異步電動(dòng)機(jī)控制中軟啟動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用研究

摘 要：從異步電動(dòng)機(jī)控制中軟啟動(dòng)與一般降壓啟動(dòng)的區(qū)別、軟啟動(dòng)的類型入手，基于Altera公司的ACEX1K-EP1K30TC144-3的FPGA芯片對(duì)異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)控制進(jìn)行了仿真，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，以期為異步電動(dòng)機(jī)控制中軟啟動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用提供一些參考。

關(guān)鍵詞：電氣工程;軟啟動(dòng)器;應(yīng)用;節(jié)能

0??? 引言

目前，異步電動(dòng)機(jī)已成為各類電力設(shè)備普遍應(yīng)用的動(dòng)力裝置，涉及人們生活和社會(huì)發(fā)展的方方面面。傳統(tǒng)的直流異步電動(dòng)機(jī)由于換向問題，啟動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的各組件帶來較大的沖擊，甚至?xí)霈F(xiàn)電網(wǎng)電壓驟降問題，危害電網(wǎng)中其他電氣設(shè)施的安全[1]。由此，為減少傳統(tǒng)直流異步電動(dòng)機(jī)對(duì)電網(wǎng)中其他電力設(shè)備的損害，保證電力設(shè)施正常的使用壽命，軟啟動(dòng)技術(shù)被應(yīng)用到更多的異步電動(dòng)機(jī)控制之中。相較傳統(tǒng)的一般降壓啟動(dòng)方式，軟啟動(dòng)技術(shù)有著更為廣泛的應(yīng)用范圍和更大的優(yōu)勢(shì)，能夠使異步電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)進(jìn)入運(yùn)行階段。

1??? 軟啟動(dòng)概述

1.1??? 軟啟動(dòng)和一般降壓啟動(dòng)的區(qū)別

一般來講，降壓啟動(dòng)是指在異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，通過自耦變壓器降壓啟動(dòng)等方式減小異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流，以此達(dá)到降低加到異步電動(dòng)機(jī)定子繞組的電壓，縮小直流電流對(duì)電力設(shè)備沖擊的目的[2];而軟啟動(dòng)技術(shù)則是通過在異步電動(dòng)機(jī)中使用調(diào)壓裝置使異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流在一定時(shí)間內(nèi)呈緩慢、穩(wěn)定上升的趨勢(shì)，直至達(dá)到額定電壓，完成異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，進(jìn)入正式運(yùn)行環(huán)節(jié)。

如圖1所示，異步電動(dòng)機(jī)在不同端電壓下具有不同的機(jī)械特性，可以看出一般降壓啟動(dòng)方式產(chǎn)生的電流沖擊性較大且穩(wěn)定性不足，無法滿足電力設(shè)備運(yùn)行具有較高穩(wěn)定性的要求。而采用軟啟動(dòng)技術(shù)的異步電動(dòng)機(jī)，在假設(shè)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電壓同樣為0.5Ue的條件下，其轉(zhuǎn)矩增大趨勢(shì)較為平穩(wěn)，能夠滿足電力設(shè)備運(yùn)行對(duì)穩(wěn)定性的需要。軟啟動(dòng)的運(yùn)行主回路情況如圖2所示。

異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，其電子電路將通過調(diào)整晶閘管的導(dǎo)通角實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。異步電動(dòng)機(jī)正式運(yùn)行后，電子電路控制三相旁路接觸器閉合，減少異步電動(dòng)機(jī)功率的損耗和對(duì)其他設(shè)備的電流沖擊[3]。同時(shí)，為減少諧波，異步電動(dòng)機(jī)中的軟啟動(dòng)技術(shù)將三相反并聯(lián)晶閘管與三相交流電源以星型的連接方式相連，增加繞組中的電流以保證異步電動(dòng)機(jī)良好的啟動(dòng)效率和運(yùn)行效果。異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)完成后，若出現(xiàn)安全問題，軟啟動(dòng)器將控制電子電路按事前設(shè)定的時(shí)間中止異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。同時(shí)，當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)，電子電路將同樣通過控制晶閘管，改變異步電動(dòng)機(jī)兩端啟動(dòng)電壓，使異步電動(dòng)機(jī)的端電壓平穩(wěn)下降至零值，實(shí)現(xiàn)軟停機(jī)。

1.2??? 軟啟動(dòng)類型

1.2.1??? 不限流軟啟動(dòng)和小斜率軟啟動(dòng)

如圖3所示，異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流呈一定斜率不受限制地上升至異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)完成，不限流軟啟動(dòng)更適應(yīng)重載的異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)場(chǎng)合。而小斜率軟啟動(dòng)特點(diǎn)為異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流上升速率緩慢，變化率小，更適應(yīng)要求異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩變化較多的場(chǎng)合[4]。

1.2.2??? 階躍恒流啟動(dòng)

如圖4所示，異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，電子電路在較短時(shí)間內(nèi)控制晶閘管接近全導(dǎo)通，后逐漸恢復(fù)至較小的導(dǎo)通角，更適用于靜摩擦力較大的異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)場(chǎng)合。

1.2.3??? 恒流軟啟動(dòng)

如圖5所示，異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流以一定斜率緩慢上升至額定電壓，后維持恒定至停機(jī)，適用范圍較廣。

2??? 異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)控制的仿真

2.1??? FPGA實(shí)現(xiàn)異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)控制功能

采用Altera公司的FPGA芯片對(duì)異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)控制器進(jìn)行仿真，如圖6所示。

2.2??? 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)控制系統(tǒng)主程序流程如圖7所示。

控制系統(tǒng)主程序的核心作用是推動(dòng)異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理、數(shù)字信號(hào)通信、系統(tǒng)保護(hù)及啟動(dòng)與停止控制等功能的完成。

2.3??? 射頻電路FPGA實(shí)現(xiàn)的軟啟動(dòng)、軟停車的子程序仿真結(jié)果

異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)控制系統(tǒng)采用VHDL編程完成射頻電路FPGA實(shí)現(xiàn)的軟啟動(dòng)、軟停車的子程序仿真?？刂葡到y(tǒng)的主程序分別為參數(shù)設(shè)置、LED顯示、D/A轉(zhuǎn)換控制、A/D轉(zhuǎn)換控制、定時(shí)器（啟動(dòng)/停機(jī)時(shí)間）控制、分頻器程序等6個(gè)模塊[5]。

參數(shù)設(shè)置子程序利用不同的按鍵和顯示設(shè)定啟動(dòng)和停車的時(shí)間。開關(guān)一是用來切換軟啟動(dòng)時(shí)間或軟停機(jī)時(shí)間的關(guān)鍵，仿真結(jié)果如圖8所示。

異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)控制系統(tǒng)中的LED顯示子程序顯示的是軟啟動(dòng)、軟停車的時(shí)間以及軟啟動(dòng)器的運(yùn)行狀態(tài)，仿真結(jié)果如圖9所示。

FPGA發(fā)出斜坡啟動(dòng)電壓的數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換為直流電壓后觸發(fā)芯片TC787，成為移相電壓的輸入信號(hào)。

通過A/D轉(zhuǎn)換器把電壓、電路等檢測(cè)信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)送入射頻電路FPGA處理，形成閉環(huán)。

將參數(shù)設(shè)置時(shí)間數(shù)字值送入D/A控制模塊，產(chǎn)生控制異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)控制系統(tǒng)軟啟動(dòng)、軟停車時(shí)間的數(shù)字信號(hào)，定時(shí)器子程序的仿真結(jié)果如圖10所示。

將系統(tǒng)時(shí)鐘變換成異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)控制系統(tǒng)所需要的時(shí)鐘信號(hào)，分頻器程序的仿真結(jié)果如圖11所示。

3??? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本次實(shí)驗(yàn)所使用的三相異步電動(dòng)機(jī)功率為650 W，額定電壓為420 V，頻率是65 Hz，額定轉(zhuǎn)速是1 680 r/min。根據(jù)軟啟動(dòng)、軟停車的子程序仿真結(jié)果，同時(shí)分析啟動(dòng)時(shí)觸發(fā)角達(dá)到180°、120°以及10°時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的相電壓波形，可以得出，在三相異步電動(dòng)機(jī)剛啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電流并未出現(xiàn)在異步電動(dòng)機(jī)的定子兩端，未產(chǎn)生較大的直流電壓，大部分電壓在電子電路的控制下來到了晶閘管的兩端;隨著觸發(fā)角的減小，異步電動(dòng)機(jī)兩端的電壓也在變化，異步電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速;當(dāng)觸發(fā)角到達(dá)10°時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)基本進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。

4??? 結(jié)語

綜上所述，實(shí)驗(yàn)證明，在一般降壓啟動(dòng)時(shí)，異步電動(dòng)機(jī)電流并不穩(wěn)定，會(huì)給電動(dòng)機(jī)本身及電網(wǎng)帶來較大的沖擊;異步電動(dòng)機(jī)在軟啟動(dòng)時(shí)，兩端電壓平穩(wěn)、緩慢上升，對(duì)其他電力設(shè)施產(chǎn)生的沖擊小，對(duì)電網(wǎng)的影響小，能夠保證電力設(shè)施的正常使用，減少設(shè)備損壞帶來的經(jīng)濟(jì)損失，因此具有較好的推廣及應(yīng)用價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 姜海龍.三相異步電機(jī)軟啟動(dòng)方法淺析[J].軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2016（18）：128.

[2] 馬勇，陶玉麒，蔡桂民，等.基于DSP的電機(jī)軟啟動(dòng)控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù)，2016（10）：1-2.

[3] 章立.異步電機(jī)模糊調(diào)速矢量控制系統(tǒng)仿真研究[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2010，38（4）：150-153.

[4] 王智宇.三相異步電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)與限流式軟起動(dòng)的MATLAB對(duì)比仿真[J].中國設(shè)備工程，2017（20）：76-78.

[5] 蘇以人.三相異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)的分析[J].電氣工程應(yīng)用，2014（3）：51-52.

收稿日期：2021-07-27

作者簡介：徐穎（1982—），男，湖北人，助理工程師，研究方向：電機(jī)啟動(dòng)與調(diào)速。