大型泵站異步電機(jī)智能

起停技術(shù)的研究專業(yè)：控制理論與控制工程學(xué)生姓名：倪華中指導(dǎo)教師：楊永立（副教授）

答辯日期：2014.5.21

碩士學(xué)位論文答辯目錄異步電機(jī)起停問題的提出及意義1基于泵類負(fù)載起動(dòng)特性研究2分級(jí)交交變頻技術(shù)軟起動(dòng)的研究3軟起動(dòng)器的諧波分析4泵站軟起?？刂撇呗约捌渲悄芑瘜?shí)現(xiàn)全文總結(jié)561.1課題背景1.1.電機(jī)起停問題的提出及意義

興建于六七十年代的泵站存在超負(fù)荷運(yùn)行、機(jī)組老化、能耗高、運(yùn)行維護(hù)成本高、自動(dòng)化程度低等現(xiàn)狀，已經(jīng)不能夠發(fā)揮應(yīng)有的排澇灌溉作用。另一方面，水利機(jī)電設(shè)備處于帶病運(yùn)行狀態(tài)不僅影響著設(shè)備安全和操作維護(hù)人員的人生安全，而且嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)氐姆姥纯购倒ぷ?，危急?dāng)?shù)氐墓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)，因此對(duì)這些泵站和水利設(shè)施的改造勢(shì)在必行。電機(jī)的起停技術(shù)的改造是泵站更新改造中比較重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，直接衡量著泵站更新改造水平的好壞。泵站立式鼠籠異步電機(jī)1.1泵站傳統(tǒng)的起動(dòng)及動(dòng)其危害1.電機(jī)起停問題的提出及意義a.直接起動(dòng)b.定子串電阻起動(dòng)1.1傳統(tǒng)的起動(dòng)及動(dòng)其危害1.電機(jī)起停問題的提出及意義C.Y一△降壓起動(dòng)d.自藕變壓器降壓起動(dòng)電流可能會(huì)達(dá)到甚至超過額定電流的5～7倍1.1傳統(tǒng)的起動(dòng)及動(dòng)其危害1.電機(jī)起停問題的提出及意義危害發(fā)熱破壞電機(jī)的端環(huán)和導(dǎo)條電弧接觸器切換帶來電流尖峰沖擊流量不可調(diào)速度不可調(diào)水錘及二次沖擊很難實(shí)現(xiàn)智能起停1.2

新型電力電子軟起動(dòng)方法軟啟動(dòng)伴隨著電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生，常見的起動(dòng)方法有：1、限流軟起動(dòng)2、電壓斜坡軟起動(dòng)3、加突跳控制起動(dòng)4、分級(jí)變頻軟起動(dòng)5、兩相變頻軟起動(dòng)無法軟停車耗能某泵站采用一拖三起停方式1.3

軟起動(dòng)（soft-stater）結(jié)構(gòu)及在泵站的應(yīng)用1.電機(jī)起停問題的提出及意義1.3

研究內(nèi)容1.電機(jī)起停問題的提出及意義繪制兩類頻譜圖2.基于泵類負(fù)載起動(dòng)特性研究2.1水錘現(xiàn)象流體具有動(dòng)量而且可壓縮，流量的急劇變化將在管道內(nèi)引起壓強(qiáng)急劇變化，會(huì)對(duì)管道產(chǎn)生沖擊，并伴隨“空化”現(xiàn)象。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩第變化和壓力的變化成正比，要減小壓力的脈動(dòng)，可以考慮減小轉(zhuǎn)矩的變化。軟起動(dòng)起來解決2.2電機(jī)起動(dòng)模型2.2.基于泵類負(fù)載起動(dòng)特性研究電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程2.2電機(jī)起動(dòng)模型2.2.基于泵類負(fù)載起動(dòng)特性研究ΔTe≥ΔT1Te≥T1Te≥TD起動(dòng)完成起動(dòng)開始2.3三相交流調(diào)壓理論2基于泵類負(fù)載起動(dòng)特性研究無論阻感負(fù)載為何值，只要滿足，電流連續(xù)，隨著觸發(fā)角的增大，θ減小。2基于泵類負(fù)載起動(dòng)特性研究2.4

仿真■斜坡閉環(huán)軟起控制原理圖2基于泵類負(fù)載起動(dòng)特性研究2.4

仿真2基于泵類負(fù)載起動(dòng)特性研究2.4

仿真2基于泵類負(fù)載起動(dòng)特性研究■直接起動(dòng)和斜坡電壓軟起仿真電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速圖像2基于泵類負(fù)載起動(dòng)特性研究■結(jié)論

直接起動(dòng)的起動(dòng)電流比較大，起動(dòng)極其不平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大，但是起動(dòng)達(dá)到平衡所需要的時(shí)間較少；電壓斜坡軟起動(dòng)起動(dòng)較為平穩(wěn)，起動(dòng)電流也大大減小，卻犧牲了起動(dòng)時(shí)間，如果起動(dòng)時(shí)間過長，可能會(huì)造成起動(dòng)失敗。

電壓斜坡軟起動(dòng)具有優(yōu)越的起動(dòng)性能。3分級(jí)交交變頻技術(shù)軟起動(dòng)的研究■分級(jí)變頻即離散頻率控制法，基本原理是通過一定的控制策略，讓晶閘管連續(xù)導(dǎo)通一個(gè)或多個(gè)正、負(fù)半波，使軟起動(dòng)器輸出電壓的頻率從一個(gè)較低的值開始一般情況下是50Hz的分頻(即50/n)，分級(jí)上升，最后達(dá)到50Hz,穩(wěn)定后保持工頻運(yùn)行?！龇诸l率與初相位角關(guān)系■3.1分級(jí)變頻平衡電壓及相位角關(guān)系當(dāng)時(shí)，分頻后得到正相序3分級(jí)交交變頻技術(shù)軟起動(dòng)的研究■3.1分級(jí)變頻平衡電壓及相位角關(guān)系當(dāng)時(shí)，分頻后得到負(fù)相序分頻后的電壓波形隨著分頻率的變化而周期性變化，當(dāng)分頻率為1、4、7、10、13、16、19…，正相序平衡；當(dāng)分頻率為2、5、8、11、14、17、20…，負(fù)相序平衡；當(dāng)分頻率=3、6、9、12、15、18??分頻時(shí)相位和幅值均不平衡。分頻數(shù)頻率周期

(ms)半波相位角

（°）初相角（°）相位平衡幅度平衡15020180正相序平衡12254090負(fù)相序平衡1316.676060不平衡1412.58045正相序平衡15105036負(fù)相序平衡168.3312030不平衡177.1414025.71正相序平衡186.2516022.5負(fù)相序平衡195.5518020不平衡110520018正相序平衡1114.5422016.36負(fù)相序平衡1124.1624015不平衡1133.84626013.846正相序平衡1143.5728012.857負(fù)相序平衡1153.3330012不平衡1163.12532011.25正相序平衡1172.9434010.588負(fù)相序平衡1182.7736010不平衡1192.633809.47正相序平衡1202.54009負(fù)相序平衡13分級(jí)交交變頻技術(shù)軟起動(dòng)的研究■二分頻A、B、C相電壓相位角■二分頻電壓表達(dá)式及矢量圖3分級(jí)交交變頻技術(shù)軟起動(dòng)的研究■二分頻直接起動(dòng)仿真圖■三分頻電壓表達(dá)式3分級(jí)交交變頻技術(shù)軟起動(dòng)的研究■3.2分級(jí)變頻帶來的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)■晶閘管關(guān)斷時(shí)，由于電機(jī)屬于感性負(fù)載，晶閘管會(huì)續(xù)流導(dǎo)通一段時(shí)間，功率因數(shù)角會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的變化而明顯變化，分級(jí)變頻起動(dòng)和停機(jī)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生脈動(dòng)。抑制觸發(fā)角α的變化率即可以抑制φ的變化率?！鰯夭妷河行е蹬c功率因數(shù)角和觸發(fā)角關(guān)系3分級(jí)交交變頻技術(shù)軟起動(dòng)的研究■3.3分級(jí)變頻軟起動(dòng)仿真■建模3分級(jí)交交變頻技術(shù)軟起動(dòng)的研究■電流■轉(zhuǎn)速3分級(jí)交交變頻技術(shù)軟起動(dòng)的研究■轉(zhuǎn)矩■conclusion：分級(jí)變頻軟起動(dòng)電流比較平穩(wěn)，起動(dòng)時(shí)間比較短，分級(jí)變頻起動(dòng)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)較平穩(wěn)，僅僅在0.5s、0.9s會(huì)發(fā)生突變，脈動(dòng)幅度比值也比較小。對(duì)于要求較高的泵站才適用此方法4軟起動(dòng)器的諧波分析■4.1電子式軟起動(dòng)器傅立葉分析■幅度頻譜和均方根頻譜分析4軟起動(dòng)器的諧波分析■4.2分級(jí)變頻軟起動(dòng)頻譜圖■2分頻4軟起動(dòng)器的諧波分析■4.2分級(jí)變頻軟起動(dòng)頻譜圖■2分頻■3分頻4軟起動(dòng)器的諧波分析■4.2分級(jí)變頻軟起動(dòng)頻譜圖■4分頻小結(jié)：討論了諧波電壓對(duì)轉(zhuǎn)矩的影響，在此基礎(chǔ)上對(duì)交交直接變頻軟起動(dòng)的基波和各次諧波進(jìn)行了分析探討；文獻(xiàn)9雖然對(duì)分級(jí)變頻起動(dòng)的高次諧波只給出了相應(yīng)的結(jié)論，本章的所做的工作在于對(duì)電壓做出了推導(dǎo)說明，并給出了奇次諧波的電壓表達(dá)式,繪制了單相分頻的幅度頻譜圖和均方根頻譜圖，這些在其他類似的文獻(xiàn)中是沒有的。

斜坡電壓會(huì)沿直線上升到額定電壓，若直線的斜率K1大，起動(dòng)時(shí)間短，平穩(wěn)性減弱，電流和轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)嚴(yán)重；反之，起動(dòng)較為平穩(wěn)，電流和轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)會(huì)減弱。如果斜率過小，會(huì)造成起動(dòng)失敗。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了閉環(huán)轉(zhuǎn)矩PID模糊控制方法。以實(shí)現(xiàn)PID中三個(gè)參數(shù)的自整定。5.泵站軟起停控制策略及其智能化實(shí)現(xiàn)■5.1基于模糊PID的斜坡電壓閉環(huán)軟起動(dòng)實(shí)現(xiàn)5.泵站軟起?？刂撇呗约捌渲悄芑瘜?shí)現(xiàn)■5.1模糊控制器的設(shè)計(jì)5.泵站軟起?？刂撇呗约捌渲悄芑瘜?shí)現(xiàn)■5.1基于模糊PID的斜坡電壓閉環(huán)軟起動(dòng)實(shí)現(xiàn)斜坡轉(zhuǎn)矩為取拉氏變換異步電機(jī)是一個(gè)多變量非時(shí)變非線性函數(shù)，無法得出其精確的傳遞函數(shù)5.泵站軟起?？刂撇呗约捌渲悄芑瘜?shí)現(xiàn)■5.1建模及仿真5.泵站軟起停控制策略及其智能化實(shí)現(xiàn)■轉(zhuǎn)矩■conclusion：上述兩個(gè)仿真圖像的對(duì)比可以知道，模糊自適應(yīng)PID比常規(guī)PID的超調(diào)量明顯小的多，穩(wěn)態(tài)誤差和波動(dòng)范圍也要小，到達(dá)峰值時(shí)間相差不大，但是到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間后者明顯快一些，由此說明自適應(yīng)模糊PID較傳統(tǒng)PID而言具有較強(qiáng)的自適應(yīng)性和魯棒性能。5.泵站軟起?？刂撇呗约捌渲悄芑瘜?shí)現(xiàn)■5.2分級(jí)變頻軟起動(dòng)器的設(shè)計(jì)■硬件系統(tǒng)：a.晶閘管選擇b.主芯片：16位單片機(jī)S87C196MHc.鍵盤和顯示部分(8255A拓展部分)d.同步信號(hào)檢測電路e.電壓電流檢測電路f.功率因數(shù)檢測電路f.保護(hù)電路5.泵站軟起停控制策略及其智能化實(shí)現(xiàn)■軟件系統(tǒng)：主程序主程序自檢程序5.泵站軟起?？刂撇呗约捌渲悄芑瘜?shí)現(xiàn)■軟件系統(tǒng)：WG中斷程序分級(jí)變頻程序1、在matlab/simulink環(huán)境下搭建了三相交流電機(jī)直接起動(dòng)和斜坡電壓軟起動(dòng)的模型，通過仿真對(duì)比兩者之間的電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩波形圖像，說明軟起動(dòng)對(duì)“水錘”具有抑制作用。2、提出了分級(jí)變頻軟起動(dòng)方案的應(yīng)用，分頻后的電壓電流波形隨著分頻率的變化呈周期性的變化；３、正負(fù)相序電壓產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩疊加后會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，晶閘管的導(dǎo)通角的變化隨著功率因數(shù)角的變化而變化；４、在matlab/simulink環(huán)境下搭建仿真模型，仿真過程中分頻時(shí)間變換函數(shù)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，各模塊的輸出輸入類型不同，需要加入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊。6.全文總結(jié)5、對(duì)電子式軟起動(dòng)和分級(jí)變頻軟起動(dòng)進(jìn)行了諧波分析。電子式軟起動(dòng)在120°導(dǎo)通角時(shí)，電流比為2.3，轉(zhuǎn)矩比為1.6。對(duì)于分級(jí)變頻軟起動(dòng)方式，求出了2、3、4分頻的諧波電壓三角級(jí)數(shù)表達(dá)式。在前人研究的基礎(chǔ)繪制單相電壓的幅度頻譜和均方根頻譜圖。6、將模糊自適應(yīng)PID斜坡電壓的閉環(huán)控制應(yīng)用于軟起動(dòng)器，設(shè)計(jì)了控制電路、PID控制器，建立了以異步電機(jī)為對(duì)象的近似傳遞函數(shù)的模糊PID控制模型，通過仿真得出了自適應(yīng)模糊PID具有更好的魯棒性、穩(wěn)定性的結(jié)論；設(shè)計(jì)了以S87C196MH為核心控制芯片的分級(jí)變頻軟起動(dòng)器。6.全文總結(jié)及展望

本文立足于水利行業(yè)泵站智能化改造中電機(jī)軟起停技術(shù)的應(yīng)用，論述了電子式軟起動(dòng)和分級(jí)變頻軟起動(dòng)的原理、控制方法和實(shí)現(xiàn)方法，但是本文還有一些工作有待進(jìn)一步研究和提升。（1）本文提出了基于功率因數(shù)調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制抑制“水錘”的方法，該方案的建模仿真需要進(jìn)一步研究和探討，功率因數(shù)角的