一種感應電機軟起動器容錯控制系統(tǒng)的設計*

程 輝， 楊克立

(1. 河南工程學院 電氣信息工程學院，河南 鄭州 451192；2. 中原工學院 工業(yè)訓練中心，河南 鄭州 450007)

0 引 言

三相感應電機以其顯著的特點廣泛應用于工業(yè)、制造業(yè)及一些推進牽引行業(yè),如鼓風機、壓縮機、離心泵、電梯、裝配線、運輸和傳送帶系統(tǒng)以及供暖、通風、空調(diào)系統(tǒng)等。在其起動過程中，經(jīng)常采用軟起動器進行起動[1-3]。通過控制三相反并聯(lián)晶閘管(Sillicon Controlled Rectifier, SCR)的導通角，不但能在整個起動過程中低成本有效地降低起動電流和減小輸出轉(zhuǎn)矩脈動，實現(xiàn)無沖擊平滑起動電機，而且可根據(jù)電動機負載的特性來調(diào)節(jié)起動過程中的各種參數(shù)，如限流值、起動時間等。但若晶閘管發(fā)生故障，系統(tǒng)就會失去軟起動的功能。因此，研發(fā)并應用容錯控制技術以提高系統(tǒng)的可靠性，使其在發(fā)生故障的情況下，仍能保持平滑起動，降低費用并減少停機時間，不至于造成啟動失敗甚至發(fā)生致命的后果，將具有重要的意義。本文在研究了目前應用軟起動器典型結構的基礎上，提出了一種具有容錯功能的感應電機軟起動器控制系統(tǒng)的設計方法。當任何一相任意一個功率開關器件發(fā)生短路或斷路故障時，運用新型拓撲結構并采用閉環(huán)控制使得在兩相可控的條件下仍可實現(xiàn)軟起動功能。

1 容錯控制策略

1.1 改進的拓撲結構

典型的三相交流感應電機軟起動拓撲結構如圖1所示[4]。三相反向并聯(lián)SCR分別與三相定子繞組相連，電阻與電容的串聯(lián)組成緩沖電路也分別并聯(lián)于每相反向并聯(lián)SCR以防止開關瞬變過程造成換相失敗；同步旁路開關也分別并聯(lián)于每相反向并聯(lián)SCR，當電機起動完成的瞬間短路三相反向并聯(lián)SCR，以減少其承受的熱應力及功率損耗；電壓、電流檢測模塊實現(xiàn)同步過零觸發(fā)、控制導通角和同步旁路開關。

圖1 傳統(tǒng)的軟起動拓撲

針對軟起動器系統(tǒng)的故障，目前所研究的有兩種類型[5]，分別是單相反向并聯(lián)SCR短路和斷路。SCR短路，這導致供給電機的電壓不平衡，很高的起動電流也會致使轉(zhuǎn)矩脈動很大；而SCR斷路時則沒有輸出轉(zhuǎn)矩，電機起動失敗。

本文所提出的拓撲結構如圖2所示。其改進的用于容錯控制的結構有兩點： 一是傳統(tǒng)的同步旁路開關改為三個獨立的分控開關，以便當斷路故障時，故障相的反向并聯(lián)SCR將被短路并進入容錯控制狀態(tài)，而不至于停機造成起動失敗；二是在電機三相定子繞組端增加電壓檢測模塊，所檢測到的電機終端信號作為閉環(huán)控制的反饋信號用于實現(xiàn)本文所提出的容錯控制算法。與傳統(tǒng)的三相交流感應電機軟起動拓撲結構相比，改進的結構并沒有增加太多的硬件設備及附加成本，與采用增加冗余設備以保持故障時不停機的容錯控制策略相比，顯然其更加適合。并且改進的拓撲結構對于單相SCR無驅(qū)動信號或者驅(qū)動電路故障也具有容錯控制能力。

圖2 提出的軟起動拓撲

1.2 閉環(huán)的兩相控制策略

當故障發(fā)生后，故障相不可控，其余兩相可控，本文所設計的改進的拓撲結構仍然會導致供給電機三相電壓不平衡，很容易證明這也會導致三相電流中有負序電流分量，進而引起起動轉(zhuǎn)矩波動。因此本文所設計的控制策略為在可控兩相中采用獨立控制，以產(chǎn)生接近于正常時平衡的三相電流，盡可能的減小轉(zhuǎn)矩波動。不同的電機其輸出功率不同且負載也不一樣，采用開環(huán)控制以產(chǎn)生合適的觸發(fā)角度是很難實現(xiàn)的，故采取閉環(huán)的兩相控制策略。

為方便說明本文以下的研究均以c相為例，先假設c相短路。采用電壓電流雙閉環(huán)控制，如圖3所示。其中電壓環(huán)用來控制其起動的快速性。輸入信號為軟起動時給定電壓信號(為斜坡信號)，和電壓傳感器檢測到正常工作的另外兩相電機繞組的電壓進行比較，采用PI調(diào)節(jié)器，輸出則為軟起動發(fā)生過程中由電壓引起的觸發(fā)角的變化量；單獨采用電壓環(huán)控制，則故障發(fā)生后起動時電機仍然承受不平衡三相交流電，為了得到較小的起動轉(zhuǎn)矩脈動，在電壓環(huán)的基礎上采用了電流環(huán)控制。輸入?yún)⒖夹盘枮闄z測到三相繞組電流和的平均值為

(1)

圖3 容錯控制軟起動的兩相閉環(huán)控制策略

由此可得，軟起動時a、b相晶閘管的觸發(fā)角為

αa=αa0-αaU-αaI

αb=αb0-αbU-αbI

(2)

式中：αa0、αb0——假設故障沒有發(fā)生時的兩相初始觸發(fā)角;

αaU、αbU——電壓環(huán)反饋輸出；

αaI、αbI——電流環(huán)反饋輸出。

2 容錯控制設計

根據(jù)圖3可以畫出容錯控制方框圖，如圖4所示。圖中，u=f(α)用來表征起動過程中α觸發(fā)角和輸出電壓的非線性。由于電壓環(huán)和電流環(huán)相互獨立，可采取單獨控制策略，如圖5和圖6所示。

圖4 容錯控制框圖

圖5 電壓環(huán)控制

圖6 電流環(huán)控制

圖中，Gc_U(s)和Gc_I(s)分別表示電壓環(huán)和電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)為

2.1 軟起動器的線性化處理

一個周期內(nèi)，以a相為例，感應電機相電壓可以表示為[6]：

(4)

式中：φ——功率因數(shù)角；

ea、eb、ec——三相繞組產(chǎn)生的感應反電動勢。

軟起動過程中近似認為ea=eb=ec≈0。

uug、uvg、urg分別為三相交流電源電壓。其中：

uug(t)=Umcos(ωt)

(5)

把式(4)和式(5)代入(6)，有：

(7)

即式(7)表征了電壓環(huán)和電流環(huán)的αU和αI的計算方法。

由式(7)可知，若αU和αI已定，則可以唯一確定U和二者的關系。亦即可以線性化處理得到：

(8)

2.2 系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)

從圖7可以得到電壓環(huán)的開環(huán)和閉環(huán)傳遞函數(shù)，分別為

(9)

從圖8可以得到電流環(huán)的開環(huán)和閉環(huán)傳遞函數(shù)，分別為

(10)

2.3 PI調(diào)節(jié)器的設計

采用對數(shù)頻率特性(伯德圖)分別進行電壓環(huán)和電流環(huán)的參數(shù)設計。即根據(jù)各個環(huán)要求的動態(tài)性能或穩(wěn)定裕度，確定希望的預期對數(shù)頻率特性，再和被控對象進行比較，確定調(diào)節(jié)器的結構及參數(shù)[7]。

2.3.1 電壓環(huán)的設計

設計的原則如下：

(1) 穿越頻率fc=400Hz；

(2) 相位裕量φ=120°

由此可以得出：

(11)

2.3.2 電流環(huán)的設計

設計的原則如下：

(1) 穿越頻率fc=400Hz；

(2) 相位裕量φ=90°

由此可以得出

(12)

3 仿真結果

為了驗證文章所提出的控制策略和容錯控制系統(tǒng)設計的可行性，利用MATLAB/Simulink進行了仿真。電機模型參數(shù)： 額定電壓380V，極對數(shù)為2，額定電流為3A，額定轉(zhuǎn)速1450r/min，額定功率1.2kW，Rs=3.85Ω，Rr=2.57Ω，Lls=17.56mH，Llr=17.56mH，Lm=0.3727H。按照電壓環(huán)和電流環(huán)設計原則，畫出各自應的伯德圖，得出kp_U≈0.0013，ki_U=7.27，kp_I=0.3，ki_I=32.3。

電機電流波形如圖7所示。

圖7 電機電流仿真結果

其中，圖7(a)對應三相開環(huán)控制，圖7(b)為發(fā)生故障后的兩相控制輸出波形，由圖可以看出故障后起動電流不平衡，圖7(c)為容錯控制下的輸出電流波形，和圖7(b)相比，在故障發(fā)生后，起動電流仍能趨于平衡，可以獲得較好的起動性能。

圖8為電機輸出轉(zhuǎn)矩波形。

圖8 電機啟動轉(zhuǎn)矩仿真結果

其中圖8(a)對應三相開環(huán)控制，起動平穩(wěn)；圖8(b)為發(fā)生故障后的兩相控制輸出波形，可以看出故障后起動轉(zhuǎn)矩波動很大，起動不平穩(wěn)，圖8(c)為容錯控制下的輸出電流波形，和圖8(b)相比，在故障發(fā)生后，起動轉(zhuǎn)矩波動較小，起動較平穩(wěn)。

4 結 語

本文研究了在感應電機軟起動器發(fā)生故障后一種新穎的容錯控制策略，該方法在傳統(tǒng)的軟起動器控制系統(tǒng)的基礎上進行了硬件電路改造。詳細介紹了控制器的設計，并進行了仿真驗證。結果表明，故障發(fā)生后新的控制方式仍然可以獲得良好的輸出性能，達到軟起動的目的。

【參考文獻】

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