适用于重载起动的感应电机软启动器研究

摘要

感应电动机在工业中应用广泛，但起动过程中的冲击电流和冲击转矩却对电网和电动机系统产生不同程度的影响。为了减小冲击、优化起动性能，人们提出了软启动的概念。常规的软启动器，比如晶闸管调压软启动器，是利用减小起动电压的方法来减小起动电流，这种方法虽然限流作用明显而且价格便宜，但是起动电压减小的同时却也引起了起动转矩的更大降落，限制了它在重载起动场合的应用。当前性能最好的软启动器当数变频器软启动器。分析变频器的原理可知，变频器软启动器之所以能够适用于重载起动，是由于它在减小起动电压的同时也降低了起动频率，由电气传动的有关知识可知，电压和频率的同步连续变化可以使气隙磁通基本保持恒定，从而保证了起动转矩。但因变频器所用的大功率IGBT价格昂贵而限制了它的大规模应用。
　　 在分析了变频器软启动性能优于晶闸管调压软启动的原因之后，我们试图用晶闸管代替变频器软启动器中的IGBT，实现变频器的启动效果。但是，晶闸管毕竟不同于IGBT，它的开关频率很低，因而利用正弦波脉冲宽度调制(SPWM)控制方式实现连续变压变频会很困难；而且晶闸管属于半控型器件，它的关断问题一直都是晶闸管电路的难点，再加上起动过程中电机负载的功率因数角变动这一特殊性就更加加重了晶闸管关断难的问题。考虑到以上难点，同时借鉴方波电机的成功经验，我们考虑设计一种以晶闸管为主控器件，可以输出连续变压变频方波的新型软启动器。
　　 这种新型软启动器用两个高压IGBT和六个晶闸管组成混合开关，六只晶闸管实现三相变频功能，用位于母线上的两个IGBT来辅助晶闸管实现关断。同时，IGBT还皆有斩波调压的功能。这样，新型软启动器的输出就可以实现连续变压变频。
　　 新型软启动器的控制方案采用限流软启动方式，电压和频率的变化关系遵循带电压补偿的电压频率协调控制曲线。系统中所有软件保护、驱动信号输出、信号采样等功能的实现均依靠TMS321LF2407A DSP来完成。为了保护的快速有效进行，我们还设计了基于退饱和检测的过电流保护方案。为了保证晶闸管可靠工作，一种更加有效的驱动电路也运用在了我们设计的样机上，实验证明这一新型软启动器的起动性能优于晶闸管调压软启动器，而价格低于变频器软启动器，具有很强的实际应用意义。
　　 最后，对于软启动器切换中出现的过电流冲击问题，我们也给出了两种解决方案。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 感应电机软启动背景

1.2 重载软起动现状

1.2.1 机械类软启动

1.2.2 电子类软启动器

1.3 本课题研究的主要内容

2 新型软启动器原理介绍

2.1 重载软启动原理

2.1.1 感应电机的等效电路

2.1.2 感应电机的起动性能指标

2.1.3 重载软起动原理

2.2 新型软启动器工作原理

2.2.1 新型软启动器原理可行性分析

2.2.2 新型软启动器工作原理分析

2.3 新型软启动器原理仿真

2.3.1 方波起动的仿真分析

2.3.2 晶闸管关断方案的仿真验证

3 新型软启动器系统硬件设计

3.1 主电路参数设计

3.2 TMS320LF2407A DSP芯片概述

3.3 晶闸管驱动电路设计

3.4 IGBT驱动电路设计

3.5 保护电路设计

4 软启动器系统的控制方案及软件实现

4.1 软启动器系统的控制方案

4.2 主程序设计

4.3 限流起动和电压补偿程序设计

4.4 软启动器重载起动控制方案仿真

5 软启动器实验结果

5.1 实验样机

5.2 驱动信号波形

5.2.1 晶闸管驱动信号波形

5.2.2 IGBT驱动信号波形

5.3 软启动器输出线电压、线电流波形

6 软启动器到工频的切换

6.1 新型软启动器切换问题研究

6.2 切换方法一

6.3 切换方法二

7 总结和展望

参考文献

致谢

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