感應(yīng)電機(jī)智能軟啟動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)

林 輝 ，常繼彬

（1. 西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電 氣工程系，西安 7 10014；2. 重慶科技學(xué)院 電子信息工程學(xué)院， 重慶 401331）

感應(yīng)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、運(yùn)行可靠、堅(jiān)固耐用、價(jià)格低廉、很少需要維護(hù)及可工作于惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。感應(yīng)電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)的電流會(huì)高達(dá)額定電流的5~8倍，產(chǎn)生的電流沖擊，會(huì)對(duì)電機(jī)及其所拖動(dòng)的設(shè)備造成電氣和機(jī)械沖擊，造成電網(wǎng)電壓的瞬間下降，影響其他電氣設(shè)備的正常運(yùn)行[1]。隨著電機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外相繼開發(fā)出一些電機(jī)啟動(dòng)控制設(shè)備，能夠滿足大多數(shù)負(fù)載的啟動(dòng)要求。但感應(yīng)電機(jī)所帶負(fù)載往往處于變化狀態(tài)，在空載或輕載狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生電機(jī)功率因數(shù)減小、效率降低、電能浪費(fèi)等較嚴(yán)重后果，電機(jī)啟動(dòng)控制并沒有達(dá)到最優(yōu)，存在著較大的節(jié)能空間。感應(yīng)電機(jī)智能軟啟動(dòng)控制器就是基于節(jié)能需要而設(shè)計(jì)的。

1 智能軟啟動(dòng)控制器工作原理及硬件結(jié)構(gòu)

1.1 工作原理

感應(yīng)電機(jī)智能軟啟動(dòng)控制器是將電力電子、計(jì)算機(jī)控制與自動(dòng)控制的技術(shù)相結(jié)合，主回路采用3組反并聯(lián)晶閘管接于供電電源，與被控感應(yīng)電機(jī)之間進(jìn)行自動(dòng)調(diào)壓。啟動(dòng)時(shí)，電子電路產(chǎn)生觸發(fā)脈沖控制晶閘管的導(dǎo)通角，使感應(yīng)電機(jī)的端電壓逐漸增大，直至全壓，既減小了電機(jī)啟動(dòng)電流的沖擊，又不影響電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟啟動(dòng)。停機(jī)時(shí)，則通過控制晶閘管的關(guān)斷速度，使感應(yīng)電機(jī)的端電壓由全壓逐漸下降為零，實(shí)現(xiàn)軟停車。感應(yīng)電機(jī)智能軟啟動(dòng)控制器不僅具有優(yōu)良的啟動(dòng)性能，還具有過流、過壓、欠壓、缺相等完善的保護(hù)功能[2]。

1.2 硬件結(jié)構(gòu)和功能

控制器主電路設(shè)計(jì)如圖1?？刂破魍ㄟ^對(duì)感應(yīng)電機(jī)的相電壓、相電流的過零點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，計(jì)算出功率因數(shù)角，經(jīng)過單片機(jī)的分析處理，輸出觸發(fā)脈沖，控制雙向晶閘管的導(dǎo)通角，達(dá)到無沖擊啟動(dòng)和節(jié)能的目的。

控制器主電路各部分主要功能[3]：

（1）晶閘管：感應(yīng)電機(jī)每相電路都由2只反并聯(lián)晶閘管構(gòu)成，并含有阻容吸收保護(hù)電路。

（2）電壓檢測(cè)：將三相電源電壓經(jīng)過變送后，輸入A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)處理后作為故障診斷、過壓及欠壓保護(hù)、電壓顯示等的參照依據(jù)；將三相電源的正弦電壓信號(hào)變換為方波信號(hào)，作為觸發(fā)晶閘管的同步信號(hào)與相位信號(hào)。

（3）電流檢測(cè)：通過電流互感器檢測(cè)感應(yīng)電機(jī)的電流，并將電流信號(hào)輸入單片機(jī)，作為過流保護(hù)、電流顯示等的參照依據(jù)，同時(shí)檢測(cè)判斷電流的相位。

（4）功率因數(shù)角檢測(cè)電路：當(dāng)晶閘管截止時(shí)，沒有電流經(jīng)過（電流為零），因此晶閘管截止時(shí)刻與電源電壓，即同步信號(hào)過零時(shí)刻間的相位差代表著感應(yīng)電機(jī)的續(xù)流角度，檢測(cè)這個(gè)相位差就可測(cè)得功率因數(shù)角，再由單片機(jī)經(jīng)過計(jì)算轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的觸發(fā)控制角。

（5）80C196MC單片機(jī)：是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制單元，負(fù)責(zé)信號(hào)檢測(cè)、實(shí)時(shí)計(jì)算，輸出控制、串行通信和鍵盤顯示器驅(qū)動(dòng)。

（6）鍵盤和顯示器：可設(shè)定和修改啟動(dòng)、停機(jī)方式和啟動(dòng)電流、過載電流、最高電壓和最低電壓等參數(shù)，顯示器可顯示預(yù)置參數(shù)和電動(dòng)機(jī)工況。

（7）觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路：利用80C196MC單片機(jī)集成的波形發(fā)生器（WFG）輸出三路獨(dú)立的PWM方波，經(jīng)過變換后與各相經(jīng)三角變換后的同步信號(hào)波形比較產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，WFG運(yùn)行中只要CPU在改變PWM占空比時(shí)加以干預(yù)，就能減輕CPU的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，從而實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確的啟動(dòng)控制。

1.3 節(jié)能原理

運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子電流增加的數(shù)值有限。同時(shí)由于電機(jī)電壓的降低，使電機(jī)空載電流和鐵損大幅度減少。在這種情況下，感應(yīng)電機(jī)的總損耗就可降低，定子溫升、運(yùn)行效率和功率因數(shù)同時(shí)得到改善。由此可見，感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性與電動(dòng)機(jī)負(fù)載率同電機(jī)工作電壓是否合理匹配關(guān)系密切。感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)行效率和功率因數(shù)與其端電壓存在如下的數(shù)學(xué)關(guān)系[4]：

在空載或輕載運(yùn)行時(shí)，感應(yīng)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)差率大大小于額定值，轉(zhuǎn)子電流并不大，當(dāng)電機(jī)降壓

上式中，當(dāng)感應(yīng)電機(jī)額定運(yùn)行和降壓運(yùn)行時(shí)，SN和S為轉(zhuǎn)差率，cos?N和cos?為功率因數(shù)，ηN和η為效率，KU為調(diào)壓系數(shù)，KU=U/UN（U和UN為電壓）。因?yàn)楦袘?yīng)電機(jī)為感性負(fù)載，當(dāng)電壓過零后尚需一定的延遲角電流才過零，其夾角即為功率因數(shù)角?。通過功率因數(shù)角閉環(huán)控制，使得感應(yīng)電機(jī)在不同負(fù)載下運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)調(diào)節(jié)感應(yīng)電機(jī)的電壓以改善其運(yùn)行效率。可見，智能軟啟動(dòng)控制器對(duì)功率因數(shù)角檢測(cè)的準(zhǔn)確性是保證調(diào)壓節(jié)能效果的關(guān)鍵[5]。通過判斷功率因數(shù)角的大小，進(jìn)而改變晶閘管的觸發(fā)角的大小，實(shí)現(xiàn)電機(jī)電壓的自動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率為某定值時(shí)處于最佳效率，其值是由電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)所決定；在不同的外加電壓下，最佳效率點(diǎn)處的功率因數(shù)幾乎相同。在感應(yīng)電機(jī)啟動(dòng)過程中，電壓連續(xù)調(diào)節(jié)是智能軟啟動(dòng)控制器調(diào)壓的優(yōu)點(diǎn)，功率因數(shù)變化會(huì)非常大。電機(jī)端電壓取決于晶閘管的導(dǎo)通角，它與觸發(fā)角和功率因數(shù)角有關(guān)。并不是所有的降壓都能達(dá)到節(jié)能的目的，只有當(dāng)電壓降低程度大于轉(zhuǎn)差率及功率因數(shù)上升程度時(shí)，才能使電機(jī)的運(yùn)行效率得到提高。如果晶閘管觸發(fā)角的調(diào)節(jié)沒有及時(shí)跟上功率因數(shù)角的變化，就有可能導(dǎo)致電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的震蕩。因此必須及時(shí)檢測(cè)電機(jī)功率因數(shù)角的變化，使晶閘管觸發(fā)角自動(dòng)跟隨功率因數(shù)角的變化來進(jìn)行調(diào)節(jié)[6]，把功率因數(shù)作為反饋量對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，智能軟啟動(dòng)控制器控制主回路的功率因數(shù)閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖2。

從圖2可以看出，通過檢測(cè)電流、電壓過零點(diǎn)計(jì)算出功率因數(shù)并和給定功率因數(shù)進(jìn)行比較，組成功率因數(shù)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的無差控制，使系統(tǒng)的功率因數(shù)保持不變,實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的校正，達(dá)到無沖擊啟動(dòng)和節(jié)能的目的。

圖2 功率因數(shù)閉環(huán)控制系統(tǒng)圖

2 軟件設(shè)計(jì)

80C196MC是為電機(jī)高速控制所設(shè)計(jì)的一款16位單片機(jī)，指令系統(tǒng)執(zhí)行速度快，編程效率高，很適合于實(shí)時(shí)控制方面的應(yīng)用[7]。控制系統(tǒng)的基本功能是：接受軟啟動(dòng)、軟停車指令，按照設(shè)定的電流或電壓曲線給出觸發(fā)脈沖，同時(shí)監(jiān)視各重要部件工作狀態(tài)，具有友好的人機(jī)交互界面，并能對(duì)相關(guān)過程，特別是對(duì)故障進(jìn)行記錄。智能軟啟動(dòng)控制器的理想狀況是在調(diào)節(jié)過程中具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)功能，達(dá)到智能化的控制目標(biāo)。

智能軟啟動(dòng)控制器是按照預(yù)先設(shè)置的控制模式進(jìn)行降壓起動(dòng)，常見的軟啟動(dòng)模式有：電壓斜坡啟動(dòng)、轉(zhuǎn)矩加突跳控制啟動(dòng)、電壓控制啟動(dòng)和限流啟動(dòng)等。每種啟動(dòng)模式都有其優(yōu)點(diǎn)及適用場(chǎng)合。通常停車模式有3種:自由停車，軟停車和制動(dòng)停車。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，主要完成初始化子程序、軟啟動(dòng)程序、電壓電流檢測(cè)程序、功率因數(shù)檢測(cè)程序、觸發(fā)子程序、故障中斷子程序、處理采樣結(jié)果和顯示等功能。軟啟動(dòng)程序根據(jù)設(shè)定的啟動(dòng)時(shí)間，控制晶閘管的導(dǎo)通角，使感應(yīng)電機(jī)的端電壓逐漸升高，避免啟動(dòng)電流過大而造成過大的損耗。檢測(cè)電壓電流過零點(diǎn)程序是把采樣數(shù)據(jù)分析處理并與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出相應(yīng)的觸發(fā)脈沖，控制晶閘管的導(dǎo)通角，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)電壓的自控調(diào)節(jié)，達(dá)到了功率因數(shù)閉環(huán)控制的目的[8]。為了避免系統(tǒng)的過度頻繁調(diào)節(jié)，在程序中設(shè)定誤差只要小于一定的常數(shù)值就不再調(diào)節(jié)。軟件設(shè)計(jì)流程如圖3。

3 仿真試驗(yàn)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)，被控對(duì)象為感應(yīng)電機(jī)，額定功率為2.2 kW，額定電壓380 V，額定電流4.8 A，額定轉(zhuǎn)速1440r/min。圖4為電機(jī)直接啟動(dòng)的電流曲線，啟動(dòng)電流沖擊較大。圖5為采用功率因數(shù)閉環(huán)制方案時(shí)的啟動(dòng)電流、電壓波形，電流基本無沖擊，電壓上升平穩(wěn)，控制效果比較理想。電機(jī)軟啟動(dòng)過程中，觸發(fā)角的變化能很好地控制了感應(yīng)電機(jī)電壓的變化，啟動(dòng)效果達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。智能軟啟動(dòng)控制器的降壓節(jié)能效果對(duì)比：表1為空載降壓對(duì)電機(jī)功率因數(shù)的影響。

圖3 軟件設(shè)計(jì)流程圖

圖4 直接啟動(dòng)時(shí)的電流

圖51 .5倍額定電流啟動(dòng)時(shí)的電流電壓曲線

表1 空載降壓對(duì)功率因數(shù)的影響

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，降壓對(duì)感應(yīng)電機(jī)空載時(shí)功率因數(shù)的提高有很大影響，降壓可以提高有功功率，達(dá)到節(jié)能的目的。

表2為不同負(fù)載率下的節(jié)能效果。

表2 不同負(fù)載率下的節(jié)能效果對(duì)比

負(fù)載率 0 0.1 0.2 0.3 0.5 0.7 0.9節(jié)能率(%)32.628.821.313.5 6.3 1.2-3.4

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，電機(jī)輕載時(shí)節(jié)能效果最好，當(dāng)負(fù)載大于60%，節(jié)能效果已經(jīng)很不明顯，而且可能出現(xiàn)更加費(fèi)電的狀態(tài)。因此，利用降低電機(jī)端電壓的方法進(jìn)行節(jié)能的適用范圍是有限的，也就是只有在電機(jī)處于空載或輕載狀態(tài)下才能夠節(jié)電。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)感應(yīng)電機(jī)啟動(dòng)過程中功率因數(shù)角變化的現(xiàn)象，并把它作為一個(gè)參量考慮到變壓軟啟動(dòng)中，設(shè)計(jì)了功率因數(shù)閉環(huán)控制系統(tǒng)，提高了功率因數(shù)，達(dá)到了節(jié)能的目的。適合經(jīng)常工作在空載和輕載的變負(fù)載工況下運(yùn)行的感應(yīng)電機(jī)，有較好的使用和推廣價(jià)值。

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