基于離散變頻的異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器設(shè)計(jì)

馬文明 宮文展

(1.西京學(xué)院, 陜西西安,710123;2.博世力士樂(lè)(西安)電子傳動(dòng)與控制有限公司, 陜西西安,710018)

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·異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器·

基于離散變頻的異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器設(shè)計(jì)

馬文明1宮文展2

(1.西京學(xué)院, 陜西西安,710123;2.博世力士樂(lè)(西安)電子傳動(dòng)與控制有限公司, 陜西西安,710018)

針對(duì)異步電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小、起動(dòng)電流大、且無(wú)法起動(dòng)重載等問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種基于離散變頻控制方法的軟啟動(dòng)器。首先設(shè)計(jì)了基于三相反并聯(lián)晶閘管主電路和高性能DSP28335主控制器的軟啟動(dòng)器硬件,利用高速A/D實(shí)現(xiàn)電流有效值計(jì)算。然后分析基于離散變頻的軟起動(dòng)控制策略,提出7- 4-3分頻之后轉(zhuǎn)工頻調(diào)壓的軟起動(dòng)方法并完成離散變頻軟件設(shè)計(jì)。最后通過(guò)Matlab仿真和在某造紙廠的制漿車(chē)間試驗(yàn)表明，離散變頻軟起動(dòng)方法在相同負(fù)載率下可以有效降低起動(dòng)電流,從而驗(yàn)證離散變頻的有效性。

異步電機(jī)；軟啟動(dòng)器；離散變頻；電流檢測(cè)

交流異步電機(jī)已大量運(yùn)用在各行各業(yè)中,是迄今為止重要的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換設(shè)備,約占工業(yè)電能消耗的60%。然而傳統(tǒng)降壓軟啟動(dòng)器,起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小,只能局限于起動(dòng)空載或輕載的電機(jī),現(xiàn)代電子式調(diào)壓軟啟動(dòng)器能較為靈活調(diào)節(jié)電機(jī)電壓,但電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比,調(diào)壓的同時(shí)顯著降低了起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,其本質(zhì)上仍屬于降壓型軟起動(dòng)。

變頻是解決異步電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小的直接有效的方法。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步,矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制[1-3]的高性能變頻器已能起動(dòng)帶重載甚至超額定負(fù)載的異步電機(jī),但是基于大量功率開(kāi)關(guān)器件的變頻器成本較高,難以適用于對(duì)調(diào)速要求不高的場(chǎng)合。而且變頻器輸出屬于交直交變頻,相當(dāng)于與電網(wǎng)的頻率、相位處于隔離狀態(tài),在電機(jī)完成起動(dòng)后難以旁路切換到電網(wǎng),若一直在線運(yùn)行則增加了變頻器的損耗,縮短了其使用壽命。1999年,美國(guó)學(xué)者Antonio Ginart提出一種基于三相反并聯(lián)晶閘管的離散變頻控制方法[4],在現(xiàn)代電子式軟啟動(dòng)器主電路的基礎(chǔ)上,通過(guò)在電網(wǎng)上有選擇的連續(xù)導(dǎo)通和關(guān)斷某些正弦半波而得到正負(fù)半波對(duì)稱(chēng)導(dǎo)通的變頻電壓。該變頻電壓結(jié)合相控調(diào)壓可以實(shí)現(xiàn)異步電機(jī)的變壓變頻控制[5],從而達(dá)到增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,減小起動(dòng)電流的效果。

基于上述分析,本課題設(shè)計(jì)了一種基于三相反并聯(lián)晶閘管的離散變頻軟啟動(dòng)器。首先設(shè)計(jì)軟啟動(dòng)器硬件電路,以具有強(qiáng)大數(shù)值運(yùn)算和快速邏輯處理能力的高性能DSP28335為主控制器。然后分析離散變頻工作原理及其控制器策略,提出離散變頻7- 4-3分頻之后轉(zhuǎn)工頻的軟起動(dòng)方法。最后通過(guò)仿真和在某造紙廠的制漿車(chē)間驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的離散變頻軟啟動(dòng)器能增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩,或在相同負(fù)載率下降低起動(dòng)電流。

1 軟啟動(dòng)器控制系統(tǒng)

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較為復(fù)雜,電磁干擾較強(qiáng),對(duì)軟啟動(dòng)器的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性提出了較高的要求?；诟咝阅蹹SP28335的控制系統(tǒng)能快速處理起動(dòng)過(guò)程的各種信號(hào),并通過(guò)檢測(cè)電機(jī)起動(dòng)過(guò)程的電壓、電流等信號(hào)快速運(yùn)算出合適的觸發(fā)角,從而保證電機(jī)的快速平穩(wěn)起動(dòng)。

1.1 控制核心DSP28335簡(jiǎn)介

TMS320F28335數(shù)字信號(hào)處理器是TI公司新推出的32位、主頻為150 MHz的微控制器。該新型DSP增加了浮點(diǎn)運(yùn)算單元(FPU)和可控的DMA功能,使得數(shù)據(jù)處理和傳輸更靈活、速度更快。多達(dá)18路的PWM以及6路高精度HRPWM,使得DSP在電機(jī)控制領(lǐng)域更有優(yōu)勢(shì)。同時(shí),DSP28335的ADC內(nèi)部基準(zhǔn)精度更高,采樣誤差更小,所采樣的數(shù)據(jù)可直接用于控制回路,從而可以利用高速ADC功能直接采樣電流并計(jì)算電流有效值。

1.2 軟啟動(dòng)器控制系統(tǒng)

異步電機(jī)軟啟動(dòng)器控制系統(tǒng)以三相反并聯(lián)晶閘管為主電路,以DSP為核心的控制系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)起動(dòng)過(guò)程的電壓、電流等信號(hào),以電壓同步信號(hào)過(guò)零點(diǎn)為觸發(fā)角計(jì)算基準(zhǔn),按軟件算法即可實(shí)現(xiàn)包括離散變頻在內(nèi)的多種軟起動(dòng)、軟停車(chē)和檢測(cè)與保護(hù)功能[6]。軟啟動(dòng)器系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 軟啟動(dòng)器系統(tǒng)框圖

1.3 軟啟動(dòng)器部分關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

軟啟動(dòng)器各部分電路組成一個(gè)有效的工作系統(tǒng),任何電路的缺失都會(huì)影響到控制系統(tǒng)整體功能的發(fā)揮。限于篇幅,本文只介紹部分關(guān)鍵電路。

(1)隔離開(kāi)關(guān)電源

當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)同時(shí)涉及到強(qiáng)電和弱電時(shí)就需要做信號(hào)的隔離,也就需要到多路電源分別為各部分電路供電。本課題設(shè)計(jì)的軟啟動(dòng)器只需兩路隔離電源為控制系統(tǒng)和晶閘管驅(qū)動(dòng)電路供電。兩路隔離開(kāi)關(guān)電源的電路圖如圖2所示。

圖2中左端的交流電源從雙抽頭變壓器取得,經(jīng)ACDC整流橋后其中一路由開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓芯片LM2596-12V穩(wěn)壓到12 V后供晶閘管驅(qū)動(dòng)電路使用,另一路由LM2596-5 V穩(wěn)壓到5 V給邏輯電路供電,5 V電源再經(jīng)線性穩(wěn)壓芯片ASM1117穩(wěn)壓到3.3 V供DSP的IO口使用,而下面的TPS76801為低衰減的線性穩(wěn)壓器,將5 V電源穩(wěn)壓到1.9 V供DSP內(nèi)核使用。

(2)基于A/D高速采樣的電流有效值檢測(cè)電路

在交流電流檢測(cè)方面,一般使用霍爾傳感器進(jìn)行信號(hào)的隔離變換后,由取樣電阻得按一定比例縮小的電壓信號(hào)[7- 8]。而霍爾傳感器的供電需要正負(fù)電源,不利于在此使用。為此設(shè)計(jì)一種基于DSP高速A/D采樣的電流檢測(cè)電路。首先交流電壓有效值(Urms)定義為式(1)。

(1)

式中,T為交流信號(hào)的周期,u(t)為交流電壓的瞬時(shí)值。根據(jù)奈奎斯特采用定理對(duì)電壓u(t)進(jìn)行等間隔采樣,得到一系列的離散電壓值,u(1),u(2),u(3)…u(N)；利用一個(gè)電壓周期內(nèi)采樣的N個(gè)瞬時(shí)值來(lái)代替連續(xù)變化的函數(shù)值。設(shè)采樣角距為σ,則σ=T/N,對(duì)于第i次采樣值表示為

求N次采樣值平方和的算數(shù)平均值記為U,則U為式(2)。

(2)

當(dāng)N>2時(shí),sinNσ=0,且sinσ≠0。所以有U=Urms,即式(3)。

(3)

圖3 三相電壓同步信號(hào)檢測(cè)電路

由式(3)可見(jiàn),當(dāng)采樣頻率足夠高時(shí),誤差很小。利用DSP28335高達(dá)80 ns的A/D轉(zhuǎn)換速度不間斷采集電流值,并在電機(jī)離散變頻切換時(shí)改變周期時(shí)間值,可實(shí)現(xiàn)電流的有效值計(jì)算。電流檢測(cè)硬件電路較為簡(jiǎn)單,以控制系統(tǒng)零電位為基準(zhǔn)地,電流經(jīng)互感器后由取樣電阻獲得交變的電壓信號(hào)由DSP的A/D端口直接采樣即可。

(3)三相電壓同步信號(hào)

電源同步信號(hào)為晶閘管觸發(fā)角的計(jì)算基準(zhǔn),同時(shí)也是軟啟動(dòng)器系統(tǒng)計(jì)時(shí)的來(lái)源。三相電壓同步信號(hào)檢測(cè)電路如圖3所示,由分壓電阻直接從電網(wǎng)上分壓得到等比例縮小的交流電壓信號(hào),利用穩(wěn)壓管D55把交流信號(hào)整體上浮5 V便于比較器的比較。同時(shí)利用DSP的A/D口從VAL-A、VAL-B、VAL-C采集電網(wǎng)電壓幅值,用于軟啟動(dòng)器檢測(cè)與保護(hù)。

1.4 控制系統(tǒng)抗干擾性設(shè)計(jì)

軟啟動(dòng)器主要用于工業(yè)環(huán)境中,受環(huán)境中的干擾較多,特別是大功率設(shè)備的電磁干擾嚴(yán)重。而電磁干擾導(dǎo)致的后果是系統(tǒng)工作不穩(wěn)定,或根本無(wú)法工作。系統(tǒng)抗干擾性設(shè)計(jì)一般分為硬件抗干擾和軟件抗干擾,硬件上一般通過(guò)在器件附近或關(guān)鍵信號(hào)上增加濾波、耦合電容來(lái)吸收干擾。軟件上可以采用抵消的方法消除特定的干擾,但是對(duì)于不可預(yù)見(jiàn)的干擾則主要表現(xiàn)為軟件上的保護(hù),當(dāng)有錯(cuò)誤出現(xiàn)時(shí)通過(guò)軟件看門(mén)狗或自定義的保護(hù)程序及時(shí)封鎖觸發(fā)脈沖或復(fù)位控制系統(tǒng)。

2 離散變頻原理及其實(shí)現(xiàn)

2.1 離散變頻的原理

離散變頻是通過(guò)在正弦電網(wǎng)上有選擇地連續(xù)導(dǎo)通和關(guān)斷幾個(gè)正弦正半波或負(fù)半波而得到新的變頻電源[9-11]。因?yàn)殡娋W(wǎng)周期為50 Hz,由此得到的離散頻率只能是50/nHz,其中分頻級(jí)數(shù)n=1、2、3…為整數(shù)。圖4所示為離散變頻7分頻電壓導(dǎo)通波形。

圖4 離散變頻7分頻電壓導(dǎo)通波形圖

理論上基于電網(wǎng)固定40 Hz的離散變頻可以實(shí)現(xiàn)n=1、2、3…的整數(shù)分頻[12],但有些分頻并不能穩(wěn)定運(yùn)行,甚至?xí)闺姍C(jī)產(chǎn)生反向電磁力矩。因?yàn)殡姍C(jī)三相電壓互差120°才能形成穩(wěn)定的磁場(chǎng),對(duì)于離散變頻也同樣適用,則有式(4)、式(5)。

(4)

(5)

所以,分頻系數(shù)v=1、4、7…時(shí)獲得正序電壓,表現(xiàn)為正向電磁轉(zhuǎn)矩。同理分析得v=2、5、8…時(shí)為負(fù)序電壓,產(chǎn)生反向電磁轉(zhuǎn)矩；v=3、6、9…時(shí)的分頻為不對(duì)稱(chēng)電壓,兼具正反電磁轉(zhuǎn)矩。

2.2 離散變頻的控制實(shí)現(xiàn)

由前面分析,離散變頻在正序電壓下才能獲得正向電磁轉(zhuǎn)矩,本課題利用7- 4-3分頻實(shí)現(xiàn)離散變頻的軟起動(dòng)和切換,并在轉(zhuǎn)工頻電網(wǎng)的時(shí)候加斜坡升壓以減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng),最終完成電機(jī)的完全起動(dòng)。如圖5為在7分頻的基礎(chǔ)上、根據(jù)對(duì)稱(chēng)分量法獲得的離散變頻4分頻的三相電壓導(dǎo)通波形。

圖5 離散變頻4分頻電壓導(dǎo)通波形

圖6 離散變頻3分頻電壓導(dǎo)通波形

圖6為離散變頻3分頻電壓導(dǎo)通波形圖。圖6中3分頻為不對(duì)稱(chēng)電壓,但是3分頻的3次諧波正好為50 Hz且相互抵消,所以正向電磁轉(zhuǎn)矩較大,帶載能力較強(qiáng)。

離散變頻從7分頻起動(dòng)后需要切換到下一級(jí)頻率,各級(jí)頻率間的切換有：?整周期運(yùn)行完后切換；?周期內(nèi)選擇合適的時(shí)間切換?？紤]到離散變頻的3分頻為不對(duì)稱(chēng)分頻,文中選擇在各級(jí)頻率整周期運(yùn)行完之后切換。3分頻即16.7 Hz之后若直接按v/f控制切換到工頻50 Hz,則由于電壓和頻率的突然增大,引起電流陡然增大,轉(zhuǎn)矩瞬間變化過(guò)大,容易導(dǎo)致電機(jī)起動(dòng)失敗。所以在3分頻切換到工頻時(shí)適當(dāng)降低電壓,然后由斜坡升壓起動(dòng)完成。

3 離散變頻軟件設(shè)計(jì)

完成基于DSP的離散變頻硬件電路設(shè)計(jì),在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)離散變頻軟起動(dòng)程序。根據(jù)離散變頻控制原理,其在實(shí)現(xiàn)變頻的基礎(chǔ)上通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)角α的大小可以保持電機(jī)主磁通基本能恒定,從而避免出現(xiàn)過(guò)大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。程序設(shè)計(jì)原理如圖7所示。

由圖7可知,電機(jī)首先從零速開(kāi)始起動(dòng)到7分頻的額定轉(zhuǎn)速,運(yùn)行時(shí)間為0～t7；4分頻運(yùn)行時(shí)間為t7～t4；3分頻運(yùn)行時(shí)間為t4～t3；離散變頻轉(zhuǎn)工頻斜坡升壓運(yùn)行時(shí)間為t3～t1。程序流程如圖8所示。

圖7 離散變頻程序設(shè)計(jì)原理

圖8 離散變頻程序流程圖

離散變頻用于電機(jī)軟起動(dòng),工作時(shí)間短,一般以開(kāi)環(huán)運(yùn)行為主。首先系統(tǒng)上電自檢,檢測(cè)無(wú)錯(cuò)誤之后設(shè)置離散變頻分頻起動(dòng)電壓和級(jí)數(shù),每一級(jí)頻率只在對(duì)應(yīng)的時(shí)間內(nèi)運(yùn)行,運(yùn)行完成之后會(huì)自動(dòng)切換到下一級(jí)離散頻率并改變觸發(fā)角以保持電機(jī)主磁通基本恒定。在3分頻運(yùn)行完成之后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換到工頻斜坡升壓完成電機(jī)的起動(dòng)。

4 仿真與試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 仿真結(jié)果

利用一臺(tái)15 kW的三相異步電機(jī)設(shè)計(jì)基于Matlab/Simulink的離散變頻軟起動(dòng)仿真。電機(jī)首先從7分頻開(kāi)始起動(dòng),在電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)切換到4分頻運(yùn)行,同時(shí)按U/f控制規(guī)律適當(dāng)增大電壓。同理,4分頻運(yùn)行穩(wěn)定到切換到3分頻。3分頻云穩(wěn)定后直接切換到工頻時(shí)為減小沖擊電流適當(dāng)降低電壓,然后按斜坡升壓完成異步電機(jī)的起動(dòng)。離散變頻軟起動(dòng)和直接起動(dòng)仿真過(guò)程如圖9和圖10所示。

圖9 異步電機(jī)直接起動(dòng)波形圖

圖10 異步電機(jī)離散變頻起動(dòng)波形圖

圖10中離散變頻7分頻運(yùn)行時(shí)間為0～0.56 s,4分頻運(yùn)行時(shí)間為0.56～0.96 s,3分頻運(yùn)行時(shí)間為0.96～1.2 s,斜坡升壓運(yùn)行時(shí)間為1.2～1.5 s。從中可看出離散起動(dòng)電流較小,電機(jī)初始轉(zhuǎn)速較為平滑,頻率切換過(guò)程無(wú)明顯電流沖擊,轉(zhuǎn)斜坡升壓時(shí)電機(jī)加速良好。相比于異步電機(jī)的直接起動(dòng)的電流有明顯的減小,起動(dòng)轉(zhuǎn)速更加平滑。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

利用制漿車(chē)間15 kW異步電機(jī),完成離散變頻軟起動(dòng)試驗(yàn)。設(shè)定負(fù)載為50%時(shí)的試驗(yàn)電流和轉(zhuǎn)速波形如圖11所示。

圖11 異步電機(jī)離散變頻試驗(yàn)波形

從圖11可見(jiàn),電機(jī)在離散變頻過(guò)程因?yàn)橹芷谧冮L(zhǎng),電流有效值較小,而且在離散頻率7分頻切換到4分頻的過(guò)程電機(jī)加速明顯,電流反而有效減小。4分頻切換到3分頻時(shí)同樣加速明顯,但考慮到3分頻的不對(duì)稱(chēng)性,其運(yùn)行時(shí)間較短。3分頻之后快速切換到工頻50 Hz的斜坡升壓完成電機(jī)起動(dòng)過(guò)程。從中可見(jiàn),整個(gè)過(guò)程最大電流出現(xiàn)在斜坡升壓階段,離散變頻能有效減低起動(dòng)電流。

5 結(jié) 語(yǔ)

本課題基于高性能的DSP28335設(shè)計(jì)了一種具有離散變頻功能的軟啟動(dòng)器,利用DSP的高速A/D實(shí)時(shí)采集電流并計(jì)算有效值,同時(shí)在檢測(cè)同步信號(hào)時(shí)實(shí)現(xiàn)電壓檢測(cè),節(jié)省了研制成本。通過(guò)分析離散變頻原理,提出了一種7- 4-3分頻之轉(zhuǎn)斜坡升壓方法,利用整周期之后切換離散頻率實(shí)現(xiàn)了頻率的無(wú)擾切換,減小了電流沖擊。最后通過(guò)仿真和在制漿車(chē)間試驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的離散變頻軟啟動(dòng)器在相同的負(fù)載率下能有效降低電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流。

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(責(zé)任編輯：常 青)

The Design of Asynchronous Motor Soft Starter Based on Discrete Variable Frequency

MA Wen-ming1,*GONG Wen-zhan2

(1.XijingUniversity,Xi’an,ShaanxiProvince, 710123;2.BOSCHRexroth(Xi’an)ElectronicTransmissionandControlCo.Ltd.,Xi’an,ShaanxiProvince, 710018)(*E-mail: 987746606@qq.com)

Aiming at the problems of asynchronous motor such as small starting torque, large starting current and can not starting heavy-load, a soft starter based on discrete variable frequency control method was designed. Firstly, the hardware of soft starter based on three-phase anti parallel thyristor main circuit and high performance DSP28335 was designed, the calculating the effective value of current using high speed A/D was realized. Then, the soft start control strategy based on discrete variable frequency was analyzed, the soft starting method of 7- 4-3 frequency division to power frequency voltage regulation was presented and the discrete frequency software design was completed. Finally, the Matlab simulation and experimental results showed that the discrete variable frequency soft start method could effectively reduce the starting current at the same load rate, the efficiency of discrete frequency conversion was verified．

asynchronous motor; soft starter; discrete variable frequency; current-sensing

2016- 06- 03(修改稿)

西京學(xué)院科研基金項(xiàng)目(XJ150213)。

馬文明先生，碩士，助教；研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)，電機(jī)控制與變頻調(diào)速。

TM301；TS736

A

10.11980/j.issn.0254- 508X.2016.12.010