CN103618489B - 一种12边形空间电压矢量控制软启动器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种12边形空间电压矢量控制软起动器及其控制方法。其以三相交流电源供电，用四只全控型器件和十八只二极管在微控制器的控制下组成12边形空间电压矢量控制电路，通过这些器件可以控制异步电动机的定子磁场的旋转频率，根据每个电压周期12边形的空间电压矢量连续走i（i=1，2，3，4，5，6）步后经过一个电压周期再走i步，直到走完一个完整的12边形空间电压矢量，则对50Hz电源进行了12/i分频，其频率为50*i/12（Hz）。最终其定子磁场旋转的频率从4.17Hz开始，每次增加50/12Hz=4.167Hz，直到增加至25Hz后转入调压调速，即进入50Hz，从而保证在较小的电流下电动机能正常起动。

Description

一种12边形空间电压矢量控制软启动器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种交流异步电动机的起动装置，具体为一种12边形空间电压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降压或限流起动，它在电路结构上采用每相串接两只反并联的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降压起动。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，只改变了电压的有效值而没有改变电压的频率。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。

此外，也有用变频器作软起动器的，虽然启动效果较好，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，在电机起动完成后不容易退出等缺点，因此不易于普及推广。

发明内容

本发明的目的提供通过改变异步电动机定子电压矢量的旋转频率及电压的有效值，从而实现了变频起动的一种12边形空间电压矢量控制软起动器及其控制方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种12边形空间电压矢量控制软起动器，其特殊之处在于：由三相交流电源A相、B相、C相为软起动器提供电源0，电源0连接到电力装置3即，A相连接由电力二极管VD1、VD2、VD3、VD4组成的全桥电路的左侧桥臂，IGBTVT1的C极连接到全桥的正极输出，E极连接到全桥的负极端；全桥的另一桥臂连接电动机，B、C相同理进行连接，最终由电力装置3连接到电动机5；电动机侧的A、B、C三相同时连接到高压吸收电路4的三相整流电路的三个桥臂，三相整流电路的正极输出经过电阻R连接到一个IGBT的C极，IGBT的E极连接到三相整流电路的负极端；主控电路1连接到电源0，采集同步信号，并将主控电路1的输出连接到驱动电路2，驱动电路2分别连接到电力装置3、高压吸收电路4的IGBT的G极。

一种12边形空间电压矢量控制软起动器，其特殊之处在于：由三相交流电源A相、B相、C相为软起动器提供电源0，电源0连接到电力装置3即，A相连接由电力二极管组成的全桥电路的左侧桥臂，GTOA极桥的正极输出，K极连接到全桥的负极端；全桥的另一桥臂连接电动机，B、C相同理进行连接，最终由电力装置3连接到电动机5；电动机侧的A、B、C三相同时连接到高压吸收电路4的三相整流电路的三个桥臂，三相整流电路的输出经过电阻R连接到一个GTO；主控电路1连接到电源0，采集同步信号，并将主控电路1的输出连接到驱动电路2，驱动电路2分别连接到电力装置3、高压吸收电路4的GTO。

上述的一种12边形空间电压矢量控制软起动器的控制方法，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：在一个电压周期内12边形空间电压矢量图连续走ii=1，2，3，4，5，6步后经过一个电压周期再走i步，直到走完一个完整的12边形空间电压矢量，则对50Hz电源进行了12/i分频，其频率为50*i/12Hz；最终其定子磁场旋转的频率从4.17Hz开始，每次增加50/12Hz=4.167Hz，直到增加至25Hz，然后进行调压调速，频率为50Hz。

上述的一种12边形空间电压矢量控制软起动器的控制方法，在每个固定的频率下，i是不变的，保证12边形空间电压矢量的整体对称性。

上述的一种12边形空间电压矢量控制软起动器的控制方法，所述的定子磁场旋转的频率中任选几个频率从小到大进行调节，最后转入调压调速。

本发明采用12边形空间电压矢量控制算法在调节电源电压的同时，也调节了电动机定子电源的频率。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：

图1为以IGBT为全控器件的软启动电路图；

图2为以GTO为全控器件的软启动电路图；

图3为三相电源的电压矢量图；

图4为三相电压在电动机定子合成的空间电压矢量图；

图5为4.17Hz时的三相电压矢量控制图；

图6为8.33Hz时的三相电压矢量控制图；

图7为12.5Hz时的三相电压矢量控制图；

图8为16.67Hz时的三相电压矢量控制图；

图9为20.83Hz时的三相电压矢量控制图；

图10为25Hz时的三相电压矢量控制图。

具体实现方式

参见图1；电源A相、B相、C相为软起动器提供电源0，电源0连接到电力装置3即，A相连接由电力二极管VD1、VD2、VD3、VD4组成的全桥电路的左侧桥臂，IGBTVT1的C极连接到全桥的正极输出，E极连接到全桥的负极端；全桥的另一桥臂连接电动机，B、C相同理进行连接，最终由电力装置3连接到电动机5；电动机侧的A、B、C三相同时连接到高压吸收电路4的三相整流电路的三个桥臂，三相整流电路的正极输出经过电阻R连接到一个IGBT的C极，IGBT的E极连接到三相整流电路的负极端。主控电路1连接到电源0采集同步信号，并将主控电路1的输出连接到驱动电路2，驱动电路2分别连接到电力装置3、高压吸收电路4的IGBT的G极。

参见图2；图2为以GTO为全控器件的软启动电路图；由三相交流电源A相、B相、C相为软起动器提供电源0，电源0连接到电力装置3即，A相连接由电力二极管组成的全桥电路的左侧桥臂，GTOA极桥的正极输出，K极连接到全桥的负极端；全桥的另一桥臂连接电动机，B、C相同理进行连接，最终由电力装置3连接到电动机5；电动机侧的A、B、C三相同时连接到高压吸收电路4的三相整流电路的三个桥臂，三相整流电路的输出经过电阻R连接到一个GTO；主控电路1连接到电源0，采集同步信号，并将主控电路1的输出连接到驱动电路2，驱动电路2分别连接到电力装置3、高压吸收电路4的GTO。

参见图3、图4；本发明的12边形空间电压矢量控制软起动器通过改变异步电动机定子电压矢量的旋转频率及电压的有效值，从而实现了变频起动。在变频中保持恒压频比，但在低频时需对电压进行一定的补偿。本次发明的频率变化为50*i/12(Hz)，其中i=1,2,3,4,5,6。就斩波调压调速而言，正常的50Hz相当于电压矢量在一个电源电压周期内完整地走了一个圆可以看做是一个12边形，因此在一个电压周期内只连续走12边形的一部分，在下一个电压周期接着上次未走完的12边形继续走一部分，这样在i个电压周期内完成一个完整的12变形空间电压矢量，则相当于对原来的50Hz进行了i分频。

第一次：在每个电压周期十二边形走一步，这样十二个电压周期完成一次完整的十二边形，因此就对50Hz进行了12分频，频率为50/12=4.17Hz；

第二次：在每个电压周期十二边形连续走两步，完成一个完整的十二边形需要六个电压周期，对50Hz进行了6分频，频率为50/6=8.33Hz；

第三次：在每个电压周期十二边形连续走三步，完成一个完整的十二边形需要四个电压周期，对50Hz进行了4分频，频率为50/4=12.5Hz；

第四次：在每个电压周期十二边形连续走四步，完成一个完整的十二边形需要三个电压周期，对50Hz进行了3分频，频率为50/3=16.67Hz；

第五次：在每个电压周期十二边形连续走五步，完成一个完整的十二边形需要12/5个电压周期，对50Hz进行了12/5分频，频率为50*5/12=20.83Hz(每个电压周期走五步，到第三个电压周期12边形只剩下两步，则走完这两步后应该接着再走三步，这样就做到了每次都走五步，就整体来看才能是对称的；

第六次：在每个电压周期十二边形连续走六步，完成一个完整的十二边形需要两个电压周期，对50Hz进行了2分频，频率为50/2=25Hz；

第七次：在每个电压周期十二边形连续走十二步，完成一个完整的十二边形需要1个电压周期，对50Hz进行了1分频，频率为50/1=50Hz，即转入调压调速。

每次均以为开始并定义为空间电压矢量，在实际中电压有效值需随频率变化，但为叙述方便这里暂不考虑电压有效值问题。

12分频：按每个电压周期12边形走一步的方法，参见图5。在时刻触发电压，并让它自然关断，这样到了时刻相当于走了空间电压矢量；过一个电压周期后，在时刻同时触发、，让自然关断，此时,则令在时刻关断，到时刻相当于走了空间电压矢量；等到下一个电压周期时，再触发，依次类推在12个电压周期正好走完12步，即一个完整的正12边形，当然，在电压合成时会产生略微的变形，因为虽然积分后是相等的，但在瞬时却不相等。就总体而言它的影响不大，所以在以下分析时忽略它造成的影响。这样就是对50Hz进行了12分频大约为4.17Hz。

6分频：每个电压周期12边形连续走两步，参见图6。在时刻触发，直到它自然关断，到时刻相当于走了空间电压，时刻持续导通，并触发，时刻关断，直到时刻才完成了空间电压；在过一个周期，在时刻触发，直到自然关断，到时刻完成了空间电压矢量，并触发，时刻关断，时刻完成空间电压，依次类推在六个电压周期完成一个完整的12变形电压矢量。这样就对50Hz进行了6分频大约为8.33Hz。

4分频：每个电压周期连续走12边形的三步，参见图7。时刻触发，直到自然关断，到时刻相当于走了空间电压，时刻持续导通，并触发，到时刻完成空间电压和本来在时刻如果关断了则到时刻相当于走了空间电压，同时如果在到时刻没有的影响而只开通，则在到时刻完成了空间电压矢量。但在实际控制中没有关断，而是继续让其导通到了时刻，其中，这样就相当于在到时刻完成了空间电压矢量和。下文中还会遇到这种情况，所以下文中就不再进行详细解释；经过一个周期后，在时刻触发，直到自然关断，同时在时刻触发，到时刻相当于走了空间电压和，时刻持续导通，并触发，到时刻关断，到时刻完成空间电压矢量，依次类推需要4个电压周期完成一个完整的12边形电压矢量，这样就对50Hz进行了4分频大约为12.5Hz。

3分频：每个电压周期12边形连续走四步，参见图8。时刻触发，直到自然关断，到时刻相当于走了空间电压，时刻持续导通，并触发，直到时刻完成空间电压和，同时触发,到时刻关断，到时刻完成电压矢量；经过一个周期，在时刻触发,到时刻完成空间电压，同时触发,到时刻完成空间矢量、；并触发,到时刻关断，直到时刻完成空间电压矢量；以此类推完成整个12边形需要3个电压周期，这样对50Hz进行了3分频大约为16.67Hz。

12/5分频：每个电压周期12边形连续走五步，参见图9。时刻触发，直到其自然关断，到时刻相当于走了空间电压，时刻持续导通，并触发，直到时刻完成空间电压和，同时触发，到时刻完成电压矢量和；同样的在下一个电压周期再走五步，这样12步还剩两步，则在下一个电压周期走完未完成的两步，然后再走三步，相当于在这个电压周期内还是连续走了五步，最终会完成一个完整的12边形空间电压矢量，这样在12/5个电压周期完成12边形电压矢量，即对50Hz进行了12/5分频约为20.83Hz。

2分频：每个电压周期12边形连续走六步，参见图10。时刻触发，直到自然关断，到时刻相当于走了空间电压，时刻持续导通，并触发，直到时刻完成空间电压和，同时触发，到时刻完成电压矢量和，并触发，在时刻关断，直到时刻完成了空间电压；同样的在下一个电压周期完成另六步的电压矢量，这样在两个电压周期完成12边形电压矢量，即对50Hz进行了2分频约为25Hz。

1分频：每个电压周期12边形连续走十二步，即调压调速，对50Hz进行1分频为50Hz。

Claims (3)

1.一种12边形空间电压矢量控制软起动器，其特征在于：由三相交流电源A相、B相、C相为软起动器提供电源（0），电源（0）连接到电力装置（3）即，A相连接由电力二极管组成的全桥电路的左侧桥臂，GTOA极连接到全桥的正极输出，K极连接到全桥的负极端；全桥的另一桥臂连接电动机，B、C相同理进行连接，最终由电力装置（3）连接到电动机（5）；电动机侧的A、B、C三相同时连接到高压吸收电路（4）的三相整流电路的三个桥臂，三相整流电路的输出经过电阻R连接到一个GTO；主控电路（1）连接到电源（0），采集同步信号，并将主控电路（1）的输出连接到驱动电路（2），驱动电路（2）分别连接到电力装置（3）、高压吸收电路（4）的GTO；

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：在一个电压周期内12边形空间电压矢量图连续走i步后经过一个电压周期再走i步，直到走完一个完整的12边形空间电压矢量，则对50Hz电源进行了12/i分频，其频率为50*i/12Hz；最终其定子磁场旋转的频率从4.17Hz开始，每次增加50/12Hz=4.167Hz，直到增加至25Hz，然后进行调压调速，频率为50Hz；其中i=1，2，3，4，5，6。

2.根据权利要求1所述的一种12边形空间电压矢量控制软起动器的控制方法，其特征在于：在每个固定的频率下，i是不变的，保证12边形空间电压矢量的整体对称性。

3.根据权利要求1所述的一种12边形空间电压矢量控制软起动器的控制方法，其特征在于：所述的定子磁场旋转的频率中任选几个频率从小到大进行调节，最后转入调压调速。