行的可靠性以及电机的节能控制都将有着深远的意义。本文是在抽油机电 机节能控制这一课题的基础上对感应电机在变负荷条件下软起动的过渡过程及其 跟踪控制展开研究的。 1 1 抽油机电机节能控制技术发展概况 随着工农业生产的不断发展，机械化、自动化程度的不断提高，对电能的需求 量迅速增长，节约能源也被放到优先的地位。众所周知，节能的重点在工业，而工 业节能之关键是抓好电动机的经济运行。电动机是实现全国电气化的主要动力机 械，而异步电动机又是工农业生产中应用最为广泛的一种电动机。例如：中小型轧 钢设备、矿山机械、起重机、鼓风机、水泵、以及脱粒、磨粉等农副产品的加工机 械，大部分都采用异步电动机来拖动。在人民日常生活和医疗器械中，异步电动机 的应用也日益增多。据不完全统计，至2 0 0 0 年，我国中小型三相异步电动机负荷 占电网总负荷的8 5 ，年用电量超过3 7 5 0 亿k w h ，占全部工业用电的6 5 。异步电 动机之所以得到如此广泛的应用，是由于和其它电动机比较，它具有结构简单，运 行可靠，效率较高，制造容易，成本较低，而且坚固耐用等优点。据不完全统计， 华北电力大学硕士学位论文 我国目前在役的电动机中，尚有4 亿k w 的高能耗电动机，这些电动机的损耗占额 定出力的1 0 2 3 ，具有极大的节能降耗潜力。例如：我国风机和水泵的用电量占 全国总用电量的3 1 ，占工业总用电量的5 0 ，而运行效率在7 0 以下，一般低于世 界平均水平的5 1 0 ，仅此一项节电潜力每年约为3 0 0 亿k w h 。 在实际使用中，许多电动机装置( 约为6 5 ) 经常在轻载或空载状况下工作， 即所谓的“大马拉小车”现象。例如油田现场使用的抽油机电动机，由于电动机起 动时刻正好处于重载时刻，要求很高的起动转矩。为了解决这个问题，以往采取的 主要方法是提高配套电机的容量。这样做虽然提高了起动转矩，但是使用较大容量 的电机带动小容量的负载，造成电机的负载率较低，电动机处于非经济运行状态 多年来，人们在感应电动机节能方面做了大量的研究工作，为电机的节能做出 了巨大的贡献。目前，抽油机电动机节能主要分为三个方面i l i ，( 1 ) 人为地改变电动 机的机械特性，以实现负荷特性的柔性配合，从而提高系统效率，实现节能，这种 方法主要是改变供电电源的频率。( 2 ) 从设计上改变电动机的机械特性( 如高转差 电动机和超高转差电动机) 提高电机运行效率，达到节能( 3 ) 提高电动机的负荷 率，功率因数，实现节能。 图i - i 曲柄净扭矩曲线 我国大部分油田均采用机械式采油方式，其中又以游梁式抽油机应用最为普 遍。抽油机一般由电动机驱动，通过抽油杆的上下运动将原油抽到地面的管网中，电 动机轴上形成的负荷，即抽油机的合成扭矩呈周期性波动，每周期有数次载荷冲击、 有一两次负值扭矩出现，抽油机的合成扭矩t 随曲柄转角0 的变化曲线如图卜1 1 2 j 所 示。抽油机的负荷曲线每口井几乎都不相同，千差万别。通过大量的现场测试发现 抽油机的平均负荷一般为最大负荷的i 3 ，电动机的负荷率大部分在1 0 2 0 ，负荷 率最高的也不过3 0 。电动机的平均负荷率低，电动机的容量没有被充分利用，存在 着严重的“大马拉小车”现象，造成电机功率因数低、效率低 2 - 3 1 。在油田现场，由 于操作工人要定期对油井情况进行检查和其它作业，或者其它的一些电气或机械操 作，都需要停机停井。由于油田用抽油机电机很多是低压大容量普通异步电动机， 2 华北电力大学硕士学位论文 起机的时候电机的起动电流非常大，对电机本身和电网其它负荷的影响非常大，因 此对于抽油机电机的软起动研究非常重要。由图卜i 可知，抽油机电机的扭矩曲线 基本上可以划分为四个区域：( 1 ) 轻载段；( 2 ) 从轻载到重载的骤升段； ( 3 ) 重载段；( 4 ) 从重载到轻载的骤降段。而在油田现场，操作工人在停井时一般都 配合刹车装置快速停井，这样的话在停机后由于驴头和平衡块的位置就是随机的， 可能会处在上述四个区域中的任意一段，那么对于其软起动的研究就需要从不同起 动负载特性的条件下着手研究。 针对油田抽油机这种大功率电动机，小负载运行的特点，本人所在的华北电力 大学( 北京) 电机节能与控制课题组经过多年开发试验，研制出抽油机自适应动态 节能控制柜。该项目根据抽油机运行状况，通过分析电动机功率曲线，在电动机负 工况断电运行，并结合y 一变换以及电容补偿等现代节能技术，可以达到平均节 电率在2 0 以上的节能效果。本人于2 0 0 5 年7 月起参与到该项目，在两年的时间内， 多次参与到现场试验、测试和设计开发工作，并根据项目的总体计划进行相应的研 究工作。本文就是针对抽油机电机在变负荷条件下软起动的过渡过程进行研究，对 交流调压电路的变负荷软起动过程进行仿真和实际控制展开工作 1 2 感应电动机软起动技术的发展现状 异步电动机常用的起动方法有y 一降压起动、自耦变压器降压起动、定子回 路串接电抗降压起动等。这些起动方法虽各有其优点和实用性，但也存在明显的不 足之处，如没能很好地解决电动机起动瞬问大电流对电网的冲击闯题，以及制动 时定、转子回路电流过大而导致绕组过热的问题，另外，这些起动设备的触点多， 发生故障率高，维护工作量大等。随着电力电子技术的发展，一种称为软起动器 ( 或固态软起动器) 的新型起动设备正在工业生产中广泛推广应用。电动机软起动 技术是上世纪8 0 年代末、9 0 年代初研制和推广的新技术，这种软起动器使得电动 机起动平稳，对电网的冲击小，还可以实现软停车、软制动，以及电动机的过载、 缺相保护，并能实现异步电动机的轻载节能等，与传统起动设备相比，软起动器 具有更好的起动、制动控制性能及保护性能。 电动机端电压( 或者电压和频率) 连续缓慢增加，使电动机转速平滑上升，直 到额定转速运行，称为电动机软起动。软起动可分为有级和无级两类，前者的调节是 分档的，后者的调节是连续的。传统的软起动均是有级的，如星角变换软起动、自 耦变压器软起动、电抗器软起动等。无级软起动主要有：电解液限流的液阻软起动， 开关式变压器软起动，磁控软起动和变频软起动【4 j 。 1 液阻软起动 3 华北电力大学硕士学位论文 液阻是一种由电解液形成的电阻，它导电的本质是离子导电。它的阻值正比于 相对的二块电极板的距离，反比于电解液的电导率，极板距离和电导率都便于控 制。液阻的热容量大。由于它具有许多突出的优点，液阻软起动器在各个行业得到 广泛的应用。其优点主要为：( 1 ) 电阻值可以无级控制和电阻热容量大，这恰恰是 软起动所需要的：在软起动过程中不产生高次谐波。( 2 ) 一个十分重要的优势即低 成本，性价比较高。( 3 ) 液阻软起动装置可以串连在绕线电动机转子回路，实现重 载软起动( 4 ) 由于制造技术比较成熟，液阻软起动器所能起动的电机功率范围得 到了很大的发展。但是由于自身构造特点，其具有相应的缺点：( 1 ) 液阻箱容积大， 其根源在于阻性限流，减小容积将引起温升加大。一次软起动后电解液通常会有 1 0 3 0 c 的温升，使软起动的重复性较差。( 2 ) 液阻软起动需要维护，液箱中的水 需要定期补充。电极板长期浸泡于电解液中，表面会有一定的锈蚀，使用较长时间 后需要作表面处理( 3 ) 液阻软起动装置不适合于置放在易结冰的现场。液阻软起 动装置国外早已使用。至今，在国内仍然运行着不少国外的液阻软起动产品，分别 来自日本、加拿大、意大利等国。出厂日期从2 0 世纪6 0 年代到2 0 世纪9 0 年代均有。 国内产品的生产厂家很多，知名度较高的有湖北襄樊的追日公司、大力公司、雷诺 尔公司以及上海的几家公司等。 2 开关式变压器软起动 开关变压器式软起动是利用p l c 通过电力电子器件控制开关变压器低压侧，达 到控制高压侧的电气参数，完成电机的软起动。与液阻软起动相比，它的体积小、 结构紧凑，几乎免维护，功能齐全，菜单丰富，起动重复性好，保护周全。开关变 压器式软起动的技术特点：( 1 ) 轻载软起动时，起动电流在额定电流的2 5 倍以内。 输出电压可以从零起连续可调，起动过程不会产生操作过电压。( 2 ) 控制精度高， 重复性好。该装置能量消耗小，自身温升很小，可以连续起动。该软起动产品的缺 点有：( 1 ) 高压产品的价格太高，是液阻软起动的3 5 倍。( 2 ) 晶闸管引起的高次谐 波较严重。( 3 ) 绕线转予异步电机不能使用。 3 磁控软起动 这种软起动的电抗值的变化是通过控制直流励磁电流，改变铁芯的饱和度实 现的，所以叫做磁控软起动。磁控软起动是从电抗器软起动衍生出来的。用三相电 抗器串连在电动机定子回路，实现降压是两者的共同点。磁控软起动不同于电抗器 软起动的是采用磁饱和电抗器，其电抗值可控。总体说来，起动开始时电抗器的电 抗值较大，在软起动过程中，通过反馈调节使电抗值逐渐减小，及至软起动完成 后被旁路。磁控软起动装置需要有相对较大功率的辅助电源，噪声较大则是其不足 之处。磁控软起动面临的主要问题是如何在有效防干扰的前提下把磁饱和电抗器的 容量做大。 4 变频软起动 4 华北电力大学硕士学位论文 变频调速装置也是一种软起动装置，它是比较理想的一种，起动时它可以在 限流的同时保持高的起动转矩。其原理是：根据电动机拖动负载的性质及状态，改 变电机工作电源的电压( 3 8 0 v 或中、高压) 和频率( 一般为5 0 h z ) ，使电机在拖动不 同负载时达到最佳工作状态。变频器的优良性能是显而易见的。其主要特点是：( 1 ) 节约能源，其节电率可达2 0 8 0 。( 2 ) 保护电动机及负载设备免受瞬时启动的冲 击，延长其工作寿命。( 3 ) 提高电动机及负载设备的工作精度。但是变频技术还处 于发展时期，维修技术跟不上、产品主要还是进口、价格昂贵等因素，制约了其在 中国的推广应用。变频器本身具有软起动和调速两大功能，如果仅用其软起动功能 则显得更为昂贵。 5 电子式软起动 电子式软起动装置采用三对反并联的晶闸管串联于电动机的三相供电电路上， 利用晶闸管的电子开关特性，通过控制其触发脉冲、触发角的大小来改变晶闸管的 开通时间，从而改变电动机定子输入电压，以控制电动机的软起动过程，是目前使 用较为广泛的一种软起动方式嘲。 本人所在课题组的抽油机电机节能项目正是采用上面提到的以电子式软起动 装置为主要电路部分，附加各种电压、电流等信号采集等电路，构成了一种称作断 续供电模式的抽油机电机节能控制器。晶闸管开关关断运行节能是近年来已经有个 别文献提及的一种新的节能方式，其中文献 6 介绍了此种方式，但同时也出现了 一个需要解决的主要问题，冲击电流过大。在国内，文献 7 对此进行了仿真研究， 仿真中研究的是整个系统的节能效果，该系统包括供电回路、电动机及抽油机并。 通过仿真测试结果，认为节能效率可达到3 0 以上( 文中提到某种情况可达3 7 ) 。 但同时也指出，该方式能否投入使用，关键是能否解决在同步速附近频繁投切感应 电动机所产生的冲击电流的问题。在本课题组所有成员的不懈努力下，提出了一种 快速软投入的方法能有效地抑制这种冲击。其原理是借鉴软起动的方法，在电机转 速达到同步速附近时，通过逐渐改变晶闸管的触发角大小来调节投入电压，实现电 源的软投入，有效地抑制了冲击电流。 软起动的研究是为了解决电机在起动时的电流冲击，其工作过程为：电机由静 止开始，通过电力电子控制器件对电源斩波控制，逐渐提高给定电压，使其电流逐 步增加，建立磁场，最后进入到全压运行。由于软起动是电机由停机到全压运行过 程，电机在这一过程中需要较长的时间建立起同步磁场，电流则是按一定的起动规 律增加一减小的一个过程在软起动过程中，需要通过触发角对起动过程中的电流 冲击进行控制，一般为了减小电流的冲击，采用限压或限流的控制方法进行控制， 保证电流按包络线增加，不产生大的电流冲击【”。 5 华北电力大学硕士学位论文 1 3 感应电机数学建模及动态过程仿真研究概况 异步电机应用场合十分广泛，随着社会的发展，生产技术的进步，在许多场合， 人们对异步电机的电气传动性能也水涨船高。在现有的诸多起动方式中，软起动以 其控制方便，可反馈闭环控制，平滑性能好等优点脱颖而出，倍受青睐，国内的开 发研究方兴未艾，对异步电机的软起动等动态过程进行仿真研究无疑具有重要意 义。 1 3 1 感应电机数学模型的研究概况 感应电动机是电力系统负荷的重要组成部分，其运行或故障状态( 起动、制动、 负荷突然变更、电压改变、供电频率、电源切换及短路等) 下的动态过程研究一直 受到国内外的研究工作者的重视。在过渡过程的研究分析方法方面，基本上已经达 到标准化，这种研究方法的核心就是坐标交换运算阻抗概念的应用【加l ，当转子以同 步速旋转时，交流电机绕组闻的互感是周期性时间函数，所以，通过坐标变换，才 可能在电机旋转速度不变的条件下，建立起常系数微分方程以求解，而运算阻抗概 念的应用，使多个转子绕组耦合电路分析大大简化，为参数的意义及实验测定提供 了清晰的物理基础，在此基础上的参数定义以及实验测定方法亦得到公认i s - 1 2 。 由于感应电机在某些特殊运行情况下会出现不对称的运行状态，如绕组故障、 电源故障以及晶闸管一感应电机控制系统的软起动和调压等等过程中都会出现各种 不对称运行状态。尤其是在电机电源侧加入各种电力电子器件实现调压调速和软起 动及软投入时，可能会出现很多电源对称与不对称交替运行的情况，这种情况的出 现使得感应电机的数学模型混杂各种开关器件的函数后显得比较复杂。文献 9 就 晶闸管一感应电机( 绕组星接) 的调压调速系统的过渡过程进行了分析，选择a 、 b 两相静止坐标系，建立了系统在对称和不对称运行状态下的系统状态方程，但是 对于不对称的数学模型建立没有进一步深入研究。文献 4 4 采用a b c d q o 坐标系统 对电机的软起动控制系统建立了各种状态的数学模型，并且通过仿真获得了抑制起 动过程中电磁转矩振荡的晶闸管触发控制策略，但是其数学模型相当复杂，不便于 仿真过程的数值求解。 1 3 2 基于m a t l a b 的感应电机动态过程仿真研究现状 计算机仿真技术在电力电子与电气传动的分析研究中，起着十分重要的作用。 传统使用f o r t r a n 和c 语言建模编程方法存在着一些明显的缺点：编程效率不够高， 研究者把大量的时间和精力花在矩阵的处理方面，如矩阵的输入、求逆和图形的生 6 华北电力大学硕士学位论文 成分析等繁琐易错的细节，分散了研究者的注意力，而且程序调试比较麻烦，作动 态曲线不太方便。m a t l a b 是当今十分流行的科学计算与仿真软件，被誉为第四代计 算机语言，它是以矩阵计算为基础的科学计算语言，在矩阵处理和图形处理等方面 有着得天独厚的优势。s i m u l i n k 是m a t l a b 提供的控制系统模型可视化的图形输入和 仿真的工具，自1 9 9 2 年问世以来很快在控制界广泛的应用。s i m u l i n k 提供了许多标 准控制系统的仿真模块，基于结构图，建模方便，并可以在s i m u l i n k 环境下直接进 行控制系统的分析，分析结果也是可视化的，应用十分方便。p o w e rs y s t e m 是在 s i m u l i n k 基础上开发的专用于电力电子与电气传动领域仿真的模块库，内含电机模 型、功率器件模型、电源模型、无源器件模型等多种常用模块库。其中电机模型库 中的异步电机模型的核心是d - q 坐标系下的异步电机的状态方程，电机参数为时不 变常数【埘，s i m u l i n k 为感应电机的动态过程仿真提供了快捷方便的各种模型l 体棚。 文献 3 7 分别采用s i m u l i n k 、m 文件模型和状态流法对鼠笼式异步电机的起动 过程进行了动态仿真，并且提出了一种基于电流一截止角双闭环的模糊p i d 软起动控 制法，取得了较好的限制起动电流的软起动效果。文献 1 8 、 4 3 结合s i m u l i n k 和 s 函数法对异步电机的电源软投入进行了动态仿真，能够有效地限制重合闸引起的 冲击电流，并且已经成功的应用于现场运行控制。运用m a 孔a b 工具可以灵活的对异 步电机的各种动态过程进行仿真，具体的采用何种方法，要视具体工作的需要和简 便性综合考虑。本文对交流调压电路的暂态过程继续深入研究，并且结合抽油机电 机节能项目，对抽油机电机在变负荷条件下的软起动进行了仿真和控制研究。 1 4 本文的研究内容和主要任务 1 4 1 本文的主要研究内容 本文主要研究基于晶闸管一感应电机的交流调压电路的星接和内角接电路结 构，包括其电路工作原理、电路和电机的仿真模型建立以及变负荷条件下软起动控 制中的晶闸管触发策略的研究等。结合本人所在课题组的研究项目，本文主要进行 了以下几个方面的研究： 1 根据油田现场的抽油机电机实际运行情况，分析抽油机负载的工作特性， 进一步研究电机在变负荷条件下的起动特性，结合交流调压电路常用的软起动控制 方式，对变负荷条件下的软起动控制策略展开工作。 2 主要针对晶闸管与绕组星接和内角接两种模式，分析了这两种电路结构下 的电机软起动过渡过程，选择d ，b 两相坐标系统，建立了晶闸管一感应电机控制 系统在软起动过程中的各种工作状态下的电机数学模型。 7 华北电力大学硕士学位论文 3 根据电机数学模型和软起动控制方法，编写软起动的m 文件对软起动过程进 行数值仿真计算研究。同时，针对抽油机电机的负载特性，在仿真的基础上通过进 一步分析和研究，对内角接模式进行了感应电机在交负荷条件下的软起动控制进行 动态仿真和分析。 4 以软起动的仿真基础作为指导，对变负荷条件下内角接模式的晶闸管一感应 电机控制系统的软起动进行跟踪控制研究和实际控制试验，制定感应电机在变负荷 条件下的软起动跟踪控制策略，寻求能够有效抑制电机起动电流的方法。 1 4 2 本文所涉及的主要技术问题和解决途径 1 电机在不同拓扑结构下不同运行状态的建模 电机在稳态运行时，其数学模型与普通的三相电机模型一样但当电机在由晶 闸管控制的时候，三相的晶闸管出现非同时的投切，这就使得在三相晶闸管投切期 间，三相感应电机出现了缺相的不对称运行状态。对于这种不对称的运行状态，传 统的电机模型在仿真时不便求解。本文采取q 、两相坐标系统，在不对称运行时 采用坐标轴旋转的办法对系统的状态方程进行解耦，使得电机处于不对称运行时的 状态方程易于求解。文中主要针对晶闸管与电机绕组星接和内角接两种结构下的交 流调压电路在软起动过程中的系统状态进行分析，建立各种状态对应的电机模型。 2 关于仿真方法的选择问题 无论是前面提到的电机建模也好，还是坐标变换的选取也好，其终极目的都是 为了通过寻找适当的数学方法对电机的过渡过程的各个量进行求解，从而对感应电 机软投入控制提供理论上的指导策略。对于晶闸管一感应电机系统的仿真，很多文 献都直接采用m a t l a b s i m u l i n k p o w e rs y s t e mb l o c k s e t 提供的电力模块搭建仿真 模型，或者结合s i m u l i n k 中的扩展工具s 函数，通过s 函数来实现一些特殊功能， 实现动态仿真【1 8 , 2 7 , 2 8 】。由于本文主要研究的内角接方式晶闸管一感应电机控制系统采 用s i m u l i n k 难以直接搭建仿真模块，故采用“m 文件模型法” 3 7 1 对晶闸管一感应电 机系统的软起动过程进行仿真。 3 关于变负荷条件下的软起动控制方式 基于交流调压电路的软起动控制方法有很多种，常用的有电压斜坡控制、限流 控制、功率因数角控制和转矩控制等。对于变负荷条件下的软起动来说，需要根据 具体的负荷变化情况确定。综合各种因素考虑，本文采用以限流软起动为主的电流 闭环软起动控制方式。 8 华北电力大学硕士学位论文 第二章感应电机在变负荷条件下的软起动控制方式 由于感应电机的负载多样性和多变性以及各种工艺要求，使得在异步电机在不 同的运行条件和工艺要求下采用不同的控制方式是很有必要的。对于晶闸管控制感 应电机系统来说，应用的较多的就是软起动方式和调压控制方式，而对于抽油机电 机负载来说，由于其特殊性决定了软起动的控制方式的不同。本章就是在晶闸管一 感应电机系统工作原理的基础上，分析交流调压电路常用的软起动控制方式，并针 对抽油机负载特性，结合抽油机节能装置的实际运行情况，对异步电机在变负荷条 件下的软起动和跟踪控制展开讨论和研究。 2 1 抽油机电机在变负荷条件下起动特性分析 抽油机的种类繁多，目前应用最为广泛的就是如图2 - 1 1 4 s 1 所示的游梁式竖井抽 油机系统。抽油机电机造成电能浪费与抽油机负载的特殊性有着直接的关系。抽油 图2 - 1 常规游梁式曲柄平衡抽油机简图 1 底座2 支架3 悬绳器4 驴头5 游粱6 横梁轴承座 7 横梁8 连杆9 曲柄销装置1 0 曲柄装置1 1 减速器 1 2 刹车保险装置1 3 刹车装置1 4 电动机1 5 配电柜 机主体机构由驴头、平衡重等部分组成的。现场的抽油机的感应电机负载曲线中， 平衡重力矩、悬点负荷力矩和动载力矩的合成力矩呈现出周期的正负波动。其原因 是在抽油机驴头悬点上作用的载荷和平衡重的负载力矩周期地波动变化。不同抽油 机的电机由于其负荷力矩受到不同采油工况的影响，所以其最终的合成力矩有各种 9 华北电力大学硕士学位论文 各样的形式。由于抽油机载荷的复杂性，造成了其负载曲线的复杂性，但是抽油机 电机的负载转矩一般都会有正负的周期性变化。 付 冒1 苎- 0 1 八八 1 134 、拍7 磊 a 转矩特性曲线 b 功率特性曲线 圈2 - 2 实测抽油机电机的转矩和功率特性曲线 图2 2 川l 为某实测抽油机电机的转矩和功率特性曲线所示，从图中可以看出在 抽油机的一个冲程周期内负载力矩发生周期性变化，幅值出现了正负变化。由于负 载转矩的变化，线路上的电流有效值不再恒定，呈现出大小波动的变化( 负值表示 电流反向，电动机运行在发电机状态) 所以，在抽油机抽油的一个冲程周期中， 感应电机交替运行在发电和电动状态，这是由抽油机负载的特殊性造成的由于这 种负载的特殊性，对于抽油机电机的软起动而言，如果每次停机时不配合刹车装置 时，由于势能负载的重力作用，起动时刻都将是重载起动，对于重载起动来说，软 起动的限流作用就很难实现。由于操作工人停井时配合了手刹，就使得停机后驴头 和配重的位置变得随机。 a 负荷骤升 b 负荷骤降 图2 - 3 抽油机运行工况示意图 如图2 - 3 - a 所示，假定电机拖动曲柄顺时针旋转，此时的运行情况是驴头从最 低位置提升抽油泵，负荷属于由轻载到重载骤升的运行工况。如图2 3 一b 所示，此 时的运行情况是驴头已将抽油泵提升到最高点，负荷属于由重载到轻载骤降的运行 工况。对于抽油机负载来说，不存在恒重载和恒轻载的运行状况，但是可以将负载 较轻和较重的运行区域简单的视为恒轻载与恒重载的运行情况，便于分析研究。 1 0 3 2 0 0 4 皋o 华北电力大学硕士学位论文 在第一章第一节中对抽油机电机起动时刻的负载变化简单的划分为四个区域， 我们知道，电机在不同的起动转矩下其起动特性是存在着一定的差别的。为了能够 t 图2 - 4 变负荷理想模拟曲线 定性的分析这种差异，下面以一个比较理想的起动转矩模拟曲线进行起动的仿真， 分别针对感应电机负荷在四个不同的区域时的起动特性进行分析与对比 如图2 - 4 所示，为简单模拟的理想变负荷曲线，其中a b 线段表示重载起动负荷， b c 线段表示起动时负荷从重载到轻载骤降的区域，c d 线段表示起动时负荷一直处于 轻载区域，d e 线段表示起动时负荷从轻载到重载骤升的区域。横坐标为时间，纵坐 标表示负荷转矩。 现以一台2 2 k w 鼠笼式异步电机的实测参数分别对四种起动条件下的负荷进行 起动性能仿真。该电机额定电压为3 8 0 v ，额定电流4 8 a ，额定转速为1 4 5 0 r m i n 该电机实测得到的参数为：- 1 6 9 9 ，- 1 5 7 2 8 q ，艺- 1 6 9 f l ，- 7 1 3 9 l ， ，：一6 1 1 q 。对于理想负荷曲线可以由式( 2 - 卜1 ) 表示； 死1 1 4 , 0 c t 2 , a b 段 1 4 - 6 ( t 一2 ) , 2 。c t 4 粥段( 2 - 1 - 1 ) 2 4 t 6 c d 段 2 + 一砩6 f 8 , d e 段 a 电流b 转速c 电磁转矩 图2 - 5 重载全压起动特性曲线 如图2 - 5 所示，为异步电机在a b 线段区域即重载时刻起动的仿真曲线，负载转 矩恒为1 4 n * m 。此时电机在全压起动，起动过程的时间约为1 5 s ，电机在小于1 s 的 华北电力大学硕士学位论文 时间内转速上升特别慢。 a 电流b 转速c 电磁转矩 图2 6 负荷从重载到轻载骤降时全压起动性能曲线 如图2 - 6 所示为电机起动时刻负荷从重载到轻载骤降变化即b c 线段区域的全压 起动仿真曲线，起动时间约为0 8 s ，在完全起动后由于负载还是变化的，所以其电 流、转速、转矩还在以一定的变化规律工作在稳定状态。 a 电流b 转速c 电磁转矩 图2 - 7 轻载全压起动特性曲线 如图2 - 7 所示，为异步电机在轻载条件下即c d 线段区域全压起动的仿真曲线， 起动时间约为0 3 s ，电机很快进入稳态运行。 a 电流b 转速c 电磁转矩 图2 - 8 负荷从轻载到重载骤升时全压起动性能曲线 如图2 - 8 所示，为负荷从轻载到重载骤升即d e 线段区域时的全压起动仿真曲线， 华北电力大学硕士学位论文 起动时间约为0 3 s ，与轻载起动时的时间几乎相当，这是因为全压起动时电机出力 大，负荷从轻载到重载的变化较起动速度变化的慢得多而导致。 对比上述四种条件下的全压起动特性我们发现，重载时电机起动时间最长，轻 载和从轻载到重载骤升这两个条件下起动时间最短，而全压起动带来的定子电流冲 击的幅值是相同的，相电流峰值都大约为2 8 a 左右，只是起动过程持续的时间不同。 那么从软起动的角度来说，其目的是为了减小起动过程中的定子冲击电流，而对于 变负荷条件下的软起动控制策略就需要根据负荷的变化趋势不同来确定相应的措 施。对于轻载条件下起动的情况来说，其软起动控制方式就显得简单和灵活一些， 对于电流的限制也能够取得明显的效果。从轻载到重载骤升的变负荷条件下软起动 时，由于起动过程中负荷由轻变重，如果控制方法不当，使得电机到达重载时刻还 没有起动起来的话，起动电流就难以控制，起动时间也会很长对于电机在重载条 件下软起动，其控制方法比较困难，因为起动转矩大，使得起动初始给定电压必须 能够产生克服起动转矩的电磁转矩，那么势必在起动过程中产生的冲击电流较大。 同样，对于电机在负荷从重载到轻载骤降的交化条件下软起动时，所需的初始起动 转矩较大，但是随着电机起动起来后，其负荷呈骤降趋势，所需的驱动力矩越来越 小，这时所需的电压也就可以相应的调整来抑制冲击电流，但是起动初始过程的冲 击电流将会比较大。 2 2 交流调压电路的不同拓扑结构分析及应用 异步电机轻载调压、软起动和软投入的电路实现方式比较多，有许多种结构， 如晶闸管在电源侧的绕组星接或角接，晶闸管和电机绕组串联组成角内接以及不对 称调压电路等。本节就是针对不同拓扑结构的异步电机调压电路的特点，对其在软 起动上的应用比较分析。 2 2 1 交流调压电路的不同拓扑结构 耆一 a 负载星接 1 3 b 负载角接 华北电力大学硕士学位论文 c 不对称电路 图2 - 9 晶闸管外接电路 图2 - 9 - a 所示，是绕组星形连接的三相调压电路，该方案是用6 个晶闸管组成三 对反并联的晶闸管分别接在星形接法的绕组前端，它相当于三个单相晶闸管交流调 压器的组合。由于没有零线，每相电流必须与另一相构成回路。图2 9 一b 的接法中 所用晶闸管元件数量与图2 - 9 - a 接法中所用晶闸管数量相同，只是负载接成三角形。 由于在三角形接法中由三次谐波所引起的三次谐波电流可以流通，使得绕组中电流 增大，增加了绕组的附加铜耗。图2 9 一c 中所示的接法与图2 9 一a 接法相似，但是每 一相中只用一个晶闸管，用一个二极管代替另一个晶闸管与它反并联，这样可以简 化控制电路，但是由于每相只用一只晶闸管，所以每相中电压和电流波形正负半波 不对称。由谐波分析可知，负载电流中既有奇次谐波又有偶次谐波，偶次谐波的存 在对电动机负载是有害的，它产生与基波转矩相反的制动转矩，使电动机输出转矩 减小，定子输入电流增大，效率降低。尤其在低速运行时谐波分量更大，严重影响 电动机的输出转矩，所以该方式不适舍用做异步电动机软起动器的主回路州。 羽蛰 a 晶闸管角接b 晶闸管和负载内角接 图2 - 1 0 晶闸管内接 如图2 - 1 0 所示，为晶闸管内接调压电路结构，图2 1 0 一a 的接法只用了三只晶闸 管，且晶闸管放在绕组后面，该电路非常简单，和图2 9 一c 相同，也是属于不对称 的接线方式。晶闸管放在负载后面可减少电网浪涌电压对它的冲击，但要求电机定 子绕组中心点能拆开，且只能接成y 形。这种电路简单，对元件要求不高，但因为 是不对称控制，所以负载上也有偶次谐波，对电机不利，此外晶闸管的耐压要求较 y 形接法的为高。 图2 - 1 0 - b 的接法可以看成是三个由线电压供电的单相交流调压电路的组合，无 1 4 华北电力大学硕士学位论文 论是电阻性负载还是感性负载，每一相都可以当作单相交流调压电路来分析，单相 交流调压电路的分析方法和结果都可以沿用，注意把相电压改成线电压即可【3 5 。棚。 2 2 2 交流调压电路在本课题中的应用 由于本人参与的项目组设计的抽油机自适应动态节能控制器是结合动态星一三 角变换为一体的多功能节能装置。因此，在应用中涉及到多种调压电路结构的应用， 根据装置实际应用性，比较几种调压电路的应用性能，在研究和设计时，采用了图 2 1 l a 和图2 一1 2 两种电路结构。 如图2 一1 1 3 9 1 所示，为晶闸管外接电动机调压电路。图2 一l l 中两种电路不同在于 其绕组分别为星接和角接，但在调压电路中，控制器件都位于电源侧线路上，使得 其调压过程的性能相同，只是在角接绕组内部会有三次谐波在绕组间流动。作为晶 a 绕组星接 b 绕组角接 图2 一i i 异步电机晶闸管外接调压电路 闸管在电源侧的调压结构，以图2 一l l a 中所示的结构应用最为广泛，其晶闸管承受 电压和电流较小，只是在触发控制上，由于其每次必须保证有电流回路形成，使得 每次至少要有两相绕组导通才能构成回路，使得其在控制系统比较复杂1 4 6 1 。 图2 1 2 晶闸管和电机绕组内角接调压电路 如图2 1 2 【3 9 】所示，是将晶闸管直接与电机绕组在角型连接内部串联起来的一种 1 5 华北电力大学硕士学位论文 调压电路，称为内角接方式。这种结构需要将电机绕组的六个抽头接线全部引出， 接线较为复杂，在实际应用中比较少见，因此对其在调压和软投入的应用进行的系 统分析很少1 3 ”引。此电路由于控制器件在三角形连接内部，每一相晶闸管可以控制 本身一相绕组，在研究时可以将其等效为单向调压电路研究，在控制和研究上比较 简化，经过分析可以发现，其与晶闸管外接电路相比有调压角度范围大、线电流受 到冲击小、谐波含量少、晶闸管承受电流小等优点m ，因此，本论文结合的课题当 中实际使用的就是如图2 - 1 1 所示的内角接调压电路，对于软起动的研究，也主要是 基于内角接调压电路结构展开的。 如图2 - 1 3 所示为抽油机电机断续供电节能装置的电气主电路图，其中：q f l 为 三相交流开关，即断路器；s c r l 、s c r 2 、s c r 3 分别为与电机定子绕组相连的晶闸管； u 。u 。、v 。v ，、w 。w 2 分剐为交流电机三相绕组。主电路中还接入了四个电压互感器和三 个电流互感器，可以将三个线电压信号、一个相电压信号和三个相电流信号传送至 图2 - 1 3 节能装置的电气主电路 控制器。根据这些信号，我们可以实现检测断电时刻，检测通电时刻，判断短路、 过流和断相等异常运行状况，在做软起动控制用时，这些信号可以提供同步信号， 电流值的实时采样，功率因数角的检测等。 由电路结构可以看到，这一节能系统，在设计上考虑了y a 变换的应用，在其 工作中有晶闸管外接绕组星接和晶闸管电机绕组内角接两种工作模式。因此，节能 装置工作中，涉及到动态y 和y 切换以及在两种结构下的断电运行。由于节能 装置中用于断电后重新软投入的电路结构正是交流调压电路的星接和内角接模式， 同时考虑到现场电机有软起动的需要以及控制装置的经济成本，在不改变节能装置 现有电路结构和元器件的基础上可以拓展其软起动功能，这也正是本文的主要工作 内容。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 2 3 基于交流调压电路的软起动控制方式分析与选用 相位控制交流调压电路利用晶闸管进行调压，其输出电压大小由晶闸管的导通 角度决定，晶闸管的导通角又与其触发角有关。触发角越小，输出越大。因此，只 需在电动机起动过程中通过控制晶闸管触发角的大小，可使电动机的机端电压和起 动电流可根据工作要求设定的规律进行变化。这样，电动机的起动方式和起动电流 可任意调整和设置，从而电机可以获得优良的起动过程。其实质是降压起动，与传 统降压起动不同之处是无机械触点，起动电压和起动电流任意可调。因此软起动可 避免直接起动时强烈的起动电流冲击【1 9 - 2 0 。 对于应用较为广泛的晶闸管调压电路，人们对其软起动控制方式的研究很多， 也取得了许多显著的成果。其原理都是通过不断的增加晶闸管的导通角来改变输出 电压波形，从而改变输出电压的有效值。随着电压的增加，转子转速不断上升。而 电机定予电流正比于定子端电压，起动初期，电机端电压较小，冲击电流也小，随 着电机定子端电压的不断增加，定子电流也不断增加，最终达到额定转速，从而实 现了交流电机的软起动控制为了很好的抑制起动冲击电流，增加起动转矩，常采 用以下几种起动方式【2 他6 l ： 1 电压斜坡软起动 这种软起动控制方式是使输出电压按照预先设定的斜率有规律的上升，电压变 化连续。其缺点是起动转矩小，且转矩特性呈抛物线形上升，起动时间较长。改进 双斜坡软起动控制方法是预先计算好起动电机所需的最小电压u 。，开始软起动后， 输出电压以较快的速度迅速上升到u 。，然后再按照设定的斜率缓慢上升到额定电 压值。这种方式的优点是起动初期电流大，起动时间短，起动转矩大，适合于重载 起动。 2 限流软起动 限流起动是在电动机的起动过程中限制其起动电流不超过某一设定值的起动 方式，一般采取电流反馈控制。起动初期，起动电流从零开始迅速增加，直到达到 预先设定的电流限值i m ，然后在保持电枢电流i i m 的条件下，输出电压逐渐升高 使电机转速逐渐升高，直到达到额定值。这种方式的优点是起动电流小，可按需要 调整，对电网电压影响较小，其缺点是起动电压不可知，不能充分利用压降空间， 损失起动转矩，延长起动时间。 3 功率因数角闭环软起动 在电机起动过程中，功率因数变化非常大，电机的端电压取决予晶闸管的导通 角8 ，而口角不仅与触发角口有关，还与功率因数角妒有关。如果对晶闸管触发角口 的调整没有及时跟上舻的变化，就有可能导致电机电磁转矩的振荡。同时，引起电 1 7 华北电力大学硕士学位论文 磁转矩振荡最直接原因是电机功率因数的变化，因此必须及时检测电机功率因数角 的变化，使晶闸管触发角自动跟随功率因数角的变化来调整。为此，可将晶闸管触 发角分为按预定规律变化的z 和随功率因数变化的调整量口吒，功率因数角的检测 可以通过测量晶闸管两端的截止电压而得到。功率因数角闭环反馈控制系统通过监 测电机功率因数角的变化可实时修正晶闸管触发角，确保电机起动过程中电机电压 按预期规律变化 4 转矩控制软起动 它是控制电机输出电压使电机起动转矩线性上升，适合于重载起动，其优点 是起动平滑，柔性好，对拖动系统有利，同时可减少对电网的冲击电压，它的缺点 是起动时间较长。对于静转矩较大的负载，常采取转矩加突跳控制起动，它同转矩 起动控制一样，不同之处在于起动的瞬间用突跳转矩，以克服拖动系统的静转矩， 然后转矩平稳上升但是这种方法对电网影响较大，且干扰其它负荷。 在综合考虑到实际控制装置的硬件条件限制和抽油机变化性负荷的条件时，对 抽油机电机的软起动控制方式就有了一定的约束。由于限流软起动以电流为反馈变 量，抑制电流效果好，而且考虑到硬件上无需任何改动，在程序设计的时候设定的 参数少，在程序运行过程中无需对电压，转矩等量实时计算，因此占用的单片机资 源少，程序不容易出现错误和误操作。而且针对变化性负荷来说，由于初始起动条 件不一样，每次起动时都需要重新设定参数，而限流软起动由于控制方式简单，修 改参数少，使得参数设定比较方便。综合考虑，本文主要采用限流软起动的控制方 式对各种负荷条件下的电机软起动进行研究，同时为了能够确保电机的安全起动， 还需要结合别的控制方法来实现变负荷条件下的软起动。 1 8 华北电力大学硕士学位论文 第三章晶闸管一感应电机控制系统星接软起动过渡过程的分析 对于感应电机来说，由于其过渡过程引起的冲击电流、过电压严重的威胁着电 力系统和电动机本身的安全，所以减轻电动机过渡过程的影响至关重要。随着电力 电子技术、大规模集成电路和微机技术的发展，现代控制理论技术的应用发生了很 大的变化，而晶闸管的耐压、容量的提升等，不仅能很好的解决电机的上述电气问 题，而且对于电机由于过渡过程引起的传动系统的机械冲击也带来了积极作用。所 以利用晶闸管控制电机的过渡过程研究尤为重要，其中晶闸管的投切策略是晶闸管 控制的关键环节。如果感应电动杌在突然断电或转速不为零的情况下突然接通电 源，而晶闸管控制策略制定的不合理时，电机将会产生非常高的过电流，这不仅会 危害控制电路，造成电路元器件的烧毁，更有甚者，电机在长时间的运行下，受到 这样高的过电流频繁冲击，会受到严重损坏，甚至烧毁。即使是电机在晶闸管控制 下软起动，如果控制策略不合适，还会造成电磁转矩的振荡，对电机本身的机械系 统来说也会造成不好的影响。 由于交流调压电路是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，要使感应电机 在不同负载情况下实现良好的软起动效果，首先要解决的是对其软起动过渡过程的 研究，才能找到合适的晶闸管控制策略，尽量减小过渡过程带来的冲击。本章正是 针对晶闸管与感应电机绕组的星接模式，分析了星接模式下对应的系统过渡过程， 并且为了方便数值解的计算，给出了各种工作状态的电机数学模型和仿真方法。 3 1 晶闸管与感应电机绕组星接模式的数学建模 为了便于分析，我们假定： ( 1 ) 电源为三相对称的正弦电压源，电源的内阻抗为零； ( 2 ) 六个可控硅具有相同的特性，对称触发，关断状态时其阻抗为无穷大，导通状 态时其阻抗为零； ( 3 ) 电机的参数全部为常数，忽略磁饱和； ( 4 ) 稳态运行时，异步电机的转速为常数； ( 5 ) 异步电机为理想电机，其定转子绕组在空间产生正弦分布的磁动势，转子绕组 星接。 对于如图2 - 1 1 一a 所示的晶闸管与感应电机绕组星接的电路结构，只存在三种 工作状态：即三相全导通、两相导通和三相全不导通状态。由于绕组与晶闸管星接， 当只有一组晶闸管导