基于空间电压矢量的异步电动机软起动控制理论与方法研究

This project proposes a novel control algorithm of soft starter based on space voltage vector control. Using anti parallel thyristor as main circuit, controlling the sine wave voltage turn-on time, according to the principle of space voltage vector，so that the stator flux trajectory of three phase asynchronous motor will rotate in 6 edge shape or 12 shape rules. Through controlling voltage-time product，this new control algorithm realizes the flux linkage locus and the amplitude control. The algorithm can effectively control the speed and the amplitude of motor-field by changing amplitude and frequency of stator voltage. The frequency is varied from low to high level, after reached a certain frequency using power frequency voltage control. This kind of strategy reduces 20% stator current, can improve the ability of starting load also. At the same time, put forward and research on some theory problems, such as zero voltage vector of the open circuit, the relationship between the parameters and attenuation law of stator short-circuit and open circuit conditions. Simulation and experiment results analysis and verification of this control strategy is reasonable and effective.

提出了一种基于空间电压矢量控制的新型软启动器控制算法。采用反并联可控硅做主电路，通过控制正弦波电压的导通时刻，按照空间电压矢量的原理使三相异步电机的定子磁链轨迹按6边形或12边形等规则旋转。在控制磁链轨迹的同时还对导通电压的积分即伏秒积控制，实现多边形的磁链轨迹和幅值控制，从而形成一种新型电机软启动器控制策略。这种新型控制策略能有效控制电机磁场旋转速度和幅值，使电机启动过程按照一定的规律改变定子的电压和频率，使频率有级的由低到高变化，达到一定值后切换到工频调压控制直至电机启动过程完成。这种控制策略比现有的软启动方法降低定子电流20%，亦即可以显著提高电机的带载起动能力。同时提出并研究了与之相关的一些基础理论问题，如开路零电压矢量问题，在定子短路和开路条件下转子磁链的衰减规律及与电机参数之间的关系问题等，用仿真和实验结果分析和验证了这种控制策略的合理和有效性。

针对大功率异步电机带载起动工程应用的逐步增加，而现有软起动技术存在电磁转矩小、转矩脉动大的缺点，研究了基于空间电压矢量理论的新型软起动控制策略，主要研究内容及研究结果如下：（1）研究了感应电机传统离散变频控制产生电磁转矩脉动的原因。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，分析传统离散变频控制电压矢量轨迹，根据感应电机定子磁链与定子电压的物理关系，揭示了感应电机离散变频产生负电磁转矩脉动的物理原因。（2）研究了感应电机空间电压矢量控制原理。通过剔除产生负电磁转矩的空间电压矢量，并按伏秒积相同原理合并触发不同作用时间的相同电压矢量，提出基于六边形电压矢量轨迹的离散变频控制方法，建立了正弦两相交变供电感应电机数学模型，分析了空间电压矢量控制下感应电机定转子磁链变化规律。（3）研究了空间电压矢量软起动器实现方法及控制策略。采用容量大成本低的反并联晶闸管做主电路，基于六边形电压矢量轨迹、通过控制正弦波电压的导通时刻，按交流两相供电预励磁、7分频控制、4分频控制、3分频控制、基频斜坡升压控制的顺序完成感应电机离散变频软起动控制。.研究结果表明：（1）与定子磁链旋转方向不一致的电压矢量是感应电机离散变频产生负电磁转矩分量的物理原因。（2）基于六边形电压矢量控制可消除负电磁转矩分量，减小转矩脉动，相同负载时起动电流比传统软起动方法降低约20%，等效提升起动转矩20%，但电流断续导致的转矩脉动不可消除，在正弦两相交流供电的电流断续时间内定子磁链衰减小于5%，不影响感应电机的软起动。（3）按本项目提出的方法可实现感应电机重载离散变频软起动，起动过程电机转速上升平稳。.总之，本项目研究对证明基于空间电压矢量理论的感应电机离散变频软起动的可行性具有一定的科学意义，为进一步实现产品开发奠定了基础。