夏鴻飛,趙慧,王衛(wèi)安

（1.深圳市地鐵集團(tuán)有限公司,廣東深圳518000；2.鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河南鄭州450000；3.變流技術(shù)國家工程研究中心,湖南株洲412000）

對于異步電動機,停車方式有3種：①自由停車；②軟停車；③制動停車.軟起動器帶來的最大好處是軟停車,軟停車消除了拖動系統(tǒng)的反慣性沖擊.對于泵類負(fù)載而言,也就是消除水錘效應(yīng).以往的設(shè)計中,為減輕水錘效應(yīng),通常偏向于采用斜坡電壓下降的設(shè)計方法[1-3].可是,這種系統(tǒng)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩特性與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性很難做到匹配,不能完全消除喘振現(xiàn)象,這是該系統(tǒng)的顯著缺陷.事實上,如果能使系統(tǒng)的流量和壓力平滑變化,那么該系統(tǒng)在軟停車時會消除喘振現(xiàn)象,減少對管道、閥門以及泵的沖擊.

1 基礎(chǔ)知識

一般而言,泵系統(tǒng)的功率與轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系表達(dá)如下

其中,W-泵功率,T-泵轉(zhuǎn)矩,N-泵轉(zhuǎn)速.

忽略電機的鐵耗、銅耗和傳動損耗時,有

其中,P-異步電動機功率,N-異步電動機轉(zhuǎn)速.

從以上分析可以看出,通過改變異步電動機的輸入功率來控制負(fù)載的轉(zhuǎn)速,從而消除泵的喘振現(xiàn)象.另外,在系統(tǒng)設(shè)計上采用有功功率閉環(huán)控制,亦可改善異步電動機的機械特性,使得系統(tǒng)具有良好的動態(tài)控制性能.

2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計

本控制系統(tǒng)為對10 kV系統(tǒng)的晶閘管組件和光纖狀態(tài)進(jìn)行實時檢測,在原DSP+CPLD的系統(tǒng)增加了兩片CPLD.為計算有功功率,增加了一片AD7865,以對所需的電壓和輸入電流進(jìn)行實時采樣.

采用的TMS320F240芯片是TI公司為數(shù)字電機控制應(yīng)用而推出的一種低價格高性能16位定點DSP.芯片內(nèi)部帶有16 k的FLASH存儲器,因此只需外擴一片數(shù)據(jù)存儲器存儲運算中的數(shù)據(jù).控制系統(tǒng)的運算速度很快,實時處理能力很強.

CPLD（Complex Programmable Logic Device）是一種用戶可根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路.在本系統(tǒng)中主要完成電路的譯碼、相關(guān)時序和組合邏輯的控制.同時通過重要信號的冗余和聯(lián)鎖設(shè)計,使系統(tǒng)具有監(jiān)測和保護(hù)功能,提高系統(tǒng)的可靠性.MAX7000系列提供了業(yè)界速度最快的可編程邏輯解決方案.它基于CMOSEEPROM工藝,傳播延遲最小為3.5 ns,可以實現(xiàn)速度高于200 MHz的計數(shù)器,并且為高密度的器件提供了非常寬的選擇余地.同時,通過MAX7000能實現(xiàn)本系統(tǒng)速度與功耗、轉(zhuǎn)換速率與系統(tǒng)噪聲的優(yōu)化.

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）的啟動與電網(wǎng)信號同步,由DSP來控制采樣.當(dāng)采樣完成時,DSP接收到模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）的中斷信號后,把讀入的數(shù)據(jù)存儲在RAM中.為保證采樣點數(shù)的一致性,對網(wǎng)壓同步信號采取了數(shù)字鎖相.

可以通過對單相功率的檢測算出電機總的輸入功率.一個周期內(nèi)的計算如下

其中,un-電壓采樣值,in-輸入電流采樣值,N-周期內(nèi)的采樣數(shù).

在控制系統(tǒng)工作的過程中,必須對晶閘管進(jìn)行實時監(jiān)測,一旦發(fā)生故障,可以對主電路實施有效的保護(hù),提高系統(tǒng)工作的可靠性.

4 兩種軟停車方式的比較

電壓斜坡軟停車方式是電壓斜坡起動方式的反過程,當(dāng)停車時,控制晶閘管觸發(fā)角使輸出電壓迅速下降到UK,然后按照設(shè)定的斜率下降到U0,再迅速下降到0.下降斜率由軟停初始電壓和軟停時間決定,如圖1所示.電壓斜坡軟停車方式是比較常用的軟停車控制方式.

對傳統(tǒng)斜坡電壓線性下降系統(tǒng)實測波形圖如圖2所示,圖3則是有功功率閉環(huán)控制系統(tǒng)電機功率實測波形圖.

圖1 電壓斜坡方式

圖2 斜坡電壓方式功率

圖3 有功功率閉環(huán)方式功率

5 小結(jié)

綜合以上分析,在消除軟停車過程中的喘振現(xiàn)象,有功功率閉環(huán)控制系統(tǒng)明顯優(yōu)于斜坡電壓下降系統(tǒng).主要表現(xiàn)在：第一,功率可以做到線性下降,電動機的轉(zhuǎn)速下降平穩(wěn)；第二,電動機具有與功率對應(yīng)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速；第三,有效地消除軟停車過程中的功率大幅振蕩,甚至負(fù)功率.

無論在經(jīng)濟(jì)上還是技術(shù)上,采用變頻調(diào)速裝置對電動機進(jìn)行軟啟動和軟停車控制,從而改善電動機啟動和停車時的動態(tài)穩(wěn)定性能,實現(xiàn)電機的平穩(wěn)啟動和平滑停車,尤其對于幾十兆瓦甚至上百兆瓦的異步電動機來說具有積極意義.

[1] 王毅,趙凱岐,徐殿國.基于DSP的三相異步電機軟起動控制器[J].中小型電機,2001（6）：34.

[2] 王衛(wèi)安,危韌勇.基于DSP的中壓軟啟動器控制系統(tǒng)[J].機車電傳動,2004（2）：12-14,22.

[3] 楊偉,吳茂剛.電機軟啟動器的原理與應(yīng)用[J].農(nóng)機化研究,2005（2）：205.