一種電容啟動(dòng)補(bǔ)償裝置的研制

吳明強(qiáng)

摘 要：該文闡明了一種適用于電源車(chē)供電的中型異步電動(dòng)機(jī)電容啟動(dòng)補(bǔ)償裝置的工作原理和設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)例，對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行了敘述。該補(bǔ)償裝置采用電流互感器實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)相電流，以決定補(bǔ)償裝置轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的投切時(shí)間。該補(bǔ)償裝置采用主從控制方式運(yùn)行，補(bǔ)償裝置可作為下位機(jī)與上位機(jī)采用MODBUS協(xié)議進(jìn)行通信，通過(guò)上位機(jī)軟件界面控制其運(yùn)行。整個(gè)啟動(dòng)控制系統(tǒng)性能可靠、制造成本低、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，具有較大的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)機(jī) 啟動(dòng) 電容補(bǔ)償 控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP17 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）03（a）-0043-02

中壓電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)時(shí)，一般會(huì)產(chǎn)生5～7倍的啟動(dòng)電流[1]，這一方面造成對(duì)電網(wǎng)的沖擊、降低電網(wǎng)電能的質(zhì)量；另一方面造成電機(jī)繞組的發(fā)熱，并且過(guò)大的轉(zhuǎn)矩沖擊又會(huì)影響電機(jī)本身及其驅(qū)動(dòng)設(shè)備的使用壽命[2]。此外，對(duì)于煤礦挖掘機(jī)、抽油機(jī)、提升機(jī)等采用移動(dòng)電源車(chē)，柴油發(fā)電機(jī)組供電、頻繁啟動(dòng)、周期性沖擊負(fù)荷的大功率機(jī)電設(shè)備，其電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中，除去以上問(wèn)題外，還存在以下兩個(gè)不利因素。

（1）柴油發(fā)電機(jī)供電系統(tǒng)的突加負(fù)載的能力比一般變壓器供電系統(tǒng)的要弱，其突加負(fù)載一般為50%額定負(fù)載，而變壓器供電系統(tǒng)的突加負(fù)載則沒(méi)有限制。

（2）由于啟動(dòng)電流大，功率因數(shù)低，因而異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，會(huì)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)造成很強(qiáng)的去磁作用，導(dǎo)致其輸出電壓降低，運(yùn)行頻率下降，帶不動(dòng)負(fù)載。

針對(duì)以上情況，該公司研制了一種中型異步電機(jī)電容啟動(dòng)補(bǔ)償裝置，以解決此類(lèi)問(wèn)題。該裝置在神華集團(tuán)，內(nèi)蒙古薛家灣煤礦等地的應(yīng)用中，取得了理想的效果。

1 啟動(dòng)補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)原理

補(bǔ)償裝置的主電路原理圖如圖1，其工作原理為：首先，發(fā)出啟動(dòng)命令后，DSC控制器通過(guò)電流互感器CT，依次檢測(cè)電動(dòng)機(jī)三相電流。如果某相電流超過(guò)設(shè)定，則控制器通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路，控制繼電器K2觸頭閉合，接入三相電容補(bǔ)償電路，以對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流進(jìn)行限流和功率因數(shù)補(bǔ)償。其次，控制器延時(shí)一段時(shí)間后，再次檢測(cè)電動(dòng)機(jī)各相電流，如電動(dòng)機(jī)相電流小于設(shè)定值，則控制繼電器K2斷開(kāi)，使補(bǔ)償電路脫離，從而完成電機(jī)的啟動(dòng)。為限制啟動(dòng)過(guò)程中，諧波引起的過(guò)流和電容器組啟動(dòng)涌流，每相電容器組還串接干式鐵心電抗器。電容補(bǔ)償電路的參數(shù)設(shè)計(jì)，以電路不產(chǎn)生振蕩為準(zhǔn)。為了避免電壓波動(dòng)對(duì)電容器造成損害，系統(tǒng)選用的補(bǔ)償電容額定工作電壓略高于系統(tǒng)額定電壓的電容器，為避免由此帶來(lái)電容器實(shí)際容量下降。系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，在選擇電容器時(shí)，對(duì)電容器容量進(jìn)行了適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償。

補(bǔ)償裝置的控制以Microchip公司出產(chǎn)的DSPIC6014為控制核心[3]，它既可單獨(dú)運(yùn)行，又可通過(guò)232/485接口，與上位機(jī)（PC機(jī)）組成主、從控制系統(tǒng)，由上位機(jī)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS-RTU協(xié)議，控制設(shè)備的運(yùn)行。補(bǔ)償裝置的控制電路原理框圖如圖2。

與之配套的，上位機(jī)監(jiān)控程序采用VB6.0編寫(xiě)[4]。上位機(jī)用戶(hù)界面如圖3所示，它采用的是VB中MSComm的控件的事件驅(qū)動(dòng)方式接收數(shù)據(jù)。程序中設(shè)及到的03碼、05碼、06碼等命令字的發(fā)送，則嚴(yán)格按MODBUS協(xié)議所設(shè)計(jì)的幀格式和主、從機(jī)在該協(xié)議基礎(chǔ)上所定義的通信協(xié)議進(jìn)行。Timer1定時(shí)器事件是整個(gè)監(jiān)控程序的核心，用于對(duì)接收到的，從機(jī)（補(bǔ)償裝置）上傳的數(shù)據(jù)幀，進(jìn)行有效性判別、應(yīng)答和超時(shí)判斷。由于本裝置采用的是標(biāo)準(zhǔn)MODBUS協(xié)議，因而有較強(qiáng)的兼容性，除了可以使用VB軟件編寫(xiě)監(jiān)控軟件外，還可以通過(guò)簡(jiǎn)單的組態(tài)，采用任何支持MODBUS協(xié)議的組態(tài)軟件，編寫(xiě)監(jiān)控程序，以方便用戶(hù)。

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 背景介紹

補(bǔ)償設(shè)備研制成功后，已成功地運(yùn)用于內(nèi)蒙古神華集團(tuán)薛家灣煤礦的WK-10系列挖掘機(jī)的異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)中。該挖掘機(jī)由太原重型機(jī)械廠生產(chǎn)，采用中壓交流電動(dòng)機(jī)（690KW/6KV）驅(qū)動(dòng)，電源車(chē)供電，其中的柴油發(fā)電機(jī)采用美國(guó)康明斯進(jìn)口發(fā)電機(jī)組。發(fā)電機(jī)組頻率范圍為：50～52.5Hz，輸出電壓范圍為：6 000～6 600V，額定電流206A，最大過(guò)載電流309A，其頻率越高，輸出功率越大，啟動(dòng)電流越小。

2.2 設(shè)備使用前、后對(duì)比

該挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)在使用本設(shè)備前，采用串電抗器啟動(dòng)方式。發(fā)電機(jī)工作頻率為52.5Hz，輸出電壓為6 400V，啟動(dòng)電流為額定電流的7～9倍，且功率因數(shù)較低，一般只有0.2～0.3左右，因而導(dǎo)致柴油發(fā)電機(jī)組提供的有功分量明顯減少，滿(mǎn)足不了啟動(dòng)的要求，往往啟動(dòng)瞬間，挖掘機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)停機(jī)，產(chǎn)生過(guò)電壓，造成發(fā)電機(jī)組智能型PCC3201控制系統(tǒng)電子模塊化控制盤(pán)，發(fā)生過(guò)壓保護(hù)動(dòng)作，使得發(fā)電機(jī)組停機(jī)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用電抗器這種方式啟動(dòng)，一般情況只有33%的情況可啟動(dòng)成功，并且由于啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)發(fā)熱，再次啟動(dòng)往往需要間隔半小時(shí)，嚴(yán)重影響了該設(shè)備的使用效率。

在加裝本公司電容補(bǔ)償裝置后，由于啟動(dòng)電流所需的無(wú)功電流大都由電容器供給，因而該裝置的使用，減少了啟動(dòng)電流對(duì)柴油發(fā)電機(jī)的去磁作用，從而提高整個(gè)設(shè)備的安全系數(shù)和效率。此時(shí)，啟動(dòng)電流減少到300A，低于發(fā)電機(jī)最大過(guò)電流309.3A，發(fā)電機(jī)頻率可減小到50Hz，輸出電壓：6 400V，經(jīng)過(guò)測(cè)試，一般95%以上可啟動(dòng)成功。如把發(fā)電機(jī)頻率適當(dāng)調(diào)高，啟動(dòng)成功率則更高。

在實(shí)際應(yīng)用中，我們測(cè)試發(fā)現(xiàn)，啟動(dòng)時(shí)，電容補(bǔ)償電路啟動(dòng)投入時(shí)間點(diǎn)的確定一般不存在問(wèn)題，但斷開(kāi)時(shí)間點(diǎn)，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行多次調(diào)試，以防止電容放電、反沖過(guò)電壓，使發(fā)電機(jī)組保護(hù)裝置動(dòng)作。

3 結(jié)語(yǔ)

該啟動(dòng)裝置用于挖掘機(jī)，提升機(jī)、抽油機(jī)等大功率、電源車(chē)供電、頻繁啟動(dòng)的工礦設(shè)備中，在不影響啟動(dòng)力矩的情況下，既降低了啟動(dòng)電流、縮短了啟動(dòng)時(shí)間，又提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，取得了較好的效果，具有較大的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄧星鐘，周祖德，鄧堅(jiān).機(jī)電傳動(dòng)控制[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2001.

[2] 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[3] 梁海浪.DSPIC數(shù)字信號(hào)控制器C程序開(kāi)發(fā)及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[4] 李江全，湯智輝，朱東芹，等.VisualBasic數(shù)據(jù)采集與串口通信測(cè)控應(yīng)用實(shí)戰(zhàn)[M].北京：人民郵電出版社，2010.