摘要
三相交流异步电机直接起动会造成电流和起动转矩过冲。采用软起动的方式可减小转矩和电流冲击，保护电机。在异步输钱起动过程中，能过电流传感器检测起动电流，但是电流传感器的安装使用增加了软起动系统的体积和究,并对现有软起动器的人陪控制性能进行优化。主要内容如下:
首先,论文针对相控调压软起动系统,结合三相异步电机的T型等效模型,建立了异步电机软起动等效电路,分析软起动器在不同导通模态下(2/0、3/2模态)的工况;其次,推导了在不同导通模态下定子电流的数学模型,设计了无电流传感器的定子电流估计方法。基于MATLAB/Simulink仿真软件完成了在斜坡电压和限流两种起动方式下无电流传感器的异步电机软起动控制,验证了定子电流估计方法的正确性及软起动控制的有效性。
其次,针对软起动过程中电磁转矩振荡问题进行了研究,将其电磁转矩振荡归结为两类,类振荡发生在异步电机初始起动阶段即2/0模态运行阶段。根据软起动过程中电机的运行模态,提出了触发角分段控制策略,有效地抑制了初始起动阶段的电磁转矩振荡。第二类振荡发生在电机额定转速附近即3/2模态运行阶段,电机在达到额定转速后,功率因数角的剧烈变化造成了电磁转矩振荡,为此设计了一种功率因数角闭环控制策略,有效地抑制了额定转速附近的电磁转矩振荡。
论文搭建了软起动实验平台,对一台3kW的异步电机进行了软起动控制实验,完成了斜坡电压和限流起动方式下的功率因数角闭环控制策略的实验验证,抑制了电磁转矩振荡,达到了起动要求,提升了产品性能。
关键词： 异步电机； 软起动； 定子电流估计； 电磁转矩振荡； 触发角分段； 功率因数角。
1、异步电机软起动研究背景与意义。
1.1、课题背景。
目前在我国所有的电力消耗中，电动机设备消耗了整个电能的 50%~60%，这些电动机设备从几瓦的播放器电动机到千瓦级别的炼钢大型电动机层出不穷。与其他种类的电动机相比较而言，交流异步电动机无论从价格、体积、结构等方面性价比都是比较高，在工业应用和实际生活中得到了广泛的普及，成为今天驱动工程中最常见的动力来源。在交流异步电机运行的过程中，会出现各种问题需要解决，比如直接将异步电机接入电网中起动，电机的起动电流会达到额定电流的 5~8 倍，这种电流冲击对电机本身的结构以及电网电压的波动率造成极大的影响，影响与电网相连的其他设备的正常运行。为了解决异步电机直接起动所造成的电流冲击问题，以降压起动为核心的定子串电阻起动装置、星三角起动器、磁控启动器、自耦变压器起动器等传统起动辅助装置开始发挥作用。但是随着软起动行业不断的发展，人们发现这些传统的起动装置限流效果不佳、体积庞大笨重、成本高等因素已经满足不了对异步电机起动更高的要求。
随着电子电子技术、计算机控制技术、现代自动控制技术的发展，出现了一批新型的起动装置，如变频器、相控调压软起动器。变频器由于电气特性、复杂性、价格等的因素一直制约着在异步电机起动领域的应用和普及。基于相控调压的软起动器，由于价格低、起动效果好、结构简单等因素得到了极其广泛的应用。随着软起动行业不断的发展，人们又在软起动器中加入智能算法，旨在解决软起动过程出现的一些新问题，如无法进行重载起动、转矩振荡、电压电流谐波过大。让相控调压下的软起动系统达到最佳的起动效果。
1.2、 国内外研究现状。
国外软起动无论从理论研究还是产品研发起步都比较早。国外在软起动研究起步阶段，把主要工作都放在如何有效的减少起动过程中的电流冲击，并发现相控调压技术能够有效的减少起动过程中的电流冲击。经过这么多年研究，人们发现相控调压软起动系统存在很多弊端，其中包括起动转矩过小、电磁转矩和转速振荡严重、电压电流谐波过大、高压软起动中晶闸管的均流均压不佳。为了解决以上问题，采用了新的理论以及控制算法、拓扑结构。
为了解决软起动过程中增大起动转矩和减少冲击电流的矛盾，Ginart 等人【1】提出了离散变频控制，这个方法通过有选择地触发晶闸管，使得调压电路半波导通、半波关断达到变频的目的，改善了传统软起动中起动转矩过小的缺点并且能够有效的限制起动电流2【2,3,4】。针对软起动过程中电流振荡、电磁转矩振荡问题，一方面是 PI 控制器在非线性系统中参数整定效果不佳造成的，所以模糊控制、神经网络、蚁群算法、粒子群算法等一些智能算法加入其中，通过优化控制器来缓解软起动过程中的电磁转矩和转速振荡【5,6,7,8】。
随着软起动行业的不断发展，人们开始关注软起动的“绿色环保”。晶闸管调压电路的软起动系统研究相当成熟，由于晶闸管交流调压电路所造成的输出电压、电流谐波含量较大却无法避免，导致电机运行效率降低，对电网以及电机造成很大的污染【9】。为了解决这一问题，基于 IGBT、MOSFET 等全控型器件软起动的新拓扑结构问世【10,11】，提出了新的 PWM 斩波电路拓扑来控制电机起动。其输出电压、电流谐波含量小，对于重载而言，起动转矩更大【12,13】，起动效果比晶闸管交流调压电路控制电机好的多，新的 PWM 斩波电路采用的是全控型器件，所以控制方法比晶闸管交流调压复杂。文献【14】对晶闸管相控调压拓扑进行了改进，提出了一种基于 H 桥浮动直流侧电容电机软起动的新型拓扑结构和控制策略，能够限制起动电流，同时能对系统进行功率因数校正，使得输出的电压、电流谐波大大降低。对于一些环境比较复杂的电机应用场合，利用速度传感器对软起动过程中转速进行测量，来执行转速闭环控制、电机堵转判断等。速度传感器的安装，对于工程应用而言，增加了研发成本和安装体积。针对这一问题，基于无速度传感器异步电机起动的控制策略得到研究，无需安装速度传感器，速度信息通过其他量来进行辨识【15,16】。
针对大容量电机，目前高压软起动（3kV 以上）一直作为研究的热点和难点。通过串联晶闸管提高耐压能力实现大容量电机的高压起动，对于高压软起动的研究热点大部分都集中在怎样提高晶闸管串联的可靠性、如何提高晶闸管触发的可靠性、如何提高重载起动能力、如何设计比较可靠的外围保护电路等方面【17,18,19,20】。国外软起动经过多年的发展，高压软起动无论在产品研发还是工业应用领域取得了比较成熟的技术，比如美国的 AB 公司生产的最高 2000kW 软起动器，其中还有英国的 CT 公司，法国的 TE 公司、施耐德公司，德国的 AEG 公司及西门子公司，瑞典的 ABB 公司等从低压软起动到高压软起动都有自己的代表作品，可靠性、智能化、网络化程度比起国内的公司都要高。目前国外电机软起动器最高电压等级为 12kV，最大容量为 5000kW。
国内电机软起动系统的研究开始于上个世纪 90 年代，相对于国外起步晚，基础比较薄弱，核心技术和可靠性方面和国外差距较大。目前国内研究的几种典型的软起动方式有：
液阻软起动、晶闸管相控调压软起动、磁控软起动、变频软起动。这几种软起动方式各有特色，根据异步电机特定的应用场合来选择最佳的起动方案。目前国内市场上的软起动产品以相控调压系统为主，在高压软起动的研究中也取得了一定的成就【21】。理论研究主要在国外的基础上进一步深化和改进，其主要集中在：重载起动、优化 PID 控制器、无速度传感器、电磁转矩振荡、节能等方面。
在电机软起动控制系统中，文献【22】提出了实施电机功率因数角闭环控制的观点来抑制电磁转矩振荡，该控制方法将功率因数角作为反馈量，不需要额外的传感器，但是该方法没有考虑其他因素对电磁转矩振荡的影响，只能抑制额定转速附近的电磁转矩振荡，而且限流效果不佳。文献【23】从晶闸管触发角、负载转矩、转动惯量、功率因数角等方面，系统全面的分析了电磁转矩振荡的原因，并且提出了基于电流关断角闭环控制的思路，采用该方法电磁转矩振荡持续时间明显缩短，但是电磁转矩和定子电流的振荡幅值较高，对电机起动中的动态性能指标产生了很大的影响。离散变频控制也是近几年国内研究的热点，同时以解决重载起动和减小起动电流冲击为目的，从矢量控制、最优离散频段选取、最优相位切换等方面对离散变频控制进行研究【24,25,26】，并且在工程方面得到了推广。电机节能控制主要从最小电流控制、最小功率因数角控制、最小有功功率控制、恒功率因数控制方面对节能控制进行研究【27,28】。利用变频器对异步电机进行起动，起动效果目前是行业最佳。但是由于变频器价格高，它的工业应用推广受到了限制【29】。随着电力电子装置的不断发展，各种新的软起动控制方式和拓扑结构应用而生。不同的异步电机运行环境，起动方式上也有很大差别，最终的目的是让电机达到一个最佳的起动状态。大型电机采用软起动最终要达到以下效果，原则上是防止电机由于电流的过冲造成绕组老化，延长电机使用寿命，保护电网和机械设备，同时降低设备维护和管理工作量，保证选择设备的可靠性。对于国内软起动的研究现状而言，无论是从控制算法还是从新型拓扑，研究几乎停留在理论阶段，实际的工程应用不多。对于工程应用而言，因为技术比较成熟、成本低、控制方法简单、易操作，所以国内大部分软起动产品采用相控调压系统，起动方式以限流控制为主。
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1.3 本文主要内容
2 异步电机软起动工作原理.
2.1 异步电机起动过程分析
2.2 软起动主电路结构及工作原理
2.3 异步电机起动控制方式
2.3.1 斜坡电压起动
2.3.2 限流起动
2.3.3 转矩斜坡起动
2.4 本章小结11
3 异步电机软起动的定子电流估计方法
3.1 异步电机软起动定子电流的估计
3.1.1 异步电机软起动等效电路的建立
3.1.2 异步电机软起动定子相电压建模
3.1.3 异步电机软起动定子电流估计
3.2 相控调压软起动下定子电流估计仿真与分析
3.2.1 斜坡电压控制下定子电流估计
3.2.2 限流控制下定子电流的估计
3.3 基于无电流传感器的异步电机软起动限流控制
3.4 本章小结
4 异步电机软起动电磁转矩振荡的抑制策略
4.1 基于触发角分段控制的电磁转矩振荡抑制策略
4.1.1 初始起动阶段电磁转矩振荡原因分析
4.1.2 基于触发角分段控制策略
4.2 基于功率因数角闭环控制的电磁转矩振荡抑制策略
4.2.1 额定转速附近电磁振荡原因分析
4.2.2 基于功率因数角闭环控制策略
4.3 异步电机软起动电磁转矩振荡抑制策略的仿真
4.4 本章小结
5 异步电机软起动系统实验平台
5.1 硬件设计
5.1.1 总体结构
5.1.2 主电路设计
5.1.2.1 晶闸管的选型
5.1.2.2 晶闸管保护电路的设计
5.1.2.3 晶闸管触发电路设计
5.1.3 检测电路设计
5.1.3.1 电压检测电路
5.1.3.2 电流检测电路
5.1.3.3 同步信号检测电路
5.1.3.4 晶闸管端电压时刻检测电路
5.2 软件设计
5.2.1 主程序设计
5.2.2 系统软起动器功能模块设计
5.2.2.1 功率因数角的检测程序设计
5.2.2.2 斜坡电压起动程序设计
5.2.2.3 限流起动程序设计
5.3 实验结果
5.3.1 斜坡电压起动实验结果
5.3.2 不同模态下定子电流实验波形
5.3.3 限流起动实验结果
5.4 本章小结
6 总结
本文主要从两方面对异步电机相控调压软起动器控制策略进行了研究。第一方面，对异步电机起动下的定子电流估计进行了研究，利用估计的定子电流信息设计了一种基于无电流传感器的限流控制策略。第二部分，对西安西驰电气有限公司软起动产品，在斜坡电压和限流起动方式下电磁转矩振荡问题进行了研究，设计了一种基于触发角分段和功率因数角闭环策略对电磁转矩振荡进行了抑制。研究内容如下：
(1) 在相控调压软起动过程中，分析了异步电机在不同模态下的运行情况，建立了异步电机软起动器等效电路。利用所建立的等效电路推导了在不同模态下定子电流估计的数学模型，在斜坡电压和限流起动方式下，验证了定子电流估计数学模型的正确性。最后采用本文的定子电流的估计方法，完成了无电流传感器控制策略仿真，结果表明起动电流在限流范围之内，电机起动平稳，满足起动要求。
(2) 在斜坡电压和限流起动方式下，针对发生在 2/0 模态和 3/2 模态电磁转矩振荡差异，提出了触发角分段和功率因数角闭环策略。初始起动阶段(2/0)定子线电流幅值断续，导致电磁转矩初始起动阶段振荡严重，采用一种基于触发角分段控制策略抑制电磁转矩振荡。电机到达额定转速之后(3/2 模态)，功率因数角变化剧烈，导致电磁转矩振荡严重，引起定子电流振荡，设计了一种基于功率因数角补偿的闭环控制策略抑制电磁转矩振荡。
(3) 搭建了基于 STM32RCT6 的硬件实验平台，在两种起动方式下，完成了功率因数角闭环控制策略的代码编写和实验验证。实验表明，提出的控制策略能够抑制软起动过程中的电磁转矩振荡，提高了异步电机的传动精度，保护了异步电机内部结构，减小了对外围设备的影响。
参考文献
