一种基于斩波方式新型软起动方法研究

一种基于斩波方式新型软起动方法研究
侯茂松(湖南信息职业技术学院,湖南长沙市410001)
摘 要:本文提出一种基于斩波方式的三相交流异步电动机的软起动新方法,对电路的起动特性、
功率因数、谐波以及控制策略进行了研究与改进,仿真结果表明这种基于斩波方式的三相交流异步电动机的软起动方法比基于三相交流调压的三相交流异步电动机的软起动方法更具优越性。

关键词:软起动;调压电路;斩波电路;异步电动机
A Novel Chopper Based Soft Starter for Asynchronous Motors
HOU Mao song (Hunan colle ge of information,Changsha 410001)
Abstract:To reduce the high starting current as asynchronous motors start up and improve the starting charac
teristics of three-phase induction motor,a new method,which is called alternative voltage chop per,is presented.The three-phase chopper circuit-asynchronous motors syste m is analyzed and simulated with MATLAB.The simulation results are excellent.And then the harmonic wave com parison,power factor comparison and circuit comparison with alternative voltage regulator are de scribed.These comparisons show that alternative volta ge chopper is more excellent than alternative voltage regulator.
Key words:soft starter;re gulator;chopper;asynchronous motor
1 引言
三相异步电动机是一种反电势负载,即以反电势来平衡外加电压。

电动机的反电势随着转子转速的增加而逐渐增大,电动机在起动开始时反电势为零,所以起动时的冲击电流很大。

当电动机容量较大时,冲击电流会对电网及其负载造成干扰,严重时甚至危害电网的安全运行;起动电流过大时,将使电动机本身受到过大电磁力的冲击,如果经常起动,还有绕组过热的危险。

同时,由于起动应力较大,使得
负载设备的使用寿命降低。

为了解决这个问题(直接起动问题),人们采用了各种降压起动技术,随着电力电子技术的发展,人们成功研制了以微处理器控制大功率晶闸管组件的软起(制)动产品(也称Soft Starter),这种软起动器[1](调压式)主回路采用晶闸管三相交流调压电路,其等效电路如图1所示。

利用晶闸管进行调压,其输出电压大小由晶闸管的导通角决定,可使电动机的
机端电压和起动电流根据工作要求设定的规律进行
图1 (a)主回路电路(b)阻感性负载时电路图
变化。

这种基于三相交流调压的异步电动机软起动系统解决了异步电动机起动时起动电流过大的问题,应用最为广泛,但这种方法也有其固有的缺陷,如有可控器件多、控制复杂、维护不方便、功率因数低、电流谐波成分大等缺点。

为解决上述问题,本文提出一种基于斩波方式的三相交流异步电动机的软起动新方法,它对电路的起动特性、功率因数、谐波以及控制策略进行了研究,仿真结果表明这种基于斩波方式的三相交流异步电动机的软起动方法比基于三相交流调压的三相交流异步电动机的软起动方法更具优越性。

2 斩波式电路以及R-L 负载分析
斩波方式软起动主回路电路拓扑如图1(a),电机定子绕组一端接电网,另一端通过一个三相二级管整流桥与一个IGB T 连接。

控制IGBT 的通断即控制电机定子端电压,从而在电机定子两端得到与晶闸管交流调压相类似的电压波形,实现所需要的电机软起动。

当三相斩波式电路带R-L 负载时,其电路如图1(b)所示。

当I GB T 导通时,在所有器件都看成理想器件的情况下,相当于三相负载接成Y 型连接;而IGB T 断开时,相当于强制使负载与电源断开。

开关为可控型器件,对其导通和关断完全能控制。

我们又知负载等效电压与占空比有关,而与调制比关系不大,我们选取了调制比为6,占空比为0.74进行仿真,结果如图2所示,此时的负载电压有效值为189V,与三相调压式电路 =60 时相当。

从波形图上看可以直观的得到采用该方式其功率因数将得到提高,
将在下一小节得到证明。

图2 R-L 负载时仿真波形
2.1 谐波和功率因数分析
如图1(b),因三相工作对称,故只分析a 相的
工作情况,可设:
V a =E m sin t=2Esin t
(1)
电路工作情况由上节知有二种工作模式:1)电路工作于三个晶闸管全导通的状态,因而输出的A 相负载电压波形为U a ;2)任一时刻有三个晶闸管全断开,输出A 相负载电压为0。

由前面知道调制比对电压有效值影响不大,但对谐波次数有影响,为分析简洁,我们选用调制比为6进行分析。

在t=t 0时刻触发导通IGBT,而在t=t 1时刻关断IGB T,在t=t 2再次触发导通I GB T,依次进行,则在t 0<t<t 1区间处于三个晶闸管全导通状态,A 相负载电压为Ua,在t 1<t<t 2区间A 相负载电压为0。

其他情况类似。

这样我们就得到了在一个周期内负载相电压的波形,并可写出其解析解,解出电流解析解,见(2)式,然后对其进行富立叶变换,得到电流的频谱特性。

i a =
(
-1)
k+1
2E R 2
+( L)
2
si n( t- L )+si n L e - t
tg L
k ! t (k !+∀ T)(-1)k+1
2E R 2
+( L)
2
si n( t- L )+si n(
T- L )e -
t- T
tg
L
(k !+ T) t (k !+ T+∀ )(-1)
k+1
2E R 2
+( L)
2
si n( t- L )+si n(2
T- L )e - t-2 T
tg
L
(k !+2 T) t (k !+2 T+∀ )0 t 为其他情况时
(2)
图 3
式(2)中:R、L为负载阻抗,L=arctan( L/R),T =l/f v。

将其进行富立叶分解,考虑到波形是半波对称,不含偶次分量,而且没有直流分量,而三相对称电路中不能流通三倍次谐波电流,可将负载表示成如下形式:
i a=
!
n=1,5,7,11,13#
(a n cosn t+b n sinn t)(3)所以有:
a n=
1
3T
∀-3T+∀T
-3T
2E
R2+( L)2
sin( t+3 t-L)+sin L e
t+3 t
tg
L cosn tdt+
∀-2T+∀T
-2T
2E
R2+( L)2
sin( t+3 t-L)-sin( t-L)e
t+2 t
t g
L cosn tdt+
∀2T+∀T
2T
2E
R2+( L)2
sin( t-L)-sin(2 t-L)e
t-2 t
tg
L cosn tdt
(4)
b n=
1
3T
∀-3T+∀T
-3T
2E
R2+( L)2
sin( t+3 t-L)+sin L e
t+3 t
tg
L cosn tdt+
∀-2T+∀T
-2T
2E
R2+( L)2
sin( t+3 t-L)-sin( t-L)e
t+2 t
tg
L cosn tdt+
∀2T+∀T
2T
2E
R2+( L)2
sin( t-L)-sin(2 t-L)e
t-2 t
t g
L cosn tdt
(5)
式(4)、(5)中:n=6k#1。

由(3)可知斩波电路工作特点有:谐波电流均只含有n=6k#1次谐波成分(在调制比为6时),并具有随调制比增大而谐波次数减少的特点。

由以上二式虽然可以得出解析解,但计算繁杂,我们也不直接求出结果,直接由上小节仿真中得到的数据进行FFT[3]变换而分析其电流频谱特性如图3,其中∀为占空比,纵坐标为频谱幅波,横坐标为频率。

仿真结果可以看出斩波式电路谐波比交流调压电路有所增大,但增加不是很大,谐波次数与理论分析情况相吻合。

随占空比的增大,谐波变化不是很大,因此谐波分量只与调制比有关;可以通过增加调制比而减小谐波分量,但调制比的增大受到I GB T开关频率的限制;
功率因数分析:我们以电路电流和电压数据为基础对电路在∀=0.15、∀=0.46、∀=0.74三种情况下(与交流调压方式的 =110 、 =90 、 =60 三种情况相对应)的功率因数进行了仿真计算,得到如下结果:∀=0.74时功率因数为0.9526;∀=0.46时功率因数为0.9416;∀=0.15时功率因数为0.9381。

可见功率因数的变化与占空比关系不大,而且电路中总功率因数总是很高,这正是这种电路的优势所在。

我们将在下一小节中对功率因数运用瞬时功率矢量进行时域内讨论。

2.2 斩波式电路与交流调压式电路比较
斩波式电路拓扑与交流调压电路的不同是明显的,由于斩波式电路只有一个可控的IGB T,对其控制比交流调压电路将简单得多,控制脉冲形成也将方便,系统的保护简单,系统出故障的概率将减少很多。

谐波:两者差别不是很大,当斩波式电路占空比为∀=0.74相当于控制角 =60 时两者电流频谱特性如图3。

斩波式电路高次谐波成分比交流调压电路多些,但斩波式电路可以通过增大调制比而使谐波次数减少,但调制比不能无限制增大,受开关频率限制。

功率因数:斩波式电路在功率因数方面的优越性是很明显的,如表1所示,调压电路在控制角增大的情况下,功率因数将下降,而斩波式电路却依然维持很高的功率因数。

所以斩波式电路具有很广阔的应用前景。

表1 不同电路的功率因数对比
电路形式
∀=0.74
=60
∀=0.46
=90
∀=0.15
=110 调压式电路0.74730.44590.2652
斩波式电路0.95260.94160.9381
3 斩波式电路∃感应电机负载分析
3.1 电路分析
与前面分析R-L负载时相似,该方法可以推广到电机负载情况。

但电机负载不同于R-L时的情况在于电机的工作模式、负载相电压、相与相之间的耦合,使得电机负载出现一些特有的情况。

下面
分析电机工作模式。

本文采用静止 -∃坐标系,并使 轴与a轴重合,在忽略空间和时间谐波,忽略磁饱和,忽略铁损,电机在斩波式工作条件下时,电路具有以下两种工作模式:
模式1:所有的相都连接,i as,i bs,i cs都为非零值,电路微分方程为如下所示[2,4]:
p!I=∀X1-1(∀V-∀R!I)(5)式中:
∀V=[V s V∃s00]T!I=[i s,i∃s,i r,i∃r]T
∀X1-1=1
L r L s-L2m
L r0-L m0
0L r0-L m
-L m0L s0
0-L m0L s
∀R
=R s000 0R s00 0- L r R r- L r L r0 L r R r
模式2:全断,i as=i bs=i cs=0,电路微分方程为如下所示[2,4]:
p!I=∀X2-1(∀V2-∀R!I)(6)式中:
∀X2-1=1
L r L s
L r000
0L r00
-L m0L s0
0-L m0L s
∀V2=[0000]T
电机运行中电磁转矩有:
T e=n p L m(i s i∃r-i∃s i r)(7)机械运动方程:
J n p d
dt
=T e-T L-k (8)
通过求解以上微分方程(5)~(8),可以得到电机负载时瞬态解。

3.2 仿真分析和仿真结果
由3.1分析,使用数值积分计算方法可以得到电机运行的数值解,仿真比较交流调压方式要简单,电路只有两种工作模式,而模式之间的转换时刻是已知的,所以在电机参数为:额定电压Un=220V,额定功率P N=2238W,电机定子侧等效电抗Ls= 71.31m H,定转子互感电抗Lm=2.0m H,转子侧等效电抗Lr=71.31mH,定子电阻Rs=
0.435%,转子电阻Rr=0.816%,转动惯量J=0.089N.m2,n p=2。

仿真是在负载TL=15.7N.m,占空比为0.76的情况下进行。

仿真结果见图4起动过程电流、转速和转矩波形图。

图4 起动过程电流、转速和转矩波形图
4 小结
本文在对斩波式电路的工作特性进行深入分析的基础上,对斩波式电路带R-L负载进行了电路仿真,结果与理论分析一致;并从频域和时域两个角度对这种电路进行谐波和功率因数分析,谐波次数随调制比的增大而减少,谐波分量与占空比无关,功率因数与占空比和调制比都无关。

同时从电路结构、谐波和功率因数三个方面与三相交流调压电路进行了比较,得出斩波式电路的优越性;最后对斩波式电路带电机负载工作情况详细进行了电路分析和仿真,仿真电机从起动到稳态运行的整个过程和电机稳态运行的特性。

参考文献:
[1] 陈伯时.异步电动机轻载调压节能和软起动控制器[J].冶金
自动化,1997,Vol.17,No.6:31-33.
[2] 陈伯时.电力拖动自动控制控制系统[M].北京:机械工业出
版社,1991.
[3] 薛定宇.控制系统计算机辅助设计∃Matlab语言及应用[M].清
华大学出版社,1998年.
[4] 贺益康.交流电机的计算机仿真[M].北京:科学出版社,1990.
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作者简介:侯茂松,湖南信息职业技术学院长沙校区,助理讲师,一直从是机电方面的教学工作。