基于SVPWM的軟起動器研究

陳景文， 張 東

(陜西科技大學 電氣與信息工程學院， 陜西 西安 710021)

基于SVPWM的軟起動器研究

陳景文， 張 東

(陜西科技大學 電氣與信息工程學院， 陜西 西安 710021)

傳統的基于電動機穩態數學模型的調壓調速軟起動器在啟動電動機方面普遍存在著起動轉矩小但電流大，且起動轉矩和起動電流非線性的情況.為此，提出了一種以變頻調速理論為基礎，以電壓空間矢量(SVPWM)原理為實現方法，并在深入研究這種以定子磁鏈軌跡為控制手段和方法的基礎上，設計了一種六邊形磁鏈軌跡的電壓空間矢量控制策略的新型軟起動器.使電壓/頻率比值相對穩定，保證電機主磁通穩定，在獲得較大起動轉矩的同時，又保證較小的起動電流.最后對所設計的裝置進行了相應的實驗測試，測試結果驗證了該控制策略的正確性和有效性.

電壓空間矢量； 軟起動； 控制策略； 系統研究與設計

0 引言

迄今為止，交流異步電機仍然是重要的機電能量轉換設備，消耗工業電能的50%以上.二十世紀60年代開始使用傳統的定子電阻/電抗頻敏變阻器軟起動，水阻液阻軟起動等降壓起動方法，但起動效果和特性都不佳.二十世紀70年代開始進入電力電子器件的快速發展時期，晶閘管移相觸發開始使用于降壓軟起動(即電子軟起動器)，該方法屬于調壓調速控制原理，與傳統軟起動相比有體積小、動作快等優點，但是調壓軟起動存在轉矩小、電流大等問題.二十世紀80年代，變頻技術開始發展成熟，其除可以控制電機的調速運行外，也完美的解決了異步電機的起動問題，但由于存在切換時電流突變的現象，到目前為止難以解決變頻到工頻的切換問題[1-3].

為提高異步電機起動轉矩、降低起動電流.國外有人率先提出了離散變頻軟起動.其原理是在晶閘管軟起動控制的基礎上，通過控制導通的周波數和每個工頻周期內導通電壓的波形來實現電動機的軟起動控制.它在原理上屬于變頻調速，但在技術路線上由于采用現有周波取樣的方法雖然能夠適當提高起動轉矩，但存在諧波含量高電流仍然比較大等問題[4,5].

綜上所述，目前軟起動技術都存在著大電流、小轉矩的根本問題.這是基于調壓調速的基本原理所導致的，而離散變頻軟起動技術雖然在增加轉矩方面有一定的理論依據和實驗數據，但是由于其工作原理和電機自身的特點，在產生旋轉磁場和抑制諧波方面又帶了負序磁場過大，諧波電流過高等問題，在解決需要高起動轉矩和低起動電流的應用方面其理論和技術的貢獻度有限[6-8].針對這種狀況，在大量的試驗和剖析的基礎上，作者提出了一種基于電壓空間矢量的軟起動器控制原理和實現方法.

1 電壓空間矢量軟起動器的控制實現方法和策略

本文提到的基于電壓空間矢量的軟起動器，借鑒了SVPWM的思想即使電機定子產生圓形磁場，但又不同于通常提到的SVPWM，通常所說的電壓空間矢量控制是針對三相橋式電路拓撲結構提出的.其供電電源通常是直流的電壓源或電流源，通過控制三組橋臂的六只開關管，使其產生8種組合，從而實現了空間上的8種電壓矢量[9-11].而磁場可以近似等于電壓的積分，因此也會在電機的定子產生8種磁鏈矢量，通過組合產生近似的圓形磁場.

而本文的電壓空間矢量是基于交流電源的三相晶閘管調壓電路拓撲結構提出的，在電路拓撲結構上不同于SVPWM，最終控制及實現方式上也區別于SVPWM[12-14].由于本文采用半控型器件晶閘管，其自身不能控制關斷只能在自然換向點處關斷.因此本文選用控制電源的部分電壓導通，在下一個周期再依次導通部分電壓，從而實現電壓矢量的控制.并通過控制時間間隔來實現電機定子磁場的旋轉速度，實現變頻功能.

1.1 基于正弦波電壓的空間矢量軟起動器矢量分布分析

迄今為止電壓空間矢量控制理論的應用幾乎都是以三相對稱交流或直流供電條件下實現.在對稱交流電源供電下，定子磁鏈的大小和旋轉方向由電源的幅值和頻率確定，穩態下電機的磁鏈軌跡為圓；采用直流供電時，在電壓空間矢量控制下形成由一個多邊形組成的近似圓形電機磁鏈軌跡[15-18].這兩種控制方法和原理已經成功的應用于現存的各種交流變頻調速系統，在理論上是成熟的，在方法上也是比較完善的.而本文所要研究的所謂正弦兩相交變供電是指由于對電機施加的是取自交流電網的某時段的正弦電壓，并根據一定規則加載到電機兩相繞組上，這相當于加在電機繞組上的電源既不是對稱三相，也不是直流母線上三相逆變橋.

基于正弦波電壓空間矢量軟起動器實現以感應電機定子獲得圓形磁鏈軌跡為目標，以交替使用不同的電壓空間矢量為手段實現.為獲得電動機轉子正六邊形磁鏈軌跡，在一個正弦周期內有選擇地單獨觸發某兩相得到一個線電壓，每個線電壓結束后間隔tg=(7π/6+α)/ω1，α為觸發角，七個周期獲取六個線電壓依次作用于定子兩端就會在轉子產生一個六邊形旋轉磁鏈，調節α來改變線電壓大小以完成對電動機恒Es/f控制.6個線電壓構成一個旋轉周期，頻率50/7≈7.14Hz.以感應電機為星型接法情況做研究，電壓空間矢量軟起動控制策略參照圖1，具體步驟如下：

(1)以每個電壓矢量中相對偏正的相電壓為參考電壓，相電壓的最近過零點即為該電壓矢量的零參考點，即圖1中的每個矢量觸發前的實心點.如以A相過零上升沿為觸發角零點，當ω1t=α1時同時觸發A、C相，導通電壓為UAC，電流過零時自然關斷.

(2)由控制器控制可控硅導通間隔時間tg(此時可認為插入開路零電壓矢量)，后再觸發導通UBC,依此循環觸發形成UAC-UBC-UBA-UCA-UCB-UAB-UAC的六邊形電壓空間矢量.

圖1 電壓空間矢量7.14 Hz控制下的三相電壓導通波形圖

基于正弦波電壓空間矢量軟起動器以開環的控制策略為手段，通過程序控制晶閘管導通情況如圖2所示，使得電機兩端定子電壓空間矢量按照六邊形規律變化.

圖2 電壓空間矢量7.14 Hz控制下的三相電源波形圖

1.2 電壓空間矢量軟起動器實現方法和控制策略研究

基于電壓空間矢量的軟起動器研究采用電壓空間矢量的控制算法在調節電源頻率的同時，也調節了電源電壓.并使電壓/頻率比值相對穩定，保證電機主磁通穩定，在獲得較大起動轉矩的同時，起動電流又不致過大.基于電壓空間矢量的軟起動器采用六邊形、十二邊形等多邊形磁鏈軌跡控制(6邊形軌跡可以采用可控硅等半控器件實現，12邊形則必須使用全控性器件)，使磁鏈軌跡接近圓形，可以起動帶有一定負載或較大慣性負載的電動機，而電流保持在相對較小的值.

圖3為所應用的主電路結構.以7.14Hz時六邊形的磁鏈軌跡控制為例子，具體電壓調節實施方式如下.

如圖2所示為電壓空間矢量控制的三相電源波形圖.該圖是以α為90 °觸發為例來說明的，其中t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7對應不同的晶閘管觸發時刻，陰影部分表示導通的時間.

每次觸發晶閘管時，可以通過調節觸發角α的大小來調節電壓大小，由于電壓空間矢量控制的周期為50/7≈7.14 Hz，結合前面的電壓調節，可以保持恒定的電壓/頻率比，即保持電機主磁通恒定.待電機達到7.14 Hz以及輸出相應電壓后，可以按同樣的方法將電源頻率分別調節至10 Hz、12.5 Hz、16.7 Hz、25 Hz等，待電機達到該頻率以及輸出相應電壓后再接入工頻電源，繼續按調壓方式或限流的方式不斷增大起動電壓，直至電機起動完成；也可在電機達到7.14 Hz以及輸出相應電壓后，直接接入工頻電源，繼續按調壓方式或限流方式不斷增大起動電壓，直至電機起動完成.

圖3 電壓空間矢量軟起動器主電路

2 電壓空間矢量軟起動控制策略仿真分析

上一節主要是對電壓空間矢量軟起動從理論上進行分析，并用圖解法分析了電壓空間矢量軟起動器.下面主要根據上文電壓空間矢量軟起動器理論分析內容，利用MATLAB中SIMULINK工具箱對電壓空間矢量控制策略的軟起動建模和仿真.

仿真中所用的電源電壓為：

2.1 仿真參數

按照軟起動原理圖，利用MATLAB仿真軟件SIMULINK工具箱搭建其仿真模型.仿真參數設置如下：三相交流電源為U1=380 V、頻率f1=50 Hz，異步電動機額定功率P=15 Kw、額定電壓Ue=380 V、額定頻率fe=50 Hz，額定電流Ie=28.5 A，額定負載轉矩Te=100 N·m.

2.2 電壓空間矢量軟起動仿真分析

依據上面提出的參數，對電壓空間矢量軟起動控制過程的分析，仿真結果如圖4所示.圖4為在電壓空間矢量控制下的A相定子電流波形、轉子轉速曲線、電磁轉矩瞬時值.由圖4可見，定子電流是隨著定子電壓斷續而斷續的，電動機剛起動時由于靜態負載轉矩比較大且電動機需要加速起動，所以剛開始起動電流比較大，此時電動機的電磁轉矩是脈動不連續的，單次脈動轉矩較大斷續時間也等于tg，由前面分析知tgmax=23.3 ms，tgmin=13.3 ms根據電動機電磁場理論，定子斷電瞬間轉子繞組內電流不等于0，電流在定子回路內按電路時間常數衰減，若斷電時間很短，忽略衰減過程，則感應電機將在連續磁場中穩定運行.

圖4 電壓空間矢量控制下定子電流、轉子轉速、電磁轉矩

此時感應電機帶80%負載起動，起動過程電流瞬時值最大為308A，有效值最大為105A，0.2s后待電動機進入7.14Hz的穩態運行電流減小到45A，約為額定電流的1.5倍；從整體來看起動過程瞬間脈動電流較大，也較斜坡升壓減小24.5%，只是穩態運行時的額定電流較50Hz時大了50%，所以此時的7.14Hz不能長時間運行，只能作為短時調速或電動機起動過程.基于電壓空間矢量的軟起動控制方法是以電動機定子磁鏈為被控對象，以獲得轉子六邊形磁鏈軌跡為目的設計的控制算法.按磁鏈軌跡的控制算法使得電動機轉子加速更平滑，運行更加穩定.

圖5為感應電機按電壓空間矢量六邊形磁鏈軌跡控制下的轉子磁鏈.電動機靜止時感應電機轉子磁鏈按六邊形軌跡增加，隨著轉速的上升感應電動機轉子磁鏈軌跡開始螺旋增大趨近于圓形.因為磁鏈在感應電機電壓斷續tg時間內是按電路時間常數衰減的，即為圖5中的波浪線，斷電時間內就是磁鏈凹進入的時間，待電機又通電后磁鏈開始加速，即為磁鏈曲線外凸的過程.

圖5 電壓空間矢量控制下六邊形定子磁鏈軌跡

3 基于電壓空間矢量軟起動器研發

由于電壓空間矢量軟起動器硬件系統是強電和弱電相互結合的系統，為了防止強弱電間的干擾，硬件系統必須進行隔離設計.

本系統選用高性能32位芯片STM32作為主控制器.該軟起動器硬件包括兩部分，分別是主回路和控制回路.以stm32為主控制器，Altera公司的EPM240T100C5N-CPLD可編程邏輯器件作為輔助控制芯片，選用紅外遙控的方式進行操作設計等.

3.1 系統整機設計

圖6為系統框圖.主要由反并聯晶閘管主回路、脈沖觸發產生模塊、電壓電流檢測模塊等幾部分組成.其中缺相、相序檢測構成電壓檢測部分，STM32控制芯片接收到檢測信息后產生控制信號，形成觸發脈沖序列.

圖6 整機設計圖

該閉環系統的核心是STM32微控制器，當R相電壓，VRN下降沿時，電壓檢測到過零檢測器(ZCD)電路的數字脈沖，此脈沖輸入到微控制器STM32.通過STM32微控制器中產生六路觸發脈沖序列，通過晶閘管改變電源電壓幅值，達到控制電機起動電流和轉矩的目的.

3.2 硬件設計

軟起動器硬件電路設計是整個系統設計開發過程當中的關鍵環節，也是整個系統能安全可靠工作的前提.電壓同步檢測，電壓過零檢測、缺相和相序檢測；電流檢測；控制及運行參數的設置和顯示；采集外部輸入信號.

(1)主控模塊：為STM32及其外圍電路.完成信號檢測、判別、處理與控制，與遙控進行通訊等.

(2)輔助控制模塊：以CPLD為中樞，實現對STM32的控制信號濾波，發出對應觸發脈沖序列，給出旁路輸出及故障報警等信號.

(3)電流檢測模塊：檢測電流實現過流保護和限流作用.

(4)晶閘管觸發系統：產生正確的觸發脈沖保證晶閘管的可靠觸發是整個系統工作的前提.

3.3 系統的軟件設計

軟件運行過程主要有：上電后進行程序初始化，初始化完成后，系統首先進行自我檢測，檢查是否存在如：缺相、相序錯誤等故障，若有故障停機檢修，排除故障，給出準備信號.讀入基于正弦波電壓空間矢量的起動方式，對各參數的整定值進行采樣，根據給定的初始電壓、電流值的大小確定晶閘管起始觸發角.判斷起動是否開始，調用起動程序，判斷起動是否完成，若完成則吸合交流接觸器，進行數據采集處理及顯示，同時在運行過程中進行檢查，若發現故障則直接停車，反之，則讀入設定停車方式.若起動未完成則進一步判斷相應參數是否需要調整，根據調整后的參數進行起動.

由于篇幅有限，主要就主程序的設計作一詳細說明，電壓空間矢量軟起動主程序，作為控制系統的大腦，對控制系統的各個子程序的行為起到指揮和調配作用.本設計中主程序如圖7所示，雖然其結構看似簡單，但是其是整個控制系統的靈魂，重要性無可替代.下面詳細介紹其工作過程.

圖7 系統總流程圖

首先在控制系統上電后，要對主控制芯片內部的各個寄存器、外部的各個引腳進行上電初始化初始化操作；然后運行一系列的系統檢測子程序，達到故障自檢測的目標，通過讀取各個對應引腳的參數，來判斷當前電動機所處環境是否可以進行起動，這一階段運行的子程序主要有通過檢測電壓、電流相序.未接通三相電網電壓前LCD上會一直顯示缺相，直到接通三相電后才會進行端口的信號檢測.如果檢測結果符合電動機起動，就會進入到鍵掃描環節，此環節用于監測到一旦有人工輸入的控制信號通過紅外遙控輸送至控制系統，則可以進入到鍵處理環節，再由相關子程序對輸入的控制信號進行運算處理，等待開始起動；如果檢測子程序輸出的檢測結果不符合電動機起動，則會進入運行中的狀態參數顯示和突發故障及時處理環節，在故障處理完成后重新檢測是否符合電動機起動的條件.系統運行過程中系統的電壓、電流等參數會實時顯示，供操作人員參考；對系統運行時的突發故障，故障檢測程序將及時做出顯示并處理.

4 電壓空間矢量軟起動器樣機測試結果

在實驗室分別對斜坡升壓軟起動、電壓空間矢量控制軟起動做了測試實驗，測試實驗條件如下：三相AC電源U=380 V、f=50 Hz，電機型號為22KWJO2、轉動瞬間的電流Is=88 A，磁粉制動負載，UT207A數字鉗形表，記錄示波器，萬用表.具體的實驗數據如表1所示.

表1 樣機測量數據

根據表1中數據看出，本文中所研究的空間電壓矢量型軟啟動器最大的優勢在于可以帶載啟動，這與目前市場上的主流軟啟動器產品只能空載或輕載(10%負載率以下)啟動形成鮮明的對比，作者所設計的軟啟動器最大可帶30%額定負載啟動，并且隨著研究的深入還有提升的空間，前景很樂觀.

5 結論

本文所提的電壓空間矢量控制策略與現行的理論依據有所不同，是以變頻調速為基礎理論依據，以電壓空間矢量原理為實現方法.依據這種方法，實現了以往軟起動器所不能實現的高起動轉矩和低電流的目標.這種以定子磁鏈軌跡為控制手段和方法的軟起動器控制方法在理論上對于軟起動器控制來說是全新的控制策略.通過電壓空間矢量軟起動器轉子靜止時電機定子電流動態和穩態分析，提出電壓空間矢量軟起動器的控制策略，然后通過仿真對比，對本文所提方法正確性和可行性進一步驗證；最后通過對電壓空間矢量軟起動器進行相應的軟硬件開發，實際電路測試和帶電機實驗，驗證了模型的正確性和理論的有效性.

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【責任編輯：陳 佳】

The research of soft starter based on SVPWM

CHEN Jing-wen, ZHANG Dong

(College of Electrical and Information Engineering, Shaanxi University of Science & Technology, Xi′an 710021, China )

The traditional regulating speed and voltage soft starter based on motor steady-state mathematical model are universal existence in starting torque is small but large current,and the starting torque and starting current nonlinear.Therefore,this paper puts forward a kind of the variable frequency theory as the foundation,based on the theory of voltage space vector (SVPWM) method,and the further study of the stator flux linkage locus as control means and methods,on the basis of design a hexagon flux trajectory of voltage space vector control strategy of a new type of soft starter.The voltage/frequency ratio is relatively stable,the main magnetic flux of motor is stable,at the same time,to achieve a larger starting torque and ensure low starting current.Finally has carried on the corresponding to the designed device experimental test,the test results verify the correctness and effectiveness of the control strategy.

SVPWM; soft start; control strategy； system research and design

2016-10-10 基金項目：國家自然科學基金項目(51577110)； 陜西省科技廳工業科技攻關計劃項目(2015GY074)

陳景文(1978-)，男，內蒙古赤峰人，副教授，研究方向：電力電子與電力傳動

1000-5811(2017)02-0171-06

TM921.2

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