一種12邊形空間電壓矢量控制軟啟動(dòng)器及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種12邊形空間電壓矢量控制軟起動(dòng)器及其控制方法。其以三相交流電源供電，用四只全控型器件和十八只二極管在微控制器的控制下組成12邊形空間電壓矢量控制電路，通過這些器件可以控制異步電動(dòng)機(jī)的定子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)頻率，根據(jù)每個(gè)電壓周期12邊形的空間電壓矢量連續(xù)走i（i=1，2，3，4，5，6）步后經(jīng)過一個(gè)電壓周期再走i步，直到走完一個(gè)完整的12邊形空間電壓矢量，則對(duì)50Hz電源進(jìn)行了12/i分頻，其頻率為50*i/12（Hz）。最終其定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的頻率從4.17Hz開始，每次增加50/12Hz=4.167Hz，直到增加至25Hz后轉(zhuǎn)入調(diào)壓調(diào)速，即進(jìn)入50Hz，從而保證在較小的電流下電動(dòng)機(jī)能正常起動(dòng)。
【專利說明】一種12邊形空間電壓矢量控制軟啟動(dòng)器及其控制方法
[0001]【技術(shù)領(lǐng)域】
本發(fā)明涉及一種交流異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)裝置，具體為一種12邊形空間電壓矢量控制軟起動(dòng)器及其控制方法。
[0002]【背景技術(shù)】
目前，普通軟起動(dòng)器主要采用降壓或限流起動(dòng)，它在電路結(jié)構(gòu)上采用每相串接兩只反并聯(lián)的晶閘管或雙向晶閘管，通過改變每相電壓的導(dǎo)通時(shí)間來實(shí)現(xiàn)降壓起動(dòng)。普通三相晶閘管降壓軟起動(dòng)器通過依次控制六只電力晶閘管的觸發(fā)時(shí)刻，只改變了電壓的有效值而沒有改變電壓的頻率。該方法存在兩個(gè)重要缺點(diǎn)。其一，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，三相交流異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩正比于起動(dòng)電壓的平方，當(dāng)電壓降低時(shí)，轉(zhuǎn)矩以起動(dòng)電壓降低的平方倍數(shù)降低；其二，不能改變定子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，起動(dòng)轉(zhuǎn)差過大；電機(jī)剛起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較低，三相晶閘管降壓起動(dòng)的定子磁場(chǎng)是以同步轉(zhuǎn)速在轉(zhuǎn)動(dòng)，相對(duì)于轉(zhuǎn)速很低的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)差很大，造成電機(jī)起動(dòng)時(shí)反轉(zhuǎn)、抖動(dòng)厲害。
[0003]此外，也有用變頻器作軟起動(dòng)器的，雖然啟動(dòng)效果較好，但變頻器在技術(shù)上屬于交-直-交結(jié)構(gòu)。它首先將三相工頻電源進(jìn)行三相橋式不可控整流，然后對(duì)整流輸出的直流電壓進(jìn)行濾波，最后采用脈沖寬度調(diào)制PWM技術(shù)輸出電壓頻率都可調(diào)的可控交流電。變頻器結(jié)構(gòu)、技術(shù)復(fù)雜，成本較高，在電機(jī)起動(dòng)完成后不容易退出等缺點(diǎn)，因此不易于普及推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的提供通過改變異步電動(dòng)機(jī)定子電壓矢量的旋轉(zhuǎn)頻率及電壓的有效值，從而實(shí)現(xiàn)了變頻起動(dòng)的一種12邊形空間電壓矢量控制軟起動(dòng)器及其控制方法。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為:
一種12邊形空間電壓矢量控制軟起動(dòng)器，其特殊之處在于:由三相交流電源A相、B相、C相為軟起動(dòng)器提供電源0，電源0連接到電力裝置3 S卩，A相連接由電力二極管VDl、VD2、VD3、VD4組成的全橋電路的左側(cè)橋臂，IGBT VTl的C極連接到全橋的正極輸出，E極連接到全橋的負(fù)極端；全橋的另一橋臂連接電動(dòng)機(jī)，B、C相同理進(jìn)行連接，最終由電力裝置3連接到電動(dòng)機(jī)5 ;電動(dòng)機(jī)側(cè)的A、B、C三相同時(shí)連接到高壓吸收電路4的三相整流電路的三個(gè)橋臂，三相整流電路的正極輸出經(jīng)過電阻R連接到一個(gè)IGBT的C極，IGBT的E極連接到三相整流電路的負(fù)極端；主控電路I連接到電源0，采集同步信號(hào)，并將主控電路I的輸出連接到驅(qū)動(dòng)電路2，驅(qū)動(dòng)電路2分別連接到電力裝置3、高壓吸收電路4的IGBT的G極。
[0006]一種12邊形空間電壓矢量控制軟起動(dòng)器，其特殊之處在于:由三相交流電源A相、B相、C相為軟起動(dòng)器提供電源0，電源0連接到電力裝置3即，A相連接由電力二極管組成的全橋電路的左側(cè)橋臂，GTO A極橋的正極輸出，K極連接到全橋的負(fù)極端；全橋的另一橋臂連接電動(dòng)機(jī)，B、C相同理進(jìn)行連接，最終由電力裝置3連接到電動(dòng)機(jī)5 ；電動(dòng)機(jī)側(cè)的A、B、C三相同時(shí)連接到高壓吸收電路4的三相整流電路的三個(gè)橋臂，三相整流電路的輸出經(jīng)過電阻R連接到一個(gè)GTO ;主控電路I連接到電源0，采集同步信號(hào)，并將主控電路I的輸出連接到驅(qū)動(dòng)電路2，驅(qū)動(dòng)電路2分別連接到電力裝置3、高壓吸收電路4的GT0。[0007]上述的一種12邊形空間電壓矢量控制軟起動(dòng)器的控制方法，A相、B相、C相交流調(diào)壓、調(diào)頻以及定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度控制方式為:在一個(gè)電壓周期內(nèi)12邊形空間電壓矢量圖連續(xù)走ii=l，2，3，4，5，6步后經(jīng)過一個(gè)電壓周期再走i步，直到走完一個(gè)完整的12邊形空間電壓矢量，則對(duì)50Hz電源進(jìn)行了 12/i分頻，其頻率為50*i/12Hz ;最終其定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的頻率從4.17Hz開始，每次增加50/12Hz=4.167Hz，直到增加至25Hz，然后進(jìn)行調(diào)壓調(diào)速，頻率為50Hz。
[0008]上述的一種12邊形空間電壓矢量控制軟起動(dòng)器的控制方法，在每個(gè)固定的頻率下，i是不變的，保證12邊形空間電壓矢量的整體對(duì)稱性。
[0009]上述的一種12邊形空間電壓矢量控制軟起動(dòng)器的控制方法，所述的定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的頻率中任選幾個(gè)頻率從小到大進(jìn)行調(diào)節(jié)，最后轉(zhuǎn)入調(diào)壓調(diào)速。
[0010]本發(fā)明采用12邊形空間電壓矢量控制算法在調(diào)節(jié)電源電壓的同時(shí)，也調(diào)節(jié)了電動(dòng)機(jī)定子電源的頻率。并使電壓/頻率比值相對(duì)穩(wěn)定，保證電機(jī)主磁通穩(wěn)定，在獲得較大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的同時(shí)，起動(dòng)電流又不致過大，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)分量也大大減小，起動(dòng)也更加平穩(wěn)。
[0011]【專利附圖】

【附圖說明】:
圖1為以IGBT為全控器件的軟啟動(dòng)電路圖；
圖2為以GTO為全控器件的軟啟動(dòng)電路圖；
圖3為三相電源的電壓矢量圖；
圖4為三相電壓在電動(dòng)機(jī)定子合成的空間電壓矢量圖；
圖5為4.17Hz時(shí)的三相電壓矢量控制圖；
圖6為8.33Hz時(shí)的三相電壓矢量控制圖；
圖7為12.5Hz時(shí)的三相電壓矢量控制圖；
圖8為16.67Hz時(shí)的三相電壓矢量控制圖；
圖9為20.83Hz時(shí)的三相電壓矢量控制圖；
圖10為25Hz時(shí)的三相電壓矢量控制圖。
[0012]具體實(shí)現(xiàn)方式
參見圖1 ;電源A相、B相、C相為軟起動(dòng)器提供電源0，電源0連接到電力裝置3即，A相連接由電力二極管VD1、VD2、VD3、VD4組成的全橋電路的左側(cè)橋臂，IGBT VTl的C極連接到全橋的正極輸出，E極連接到全橋的負(fù)極端；全橋的另一橋臂連接電動(dòng)機(jī)，B、C相同理進(jìn)行連接，最終由電力裝置3連接到電動(dòng)機(jī)5 ；電動(dòng)機(jī)側(cè)的A、B、C三相同時(shí)連接到高壓吸收電路4的三相整流電路的三個(gè)橋臂，三相整流電路的正極輸出經(jīng)過電阻R連接到一個(gè)IGBT的C極，IGBT的E極連接到三相整流電路的負(fù)極端。主控電路I連接到電源0采集同步信號(hào)，并將主控電路I的輸出連接到驅(qū)動(dòng)電路2，驅(qū)動(dòng)電路2分別連接到電力裝置3、高壓吸收電路4的IGBT的G極。
[0013]參見圖2 ;圖2為以GTO為全控器件的軟啟動(dòng)電路圖；由三相交流電源A相、B相、C相為軟起動(dòng)器提供電源0，電源0連接到電力裝置3即，A相連接由電力二極管組成的全橋電路的左側(cè)橋臂，GTO A極橋的正極輸出，K極連接到全橋的負(fù)極端；全橋的另一橋臂連接電動(dòng)機(jī)，B、C相同理進(jìn)行連接，最終由電力裝置3連接到電動(dòng)機(jī)5 ；電動(dòng)機(jī)側(cè)的A、B、C三相同時(shí)連接到高壓吸收電路4的三相整流電路的三個(gè)橋臂，三相整流電路的輸出經(jīng)過電阻R連接到一個(gè)GTO ;主控電路I連接到電源0，采集同步信號(hào)，并將主控電路I的輸出連接到驅(qū)動(dòng)電路2，驅(qū)動(dòng)電路2分別連接到電力裝置3、高壓吸收電路4的GTO。
[0014]參見圖3、圖4 ;本發(fā)明的12邊形空間電壓矢量控制軟起動(dòng)器通過改變異步電動(dòng)機(jī)定子電壓矢量的旋轉(zhuǎn)頻率及電壓的有效值，從而實(shí)現(xiàn)了變頻起動(dòng)。在變頻中保持恒壓頻比，但在低頻時(shí)需對(duì)電壓進(jìn)行一定的補(bǔ)償。本次發(fā)明的頻率變化為50*i/12(Hz)，其中i=l, 2，3，4，5，6。就斬波調(diào)壓調(diào)速而言，正常的50Hz相當(dāng)于電壓矢量在一個(gè)電源電壓周期內(nèi)完整地走了一個(gè)圓可以看做是一個(gè)12邊形，因此在一個(gè)電壓周期內(nèi)只連續(xù)走12邊形的一部分，在下一個(gè)電壓周期接著上次未走完的12邊形繼續(xù)走一部分，這樣在i個(gè)電壓周期內(nèi)完成一個(gè)完整的12變形空間電壓矢量，則相當(dāng)于對(duì)原來的50Hz進(jìn)行了 i分頻。
[0015]第一次:在每個(gè)電壓周期十二邊形走一步，這樣十二個(gè)電壓周期完成一次完整的十二邊形，因此就對(duì)50Hz進(jìn)行了 12分頻，頻率為50/12=4.17Hz ；
第二次:在每個(gè)電壓周期十二邊形連續(xù)走兩步，完成一個(gè)完整的十二邊形需要六個(gè)電壓周期，對(duì)50Hz進(jìn)行了 6分頻，頻率為50/6=8.33Hz ；
第三次:在每個(gè)電壓周期十二邊形連續(xù)走三步，完成一個(gè)完整的十二邊形需要四個(gè)電壓周期，對(duì)50Hz進(jìn)行了 4分頻，頻率為50/4=12.5Hz ；
第四次:在每個(gè)電壓周期十二邊形連續(xù)走四步，完成一個(gè)完整的十二邊形需要三個(gè)電壓周期，對(duì)50Hz進(jìn)行了 3分頻，頻率為50/3=16.67Hz ；
第五次:在每個(gè)電壓周期十二邊形連續(xù)走五步，完成一個(gè)完整的十二邊形需要12/5個(gè)電壓周期，對(duì)50Hz進(jìn)行了 12/5分頻，頻率為50*5/12=20.83Hz (每個(gè)電壓周期走五步，到第三個(gè)電壓周期12邊形只剩下兩步，則走完這兩步后應(yīng)該接著再走三步，這樣就做到了每次都走五步，就整體來看才能是對(duì)稱的；
第六次:在每個(gè)電壓周期十二邊形連續(xù)走六步，完成一個(gè)完整的十二邊形需要兩個(gè)電壓周期，對(duì)50Hz進(jìn)行了 2分頻，頻率為50/2=25Hz ；
第七次:在每個(gè)電壓周期十二邊形連續(xù)走十二步，完成一個(gè)完整的十二邊形需要I個(gè)電壓周期，對(duì)50Hz進(jìn)行了 I分頻，頻率為50/l=50Hz，即轉(zhuǎn)入調(diào)壓調(diào)速。
[0016]每次均以Uab為開始并定義為空間電壓矢量|；，在實(shí)際中電壓有效值需隨頻率變化，但為敘述方便這里暫不考慮電壓有效值問題。
[0017]12分頻:按每個(gè)電壓周期12邊形走一步的方法，參見圖5。在時(shí)刻觸發(fā)Uab電壓，并讓它自然關(guān)斷，這樣到了 ^時(shí)刻相當(dāng)于走了空間電壓矢量I ;過一個(gè)電壓周期后，在
t16時(shí)刻同時(shí)觸發(fā)ITae、玎虹，讓Uab自然關(guān)斷，此時(shí)=，則令I(lǐng)JAe在f17時(shí)
刻關(guān)斷，到％時(shí)刻相當(dāng)于走了空間電壓矢量II ;等到下一個(gè)電壓周期時(shí)，再觸發(fā)Uac ,依次類推在12個(gè)電壓周期正好走完12步，即一個(gè)完整的正12邊形，當(dāng)然，在電壓合成時(shí)會(huì)產(chǎn)生略微的變形，因?yàn)殡m然積分后是相等的，但在瞬`時(shí)卻不相等。就總體而言它的影響不大，所以在以下分析時(shí)忽略它造成的影響。這樣就是對(duì)50Hz進(jìn)行了 12分頻大約為4.17Hz。
[0018]6分頻:每個(gè)電壓周期12邊形連續(xù)走兩步，參見圖6。在時(shí)刻觸發(fā)Uab ,直到它自然關(guān)斷，到4時(shí)刻相當(dāng)于走了空間電壓I, h時(shí)刻Uae持續(xù)導(dǎo)通，并觸發(fā)UAe , i4時(shí)刻關(guān)
【權(quán)利要求】
1.一種12邊形空間電壓矢量控制軟起動(dòng)器，其特征在于:由三相交流電源A相、B相、C相為軟起動(dòng)器提供電源(0)，電源(O)連接到電力裝置(3)8卩，A相連接由電力二極管VD1、VD2、VD3、VD4組成的全橋電路的左側(cè)橋臂，IGBT VTl的C極連接到全橋的正極輸出，E極連接到全橋的負(fù)極端；全橋的另一橋臂連接電動(dòng)機(jī)，B、C相同理進(jìn)行連接，最終由電力裝置(3)連接到電動(dòng)機(jī)(5);電動(dòng)機(jī)側(cè)的A、B、C三相同時(shí)連接到高壓吸收電路(4)的三相整流電路的三個(gè)橋臂，三相整流電路的正極輸出經(jīng)過電阻R連接到一個(gè)IGBT的C極，IGBT的E極連接到三相整流電路的負(fù)極端；主控電路(I)連接到電源(0)，采集同步信號(hào)，并將主控電路(I)的輸出連接到驅(qū)動(dòng)電路(2)，驅(qū)動(dòng)電路(2)分別連接到電力裝置(3)、高壓吸收電路(4)的IGBT的G極。
2.—種12邊形空間電壓矢量控制軟起動(dòng)器，其特征在于:由三相交流電源A相、B相、C相為軟起動(dòng)器提供電源(0)，電源(0)連接到電力裝置(3)即，A相連接由電力二極管組成的全橋電路的左側(cè)橋臂，GTO A極橋的正極輸出，K極連接到全橋的負(fù)極端；全橋的另一橋臂連接電動(dòng)機(jī)，B、C相同理進(jìn)行連接，最終由電力裝置(3)連接到電動(dòng)機(jī)(5);電動(dòng)機(jī)側(cè)的A、B、C三相同時(shí)連接到高壓吸收電路(4)的三相整流電路的三個(gè)橋臂，三相整流電路的輸出經(jīng)過電阻R連接到一個(gè)GTO ；主控電路(I)連接到電源(0 )，采集同步信號(hào)，并將主控電路(I)的輸出連接到驅(qū)動(dòng)電路(2)，驅(qū)動(dòng)電路(2)分別連接到電力裝置(3)、高壓吸收電路(4)的 GTO。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種12邊形空間電壓矢量控制軟起動(dòng)器的控制方法，其特征在于:A相、B相、C相交流調(diào)壓、調(diào)頻以及定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)速度控制方式為:在一個(gè)電壓周期內(nèi)12邊形空間電壓矢量圖連續(xù)走i (i=l，2，3，4，5，6)步后經(jīng)過一個(gè)電壓周期再走i步，直到走完一個(gè)完整的12邊形空間電壓矢量，則對(duì)50Hz電源進(jìn)行了 12/i分頻，其頻率為50*i/12 (Hz);最終其定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的頻率從4.17Hz開始，每次增加50/12Hz=4.167Hz，直到增加至25Hz，然后進(jìn)行調(diào)壓調(diào)速，頻率為50Hz。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種12邊形空間電壓矢量控制軟起動(dòng)器的控制方法，其特征在于:在每個(gè)固定的頻率下，i是不變的，保證12邊形空間電壓矢量的整體對(duì)稱性。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種12邊形空間電壓矢量控制軟起動(dòng)器的控制方法，其特征在于:所述的定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的頻率中任選幾個(gè)頻率從小到大進(jìn)行調(diào)節(jié)，最后轉(zhuǎn)入調(diào)壓調(diào)速。
【文檔編號(hào)】H02P27/04GK103618489SQ201310546393
【公開日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2013年11月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月7日
【發(fā)明者】孟彥京, 周鵬, 陳君, 段明亮, 張陳斌, 陳景文, 謝仕宏, 種馬剛, 劉俊杰 申請(qǐng)人:陜西科技大學(xué), 陜西科達(dá)電氣有限公司