CN107276457A - 一种异步电动机软启动器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种异步电动机软启动器及其控制方法，通过电流检测电路将实际电流信号与预设电机允许的最大电流值相比较输出给控制器，经运算处理输出控制信号，电压过零检测电路从电网线电压中采集的同步电压信号和控制信号输入到六路触发脉冲发生器中产生触发脉冲，触发脉冲通过控制三相晶闸管调压电路，实时的控制电机输入电压，从而实时的控制电机的启动电流，使得电机能够平稳的启动。其技术效果在于：1.具有较好的控制品质，并具有良好的抗干扰能力尤其在恶劣环境中实现高速高精度控制。2.应用自抗扰控制技术，具有超调小，过渡过程短的特点,在很大范围内可以适应对象模型和周围环境的变化,且不影响控制器的控制品质,具有很好的鲁棒性。
Description
技术领域
本发明是一种异步电动机软启动器及其控制方法，特别是一种将自抗扰控制技术应用于控制器中的一种新型电机软启动器，其属于异步电动机启动过程中的一种较先进的软启动器。
背景技术
随着工业化和城市化进展不断推进，经济与社会不断深入发展，能源短缺和环境污染成为目前人类面临的共同难题。
近年来，随着经济的发展，我们对产品的要求越来越高，高质量的产品需要更高的生产工艺，如何使设备在效率最优的情况下，能够工作在更加平稳流畅的环境下，渐渐成为人们普遍关注的问题。
异步电动机作为使用最广泛的电动机，因具备结构简单、价格低廉、坚固耐用、制造方便、很少需要维护和能在恶劣环境下持续运行的优点，在日常生活，尤其是工业生产中得到了广泛的使用，是电能的主要消耗者。当前，大部分工业拖动都是异步电动机，地位显著。然而，电动机的起动特性却一直不理想，传统电机的起动和停止制动方式都存在许多的缺陷。众所周知，电动机的起动电流一般是额定电流的4-8倍，最高可达额定电流的15倍，这对电网、负载机械和电动机都造成巨大冲击，影响电动机及其拖动设备的使用寿命，会造成电网电压突降，直接影响在电网中其它用电设备的正常工作。这样大的电流不仅加重了进线、供电电网以及在电动机前面的开关电器的负荷，而且同时出现的巨大的转矩冲击又会使电动机发出猛烈的冲振，并且也给用作动力传输的辅助设备(例如三角皮带、变速机构)和做功的机械设备带来不可避免的机械冲击。所以，电动机的启动性能对能源保护和社会经济的发展有很重要的意义。
发明内容
发明目的：在于提供一种高性能的异步电动机软启动器。
同时提供了一种异步电动机软启动器的控制方法，它采用一种先进的自抗扰控制技术控制调压装置灵活的改变电机端输入电压，尤其在恶劣环境中可以实现高速高精读的控制效果，根据采集的电机电流变化实时改变定子输入电压，从而限制电机的启动电流达到电机平稳启动的目的。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种异步电动机限流软启动器，由三相晶闸管调压电路，电流检测电路，控制器，电压过零检测电路，六路触发脉冲发生器所构成，所说的三相晶闸管调压电路的输入端与外电网相连，其输出端直接与电机定子端相连，电流检测电路将把电机侧检测到的实际电流信号与预设电机允许的最大电流值相比较输出给控制器，经控制器运算处理输出控制信号，电压过零检测电路从电网线电压中采集电压信号作为同步电压信号，再将控制信号和同步电压信号输入到六路触发脉冲发生器中产生触发脉冲，触发脉冲通过控制三相晶闸管调压电路，实时的控制电机输入电压，从而实时的控制电机的启动电流，使得电机能够平稳的启动。
进一步的，所述的三相晶闸管调压电路是由双向可控硅三相调压电路构成，其电路结构是由三对反并联的晶闸管组成。
进一步的，所述的三相晶闸管调压电路有三路，每路有两个正反晶闸管并联组成。
一种异步电动机限流软启动器的控制方法，包括以下步骤：(1)当电机启动之后，电流检测电路实时的检测电机侧的电流值，并反馈给控制器；(2)控制器根据反馈来的电机实际电流值与预设电机最大电流值相比较，输出控制信号；(3)同时电压过零检测电路从电网侧实时的检测线电压，并作为晶闸管脉冲触发信号的电压同步信号；(4)将控制信号和电压同步信号输出给六路触发脉冲发生器产生触发脉冲；(5)三相晶闸管调压电路根据触发脉冲的变化，实时调节电机的定子端输入电压，从而保证电机侧电流始终维持在预设的最大电流值以下。
进一步的，步骤(1)中，电流检测电路通过传感器将三相电流信号转换成电压信号，再将这个电压信号送入到控制器中作为电流负反馈调节信号，将这个电压信号经三相全波整流、滤波和分压后获得一个直流电压信号，此信号作为系统执行软启动时的电流反馈信号。
进一步的，步骤(2)中的控制器基于自抗扰控制技术，首先将六路触发脉冲发生器和三相晶闸管调压电路作为广义被控对象进行分析,确定被控对象的输入输出量及控制量，然后通过自抗扰控制技术中的跟踪微分器对被控对象的参考输入I1 *安排过渡过程并提取它的微分信号，再通过自抗扰控制技术中的扩张状态观测器对调压装置中的不确定因素和外部干扰进行动态观测与估计，然后通过自抗扰控制技术中的非线性状态误差反馈律来构成系统的控制量，最后在控制过程中对各部分的参数进行调整,最终实现实时控制电机输入电压的目的。
进一步的，步骤(3)中电压同步信号检测电路具有两个功能，其一是采集电压过零时刻作为触发脉冲的同步信号；其二是将三相电压信号变成直流信号，送入控制器起到过压，欠压保护作用。
进一步的，六路触发脉冲发生器用于把控制器发出的控制信号和同步电压信号生成控制序列脉冲进而驱动三相晶闸管调压电路。
本发明的优越性和技术效果在于：1.本发明对于电机这种高度非线性、复杂系统具有较好的控制品质，并具有良好的抗干扰能力尤其在恶劣环境中实现高速高精度控制。2.将自抗扰控制技术用于异步电动机限流软启动器中，具有超调小，过渡过程短的特点,在很大范围内可以适应对象模型和周围环境的变化,且不影响控制器的控制品质,具有很好的鲁棒性。
附图说明
附图1为本发明所涉及一种异步电动机软启动器及其控制方法的总体结构示意图。
附图2为本发明所涉一种异步电动机软启动器及其控制方法中三相晶闸管调压电路图。
附图3为本发明所涉一种异步电动机软启动器及其控制方法的自抗扰控制的原理结构框图。
附图4为本发明所涉一种异步电动机软启动器及其控制方法的硬件结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种异步电动机限流软启动器(见图1)，由三相晶闸管调压电路，电流检测电路，控制器，电压过零检测电路，六路触发脉冲发生器所构成，所说的三相晶闸管调压电路的输入端与外电网相连，其输出端直接与电机定子端相连，电流检测电路将把电机侧检测到的电流信号输出给控制器，控制器将实际电流信号与预设电机允许的最大电流值相比较，输出控制信号，电压过零检测电路从电网线电压中采集电压信号作为同步电压信号，再将控制信号和同步电压信号输入到六路触发脉冲发生器中产生触发脉冲，触发脉冲通过控制三相晶闸管调压电路，实时的控制电机输入电压，从而实时的控制电机的启动电流，使得电机能够平稳的启动。
上述所说的三相晶闸管调压电路由双向可控硅三相调压电路(见图2)构成，其电路结构是由三对反并联的晶闸管组成。交流调压电路主要有相控式调压电路和斩波式调压电路。本文采用相控式调压电路，即利用门极脉冲相位变化来改变输出端电压。相控式调压电路主要是通过改变触发角α的大小以达到改变电机定子侧输入电压的目的。相控式调压电路结构简单，可实现电压平滑控制，响应速度快等优点。
对三相晶闸管调压电路而言，触发信号必须和交流电源的相序和相位差相同，才能保证输出电压对称而且相应的控制范围相同。在电感负载或导通角较小时，保证采用触发角角大于60°的双脉冲或宽脉冲触发电路从而确保晶闸管可靠触发。由于触发脉冲是否能稳定可靠关系到晶闸管能否正常导通，是调压的关键。
触发脉冲顺序，为VT1～VT6依次相差60°，α的起点是从相电压过零点开始，α角移相控制范围是0°～150°，三相桥式全控整流电路和其一样。
1)0°≤α＜60°：三管与两管依次交替导通，每个管导通角为180°-α，但α＝0°时，三管持续导通；
2)60°≤α＜90°：两管导通，每管导通120°；
3)90°≤α＜150°：两管导通与无晶闸管交替导通，导通角为300°-2α。
设UN代表电网相电压的有效值：
其中输入电压UN与触发角α和续流角φ有关。其中续流角φ可近似认为是功率因数角。当我们知道触发角和续流角时，我们可以知道输入电压的有效值，此时我们可以将其等效为有效值为UN的标准正弦电压。
上述所说的电流检测电路通过传感器将三相电流信号转换成电压信号，再将这个电压信号送入到控制器中作为电流负反馈调节信号。将这个电压信号经三相全波整流、滤波和分压后获得一个直流电压信号，此信号作为系统执行软启动时的电流反馈信号。
上述所说的控制器其内部采用先进的自抗扰控制技术(见图3)，通过把检测到的电机电流与预设的最大电流值比较输出控制信号给触发电路，从而实现实时调压。该方法既能对系统模型中的不确定因素和外部干扰进行动态观测,又不影响控制器的控制品质,具有良好的鲁棒性和适应能力。
上述所说的电压过零检测电路和六路触发脉冲发生器采用常规的模块电路组成。
一种异步电动机限流软启动器，其特征在于：包括以下步骤：(1)当电机启动之后，电流检测电路实时的检测电机侧的电流值，并反馈给控制器；(2)控制器根据反馈来的电机实际电流值与预设电机最大电流值相比较，输出控制信号；(3)同时电压过零检测电路从电网侧实时的检测线电压，并作为晶闸管脉冲触发信号的电压同步信号；(4)将控制信号和电压同步信号输出给六路触发脉冲发生器产生触发脉冲；(5)调压装置根据触发脉冲的变化，实时调节电机的定子端输入电压，从而保证电机侧电流始终维持在预设的最大电流值以下。
进一步的，步骤(1)中，电流检测电路通过传感器将三相电流信号转换成电压信号，再将这个电压信号送入到控制器中作为电流负反馈调节信号。将这个电压信号经三相全波整流、滤波和分压后获得一个直流电压信号，此信号作为系统执行软启动时的电流反馈信号。
上述步骤(2)中的控制器基于自抗扰控制技术，首先将六路触发脉冲发生器和三相晶闸管调压电路作为广义被控对象进行分析,确定被控对象的输入输出量及控制量，然后通过自抗扰控制技术中的跟踪微分器(TD)对被控对象的参考输入I1 *安排过渡过程并提取它的微分信号，再通过自抗扰控制技术中的扩张状态观测器(EXO)对调压装置中的不确定因素和外部干扰进行动态观测与估计，然后通过自抗扰控制技术中的非线性状态误差反馈律(NLSEF)来构成系统的控制量，最后在控制过程中对各部分的参数进行调整,最终实现实时控制电机输入电压的目的。
另外，六路触发脉冲发生器用于把控制器发出的控制信号和同步电压信号生成控制序列脉冲进而驱动三相晶闸管调压电路。三相晶闸管调压电路有三路，每路有两个正反晶闸管，要让六个晶闸管按顺序依次导通，选择60°的宽度脉冲，依次向三路发送，这样，每一路的晶闸管就能按照设定的程序进行导通。
附图4给出了发明节能器的硬件结构图，由该附图可知，
通过电流采样电路，将采样回来的电流信号经A/D转换器转换成数字信号，送给单片机进行运算处理，单片机把电流信号与电流期望值比较，经控制器的运算推理输出控制量，产生触发脉冲，控制电机电压，使得电流不超过预设最大值。晶闸管由于击穿电压接近工作电压，热容量又较小，所以承受过电压、过电流能力较差，短时间内的过电压、过电流都可能造成元件损坏。所以必须对过电压、过电流发生的原因加以分析，采取合适的保护措施。为使使用者更便捷的控制电机运行系统，添加了液晶显示器、按键。
总体设计包括主电路部分，控制部分和保护部分。主电路主要有三相晶闸管调压电路组成，控制电路组要由控制器组成。
本发明的工作原理：当电机起动时，将采样回来的电流信号输入到控制器，与电流期望值比较，经控制器的推理运算输出控制量。同步信号检测电源过零点，给单片机外部中断信号，触发定时中断。当定时中断溢出时，给晶闸管触发信号。调压装置根据触发脉冲的变化，实时调节电机的定子端输入电压，从而保证电机侧电流始终维持在预设的最大电流值以下。
Claims (8)
1.一种异步电动机限流软启动器，其特征在于：由三相晶闸管调压电路，电流检测电路，控制器，电压过零检测电路，六路触发脉冲发生器所构成，所说的三相晶闸管调压电路的输入端与外电网相连，其输出端直接与电机定子端相连，电流检测电路将把电机侧检测到的实际电流信号与预设电机允许的最大电流值相比较输出给控制器，经控制器运算处理输出控制信号，电压过零检测电路从电网线电压中采集电压信号作为同步电压信号，再将控制信号和同步电压信号输入到六路触发脉冲发生器中产生触发脉冲，触发脉冲通过控制三相晶闸管调压电路，实时的控制电机输入电压，从而实时的控制电机的启动电流，使得电机能够平稳的启动。
2.根据权利要求1所述的异步电动机限流软启动器，其特征在于：所述的三相晶闸管调压电路是由双向可控硅三相调压电路构成，其电路结构是由三对反并联的晶闸管组成。
3.根据权利要求1所述的异步电动机限流软启动器，其特征在于：所述的三相晶闸管调压电路有三路，每路有两个正反晶闸管并联组成。
4.一种异步电动机限流软启动器的控制方法，包括以下步骤：(1)当电机启动之后，电流检测电路实时的检测电机侧的电流值，并反馈给控制器；(2)控制器根据反馈来的电机实际电流值与预设电机最大电流值相比较，输出控制信号；(3)同时电压过零检测电路从电网侧实时的检测线电压，并作为晶闸管脉冲触发信号的电压同步信号；(4)将控制信号和电压同步信号输出给六路触发脉冲发生器产生触发脉冲；(5)调压装置根据触发脉冲的变化，实时调节电机的定子端输入电压，从而保证电机侧电流始终维持在预设的最大电流值以下。
5.根据权利要求4所述的异步电动机限流软启动器的控制方法，其特征在于：步骤(1)中，电流检测电路通过传感器将三相电流信号转换成电压信号，再将这个电压信号送入到控制器中作为电流负反馈调节信号，将这个电压信号经三相全波整流、滤波和分压后获得一个直流电压信号，此信号作为系统执行软启动时的电流反馈信号。
6.根据权利要求4所述的异步电动机限流软启动器的控制方法，其特征在于：步骤(2)中的控制器基于自抗扰控制技术，首先将六路触发脉冲发生器和三相晶闸管调压电路作为广义被控对象进行分析,确定被控对象的输入输出量及控制量，然后通过自抗扰控制技术中的跟踪微分器对被控对象的参考输入I1 *安排过渡过程并提取它的微分信号，再通过自抗扰控制技术中的扩张状态观测器对调压装置中的不确定因素和外部干扰进行动态观测与估计，然后通过自抗扰控制技术中的非线性状态误差反馈律来构成系统的控制量，最后在控制过程中对各部分的参数进行调整,最终实现实时控制电机输入电压的目的。
7.根据权利要求4所述的异步电动机限流软启动器的控制方法，其特征在于：步骤(3)中电压同步信号检测电路具有两个功能，其一是采集电压过零时刻作为触发脉冲的同步信号；其二是将三相电压信号变成直流信号，送入控制器起到过压，欠压保护作用。
8.根据权利要求4或6所述的异步电动机限流软启动器的控制方法，其特征在于：六路触发脉冲发生器用于把控制器发出的控制信号和同步电压信号生成控制序列脉冲进而驱动三相晶闸管调压电路。
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