一種用于軟起動的電壓空間矢量控制裝置及其控制方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于軟起動的電壓空間矢量控制裝置及其控制方法。目前軟起動技術存在著起動電流大、啟動轉矩低的問題，而變頻器軟啟動有存在工頻切換難以實現的不足。本發明以三相交流電源供電，用六只電力門極可關斷晶閘管GTO反并聯，續流回路采用一只絕緣柵雙極型晶體管IGBT，在微控制器的控制下組成電壓空間矢量控制電路，電流互感器用于將三相電流信號傳遞給微控制器用于限流起動和電流監測。在微控制器的控制下，對三相交流異步電動機的A相、B相、C相供電電源進行交流調壓、調頻控制，用電壓空間矢量控制策略實現交流電機六邊形磁鏈軌跡控制，控制裝置在使電壓/頻率比值相對穩定，保證電機主磁通穩定。
【專利說明】一種用于軟起動的電壓空間矢量控制裝置及其控制方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明專利涉及一種用于軟起動的電壓空間矢量控制裝置及其控制方法。
【背景技術】
[0002]目前，普通軟起動器主要采用三相晶閘管降壓起動，它在電路結構上采用每相串接反并聯的兩只晶閘管或雙向晶閘管，通過改變每相電壓的導通時間來實現降壓起動。普通三相晶閘管降壓軟起動器通過依次控制六只電力門極可關斷晶閘管GT0的觸發時刻，將三相工頻交流電波形變成圖3中陰影部分，在改變電壓的同時不能改變電源頻率。該方法存在兩個重要缺點。其一，起動轉矩小，三相交流異步電動機起動轉矩正比于起動電壓的平方，當電壓降低時，轉矩以起動電壓降低的平方倍數降低；其二，不能改變定子磁場的轉速，起動轉差過大；電機剛起動時，轉子轉速較低，三相晶閘管降壓起動的定子磁場是以同步轉速在轉動，相對于轉速很低的轉子，轉差很大，造成電機起動功率因數低，電流大，轉矩小，無法實現帶載起動。
[0003]變頻器也有被用作軟起動器的，雖然效果較好，但變頻器在技術上屬于交-直-交結構。它首先將三相工頻電源進行三相橋式不可控整流，然后對整流輸出的直流電壓進行濾波，最后采用脈沖寬度調制(PWM)技術輸出電壓頻率都可調的可控交流電。變頻器結構、技術復雜，成本較高，不易于普及推廣，同時存在切換時的電流突變現象，目前為止難以解決變頻到工頻的切換問題。
[0004]綜上所示，目前軟起動技術存在著起動電流大、啟動轉矩低的問題,而變頻器軟啟動有存在工頻切換難以實現的不足。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供有一種用于軟起動的電壓空間矢量控制裝置及其控制方法，本發明采用電壓空間矢量控制算法在調節電源電壓的同時，也調節了電源的頻率；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，采用六邊形磁鏈軌跡控制，使磁鏈軌跡接近圓形，可以啟動帶有一定負載或較大慣性負載的電動機，而電流保持在較小的值。
[0006]為實現上述目的，本發明采用的技術方案為:
一種用于軟啟動的電壓空間矢量控制裝置，其特殊之處在于:A相、B相、C相供電電源0上有A、B、C三相，A相與晶閘管1、4相連，B相與晶閘管3、6相連，C相與晶閘管5、2相連，六只電力門極可關斷晶閘管GT01、2、3、4、5、6中，1和4，3和6，5和2兩兩反并聯，晶閘管GT01、4與電流霍爾傳感器8相連，晶閘管GT03、6與電流霍爾傳感器9相連，晶閘管GT05、2與電流霍爾傳感器10相連，電流霍爾傳感器8與三相交流異步電動機11的A相相連，電流霍爾傳感器9與三相交流異步電動機11的B相相連，電流霍爾傳感器10與三相交流異步電動機11的C相相連，續流回路12與三相交流異步電動機11的A相、B相、C相相連，續流回路12采用一只絕緣柵雙極型晶體管IGBT和整流橋構成，微控制器7與晶閘管GT01、2、3、4、5、6的控制端、續流回路12中IGBT的控制端相連。
[0007]上述的一種用于軟啟動的電壓空間矢量控制裝置的控制方法，其特殊之處在于:A相、B相、C相交流調壓、調頻以及六邊形磁鏈軌跡控制方式為:當A相過零點角度為α時，α < 90° ,對應&時刻，由微控制器7同時給晶閘管6、1發送觸發信號,Α相正半周和B
相的負半周導通，導通一段時間后，對應4時刻，由微控制器7同時給晶閘管6、1發送關斷信號，從丨到< 電機電壓為?-;再經過一段時間，對Ef時刻，由微控制器7同時給晶閘管1、2發送觸發信號，A相正半周和C相的負半周導通，導通一段時間后，對應f時刻，由微控制器7同時給晶閘管1、2發送關斷信號，從^2到4電機電壓為;再經過一段時間，對應(時刻，由微控制器7同時給晶閘管3、2發送觸發信號，B相正半周和C相的負半周導通，導通一段時間后，對應時刻，由微控制器7同時給晶閘管3、2發送關斷信號，從f
到4電機電壓為;再經過一段時間，對應14時刻，由微控制器7同時給晶閘管3、4發送觸發信號，B相正半周和A相的負半周導通，導通一段時間后，對應4時刻，由微控制器7同
時給晶閘管3、4發送關斷信號，從到< 電機電壓為;再經過一段時間，對應4時刻，由微控制器7同時給晶閘管5、4發送觸發信號，C相正半周和A相的負半周導通，導通一段時間后，對應4時刻，由微控制器7同時給晶閘管5、4發送關斷信號，從到4電機電壓為‘
;再經過一段時間，對應&時刻，由微控制器7同時給晶閘管5、6發送觸發信號，C相正半周
和Β相的負半周導通，導通一段時間后，對應4時刻，由微控制器7同時給晶閘管5、6發送
關斷信號，從4到4電機電壓為;再經過一段時間，對應時刻，由微控制器7同時給晶
閘管1、6發送觸發信號，A相正半周和B相的負半周導通，導通一段時間后，對應4時刻，由
微控制器7同時給晶閘管1、6 發送關斷信號，從到4電機電壓為;Β相和C相的控制方法與Α相的控制方法原理相同。
[0008]上述的一種用于軟啟動的電壓空間矢量控制裝置的控制方法，其特殊之處在于:一種用于軟啟動的電壓空間矢量控制裝置對三相電源完成一個周期的控制，耗時0.04s、
0.06s,0.08s,0.10s,0.14s,0.26s，經過電壓空間矢量控制調節后的電源頻率由50?變為25HZ、16.67?、12.25?、\0ΗΖ、?Λ4ΗΣ、3.85/fz ；
上述的一種用于軟啟動的電壓空間矢量控制裝置的控制方法，其特殊之處在于:一種用于軟啟動的電壓空間矢量控制裝置將電機起動到以及輸出相應電壓后，可以選擇工頻調壓、全壓方式或限流方式不斷增大起動電壓起動，直至起動完成；一種用于軟啟動的電壓空間矢量控制裝置將電機起動到16.67Hz以及輸出相應電壓后，可以選擇工頻調壓、全壓方式或限流方式不斷增大起動電壓起動，直至起動完成；一種用于軟啟動的電壓空間矢量控制裝置將電機起動到12.25/?2以及輸出相應電壓后，可以選擇繼續采用變頻調壓至16.6'7/￡2再到25//2后，然后轉入工頻調壓、全壓方式或限流方式不斷增大起動電壓起動，也可以直接從工頻調壓、全壓方式或限流方式不斷增大起動電壓起動，直至起動完成；一種用于軟啟動的電壓空間矢量控制裝置將電機起動到以及輸出相應電壓后，可以選擇繼續采用變頻調壓至12.25/^再到W.67/4 ,再到觀z后，然后轉入工頻調壓、全壓方
式或限流方式不斷增大起動電壓起動，也可以直接從工頻調壓、全壓方式或限流方式不斷增大起動電壓起動，直至起動完成；一種用于軟啟動的電壓空間矢量控制裝置將電機起動到7.14/^以及輸出相應電壓后，可以選擇繼續采用變頻調壓至10^4 ,再到12.25/^再到16.67/^ ,再到25//z后，然后轉入工頻調壓、全壓方式或限流方式不斷增大起動電壓起動，也可以直接從工頻調壓、全壓方式或限流方式不斷增大起動電壓起動，直至起動完成；一種用于軟啟動的電壓空間矢量控制裝置將電機起動到3.85#2以及輸出相應電壓后，可以選擇繼續采用變頻調壓至'7.14?再到10/IZ ,再到12.25/?ζ再到16.67A\ ,再到25/?ζ后，然后
轉入工頻調壓、全壓方式或限流方式不斷增大起動電壓起動，也可以直接從工頻調壓、全壓方式或限流方式不斷增大起動電壓起動，直至起動完成；
上述的一種用于軟啟動的電壓空間矢量控制裝置的控制方法，其特殊之處在于:一種用于軟啟動的電壓空間矢量控制裝置將電機起動到3.85/fz以及輸出相應電壓后轉到7.14?以及輸出相應電壓后再轉到1CWZ以及輸出相應電壓后在轉到12.25?以及輸出相應電壓后再轉到167?以及輸出相應電壓后再轉到25?以及輸出相應電壓后選擇工頻
調壓、全壓方式或限流方式不斷增大起動電壓起動，直至起動完成。
[0009]本發明的控制方法在有效降低電機起動電流的同時，又不降低電機的起動轉矩，真正做到小電流、大轉矩起動，與目前的技術相比，具有明顯優勢。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0010]圖1為軟起動的電壓空間矢量控制方法的主回路結構拓撲圖。
[0011]圖2為軟起動的電壓空間矢量控制7.14馬下的三相電源波形圖。
[0012]圖3為三相晶閘管調壓三相電源波形圖。
[0013]圖4為三相電源電壓相量圖。
[0014]圖5為軟起動的電壓空間矢量控制方法各個導通區間對應的電壓相量圖。
[0015]圖6為軟起動的電壓空間矢量控制25/^下的三相電源波形圖。
[0016]圖7為軟起動的電壓空間矢量控制16.67/^下的第一種三相電源波形圖。
[0017]圖8為軟起動的電壓空間矢量控制16.67/￡2下的第二種三相電源波形圖。
[0018]圖9為軟起動的電壓空間矢量控制12.5?下的第一種三相電源波形圖。
[0019]圖10為軟起動的電壓空間矢量控制12 3%下的第二種三相電源波形圖。[0020]圖11為軟起動的電壓空間矢量控制10?下的三相電源波形圖。
[0021]圖12為軟起動的電壓空間矢量控制3.85ATZ下的三相電源波形圖。
[0022]
【具體實施方式】
[0023]本發明以三相交流電源供電，用六只電力門極可關斷晶閘管GT01、2、3、4、5、6在微控制器7的控制下組成電壓空間矢量控制電路，其中晶閘管1和4實現對交流電源A相的控制，晶閘管3和6實現對交流電源B相的控制，晶閘管5和2實現對交流電源C相的控制。其中晶閘管1、3、5分別控制A、B、C相的正半周，晶閘管4、6、2分別控制A、B、C相的負半周。電流互感器8、9、10用于將三相電流信號傳遞給微控制器7用于限流起動和電流監測。用一只絕緣柵雙極型晶體管IGBT構成續流回路，在微控制器7的控制下，晶閘管1、
2、3、4、5、6依次導通，輸出頻率周期為20ms*n其中n=2、3、4、5、7、8、9、10、11、12、13這樣經過7個工頻周期后完成一個電壓空間矢量控制周期。并且每次觸發晶閘管時的觸發角度可調，即可以通過調節觸發角的大小來調節電壓大小，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。待電機達到以及輸出相應電壓后，可將電源頻率調節更高一級的頻率段，繼續按調壓方式、全壓方式或限流方式不斷增大起動電壓，直至電機起動完成。
[0024]11為三相異步電動機，12為絕緣柵雙極型晶體管IGBT用于構成續流回路，續流回路的開關狀態剛好與主電路原件的狀態相反，即主電路開通時，續流電路關斷，主電路關斷時，續流電路開通。
[0025]參照附圖1-5，具體本發明【具體實施方式】，以7遍2為例；在附圖1中，主電路結構采用六只電力門極可關斷晶閘管GT01、2、3、4、5、6在微控制器7的控制下組成電壓空間矢量控制電路帶動三相異步電機11起動，以附圖2中三相電壓波形為參考，普通三相晶閘管降壓軟起動器通過依次控制六只電力門極可關斷晶閘管GT0的觸發時刻，將三相工頻交流電波形變成附圖3中陰影部分，在改變電壓的同時不能改變電源頻率，本發明三相電壓相量圖參見附圖4，當A相過零點角度為α α <90。時，對應i時刻，由微控制器7同時給晶
閘管6、1發送觸發信號，A相正半周和B相的負半周導通，導通一段時間后，對應< 時刻，由
微控制器7同時給晶閘管6、1發送關斷信號，從％到< 電機電壓為l1-;再經過一段時間，
對應f2時刻，由微控制器7同時給晶閘管1、2發送觸發信號，A相正半周和C相的負半周導通，導通一段時間后，對應時刻，由微控制器7同時給晶閘管1、2發送關斷信號，從?2到f2電機電壓為;再經過一段時間，對應?時刻，由微控制器7同時給晶閘管3、2發送觸發信號，Β相正半周和C相的負半周導通，導通一段時間后，對應^時刻，由微控制器7同時給晶閘管3、2發送關斷信號，從/5到4電機電壓為;再經過一段時間，對應時刻，由微控制器7同時給晶閘管3、4發送觸發信號，B相正半周和A相的負半周導通，導通一段時間后，對應4時刻，由微控制器7同時給晶閘管3、4發送關斷信號，從&到I丨電機電壓為
;再經過一段時間，對應時刻，由微控制器7同時給晶閘管5、4發送觸發信號，C相正半周和Α相的負半周導通，導通一段時間后，對應< 時刻，由微控制器7同時給晶閘管5、4發送關斷信號，從G到4電機電壓為;再經過一段時間，對應々時刻，由微控制器?同時給晶閘管5、6發送觸發信號，C相正半周和Β相的負半周導通，導通一段時間后，對應4時刻，由微控制器7同時給晶閘管5、6發送關斷信號，從到4電機電壓為dcs ;再經過一段時間，對應時刻，由微控制器7同時給晶閘管1、6發送觸發信號，A相正半周和B相的負半周導通，導通一段時間后，對應4時刻，由微控制器7同時給晶閘管1、6發送關斷信號，從~到4電機電壓為dm。至此，軟起動的電壓空間矢量控制方法對三相電源完成一個周期的控制，耗時7個工頻周期，為0.14s，經過電壓空間矢量控制調節后的電源頻率由50/^變為，電機定子電壓矢量波形相量圖，參見附圖5，一個周期內沿箭頭方在空間旋轉一周，電機定子磁場方向也在一個周期內沿箭頭方向旋轉一周，頻率為7.14/?ζ。電流互感器8、9、10用于將三相電流信號傳遞給微控制器7用于限流起動和電流監測。
[0026]每次觸發晶閘管時，可以通過調節觸發角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? ,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114?以及輸出相應電壓后，以附圖6-12中三相電壓波形為參考，可以按同樣的方法將電源頻率分別調節至、V2.5HZ、16.7?、25HZ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?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。
【權利要求】
1.一種用于軟啟動的電壓空間矢量控制裝置，其特征在于:A相、B相、C相供電電源(0)上有A、B、C三相，A相與晶閘管(1)、(4)相連，B相與晶閘管(3)、(6)相連，C相與晶閘管(5)、(2)相連，六只電力門極可關斷晶閘管GTO (1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)中，⑴和(4)，(3)和(6)，(5)和(2)兩兩反并聯，晶閘管GTO (1 )、(4)與電流霍爾傳感器(8)相連，晶閘管GTO (3)、(6)與電流霍爾傳感器(9)相連，晶閘管GTO (5)、(2)與電流霍爾傳感器(10)相連，電流霍爾傳感器(8)與三相交流異步電動機(11)的A相相連，電流霍爾傳感器(9)與三相交流異步電動機(11)的B相相連，電流霍爾傳感器(10)與三相交流異步電動機(11)的C相相連，續流回路(12)與三相交流異步電動機(11)的A相、B相、C相相連，續流回路(12)采用一只絕緣柵雙極型晶體管IGBT和整流橋構成，微控制器(7)與晶閘管GTO(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)的控制端、續流回路(12)中IGBT的控制端相連。
2.根據權利要求1所述的一種用于軟啟動的電壓空間矢量控制裝置的控制方法，其特征在于:A相、B相、C相交流調壓、調頻以及六邊形磁鏈軌跡控制方式為:當A相過零點角度為a時，α <90。,對應4時刻，由微控制器(7)同時給晶閘管(6)、(1)發送觸發信號，Α相正半周和B相的負半周導通，導通一段時間后，對應< 時刻，由微控制器(7)同時給晶閘管(6)、(1)發送關斷信號，從&到￡丨電機電壓為Α-;再經過一段時間，對應12時刻，由微控制器(7)同時給晶閘管(1)、(2)發送觸發信號，A相正半周和C相的負半周導通，導通一段時間后，對應4時刻，由微控制器(7)同時給晶閘管(1)、(2)發送關斷信號，從?2到4電機電壓為《.# ;再經過一段時間，對應纟時刻，由微控制器(7)同時給晶閘管(3)、(2)發送觸發信號，Β相正半周和C相的負半周導通，導通一段時間后，對應I；時刻，由微控制器(7)同時給晶閘管(3)、(2)發送關斷信號，從t到G電機電壓為;再經過一段時間，對應?4時刻，由微控制器(7)同時給晶閘管(3)、(4)發送觸發信號，Β相正半周和Α相的負半周導通，導通一段時間后，對應4時刻，由微控制器(7)同時給晶閘管(3)、(4)發送關斷信號，從h到4電機電壓為;再經過一段時間，對應％時刻，由微控制器(7)同時給晶閘管(5)、(4)發送觸發信號，C相正半周和Α相的負半周導通，導通一段時間后，對應4時刻，由微控制器(7)同時給晶閘管(5)、(4)發送關斷信號，從&到< 電機電壓為;再經過一段時間，對應4時刻，由微控制器(7)同時給晶閘管(5)、(6)發送觸發信號，C相正半周和Β相的負半周導通，導通一段時間后，對應4時刻，由微控制器(7)同時給晶閘管(5)、(6)發送關斷信號，從々到4電機電壓為;再經過一段時間，對應G時刻，由微控制器(7)同時給晶閘管(1)、(6)發送觸發信號，A相正半周和B相的負半周導通，導通一段時間后，對應4時刻，由微控制器(7)同時給晶閘管(1)、(6)發送關斷信號，從?7到4電機電壓為;B相和C相的控制方法與A相的控制方法原理相同。
3.根據權利要求1所述的一種用于軟啟動的電壓空間矢量控制裝置的控制方法，其特征在于:一種用于軟啟動的電壓空間矢量控制裝置對三相電源完成一個周期的控制，耗時0.04s,0.06s,0.08s,0.10s,0.14s,0.26s，經過電壓空間矢量控制調節后的電源頻率由50? 變為 25HZ、16.67?、12.25?、麗2、.7.14?、3.85?。
4.根據權利要求1所述的一種用于軟啟動的電壓空間矢量控制裝置的控制方法，其特征在于:一種用于軟啟動的電壓空間矢量控制裝置將電機起動到25//z以及輸出相應電壓后，可以選擇工頻調壓、全壓方式或限流方式不斷增大起動電壓起動，直至起動完成；一種用于軟啟動的電壓空間矢量控制裝置將電機起動到以及輸出相應電壓后，可以選擇工頻調壓、全壓方式或限流方式不斷增大起動電壓起動，直至起動完成；一種用于軟啟動的電壓空間矢量控制裝置將電機起動到12.25//2以及輸出相應電壓后，可以選擇繼續采用變頻調壓至雙再到25/?ζ后，然后轉入工頻調壓、全壓方式或限流方式不斷增大起動電壓起動，也可以直接從工頻調壓、全壓方式或限流方式不斷增大起動電壓起動，直至起動完成；一種用于軟啟動的電壓空間矢量控制裝置將電機起動到以及輸出相應電壓后，可以選擇繼續采用變頻調壓至〗2.25/?ζ再到16.67片2 ,再到25/fz后，然后轉入工頻調壓、全壓方式或限流方式不斷增大起動電壓起動，也可以直接從工頻調壓、全壓方式或限流方式不斷增大起動電壓起動，直至起動完成；一種用于軟啟動的電壓空間矢量控制裝置將電機起動到7.14?以及輸出相應電壓后，可以選擇繼續采用變頻調壓至1CWZ ,再到12.25//z再到16.67//z ,再到25//z后，然后轉入工頻調壓、全壓方式或限流方式不斷增大起動電壓起動，也可以直接從工頻調壓、全壓方式或限流方式不斷增大起動電壓起動，直至起動完成；一種用于軟啟動的電壓空間矢量控制裝置將電機起動到3.85#ζ以及輸出相應電壓后，可以選擇繼續采用變頻調壓至再到10ΜΖ ,再到\225ΗΖ再到犠Η2 ,再到25i/2后，然后轉入工頻調壓、全壓方式或限流方式不斷增大起動電壓起動，也可以直接從工頻調壓、全壓方式或限流方式不斷增大起動電壓起動，直至起動完成。
5.根據權利要求1所述的一種用于軟啟動的電壓空間矢量控制裝置的控制方法，其特征在于:一種用于軟啟動的電壓空間矢量控制裝置將電機起動到3.85 /?ζ以及輸出相應電壓后轉到7.Μ馬以及輸出相應電壓后再轉到10?以及輸出相應電壓后在轉到12.25?以及輸出相應電壓后再轉到16.67//2以及輸出相應電壓后再轉到25/?ζ以及輸出相應電壓后選擇工頻調壓、全壓方式或限流方式不斷增大起動電壓起動，直至起動完成。
【文檔編號】H02P21/00GK103633910SQ201310546603
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月7日 優先權日:2013年11月7日
【發明者】孟彥京, 張陳斌, 陳君, 段明亮, 劉俊杰, 周鵬, 謝仕宏, 陳景文 申請人:陜西科技大學, 陜西科達電氣有限公司