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三相交流调压系统仿真.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.49M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    《运动控制系统》课程设计说明书 基于异步电动机的三相交流调压 软起动系统仿真 1.交流调压环节模块 1.1 三相交流调压电路简介 三相交流异步电动机在启动时都会产生 2-6 倍于额定电流的启动电流。对大 功率电机来说，无疑会对电网、控制装置造成降压、跳闸等影响，同时也对电机 本身的定子、转子的绝缘性能以及输出机械产生较大的破坏作用。对大功率电机 来说，Y—△启动仍能产生较大的电流；自耦变压器启动具有启动不便、体积大、 滑块触点氧化等缺点；而变频调速启动对于规律负载来说就显得“大材小用”了， 且造价高昂。随着可控硅技术的发展，利用晶闸管交流调压器实现大功率三相异 步电动机的软启动，已成为国际研发的课题之一。 在大三的电力电子技术课程中，“交流电力控制电路和交交变频电路”章节 中，我们学习了交流调压部分的内容。三相交流调压原理图如图 1.1 所示。 图 1.1 三相交流调压电路原理图 根据三相连接形式的不同，三相交流调压电路具有多种形式。在星形连接电 路中，电路可分为三相三线和三相四线两种情况。三相四线时，相当于三个单相 交流调压电路的结合，三相互相错开 120°工作，单项交流调压电路的工作原理 和分析均适用这种电路。当=90°时，零线电流甚至和各项电流的有效值接近。 任一相导通时必须和另一相构成回路，因此和三相桥式全控整流电路一样， 电流流通路径中有两个晶闸管，所以采用双脉冲或宽脉冲触发。三相的触发脉冲 - 1 -
    《运动控制系统》课程设计说明书 应依次相差 120°，同一相的两个反并联晶闸管触发脉冲应相差 180°.因此，和 三相桥式全控整流电路一样，触发脉冲顺序也是 VT1～VT6,依次相差 60°。 如果把晶闸管换成二极管后可以看出，相电流和相电压同相位，且相电压过 零时二极管开始导通。因此把相电压过零点定为开通角的起点。三相三线电路 中，两相间导通时是靠线电压导通的，而线电压超前相电压 30°，因此角的 移向范围是 0°～150°。 在任一时刻，可能是三相中个有一个晶闸管导通，这时导通相的负载相电压 时电源线电压的一半。根据任一时刻导通晶闸管的个数以及半个周波内电流是否 连续可将 0°～150°的移相范围分为如下三段： 〔1〕0°≦﹤60°范围内，电路处于三个晶闸管导通和两个晶闸管导通的 交替状态，每个晶闸管导通角度为 180°-。但=0°时是一种特殊情况，一 直是三个晶闸管导通。 〔2〕60°≦﹤90°范围内，任一时刻都是两个晶闸管导通，每个晶闸管的 导通角度为 120°。 〔3〕90°≦﹤150°范围内，电路处于两个晶闸管导通与无晶闸管导通的 交替状态，每个晶闸管导通角度为 360°-2，而且这个导通角度被分割为不连 续的两部分，在半周波内形成两个连续的波头，各占 150°-。 在阻感负载的情况下，=时负载电流最大且为正弦波。 将三相交流调压电路用于三相异步电机负载，在满足电机软启动要求的同时，可 降低电机损耗，提高功率因数及电机效率，具有很高的实际应用价值。 1.2 交流调压环节模块 软起动器的主回路一般采用晶闸管调压电路。调压电路由六只晶闸管两两反 并联组成，串接于电动机的三相供电线路上。通过控制晶闸管的导通角，按预先 设定的模式调节输出的电压，以控制电动机的起动过程。当起动过程结束后，将 旁路接触器吸合，短路掉所有的晶闸管，使电动机直接投入电网运行，以避免不 必要的电能损耗。异步电动机软启动电路的两个主要模块即三相交流调压环节模 块和软启动控制模块。下面对这两个模块进行简单的介绍，以了解异步电机软启 动电路如何工作。 - 2 -
    《运动控制系统》课程设计说明书 三相交流调压环节是异步电机软起动特点所在，内部模型如图 1.2 所示， 由脉冲发生环节输出的脉冲经选择器 Selector 和多路信号分解器 Demux 如图 供给各晶闸管，确保它们之间的触发顺序。从电气系统模块库电力电子子模块库 中选取 6 个晶闸管模块(Thristor)，连接构成三对双向反并联晶闸管电路。 图 1.2 三相交流调压模块 - 3 -
    《运动控制系统》课程设计说明书 2. 晶闸管交流调压软起动控制策略 2.1 软启动器的原理 软起动器主回路采用晶闸管三相交流调压电路，利用晶闸管进行调压，其输 出电压的大小由晶闸管的导通角θ决定，导通角θ由单片机控制，通过调节晶闸 管的导通角θ改变加到定子绕组的三相电压。在起动的时候，晶闸管的导通角θ 从零度开始上升，逐渐增大，电机的端电压也从零开始上升，直至达到满足起动 转矩的要求，保证起动能有成功。 软起动控制器实现调压限流的关键问题就是如何控制晶闸管的触发角а，如 果晶闸管的负载为一恒定的阻抗，则其阻抗角φ是常量，此时的晶闸管的导通角 为θ=φ+π-а。由于晶闸管的输出电压取决于导通角θ，当阻抗角φ不变时， 只需按一定原则调整触发角а，就可以获得预计的负载电压曲线。 由电机学的知识，有公式： φ=arctan 2π(no-n)pL/60R (2-1) 式中 no 为同步转速，n 为转子转速。 从公式 2-1 知道，阻抗角φ是电机转速的函数，在电机的起动或者停止过程 中，随着电机转速的变化而变化，因此如果想要电机定子侧的电压，按照预想的 规律变化，必须在调整触发角а时，充分注意电机阻抗角φ的变化对晶闸管输出 电压造成的影响。 晶闸管的导通角θ与触发角а有关因此，只需要在电动机起动过程中通过控 制晶闸管触发角а的大小，就可以使电动机的定子端电压和起动电流按照工作的 需要来变化，这个过程的实质仍旧是降压启动，只是与传统降压启动不同之处在 于，它没有机械触点，起动电压和电流都可调。 2.2 晶闸管交流调压软起动控制 软起动控制模块是电动机软起动电路的另一个重要组成部分，晶闸管交流调 压软起动控制框图如图 2.1 所示。 - 4 -
    《运动控制系统》课程设计说明书 图 2.1 晶闸管交流调压软起动控制框图 软起动控制模块以限流软起动控制模块为例进行介绍，软起动的本质是降压 起动，关键在于限制起动电流，实现的过程是起动电压由某一给定电压值逐步升 高，至所给定的限制电流之后保持恒定，在此恒定起动电压下，过高的电流开始 衰减后，起动电压再继续上升，如此这般最终达到额定全压，据此建立的封装模 块内部模型如图 2.2 所示。 图 2.2 软起动控制模块 输入的电流反馈信号 iback 和限流给定值 iref 通过加法器进行比较，电 流偏差经滞环比较,若反馈信号大于给定值，输出为 0,反之则输出为 1。电压上 升速率控制 uincr 值与滞环输出相乘后，通过积分环节，产生值由 0 按上升斜 率为其乘积值线性递增的信号，乘积值为 0 时，积分环节输出即保持原有值不 变 。 起 动 电 压 起 始 给 定 值 uini 和 积 分 输 出 值 比 较 ， 偏 差 经 一 饱 和 环 节 (Saturation)限制输出值范围，送至输出端。uini 和饱和输出范围的取值都表 示触发角 a 的大小。 2.3 软起动过程中的功率因数角特性 异步电动机的软起动器是一种电子式调压设备，即通过连续控制电压值进行 各种起动、运行控制的，这就要求软起动器可以根据实际的工作状态，通过一定 的控制策略连续、相对平稳地进行电压调节。由于电机是一个典型的感性负载， - 5 -
    《运动控制系统》课程设计说明书 对电流有明显的续流现象，因此对这样的感性负载实现电压控制相对于阻性负载 复杂得多。 由于电机在软起动过程中获得的输入电压是一种斩波形式的非正弦电压，其 电压、电流波形相对复杂。软起动过程中的电流波形如图 2.3 中曲线 i 所示。图 中α为功率器件的触发延迟角，φ为可测功率因数角，θ为电流断续角。曲线 u 为电源输入相电压，曲线 i 为电机定子侧相电流。 图 2.3 软起动过程中电机定子电流 图中φ为可测功率因数角，也即是电机续流角，表明了电机对电流的续流情 况。在电机软起动过程中，电机的端口电压是逐渐提高的，其电压大小取决于晶 闸管的实际导通角α，α而又取决于φ和θ的大小，而由图 1.2 知在启动过程 中φ又随着电机的转速不断变化，如果升压过程中α没有及时变化，而θ变小， 则会出现实际有效电压下降，此时必然会引起电机转速下降，而功率因数角φ随 之变大，则实际导通角又会增大，实际电压增大，转速升高θ又会变小，如此往 复就会出现转矩振荡，同时电流表现为电流震荡，电机启动不起来，会出现严重 的后果。通过控制功率器件的触发延迟角α来改变电流断续角θ的量值，也就相 当于控制了电机定子侧的电压值。 - 6 -
    《运动控制系统》课程设计说明书 3. 交流调压软起动系统的 simulink 仿真 3.1 仿真前的准备工作 现在应用晶闸管交流调压原理的软起动器已经大量面市，晶闸管软起动器可 以通过电压的调节，限制起动电流，并且使电动机有较大的起动转矩，在起动结 束后再经过接触器切除软启动器，让电动机直接连接三相电源完成起动过程。 软启动器由三相晶闸管调压电路和软起动控制器（给定积分器）、触发器等 组成，前两个模块在第二节和第三节中分别已经介绍过，起动的时候就是通过控 制器使晶闸管控制角从大到小变化，而电动机电压从小到达主次上升。通过仿真 我们可以直观的看到软启动器的控制曲线，电流限制效果和电机转矩的情况。交 流电动机软启动器的仿真模型如图 3.1 所示。 图 3.1 交流电动机软启动器的仿真模型 在模型中，有双向晶闸管模块 VT 和触发器模块 pulse 的构成分别见图 3.2 和图 3.3，异步电动机模块使用模型的蕴含参数如图 3.5 所示，模型的控制部分 由 Step，gi 和 Fcn 三个模块组成，其中 step 给出阶跃起动信号，GI 模块用于 设定起动曲线，函数 Fcn 用于使控制信号与触发器输入信号要求相匹配。给定积 - 7 -
    《运动控制系统》课程设计说明书 分 GI 分支模块的构成如图 3.4 所示。其中放大器（gain）的作用是使积分时间 常数不受放大器输入偏差大小的影响，所以放大倍数可以取大一些，本例中放大 倍数为 1000。限幅器（saturation）用于设定积分时间常数，调节限幅器的上 下限可以调节给定积分器输出曲线的上升斜率。 图 3.2 双向晶闸管分支模块 VT 图 3.3 触发器模块 pulse 图 3.4 给定积分 GI 分支模块 晶闸管三相调压器给电动机供电时，晶闸管的控制角的移相范围受一定限 制，当控制角较大时，调节器输出电压过低，电动机起动转矩不足以带动电机起 动；而当控制角小于电动机的功率因数角时，调压器是去调压作用，调压器输出 全电压。综合以上因素，在控制环节中设置了函数匹配环节（Fcn），匹配关系为： - 8 -
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