一種電動機軟起動控制方法
2023-11-08 09:47:32 2
專利名稱：一種電動機軟起動控制方法
技術領域：
本發明涉及一種電動機軟起動控制方法，特別是涉及一種用來協調控制電動機起動電流與轉速，分階段採用不同的決策，構成整個起動過程的控制策略，實現起動過程最優控制效果的動態規劃控制方法。
背景技術：
電動機直接起動時產生的大電流(5-7倍以上電機額定電流)對電網、電機及拖動設備危害巨大，可造成繼電保護誤動作、自動控制失靈等故障。使用軟起動裝置，可以避免電機直接起動所造成的危害性及影響。從節能的角度，使用軟起動裝置還有事半功倍的節能效果。目前國內外的電動機軟起動一般常採用開環電壓斜坡控制方式、閉環電流限幅控制方式、分級變頻控制方式、模糊控制、人工神經網絡控制等。電壓斜坡起動方式簡單，起動效果容易受負載和電源變化的影響，控制效果不夠精確，需反覆調試才能達到比較滿意的起動效果。閉環電流限幅控制方式增加了閉環電流檢測環節，電流採樣不僅用來做晶閘管過電流保護，而且還可以參與電流的閉環調節，電流限幅起動方式受負載和電源變化的影響較小，且穩定性得到極大的提高，起動效果比電壓斜坡起動方式提高了。電流限幅起動方式特別適合於恆轉矩負載，通過設置電流上限，在電網容量有限的場合使電動機以最小的起動電流快速起動。分級變頻控制方式是在電機起動過程中，使電壓頻率從一個比較小的初始值逐級增大至工頻50Hz，從而提高低電壓時的轉矩。由於頻率的離散跳變，定子電流的瞬時值是不連續的，轉矩瞬時值也不連續，脈動較大。在實際電機的運行中會出現明顯的振動，這是分級變頻控制方式最大的缺點。模糊控制及人工神經網絡控制均屬於智能控制。模糊控制技術不依賴精確的數學模型，對參數變化不敏感，適應性強，具有很好的魯棒性，在電機的軟起動的控制方面取得了良好的控制效果。人工神經網絡考慮電機和調壓裝置模型參數的變化及電機負載類型的多變性，動態特性優良，具有較好的適應性和魯棒性。上述電機軟起動控制方法的主要目的是降低電動機的起動電流，控制目標單一，不考慮起動時間及起動轉速等因素。然而在起動過程中，由於不考慮起動時間，常會因為起動時間過長,引起電機發熱,造成主迴路中的熱繼電器動作,起動失敗。因此,對於電機軟起動系統，採用非線性控制的方法實現時間最優控制是一種很有價值的控制策略。針對以上存在的問題，一種電動機動態規劃軟起動控制方法是一個很好的解決辦法，該方法在電機起動過程中的不同階段採用不同的決策，在起動過程最長的恆流升速階段採用時間最優控制。不同階段的決策，構成整個起動過程的控制策略，實現起動電流與轉速的協調控制，既可以將起動電流限幅，又可以將起動時間降至最小，提高起動的成功率。本申請者查閱了 2007年到2012年這5年公開的關於電機軟起動的專利，共計458項目，這些專利均是關於軟起動裝置、軟起動控制電路、軟起動與無功補償裝置等方面的內容，未見涉及軟起動控制方法的專利。電機軟起動裝置在限制起動電流、減小電網電壓波動、進行無功功率補償、節約能源、改善供電質量等方面具有良好的應用效果。由於電動機是非線性、強耦合、時變系統，採用非線性控制方法對其進行控制，優化其控制效果具有重大的工程實踐意義。有鑑於此，有必要提供一種電動機軟起動控制方法，以解決上述問題。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種利用動態規劃控制方法來控制電動機軟起動，使電機起動電流限制在2倍額定電流的基礎上，實現電動機轉速快速上升至額定轉速，起動時間最短，減小電機發熱，提高軟起動的成功率，並提高工業企業的生產效率。本發明所採用的技術方案是一種電動機軟起動控制方法，其特徵在於，採用動態規劃控制方法，將電動機起動電流限制在2倍額定電流的基礎上，實現電動機轉速快速上升至額定轉速，起動時間最短，具體方法是
(1)根據電動機理想起動特性，將起動過程劃分為三個階段，分別確立這三個階段對起動電流、轉速的控制目標；
(2)實時檢測電動機起動過程中的電流和轉速，根據起動電流與轉速之間的關係，決定三個階段分別要採取的決策；
(3)對起動過程中最重要的恆流升速階段，採用滿足電動機起動狀態約束及起動電流限制在2倍額定電流約束條件下的時間最短控制決策；
(4)三個階段的決策構成整個起動過程的控制策略，實現一種電動機起動過程最優化。如上所述的電動機軟起動控制方法，其特徵在於使用動態規劃控制技術，實現起動電流和電機轉速的協調控制，在起動過程的第一個階段採用比例控制，增強起動的快速性；第二個階段採用最優控制，實現滿足起動約束條件下，起動時間最短；第三個階段採用比例積分控制，消除控制系統的穩定誤差。如上所述的電動機軟起動控制方法，其特徵在於實現動態規劃控制策略所採用的控制器為DSP，電動機起動狀態顯示與控制參數設置採用觸控螢幕。本發明與現有技術相比具有如下優點
(I)分別對起動電流和起動轉速進行檢測和協調控制，控制系統受電源和負載變化影響小，抗幹擾能力強，控制精度高，控制效果好。(2)採用動態規劃控制方法，分階段來進行控制，可滿足不同階段的起動特性，達到理想控制效果。(3)在起動的第二階段採用時間最優控制，可減小電機發熱並提高工業企業的生
產效率。(4)整個控制方法簡單，工作可靠性高，採用DPS作為控制器，人機互動界面採用觸控螢幕，可直觀的觀測到起動電流與電機轉速，並方便修改控制參數，可提高整個軟起動控制系統的自動化程度，減輕了操作人員的工作強度，免除了不必要的人力浪費。
圖1是本發明的電動機軟起動控制方法系統結構圖。圖2是電動機起動理想起動曲線。
具體實施例方式為了更好地理解本發明，下面結合實施例進一步闡明本發明的內容，但本發明的內容不僅僅局限於下面的實施例。本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣在本申請所列權利要求書限定範圍之內。圖1中1.控制器(執行動態規劃控制策略)；2.比例因子調節器；3.觸發電路；4.軟起動裝置；5.電動機；6.電流檢測裝置；7.轉速檢測裝置。圖2中曲線I為轉速曲線；曲線2為電流曲線。本發明提供一種電動機軟起動控制方法，為基於動態規劃的控制方法，即針對電動機起動過程具有明顯的時序性，將起動過程劃分為三階段，每個階段採用不同的控制策略，動態調整觸發電路的觸發角，實現起動過程的最優化。在軟起動過程中，通過檢測電動機電流與轉速，根據電動機理想起動特性，協調控制起動電流、電機轉速、起動時間三個量，在將起動電流控制在2倍額定電流的基礎上，實現電動機轉速快速上升至額定轉速，起動時間最短。具體如下
(I)根據電動機理想起動特性，將起動過程劃分為三個階段，分別確立這三個階段對起動電流、轉速的控制目標。( 2)實時檢測電動機起動過程中的電流和轉速，根據起動電流與轉速之間的關係，決定三個階段分別要採取的 決策。(3)在起動開始的第一個階段，採用比例控制，增強起動的快速性；第二個階段採用最優控制，實現滿足起動約束條件下，起動時間最短；第三個階段採用比例積分控制，消除控制系統的穩定誤差。(4)對起動過程中最重要的恆流升速階段，即第二個階段，採用滿足電動機起動狀態約束及起動電流限制在2倍額定電流約束條件下的時間最短控制決策。(5)三個階段的決策構成整個起動過程的控制策略，實現一種電動機起動過程最優化。實現動態規劃控制策略所採用的控制器為DSP，電動機起動狀態顯示與控制參數設置採用觸控螢幕。下面結合附圖對本發明作進一步說明
如圖1所示本發明採用了包括控制器1、比例因子調節器2、觸發電路3、軟起動裝置4、電流檢測裝置6、轉速檢測裝置7組成的裝置，對電動機5的起動實現動態規劃控制方式。圖2為電動機起動理想起動曲線，曲線I為理想轉速曲線；曲線2為理想電流曲線。根據圖2所示的電動機起動理想起動曲線，可以發現電動機起動過程具有明顯的時序性特徵，可根據起動時間劃分為三個階段，第I起動階段是電流上升階段，在這個階段當電機電流大於負載電流後，電動機開始起動，電流快速上升至Zffl ;第II階段為恆流升速階段，電流保持在人，轉速呈線性增長，直至轉速達到額定轉速/ 這個階段是起動的主要階段，且時間最長；第III階段是轉速調節階段，轉速出現超調，電流下降，當電流下降至負載電流時，轉速達到峰值，隨後電動機在負載阻力作用下減速，直到穩態。電動機起動的這三個階段，特徵都非常明顯第一個階段，轉速很小，電流變化很快；第二個階段，電流維持在Zffl，轉速線性增長；第三個階段，電流下降，轉速出現超調。根據這三個階段的特徵，明確每個階段的控制目標第一個階段對電流進行控制，控制電流快速達到人；第二個階段將電流維持在人以及電動機的狀態方程作為約束條件，轉速由初始狀態上升至額定轉速作為初始與終端條件，尋求滿足目標函數——起動時間最短的控制策略；第三個階段電流下降，轉速有超調，控制轉速超調儘量小，轉速維持在額定轉速。明確各個階段的控制目標後，為實現控制目標，採用不同的控制決策第一個階段採用比例控制決策；第二個階段採用時間最優控制決策；第三個階段採用比例積分控制決策。這三個階段的決策序列構成整個起動過程的控制策略，使使電機起動電流限制在2倍額定電流的基礎上，實現電動機轉速快速上升至額定轉速，起動時間最短，減小電動機發熱，提高軟起動的成功率，並提高工業企業的生產效率。本發明採用DPS作為控制器，人機互動界面採用觸控螢幕，可直觀的觀測到起動電流與電機轉速，並方便修改控制參數，可提高整個軟起動控制系統的自動化程度。本發明可以克服傳統軟起動方式起動時間過長，容易造成起動失敗的缺點，具有起動時間短、起動電流小、起動曲線最優等特點，適合於不同容量電動機的軟起動。本說明書中未作詳細描述的內容屬於本領域專業技術人員公知的現有技術。
權利要求
1.一種電動機軟起動控制方法，其特徵在於，採用動態規劃控制方法，將電動機起動電流限制在2倍額定電流的基礎上，實現電動機轉速快速上升至額定轉速，起動時間最短，具體方法是(1)根據電動機理想起動特性，將起動過程劃分為三個階段，分別確立這三個階段對起動電流、轉速的控制目標；(2)實時檢測電動機起動過程中的電流和轉速，根據起動電流與轉速之間的關係，決定三個階段分別要採取的決策；(3)對起動過程中最重要的恆流升速階段，採用滿足電動機起動狀態約束及起動電流限制在2倍額定電流約束條件下的時間最短控制決策；(4)三個階段的決策構成整個起動過程的控制策略，實現一種電動機起動過程最優化。
2.根據權利要求1所述的電動機軟起動控制方法，其特徵在於使用動態規劃控制技術，實現起動電流和電機轉速的協調控制，在起動過程的第一個階段採用比例控制，增強起動的快速性；第二個階段採用最優控制，實現滿足起動約束條件下，起動時間最短；第三個階段採用比例積分控制，消除控制系統的穩定誤差。
3.根據權利要求1所述的電動機軟起動控制方法，其特徵在於實現動態規劃控制策略所採用的控制器為DSP，電動機起動狀態顯示與控制參數設置採用觸控螢幕。
全文摘要
本發明提供一種電動機軟起動控制方法，為基於動態規劃的控制方法，即針對電動機起動過程具有明顯的時序性，將起動過程劃分為三階段，每個階段採用不同的控制策略，動態調整觸發電路的觸發角，實現起動過程的最優化。在軟起動過程中，通過檢測電動機電流與轉速，根據電動機理想起動特性，協調控制起動電流、電機轉速、起動時間三個量，在將起動電流控制在2倍額定電流的基礎上，實現電動機轉速快速上升至額定轉速，起動時間最短。本發明可以克服傳統軟起動方式起動時間過長，容易造成起動失敗的缺點，具有起動時間短、起動電流小、起動曲線最優等特點，適合於不同容量電動機的軟起動。
文檔編號H02P1/26GK103051255SQ20121056960
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月25日 優先權日2012年12月25日
發明者常雨芳, 武明虎, 黃文聰, 袁佑新, 王粟, 陳靜 申請人:湖北工業大學