一種感應(yīng)電機(jī)軟起動(dòng)器容錯(cuò)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

程 輝， 楊克立

(1. 河南工程學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州 451192；2. 中原工學(xué)院 工業(yè)訓(xùn)練中心，河南 鄭州 450007)

0 引 言

三相感應(yīng)電機(jī)以其顯著的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、制造業(yè)及一些推進(jìn)牽引行業(yè),如鼓風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、離心泵、電梯、裝配線、運(yùn)輸和傳送帶系統(tǒng)以及供暖、通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)等。在其起動(dòng)過(guò)程中，經(jīng)常采用軟起動(dòng)器進(jìn)行起動(dòng)[1-3]。通過(guò)控制三相反并聯(lián)晶閘管(Sillicon Controlled Rectifier, SCR)的導(dǎo)通角，不但能在整個(gè)起動(dòng)過(guò)程中低成本有效地降低起動(dòng)電流和減小輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，實(shí)現(xiàn)無(wú)沖擊平滑起動(dòng)電機(jī)，而且可根據(jù)電動(dòng)機(jī)負(fù)載的特性來(lái)調(diào)節(jié)起動(dòng)過(guò)程中的各種參數(shù)，如限流值、起動(dòng)時(shí)間等。但若晶閘管發(fā)生故障，系統(tǒng)就會(huì)失去軟起動(dòng)的功能。因此，研發(fā)并應(yīng)用容錯(cuò)控制技術(shù)以提高系統(tǒng)的可靠性，使其在發(fā)生故障的情況下，仍能保持平滑起動(dòng)，降低費(fèi)用并減少停機(jī)時(shí)間，不至于造成啟動(dòng)失敗甚至發(fā)生致命的后果，將具有重要的意義。本文在研究了目前應(yīng)用軟起動(dòng)器典型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種具有容錯(cuò)功能的感應(yīng)電機(jī)軟起動(dòng)器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。當(dāng)任何一相任意一個(gè)功率開關(guān)器件發(fā)生短路或斷路故障時(shí)，運(yùn)用新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并采用閉環(huán)控制使得在兩相可控的條件下仍可實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)功能。

1 容錯(cuò)控制策略

1.1 改進(jìn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

典型的三相交流感應(yīng)電機(jī)軟起動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示[4]。三相反向并聯(lián)SCR分別與三相定子繞組相連，電阻與電容的串聯(lián)組成緩沖電路也分別并聯(lián)于每相反向并聯(lián)SCR以防止開關(guān)瞬變過(guò)程造成換相失??；同步旁路開關(guān)也分別并聯(lián)于每相反向并聯(lián)SCR，當(dāng)電機(jī)起動(dòng)完成的瞬間短路三相反向并聯(lián)SCR，以減少其承受的熱應(yīng)力及功率損耗；電壓、電流檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)同步過(guò)零觸發(fā)、控制導(dǎo)通角和同步旁路開關(guān)。

圖1 傳統(tǒng)的軟起動(dòng)拓?fù)?/p>

針對(duì)軟起動(dòng)器系統(tǒng)的故障，目前所研究的有兩種類型[5]，分別是單相反向并聯(lián)SCR短路和斷路。SCR短路，這導(dǎo)致供給電機(jī)的電壓不平衡，很高的起動(dòng)電流也會(huì)致使轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)很大；而SCR斷路時(shí)則沒(méi)有輸出轉(zhuǎn)矩，電機(jī)起動(dòng)失敗。

本文所提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。其改進(jìn)的用于容錯(cuò)控制的結(jié)構(gòu)有兩點(diǎn)： 一是傳統(tǒng)的同步旁路開關(guān)改為三個(gè)獨(dú)立的分控開關(guān)，以便當(dāng)斷路故障時(shí)，故障相的反向并聯(lián)SCR將被短路并進(jìn)入容錯(cuò)控制狀態(tài)，而不至于停機(jī)造成起動(dòng)失??；二是在電機(jī)三相定子繞組端增加電壓檢測(cè)模塊，所檢測(cè)到的電機(jī)終端信號(hào)作為閉環(huán)控制的反饋信號(hào)用于實(shí)現(xiàn)本文所提出的容錯(cuò)控制算法。與傳統(tǒng)的三相交流感應(yīng)電機(jī)軟起動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，改進(jìn)的結(jié)構(gòu)并沒(méi)有增加太多的硬件設(shè)備及附加成本，與采用增加冗余設(shè)備以保持故障時(shí)不停機(jī)的容錯(cuò)控制策略相比，顯然其更加適合。并且改進(jìn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)于單相SCR無(wú)驅(qū)動(dòng)信號(hào)或者驅(qū)動(dòng)電路故障也具有容錯(cuò)控制能力。

圖2 提出的軟起動(dòng)拓?fù)?/p>

1.2 閉環(huán)的兩相控制策略

當(dāng)故障發(fā)生后，故障相不可控，其余兩相可控，本文所設(shè)計(jì)的改進(jìn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仍然會(huì)導(dǎo)致供給電機(jī)三相電壓不平衡，很容易證明這也會(huì)導(dǎo)致三相電流中有負(fù)序電流分量，進(jìn)而引起起動(dòng)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。因此本文所設(shè)計(jì)的控制策略為在可控兩相中采用獨(dú)立控制，以產(chǎn)生接近于正常時(shí)平衡的三相電流，盡可能的減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。不同的電機(jī)其輸出功率不同且負(fù)載也不一樣，采用開環(huán)控制以產(chǎn)生合適的觸發(fā)角度是很難實(shí)現(xiàn)的，故采取閉環(huán)的兩相控制策略。

為方便說(shuō)明本文以下的研究均以c相為例，先假設(shè)c相短路。采用電壓電流雙閉環(huán)控制，如圖3所示。其中電壓環(huán)用來(lái)控制其起動(dòng)的快速性。輸入信號(hào)為軟起動(dòng)時(shí)給定電壓信號(hào)(為斜坡信號(hào))，和電壓傳感器檢測(cè)到正常工作的另外兩相電機(jī)繞組的電壓進(jìn)行比較，采用PI調(diào)節(jié)器，輸出則為軟起動(dòng)發(fā)生過(guò)程中由電壓引起的觸發(fā)角的變化量；單獨(dú)采用電壓環(huán)控制，則故障發(fā)生后起動(dòng)時(shí)電機(jī)仍然承受不平衡三相交流電，為了得到較小的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，在電壓環(huán)的基礎(chǔ)上采用了電流環(huán)控制。輸入?yún)⒖夹盘?hào)為檢測(cè)到三相繞組電流和的平均值為

(1)

圖3 容錯(cuò)控制軟起動(dòng)的兩相閉環(huán)控制策略

由此可得，軟起動(dòng)時(shí)a、b相晶閘管的觸發(fā)角為

αa=αa0-αaU-αaI

αb=αb0-αbU-αbI

(2)

式中：αa0、αb0——假設(shè)故障沒(méi)有發(fā)生時(shí)的兩相初始觸發(fā)角;

αaU、αbU——電壓環(huán)反饋輸出；

αaI、αbI——電流環(huán)反饋輸出。

2 容錯(cuò)控制設(shè)計(jì)

根據(jù)圖3可以畫出容錯(cuò)控制方框圖，如圖4所示。圖中，u=f(α)用來(lái)表征起動(dòng)過(guò)程中α觸發(fā)角和輸出電壓的非線性。由于電壓環(huán)和電流環(huán)相互獨(dú)立，可采取單獨(dú)控制策略，如圖5和圖6所示。

圖4 容錯(cuò)控制框圖

圖5 電壓環(huán)控制

圖6 電流環(huán)控制

圖中，Gc_U(s)和Gc_I(s)分別表示電壓環(huán)和電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為

2.1 軟起動(dòng)器的線性化處理

一個(gè)周期內(nèi)，以a相為例，感應(yīng)電機(jī)相電壓可以表示為[6]：

(4)

式中：φ——功率因數(shù)角；

ea、eb、ec——三相繞組產(chǎn)生的感應(yīng)反電動(dòng)勢(shì)。

軟起動(dòng)過(guò)程中近似認(rèn)為ea=eb=ec≈0。

uug、uvg、urg分別為三相交流電源電壓。其中：

uug(t)=Umcos(ωt)

(5)

把式(4)和式(5)代入(6)，有：

(7)

即式(7)表征了電壓環(huán)和電流環(huán)的αU和αI的計(jì)算方法。

由式(7)可知，若αU和αI已定，則可以唯一確定U和二者的關(guān)系。亦即可以線性化處理得到：

(8)

2.2 系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)

從圖7可以得到電壓環(huán)的開環(huán)和閉環(huán)傳遞函數(shù)，分別為

(9)

從圖8可以得到電流環(huán)的開環(huán)和閉環(huán)傳遞函數(shù)，分別為

(10)

2.3 PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)

采用對(duì)數(shù)頻率特性(伯德圖)分別進(jìn)行電壓環(huán)和電流環(huán)的參數(shù)設(shè)計(jì)。即根據(jù)各個(gè)環(huán)要求的動(dòng)態(tài)性能或穩(wěn)定裕度，確定希望的預(yù)期對(duì)數(shù)頻率特性，再和被控對(duì)象進(jìn)行比較，確定調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)及參數(shù)[7]。

2.3.1 電壓環(huán)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的原則如下：

(1) 穿越頻率fc=400Hz；

(2) 相位裕量φ=120°

由此可以得出：

(11)

2.3.2 電流環(huán)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的原則如下：

(1) 穿越頻率fc=400Hz；

(2) 相位裕量φ=90°

由此可以得出

(12)

3 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證文章所提出的控制策略和容錯(cuò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，利用MATLAB/Simulink進(jìn)行了仿真。電機(jī)模型參數(shù)： 額定電壓380V，極對(duì)數(shù)為2，額定電流為3A，額定轉(zhuǎn)速1450r/min，額定功率1.2kW，Rs=3.85Ω，Rr=2.57Ω，Lls=17.56mH，Llr=17.56mH，Lm=0.3727H。按照電壓環(huán)和電流環(huán)設(shè)計(jì)原則，畫出各自應(yīng)的伯德圖，得出kp_U≈0.0013，ki_U=7.27，kp_I=0.3，ki_I=32.3。

電機(jī)電流波形如圖7所示。

圖7 電機(jī)電流仿真結(jié)果

其中，圖7(a)對(duì)應(yīng)三相開環(huán)控制，圖7(b)為發(fā)生故障后的兩相控制輸出波形，由圖可以看出故障后起動(dòng)電流不平衡，圖7(c)為容錯(cuò)控制下的輸出電流波形，和圖7(b)相比，在故障發(fā)生后，起動(dòng)電流仍能趨于平衡，可以獲得較好的起動(dòng)性能。

圖8為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩波形。

圖8 電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩仿真結(jié)果

其中圖8(a)對(duì)應(yīng)三相開環(huán)控制，起動(dòng)平穩(wěn)；圖8(b)為發(fā)生故障后的兩相控制輸出波形，可以看出故障后起動(dòng)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)很大，起動(dòng)不平穩(wěn)，圖8(c)為容錯(cuò)控制下的輸出電流波形，和圖8(b)相比，在故障發(fā)生后，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較小，起動(dòng)較平穩(wěn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文研究了在感應(yīng)電機(jī)軟起動(dòng)器發(fā)生故障后一種新穎的容錯(cuò)控制策略，該方法在傳統(tǒng)的軟起動(dòng)器控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了硬件電路改造。詳細(xì)介紹了控制器的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明，故障發(fā)生后新的控制方式仍然可以獲得良好的輸出性能，達(dá)到軟起動(dòng)的目的。

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