一種感應電機軟起動器容錯控制系統的設計*

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、制造業及一些推進牽引行業,如鼓風機、壓縮機、離心泵、電梯、裝配線、運輸和傳送帶系統以及供暖、通風、空調系統等。在其起動過程中，經常采用軟起動器進行起動[1-3]。通過控制三相反并聯晶閘管(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矩脈動，實現無沖擊平滑起動電機，而且可根據電動機負載的特性來調節起動過程中的各種參數，如限流值、起動時間等。但若晶閘管發生故障，系統就會失去軟起動的功能。因此，研發并應用容錯控制技術以提高系統的可靠性，使其在發生故障的情況下，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的設計方法。當任何一相任意一個功率開關器件發生短路或斷路故障時，運用新型拓撲結構并采用閉環控制使得在兩相可控的條件下仍可實現軟起動功能。

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SCR分別與三相定子繞組相連，電阻與電容的串聯組成緩沖電路也分別并聯于每相反向并聯SCR以防止開關瞬變過程造成換相失?。煌脚月烽_關也分別并聯于每相反向并聯SCR，當電機起動完成的瞬間短路三相反向并聯SCR，以減少其承受的熱應力及功率損耗；電壓、電流檢測模塊實現同步過零觸發、控制導通角和同步旁路開關。

圖1 傳統的軟起動拓撲

針對軟起動器系統的故障，目前所研究的有兩種類型[5]，分別是單相反向并聯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矩脈動很大；而SCR斷路時則沒有輸出轉矩，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SCR將被短路并進入容錯控制狀態，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控制的反饋信號用于實現本文所提出的容錯控制算法。與傳統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無驅動信號或者驅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 閉環的兩相控制策略

當故障發生后，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，以產生接近于正常時平衡的三相電流，盡可能的減小轉矩波動。不同的電機其輸出功率不同且負載也不一樣，采用開環控制以產生合適的觸發角度是很難實現的，故采取閉環的兩相控制策略。

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控制，如圖3所示。其中電壓環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調節器，輸出則為軟起動發生過程中由電壓引起的觸發角的變化量；單獨采用電壓環控制，則故障發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矩脈動，在電壓環的基礎上采用了電流環控制。輸入參考信號為檢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控制策略

由此可得，軟起動時a、b相晶閘管的觸發角為

αa=αa0-αaU-αaI

αb=αb0-αbU-αbI

(2)

式中：αa0、αb0——假設故障沒有發生時的兩相初始觸發角;

αaU、αbU——電壓環反饋輸出；

αaI、αbI——電流環反饋輸出。

2 容錯控制設計

根據圖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觸發角和輸出電壓的非線性。由于電壓環和電流環相互獨立，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 電壓環控制

圖6 電流環控制

圖中，Gc_U(s)和Gc_I(s)分別表示電壓環和電流環PI調節器的傳遞函數為

2.1 軟起動器的線性化處理

一個周期內，以a相為例，感應電機相電壓可以表示為[6]：

(4)

式中：φ——功率因數角；

ea、eb、ec——三相繞組產生的感應反電動勢。

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)表征了電壓環和電流環的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 系統的閉環傳遞函數

從圖7可以得到電壓環的開環和閉環傳遞函數，分別為

(9)

從圖8可以得到電流環的開環和閉環傳遞函數，分別為

(10)

2.3 PI調節器的設計

采用對數頻率特性(伯德圖)分別進行電壓環和電流環的參數設計。即根據各個環要求的動態性能或穩定裕度，確定希望的預期對數頻率特性，再和被控對象進行比較，確定調節器的結構及參數[7]。

2.3.1 電壓環的設計

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設計的可行性，利用MATLAB/Simulink進行了仿真。電機模型參數： 額定電壓380V，極對數為2，額定電流為3A，額定轉速1450r/min，額定功率1.2kW，Rs=3.85Ω，Rr=2.57Ω，Lls=17.56mH，Llr=17.56mH，Lm=0.3727H。按照電壓環和電流環設計原則，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)對應三相開環控制，圖7(b)為發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為電機輸出轉矩波形。

圖8 電機啟動轉矩仿真結果

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

4 結 語

本文研究了在感應電機軟起動器發生故障后一種新穎的容錯控制策略，該方法在傳統的軟起動器控制系統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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[7] 阮毅,陳伯時.電力拖動自動控制系統-運動控制系統[M].北京： 機械工業出版社,2009.