方瑞明 唐雁

(華僑大學(xué) 電氣工程系，福建 廈門 361021)

0 引言

擺式砂鋸機(jī)是石材行業(yè)的重要加工設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，工作時(shí)由主驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)鋸框做往返運(yùn)動(dòng)進(jìn)行切削加工［1］。由于其加工周期中大部分時(shí)間屬于半載甚至輕載工作狀態(tài)，因此可以考慮采用基于晶閘管調(diào)壓的電機(jī)節(jié)能控制器對其進(jìn)行節(jié)能改造。但該設(shè)備起動(dòng)過程中，主驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要帶動(dòng)重達(dá)十幾噸的鋸框，屬于典型的重載起動(dòng)，傳統(tǒng)的軟起動(dòng)策略難以滿足其要求。

離散變頻方法是Antonio Ginart于1999年提出的一種適合于晶閘管調(diào)壓電路的交交變頻軟起動(dòng)策略［2］。由于離散變頻軟起動(dòng)仍采用傳統(tǒng)軟起動(dòng)的反并聯(lián)晶閘管電路結(jié)構(gòu)，不需要像復(fù)雜的整流逆變電路結(jié)構(gòu)，只需設(shè)計(jì)晶閘管控制策略就能實(shí)現(xiàn)較好的重載起動(dòng)性能，具有成本低、控制簡單的特點(diǎn)。因此，本文將其應(yīng)用于擺式砂鋸機(jī)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的軟起動(dòng)器設(shè)計(jì)，并研究其最優(yōu)觸發(fā)方法，進(jìn)一步改善其起動(dòng)性能。

1 離散變頻軟起動(dòng)策略

1.1 離散變頻軟起動(dòng)原理

離散變頻方法就是通過對晶閘管觸發(fā)進(jìn)行控制，有選擇地控制工頻電源的某些半周波通過，而另一些半周波截止，從而實(shí)現(xiàn)對頻率的控制，如圖2所示，其中粗實(shí)線為不同分頻下的新波形的基波波形、陰影部分表示導(dǎo)通半周波。這樣就可以使得電機(jī)起動(dòng)過程中頻率從一個(gè)較低的值開始，分級(jí)上升，最后達(dá)到50 Hz。

圖1 擺式砂鋸機(jī)結(jié)構(gòu)

電機(jī)起動(dòng)過程中降低定子電壓的同時(shí)下調(diào)頻率，可以減少電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的損失［3］，這樣就可以解決傳統(tǒng)軟起動(dòng)器的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小的問題。

1.2 最優(yōu)分頻組合

經(jīng)過離散分頻后新產(chǎn)生的頻率下的三相相序有正序?qū)ΨQ、負(fù)序?qū)ΨQ及不對稱的情況。為了提高電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，必須使新頻率下的電源產(chǎn)生最大的正向轉(zhuǎn)矩，即使正序分量最大，負(fù)序分量最小。文獻(xiàn)［4］經(jīng)過研究指出只有3i+1分頻才能得到正序?qū)ΨQ組合，其中i=1，2，3…。正序?qū)ΨQ組合正是最有利于起動(dòng)的組合方式，但是有時(shí)為了使起動(dòng)更為平滑，則需要選擇更多的過渡頻率，此時(shí)就需要尋找正序分量大、負(fù)序分量小的最優(yōu)分頻組合。

圖2 不同頻率下的基波信號(hào)波形

基于對稱分量法對不同分頻頻率下不同相序分量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表1。

表1 不同分頻下最優(yōu)相位角時(shí)的各相序分量

根據(jù)表1計(jì)算結(jié)果，從13分頻開始起動(dòng)電機(jī)，過渡頻率為10分頻、7分頻、4分頻和2分頻。需要指出的是，從25Hz切換到50Hz的時(shí)候由于頻率切換跨度較大，會(huì)產(chǎn)生較大的電流，雖然這個(gè)電流較直接起動(dòng)沖擊電流小，但是為了獲得更優(yōu)的起動(dòng)性能，在這一階段采用斜坡電壓軟起動(dòng)方式，即緩慢提升電壓直到額定電壓，這樣整個(gè)起動(dòng)期間起動(dòng)電流都能有效抑制。

1.3 各分頻子頻率觸發(fā)角計(jì)算

由前文分析，離散變頻軟起動(dòng)的思想類似于電機(jī)恒壓頻比控制，即離散變頻時(shí)需保持E1/f1≡C(C為常數(shù))，考慮到E1難以直接測量和控制，忽略定子繞組漏阻抗壓降，保持U1/f1≈C即可。根據(jù)前文所確定的分頻組合，各級(jí)分頻子頻率所對應(yīng)的定子相電壓如表2所示。

表2 不同分頻下對應(yīng)的定子相電壓

利用式(1)及(2)，可計(jì)算出各級(jí)頻率所對應(yīng)的觸發(fā)角a，如表3所示。時(shí)，子頻率分量輸出電壓的有效值為

表3 不同分頻子頻率所對應(yīng)觸發(fā)角

2 仿真分析

仿真模型的搭建基于仿真軟件MATLAB/Simulink。仿真模塊包括5個(gè)主要部分:晶閘管調(diào)壓電路模塊、同步檢測與觸發(fā)脈沖發(fā)生控制模塊、子頻率脈沖產(chǎn)生模塊、異步電機(jī)模型、參數(shù)測量與示波器等。仿真中電機(jī)主要參數(shù)設(shè)置如下:額定功率為 3kW，額定電壓 380V，額定電流11.3A，額定轉(zhuǎn)矩 13.2N·m，仿真結(jié)果見圖3至圖5。

由圖3至圖5可以看出采用離散變頻軟起動(dòng)時(shí)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，而起動(dòng)電流能夠抑制在2.5倍額定電流以下，與調(diào)壓起動(dòng)的方式相比，采用分級(jí)變頻調(diào)壓起動(dòng)方式起動(dòng)轉(zhuǎn)矩更大而更適合帶重載起動(dòng)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，三相電源通過旁路接觸器與晶閘管的并聯(lián)電路與電機(jī)相連，以 DSP芯片TMS320LF2407A為主控MCU，接收來自和電壓/電流檢測電路和過零檢測的信息，控制觸發(fā)方式;人機(jī)界面系統(tǒng)以MCS-89C51作為鍵盤和顯示處理最小系統(tǒng)，負(fù)責(zé)與DSP數(shù)據(jù)通訊。

圖6 擺式砂鋸機(jī)軟起動(dòng)器結(jié)構(gòu)框圖

3.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用模塊化方法進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。軟件需要完成的主要工作有:系統(tǒng)初始化，分級(jí)變頻信號(hào)給定，中斷程序等等。整個(gè)軟件分為順序執(zhí)行的主程序與中斷程序兩部分，其中離散變頻軟起動(dòng)流程如圖7所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果

采用所研制的軟起動(dòng)器對某石材公司的意大利產(chǎn)ALCIONE-600-2B型擺式砂鋸機(jī)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行起動(dòng)控制，該電機(jī)額定功率為 132kW，額定電壓為380V(星接)，額定轉(zhuǎn)速為1440 r/min，額定電流為 220A。起動(dòng)過程中電流波形如圖8所示。

由圖8可看出，擺式砂鋸機(jī)起動(dòng)過程平滑，控制效果良好，軟起動(dòng)控制器運(yùn)行穩(wěn)定。

圖7 離散變頻軟起動(dòng)程序流程圖

5 結(jié)束語

針對擺式砂鋸機(jī)重載起動(dòng)的特點(diǎn)，基于離散變頻技術(shù)，采用DSPTMS 320LF2407A 芯片做為主控MCU，研制了擺式砂鋸機(jī)專用電機(jī)軟啟動(dòng)器。該裝置在保留傳統(tǒng)軟起動(dòng)器起動(dòng)電流沖擊小、結(jié)構(gòu)簡單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，還具有較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可用于重載起動(dòng)的場所，在石材加工機(jī)械節(jié)能改造方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖8 起動(dòng)過程中電流波形

［1］張進(jìn)生，王日君，王志.飾面石材加工技術(shù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［2］Antonio Ginart，Rosana Esteller.High starting torque for AC SCR controller［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，1999，14(3):553-559.

［3］馬宏忠，方瑞明，王建輝.電機(jī)學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2009.

［4］趙凱岐，王毅，徐殿國，劉宏偉.晶閘管控制的感應(yīng)電機(jī)中提高起動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩的一種新策略［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24(3):145-150.