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(wèn)題,啟動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的各組件帶來(lái)較大的沖擊,甚至?xí)霈F(xiàn)電網(wǎng)電壓驟降問(wèn)題,危害電網(wǎng)中其他電氣設(shè)施的安全。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?jiǎn)?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?jiǎn)?dòng)的區(qū)別

一般來(lái)講,降壓?jiǎn)?dòng)是指在異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí),通過(guò)自耦變壓器降壓?jiǎn)?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:而軟啟動(dòng)技術(shù)則是通過(guò)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?jiǎn)?dòng)方式產(chǎn)生的電流沖擊性較大且穩(wěn)定性不足,無(wú)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(guò)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。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(wèn)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(guò)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。

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

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

采用A1tera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。

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(kāi)關(guān)一是用來(lái)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(guò)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650W,額定電壓為420V,頻率是65Hz,額定轉(zhuǎn)速是1680r/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^o、120^o以及10^o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(lái)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^o時(shí),異步電動(dòng)機(jī)基本進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。

4結(jié)語(yǔ)

綜上所述,實(shí)驗(yàn)證明,在一般降壓?jiǎn)?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(lái)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(lái)的經(jīng)濟(jì)損失,因此具有較好的推廣及應(yīng)用價(jià)值。