CN103618480A - 一种磁场矢量控制软起动器及其控制方法 - Google Patents

一种磁场矢量控制软起动器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种磁场矢量控制软起动器及其控制方法。目前，普通软起动器主要采用三相晶闸管降压起动，实现电机的空间磁场矢量按照六边形运动轨迹旋转；该方法起动转矩小，不能改变定子磁场的转速，起动转差过大；造成电机起动时反转、抖动厉害。本发明的三相交流异步电动机的A相、B相、C相供电电源上设置由微控制器控制的六只电力晶闸管构成磁场矢量控制电路；在微控制器的控制下，六只晶闸管依次导通，每次导通间隔，这样经过7个工频周期后完成一个磁场矢量控制周期；可以保持恒定的电压/频率比，即保持电机主磁通恒定。待电机达到
Figure DEST_PATH_IMAGE002
下的额定转速以后，控制方式改为工频调压软启动，以调压或限流方式实现启动，直至电机起动完成。

Description

一种磁场矢量控制软起动器及其控制方法
技术领域
本发明专利涉及一种磁场矢量控制软起动器及其控制方法。
背景技术
目前，普通软起动器主要采用三相晶闸管降压起动，它在电路结构上采用每相串接反并联的两只晶闸管或双向晶闸管，通过改变每相电压的导通时间来实现电压调整，通过适当选择导通的晶闸管，实现电机的空间磁场矢量按照六边形运动轨迹旋转。参见图3，普通三相晶闸管降压软起动器通过依次控制六只电力晶闸管的触发时刻，将三相工频交流电波形变成图3中阴影部分，在改变电压的同时不能改变电源频率。该方法存在两个重要缺点。其一，起动转矩小，三相交流异步电动机起动转矩正比于起动电压的平方，当电压降低时，转矩以起动电压降低的平方倍数降低；其二，不能改变定子磁场的转速，起动转差过大；电机刚起动时，转子转速较低，三相晶闸管降压起动的定子磁场是以同步转速在转动，相对于转速很低的转子，转差很大，造成电机起动时反转、抖动厉害。
变频器也有被用作软起动器的，虽然效果较好，但变频器在技术上属于交-直-交结构。它首先将三相工频电源进行三相桥式不可控整流，然后对整流输出的直流电压进行滤波，最后采用脉冲宽度调制（PWM）技术输出电压频率都可调的可控交流电。变频器结构、技术复杂，成本较高，不易于普及推广。
发明内容
本发明的目的是提供一种磁场矢量控制软起动器及其控制方法，采用磁场矢量控制算法在调节电源电压的同时，也调节了电源的频率；并使电压/频率比值相对稳定，保证电机主磁通稳定，在获得较大起动转矩的同时，起动电流又不致过大，起动转矩脉动分量也大大减小，起动也更加平稳。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
三相交流异步电动机11的A相、B相、C相供电电源0上设置由微控制器7控制的六只电力晶闸管1、2、3、4、5、6构成磁场矢量控制电路。所述的电力晶闸管1与电力晶闸管4为反并联结构，控制A相电源的通断，其中电力晶闸管1控制A相电源的正半周，电力晶闸管4控制A相电源的负半周。所述的电力晶闸管3与电力晶闸管6为反并联结构，控制B相电源的通断，其中电力晶闸管3控制B相电源的正半周，电力晶闸管6控制B相电源的负半周。所述的电力晶闸管5与电力晶闸管2为反并联结构，控制C相电源的通断，其中电力晶闸管5控制C相电源的正半周，电力晶闸管2控制C相电源的负半周。电流互感器8接在电力晶闸管1的阴极与三相交流异步电动机11的A相之间，并将检测到的A相电流信号传递给微控制器7；电流互感器9接在电力晶闸管3的阴极与三相交流异步电动机11的B相之间，并将检测到的B相电流信号传递给微控制器7；电流互感器10接在电力晶闸管5的阴极与三相交流异步电动机11的C相之间，并将检测到的C相电流信号传递给微控制器7。
一种磁场矢量控制软起动器的控制方法为：选定A相作为参考相，当A相过零点角度为
Figure 2013105465867100002DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 2013105465867100002DEST_PATH_IMAGE004
时，对应
Figure 2013105465867100002DEST_PATH_IMAGE006
时刻，由微控制器7同时给晶闸管6、1发送触发信号，A相正半周和B相的负半周导通，此时电机电压为
Figure 2013105465867100002DEST_PATH_IMAGE008
；此后经过 ，对应
Figure 2013105465867100002DEST_PATH_IMAGE012
时刻，由微控制器7同时给晶闸管1、2发送触发信号， A相正半周和C相的负半周导通，此时电机电压为
Figure 2013105465867100002DEST_PATH_IMAGE014
；此后再经过
Figure 603208DEST_PATH_IMAGE010
，对应
Figure 2013105465867100002DEST_PATH_IMAGE016
时刻，由微控制器7同时给晶闸管2、3发送触发信号， B相正半周和C相的负半周导通，此时电机电压为
Figure 2013105465867100002DEST_PATH_IMAGE018
；此后再经过 ，对应
Figure 2013105465867100002DEST_PATH_IMAGE020
时刻，由微控制器7同时给晶闸管3、4发送触发信号， B相正半周和A相的负半周导通，此时电机电压为 ；此后再经过
Figure 755021DEST_PATH_IMAGE010
，对应
Figure 2013105465867100002DEST_PATH_IMAGE024
时刻，由微控制器7同时给晶闸管4、5发送触发信号， C相正半周和A相的负半周导通，此时电机电压为
Figure 2013105465867100002DEST_PATH_IMAGE026
；此后再经过
Figure 905421DEST_PATH_IMAGE010
，对应
Figure 2013105465867100002DEST_PATH_IMAGE028
时刻，由微控制器7同时给晶闸管5、6发送触发信号， C相正半周和B相的负半周导通，此时电机电压为
Figure 2013105465867100002DEST_PATH_IMAGE030
；此后再经过
Figure 269406DEST_PATH_IMAGE010
，对应 时刻，由微控制器7同时给晶闸管6、1发送触发信号， A相正半周和B相的负半周导通，此时电机电压为
Figure 2013105465867100002DEST_PATH_IMAGE034
，循环进行；选择B相、C相作为参考相的控制方法与A相相同；
磁场矢量控制软起动器对三相电源完成一个周期的控制，耗时0.14ms，经过磁场矢量控制调节后的电源频率由
Figure 2013105465867100002DEST_PATH_IMAGE036
变为
Figure 2013105465867100002DEST_PATH_IMAGE038
；磁场矢量控制软起动器将电机起动到
Figure 957876DEST_PATH_IMAGE038
下的额定转速以后，控制方式改为工频调压软起动，以调压或限流方式实现起动，直至电机起动完成。
综上所示，目前软起动技术存在着起动电流大、脉动转矩分量较大、起动转矩低的特点。本发明采用磁场矢量控制算法在调节电源电压的同时，也调节了电源的频率。并使电压/频率比值相对稳定，保证电机主磁通稳定，在获得较大起动转矩的同时，起动电流又不致过大，起动转矩脉动分量也大大减小，起动也更加平稳。
附图说明
附图1为磁场矢量控制软起动器的主回路结构拓扑图。
附图2为磁场矢量控制的三相电源波形图。
附图3为三相晶闸管调压三相电源波形图。
附图4为三相电源电压相量图。
附图5为磁场矢量控制软起动器各个导通区间对应的定子电压相量图。
具体实施方式
参见图1-图5，主电路结构采用六只电力晶闸管1、2、3、4、5、6在微控制器7的控制下组成磁场矢量控制电路带动三相异步电机11起动，以附图2中三相电压波形为参考，附图2是触发角
Figure DEST_PATH_IMAGE040
的三相电压波形图，三相电压相量图如附图4所示，选择A相作为参考相，当A相过零点角度为
Figure 511534DEST_PATH_IMAGE004
时，对应
Figure 667709DEST_PATH_IMAGE006
时刻，由微控制器7同时给晶闸管6、1发送触发信号，A相正半周和B相的负半周导通，此时电机电压为
Figure 464764DEST_PATH_IMAGE008
；此后经过
Figure 73600DEST_PATH_IMAGE010
，对应
Figure 545295DEST_PATH_IMAGE012
时刻，由微控制器7同时给晶闸管1、2发送触发信号， A相正半周和C相的负半周导通，此时电机电压为
Figure 555976DEST_PATH_IMAGE014
；此后再经过
Figure 523932DEST_PATH_IMAGE010
，对应 时刻，由微控制器7同时给晶闸管2、3发送触发信号， B相正半周和C相的负半周导通，此时电机电压为
Figure 393985DEST_PATH_IMAGE018
；此后再经过
Figure 259173DEST_PATH_IMAGE010
，对应
Figure 398030DEST_PATH_IMAGE020
时刻，由微控制器7同时给晶闸管3、4发送触发信号， B相正半周和A相的负半周导通，此时电机电压为
Figure 981458DEST_PATH_IMAGE022
；此后再经过
Figure 496753DEST_PATH_IMAGE010
，对应
Figure 278764DEST_PATH_IMAGE024
时刻，由微控制器7同时给晶闸管4、5发送触发信号， C相正半周和A相的负半周导通，此时电机电压为
Figure 588523DEST_PATH_IMAGE026
；此后再经过 ，对应 时刻，由微控制器7同时给晶闸管5、6发送触发信号，C相正半周和B相的负半周导通，此时电机电压为 ；此后再经过
Figure 95411DEST_PATH_IMAGE010
，对应
Figure 653431DEST_PATH_IMAGE032
时刻，由微控制器7同时给晶闸管6、1发送触发信号，A相正半周和B相的负半周导通，此时电机电压为
Figure 244949DEST_PATH_IMAGE034
。至此，磁场矢量控制软起动器对三相电源完成一个周期的控制，耗时7个工频周期，为0.14ms，经过磁场矢量控制调节后的电源频率由
Figure 500088DEST_PATH_IMAGE036
变为
Figure 417228DEST_PATH_IMAGE038
，电机定子电压相量图如附图5所示，一个周期内沿箭头方在空间旋转一周，电机定子磁场方向也在一个周期内沿箭头方向旋转一周，频率为 。选择B相、C相作为参考相的控制方法与A相相同。
电流互感器8、9、10用于将三相电流信号传递给微控制器7用于限流起动和电流监测。
每次触发晶闸管时，可以通过调节触发角
Figure 654492DEST_PATH_IMAGE002
的大小来调节电压大小，由于磁场矢量控制的周期为
Figure DEST_PATH_IMAGE042
，结合前面的电压调节，可以保持恒定的电压/频率比，即保持电机主磁通恒定。待电机达到
Figure 468864DEST_PATH_IMAGE038
下的额定转速以后，控制方式改为工频调压软起动，以调压或限流方式实现起动，直至电机起动完成。

Claims (4)

1.一种磁场矢量控制软起动器，其特征在于： 三相交流异步电动机（11）的A相、B相、C相供电电源（0）上设置由微控制器（7）控制的六只电力晶闸管（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）构成磁场矢量控制电路；所述的电力晶闸管（1）与电力晶闸管（4）为反并联结构，控制A相电源的通断，其中电力晶闸管（1）控制A相电源的正半周，电力晶闸管（4）控制A相电源的负半周；所述的电力晶闸管（3）与电力晶闸管（6）为反并联结构，控制B相电源的通断，其中电力晶闸管（3）控制B相电源的正半周，电力晶闸管（6）控制B相电源的负半周；所述的电力晶闸管（5）与电力晶闸管（2）为反并联结构，控制C相电源的通断，其中电力晶闸管（5）控制C相电源的正半周，电力晶闸管（2）控制C相电源的负半周；电流互感器（8）设置在电力晶闸管（1）的阴极与三相交流异步电动机（11）的A相之间，电流互感器（8）将检测到的A相电流信号传递给微控制器（7）；电流互感器（9）设置在电力晶闸管（3）的阴极与三相交流异步电动机（11）的B相之间，电流互感器（9）将检测到的B相电流信号传递给微控制器（7）；电流互感器（10）设置在电力晶闸管（5）的阴极与三相交流异步电动机（11）的C相之间，电流互感器（10）将检测到的C相电流信号传递给微控制器（7）。
2.根据权利要求1所述的一种磁场矢量控制软起动器的控制方法，其特征在于：A相、B相、C相交流调压、调频以及定子磁场旋转速度控制方式为：选定A相作为参考相，当A相过零点角度为                                               
Figure 2013105465867100001DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 2013105465867100001DEST_PATH_IMAGE004
时，对应时刻，由微控制器（7）同时给晶闸管（6）、（1）发送触发信号，A相正半周和B相的负半周导通，此时电机电压为
Figure 2013105465867100001DEST_PATH_IMAGE008
；此后经过
Figure 2013105465867100001DEST_PATH_IMAGE010
，对应
Figure DEST_PATH_IMAGE012
时刻，由微控制器（7）同时给晶闸管（1）、（2）发送触发信号， A相正半周和C相的负半周导通，此时电机电压为
Figure DEST_PATH_IMAGE014
；此后再经过，对应
Figure DEST_PATH_IMAGE016
时刻，由微控制器（7）同时给晶闸管（2）、（3）发送触发信号， B相正半周和C相的负半周导通，此时电机电压为
Figure DEST_PATH_IMAGE018
；此后再经过
Figure 646711DEST_PATH_IMAGE010
，对应时刻，由微控制器（7）同时给晶闸管（3）、（4）发送触发信号， B相正半周和A相的负半周导通，此时电机电压为
Figure DEST_PATH_IMAGE022
；此后再经过
Figure 36104DEST_PATH_IMAGE010
，对应时刻，由微控制器（7）同时给晶闸管（4）、（5）发送触发信号， C相正半周和A相的负半周导通，此时电机电压为
Figure DEST_PATH_IMAGE026
；此后再经过，对应
Figure DEST_PATH_IMAGE028
时刻，由微控制器（7）同时给晶闸管（5）、（6）发送触发信号， C相正半周和B相的负半周导通，此时电机电压为
Figure DEST_PATH_IMAGE030
；此后再经过，对应
Figure DEST_PATH_IMAGE032
时刻，由微控制器（7）同时给晶闸管（6）、（1）发送触发信号， A相正半周和B相的负半周导通，此时电机电压为
Figure DEST_PATH_IMAGE034
，循环进行；选择B相、C相作为参考相的控制方法与A相相同。
3. 根据权利要求2所述的一种磁场矢量控制软起动器的控制方法，其特征在于：磁场矢量控制软起动器对三相电源完成一个周期的控制，耗时0.14ms，经过磁场矢量控制调节后的电源频率由
Figure DEST_PATH_IMAGE036
变为
Figure DEST_PATH_IMAGE038
。
4. 根据权利要求2所述的一种磁场矢量控制软起动器的控制方法，其特征在于：磁场矢量控制软起动器将电机起动到下的额定转速以后，控制方式改为工频调压软起动，以调压或限流方式实现起动，直至电机起动完成。
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