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用于制浆设备的异步电机空间电压矢量变频软起动控制理论与方法研究

谢仕宏  
【摘要】:用于造纸工业制浆设备的异步电机功率巨大,直接起动产生较大的冲击电流导致设备损坏、电网电压骤降,异常停机后带载起动所需电磁转矩大。而现有异步电机软起动方法存在起动转矩不足、转矩脉动大或不易直接旁路切换的缺点。针对上述问题,文章依托国家自然科学基金项目(51577110),研究了基于六边形空间电压矢量的异步电机离散变频软起动控制方法和小电容变频器理论及两相直接旁路切换控制方法。论文主要贡献可分述如下:(1)传统离散变频软起动转矩脉动的原因及改进方法研究针对制浆设备异常停机所需起动转矩较大的特点,提出一种高起动转矩的异步电机离散变频控制方法。这种方法基于六边形电压矢量轨迹控制,可以消除传统离散变频控制的异步电机负电磁转矩脉动。首先根据三相晶闸管电路两相导通才能形成回路的特点,引入空间电压矢量理论,分析基于等效正弦波原理的异步电机离散变频电压波形,根据异步电机定子磁链与定子电压的物理关系,说明与定子磁链旋转方向不一致的电压矢量就是产生负电磁转矩脉动的原因,其次剔除产生负电磁转矩的空间电压矢量,提出按六边形电压矢量轨迹控制的离散变频方法;最后分析在定子电流断续期间转子电流的变化规律及其对定子磁链的影响,验证了定子磁链衰减量对软起动过程影响较小。实验结果显示,基于六边形电压矢量轨迹的离散变频控制方法能够消除异步电机负电磁转矩脉动。(2)基于空间电压矢量的异步电机离散变频软起动控制方法研究在剔除反向电压矢量基础上,根据定子电压幅值变化对空间电压矢量方向的影响,进一步提出了按定子磁链轨迹控制的异步电机离散变频软起动控制策略。首先分析了三相晶闸管电路两相导通时电压矢量对异步电机定子磁链的影响,找出了各离散频率点产生近似圆形磁链轨迹的电压矢量作用方法。其次建立了三相晶闸管电路两相导通时异步电机动态数学模型,推导了异步电机定子磁链方程,并计算开路零电压矢量作用时的定子磁链衰减量,证明开路零电压矢量不影响异步电机离散变频软起动。最后提出了异步电机离散变频7-4-3-1分频软起动磁链控制策略的实现方法。实验结果显示,与传统软起动方法相比最大起动电流可降低20%,转矩脉动显著降低。(3)开关控制小电容变频器理论及异步电机能量回馈机理研究针对离散变频不能实现制浆设备转速平滑连续调节、现有变频器又不易直接旁路切换的缺点,提出一种开关控制小电容变频器电路结构及控制策略。首先分析了传统变频器直流母线电解电容的基本功能,指出电解电容增大变频器电磁惯性、导致输入电压和输出电压隔离是变频器不易旁路切换的主要原因。其次,研究了变频器在不同开关状态下异步电机能量回馈特性,并建立了稳态时异步电机回馈能量模型,从理论上验证了小电容变频器的可行性。接着提出了开关控制小电容变频器的电路结构和基于直流母线六脉波电压的电容参数计算方法,该方法以电容充放电的电压波形逼近变频器网侧整流输出的六脉波电压波形为依据。最后研究了小电容变频器输出电压特性,通过控制逆变输出电压零相位与输入直流母线电压峰值的时间关系,使小电容变频器电压传输比最大。实验结果表明,稳态时开关控制小电容变频器-异步电机系统回馈能量较小,小电容变频器所需电容为传统变频器的1/4,但最大电压传输比和输出电压谐波含量与传统变频器相近。(4)基于六边形电压矢量轨迹的连续变频软起动及旁路切换方法研究针对制浆设备驱动电机功率巨大、开关频率高导致小电容变频器开关损耗大的特点,提出了按六边形电压矢量轨迹控制的异步电机软起动控制及旁路切换方法。首先研究了基于120°方波逆变控制和180°方波逆变控制的六边形电压矢量作用原理。然后根据小电容变频器稳态瞬时等效电路存在3.3ms两相直通的特点,提出一种两相直接旁路切换控制方法。最后分析了120°方波逆变控制和180°方波逆变控制两相直接旁路切换的具体方法,并对比分析了两种旁路切换控制方法的仿真结果。结果表明,基于六边形电压矢量轨迹控制的小电容变频器可形成稳定的3.3ms两相等效直通电路且重复出现;基于180°方波逆变控制的旁路切换性能优于120°方波逆变控制的旁路切换性能。(5)基于变频软起动技术的制浆设备轻载节能方法研究针对制浆设备能耗大的特点,选取制浆过程主要设备输浆泵和磨浆机为研究对象,首先分析了输浆泵轻载时降速节能原理,建立了输浆泵轻载降速控制异步电机损耗模型,并对比了调压调速控制和变频调速控制的节能效果;然后分析了磨浆机打浆控制原理及能耗模型,提出磨浆机轻载恒转矩变频调速节能控制方法。仿真数据显示,当输浆泵转速下降11.5%,采用调压调速可节能20%,采用变频调速可节能30%,并且变频调速范围更宽;磨浆机轻载恒转矩变频调速控制可有效降低电机输出功率和电机损耗。综上所述,文章发现了晶闸管离散变频产生负电磁转矩的物理原因,提出可消除负电磁转矩分量的异步电机离散变频六边形电压矢量控制方法;提出按磁链轨迹控制无反向电压矢量的异步电机7-4-3-1分频软起动控制方法;提出开关控制小电容变频器电路结构及六边形电压矢量控制两相直接旁路切换方法;建立了小电容变频器-异步电机系统能量回馈模型,提出了小电容参数计算依据;建立了考虑异步电机损耗的输浆泵和磨浆机轻载变频调速节能模型。


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