1 引言
三相籠型異步電動(dòng)機(jī)因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維修方便、價(jià)格便宜以及慣性小等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。隨著各領(lǐng)域生產(chǎn)機(jī)械的不斷更新和發(fā)展，對(duì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能要求越來(lái)越高。如:
(1) 要求電動(dòng)機(jī)有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可以帶負(fù)載起動(dòng)，并且有良好的機(jī)械特性曲線;
(2) 起動(dòng)電流盡可能小;
(3) 起動(dòng)設(shè)備盡可能簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠、易維護(hù);
(4) 起動(dòng)過程中能源消耗盡可能少。
一般三相異步鼠籠電動(dòng)機(jī)有兩種起動(dòng)方式:額定電壓下的直接起動(dòng)方式和降壓起動(dòng)方式。在降壓起動(dòng)方式中又有星-三角起動(dòng)法、自耦降壓起動(dòng)法、延邊三角形起動(dòng)法、串接飽和電抗器起動(dòng)法等。這類降壓起動(dòng)設(shè)備雖然部分緩解了大容量電機(jī)在較小容量電網(wǎng)上起動(dòng)時(shí)的矛盾，但是它們只是相對(duì)減小了大電流的沖擊并未在本質(zhì)上解決問題。而且這些起動(dòng)設(shè)備還有一些固有的缺點(diǎn)，如對(duì)負(fù)載適應(yīng)能力差、起動(dòng)電流不連續(xù)、維修工作量大等等。另外，由于在整個(gè)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中，電磁轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載的反轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)加速運(yùn)轉(zhuǎn)，在相同的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量下轉(zhuǎn)矩的差額越大，機(jī)組加速越快，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的機(jī)械起動(dòng)就較慢，對(duì)于重復(fù)起動(dòng)的生產(chǎn)機(jī)械來(lái)說(shuō)，起動(dòng)過程的時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)勞動(dòng)生產(chǎn)率的影響是很大的，因而對(duì)不同的生產(chǎn)過程，對(duì)電動(dòng)機(jī)應(yīng)有不同的起動(dòng)時(shí)間要求。
過去的起動(dòng)裝置大多采用接觸器，屬于有觸點(diǎn)系統(tǒng)，容易磨損引發(fā)故障，起動(dòng)特性不好。為了達(dá)到無(wú)觸點(diǎn)控制，獲得靈活多變的良好的起動(dòng)特性，在80年代初期鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)電子軟起動(dòng)器誕生。軟起動(dòng)控制器是一種新型節(jié)能設(shè)備，在歐美國(guó)家已得到大量的應(yīng)用。它利用晶閘管交流調(diào)壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)降壓起動(dòng)，以后又融入了功率因數(shù)控制技術(shù)，在控制裝置的研究上，正圍繞著提高起動(dòng)力矩、實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控、完善檢測(cè)和自診斷功能以及提高產(chǎn)品可靠性、改進(jìn)制造工藝、降低成本等方面努力。傳統(tǒng)的軟起動(dòng)器一般是在工頻50hz下采取降壓起動(dòng)，或限流起動(dòng)等來(lái)抑制電機(jī)起動(dòng)時(shí)的電流沖擊，存在著起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小的問題，無(wú)法用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載或要求重載起動(dòng)的負(fù)載[1]。本文在文獻(xiàn)[2]的仿真基礎(chǔ)上，研制出一種基于分級(jí)變頻的高轉(zhuǎn)矩軟起動(dòng)器，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明效果良好。
2 原理分析
在定子電壓下降的同時(shí)將頻率下調(diào), 將會(huì)減少電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的損失[3], 就可以解決傳統(tǒng)軟起動(dòng)器的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小的問題。文獻(xiàn)[4]中提出的分級(jí)變頻就是使傳統(tǒng)軟起動(dòng)器輸出電壓的頻率從一個(gè)較低的值開始, 分級(jí)上升, 最后達(dá)到50hz。分級(jí)變頻雖然可以實(shí)現(xiàn)變頻，但不能使頻率連續(xù)地變化, 只能使頻率分級(jí)變化, 而且各級(jí)頻率都是50hz的n分之一，即50hz的分頻, 圖1簡(jiǎn)單的展示了分級(jí)變頻的過程。
圖1 16.7hz-25hz-50hz三級(jí)變頻波形圖`
由電網(wǎng)提供的50hz的工頻電源，可產(chǎn)生各級(jí)子頻率系統(tǒng)，工頻的ωnet與子頻率系統(tǒng)的ωsub的關(guān)系如下:
ωnet＝ωsub×r (1)
由表1可知，從50hz產(chǎn)生的三相平衡的各級(jí)子頻率系統(tǒng)有的為負(fù)序如25hz，有的為正序如12.5hz。因?yàn)檎蚩僧a(chǎn)生較大的正轉(zhuǎn)矩，所以對(duì)25hz子頻率系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需要打破平衡，改變相位角，使之不平衡。重新定義子頻率系統(tǒng)的ωsub與相位角關(guān)系如下:
ωsub×t -α=0 (2)
設(shè)a相相位角為0°，由式(1)，式(2)，可得
對(duì)應(yīng)的子頻率系統(tǒng)電壓如下:
由式(3)，式(4)可計(jì)算出各級(jí)子頻率系統(tǒng)的相位角。本文利用matlab/simubbbb庫(kù)中的傅立葉模塊，計(jì)算出對(duì)r的不同取值對(duì)應(yīng)的子頻率系統(tǒng)電壓的相位角。
表2~6列出了25hz，16.7hz，12.5hz，10hz，6.25hz時(shí)各相電壓的相位角。
表
以上只是部分子頻率系統(tǒng)的電壓相位角，其余的50/r算法類似，不再羅列。圖2為25hz時(shí)的三相電源波形各相位角組合方案之一，三相都是選擇了2個(gè)連續(xù)周期的第一個(gè)周期全導(dǎo)通，不同的相位角對(duì)應(yīng)著不同的正或負(fù)導(dǎo)通半波。
圖2 25hz時(shí)三相電源波形(a相90°，b相-30°，c相30°)
圖3 高轉(zhuǎn)矩軟起動(dòng)器仿真模型
要得到起動(dòng)時(shí)的最大正轉(zhuǎn)矩，須選出最優(yōu)化的組合。利用三相電路的對(duì)稱分量法對(duì)各種組合的三相電源系統(tǒng)進(jìn)行分析[5]。
3 建模及仿真
根據(jù)原理分析，對(duì)起動(dòng)過程建立模型如圖3所示。該軟起動(dòng)器有三種起動(dòng)方式。
斜坡電壓起動(dòng)方式的仿真波形如圖5所示，給出的是定子電流(有效值)，轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩波形，直接起動(dòng)的波形如圖4所示，限流起動(dòng)波形如圖6所示。由圖形可知斜坡電壓起動(dòng)比直接起動(dòng)的起動(dòng)電流沖擊減小，起動(dòng)時(shí)間增長(zhǎng)，限流起動(dòng)的起動(dòng)電流沖擊更小，起動(dòng)時(shí)間也較長(zhǎng)。分級(jí)變頻如圖7所示，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，電流也限制的比較小，各個(gè)頻率的切換處有跳動(dòng)。
圖4 直接起動(dòng)仿真波形
圖5 斜坡電壓起動(dòng)仿真波形
圖6 限流起動(dòng)仿真波形圖
圖7 分級(jí)變頻起動(dòng)仿真波形
圖8 硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)總圖
4 硬件設(shè)計(jì)
硬件設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖8所示，三相電源通過旁路接觸器與晶閘管的并聯(lián)電路和電機(jī)相連, 以80c196kc為主控mcu，接收來(lái)自同步檢測(cè)及相序判斷電路和電流檢測(cè)電路的信息，根據(jù)鍵盤電路輸入的指示決定對(duì)晶閘管門極脈沖的觸發(fā)方式，起動(dòng)完成后，合上接觸器，將反并聯(lián)晶閘管旁路。
整個(gè)控制電路包括7個(gè)部分:電源電路、電流檢測(cè)電路、電壓同步檢測(cè)和相序判定電路、觸發(fā)脈沖形成和脈沖功放電路、接觸器控制電路、顯示和鍵盤電路及單片機(jī)最小系統(tǒng)電路。
5 軟件設(shè)計(jì)
軟件部分主流程如圖9，由初始化程序、鍵處理程序、中斷處理程序3大部分構(gòu)成。
圖9 主流程圖
初始化程序負(fù)責(zé)對(duì)8279的初始化，開同步中斷以及相關(guān)存儲(chǔ)單元的初始化等。鍵處理程序則是根據(jù)按鍵情況修改內(nèi)存中的各個(gè)參數(shù)值和標(biāo)志位等以供中斷處理程序進(jìn)行相應(yīng)處理，并在數(shù)碼管上顯示所修改的參數(shù)值及狀態(tài)。
同步中斷處理程序和軟件定時(shí)器中斷處理程序共同完成對(duì)6個(gè)晶閘管脈沖以正確順序的觸發(fā)，起動(dòng)完畢后使接觸器閉合，以及各種故障下的處理動(dòng)作等。中斷處理程序可根據(jù)鍵盤輸入的起動(dòng)方式選擇限流起動(dòng)、斜坡電壓起動(dòng)或分級(jí)變頻起動(dòng)。
6 結(jié)束語(yǔ)
三相籠型異步電動(dòng)機(jī)因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維修方便、價(jià)格便宜以及慣性小等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。隨著各領(lǐng)域生產(chǎn)機(jī)械的不斷更新和發(fā)展，對(duì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能要求越來(lái)越高，為適應(yīng)這種需求，軟起動(dòng)器得到大量的運(yùn)用。為提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，本文采用分級(jí)變頻理論，按同步轉(zhuǎn)速由低到高分級(jí)起動(dòng)，減小起動(dòng)過程的能量損耗，克服傳統(tǒng)電子軟起動(dòng)器電磁轉(zhuǎn)矩小的缺點(diǎn)，可以使電機(jī)在全負(fù)載的情況下平滑起動(dòng)和短時(shí)運(yùn)行于低速狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果實(shí)現(xiàn)16.7hz-25hz-50hz分級(jí)變頻起動(dòng).
整個(gè)裝置采用16位單片機(jī)80c196kc為控制核心，可實(shí)現(xiàn)斜坡電壓起動(dòng)，限流起動(dòng)，分級(jí)變頻三種起動(dòng)方式。這種利用分級(jí)變頻起動(dòng)的軟起動(dòng)器，比之傳統(tǒng)的軟起動(dòng)器，有效的提高了起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，尤其是在低速時(shí)。它還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)觸點(diǎn)、重量輕、體積小、起動(dòng)電流及起動(dòng)時(shí)間可控制、起動(dòng)過程平滑等優(yōu)點(diǎn)，能有效地減小電機(jī)起動(dòng)時(shí)的電流沖擊。其高轉(zhuǎn)矩起動(dòng)方式，使軟起動(dòng)器不僅僅適用于帶風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載的電機(jī)，還能用于帶額定負(fù)載起動(dòng)的電機(jī)，使得它擁有更為廣闊的應(yīng)用前景。
：鞏經(jīng)理
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：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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