基于开关变压器的高压异步电动机软起动控制的研究

论文摘要

大中型电动机的直接起动会产生较大的冲击电流，这一方面会对电动机本身的安全构成威胁，另一方面对供电电网造成冲击。为此通常采用降压起动方法来抑制电流的冲击。以往的降压设备对电压的调节是非连续的，导致在电动机起动过程中存在着二次电流的冲击问题。而电子软起动器是一种集电动机软起动、软停机、轻载节能和多种保护功能于一体的新型电动机控制装置，相比于传统的起动器，其突出的优点体现在能够连续无级的调节电动机的定子电压、冲击转矩和冲击电流小、控制简单、起动的重复性好等方面。国内在该领域的研究尚处于起步阶段，特别是对高压电动机软起动器的研究更少。本文研究基于开关变压器的高压异步电动机软起动控制器，主要内容包括：1．开关变压器的数学模型提出n相开关变压器简化的数学模型，并给出三相开关变压器的数学模型表达式，指出了可用一个可变的电抗来表示起动过程中的开关变压器，这个等效电路模型对于分析和设计高压异步电动机软起动器提供了非常简单的方法，并应用所提出的等效电路模型开发了相应的仿真程序，这对于设计高压电动机软起动器和提高软起动的成功率提供了有效的工具。2．高压电动机软起动的运行工况分析推导了电动机在混合ABC／dq坐标系上的数学模型，指出这种变换可以大大的简化异步电动机的数学模型，并且详细分析了高压异步电动机在软起动过程中的各种运行工况，并推导出了在ABC／dq坐标系上各种运行工况的数学模型。3．电动机轻载软起动时的振荡现象和解决方案研究了电动机在起动过程中功率因数的变化规律，指出了影响开关变压器输出电压大小的是开关变压器的续流角，详细讨论了电动机在轻载或空载软起动过程中可能在同步转速附近产生的振荡现象，分析了振荡原因，并且提出了振荡抑制的方案，实验证明这种方案效果良好。4．软起动器控制策略的研究给出了消除起动转矩脉动的方法，确定了恒流控制策略。根据给出的最佳时刻的计算方法，可以得到消除起动转矩脉动的最佳开关时刻，指出最佳开关时刻与负载的大小无关，仅与起动瞬间触发信号的触发角的大小有关，采用恒流控制策略，控制简单，同时消除了起动转矩脉动。针对异步电动机是一个非线性、强耦合的被控对象，运用常规的控制策略难以取得满意的控制效果，所以本文提出了一种基于模糊控制规则可调整的模糊控制器，该控制器对调整因子β进行调整，运用遗传算法，设计了一个专用的优化参数程序，根据系统当前的电流误差ΔI和误差变化率ΔI_c，通过模糊推理调整调整因子β，以确保异步电动机的软起动具有最优化的动态和稳态性能。5．高压电动机软起动器的设计本文利用了PIC16F877单片机丰富的软硬件资源，设计了一套通用的异步电动机软起动控制系统，实现了开关器件的触发、系统参数的检测、故障响应、远程监控和通信等功能，同时给出了系统的硬件结构、软件设计思想及相关的实验曲线，实验证明具有良好的控制效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的目的及意义
• 1.2 高压异步电动机软起动的发展状况
• 1.2.1 传统的起动方法
• 1.2.2 高压软起动方法
• 1.2.3 几种高压软起动器的比较
• 1.3 软起动控制方案
• 1.3.1 恒流软起动
• 1.3.2 电压斜坡软起动
• 1.3.3 转矩控制软起动
• 1.4 电动机的节能控制
• 1.4.1 软起动节能的基本原理
• 1.4.2 最小电流控制
• 1.4.3 最小有功功率控制
• 1.4.4 最小功率因数角控制
• 1.4.5 恒功率因数角控制
• 1.5 本文主要的研究内容
• 1.5.1 建立开关变压器的等效数学模型
• 1.5.2 基于开关变压器的高压异步电动机软起动的运行工况分析
• 1.5.3 电动机轻载软起动时的振荡现象和解决方案
• 1.5.4 电动机起动初期的转矩脉动现象分析和消除方案
• 1.5.5 高压异步电动机软起动控制策略的研究
• 1.5.6 基于开关变压器的高压异步电动机软起动器的设计
• 1.6 本文进行软起动研究的实验环境
• 1.6.1 仿真电动机的额定参数
• 1.6.2 实验电动机的额定参数
• 第二章 开关变压器的数学模型
• 2.1 开关变压器的工作原理
• 2.2 开关变压器调压电路的等效电路模型
• 2.2.1 纯电感负载的等效电路模型
• 3（γ）的讨论'>2.2.2 关于f₃（γ）的讨论
• 2.2.3 电动机负载时的简化等效电路模型
• 2.3 模型仿真
• 2.4 本章小结
• 第三章 高压异步电动机软起动的运行工况分析
• 3.1 异步电动机多变量非线性的数学模型
• 3.2 坐标变换
• 3.3 基于开关变压器高压电机软起动的工作状态
• 3.3.1 软起动时的工作状态
• 3.3.2 调压过程
• 3.4 软起动不同工作状态下电动机的数学模型
• 3.5 仿真结果
• 3.6 实验结果
• 3.7 本章小结
• 第四章 电动机轻载起动时的振荡现象和解决方案
• 4.1 电动机功率因数变化规律
• 4.2 功率因数角与开关变压器输出电压的关系
• 4.3 电动机软起动过程中的振荡问题
• 4.3.1 软起动过程中的振荡现象
• 4.3.2 软起动过程中振荡产生的原因
• 4.4 消除振荡的控制策略
• 4.5 实验结果
• 4.6 本章小结
• 第五章 异步电动机软起动控制策略研究
• 5.1 抑制起动转矩脉动的控制策略
• 5.1.1 起动转矩脉动的原因
• 5.1.2 抑制起动转矩脉动的控制策略
• 5.1.3 不同开关时刻的电流特性
• 5.2 恒流闭环控制
• 5.2.1 恒流闭环控制原理
• 5.2.2 恒流闭环软起动的起动时间分析
• 5.3 控制规则可调整的模糊控制器设计
• 5.3.1 恒流软起动模糊控制器结构
• 5.3.2 恒流软起动模糊控制器设计
• 5.3.3 带有调整因子的控制规则
• 5.3.4 模糊控制算法的自寻优
• 5.3.5 模糊控制软件的实现
• 5.4 实验结果
• 5.5 本章小结
• 第六章 新型高压异步电动机软起动系统的设计
• 6.1 引言
• 6.2 高压电动机软起动器的电路总体结构分析
• 6.3 软起动器的关键电路
• 6.3.1 晶闸管的触发电路
• 6.3.2 同步信号产生电路及相序检测
• 6.3.3 电流检测及反馈电路
• 6.3.4 电压检测电路
• 6.4 控制系统的软件设计
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 完成和参与的科研项目