一种用于软起动的电压空间矢量控制装置及其控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于软起动的电压空间矢量控制装置及其控制方法。目前软起动技术存在着起动电流大、启动转矩低的问题，而变频器软启动有存在工频切换难以实现的不足。本发明以三相交流电源供电，用六只电力门极可关断晶闸管GTO反并联，续流回路采用一只绝缘栅双极型晶体管IGBT，在微控制器的控制下组成电压空间矢量控制电路，电流互感器用于将三相电流信号传递给微控制器用于限流起动和电流监测。在微控制器的控制下，对三相交流异步电动机的A相、B相、C相供电电源进行交流调压、调频控制，用电压空间矢量控制策略实现交流电机六边形磁链轨迹控制，控制装置在使电压/频率比值相对稳定，保证电机主磁通稳定。
【专利说明】一种用于软起动的电压空间矢量控制装置及其控制方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明专利涉及一种用于软起动的电压空间矢量控制装置及其控制方法。
【背景技术】
[0002]目前，普通软起动器主要采用三相晶闸管降压起动，它在电路结构上采用每相串接反并联的两只晶闸管或双向晶闸管，通过改变每相电压的导通时间来实现降压起动。普通三相晶闸管降压软起动器通过依次控制六只电力门极可关断晶闸管GT0的触发时刻，将三相工频交流电波形变成图3中阴影部分，在改变电压的同时不能改变电源频率。该方法存在两个重要缺点。其一，起动转矩小，三相交流异步电动机起动转矩正比于起动电压的平方，当电压降低时，转矩以起动电压降低的平方倍数降低；其二，不能改变定子磁场的转速，起动转差过大；电机刚起动时，转子转速较低，三相晶闸管降压起动的定子磁场是以同步转速在转动，相对于转速很低的转子，转差很大，造成电机起动功率因数低，电流大，转矩小，无法实现带载起动。
[0003]变频器也有被用作软起动器的，虽然效果较好，但变频器在技术上属于交-直-交结构。它首先将三相工频电源进行三相桥式不可控整流，然后对整流输出的直流电压进行滤波，最后采用脉冲宽度调制(PWM)技术输出电压频率都可调的可控交流电。变频器结构、技术复杂，成本较高，不易于普及推广，同时存在切换时的电流突变现象，目前为止难以解决变频到工频的切换问题。
[0004]综上所示，目前软起动技术存在着起动电流大、启动转矩低的问题,而变频器软启动有存在工频切换难以实现的不足。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供有一种用于软起动的电压空间矢量控制装置及其控制方法，本发明采用电压空间矢量控制算法在调节电源电压的同时，也调节了电源的频率；并使电压/频率比值相对稳定，保证电机主磁通稳定，在获得较大起动转矩的同时，起动电流又不致过大，采用六边形磁链轨迹控制，使磁链轨迹接近圆形，可以启动带有一定负载或较大惯性负载的电动机，而电流保持在较小的值。
[0006]为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
一种用于软启动的电压空间矢量控制装置，其特殊之处在于:A相、B相、C相供电电源0上有A、B、C三相，A相与晶闸管1、4相连，B相与晶闸管3、6相连，C相与晶闸管5、2相连，六只电力门极可关断晶闸管GT01、2、3、4、5、6中，1和4，3和6，5和2两两反并联，晶闸管GT01、4与电流霍尔传感器8相连，晶闸管GT03、6与电流霍尔传感器9相连，晶闸管GT05、2与电流霍尔传感器10相连，电流霍尔传感器8与三相交流异步电动机11的A相相连，电流霍尔传感器9与三相交流异步电动机11的B相相连，电流霍尔传感器10与三相交流异步电动机11的C相相连，续流回路12与三相交流异步电动机11的A相、B相、C相相连，续流回路12采用一只绝缘栅双极型晶体管IGBT和整流桥构成，微控制器7与晶闸管GT01、2、3、4、5、6的控制端、续流回路12中IGBT的控制端相连。
[0007]上述的一种用于软启动的电压空间矢量控制装置的控制方法，其特殊之处在于:A相、B相、C相交流调压、调频以及六边形磁链轨迹控制方式为:当A相过零点角度为α时，α < 90° ,对应&时刻，由微控制器7同时给晶闸管6、1发送触发信号,Α相正半周和B
相的负半周导通，导通一段时间后，对应4时刻，由微控制器7同时给晶闸管6、1发送关断信号，从丨到< 电机电压为?-;再经过一段时间，对Ef时刻，由微控制器7同时给晶闸管1、2发送触发信号，A相正半周和C相的负半周导通，导通一段时间后，对应f时刻，由微控制器7同时给晶闸管1、2发送关断信号，从^2到4电机电压为;再经过一段时间，对应(时刻，由微控制器7同时给晶闸管3、2发送触发信号，B相正半周和C相的负半周导通，导通一段时间后，对应时刻，由微控制器7同时给晶闸管3、2发送关断信号，从f
到4电机电压为;再经过一段时间，对应14时刻，由微控制器7同时给晶闸管3、4发送触发信号，B相正半周和A相的负半周导通，导通一段时间后，对应4时刻，由微控制器7同
时给晶闸管3、4发送关断信号，从到< 电机电压为;再经过一段时间，对应4时刻，由微控制器7同时给晶闸管5、4发送触发信号，C相正半周和A相的负半周导通，导通一段时间后，对应4时刻，由微控制器7同时给晶闸管5、4发送关断信号，从到4电机电压为‘
;再经过一段时间，对应&时刻，由微控制器7同时给晶闸管5、6发送触发信号，C相正半周
和Β相的负半周导通，导通一段时间后，对应4时刻，由微控制器7同时给晶闸管5、6发送
关断信号，从4到4电机电压为;再经过一段时间，对应时刻，由微控制器7同时给晶
闸管1、6发送触发信号，A相正半周和B相的负半周导通，导通一段时间后，对应4时刻，由
微控制器7同时给晶闸管1、6 发送关断信号，从到4电机电压为;Β相和C相的控制方法与Α相的控制方法原理相同。
[0008]上述的一种用于软启动的电压空间矢量控制装置的控制方法，其特殊之处在于:一种用于软启动的电压空间矢量控制装置对三相电源完成一个周期的控制，耗时0.04s、
0.06s,0.08s,0.10s,0.14s,0.26s，经过电压空间矢量控制调节后的电源频率由50?变为25HZ、16.67?、12.25?、\0ΗΖ、?Λ4ΗΣ、3.85/fz ；
上述的一种用于软启动的电压空间矢量控制装置的控制方法，其特殊之处在于:一种用于软启动的电压空间矢量控制装置将电机起动到以及输出相应电压后，可以选择工频调压、全压方式或限流方式不断增大起动电压起动，直至起动完成；一种用于软启动的电压空间矢量控制装置将电机起动到16.67Hz以及输出相应电压后，可以选择工频调压、全压方式或限流方式不断增大起动电压起动，直至起动完成；一种用于软启动的电压空间矢量控制装置将电机起动到12.25/?2以及输出相应电压后，可以选择继续采用变频调压至16.6'7/￡2再到25//2后，然后转入工频调压、全压方式或限流方式不断增大起动电压起动，也可以直接从工频调压、全压方式或限流方式不断增大起动电压起动，直至起动完成；一种用于软启动的电压空间矢量控制装置将电机起动到以及输出相应电压后，可以选择继续采用变频调压至12.25/^再到W.67/4 ,再到观z后，然后转入工频调压、全压方
式或限流方式不断增大起动电压起动，也可以直接从工频调压、全压方式或限流方式不断增大起动电压起动，直至起动完成；一种用于软启动的电压空间矢量控制装置将电机起动到7.14/^以及输出相应电压后，可以选择继续采用变频调压至10^4 ,再到12.25/^再到16.67/^ ,再到25//z后，然后转入工频调压、全压方式或限流方式不断增大起动电压起动，也可以直接从工频调压、全压方式或限流方式不断增大起动电压起动，直至起动完成；一种用于软启动的电压空间矢量控制装置将电机起动到3.85#2以及输出相应电压后，可以选择继续采用变频调压至'7.14?再到10/IZ ,再到12.25/?ζ再到16.67A\ ,再到25/?ζ后，然后
转入工频调压、全压方式或限流方式不断增大起动电压起动，也可以直接从工频调压、全压方式或限流方式不断增大起动电压起动，直至起动完成；
上述的一种用于软启动的电压空间矢量控制装置的控制方法，其特殊之处在于:一种用于软启动的电压空间矢量控制装置将电机起动到3.85/fz以及输出相应电压后转到7.14?以及输出相应电压后再转到1CWZ以及输出相应电压后在转到12.25?以及输出相应电压后再转到167?以及输出相应电压后再转到25?以及输出相应电压后选择工频
调压、全压方式或限流方式不断增大起动电压起动，直至起动完成。
[0009]本发明的控制方法在有效降低电机起动电流的同时，又不降低电机的起动转矩，真正做到小电流、大转矩起动，与目前的技术相比，具有明显优势。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为软起动的电压空间矢量控制方法的主回路结构拓扑图。
[0011]图2为软起动的电压空间矢量控制7.14馬下的三相电源波形图。
[0012]图3为三相晶闸管调压三相电源波形图。
[0013]图4为三相电源电压相量图。
[0014]图5为软起动的电压空间矢量控制方法各个导通区间对应的电压相量图。
[0015]图6为软起动的电压空间矢量控制25/^下的三相电源波形图。
[0016]图7为软起动的电压空间矢量控制16.67/^下的第一种三相电源波形图。
[0017]图8为软起动的电压空间矢量控制16.67/￡2下的第二种三相电源波形图。
[0018]图9为软起动的电压空间矢量控制12.5?下的第一种三相电源波形图。
[0019]图10为软起动的电压空间矢量控制12 3%下的第二种三相电源波形图。[0020]图11为软起动的电压空间矢量控制10?下的三相电源波形图。
[0021]图12为软起动的电压空间矢量控制3.85ATZ下的三相电源波形图。
[0022]
【具体实施方式】
[0023]本发明以三相交流电源供电，用六只电力门极可关断晶闸管GT01、2、3、4、5、6在微控制器7的控制下组成电压空间矢量控制电路，其中晶闸管1和4实现对交流电源A相的控制，晶闸管3和6实现对交流电源B相的控制，晶闸管5和2实现对交流电源C相的控制。其中晶闸管1、3、5分别控制A、B、C相的正半周，晶闸管4、6、2分别控制A、B、C相的负半周。电流互感器8、9、10用于将三相电流信号传递给微控制器7用于限流起动和电流监测。用一只绝缘栅双极型晶体管IGBT构成续流回路，在微控制器7的控制下，晶闸管1、
2、3、4、5、6依次导通，输出频率周期为20ms*n其中n=2、3、4、5、7、8、9、10、11、12、13这样经过7个工频周期后完成一个电压空间矢量控制周期。并且每次触发晶闸管时的触发角度可调，即可以通过调节触发角的大小来调节电压大小，结合前面的电压调节，可以保持恒定的电压/频率比，即保持电机主磁通恒定。待电机达到以及输出相应电压后，可将电源频率调节更高一级的频率段，继续按调压方式、全压方式或限流方式不断增大起动电压，直至电机起动完成。
[0024]11为三相异步电动机，12为绝缘栅双极型晶体管IGBT用于构成续流回路，续流回路的开关状态刚好与主电路原件的状态相反，即主电路开通时，续流电路关断，主电路关断时，续流电路开通。
[0025]参照附图1-5，具体本发明【具体实施方式】，以7遍2为例；在附图1中，主电路结构采用六只电力门极可关断晶闸管GT01、2、3、4、5、6在微控制器7的控制下组成电压空间矢量控制电路带动三相异步电机11起动，以附图2中三相电压波形为参考，普通三相晶闸管降压软起动器通过依次控制六只电力门极可关断晶闸管GT0的触发时刻，将三相工频交流电波形变成附图3中阴影部分，在改变电压的同时不能改变电源频率，本发明三相电压相量图参见附图4，当A相过零点角度为α α <90。时，对应i时刻，由微控制器7同时给晶
闸管6、1发送触发信号，A相正半周和B相的负半周导通，导通一段时间后，对应< 时刻，由
微控制器7同时给晶闸管6、1发送关断信号，从％到< 电机电压为l1-;再经过一段时间，
对应f2时刻，由微控制器7同时给晶闸管1、2发送触发信号，A相正半周和C相的负半周导通，导通一段时间后，对应时刻，由微控制器7同时给晶闸管1、2发送关断信号，从?2到f2电机电压为;再经过一段时间，对应?时刻，由微控制器7同时给晶闸管3、2发送触发信号，Β相正半周和C相的负半周导通，导通一段时间后，对应^时刻，由微控制器7同时给晶闸管3、2发送关断信号，从/5到4电机电压为;再经过一段时间，对应时刻，由微控制器7同时给晶闸管3、4发送触发信号，B相正半周和A相的负半周导通，导通一段时间后，对应4时刻，由微控制器7同时给晶闸管3、4发送关断信号，从&到I丨电机电压为
;再经过一段时间，对应时刻，由微控制器7同时给晶闸管5、4发送触发信号，C相正半周和Α相的负半周导通，导通一段时间后，对应< 时刻，由微控制器7同时给晶闸管5、4发送关断信号，从G到4电机电压为;再经过一段时间，对应々时刻，由微控制器?同时给晶闸管5、6发送触发信号，C相正半周和Β相的负半周导通，导通一段时间后，对应4时刻，由微控制器7同时给晶闸管5、6发送关断信号，从到4电机电压为dcs ;再经过一段时间，对应时刻，由微控制器7同时给晶闸管1、6发送触发信号，A相正半周和B相的负半周导通，导通一段时间后，对应4时刻，由微控制器7同时给晶闸管1、6发送关断信号，从~到4电机电压为dm。至此，软起动的电压空间矢量控制方法对三相电源完成一个周期的控制，耗时7个工频周期，为0.14s，经过电压空间矢量控制调节后的电源频率由50/^变为，电机定子电压矢量波形相量图，参见附图5，一个周期内沿箭头方在空间旋转一周，电机定子磁场方向也在一个周期内沿箭头方向旋转一周，频率为7.14/?ζ。电流互感器8、9、10用于将三相电流信号传递给微控制器7用于限流起动和电流监测。
[0026]每次触发晶闸管时，可以通过调节触发角的大小来调节电压大小，由于电压空间矢量控制的周期为50/7 ? 7.14? ,结合前面的电压调节，可以保持恒定的电压/频率比，
即保持电机主磁通恒定。待电机达到114?以及输出相应电压后，以附图6-12中三相电压波形为参考，可以按同样的方法将电源频率分别调节至、V2.5HZ、16.7?、25HZ等，待电机达到该频率以及输出相应电压后再接入工频电源，继续按调压方式或限流方式不断增大起动电压，直至电机起动完成；也可在电机达到7.14?以及输出相应电压后，直接接入工频电源，继续按调压方式或·限流方式不断增大起动电压，直至电机起动完成。
【权利要求】
1.一种用于软启动的电压空间矢量控制装置，其特征在于:A相、B相、C相供电电源(0)上有A、B、C三相，A相与晶闸管(1)、(4)相连，B相与晶闸管(3)、(6)相连，C相与晶闸管(5)、(2)相连，六只电力门极可关断晶闸管GTO (1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)中，⑴和(4)，(3)和(6)，(5)和(2)两两反并联，晶闸管GTO (1 )、(4)与电流霍尔传感器(8)相连，晶闸管GTO (3)、(6)与电流霍尔传感器(9)相连，晶闸管GTO (5)、(2)与电流霍尔传感器(10)相连，电流霍尔传感器(8)与三相交流异步电动机(11)的A相相连，电流霍尔传感器(9)与三相交流异步电动机(11)的B相相连，电流霍尔传感器(10)与三相交流异步电动机(11)的C相相连，续流回路(12)与三相交流异步电动机(11)的A相、B相、C相相连，续流回路(12)采用一只绝缘栅双极型晶体管IGBT和整流桥构成，微控制器(7)与晶闸管GTO(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)的控制端、续流回路(12)中IGBT的控制端相连。
2.根据权利要求1所述的一种用于软启动的电压空间矢量控制装置的控制方法，其特征在于:A相、B相、C相交流调压、调频以及六边形磁链轨迹控制方式为:当A相过零点角度为a时，α <90。,对应4时刻，由微控制器(7)同时给晶闸管(6)、(1)发送触发信号，Α相正半周和B相的负半周导通，导通一段时间后，对应< 时刻，由微控制器(7)同时给晶闸管(6)、(1)发送关断信号，从&到￡丨电机电压为Α-;再经过一段时间，对应12时刻，由微控制器(7)同时给晶闸管(1)、(2)发送触发信号，A相正半周和C相的负半周导通，导通一段时间后，对应4时刻，由微控制器(7)同时给晶闸管(1)、(2)发送关断信号，从?2到4电机电压为《.# ;再经过一段时间，对应纟时刻，由微控制器(7)同时给晶闸管(3)、(2)发送触发信号，Β相正半周和C相的负半周导通，导通一段时间后，对应I；时刻，由微控制器(7)同时给晶闸管(3)、(2)发送关断信号，从t到G电机电压为;再经过一段时间，对应?4时刻，由微控制器(7)同时给晶闸管(3)、(4)发送触发信号，Β相正半周和Α相的负半周导通，导通一段时间后，对应4时刻，由微控制器(7)同时给晶闸管(3)、(4)发送关断信号，从h到4电机电压为;再经过一段时间，对应％时刻，由微控制器(7)同时给晶闸管(5)、(4)发送触发信号，C相正半周和Α相的负半周导通，导通一段时间后，对应4时刻，由微控制器(7)同时给晶闸管(5)、(4)发送关断信号，从&到< 电机电压为;再经过一段时间，对应4时刻，由微控制器(7)同时给晶闸管(5)、(6)发送触发信号，C相正半周和Β相的负半周导通，导通一段时间后，对应4时刻，由微控制器(7)同时给晶闸管(5)、(6)发送关断信号，从々到4电机电压为;再经过一段时间，对应G时刻，由微控制器(7)同时给晶闸管(1)、(6)发送触发信号，A相正半周和B相的负半周导通，导通一段时间后，对应4时刻，由微控制器(7)同时给晶闸管(1)、(6)发送关断信号，从?7到4电机电压为;B相和C相的控制方法与A相的控制方法原理相同。
3.根据权利要求1所述的一种用于软启动的电压空间矢量控制装置的控制方法，其特征在于:一种用于软启动的电压空间矢量控制装置对三相电源完成一个周期的控制，耗时0.04s,0.06s,0.08s,0.10s,0.14s,0.26s，经过电压空间矢量控制调节后的电源频率由50? 变为 25HZ、16.67?、12.25?、丽2、.7.14?、3.85?。
4.根据权利要求1所述的一种用于软启动的电压空间矢量控制装置的控制方法，其特征在于:一种用于软启动的电压空间矢量控制装置将电机起动到25//z以及输出相应电压后，可以选择工频调压、全压方式或限流方式不断增大起动电压起动，直至起动完成；一种用于软启动的电压空间矢量控制装置将电机起动到以及输出相应电压后，可以选择工频调压、全压方式或限流方式不断增大起动电压起动，直至起动完成；一种用于软启动的电压空间矢量控制装置将电机起动到12.25//2以及输出相应电压后，可以选择继续采用变频调压至雙再到25/?ζ后，然后转入工频调压、全压方式或限流方式不断增大起动电压起动，也可以直接从工频调压、全压方式或限流方式不断增大起动电压起动，直至起动完成；一种用于软启动的电压空间矢量控制装置将电机起动到以及输出相应电压后，可以选择继续采用变频调压至〗2.25/?ζ再到16.67片2 ,再到25/fz后，然后转入工频调压、全压方式或限流方式不断增大起动电压起动，也可以直接从工频调压、全压方式或限流方式不断增大起动电压起动，直至起动完成；一种用于软启动的电压空间矢量控制装置将电机起动到7.14?以及输出相应电压后，可以选择继续采用变频调压至1CWZ ,再到12.25//z再到16.67//z ,再到25//z后，然后转入工频调压、全压方式或限流方式不断增大起动电压起动，也可以直接从工频调压、全压方式或限流方式不断增大起动电压起动，直至起动完成；一种用于软启动的电压空间矢量控制装置将电机起动到3.85#ζ以及输出相应电压后，可以选择继续采用变频调压至再到10ΜΖ ,再到\225ΗΖ再到犠Η2 ,再到25i/2后，然后转入工频调压、全压方式或限流方式不断增大起动电压起动，也可以直接从工频调压、全压方式或限流方式不断增大起动电压起动，直至起动完成。
5.根据权利要求1所述的一种用于软启动的电压空间矢量控制装置的控制方法，其特征在于:一种用于软启动的电压空间矢量控制装置将电机起动到3.85 /?ζ以及输出相应电压后转到7.Μ馬以及输出相应电压后再转到10?以及输出相应电压后在转到12.25?以及输出相应电压后再转到16.67//2以及输出相应电压后再转到25/?ζ以及输出相应电压后选择工频调压、全压方式或限流方式不断增大起动电压起动，直至起动完成。
【文档编号】H02P21/00GK103633910SQ201310546603
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年11月7日 优先权日:2013年11月7日
【发明者】孟彦京, 张陈斌, 陈君, 段明亮, 刘俊杰, 周鹏, 谢仕宏, 陈景文 申请人:陕西科技大学, 陕西科达电气有限公司