引言

目前,異步電動機已成為各類電力設(shè)備普遍應(yīng)用的動力裝置,涉及人們生活和社會發(fā)展的方方面面。傳統(tǒng)的直流異步電動機由于換向問題,啟動時會對電力系統(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。由此,為減少傳統(tǒng)直流異步電動機對電網(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,軟啟動技術(shù)被應(yīng)用到更多的異步電動機控制之中。相較傳統(tǒng)的一般降壓啟動方式,軟啟動技術(shù)有著更為廣泛的應(yīng)用范圍和更大的優(yōu)勢,能夠使異步電動機平穩(wěn)進入運行階段。

1軟啟動概述

1.1軟啟動和一般降壓啟動的區(qū)別

一般來講,降壓啟動是指在異步電動機啟動時,通過自耦變壓器降壓啟動等方式減小異步電動機啟動電流,以此達到降低加到異步電動機定子繞組的電壓,縮小直流電流對電力設(shè)備沖擊的目的:而軟啟動技術(shù)則是通過在異步電動機中使用調(diào)壓裝置使異步電動機的啟動電流在一定時間內(nèi)呈緩慢、穩(wěn)定上升的趨勢,直至達到額定電壓,完成異步電動機啟動,進入正式運行環(huán)節(jié)。

如圖1所示,異步電動機在不同端電壓下具有不同的機械特性,可以看出一般降壓啟動方式產(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)備運行具有較高穩(wěn)定性的要求。而采用軟啟動技術(shù)的異步電動機,在假設(shè)電動機啟動電壓同樣為0.5Ue的條件下,其轉(zhuǎn)矩增大趨勢較為平穩(wěn),能夠滿足電力設(shè)備運行對穩(wěn)定性的需要。軟啟動的運行主回路情況如圖2所示。

異步電動機啟動時,其電子電路將通過調(diào)整晶閘管的導(dǎo)通角實現(xiàn)軟啟動。異步電動機正式運行后,電子電路控制三相旁路接觸器閉合,減少異步電動機功率的損耗和對其他設(shè)備的電流沖擊。同時,為減少諧波,異步電動機中的軟啟動技術(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機良好的啟動效率和運行效果。異步電動機啟動完成后,若出現(xiàn)安全問題,軟啟動器將控制電子電路按事前設(shè)定的時間中止異步電動機的運行。同時,當(dāng)異步電動機停機時,電子電路將同樣通過控制晶閘管,改變異步電動機兩端啟動電壓,使異步電動機的端電壓平穩(wěn)下降至零值,實現(xiàn)軟停機。

1.2軟啟動類型

1.2.1不限流軟啟動和小斜率軟啟動

如圖3所示,異步電動機啟動時,啟動電流呈一定斜率不受限制地上升至異步電動機啟動完成,不限流軟啟動更適應(yīng)重載的異步電動機啟動場合。而小斜率軟啟動特點為異步電動機啟動電流上升速率緩慢,變化率小,更適應(yīng)要求異步電動機轉(zhuǎn)矩變化較多的場合。

1.2.2階躍恒流啟動

如圖4所示,異步電動機啟動時,電子電路在較短時間內(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機啟動場合。

1.2.3恒流軟啟動

如圖5所示,異步電動機啟動時,啟動電流以一定斜率緩慢上升至額定電壓,后維持恒定至停機,適用范圍較廣。

2異步電動機軟啟動控制的仿真

2.1FPGA實現(xiàn)異步電動機軟啟動控制功能

采用A1tera公司的FPGA芯片對異步電動機軟啟動控制器進行仿真,如圖6所示。

2.2系統(tǒng)主程序設(shè)計

異步電動機軟啟動控制系統(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異步電動機軟啟動控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理、數(shù)字信號通信、系統(tǒng)保護及啟動與停止控制等功能的完成。

2.3射頻電路FPGA實現(xiàn)的軟啟動、軟停車的子程序仿真結(jié)果

異步電動機軟啟動控制系統(tǒng)采用VHDL編程完成射頻電路FPGA實現(xiàn)的軟啟動、軟停車的子程序仿真。控制系統(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、定時器(啟動/停機時間)控制、分頻器程序等6個模塊。

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

異步電動機軟啟動控制系統(tǒng)中的LED顯示子程序顯示的是軟啟動、軟停車的時間以及軟啟動器的運行狀態(tài),仿真結(jié)果如圖9所示。

FPGA發(fā)出斜坡啟動電壓的數(shù)字信號,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。

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

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

將系統(tǒng)時鐘變換成異步電動機軟啟動控制系統(tǒng)所需要的時鐘信號,分頻器程序的仿真結(jié)果如圖11所示。

3實驗結(jié)果分析

本次實驗所使用的三相異步電動機功率為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、軟停車的子程序仿真結(jié)果,同時分析啟動時觸發(fā)角達到180^o、120^o以及10^o時異步電動機的相電壓波形,可以得出,在三相異步電動機剛啟動時,啟動電流并未出現(xiàn)在異步電動機的定子兩端,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,異步電動機兩端的電壓也在變化,異步電動機平穩(wěn)達到額定轉(zhuǎn)速:當(dāng)觸發(fā)角到達10^o時,異步電動機基本進入運行狀態(tài)。

4結(jié)語

綜上所述,實驗證明,在一般降壓啟動時,異步電動機電流并不穩(wěn)定,會給電動機本身及電網(wǎng)帶來較大的沖擊:異步電動機在軟啟動時,兩端電壓平穩(wěn)、緩慢上升,對其他電力設(shè)施產(chǎn)生的沖擊小,對電網(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)濟損失,因此具有較好的推廣及應(yīng)用價值。