（电力电子与电力传动专业论文）采用交交变频技术实现感应电动机重载安全起动的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t f i r s ti nt h ep a p e r , t h es t a b l ea n dd y n a m i cm o d e lo fi n d u c t i o nm o t o ri sg i v e n a n di t ss t a r t i n gp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e da n ds i m u l a t e d ac o n c l u s i o no fw e i g h t i n e s s l o a ds t a r tw h i c hi sg o o ds t a r tm e t h o di sg a i n e d s e c o n d ，p r i n c i p l eo fs c h e m ew h i c ht o d r i v ew e i g h t n e s si si n t r o d u c e d i th a st w o p h a s e s ：f i r s tp h a s e i sa c a c ，s e c o n dp h a s ei s u s i n ge x i s t i n ge q u i p m e n t ，o n l yc h a n g ea r i t h m e t i ci ns o f t w a r e ，i tb e c o m e ss o f ts t a r t a n d a c c o m p l i s h t h er e m a i n d e rs t a r t i n gc o u r s e t h i r d ，s y s t e ms t r u c t u r ei sp r e s e n tf r o m h a r d w a r ea n ds o f t w a r e i n h a r d w a r e ，m a i n c i r c u i tf o r mw h i c hi s l o g i s t i c n o n c i r c u l a t i o n c u r r e n tc y c l o c o n v e r t e ra n dc o n t r o lc i r c u i ta r eg i v e n i nc o n t r o lc i r c u i t ， z e r o c u r r e n t - d e t e c t c i r c u i t ，s y n c h r o n o u sc i r c u i t ，p u l s et r i g g e r c i r c u i ta r ei n t r o d u c e d e m p h a s e l y ；i ns o f t w a r e ，t h ep r o d u c eo f t h r e ep h a s el o wf r e q u e n c ys i g n a li si n t r o d u c e d ， t h ef l o wh o wt op r o d u c et r i g g e rp u l s ei sp r e s e n t ，t h em e t h o do fz e r o - c u r r e n t d e t e c ti s i n t r o d u c e d ，s o m ef l o wc h a r to ft h e i r sa r eg i v e n a tl a s t ，t h ee x p e r i m e n tr e s u l to f n o n c i r c u l a t i o n c u r r e n tc y c l o c o n v e r t ea n dc i r c u l a t i o n c u r r e n tc y c l o c o n v e r t ei s g i v e n a n d a n a l y z e d ，a tt h es a m et i m e ，s o m ee x p e r i m e n tc o n c l u s i o n sa r eg i v e n k e y w o r d s ：i n d u c t i o nm o t o r ，s t a r tc h a r a c t e r i s t i c ，w e i g h t i n e s sl o a ds t a r ts e r v i c e l o g i s t i cn o n c i r c u l a t i o n c u r r e n tc y c l o c o n v e r t e r , s i m u l a t i o n ，s o f ts t a r t 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 三相交流电动机自从发明以来，经历了1 0 0 多年的历程，在这漫长的岁月里， 由于其结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉，而广泛应用于机械、化工、 纺织和石化等行业中，然而电动机的起动方法却一直没有重大突破。可是在交流 电力拖动系统中，电动机的起动是交流电机最基本、最重要的一个问题，它同电 机的调速同等重要，为此人们不断寻求解决感应电动机起动的方法。 1 2 感应电动机起动方式及发展状况 1 2 1 感应电动机的直接起动 直接起动就是将额定电压直接加到定子绕组上，因此也叫全压起动。这种起 动方法简单，不需复杂的起动设备，是普遍应用的一种起动方法。然而直接起动 时起动电流很大，往往产生高于其额定电流4 、7 倍的起动电流，特别是大功 率电动机，较大起动电流会严重冲击电网，降低电网供电质量并影响其它 设备运行；另外，电动机起动瞬间起动转矩所造成的机械冲击会影响电动 机本身及其拖动设备的使用寿命，然而平均起动转矩却不大，因此感应电 动机的直接起动将带来一系列的电气和机械的问题，所以只有小功率的感 应电动机才允许直接起动。 如何减少感应电动机起动瞬间大的电流冲击，提高起动转矩，是电动 机运行中的首要问题。为此人们提出了下面多种改善感应电动机起动性能 的方法，使之达到无冲击的起动。 1 2 2 感应电动机的传统起动方法 一、感应电动机的降压起动 1 感应电动机的定子串电抗器起动 对于鼠笼式感应电动机一般采用定子回路串电抗器分级起动，定子边串电抗 器起动，即增加定子边电抗值，可理解为降低定子实际所加电压，其目的是减少 起动电流。缺点是起动转矩随定子电压的降低而成平方关系f 降，所以只能用在 第1 页菇8 3 页 上海大学硕士学位论文 轻载或空载起动的场合，而且外串电阻中有较大的功率损耗。又由于是分级起动， 起动特性不平滑。 2 感应电动机的星一三角起动 起动时定子绕组星形连接，起动后三角形连接。在电动机绕组星形连接时， 电动机电流仅为三角形连接的1 3 ，遗憾的是电动机的起动转矩也同样降低到三 角形接线时的1 3 ，因此也只能用于轻载场合，为了使电动机在额定转速时达到 它的额定转矩，在经历了预先设定的时间后，又从星形接线转换到三角形接线， 在转换过程中会出现二次冲击电流。 3 延边三角形起动 延边三角形起动用于三相定子绕组接的鼠笼式异步电动机降压起动。该种 电动机定子绕组每相有三个出线端：首端、尾端和中间抽头。起动时，电源电压 为额定值，三相绕组的一部分为y 接法，一部分为接法，整个绕组接法就象三 角形的每个边都延长了，故称延边三角形，转速上升到一定值后，三相绕组改为 接法，电动机进入正常运行。 当电源电压一定时，电动机绕组y 接法比接法每相绕组电压低，一部分绕 组y 接法时的延边三角形接法，每相绕组电压也要比接法低一些，抽头越靠近 尾端，y 接部分比例越大，每相绕组电压越低。因此延边三角形起动实质上是一 种降压起动方法，起动电流、起动转矩都随着电压降低而减小。改变抽头位置， 抽头越靠近尾端，起动电流与起动转矩降低的越多。 采用延边三角形起动，除了简单的绕组接线切换装置之外，不需要其它专用 起动设备，很简单。但是，电动机的定子绕组不但为接法，有抽头，而且需要 专门设计，制成后抽头又不能随意变动，因此限制了延边三角形起动方法的使用。 4 感应电动机的自耦变压器起动 当电动机起动时，电动机的定子通过自耦变压器接到三相电源上。当电机转 速升高到一定值时，自耦变压器被切除，电动机定子直接接到电源上，电动机进 入正常运行状态。同直接起动时相比，当电压降到w 2 ，w 1 倍时，起动电流和起 动转矩降到( w 2 w 】) 2 ( w 2 w l 为自耦变压器的变比) 。这种起动方式的优点是起 动时定子电压的大小可调。比起定子串电抗起动，当限定的起动电流相同时，起 动转矩损失较少。其不足是使变压器的容量和耐压水平提高，将使得变压器的体 积增大，成本高，且不允许频繁起动，同样也不能带重负载起动。 第2 页共8 3 页 占塑查兰堡主兰垡笙兰 由此可知上述几种调压起动虽然能解决一些问题，但它们的共同特点是减小 起动电流的同时都不同程度的降低了起动转矩，因此只适合空载或轻载起动，且 受电网电压波动的影响，一旦出现电网电压下降，会造成电机堵转，起动困难a 二、变极对数起动 变换感应电动机绕组极数，从而改变其同步转速来进行起动，其优点是设备 简单，机械特性较硬。缺点是极对数只能按阶跃方式变化，而不是连续可调，即 非连续变化，变极对数时存在二次冲击，起动特性不平滑，应用场合有限。 1 2 3 感应电动机先进的起动方法 1 晶闸管调压软起动 随着电力电子技术和计算机控制技术的发展，一种新型电动机起动方 法即软起动已经被提出并加以实际应用。所谓软起动是指装置输出电压按一 定规律上升，使被控电动机的电压由零升到全电压，转速相应的由零平滑加速到 额定转速的过程。它是电力电子技术与自动化控制技术的综合，是将强电和弱电 结合起来的控制技术。在软起动器中三相电源与被控电机之间串入三相反并联晶 闸管，利用晶闸管移相控制原理，控制其内部晶闸管的导通角，电动机起动时， 调节6 个晶闸管的不完全导通来控制电动机的供电电源。换言之，起动时只有三 相正弦波形的一部分向电动机供电。软起动的优点是起动特性曲线好，使晶闸管 的导通角从零度开始，逐渐前移，电机的端电压从零开始逐渐上升，直至达到额 定电压，起动电流从零线性上升至设定值，同时满足起动转矩的要求，保证起动 成功。 由此可知软起动器的特性如下：能使电机起动电流以恒定的斜率平稳上升 至某稳定值，对电网无冲击，提高了供电设备的使用寿命。电机起动不受电网 电压波动的影响，在晶闸管的移相电路中引入电机电流反馈，使电机在起动过程 中保持恒流，起动平稳。由于以起动电流为设定值整定，当电网电压向下或向上 波动时，通过控制电路自动增大或减小晶闸管导通角，可以维持原设定值，保持 起动电流恒定电机起动电流上升速率可调，从而极大地减小了电机起动时转矩 对负载的冲击根据负载的不同，可以控制起动时间的长短。 平滑的起动特性和免维护等使其具有传统起动方法无法比拟的优越 性，是传统降压起动器的理想换代产品。但可控硅调压方式的软起动器 第3 页共8 3 页 上海大学硕士学位论文 控制感应电动机，其作用于电机的供电频率仍为电网的频率，起动时转 子的功率因数很低，故起动转矩也很小。由于调压控制方式的软起动所 固有的起动转矩小的特性，对于重载起动的生产机械，将无法满足其要 求。然而，在实际的大多数工业应用中，需要带重载起动的生产设备还 是相当普遍的。比如，皮带输送机、矿山刮板输送机等，这些设备在起 动过程中根本无法保证处于轻载状态，故寻求一种适合鼠笼电机的重载 安全起动方法是很有必要的。 2 变频软起动 变频软起动是利用电动机的同步转速随频率变化的特性，通过改变电动机的 供电频率来起动的方法。由于频率可以连续调节，平稳性好，能自动平滑加速。 另外，变频起动时可以按照v f 恒压频比控制，即随输出频率增大，电机端电压 可以按照一定的线性关系慢慢上升，既可使起动电流限制在相应的允许范围内， 保证起动电流小，不产生冲击，又能保证一定的起动转矩。因此变频软起动无疑 是一种好的软起动方法。 变频软起动有交直交和交交变频软起动两种方式，可是对于高压、大功率重 载场合，如果仅仅采用通用的大功率交直交变频器来起动而不调速，性能价格比 不合算，未免有点浪费。因此应该寻求其它的方法和设备来解决感应电动 机重载起动问题，这种设备目前国内还没有，国外虽然有报道，但并没 有普及的产品出现。可是要求重载起动的设备使用面很广，所以研制适 合我国国情的能够解决感应电动机重载软起动的控制系统有着重大的 实际意义。 1 - 2 4 感应电动机的重载软起动 基于上述原因，本文提出一种交交变频和调压软起动相结合的方法( 重载软 起动器) 来实现感应电动机的重载软起动。重载软起动器是在可控硅调压软起动 方式上的进一步拓展，具有软起动方式的所有优点，但由于它是采用交交变频技 术来实现，又具备变频软起动的优点，既可以实现大功率电动机的平滑无冲击起 动，又可以增加起动转矩，因此可以解决大容量的重载起动，如皮带输送机、矿 山刮板输送机等。 第4 页共8 3 页 上海大学硕士学位论文 由于交交变频方式的输出频率受到限制，重载软起动器起动过程可以分为两 个阶段，第一个阶段是利用交交变频的特性把负载起动到一定频率；第二个阶段 改成调压软起动，按照爬升方式起动，即微机根据设定的起动时间，控制可 控硅触发角由设定的起动角度逐渐推移到0 。，使电机端电压逐渐由某 一设定的起动电压平滑的爬升到全压。而两个阶段的切换在硬件上不需 要做任何改动，只要在软件上改变一下控制算法就可以，因此在主电路 和控制策略上重载软起动器两个阶段的切换都很容易实现。 1 3 研究课题的内容和意义 本课题采用交交变频技术来实现对感应电动机重载安全起动的控制。因此 要求对主电路的拓扑结构和实现重载安全起动的控制策略进行理论、仿真和实验 的研究，为产品化开发奠定基础。本课题的研究目标就是通过理论分析和具体的 实验研究，为研制一套感应电动机重载安全起动的控制装置奠定基础，使控制装 置能够满足高压大电流的要求。 为了达到上述目标，需要进行下面的研究：1 ) 对感应电动机在可变 频率电压供电条件下的起动特性进行理论和实验的研究：2 ) 通过分析研 究，选择变频电源的结构形式和实现方案，包括主电路和硬件控制电路； 3 ) 对控制方法( 软件) 进行研究，使感应电动机重载软起动具有优良的 性能。 本课题的目标是产品能够用于工业现场，因此主要有如下的关键问题 需要解决：1 ) 硬件方面，对于主电路需要解决高压大电流的特殊要求； 对于控制电路，需要解决其可靠性的问题，保证能对主电路功率元件的可 靠控制，以及和主电路的电隔离；2 ) 软件方面，在选择性能优良的单片 机基础上，需要对软件进行精心设计，保证控制的正确无误。 课题顺利完成后，将解决大量的感应电动机重载起动困难的工业实际 问题。可以取代目前使用其它控制方式的起动器，解决目前所用调压软起 动器的各种不足，提高装置的运行效率。成功地将变频技术应用于感应电 动机的重载安全起动，对变频技术和电动机的起动技术也具有一定理论意 义，因此，系统的研制成功也会带来巨大的经济和社会效益。 第5 页共8 3 页 上海大学硕士学位论文 第二章感应电动机的起动分析和仿真 2 1 引言 所谓三相感应电动机的起动是指其转轴由静止状态到稳定旋转的过程。在电 动机的起动特性中，最主要的是起动转矩和起动电流，所以人们总是希望能在起 动电流比较小的情况下，获得较大的起动转矩。但是从三相感应电动机的机械特 性分析中可以知道，如果在额定电压下，工频直接起动三相感应电动机，在刚起 动时，转速n = o ( s = 1 ) ，这时定子电压u 全部降落在定、转子的漏阻抗上。已知定、 转子漏阻抗z 一z ：。，这样，定、转子漏阻抗上的电压降各近似为定子电压u 。的一 半左右。也就是说e 。( 气隙磁通在定子每相绕组中的感应电动势) 近似是定子电 压u 。的一半左右，于是最初起动瞬间主磁通o 。约减少到额定值的一半，功率因 数c o s 中：又很低，造成最初起动电流很大，而最初起动转矩并不大的结果。下 面图2 1 为三相感应电动机直接起动时的固有机械特性与电流特性。 n 0 图2 1 直接起动特性 l 电流特性2 固有机械特性n 转速卜转矩 然而要定性分析起动转矩和起动电流的关系，必须建立起感应电动机的数学 模型。 2 2 感应电动机的数学模型“h n l 口1 由于感应电动机是机电磁强耦合的运动机械，而且具有较多的非线性因数， 所以它的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。要准确的描述感 应电动机的运行特性是相当困难的，通常都是在忽略诸多因数的前提下来分析 的，作如下的假设：( 1 ) 忽略空间谐波，设- h 绕组对称( 在空间互差1 2 0 。电 角度) ，所产生的磁动势沿气隙按正弦规律分布。( 2 ) 忽略磁路饱和。各绕组的 第6 页共8 3 页 上海大学硕士学位论文 自感和互感都是恒定的。( 3 ) 忽略铁心损耗。( 4 ) 不考虑频率和温度变化对绕组 电阻的影响。在电力拖动系统中，一般采用下面两种数学模型，即稳态模型和动 态模型。稳态模型常用于调速精度不高的交流拖动系统中。动态模型由于能够反 映感应电动机的动态过程，能够实时的反映各个参数之间的相互关系，因而用于 高精度的交流拖动系统设计中。 2 2 1 感应电动机的稳态模型及机械特性 感应电动机的t 型稳态等效电路如图2 2 所示。 坠 8 图2 2 感应电动机的t 型稳态等效电路 尺。、尺：一一定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻： 厶l 、l ，：一定予每相漏感和折合到定子侧的转予每相漏感： u 。、，一一电动机定子相电压和供电角频率； 三，一一定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即励磁电感； s 一一转差率。 感应电动机的机械特性可以从稳态等效电路得到。它反映的是感应电动机稳 定运行时，在定子电压、频率和参数固定的条件下，电磁转矩丁与转速打( 或转 差率5 ) 之间的函数关系。为满足不同需要，感应电动机的机械特性有两种表达 形式。 1 参数表达式 由图2 2 可以导出 第7 页共8 3 页 l 海大学硕士学位论文 ，：= ( 2 1 ) 舯c ，小甓挚小厶l m 在一般情况下，l 。”l 则c ，“1 ，这相当于将上述假定条件的第( 3 ) 条 改为忽略铁损和励磁电流。这样，电流公式可简化成 i 。= ，：= u 。 j 。+ 争) 2 + 。2 n + 三 ( 2 2 ) 令电磁功率只= 3 ( ，：) 2 尺： 同步机械角转速q ，= 国。n 。门。为极对 数，则感应电动机的电磁转矩为 丁：迅，。z 鱼： 垫丛鱼坐 、 “q 国l “5 国。r ( r ，+ 譬r 2 邶, , 2 2 z 1 “ 它表明，当转速或转差率一定时，电磁转矩与电压的平方成正比。所以从 式( 2 2 ) 、式( 2 3 ) 可知，减小电压可以减小起动电流，可是力矩却以电压平方关 系下降，这就是采取简单调压方式为什么只能用于轻载或空载场合的原因。由电 磁转矩式( 2 3 ) 拟合的机械特性如下图所示。从图2 3 中可以看出起动转矩比 2 物理表达式 图2 3 恒压恒频时感应电动机机械特性 第8 页共8 3 页 上海大学硕士学位论文 感应电动机的电磁转矩表达式为： t 。= c ，。，：c o s 妒： ( 2 4 ) 咖伊：2 藏r 2 ( 2 5 ) 式中c ，= 万1 p m ：七。， ：k n ，：一转子绕组的有效匝数。 巾。一一每极下磁通，：一一转子电流c o s 矽，一转子功率因数 从式( 2 4 ) 可看出，感应电机的电磁转矩与气隙合成磁通量中和转予电 流的有功分量，：c o s 妒：成正比，增加转子电流的有功分量，就可使电磁转 矩增大。 起动时，”= 0 ，s = 1 ，则由公式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 可以得到起动电流和起动转矩 的公式如下： ( 2 6 ) 即立掣粤1 ( 2 7 ) 1 5 珊。 ( r 。+ 凡：) 2 + 国；也。+ 三：) 2 】 ”。 从式( 2 6 ) 、( 2 7 ) 可知，降低起动电流的方法有：降低电源电压：加 大定子边电阻或电抗：加大转子边电阻或电抗。加大起动转矩的方法只有适当 加大转子电阻，但不能过分，否则起动转矩反而可能减小，因为起动转矩同转子 电阻不是单调的，而是曲线关系，这可从式( 2 7 ) 看出。 由于起动时，n = o ，s = l ，致使式( 2 2 ) 分母较正常运行时小，使得i 。很大， 所以定子电流也很大，但是否能说明起动转矩也很大呢? 因为起动时r 2 比u l d 小的多，所以从式( 2 5 ) 可知，c o s 巾。较小，说明起 动时将从电源吸收较大的无功电流，尽管起动电流很大，但起动转矩还是很小， 这就是感应电动机直接起动的不足之处，这点可以从本章引言和图2 1 中看出。 然而上面的t ；、i 。都是在稳态情况下得出来的。可是感应电动机的起动属 于暂态过程，不能简单的用静态模型来分析，要准确的描述其性能，就要采用电 第9 页共8 3 页 上海大学硕士学位论文 机的动态模型了。 2 2 2 感应电动机的动态模型 由于电机转子的旋转，定、转子间的互感是定转子相对位置角的余弦函数， 使得三相感应电动机的静止模型为一组难于直接求解的非线性微分方程。为了解 脱定、转子间的非线性耦合关系，可采取坐标变换来简化。本文采用以同步旋转 由o 坐标系的感应电机数学模型来分析。感应电机数学模型”3 在由o 坐标系的等 效电路如图2 4 所示： a ) b ) _ 帆i l 卜乞甜 r ( - oz l y d l ，l ，。彩：沙。：r ： “”_ p 。上。p 驴。：百“ 图2 4 感应电动机在d q 0 坐标系的动态等效电路 a ) d 轴电路b ) q 轴电路 由上图可得变换后的定子电压方程为 b 一- 2 r i d l + p y d l 一0 3 - t y 。甜。，2 r i 。t + p y 。+ 0 9 ，。弘乞。 。，2 l i + l 。如 。2 l 州i + 三。t ： ( 2 8 ) 变换后的转子电压方程为 “：2 r t i z + p y d 2 一0 9 ：y 。：扰。z 2 r t i 。z + p y 。j + 0 9 ，：y 。： 。：。l 。i t + l ，i z 。：2 l 。，+ 三州i ( 2 9 ) 变换后的转矩方程和运动方程为 丁c2 三撕扩“z 2 丁，+ 丢等 第1 0 页共8 3 页 ：塑 ( 2 1 0 ) d t 上海大学硕士学位论文 r 、l ，定子电阻和漏感r ：、l ，：转子电阻和漏感 。，、y 。定子在d 4 f 0q 轴的磁通。：、少。：转子在d 轴和q 轴的磁通 扰。、i 。d 轴定子电压和电流u d 2 、i 。：d 轴转子电压和电流 扰，、q 轴定子电压和电流m q2 i q ：q 轴转子电压和电流 三，、l ，总的定、转子感抗l 。互感 t 。电磁转矩t ，负载转矩 0 转子角度 国转子角速度 船。极对数 j 转动惯量 缈。旋转坐标系相对于定子角速度c o ，：旋转坐标系相对于转子角速度 2 3 感应电动机的起动仿真 在进行交流传动控制系统仿真时，首先必须要建立感应电动机的仿真 模型。为了使仿真结果尽可能地接近感应电动机的实际运行状况，仿真模 型应该与感应电动机的原始模型尽量保持一致，在这种情况下，所得到的 仿真结果才具有现实指导意义。在这里，以两相同步旋转砌o 坐标系中的 数学模型作为建立仿真模型的依据，该数学模型是在变换前后功率保持不 变的约束条件下，经过三相静止到两相静止坐标，再通过旋转变换得到的， 不需要其它假设条件。 利用感应电动机在d q o 坐标系的方程，可以较准确的仿真感应电动机起动系统 的动态过程。以一台额定电压u 。= 3 8 0 v ，额定转速n = 1 4 3 0 r m i n ，额定电流i f 5 1 6 a ， 额定电磁转矩t 一= 1 4 3 6 n m ，定子y 接的三相感应电机为例，其参数为： r l22 8 1 q ，五25 3 3 q ， = 2 4 4 q ，x 产5 6 5 f l ，x 。，= 1 2 5 3 6 n ，g d 2 0 0 0 5 9 n m 2 ， 极对数n 。= 2 。 本仿真图数轴说明：时间轴t 单位量为秒( s ) ；电流轴i 单位量为安培( a ) ： 转矩轴t 。单位量为牛米( mm ) ；转速轴n 单位量为转分( r m i n ) 。 第1 1 页共8 3 页 上海大学硕士学位论文 为了对几种起动方式的起动过程进行比较，本节给出了三种不同起动方式的起动 仿真，这三种起动方式分别是直接起动、调压软起动、先交交变频到一定转速然 后投工频调压起动的重载软起动，如图2 5 所示。其中曲线1 为重载软起动，曲 线2 为调压软起动，曲线3 为直接工频起动。 三种起动方式仿真时其给定频率、电压与时间的关系见图2 5 。图2 5 ( a ) 纵轴中的l 为起动频率，图2 5 ( b ) 纵轴中的2 2 为力矩提升，图2 5 ( b ) 纵轴中的 2 2 0 为相电压。但随所带的负载不同，其切换电压和切换频率、频率上升时间、 电压上升时间都有所不同，即这些量可以根据实际情况做相应的调整。 直接起动就是直接加上工频额定电压给电动机； 调压软起动就是指装置输出电压按一定规律上升，使被控电动机的电压由零 升到全电压，转速相应的由零平渭加速到额定转速的过程。但要注意的是如果所 带负载比较重，起始电压不能太低，上升斜率也不能太慢，因为这样机端电压 需爬升到很大值时，才能起动电机，这样在很长时间内电机不能转动， 同样产生很大的起动电流使软起动效果不明显。 重载软起动开始是交交变频的频率和电压按照设定的v f 曲线上 升到一定值，然后以这个频率运行一定时间，这个过程主要是为了使电 机稳定运行。然后改成调压软起动，其切换电压和电压上升时间根据实 际情况而定。 f ( h z 5 0 1 5 l7 百 u ( v 2 2 0 1 3 0 8 l 2 2 j ：歹1 1 ( a ) 频率时间图 图2 5 一、额定负载起动 ( b ) 电压时间图 起动频率电压切换示意图 仿真时，取负载转矩t 1 等于电磁转矩t 。，即t l = t e = 1 4 6 9 n m ，调压软起动 起始电压为1 3 0 v ，上升到额定电压的时间为4 秒；重载软起动的起始频率为1 h z ， 力矩提升为1 0 ，即2 2 v ，切换频率为1 5 h z ，频率上升时间选择4 秒，中间停 第1 2 页共8 3 页 上海大学硕士掌位论文 留的1 秒主要是为了使电机稳定运行一定时间，然后进入重载软起动的第二个阶 段，即调压软起动阶段。 1 感应电机直接起动 图2 9 电机额定负载 调压软起动转距 图2 1 0 电机额定负载 调压软起动定子电流 第1 3 页共8 3 页 图2 11 电机额定负载调压软起动转速 调压软起动电压大概上升到1 9 0 v ，电机开始转动，大约在4 秒左右稳定，一 旦达到稳定，电流和转矩就急剧减小到额定值。 3 重载软起动 图2 1 2 电机重 重载软起动定子电流 重载软起动第一个阶段起动电流和起动转矩都很平稳，但在切换阶段存在二 次冲击，这可以从转矩、电流图中看出，而且转速还有一个下跌现象。其原因是 切换起始电压低。 4 仿真结果分析 直接起动瞬间，定子电流有较大幅度的脉振，电流是3 5 a ，是额定的6 倍。 第1 4 页共8 3 页 调压软起动时电流最大值是2 8 a ，尽管重载软起动在切换过程中也存在二次电流 冲击，但此时可以看出，电流最大值是2 3 a ，比直接起动冲击小。从而验证了直 接起动具有起动电流大，调压软起动、重载软起动可以减小起动电流的特点，但 重载软起动比调压软起动好。 二、重载起动 这里所谓的重载有三种情况，第一种是由于负载的静摩擦力引起的，要克服 这个摩擦力带动负载，需要一个比较大的力矩，如果此时直接起动是带不动的， 但一旦把负载带动起来了，负载力矩就减小，因为动摩擦力比静摩擦力小得多； 第二种情况是由于物料的堆积，致使直接起动带不动，但如果把堆积物料拖走， 负载恢复到额定值后可以工频拖动；第三种情况是负载长时间重载。它们和时间 的关系可以用下图来表示。 ( a ) ( b )( c ) 图2 1 5 重载同时间关系 在仿真时假设1 _ 3 倍的额定负载认为是上面所说的重载，即1 9 n m 。图21 5 ( a 1 中认为静摩擦力在1 秒后变成动摩擦力，负载变成额定负载，即负载转矩t i 在1 秒后从1 9 n m 变成1 4 9 6 nm ；图21 5 ( b ) 中认为4 秒后皮带上堆积的物料被拖走， 负载变成额定负载，即负载转矩t l 在4 秒后从1 9 n 肌变成1 4 9 6 n m ；图21 5 f c ) 中认为负载一直是重载，即负载转矩n 一直是1 9 n m 。 1 静摩擦重载( 图2 1 5 ( a ) ) 图2 1 7 重载软起动器电流 第1 5 页共8 3 页 j 海：学硕上学位论文 图21 8 重载软起动器转速 从转矩图可以看出，在前1 秒重载软起动器提供一个较大的转矩来克服静摩 擦力起动电动机。 2 短时间重载( 图2 1 5 ( b ) ) 图21 9 重载软起动器转矩 图2 2 0 重载软起动器电流 图22 1 重载软起动器转速 从图2 1 9 转矩图可以看出，在前4 秒，重载软起动器需提供比较大的转矩 来克服重载，把堆积的物料拖走，待物料拖走后，转矩恢复到额定值。 3 长时间重载( 图2 1 5 f c 、) 第16 页共8 3 页 上海大学硕士学位论文 图2 2 2重载软起动器转矩 图2 2 3重载软起动器电流 图2 2 4 重载软起动器转速 要使这种情况下的重载能够在重载起动器的第二个调压阶段也能顺利起动 成功，应该要满足两个要求，第一个是切换频率不能太低，大约是2 5 h z ；第二 个是调压阶段投的初始电压不能太低，大约是o 8 5 个额定电压，而且电压上升 率不能太小，否则本来起动起来的负载可能会在调压软起动阶段由于力矩不够而 带不动发生堵转。由于切换频率太高，逻辑无环流的交交变频输出频率要达到这 么高可能有困难，此时可以考虑采用有环流方式的控制策略。 从重载起动器转速图可以看出，重载起动器在两个阶段的切换过程中会有转 速下跌现象，原因是因为在切换到调压阶段，投入电压低，力矩不够，但山于 岜 压马上调上去，力矩也可以增加，所以继续带动负载起动。切换阶段也不是电l 越高越好，因为切换电压高，虽然此时转速下跌小，但引来另一个问题，那就是 切换阶段电流和转矩冲击大。 2 4 小结 通过建立感应电动机的数学模型，从理论上分析了感应电动机直接起动时电 第1 7 页共8 3 页 流大、冲击转矩大的特点，并通过仿真得到验证。通过建立感应电动机的动态模 型，并在此基础上进行了几种起动方式的仿真，得出重载软起动器起动到一一定频 率，然后在原有的基础上进行调压软起动，具有起动电流小，还可以提高起动转 矩的性能，从而为实际运用提供了参考，但由于所建立的电机仿真模型是理想模 型，用它进行仿真，与实际情况会有一些差异，必要时可以考虑修正所建立的电 机模型，使之更接近实际。 第三章交交变频及重载软起动器原理 3 1 引言 重载软起动是在可控硅调压软起动方式上的进一步升华，是一种用在重载 场合的起动方式，整个起动过程分为交交变频和调压软起动两个阶段来实现，第 一个阶段是采用交交变频来带动负载到达合适的频率。第二个阶段就是利用现有 的主电路，改换控制方式，实现调压软起动来完成剩余的起动过程，然后直接投 入工频运行，整个起动过程既可以减小起动电流，又可以增加起动转矩。 3 2 重载软起动器的工作原理 起动原理如下：首先通过交交变频重载软起动器来带动负载起动，当频率达 到工频的1 5 左右( 因为交交变频的最高频率不能太高，后面将介绍和分析) ， 然后利用现有的起动装置，改变控制策略，构成一个调压软起动来完成剩余的起 动过程，待到起动完成后，再投入工频运行。 x 。 。w l ；”1【j k 重载起动器 一v 图3 1 重载软起动器起动过程原理框图 起动原理框图如图3 1 。起动时，s w 2 断开，开关s w l 、s w 3 闭合，利用重载 软起动器来起动，待起动完成，开关s w l 、s 、v 3 断开，s w 2 接通，工频直接供电。 起动电路描述如图3 2 。利用交一交变频的控制策略，控制触发角按照定规 律变化，带动负载起动，达到相应的频率，主电路如图3 2 ( a ) 所示。然后在软件 上改变控制策略，控制u 相的l 撑、4 # 管子，v 相的3 # 、6 # 管子、w 相的2 # 、 5 # 管子，就可以构成一个调压软起动器，主电路如图3 2 ( b ) 所示，利用这个调压 软起动器完成剩余的起动过程，达到稳定后，开关s w l 、s w 3 断开，s 、v 2 闭合接 第1 9 页共8 3 嘣 通，直接由工频供电。 b ， 11 4 ， 3z 尊奉 rj i a 交交变频结构图 b 调压软起动结构图 图3 2 重载软起动器电路结构变换示意图 由图3 2 可知，重载软起动器两个阶段的主电路是通过结构变换得到的，两 个阶段的触发信号分别是采用交交变频和调压软起动原理来实现，因此下面就分 交交变频和调压软起动来阐述。 3 3 交交变频器的基本组成和工作原理 交交变频电路是不通过中间直流环节而把电网频率的交流电直接变 换成不同频率的交流电的变流电路。交交变频电路也叫周波变换器。因为 没有中间直流环节，仅用一次变换就实现了变频，所以效率较高，非常适 用于大功率的低速电力传动系统。但由于它所需要的元件较多，故而结构 较为复杂，使用受到一定的限制。然而近几年来，随着电力电子器件的迅 猛发展，功率器件已经模块化，功率体积比逐渐提高，这使得交交变频器 在结构上越来越被人们接受，在中小功率传动上也被采用。随着国内外专 家的努力，采用交交变频技术在低频拖动系统的应用取得了很好的效果。 在交交变频电路中，让两组交流电路按一定频率交替工作，就可以 给负载输出该频率的交流电。改变两组变流电路的切换频率，就可以改 变输出频率。改变变流电路工作时的控制角a ，就可以改变交流输出电 压的幅值。 如果让a 角不是固定值，而是如图3 3 所示，在半个周期内让正组 变流电路p 的a 角按正弦规律变化。那么，正组整流电路在每个控制间 隔内的平均输出电压就按正弦规律从零逐渐增至最大，再逐渐减小到 第2 0 页共8 3 【：t 零，如瞄3 3 甲虚线所示。在另外半个周甥内，对负组变流器n 进行同 样的控制，就可以得到接近正弦波的输出电压。和可控整流电路一样， 交交变频电路的换相属电网换相。 图3 3交交变频输出电压示意图 交交变频电路的负载可以是电感性、电阻性、电容性。这里以使 用较多的电感性负载为例来说明交交变频电路的整流与逆变工作状态。 如果把交交变频电路理想化，忽略变流电路换相时输出电压的脉动 分量，就可把它看成如图3 4 所示的正弦波交流电源和二极管的串联。 其中交流电源表示变流电路可输出交流电压，二极管表示变流电路的电 流流通方向a 其中撕、f ，表示正组电压和正组电流；“。、i n 表示反组电压 和反组电流：“。f 。表示负载电压和负载电流。按照负载电流的极性，交替地通 断正反组变流器，就可以为负载提供频率低于输入频率的交流电流。从图中还可 以看出，正组变流器提供正半周电流，反组变流器提供负半周电流。正负组的通 断控制不能出现错误，否则会正反组电源短路。 图3 4 单相交交变频电路原理图 假设负载的功率因数角为审，即输出电流滞后输出电压击角。另外， 两组变流电路在工作时采取直流可逆调速系统中的无环流工作方式，即一 第2 l 页菇8 3 页 一，! 塑盔兰! ! 土兰崞篓墨一一一一一一一一一 组变流电路工作时，将另一组变流电路的脉冲封锁。 图3 5 给出了一个周期内负载电压、电流波形及正反两组变流电路的 电压、电流波形。由于变流电路的单向导电性，在t 卜t 3 期间的负载电流 正半周，只能是正组变流电路工作，反组变流电路被封锁。其中在t 卜t 2 阶 段，输出电压和电流均为正，故正组变流电路输出功率为正，工作在整流状态。 在t 2 一t 3 阶段，负载电流仍为正，但输出电压已反向。故这一阶段正组变漉电路 输出功率为负，工作在逆变状态。 u o 1 0 l i p u x p n 忿t 。t 。7 t l t iy t 5 k 一 厂 ， 1 | 、 。 、 。 p l f整流i 逆变 m断 l阿l断整流 陋变 图3 5 理想交交变频电路的工作状态 在t 3 一t 5 期间，负载电流反向，反组变流电路工作，正组变流电路被封锁。 其中在t 3 一t 4 阶段，输出电压和电流均为负，故反组变流电路输出功率为正，工 作在整流状态。在t 4 一t 5 阶段，负载电流为负，雨电压为正。故这一阶段反组变 第2 2 页共8 3 页 流电路输出功率为负，工作在逆变状态。 可以看出，那组变流电路工作是由输出电流的方向决定的，与输出电压的极 性无关。变流电路是工作在整流状态还是逆变状态，则是由输出电压方向和输出 电流方向的异同而定的。 由上面交交变频工作原理和电感性负载可得图3 6 所示的变频器输出电压 和电流波形。从图3 6 中可以看出，一个周期的波形可以分成6 个阶段： 1 正组变流器被封锁，反组变流器处于逆变状态。 2 电流过零，正、反组变流器被封锁，处于无环流的死区。 3 正组变流器处于整流状态，反组变流器被封锁。 4 正组变流器处于逆变状态，反组变流器仍被封锁。 5 电流过零，正、反组变流器都被封锁，处于无环流的死区。 6 正组变流器被封锁，反组变流器处于整流状态。 i 瓣汇nx 一黼n i卯 z j ) | fl ：| ( ) w绷一一 、jl 一， 、一j i 厂 一 。 一 1 2 34 56 图3 6 单相交交变频电路的输出电压和电流波形。 3 4 交交变频器触发角控制方法 由已知的三相低频信号控制变频器输出电压，首先要计算触发控制角，然后 用它去触发晶闸管，以此来截驳电源电压中相应的电压片段，组成如低频信号所 第2 3 页共8 3 硪 上辫足学硕二f = 学业诊立 希望的输出电压波形。目前触发控制角的计算方法有余弦交点法和规则采样法。 3 4 1 余弦交点法 由晶闸管整流器反并联组成的交交变频器的输出电压波形，实际上是 由若干段电源电压拼接而成的，而不是平滑的正弦波。由于希望重载软起 动器输出电压各波形片段的平均值按正弦波变化，即获得所谓正弦型输出 电压波形，因此依次导通的晶闸管控制角。要按照某种规律加以调制。 o 【 n n 。_ 。_ _ _ _ 舛7 莎 。一 of a t 够 反蟹 一 图3 7 余弦同步波移相控制特性 a 相自然换相点 余弦同步、瘦u t 低频参考波u r a 檑自然换报点 以三相半桥式电路( 图3 7 1 为例来说明余弦交点法( 触发控制角的获得) 。假 如同步信号采用余弦同步波，如图3 7 所示，它超前相电压6 0 。从图中可以 看到，对于正组变流器，触发角是从a 点到b 点，对于反组变流器，触发角是 从c 点到d 点。 假定开始阶段先是接至u 。的晶闸管导通，实际输出电压u 。与理想电压u 。之 差为u 一一u 。，那么该晶闸管应该在什么时刻换流到下个晶闸管最好呢? 可以取 u 一一u 。差值与下个晶闸管导通时( 即b 点) 的u 。一u 。差值进行比较，当u 。一u 。小于 u ，时原晶闸管继续导通，直到两者相等时，则下一个晶闸管导通，实现换流。 由此得出换流的条件是( 即在b 时刻有) ： 甜。一甜 = “r 一“。 即 “。= 垮警 ( 3 1 ) 由于u 。和u 。都是正弦波，两者之和的半也是个正弦波。若以自然换相 第2 4 页共8 3 面 f 海大学颁十学位论文 点为时f 司起点，即图中a 点，则： 阮= u 2s i n ( o ) ，+ 3 0 ”) “。= u 2 s i n ( 缈，t + 1 50 u ) ( 3 2 ) 所以 甜。= ( u ：2 ) c o s c o ，r e 口 z f 月= u d o c o s ( 3 3 ) 式中的u 。为a = 0 的理想空载整流电压，即u 。2 。 u z 为整流变压器二次相电压幅值； c o ，是输入电源角频率，把国，r 等效为口 对交交变频电路来说，每次控制时。角都是不同的，式( 3 3 ) 中的u 表示每 次控制间隔内输出电压的平均值。设要得到的正弦波输出电压为： “月= u 。，s i n 0 ) o r ( 3 4 ) 则比较式( 3 3 ) 和式( 3 4 ) 可得： c o s 拈锈s i n 国o t = 7 s i n 引 c 。s ， 式中y 称为输出电压比，y = u 。u 。( o 蔓y 1 ) 因此有：口= c o s ( ys i n o ) 。，) ( 3 6 ) = 式就是用余弦交点法求变流电路口角的基本公式。 3 4 2 规则采样法 u 0 abca bcab cab 图3 8 用规则采样法获得触发时刻的原理 余弦交点法用于模拟触发电路是十分方便的，然而若采用单片机来实现就显 第2 5 页共8 3 页 e 海大学硕士学位论文 得较为困难，因为余弦同步波与参考波的交点，即采样点是不规则且变化的。规 则采样法可以解决这一问题，有利于单片机的实现。 规则采样法是在一定的时刻( 一般是自然换相点) 采样参考信号，根据此时参 考