智能固态软起动器研究
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摘要
智能固态软起动器是专为中高压三相交流电机降低起动电流而设计的。它不同于传统的液态软起动器，智能固态软起动器在大功率电机起动过程中，通过控制电机的电流，使电机缓慢、平滑的加速，避免大电流对电机和电网的冲击，提高电网的工作效率和减少起动时对电机的冲击损伤，从而达到起动和保护设备的作用。
本文在对查阅、分析和归纳了国内外交流电机软起动相关技术的基础上，首先分析交流电机的起动特性，对比了多种传统的软起动方式的特点，并结合实际应用选择可变电抗器软起动方式作为智能固态软起动器的设计方案。其次，论文对智能固态软起动器进行系统结构设计，并对系统中可变电抗器、触发电路、控制器、检测电路进行详细阐述。文中深入探讨了可变电抗器的等效数学模型，给出了可变电抗器阻抗随晶闸管导通角变化的图形。论文对模糊控制和常规PID控制效果分别进行深入分析，结合两者优点采用模糊控制和PID控制相结合的方法作为智能固态软起动器的控制策略，并重点对模糊控制器进行设计。此外，智能固态软起动器软件结构、各模块功能和软件功能实现方法也进行了详细阐述，并列举了智能控制器检测信号名称和控制逻辑。最后，论文利用Matlab／simulink软件构建了电机软起动仿真模型，并进行了仿真，得出仿真图形。同时，论文给出了基于PLC控制器平台的智能固态软起动器控制电机软起动的实验电流波形。
实验表明，智能固态软起动器能够显著降低电机的起动电流，一般可将起动电流控制在额定电流的3倍左右，从而有效地减少电动机供电线路的电压损失及电力损耗，达到设计要求。
Intelligent Solid Soft Starter is based on the variable reactance technique, whichis designed especially for large and medium electromotor in order to decline themaximum current during the starting. It is different from the traditional liquid softstarter, during the starting of the electromotor, Intelligent Solid Soft Starter can makethe motor accelerate smoothly and slowly by means of controlling the current, whichcan avoid the impact for electric net and motor, improving the efficiency of net anddecreasing impair of motor. All of these can start the motor and protect theequipments.
Firstly, on the basis of reference, analysis and generalization, in this thesis, thesystem design of solid soft starter based on variable reactance technique is selectedthrough analyzing the motor characteristics of start, contrasting several traditionalmodes of soft starter and combining with actual apply. Secondly, the system structureof soft starter is designed, the components of soft starter, such as the variablereactance, triggering circuit, controller and the circuit of measurement, are alsointroduced with details in this paper. Through analyzing both fuzzy control and PID,taking advantages of the characteristics of fuzzy and PID, the mixture of fuzzycontrol and PID are applied in the controlling strategy of starting electromotor. Then,it especially designs fuzzy controller. Moreover, it describes with details the softwareframe of intelligent solid soft starter and represents the name of measurement signaland controlling logic. Finally, the simulation model of electromotor soft starter isconstructed by matlab/simulink soft and simulated figures are got in this course.Meanwhile, the thesis shows the current waveform in the experiment based on thePLC controller.
The experiments indicate that the Intelligent Solid Soft Starter can decreaseremarkably the starting current of the motor; the current can be restricted about threetimes rating current compared with the direct starting current. It declines effectivelythe wasting of electric net and saves the power resources.
本文在对查阅、分析和归纳了国内外交流电机软起动相关技术的基础上，首先分析交流电机的起动特性，对比了多种传统的软起动方式的特点，并结合实际应用选择可变电抗器软起动方式作为智能固态软起动器的设计方案。其次，论文对智能固态软起动器进行系统结构设计，并对系统中可变电抗器、触发电路、控制器、检测电路进行详细阐述。文中深入探讨了可变电抗器的等效数学模型，给出了可变电抗器阻抗随晶闸管导通角变化的图形。论文对模糊控制和常规PID控制效果分别进行深入分析，结合两者优点采用模糊控制和PID控制相结合的方法作为智能固态软起动器的控制策略，并重点对模糊控制器进行设计。此外，智能固态软起动器软件结构、各模块功能和软件功能实现方法也进行了详细阐述，并列举了智能控制器检测信号名称和控制逻辑。最后，论文利用Matlab／simulink软件构建了电机软起动仿真模型，并进行了仿真，得出仿真图形。同时，论文给出了基于PLC控制器平台的智能固态软起动器控制电机软起动的实验电流波形。
实验表明，智能固态软起动器能够显著降低电机的起动电流，一般可将起动电流控制在额定电流的3倍左右，从而有效地减少电动机供电线路的电压损失及电力损耗，达到设计要求。
Intelligent Solid Soft Starter is based on the variable reactance technique, whichis designed especially for large and medium electromotor in order to decline themaximum current during the starting. It is different from the traditional liquid softstarter, during the starting of the electromotor, Intelligent Solid Soft Starter can makethe motor accelerate smoothly and slowly by means of controlling the current, whichcan avoid the impact for electric net and motor, improving the efficiency of net anddecreasing impair of motor. All of these can start the motor and protect theequipments.
Firstly, on the basis of reference, analysis and generalization, in this thesis, thesystem design of solid soft starter based on variable reactance technique is selectedthrough analyzing the motor characteristics of start, contrasting several traditionalmodes of soft starter and combining with actual apply. Secondly, the system structureof soft starter is designed, the components of soft starter, such as the variablereactance, triggering circuit, controller and the circuit of measurement, are alsointroduced with details in this paper. Through analyzing both fuzzy control and PID,taking advantages of the characteristics of fuzzy and PID, the mixture of fuzzycontrol and PID are applied in the controlling strategy of starting electromotor. Then,it especially designs fuzzy controller. Moreover, it describes with details the softwareframe of intelligent solid soft starter and represents the name of measurement signaland controlling logic. Finally, the simulation model of electromotor soft starter isconstructed by matlab/simulink soft and simulated figures are got in this course.Meanwhile, the thesis shows the current waveform in the experiment based on thePLC controller.
The experiments indicate that the Intelligent Solid Soft Starter can decreaseremarkably the starting current of the motor; the current can be restricted about threetimes rating current compared with the direct starting current. It declines effectivelythe wasting of electric net and saves the power resources.
引文
[1] 夏德钤．自动控制理论．北京：机械工业出版社，1998．
[2] 甘世红，楮建新，顾伟，高越农．高压异步电动机软起动方法综述．电气传动，2005．35(10)：3-6
[3] 席时达．电工技术．北京：高等教育出版社，1992．196-216
[4] 陈坚．电力电子学—电力电子变换和控制技术．北京：高等教育出版社，2001．
[5] 诸静．智能预测控制及其应用．杭州：浙江大学出版社，2002．
[6] 诸静．模糊控制原理与应用．北京：机械工业出版社，2005．321-326
[7] 黄辉，姜学东，邱瑞昌．三相异步电动机的三相交流调压软启动及节能控制研究．机车电传动，2005，(4)：10-12，15．
[8] 王卫安，危韧勇，蒋家久．基于有功功率闭环的高压异步电机软停控制．机车电传动，2005，(1)：33-35
[9] 崔树山，牛建锋．软起动行业现状及发展方向．深冷技术，2005．(1)：1-5
[10] 尔桂花，窦曰轩．运动控制系统．北京：清华大学出版社，2002．
[11] 孙旭东，王善铭．电机学．北京：清华大学出版社，2006．
[12] 黄俊，王兆安．电力电子变流技术．北京：机械工业出版社，1998．
[13] 林苹华，薛曼芳．电动机软起动器的性能比较．漳州职业技术学院学报，2005，7(2)：16-19
[14] 仲伟堂，付兴武，胡志红．异步电动机软启动控制与综合保护．辽宁工学院学报，2003，23(3)：4-5
[15] 黄鸿，唐毅，张燕．连续型模糊PID复合控制器在直流位置伺服系统中应用．北京理工大学学报，2004，24(6)：520-523
[16] 李金，粟梅．基于模糊控制电机软启动器的设计．控制工程，2004，11(S1)：71-74
[17] 郭建波，孙茂松，王雪松．模糊控制三相感应电动机恒流软起动的研究．矿山机械，2005，33(3)：70-71，78
[18] 刘颖慧．基于PLC的交流电动机软启动器．机电产品开发与创新，2004，17(3)：33-35
[19] 甘世红，褚建新，顾伟．基于开关变压器的中压异步电动机软启动器．中国电机工程学报，2005，25(16)：153-157
[20] 欧阳三泰，周琴，欧阳希．PLC模糊控制研究与应用[J]．机床电器，2005，(3)：28-31
[21] 郭建波，周剑利，崔涛． 模糊PID混合控制系统在加热炉中的应用． 微计算机信息，2005，21(7-1)：92-94．
[22] 岳云涛，韩永萍，王聪． 一种基于模糊PID控制的新型中压软起动器．中小型电机，2005，32(2)：52-56．
[23] 罗振中．基于模糊逻辑的异步电动机软起动器的研究[硕士学位论文]，湘潭大学，2004，5-6．
[24] 代林，高迪驹． 基于模糊控制系统的自整定PID参数控制器的设计．自动化技术与应用，2005，24(5)：26-29
[25] 郭兴众，张春，陈其工．交流变频调速系统中的自适应模糊控制研究． 电工．仪器．仪表，2005，22(1)：27-30
[26] 邵裕森，戴先中．过程控制工程．北京：机械工业出版社，2002
[27] 吴爱国，李际涛，黄瑞祥，袁昊．DC-DC变换器的大信号建模及鲁棒控制方法．电子学报，2001，29(5)：649-652
[28] 李建林，王立乔，熊宇，张仲超．三相电压型变流器系统静态数学模型．电工技术学报，2004，19(7)：11-15
[29] 李翔．基于晶闸管的三相三线交流调压电路分析与仿真．皖西学院学报，2006，22(2)：48-51
[30] 张诚，廖勇，刘刃，黄嵩．一种考虑饱和的变压器仿真模型的分析．重庆大学学报，2003，26(10)：63-66
[31] 洪淑月，施小钟．电力变压器的数学模型与仿真的研究．电工技术学报，2003，18(2)：72-76
[32] 张卫平，吴兆麟，李洁． 开关变换器建模方法综述． 浙江大学学报，1999，33(2)：169-175
[33] Boulos, Alkiviadis M. A comparison of fixed PID, fuzzy logic and fuzzy PID control for accommodating thermal stress in combined cycle power plants during the start up phase. Proceedings of the International Conference on Systems Science, v 3,2001,p 216-226.
[34] Lara, J.A.; Guzman, V.M.; Gimenez, M.I.; Restrepo, J.A. Design and Implementation of a soft start induction motor monitor station with power factor improvement. Proceedings of the Universities Power Engineering Conference, v 1, 1997, 213-216.
[35] S.A.Hamed and B.J. Chatmers. Analysis of variable-voltage thyristor controlled induction motors. IEE PROCEEDINGS, Vol. 137, Pt.B, No.3, MAY 1990.
[36] Kay, John A.; Paes, Richard H.; Seggewiss, J. George; Ellis, Robert G. Methods for the control of large medium-voltage motors. IEEE Transactions on Industry Applications, v 36, n 6, Nov, 2000,1688-1696.
[37] Ginart, Antonio; Esteller, Rosana;Maduro, A.; Pinero, R.;Moncada, R. High starting torque for AC SCR controller. IEEE Transactions on Energy Conversion, v 14, n 3, 1999, 553-559
[38] 赵彦威．基于可变电抗器技术的智能型固态软起动的研究：[硕士学位论文]．武汉：武汉理工大学自动化学院．2006，5：38-43
[39] 盛建科，陈乔夫，熊娅俐，张宇，李达义．高压大容量的磁通可控电抗器技术．高电压技术，2006，32(4)：91-94
[40] Navas-Gonzalez, Rafael; Vidal-Verdu, Fernando; Rodriguez-Vazquez, Angel Mixed-signal fuzzy controller and its application to soft start of DC motors. IEEE International Conference on Fuzzy Systems, v 1, 2000, p 128-133.
[41] Czogala E, Pedrycz W. On Identification in Fuzzy Systems and its Application in Control Problem. Fuzzy Sets and Systems, 1981(6): 73-83.
[42] Zadeh L A. Fuzzy Sets. Information and Control, 1965(8): 338-353.
[43] Jalili-Kharaajoo, Mahdi; Roudsari, Farzad Habibipour. Intelligent neuro-fuzzy based predictive control of a continuous stirred tank reactor. Advances in Neural Networks-ISSN 2005: Second International Symposium on Neural Networks. Proceedings, 2005: 662-667.
[44] R.S. Janardhana Iyengar and V. V. Sastry. Fuzzy Logic Based Soft—start for Induction Motor Drives. Conference Record of the 1995 IEEE, 1995, 1: 121-128
[45] 钱艳平，李奇．时滞网络预测PI控制算法鲁棒稳定性分析．东南大学学报，2007，37(1)：159-163
[46] SIEMENS S7-200中文手册，1999．
[2] 甘世红，楮建新，顾伟，高越农．高压异步电动机软起动方法综述．电气传动，2005．35(10)：3-6
[3] 席时达．电工技术．北京：高等教育出版社，1992．196-216
[4] 陈坚．电力电子学—电力电子变换和控制技术．北京：高等教育出版社，2001．
[5] 诸静．智能预测控制及其应用．杭州：浙江大学出版社，2002．
[6] 诸静．模糊控制原理与应用．北京：机械工业出版社，2005．321-326
[7] 黄辉，姜学东，邱瑞昌．三相异步电动机的三相交流调压软启动及节能控制研究．机车电传动，2005，(4)：10-12，15．
[8] 王卫安，危韧勇，蒋家久．基于有功功率闭环的高压异步电机软停控制．机车电传动，2005，(1)：33-35
[9] 崔树山，牛建锋．软起动行业现状及发展方向．深冷技术，2005．(1)：1-5
[10] 尔桂花，窦曰轩．运动控制系统．北京：清华大学出版社，2002．
[11] 孙旭东，王善铭．电机学．北京：清华大学出版社，2006．
[12] 黄俊，王兆安．电力电子变流技术．北京：机械工业出版社，1998．
[13] 林苹华，薛曼芳．电动机软起动器的性能比较．漳州职业技术学院学报，2005，7(2)：16-19
[14] 仲伟堂，付兴武，胡志红．异步电动机软启动控制与综合保护．辽宁工学院学报，2003，23(3)：4-5
[15] 黄鸿，唐毅，张燕．连续型模糊PID复合控制器在直流位置伺服系统中应用．北京理工大学学报，2004，24(6)：520-523
[16] 李金，粟梅．基于模糊控制电机软启动器的设计．控制工程，2004，11(S1)：71-74
[17] 郭建波，孙茂松，王雪松．模糊控制三相感应电动机恒流软起动的研究．矿山机械，2005，33(3)：70-71，78
[18] 刘颖慧．基于PLC的交流电动机软启动器．机电产品开发与创新，2004，17(3)：33-35
[19] 甘世红，褚建新，顾伟．基于开关变压器的中压异步电动机软启动器．中国电机工程学报，2005，25(16)：153-157
[20] 欧阳三泰，周琴，欧阳希．PLC模糊控制研究与应用[J]．机床电器，2005，(3)：28-31
[21] 郭建波，周剑利，崔涛． 模糊PID混合控制系统在加热炉中的应用． 微计算机信息，2005，21(7-1)：92-94．
[22] 岳云涛，韩永萍，王聪． 一种基于模糊PID控制的新型中压软起动器．中小型电机，2005，32(2)：52-56．
[23] 罗振中．基于模糊逻辑的异步电动机软起动器的研究[硕士学位论文]，湘潭大学，2004，5-6．
[24] 代林，高迪驹． 基于模糊控制系统的自整定PID参数控制器的设计．自动化技术与应用，2005，24(5)：26-29
[25] 郭兴众，张春，陈其工．交流变频调速系统中的自适应模糊控制研究． 电工．仪器．仪表，2005，22(1)：27-30
[26] 邵裕森，戴先中．过程控制工程．北京：机械工业出版社，2002
[27] 吴爱国，李际涛，黄瑞祥，袁昊．DC-DC变换器的大信号建模及鲁棒控制方法．电子学报，2001，29(5)：649-652
[28] 李建林，王立乔，熊宇，张仲超．三相电压型变流器系统静态数学模型．电工技术学报，2004，19(7)：11-15
[29] 李翔．基于晶闸管的三相三线交流调压电路分析与仿真．皖西学院学报，2006，22(2)：48-51
[30] 张诚，廖勇，刘刃，黄嵩．一种考虑饱和的变压器仿真模型的分析．重庆大学学报，2003，26(10)：63-66
[31] 洪淑月，施小钟．电力变压器的数学模型与仿真的研究．电工技术学报，2003，18(2)：72-76
[32] 张卫平，吴兆麟，李洁． 开关变换器建模方法综述． 浙江大学学报，1999，33(2)：169-175
[33] Boulos, Alkiviadis M. A comparison of fixed PID, fuzzy logic and fuzzy PID control for accommodating thermal stress in combined cycle power plants during the start up phase. Proceedings of the International Conference on Systems Science, v 3,2001,p 216-226.
[34] Lara, J.A.; Guzman, V.M.; Gimenez, M.I.; Restrepo, J.A. Design and Implementation of a soft start induction motor monitor station with power factor improvement. Proceedings of the Universities Power Engineering Conference, v 1, 1997, 213-216.
[35] S.A.Hamed and B.J. Chatmers. Analysis of variable-voltage thyristor controlled induction motors. IEE PROCEEDINGS, Vol. 137, Pt.B, No.3, MAY 1990.
[36] Kay, John A.; Paes, Richard H.; Seggewiss, J. George; Ellis, Robert G. Methods for the control of large medium-voltage motors. IEEE Transactions on Industry Applications, v 36, n 6, Nov, 2000,1688-1696.
[37] Ginart, Antonio; Esteller, Rosana;Maduro, A.; Pinero, R.;Moncada, R. High starting torque for AC SCR controller. IEEE Transactions on Energy Conversion, v 14, n 3, 1999, 553-559
[38] 赵彦威．基于可变电抗器技术的智能型固态软起动的研究：[硕士学位论文]．武汉：武汉理工大学自动化学院．2006，5：38-43
[39] 盛建科，陈乔夫，熊娅俐，张宇，李达义．高压大容量的磁通可控电抗器技术．高电压技术，2006，32(4)：91-94
[40] Navas-Gonzalez, Rafael; Vidal-Verdu, Fernando; Rodriguez-Vazquez, Angel Mixed-signal fuzzy controller and its application to soft start of DC motors. IEEE International Conference on Fuzzy Systems, v 1, 2000, p 128-133.
[41] Czogala E, Pedrycz W. On Identification in Fuzzy Systems and its Application in Control Problem. Fuzzy Sets and Systems, 1981(6): 73-83.
[42] Zadeh L A. Fuzzy Sets. Information and Control, 1965(8): 338-353.
[43] Jalili-Kharaajoo, Mahdi; Roudsari, Farzad Habibipour. Intelligent neuro-fuzzy based predictive control of a continuous stirred tank reactor. Advances in Neural Networks-ISSN 2005: Second International Symposium on Neural Networks. Proceedings, 2005: 662-667.
[44] R.S. Janardhana Iyengar and V. V. Sastry. Fuzzy Logic Based Soft—start for Induction Motor Drives. Conference Record of the 1995 IEEE, 1995, 1: 121-128
[45] 钱艳平，李奇．时滞网络预测PI控制算法鲁棒稳定性分析．东南大学学报，2007，37(1)：159-163
[46] SIEMENS S7-200中文手册，1999．