大型泵站智能起停技術(shù)研究PPT

1、大型泵站異步電機智能大型泵站異步電機智能起停技術(shù)的研究起停技術(shù)的研究 專專 業(yè)：業(yè)：控制理論與控制工程控制理論與控制工程 學生姓名：學生姓名：倪華中倪華中 指導教師：指導教師：楊永立（副教授）楊永立（副教授） 答辯日期：答辯日期：2012014 4. .5 5. .2121 碩士學位論文答辯碩士學位論文答辯目目 錄錄異步電機起停問題的提出及意義1基于泵類負載起動特性研究2分級交交變頻技術(shù)軟起動的研究3軟起動器的諧波分析軟起動器的諧波分析4泵站軟起停控制策略及其智能化實現(xiàn)全文總結(jié)561.1 課題背景課題背景1.1.電機起停問題的提出及意義電機起停問題的提出及意義興建于六七十年代的興建于六七十年代

2、的泵站存在超負泵站存在超負荷運行、機組老化、能耗高、運行維荷運行、機組老化、能耗高、運行維護成本高、自動化程度低等現(xiàn)狀，已護成本高、自動化程度低等現(xiàn)狀，已經(jīng)不能夠發(fā)揮應有的排澇灌溉作用。經(jīng)不能夠發(fā)揮應有的排澇灌溉作用。另一方面，水利機電設(shè)備處于帶病運另一方面，水利機電設(shè)備處于帶病運行狀態(tài)不僅影響著設(shè)備安全和操作維行狀態(tài)不僅影響著設(shè)備安全和操作維護人員的人生安全，而且嚴重影響當護人員的人生安全，而且嚴重影響當?shù)氐姆姥纯购倒ぷ鳎＜碑數(shù)氐墓まr(nóng)地的防汛抗旱工作，危急當?shù)氐墓まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)，因此對這些泵站和水利設(shè)施業(yè)生產(chǎn)，因此對這些泵站和水利設(shè)施的改造勢在必行。電機的起停技術(shù)的的改造勢在必行。電機的起停技術(shù)

3、的改造是泵站更新改造中比較重要的一改造是泵站更新改造中比較重要的一個環(huán)節(jié)，直接衡量著泵站更新改造水個環(huán)節(jié)，直接衡量著泵站更新改造水平的好壞。平的好壞。泵站立式鼠籠異步電機泵站立式鼠籠異步電機1.1 泵站傳統(tǒng)的起動及動其危害泵站傳統(tǒng)的起動及動其危害1.電機起停問題的提出及意義電機起停問題的提出及意義1.1 傳統(tǒng)的起動及動其危害傳統(tǒng)的起動及動其危害1.電機起停問題的提出及意義電機起停問題的提出及意義F FU UF FU US SB B1 1S SB B2 2K KM M1 1K KM M1 1K KM M2 2K KT TK KM M2 2K KM M3 3K KM M1 1K KM M2 2K

4、KM M3 3K KT TK KT TR RJ J電流可能會達到甚至超過額定電流的電流可能會達到甚至超過額定電流的57倍倍1.1 傳統(tǒng)的起動及動其危害傳統(tǒng)的起動及動其危害1.電機起停問題的提出及意義電機起停問題的提出及意義發(fā)熱發(fā)熱破壞電機的端環(huán)和導條破壞電機的端環(huán)和導條電弧電弧接觸器切換帶來電流尖峰沖擊接觸器切換帶來電流尖峰沖擊流量不可調(diào)流量不可調(diào)速度不可調(diào)速度不可調(diào)水錘及二次沖擊水錘及二次沖擊很難實現(xiàn)智能起停很難實現(xiàn)智能起停1.2 新型電力電子軟起動方法新型電力電子軟起動方法軟啟動伴軟啟動伴隨著電力電子技術(shù)、自動控制技術(shù)和微機控制技術(shù)的發(fā)展隨著電力電子技術(shù)、自動控制技術(shù)和微機控制技術(shù)的發(fā)展應

5、運而生應運而生，常見的起動方法有常見的起動方法有 ：1 1、限流軟起動限流軟起動 2 2、電壓斜坡軟、電壓斜坡軟起動起動 3 3、加突跳控制起動、加突跳控制起動 4 4 、分級變頻軟起動、分級變頻軟起動 5 5、兩相變頻軟、兩相變頻軟起動起動無法軟停車無法軟停車耗能耗能某泵站采用一拖三起停方式某泵站采用一拖三起停方式1.3 軟起動（軟起動（soft-stater）結(jié)構(gòu)及在泵站的應）結(jié)構(gòu)及在泵站的應用用1.電機起停問題的提出及意義電機起停問題的提出及意義1.3 研究內(nèi)容研究內(nèi)容1.電機起停問題的提出及意義電機起停問題的提出及意義繪制兩類頻譜圖2.基于泵類負載起動特性研究基于泵類負載起動特性研究2

6、.1水錘現(xiàn)象水錘現(xiàn)象22121)(NNpp22121)(NNTT流體流體具有具有動量動量而且而且可壓縮，流量的急劇變化將在管可壓縮，流量的急劇變化將在管道內(nèi)引起壓強道內(nèi)引起壓強急劇變化，會對管道產(chǎn)生急劇變化，會對管道產(chǎn)生沖擊，沖擊，并伴并伴隨隨“空化空化”現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 電機的轉(zhuǎn)矩第變化和壓力的變化成電機的轉(zhuǎn)矩第變化和壓力的變化成正比，要減小壓力的脈動，可以考慮減小轉(zhuǎn)矩的變正比，要減小壓力的脈動，可以考慮減小轉(zhuǎn)矩的變化化。軟起動起來解決軟起動起來解決2.2電機起動模型電機起動模型2.2.基于泵類負載起動特性研究基于泵類負載起動特性研究dtdleJTT電機運動方程電機運動方程dtdk-tk201J

7、60fcbtatp1s2）（2.2電機起動模型電機起動模型2.2.基于泵類負載起動特性研究基于泵類負載起動特性研究22121221122122 211)()(33llppmeLLsRRsRUnsRInPTTeT1TeTD起動完成起動開始2.3三相交流調(diào)壓理論三相交流調(diào)壓理論2基于泵類負載起動特性研究基于泵類負載起動特性研究無論cossin)tan(tane阻感負載為何值， 只要滿足，電流連續(xù)， 隨著觸發(fā)角的增大，減小。2sin21)()sin2(12UtdtUUrms)sin()sin(2)(1tLRTetZUi2基于泵類負載起動特性研究基于泵類負載起動特性研究2.4 仿真仿真 斜坡閉環(huán)軟起控

8、制原理圖斜坡閉環(huán)軟起控制原理圖2sin222sin201）（）（UU）t，eT（ 11U t12，Ute3，T2基于泵類負載起動特性研究基于泵類負載起動特性研究2.4 仿真仿真2基于泵類負載起動特性研究基于泵類負載起動特性研究2.4 仿真仿真2基于泵類負載起動特性研究基于泵類負載起動特性研究 直接起動和斜坡電壓軟起仿真電流、直接起動和斜坡電壓軟起仿真電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速圖像轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速圖像2基于泵類負載起動特性研究基于泵類負載起動特性研究 結(jié)論結(jié)論 直接起動的起動電流比較大，起動極其不直接起動的起動電流比較大，起動極其不平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩脈動大，但是起動達到平衡所需要平穩(wěn)，轉(zhuǎn)矩脈動大，但是起動達到平衡所需要

9、的時間較少；電壓斜坡軟起動起動較為平穩(wěn)，的時間較少；電壓斜坡軟起動起動較為平穩(wěn)，起動電流也大大減小，卻犧牲了起動時間，如起動電流也大大減小，卻犧牲了起動時間，如果起動時間過長，可能會造成起動失敗。果起動時間過長，可能會造成起動失敗。 電壓斜坡軟起動具有優(yōu)越的電壓斜坡軟起動具有優(yōu)越的起動起動性能。性能。3分級交交變頻技術(shù)軟起動的研究分級交交變頻技術(shù)軟起動的研究 分級變頻即離散頻率控制法，基本原理是通過一分級變頻即離散頻率控制法，基本原理是通過一定的控制策略，讓晶閘管連續(xù)導通一個或多個正、定的控制策略，讓晶閘管連續(xù)導通一個或多個正、負半波，使軟起動器輸出電壓的頻率從一個較低的負半波，使軟起動器輸出

10、電壓的頻率從一個較低的值開始一般情況下是值開始一般情況下是50H z的分頻的分頻(即即50/n)，分級上，分級上升，最后達到升，最后達到 50 H z,穩(wěn)定后保持工頻運行。穩(wěn)定后保持工頻運行。 分頻率與初相位角關(guān)系分頻率與初相位角關(guān)系 3.1分級變頻平衡電壓及相位角關(guān)系分級變頻平衡電壓及相位角關(guān)系3232kBkB32當當時，時，123k分頻后得到正相序分頻后得到正相序3分級交交變頻技術(shù)軟起動的研究分級交交變頻技術(shù)軟起動的研究 3.1分級變頻平衡電壓及相位角關(guān)系分級變頻平衡電壓及相位角關(guān)系3432kB當當時，時，2143k分頻后得到負相序分頻后得到負相序分頻后的電壓波形隨著分頻率的變化而周期性分

11、頻后的電壓波形隨著分頻率的變化而周期性變化變化 ，當分頻率為，當分頻率為1、4、7、10、13、16、19，正相序平衡；當分頻率為，正相序平衡；當分頻率為2、5 、8 、11、14、17、20，負相序平衡；當分頻率，負相序平衡；當分頻率=3、6 、9、12 、15、18 分頻時相位和幅分頻時相位和幅值均不平衡。值均不平衡。120604030242014.171533.13129 .101023. 957. 885 . 7058. 767. 631. 663分級交交變頻技術(shù)軟起動的研究分級交交變頻技術(shù)軟起動的研究 二分頻二分頻A、B、C相電壓相位角相電壓相位角 二分頻電壓表達式及矢量圖二分頻電壓

12、表達式及矢量圖)3221sin(2)3121sin(221sin2tUUtUUtUUCBA3分級交交變頻技術(shù)軟起動的研究分級交交變頻技術(shù)軟起動的研究 二分頻直接起動仿真圖二分頻直接起動仿真圖 三分頻電壓表達式三分頻電壓表達式)91331sin(2)9531sin(231sin2tUUtUUtUUCBA3分級交交變頻技術(shù)軟起動的研究分級交交變頻技術(shù)軟起動的研究 3.2分級變頻帶來的轉(zhuǎn)矩脈動分級變頻帶來的轉(zhuǎn)矩脈動),(),(2211ffUL0),( 晶閘管關(guān)斷時，由于電機屬于感性負載，晶閘管晶閘管關(guān)斷時，由于電機屬于感性負載，晶閘管會續(xù)流導通一段時間，功率因數(shù)角會隨著轉(zhuǎn)速的變會續(xù)流導通一段時間，功

13、率因數(shù)角會隨著轉(zhuǎn)速的變化而明顯變化，分級變頻起動和停機時電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)化而明顯變化，分級變頻起動和停機時電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生脈動。抑制觸發(fā)角生脈動。抑制觸發(fā)角的變化率即可以抑制的變化率即可以抑制的變化的變化率。率。 斬波電壓有效值與功率因數(shù)角和觸發(fā)角關(guān)系斬波電壓有效值與功率因數(shù)角和觸發(fā)角關(guān)系)(nfcosICTT3分級交交變頻技術(shù)軟起動的研究分級交交變頻技術(shù)軟起動的研究 3.3分級變頻軟起動仿真分級變頻軟起動仿真 建模建模delay angleASM measurementwContinuouspowerguiia，ib，icv+-UCUBUAsimout1To Workspace1simoutTo Wo

14、rkspacesimout2TeOut1In1In2AfAbBfBbCfCbSix pulse generatorScope2mis_abcwmTe-K-Gain0 mABCTmAsynchronous MachineSI UnitsAfAbBfBbCfCbABCOutAOutBOutC6SCR3分級交交變頻技術(shù)軟起動的研究分級交交變頻技術(shù)軟起動的研究 電流電流 轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速3分級交交變頻技術(shù)軟起動的研究分級交交變頻技術(shù)軟起動的研究 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩conclusion：分級變頻軟起動：分級變頻軟起動電流比較平穩(wěn)，起動時間比較短，電流比較平穩(wěn)，起動時間比較短，分級變頻起動的轉(zhuǎn)矩脈動較平穩(wěn)，分級變頻起動的轉(zhuǎn)

15、矩脈動較平穩(wěn)，僅僅在僅僅在0.5s、0.9s會發(fā)生突變，會發(fā)生突變，脈動幅度比值也比較小。對于要脈動幅度比值也比較小。對于要求較高的泵站才適用此方法求較高的泵站才適用此方法4軟起動器的諧波分析軟起動器的諧波分析 4.1電子式軟起動器傅立葉分析電子式軟起動器傅立葉分析1) 1cos(1) 1cos(2ntnntnuan1) 1sin(1) 1sin(2ntnntnubn 幅度頻譜和均方根頻譜分析幅度頻譜和均方根頻譜分析00.050.10.150.2-1-0.500.51ty(a)正 弦 信 號 y=sin(2*pi*50t)時 域 波 形020406080100020406080頻 率 (Hz)

16、幅值(b)正 弦 信 號 y=sin(2*pi*50t)幅 頻 譜 圖 N=20002004006008001000020406080100頻 率 (Hz)均方根譜(c)正 弦 信 號 y=sin(2*pi*50t)均 方 根 譜4軟起動器的諧波分析軟起動器的諧波分析 4.2分級變頻軟起動頻譜圖分級變頻軟起動頻譜圖2分分頻頻4軟起動器的諧波分析軟起動器的諧波分析 4.2分級變頻軟起動頻譜圖分級變頻軟起動頻譜圖02040608010000.511.52頻 率 (Hz)幅值(b)正 弦 信 號 y=sin(2*pi*50t)二 分 頻 幅 頻 譜 圖 N=200020040060080010000

17、0.511.52頻 率 (Hz)均方根譜(c)正 弦 信 號 y=sin(2*pi*50t)二 分 頻 均 方 根 譜0.030.040.050.060.07-1-0.500.51ty(a)正 弦 信 號 y=sin(2*pi*50t)二 分 頻 時 域 波 形2分分頻頻00.020.040.060.080.1-1-0.500.51ty(a)正 弦 信 號 y=sin(2*pi*50t)三 分 頻 時 域 波 形02040608010000.10.20.30.40.50.60.7頻 率 (Hz)幅值(b)正 弦 信 號 y=sin(2*pi*50t)三 分 頻 幅 頻 譜 圖020040060

18、0800100000.511.522.533.5x 105頻 率 (Hz)均方根譜(c)正 弦 信 號 y=sin(2*pi*50t)三 分 頻 均 方 根 譜3分分頻頻4軟起動器的諧波分析軟起動器的諧波分析 4.2分級變頻軟起動頻譜圖分級變頻軟起動頻譜圖4分分頻頻00.020.040.060.080.1-1-0.500.51ty(a)正 弦 信 號 y=sin(2*pi*50t)三 分 頻 時 域 波 形02040608010000.10.20.30.40.50.60.7頻 率 (Hz)幅值(b)正 弦 信 號 y=sin(2*pi*50t)三 分 頻 幅 頻 譜 圖020040060080

19、0100000.511.522.533.5x 105頻 率 (Hz)均方根譜(c)正 弦 信 號 y=sin(2*pi*50t)三 分 頻 均 方 根 譜小結(jié)：討論了諧波電壓對轉(zhuǎn)矩的影響，在此基礎(chǔ)上小結(jié)：討論了諧波電壓對轉(zhuǎn)矩的影響，在此基礎(chǔ)上對交交直接變頻軟起動的基波和各次諧波進行了分對交交直接變頻軟起動的基波和各次諧波進行了分析探討；文獻析探討；文獻9雖然對分級變頻起動的高次諧波只雖然對分級變頻起動的高次諧波只給出了相應的結(jié)論，本章的所做的工作在于對電壓給出了相應的結(jié)論，本章的所做的工作在于對電壓做出了推導說明，做出了推導說明，并給出了奇次諧波的電壓表達式并給出了奇次諧波的電壓表達式,繪制了

20、單相分頻的幅度頻譜圖和均方根頻譜圖，這繪制了單相分頻的幅度頻譜圖和均方根頻譜圖，這些在其他類似的文獻中是沒有的。些在其他類似的文獻中是沒有的。 斜坡電壓會沿直線上升到額定電壓，若直線的斜率斜坡電壓會沿直線上升到額定電壓，若直線的斜率K1K1大，起動時間短，平穩(wěn)性減弱，電流和轉(zhuǎn)矩的脈動嚴重；大，起動時間短，平穩(wěn)性減弱，電流和轉(zhuǎn)矩的脈動嚴重；反之，起動較為平穩(wěn)，電流和轉(zhuǎn)矩的脈動會減弱。如果斜反之，起動較為平穩(wěn)，電流和轉(zhuǎn)矩的脈動會減弱。如果斜率過小，會造成起動失敗。率過小，會造成起動失敗。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了閉環(huán)轉(zhuǎn)矩在此基礎(chǔ)上設(shè)計了閉環(huán)轉(zhuǎn)矩PIDPID模糊控制方法。以實現(xiàn)模糊控制方法。以實現(xiàn)PIDPID

21、中三個參數(shù)的自整定。中三個參數(shù)的自整定。5. 泵站軟起?？刂撇呗约捌渲悄芑瘜崿F(xiàn)泵站軟起停控制策略及其智能化實現(xiàn) 5.1基于模糊基于模糊PID的斜坡電壓閉環(huán)軟起動實現(xiàn)的斜坡電壓閉環(huán)軟起動實現(xiàn)5. 泵站軟起?？刂撇呗约捌渲悄芑瘜崿F(xiàn)泵站軟起停控制策略及其智能化實現(xiàn) 5.1模糊控制器的設(shè)計模糊控制器的設(shè)計5. 泵站軟起?？刂撇呗约捌渲悄芑瘜崿F(xiàn)泵站軟起停控制策略及其智能化實現(xiàn) 5.1基于模糊基于模糊PID的斜坡電壓閉環(huán)軟起動實現(xiàn)的斜坡電壓閉環(huán)軟起動實現(xiàn)tkTTe10斜坡轉(zhuǎn)矩為斜坡轉(zhuǎn)矩為取取00T拉氏變換拉氏變換21)(sksTe異步電機是一個多變量非時變非線性異步電機是一個多變量非時變非線性函數(shù)，無法得

22、出其精確的傳遞函數(shù)函數(shù)，無法得出其精確的傳遞函數(shù)5. 泵站軟起?？刂撇呗约捌渲悄芑瘜崿F(xiàn)泵站軟起?？刂撇呗约捌渲悄芑瘜崿F(xiàn) 5.1建模及仿真建模及仿真01234567891000.20.40.60.811.21.4t/s c(t)常規(guī)PID單位階躍響應01234567891000.20.40.60.811.21.4t/sc(t)自適應模糊PID控制5. 泵站軟起?？刂撇呗约捌渲悄芑瘜崿F(xiàn)泵站軟起?？刂撇呗约捌渲悄芑瘜崿F(xiàn) 轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩conclusion：上述兩個仿真圖：上述兩個仿真圖像的對比可以知道，模糊自適應像的對比可以知道，模糊自適應PID比常規(guī)比常規(guī)PID的超調(diào)量明顯小的的超調(diào)量明顯小的多，穩(wěn)態(tài)誤

23、差和波動范圍也要小，多，穩(wěn)態(tài)誤差和波動范圍也要小，到達峰值時間相差不大，但是到到達峰值時間相差不大，但是到達穩(wěn)態(tài)的時間后者明顯快一些，達穩(wěn)態(tài)的時間后者明顯快一些，由此說明自適應模糊由此說明自適應模糊PID較傳統(tǒng)較傳統(tǒng)PID而言具有較強的自適應性和而言具有較強的自適應性和魯棒性能。魯棒性能。5. 泵站軟起停控制策略及其智能化實現(xiàn)泵站軟起?？刂撇呗约捌渲悄芑瘜崿F(xiàn) 5.2分級變頻軟起動器的設(shè)計分級變頻軟起動器的設(shè)計 硬件系統(tǒng)：硬件系統(tǒng)：a.晶閘管選擇晶閘管選擇 b.主芯片：主芯片：16位單片機位單片機S87C196MH c.鍵盤和顯示部分鍵盤和顯示部分 (8255A拓展部分拓展部分)d.同步信號檢測

24、電路同步信號檢測電路 e.電壓電流檢測電路電壓電流檢測電路 f.功率因功率因數(shù)檢測電路數(shù)檢測電路 f.保護電路保護電路5. 泵站軟起?？刂撇呗约捌渲悄芑瘜崿F(xiàn)泵站軟起?？刂撇呗约捌渲悄芑瘜崿F(xiàn) 軟件系統(tǒng)：軟件系統(tǒng)：主程序主程序主程序自檢程序主程序自檢程序5. 泵站軟起?？刂撇呗约捌渲悄芑瘜崿F(xiàn)泵站軟起?？刂撇呗约捌渲悄芑瘜崿F(xiàn) 軟件系統(tǒng)：軟件系統(tǒng)：WG中斷程序中斷程序分級變頻程序分級變頻程序1、在在matlab/simulink環(huán)境下搭建了三相交流電機直接起動和環(huán)境下搭建了三相交流電機直接起動和斜坡電壓軟起動的模型，通過仿真對比兩者之間的電流、轉(zhuǎn)斜坡電壓軟起動的模型，通過仿真對比兩者之間的電流、轉(zhuǎn)速、

25、轉(zhuǎn)矩波形圖像速、轉(zhuǎn)矩波形圖像，說明軟起動對，說明軟起動對“水錘水錘”具有抑制作用。具有抑制作用。2、提出了分級變頻軟起動方案的應用，分頻后的電壓電流波、提出了分級變頻軟起動方案的應用，分頻后的電壓電流波形隨著分頻率的變化呈周期性的變化；形隨著分頻率的變化呈周期性的變化；、正負相序電壓產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩疊加后會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，晶、正負相序電壓產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩疊加后會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，晶閘管的導通角的變化隨著功率因數(shù)角的變化而變化；閘管的導通角的變化隨著功率因數(shù)角的變化而變化；、在、在matlab/simulink環(huán)境下搭建仿真模型，仿真過程中分環(huán)境下搭建仿真模型，仿真過程中分頻時間變換函數(shù)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，各模塊

26、的輸出輸入類型不同，頻時間變換函數(shù)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，各模塊的輸出輸入類型不同，需要加入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊。需要加入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊。6. 全文總結(jié)全文總結(jié)5、對電子式軟起動和分級變頻軟起動進行了諧波分析。電對電子式軟起動和分級變頻軟起動進行了諧波分析。電子式軟起動在子式軟起動在120導通角時，導通角時，電流比為電流比為2.3，轉(zhuǎn)矩比為轉(zhuǎn)矩比為1.6。對于分級變頻軟起動方式，求出了。對于分級變頻軟起動方式，求出了2、3、4分頻的諧分頻的諧波電壓三角級數(shù)表達式。在前人研究的基礎(chǔ)繪制單相電壓波電壓三角級數(shù)表達式。在前人研究的基礎(chǔ)繪制單相電壓的幅度頻譜和均方根頻譜圖。的幅度頻譜和均方根頻譜圖。6、將模糊自適應、將模糊自適應PID斜坡電壓的閉環(huán)控制應用于軟起動器，斜坡電壓的閉環(huán)控制應用于軟起動器，設(shè)計了控制電路、設(shè)計了控制電路、PID控制器，建立了以異步電