第39卷第3期 2016年6月 电子器件 Chinese Journal of Electron Devices V01.39 No.3 June 2016 The Soft Starting System of Asynchronous Motor Based on DSP XUXinqi ,GUO Ge (1.College ofElectricalandControlEngineering,Xi’an UniversityofScience andTechnology,Xi’an 710054,China 2.ShaanxiAnkangHydropower station,AnkangShaanxi 725000,China) Abstract:The output torque of the motor is inversely proportional to the power supply rfequency,without changing the traditional soft start system ON the main circuit structure,transistors can be selectively controlled to be turned on and off,thus some half-wave rfequency is guided or not.The voltage applied to the motor stator is discrete,SO that the requency of fthe fundamental wave changes and the starting torque is increased by reducing the voltage requency.f Using the DSP high—speed data processing capability,the experimental device of the discrete variable frequency soft start control system is designed.The feasibility and practicability of the discrete variable frequency soft starting in the heavy load starting is verified by the experimental results of the simulation experiment and experimental device. Key words:Heavy—load start;Discrete frequency—control;Thyristor;Asynchronous motor;DSP EEACC:8310E doi:10.39690.issn.1005-9490.2016.03.041 基于DSP的异步电动机离散变频软起动系统 许昕琪p,郭 歌 (1.西安科技大学电气与控制工程学院,西安710054;2.陕西安康水力发电厂,陕西安康725000) 摘 要:针对电机的输出电磁转矩跟供电电源频率成反比,在不改变传统软起动系统主电路结构的基础上,通过有选择地控 制晶闸管的导通和关断,使得一些工频半波导通或是不导通,对加在电机定子端的电压实现离散变频,使得基波频率发生变 化,通过降低电压频率使得输出起动转矩增大。利用DSP高速数据处理能力,设计制作了离散变频软起动控制系统的实验装 置,通过仿真试验和实验数据结果,验证了离散变频软起动在重载起动情况下的可行性和实用性。 关键词:重载软起动;离散变频;晶闸管;异步电动机;DSP 中图分类号:TM921.2 文献标识码:A 文章编号:1005—9490(2016)03-0714-05 异步电动机全压起动产生过大的瞬间起动电 导通和关断,选择性的控制工频半波的导通和截 止,因为基波频率只能是工频的整数分之一,所以 称此种方式为离散变频 。 供电电源的频率为50 Hz,对此频率进行1/n分 频,n为整数,所以经过分频后,可以成为2分频,3 分频,4分频……等等,其分频子频率分别对应工频 流,可能导致电网电压降低或是导致电机无法正常 起动,甚至是烧毁电机…。 离散频率控制方法(即分级变频),即是利用软 起动器原有的主回路结构,通过选择性的触发控制 工频电源的半波通过或截止来实现离散变频幢 。离 散变频起动实现类似于变频器的起动效果,这样既 50 Hz的lln。工频供电电源经过2分频、3分频、4 分频后得到的子频率波形图如图1所示(阴影部分 有效的降低了电机的起动电流,又能提供较高的起 动转矩,适用于重载起动…。 表示在该工频半波控制晶闸管开通,黑色曲线为分 频子频率的基波波形)。由分频原理可知:经过选 择性的控制工频供电电源的半周波的导通或关断, 1离散变频的原理分析 1.1离散变频的基本原理 离散变频就是通过调节三相反并联晶闸管的 使得子频率基波频率发生改变,可是它的谐波频率 是原三相工频供电电源的频率。 项目来源:基于多粒度知识发现的人群复杂行为模式分析即预测模型研究项目(61402360) 收稿日期:2015—07—21 修改日期:2015-08-15 第3期 许昕琪,郭歌:基于DSP的异步电动机离散变频软起动系统 715 1.2离散变频的相位分析 对于同一波形,由于选择的半波不同,离散变 频后得到的新波形的基波相位也有可能不同 ]。根 据正弦信号的特点,每个工频周期由两个半波组 成,有2个零点,那么r分频后新频率下波形的零相 位点数n ̄=2r。 同理,可以得到其它频率下的不同分频波形和 基波初相位,并可以计算出每一分频下所对应的基 波个数,这些波形互差相等的 , ,是通过在原始 工频信号相邻的两个零点之间平移得到的。 (a)二分频波形图 (b)三分频波形图 (c)四分频波形图 (d)五分频波形图 图1各分频电压波形图 0,=360 /n :180。/n。 (1) 设原工频信号的初始相位角为00,则新频率下 波形的相位角 ,为: ,=0 kO =0,1,2,…,17, ) (2) 这样对原本对称的三相电压,经过每相离散变 频后,得到新频率下的三相组合由于初始角组合的 不同就有可能不对称,还有可能相序发生了变化…。 表1给出了2分频的组合情况,这里将A相的 初始相位角固定在0。进行分析,可以看到2分频时 没有正序对称的组合。表2给出了3分频的组合 情况。 表1 r=2时B、C相的初始相位(a,---O。) 1.3对称相序的分析 三相感应电动机的转速及其旋转方向取决于它 的电磁转矩大小和方向。三相工频供电电源的相序 是正序对称的,电机的电磁转矩为正向,对应电机正 转。所以,为了提高电机的起动转矩,首先要先确定 哪些分频频率有正序对称的相位角组合,哪些分频频 率没有对称的相位角组合,对于没有正序对称的组 合,则要找出其正序分量最大且负序分量小的组合。 下面对分频次数与基波相序的关系进行分析 ]。 假设三相交流供电电源是对称的,供电频率fo= 50 Hz,角频率为W。,周期为死,A、B、c三相供电电 源的电压分别为lta.,U 、 ,则 :Uo sin(w。t) = n(wot- 仃) (3) :Uo sin(Wot-号仃) A相初始相位角为0度,B相和C相在整个时 域内的相位角分别为: Who 譬+2kTr (4) We0 =竿+2kcr (5) 其中,k为整数。 设变频后新频率W (rw = 。)下B相电压的相位 角为OL , 是式(4)过零点中的一个角度,所以当 :OlB时必有 : sin(w,t—OtB)=0 (6) B相电压的相位角: +2kTr B= _}一 (7) 若要产生的分频频率的相序与供电电源相序 相同,即正序对称,则 2 ̄r+2kTr。: = 一: = (8) 可解得: r=3k+l( :1,2,3,…) (9) 分频数为4,7,10,l3…时,可以获得正序对称 的分频频率。 同时,要产生的分频频率的相序是负序对称 的,可求得: r=3k-1( :1,2,3,…) (10) 分频数为2,5,8,11…时,可以获得负序对称的 分频频率 。 对于其它分频数,如3,6,9, 12…,则找 不到对称的相位角组合。 716 电 子 器件 第39卷 1.4最佳分频组合及频率等级的选取 离散变换后的三相相位角有正序对称、负序对 称、不对称的情况。为了获得最大的正向电磁转矩, 找到最优的分频频率相位角组合。这里我们采用了 对称分量法将不对称的相序分解为正序对称分量, 负序对称分量,和零序分量。例如对2分频的各种 组合进行对称分量法进行分析,求得25 Hz下的最佳 分频方式,即,(0。,一60。,一210。),(0。,一150。,一210。) 和(0。,一150。,一300。)使得正序分量最大 。 由前面的分析可知,从50 Hz工频电源向下离 散分频,所以应该尽可能的选择正序对称的分频频 率,而对于不对称的分频频率来说,应该本着提高 起动转矩和起动平滑性的原则来获得可以产生最 大正序分量的相位角组合 。当分频频率较高时, 各个分频频率间的跨度比较大,如果直接切换,会 产生较大的转矩振荡,例如从4分频直接切换到工 频,就是相当于直接从l2.5 Hz跨越到了50 Hz,这 样就会产生转矩突跳,严重时甚至可以导致起动失 败,损坏电机。所以离散分频频率中的3分频和2 分频还要保留,这样才能保证起动的平滑性。 1.5频率切换和转速检测 在离散变频软起动系统中,关键是要进行各频段 的切换,而频段切换是根据电机转子转速作为判断依 据的。因此,电机起动时要实时地检测电机转速,过 早或过晚的切换都会造成电机运转的不稳定n]。 离散变频软起动具体过程为:电机从最低离散频 段开始起动,当达到该频段频率额定转速的90%S ̄, 切换到下一个离散频段,随后,当电机达到该频段频 率额定转速的90%时再切换到下一频段,按这种方 式使电机逐渐从低频段切换到高频段,然后转换到工 频段。异步电动机在正常运行时突然失去电源电压 后,转子电流在定子绕组中产生感应电压。该感应电 压不会立即减d,N零,而是保持一段时间,此电压称 为失电残余电压,简称残压 。由于残压中包含了转 速的信息,因此可利用残压来获得电机转速。 经分析,残压表达式为 ]: 一 MA= ’I,rc1I。e 。f厂W +_— 1‘C1OS(W +00+A+咖)(11) , R、ur依次滞后//,4 120。。 式中:咖:arctan(-T ̄w )。即其相位角设为 。= 加 t+00+A+(f'。 由残压解析式(9)可知,残压幅值是由转子转速 和转子电流共同决定;残压频率由转子转速决定。 针对恒转矩负载,其在断电后的转子转速按 W = m+kt线性下降的,将W,= +kt代人到相位 角的咖 的表达式中可得: 0= +Wr0t+00+A+ (12) 并让咖 的表达式对时间 求导可得: 0 2kt+ r0 (13) 由于 =arctan(一Trw,)求导后对整体导数的结 果影响不大,故将此部分忽略。 也可以表示为 0,-Bt+A 式中:B:2k、A= m由此可得,相位角的导数咖。 是随时间线性变化的,且其线性变化律B=2k(k为 转子转速的线性变化率),因此,若可求得A、B,就可 得知 =W +kt的具体表达式,进而可适时的估算 转子转速。 在电动机的定子端采同步采样其三相失电残 压,将等间隔采样来的 组数据经Clark变换,即 (: i1 … ( 、 分别为定子静止坐标系的横轴、纵轴分量), "-1/2=  ̄J。 2u 、 合成的空间矢量的相位角为 :arctan , 将所求得的 作为目标函数,然后对这组数据运用 最小二乘法进行线性拟合,可求得系数A和 的估 计值 ]。 2系统的总体结构 电动机离散变频软起动控制系统的结构框图 如图2所示,附以外围检测电路、脉冲触发电路等 完成电动机的离散变频软起动控制n 。 图2系统的结构框图 下面分别具体介绍关键部分的设计: (1)续流角检测 晶闸管的电流过零点与同步 电 子 器件 第39卷 文献: 刘磊.基于离散变频的电机软起动及节能控制器研究及实现 [D].天津:天津大学,2011. 李冬辉,马跃贤,王波.离散变频软起动转速检测的新方法及 其应用[J].电气传动,2007,37(11):14—17 王波.基于DSP的电动机离散变频软起动综合应用系统研究 [D].天津:天津大学,2007. 周玲玲,苏彦民,常瑞.异步电动机变频软起动器的研究与实 现[J].机床电器,2004(3):5~7. 王毅.基于DSP的三相异步电动机软起动控制器[J].中小电 机,200I,28(6):34-36. 刘庆利.三相异步电动机离散变频软起动的研究[D].天津: 天津大学,2005. 王玉峰,马广程,王常虹.晶闸管控制感应电机起动过程中振 许昕琪(1989一),女,汉族,江苏无锡人, 助理工程师,硕士学位,现工作于西安 科技大学,研究方向为微电子、电力电 子方向,xuxq0208@163.tom; 荡现象研究[J].中国电机工程学报,2002,6(3):86—90. 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