本發(fā)明是一種異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器及其控制方法，特別是一種將自抗擾控制技術(shù)應(yīng)用于控制器中的一種新型電機(jī)軟啟動(dòng)器，其屬于異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中的一種較先進(jìn)的軟啟動(dòng)器。

背景技術(shù)：

隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)展不斷推進(jìn)，經(jīng)濟(jì)與社會(huì)不斷深入發(fā)展，能源短缺和環(huán)境污染成為目前人類面臨的共同難題。

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我們對(duì)產(chǎn)品的要求越來越高，高質(zhì)量的產(chǎn)品需要更高的生產(chǎn)工藝，如何使設(shè)備在效率最優(yōu)的情況下，能夠工作在更加平穩(wěn)流暢的環(huán)境下，漸漸成為人們普遍關(guān)注的問題。

異步電動(dòng)機(jī)作為使用最廣泛的電動(dòng)機(jī)，因具備結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、堅(jiān)固耐用、制造方便、很少需要維護(hù)和能在惡劣環(huán)境下持續(xù)運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)，在日常生活，尤其是工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的使用，是電能的主要消耗者。當(dāng)前，大部分工業(yè)拖動(dòng)都是異步電動(dòng)機(jī)，地位顯著。然而，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性卻一直不理想，傳統(tǒng)電機(jī)的起動(dòng)和停止制動(dòng)方式都存在許多的缺陷。眾所周知，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流一般是額定電流的4-8倍，最高可達(dá)額定電流的15倍，這對(duì)電網(wǎng)、負(fù)載機(jī)械和電動(dòng)機(jī)都造成巨大沖擊，影響電動(dòng)機(jī)及其拖動(dòng)設(shè)備的使用壽命，會(huì)造成電網(wǎng)電壓突降，直接影響在電網(wǎng)中其它用電設(shè)備的正常工作。這樣大的電流不僅加重了進(jìn)線、供電電網(wǎng)以及在電動(dòng)機(jī)前面的開關(guān)電器的負(fù)荷，而且同時(shí)出現(xiàn)的巨大的轉(zhuǎn)矩沖擊又會(huì)使電動(dòng)機(jī)發(fā)出猛烈的沖振，并且也給用作動(dòng)力傳輸?shù)妮o助設(shè)備(例如三角皮帶、變速機(jī)構(gòu))和做功的機(jī)械設(shè)備帶來不可避免的機(jī)械沖擊。所以，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能對(duì)能源保護(hù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有很重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：在于提供一種高性能的異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器。

同時(shí)提供了一種異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器的控制方法，它采用一種先進(jìn)的自抗擾控制技術(shù)控制調(diào)壓裝置靈活的改變電機(jī)端輸入電壓，尤其在惡劣環(huán)境中可以實(shí)現(xiàn)高速高精讀的控制效果，根據(jù)采集的電機(jī)電流變化實(shí)時(shí)改變定子輸入電壓，從而限制電機(jī)的啟動(dòng)電流達(dá)到電機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)的目的。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種異步電動(dòng)機(jī)限流軟啟動(dòng)器，由三相晶閘管調(diào)壓電路，電流檢測電路，控制器，電壓過零檢測電路，六路觸發(fā)脈沖發(fā)生器所構(gòu)成，所說的三相晶閘管調(diào)壓電路的輸入端與外電網(wǎng)相連，其輸出端直接與電機(jī)定子端相連，電流檢測電路將把電機(jī)側(cè)檢測到的實(shí)際電流信號(hào)與預(yù)設(shè)電機(jī)允許的最大電流值相比較輸出給控制器，經(jīng)控制器運(yùn)算處理輸出控制信號(hào)，電壓過零檢測電路從電網(wǎng)線電壓中采集電壓信號(hào)作為同步電壓信號(hào)，再將控制信號(hào)和同步電壓信號(hào)輸入到六路觸發(fā)脈沖發(fā)生器中產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，觸發(fā)脈沖通過控制三相晶閘管調(diào)壓電路，實(shí)時(shí)的控制電機(jī)輸入電壓，從而實(shí)時(shí)的控制電機(jī)的啟動(dòng)電流，使得電機(jī)能夠平穩(wěn)的啟動(dòng)。

進(jìn)一步的，所述的三相晶閘管調(diào)壓電路是由雙向可控硅三相調(diào)壓電路構(gòu)成，其電路結(jié)構(gòu)是由三對(duì)反并聯(lián)的晶閘管組成。

進(jìn)一步的，所述的三相晶閘管調(diào)壓電路有三路，每路有兩個(gè)正反晶閘管并聯(lián)組成。

一種異步電動(dòng)機(jī)限流軟啟動(dòng)器的控制方法，包括以下步驟：(1)當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)之后，電流檢測電路實(shí)時(shí)的檢測電機(jī)側(cè)的電流值，并反饋給控制器；(2)控制器根據(jù)反饋來的電機(jī)實(shí)際電流值與預(yù)設(shè)電機(jī)最大電流值相比較，輸出控制信號(hào)；(3)同時(shí)電壓過零檢測電路從電網(wǎng)側(cè)實(shí)時(shí)的檢測線電壓，并作為晶閘管脈沖觸發(fā)信號(hào)的電壓同步信號(hào)；(4)將控制信號(hào)和電壓同步信號(hào)輸出給六路觸發(fā)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生觸發(fā)脈沖；(5)三相晶閘管調(diào)壓電路根據(jù)觸發(fā)脈沖的變化，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)的定子端輸入電壓，從而保證電機(jī)側(cè)電流始終維持在預(yù)設(shè)的最大電流值以下。

進(jìn)一步的，步驟(1)中，電流檢測電路通過傳感器將三相電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再將這個(gè)電壓信號(hào)送入到控制器中作為電流負(fù)反饋調(diào)節(jié)信號(hào)，將這個(gè)電壓信號(hào)經(jīng)三相全波整流、濾波和分壓后獲得一個(gè)直流電壓信號(hào)，此信號(hào)作為系統(tǒng)執(zhí)行軟啟動(dòng)時(shí)的電流反饋信號(hào)。

進(jìn)一步的，步驟(2)中的控制器基于自抗擾控制技術(shù)，首先將六路觸發(fā)脈沖發(fā)生器和三相晶閘管調(diào)壓電路作為廣義被控對(duì)象進(jìn)行分析,確定被控對(duì)象的輸入輸出量及控制量，然后通過自抗擾控制技術(shù)中的跟蹤微分器對(duì)被控對(duì)象的參考輸入i1^*安排過渡過程并提取它的微分信號(hào)，再通過自抗擾控制技術(shù)中的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器對(duì)調(diào)壓裝置中的不確定因素和外部干擾進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測與估計(jì)，然后通過自抗擾控制技術(shù)中的非線性狀態(tài)誤差反饋律來構(gòu)成系統(tǒng)的控制量，最后在控制過程中對(duì)各部分的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,最終實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制電機(jī)輸入電壓的目的。

進(jìn)一步的，步驟(3)中電壓同步信號(hào)檢測電路具有兩個(gè)功能，其一是采集電壓過零時(shí)刻作為觸發(fā)脈沖的同步信號(hào)；其二是將三相電壓信號(hào)變成直流信號(hào)，送入控制器起到過壓，欠壓保護(hù)作用。

進(jìn)一步的，六路觸發(fā)脈沖發(fā)生器用于把控制器發(fā)出的控制信號(hào)和同步電壓信號(hào)生成控制序列脈沖進(jìn)而驅(qū)動(dòng)三相晶閘管調(diào)壓電路。

本發(fā)明的優(yōu)越性和技術(shù)效果在于：1.本發(fā)明對(duì)于電機(jī)這種高度非線性、復(fù)雜系統(tǒng)具有較好的控制品質(zhì)，并具有良好的抗干擾能力尤其在惡劣環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高速高精度控制。2.將自抗擾控制技術(shù)用于異步電動(dòng)機(jī)限流軟啟動(dòng)器中，具有超調(diào)小，過渡過程短的特點(diǎn),在很大范圍內(nèi)可以適應(yīng)對(duì)象模型和周圍環(huán)境的變化,且不影響控制器的控制品質(zhì),具有很好的魯棒性。

附圖說明

附圖1為本發(fā)明所涉及一種異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器及其控制方法的總體結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖2為本發(fā)明所涉一種異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器及其控制方法中三相晶閘管調(diào)壓電路圖。

附圖3為本發(fā)明所涉一種異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器及其控制方法的自抗擾控制的原理結(jié)構(gòu)框圖。

附圖4為本發(fā)明所涉一種異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器及其控制方法的硬件結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。

本發(fā)明提供一種異步電動(dòng)機(jī)限流軟啟動(dòng)器(見圖1)，由三相晶閘管調(diào)壓電路，電流檢測電路，控制器，電壓過零檢測電路，六路觸發(fā)脈沖發(fā)生器所構(gòu)成，所說的三相晶閘管調(diào)壓電路的輸入端與外電網(wǎng)相連，其輸出端直接與電機(jī)定子端相連，電流檢測電路將把電機(jī)側(cè)檢測到的電流信號(hào)輸出給控制器，控制器將實(shí)際電流信號(hào)與預(yù)設(shè)電機(jī)允許的最大電流值相比較，輸出控制信號(hào)，電壓過零檢測電路從電網(wǎng)線電壓中采集電壓信號(hào)作為同步電壓信號(hào)，再將控制信號(hào)和同步電壓信號(hào)輸入到六路觸發(fā)脈沖發(fā)生器中產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，觸發(fā)脈沖通過控制三相晶閘管調(diào)壓電路，實(shí)時(shí)的控制電機(jī)輸入電壓，從而實(shí)時(shí)的控制電機(jī)的啟動(dòng)電流，使得電機(jī)能夠平穩(wěn)的啟動(dòng)。

上述所說的三相晶閘管調(diào)壓電路由雙向可控硅三相調(diào)壓電路(見圖2)構(gòu)成，其電路結(jié)構(gòu)是由三對(duì)反并聯(lián)的晶閘管組成。交流調(diào)壓電路主要有相控式調(diào)壓電路和斬波式調(diào)壓電路。本文采用相控式調(diào)壓電路，即利用門極脈沖相位變化來改變輸出端電壓。相控式調(diào)壓電路主要是通過改變觸發(fā)角α的大小以達(dá)到改變電機(jī)定子側(cè)輸入電壓的目的。相控式調(diào)壓電路結(jié)構(gòu)簡單，可實(shí)現(xiàn)電壓平滑控制，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)三相晶閘管調(diào)壓電路而言，觸發(fā)信號(hào)必須和交流電源的相序和相位差相同，才能保證輸出電壓對(duì)稱而且相應(yīng)的控制范圍相同。在電感負(fù)載或?qū)ń禽^小時(shí)，保證采用觸發(fā)角角大于60°的雙脈沖或?qū)捗}沖觸發(fā)電路從而確保晶閘管可靠觸發(fā)。由于觸發(fā)脈沖是否能穩(wěn)定可靠關(guān)系到晶閘管能否正常導(dǎo)通，是調(diào)壓的關(guān)鍵。

觸發(fā)脈沖順序，為vt1～vt6依次相差60°，α的起點(diǎn)是從相電壓過零點(diǎn)開始，α角移相控制范圍是0°～150°，三相橋式全控整流電路和其一樣。

1)0°≤α＜60°：三管與兩管依次交替導(dǎo)通，每個(gè)管導(dǎo)通角為180°-α，但α＝0°時(shí)，三管持續(xù)導(dǎo)通；

2)60°≤α＜90°：兩管導(dǎo)通，每管導(dǎo)通120°；

3)90°≤α＜150°：兩管導(dǎo)通與無晶閘管交替導(dǎo)通，導(dǎo)通角為300°-2α。

設(shè)un代表電網(wǎng)相電壓的有效值：

其中輸入電壓un與觸發(fā)角α和續(xù)流角φ有關(guān)。其中續(xù)流角φ可近似認(rèn)為是功率因數(shù)角。當(dāng)我們知道觸發(fā)角和續(xù)流角時(shí)，我們可以知道輸入電壓的有效值，此時(shí)我們可以將其等效為有效值為un的標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓。

上述所說的電流檢測電路通過傳感器將三相電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再將這個(gè)電壓信號(hào)送入到控制器中作為電流負(fù)反饋調(diào)節(jié)信號(hào)。將這個(gè)電壓信號(hào)經(jīng)三相全波整流、濾波和分壓后獲得一個(gè)直流電壓信號(hào)，此信號(hào)作為系統(tǒng)執(zhí)行軟啟動(dòng)時(shí)的電流反饋信號(hào)。

上述所說的控制器其內(nèi)部采用先進(jìn)的自抗擾控制技術(shù)(見圖3)，通過把檢測到的電機(jī)電流與預(yù)設(shè)的最大電流值比較輸出控制信號(hào)給觸發(fā)電路，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)壓。該方法既能對(duì)系統(tǒng)模型中的不確定因素和外部干擾進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測,又不影響控制器的控制品質(zhì),具有良好的魯棒性和適應(yīng)能力。

上述所說的電壓過零檢測電路和六路觸發(fā)脈沖發(fā)生器采用常規(guī)的模塊電路組成。

一種異步電動(dòng)機(jī)限流軟啟動(dòng)器，其特征在于：包括以下步驟：(1)當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)之后，電流檢測電路實(shí)時(shí)的檢測電機(jī)側(cè)的電流值，并反饋給控制器；(2)控制器根據(jù)反饋來的電機(jī)實(shí)際電流值與預(yù)設(shè)電機(jī)最大電流值相比較，輸出控制信號(hào)；(3)同時(shí)電壓過零檢測電路從電網(wǎng)側(cè)實(shí)時(shí)的檢測線電壓，并作為晶閘管脈沖觸發(fā)信號(hào)的電壓同步信號(hào)；(4)將控制信號(hào)和電壓同步信號(hào)輸出給六路觸發(fā)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生觸發(fā)脈沖；(5)調(diào)壓裝置根據(jù)觸發(fā)脈沖的變化，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)的定子端輸入電壓，從而保證電機(jī)側(cè)電流始終維持在預(yù)設(shè)的最大電流值以下。

進(jìn)一步的，步驟(1)中，電流檢測電路通過傳感器將三相電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再將這個(gè)電壓信號(hào)送入到控制器中作為電流負(fù)反饋調(diào)節(jié)信號(hào)。將這個(gè)電壓信號(hào)經(jīng)三相全波整流、濾波和分壓后獲得一個(gè)直流電壓信號(hào)，此信號(hào)作為系統(tǒng)執(zhí)行軟啟動(dòng)時(shí)的電流反饋信號(hào)。

上述步驟(2)中的控制器基于自抗擾控制技術(shù)，首先將六路觸發(fā)脈沖發(fā)生器和三相晶閘管調(diào)壓電路作為廣義被控對(duì)象進(jìn)行分析,確定被控對(duì)象的輸入輸出量及控制量，然后通過自抗擾控制技術(shù)中的跟蹤微分器(td)對(duì)被控對(duì)象的參考輸入i1^*安排過渡過程并提取它的微分信號(hào)，再通過自抗擾控制技術(shù)中的擴(kuò)張狀態(tài)觀測器(exo)對(duì)調(diào)壓裝置中的不確定因素和外部干擾進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測與估計(jì)，然后通過自抗擾控制技術(shù)中的非線性狀態(tài)誤差反饋律(nlsef)來構(gòu)成系統(tǒng)的控制量，最后在控制過程中對(duì)各部分的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,最終實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制電機(jī)輸入電壓的目的。

另外，六路觸發(fā)脈沖發(fā)生器用于把控制器發(fā)出的控制信號(hào)和同步電壓信號(hào)生成控制序列脈沖進(jìn)而驅(qū)動(dòng)三相晶閘管調(diào)壓電路。三相晶閘管調(diào)壓電路有三路，每路有兩個(gè)正反晶閘管，要讓六個(gè)晶閘管按順序依次導(dǎo)通，選擇60°的寬度脈沖，依次向三路發(fā)送，這樣，每一路的晶閘管就能按照設(shè)定的程序進(jìn)行導(dǎo)通。

附圖4給出了發(fā)明節(jié)能器的硬件結(jié)構(gòu)圖，由該附圖可知，

通過電流采樣電路，將采樣回來的電流信號(hào)經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送給單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理，單片機(jī)把電流信號(hào)與電流期望值比較，經(jīng)控制器的運(yùn)算推理輸出控制量，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，控制電機(jī)電壓，使得電流不超過預(yù)設(shè)最大值。晶閘管由于擊穿電壓接近工作電壓，熱容量又較小，所以承受過電壓、過電流能力較差，短時(shí)間內(nèi)的過電壓、過電流都可能造成元件損壞。所以必須對(duì)過電壓、過電流發(fā)生的原因加以分析，采取合適的保護(hù)措施。為使使用者更便捷的控制電機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)，添加了液晶顯示器、按鍵。

總體設(shè)計(jì)包括主電路部分，控制部分和保護(hù)部分。主電路主要有三相晶閘管調(diào)壓電路組成，控制電路組要由控制器組成。

本發(fā)明的工作原理：當(dāng)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，將采樣回來的電流信號(hào)輸入到控制器，與電流期望值比較，經(jīng)控制器的推理運(yùn)算輸出控制量。同步信號(hào)檢測電源過零點(diǎn)，給單片機(jī)外部中斷信號(hào)，觸發(fā)定時(shí)中斷。當(dāng)定時(shí)中斷溢出時(shí)，給晶閘管觸發(fā)信號(hào)。調(diào)壓裝置根據(jù)觸發(fā)脈沖的變化，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)的定子端輸入電壓，從而保證電機(jī)側(cè)電流始終維持在預(yù)設(shè)的最大電流值以下。