-
-
手机阅读
基于功率因数闭环控制的异步电动机软起动器的研究 |
1、引言 一般情况下，三相异步电动机的起动电流比较大，而起动转矩并不大。过大的起动电流会使电网电压下降，影响其他用电设备的正常运行，甚至使其自身无法起动。这时就必须采取措施来降低起动电流，常用的办法是降压起动。而传统的降压起动方法，如星/角起动、定子串电阻或电抗起动、自耦变压器降压起动等，它们都是一级降压起动，起动过程中电流有两次冲击，其幅值虽比直接起动电流低，但起动过程时间较长，且都无法对电机的起动电压进行连续调节，因而导致电机起动时仍然存在较大的冲击电流。 本文详细分析了异步电动机起动和运行过程中的功率因数角特性，以电机功率因数角作为系统的一个反馈量，对功率因数角进行闭环控制，在保证较大起动转矩的条件下，有效地降低了电机的起动电流。系统中通过监测电机功率因数角，借助模糊控制方法实时修正晶闸管的触发角，避免了在电机起动过程中，由于电机端口输入电压的变化引起的电磁转矩振荡及电流振荡，保障了电机电压按预期的规律进行调节。另外，电机功率因数角信息的获得，为电机的轻载节能运行提供了可靠依据。系统设计简单、可靠，实验证明该方法的有效性，并具有良好的动态响应性能和鲁棒性。 2、异步电动机功率因数角特性分析 2.1 运行过程中的功率因数角特性  图1 三相异步电动t型等效电路 电机的功率因数角φ值等于任意一相的相电流与相电压的相位差，还等于电机一相的阻抗角。电机一相的阻抗z可表示为：  在供电频率不变的情况下，电机的同步转速ns是常量，电机转速n与同步转速ns的关系为： n=ns（1-s） （2） 根据式（1）和（2），可知功率因数角φ与电机转速n存在如下关系： φ=f（n） （3） 当已知电机参数时，可得φ=f（n）的关系曲线，如图2所示：  图2 功率因数角与转速的关系曲线 从图2可见，在电机起动的过程中，随着转速的增加功率因数角有较大的变化，如图2中曲线b段所示。功率因数角随转速增大而减小。当转速达到额定转速时，功率因数角达到最小值。若电机达到额定转速后，电机运行于轻载或空载状态，则转速会进一步增加，如图2中a段曲线所示，此时功率因数角增大。 2.2 软起动过程中的功率因数角特性  图3 软起过程中电机定子电流 图3中φ为可测功率因数角，也即是电机续流角，表明了电机对电流的续流情况。通过控制功率器件的触发延迟角α来改变电流断续角θ的量值，也就相当于控制了电机定子侧的电压值。由上图可得如下关系式：φ=α- θ （4） 3、异步电动机功率因数角闭环软起动器设计 3.1 软起动器的整体设计  图4 功率因数角闭环控制原理框图 图4为异步电动机功率因数角闭环控制系统的原理框图。对于scr触发角的控制大体上包括两个部分： （1）按预先设定的触发规律进行scr触发角的调节，即图中的预设触发角α’n； （2）按功率因数角变化而变化的scr触发角的增量δαn。 两部分相加的和即得实际的scr触发角αn（其下标代表第n次调节量）。 在功率因数角闭环控制方法中，根据功率因数角的变化量δφn计算scr触发角的增量δαn是本控制方法的关键。由于软起动器所带的电机参数、功率等级，电机工作状态，电机负载的类型的差异要求控制策略适应不同的工况，具有负载类型的不敏感性，因此，本文采用模糊控制算法进行δαn的计算，取得了较好的控制特性。 3.2 系统控制单元设计 图5 控制单元的工作原理框图 来自三相供电电源的电压信号经过同步脉冲信号电路后，形成每个电压周期6个脉冲（300hz）的三相电压同步脉冲序列，进入hsi0口，作为scr触发的时钟基准；同时电源各相电压方波整形信号进入p1.0－p1.2，以备进行软件的缺相、断相保护之用。电压、电流经绝对值及滤波电路进入mcu的a/d转换器，可对电压、电流进行信号的采样及处理。同时电流信号经绝对值及方波整形进入hsi1，用来检测电流断续角θ，以求出可测功率因数角φ。保护电路将电流、电压信号滤波后与参考量进行比较，当电流、电压幅值过高时阻断触发通路，并向mcu外部中断exint发出信号进行中断处理。 3.3 系统软件的设计 图6 主程序原理框图 系统的主程序流程如图6所示。在主程序中首先检测三相电源输入是否存在断相、相序错误的问题。若无故障，进入系统起动控制。并于系统闭环控制期间不断检测系统状态，发现故障停机处理，并发送停机信号进行报警。 4、实验结果  图7 晶闸管压降信号  图8 晶闸管触发脉冲信号  图9 线电压斩波输入信号  图10 软起动过程中的相电流包洛线波形  图11 软起动过程中电机转速波形 图7为晶闸管压降信号波形，图8为晶闸管的触发脉冲信号波形，图9为线电压的斩波输入信号波形，图10为功率因数角闭环控制的情况下，软起动过程中电机电流的变化过程。可以看出，在电机起动初期，电流较大，电机转速在逐渐上升，当转速达到额定值时，电流达到最小值，在起动过程中，电流变化平稳，没有出现振荡现象，软起动时的起动电流是其稳定运行电流时的2～3倍。图11为软起动过程中的转速波形，动态过程无明显波动，运行平稳。 5、结束语 |
