孟彥京，高筱筱，李林濤，陳 君

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，西安710021)

異步電機(jī)起動(dòng)時(shí)有很高的起動(dòng)電流，空載時(shí)達(dá)到其額定電流的4倍～7倍，帶載可達(dá)到8倍～10倍，對電機(jī)自身和電網(wǎng)的沖擊比較大，嚴(yán)重影響了電動(dòng)機(jī)的使用壽命以及同一變壓器上的其他用電設(shè)備的正常工作［1］。本文所設(shè)計(jì)的軟起動(dòng)器控制旨在限制電機(jī)起動(dòng)電流，減小起動(dòng)電流對電網(wǎng)的沖擊，同時(shí)也能達(dá)到節(jié)能的目的。

STM32相對于大多數(shù)8 bit或16 bit的微處理器來說，性能較高，成本較低，它的全部引腳都可以作為中斷輸入，支持SWD調(diào)試，并且是32 bit微處理器市場上功耗最低的產(chǎn)品。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)建立在市場上出現(xiàn)的軟起動(dòng)器的基本結(jié)構(gòu)上［1］，如圖1所示，主要由 SCR主電路、電壓檢測、電流檢測，觸發(fā)控制、調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)(CPU等)及顯示等部分組成。其中電壓檢測部分包含缺相檢測和相序檢測，STM32負(fù)責(zé)接收檢測到的電壓和模擬電流信息，然后根據(jù)不同的需要對信號(hào)進(jìn)行分析，產(chǎn)生不同的觸發(fā)方案。起動(dòng)完成后，通過旁路接觸器短路，電動(dòng)機(jī)開始全壓運(yùn)行。

圖1 系統(tǒng)總框圖

系統(tǒng)總流程圖如圖2所示，首先對系統(tǒng)上電，如果主函數(shù)中的檢測環(huán)節(jié)檢測到高電平，那么開始進(jìn)行系統(tǒng)初始化，初始化過程主要包含片內(nèi)硬件初始化和片外硬件初始化，前者主要是對定時(shí)器，中斷，串口，時(shí)鐘等進(jìn)行配置。為了防止缺相引起的三相不平衡現(xiàn)象，初始化完成后要進(jìn)行缺相檢測，缺相檢測原理圖如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)總流程圖

圖3 缺相檢測原理圖

當(dāng)有三相電經(jīng)過時(shí)，系統(tǒng)硬件檢測電路將每項(xiàng)電的上半軸變?yōu)楦唠娖剑掳胼S變?yōu)榈碗娖?，在圖中可以看出，三相電形成的高低電平相互疊加，使得高電平信號(hào)一直保持，沒有間斷。當(dāng)缺少一相及以上時(shí)，指定IO口出現(xiàn)低電平，系統(tǒng)開始報(bào)警，嗡鳴器持續(xù)響，LED燈閃爍，程序中止，在不缺相的情況下，指定IO口會(huì)一直檢測到高電平信號(hào)。

缺相檢測完畢后，進(jìn)行相序檢測子程序，由于三相電每個(gè)正弦周期是20 ms，每路信號(hào)為高電平的時(shí)間約為7 ms，并且依次疊加，因此當(dāng)檢測到A路高電平時(shí)，相隔7 ms后檢測B路信號(hào)，再相隔7 ms檢測C路信號(hào)，如果均可以檢測到高電平，那么說明沒有缺相，否則進(jìn)入故障檢測模塊。

系統(tǒng)檢測環(huán)節(jié)完成后，進(jìn)入軟起動(dòng)方案子程序，該系統(tǒng)有斜坡升壓軟起動(dòng)，限流軟起動(dòng)以及離散變頻軟起動(dòng)三種起動(dòng)方案。使用者根據(jù)不同的需求進(jìn)入不同的模塊，起動(dòng)過程中由串口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將結(jié)果顯示在上位機(jī)上，如果采集到的各路信號(hào)均按預(yù)定趨勢變化，那么說明起動(dòng)過程正常，反之，進(jìn)入故障檢測環(huán)節(jié)，輸出錯(cuò)誤信息。起動(dòng)完成后，旁路接觸器吸合，軟起動(dòng)器切出，電機(jī)進(jìn)入全壓運(yùn)行狀態(tài)。待發(fā)出停車指令后，斷開旁路接觸器，接入軟起動(dòng)器，進(jìn)入軟停車模塊，該系統(tǒng)停車采用觸發(fā)角控制方式，在停車過程中逐步增大晶閘管的觸發(fā)角，使異步電動(dòng)機(jī)上所加電壓由全壓開始逐漸減小，實(shí)現(xiàn)軟停車。停車過程中，顯示系統(tǒng)停車參數(shù)，根據(jù)參數(shù)來判定停車過程是否故障。

圖4 斜坡升壓軟起動(dòng)

2 系統(tǒng)起動(dòng)功能塊設(shè)計(jì)

2.1 斜坡升壓軟起動(dòng)

斜坡升壓起動(dòng)示意圖如圖4(a)所示。t1，t2，t3分別代表不同的起動(dòng)上升時(shí)間，初始電壓設(shè)定范圍為(30%～75%)Ue，初始電壓的基準(zhǔn)值(Ust)可以在此范圍內(nèi)任意選擇，Ue為額定電壓(一般為380 V)。通常輕載或空載電動(dòng)機(jī)可選擇較低的起始電壓，如30%Ue。有負(fù)載時(shí)，視負(fù)載情況適當(dāng)提高起始電壓，如60%Ue，以使電動(dòng)機(jī)有足夠的初始轉(zhuǎn)矩克服機(jī)械特性，為防止起動(dòng)過程中沖擊電流對電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響，此方案適用于輕載起動(dòng)［2］，起動(dòng)的斜率由起始電壓和設(shè)定的起動(dòng)時(shí)間共同決定。

給定起始電壓，初始觸發(fā)角可以根據(jù)公式［3］計(jì)算得到。

當(dāng)選擇斜坡升壓起動(dòng)方式時(shí)，進(jìn)入子模塊，過程如圖4(b)所示，首先給定起始電壓，起動(dòng)時(shí)間，根據(jù)起動(dòng)時(shí)間可以得知觸發(fā)角增大/減小的速率，以10 s為例，10 s內(nèi)有500個(gè)正弦周期，若觸發(fā)角從120度開始減小，那么電機(jī)在全壓運(yùn)行之前，觸發(fā)角每減小一度，都會(huì)經(jīng)歷大約4個(gè)正弦周期。在外部中斷函數(shù)中設(shè)置變量進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)變量自加到4時(shí)，觸發(fā)角減小一度。該系統(tǒng)中斷設(shè)置如圖5所示。

圖5 中斷原理圖

圖中，t1，t4:定時(shí)器達(dá)到比較值，進(jìn)入定時(shí)器中斷;t2，t5:定時(shí)器達(dá)到溢出值，關(guān)閉定時(shí)器;t3:下降沿觸發(fā)，進(jìn)入外部中斷，開定時(shí)器;t6:上升沿觸發(fā)，進(jìn)入外部中斷，開定時(shí)器，開始計(jì)數(shù)。

外部中斷觸發(fā)方式為雙邊沿觸發(fā)，正弦波每到一個(gè)上升沿或者下降沿，都會(huì)觸發(fā)外部中斷，在中斷函數(shù)中設(shè)置定時(shí)器的比較值(由觸發(fā)角的大小決定)及溢出值，同時(shí)打開定時(shí)器，定時(shí)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)定時(shí)器達(dá)到比較值時(shí)，進(jìn)入定時(shí)器中斷，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖觸發(fā)上下半波對應(yīng)的晶閘管，當(dāng)定時(shí)器達(dá)到溢出值時(shí)，清空定時(shí)器計(jì)數(shù)值，停止觸發(fā)，關(guān)閉定時(shí)器［4］。

當(dāng)觸發(fā)角減小到0時(shí)，切換到旁路接觸器，起動(dòng)完成，電機(jī)開始全壓運(yùn)行。

2.2 限流軟起動(dòng)

限流起動(dòng)方式采用電流反饋閉環(huán)的控制方式，這樣可以將起動(dòng)電流限制在一定的范圍內(nèi)，可以減小電流沖擊，使電機(jī)平滑起動(dòng)。起動(dòng)時(shí)，電壓由初始值逐漸增大，電流則迅速增加，當(dāng)電流達(dá)到設(shè)定值時(shí)，調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)開始運(yùn)行，此時(shí)保持電壓不變，電流會(huì)隨電機(jī)轉(zhuǎn)速上升而下降，此時(shí)升高電壓，電流值又上升，當(dāng)電流值比設(shè)定值大，降低電壓，達(dá)到設(shè)定值時(shí)保持電壓不變，如果電流下降(上升)那么再次升高(降低)電壓，如此循環(huán)，使電機(jī)電流始終不超過設(shè)定值，直至起動(dòng)過程結(jié)束。

限流起動(dòng)方式示意圖如圖6(a)所示，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的初始階段起動(dòng)電流逐漸增加，當(dāng)電流達(dá)到預(yù)先所設(shè)定的值后保持恒定(t1至t2階段)，直至起動(dòng)完畢。Ie的確定可以根據(jù)不同的負(fù)載進(jìn)行設(shè)定，最大起動(dòng)保護(hù)電流設(shè)定范圍400%Ie～600%Ie，達(dá)到給設(shè)定值后延時(shí)150 ms。起動(dòng)過程中，電流上升變化的速率是可以根據(jù)電動(dòng)機(jī)負(fù)載調(diào)整設(shè)定，電流上升速率大，則起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)時(shí)間短。該起動(dòng)方式是應(yīng)用最多的起動(dòng)方式，尤其適用于風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的起動(dòng)［5］。

圖6 限流起動(dòng)

子程序流程圖如圖6(b)所示，當(dāng)選擇限流起動(dòng)方式時(shí)，進(jìn)入子模塊，首先設(shè)置限流值，輸入初始觸發(fā)角，程序中設(shè)定為120°，然后開始有規(guī)律地減小觸發(fā)角，觸發(fā)角每減小一度，都對模擬電流值進(jìn)行采樣，采樣完之后對得到的采樣值和設(shè)定值進(jìn)行比較，如果比設(shè)定值小，說明觸發(fā)角仍然可以減小，那么程序回到開始處繼續(xù)執(zhí)行;如果比設(shè)定值大，說明電流值過大，那么增加觸發(fā)角，繼續(xù)對模擬電流量進(jìn)行采樣與比較，如果和設(shè)定值相等，即已達(dá)到限流值，那么保持這個(gè)觸發(fā)角，每隔一段時(shí)間檢測一次模擬電流值，若與設(shè)定值不一致，繼續(xù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至起動(dòng)完成退出子程序。

2.3 離散變頻軟起動(dòng)

離散變頻起動(dòng)按照開環(huán)的控制策略進(jìn)行，人為設(shè)定不同頻率下的起動(dòng)工作時(shí)間，到達(dá)設(shè)定時(shí)間后馬上切換至下一頻率進(jìn)行起動(dòng)。

該程序假定分頻次序?yàn)閒/4—f/3—f/2—f［6］，如圖7(a)所示，圖中t1為f/4分頻運(yùn)行時(shí)間;t2為f/3分頻運(yùn)行時(shí)間;t3為f/2分頻運(yùn)行時(shí)間;t4為工頻運(yùn)行時(shí)間，工頻起動(dòng)采用上文中斜坡升壓起動(dòng)方式。由于離散變頻軟起動(dòng)在降低電壓的同時(shí)，降低了頻率，因此可以獲得較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩［7］，該方式適用于各類負(fù)載起動(dòng)。

圖7 離散變頻軟起動(dòng)

當(dāng)系統(tǒng)收到指令后，進(jìn)入離散變頻子程序，如圖7(b)所示，首先對各次分頻的觸發(fā)角，起動(dòng)時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，之后進(jìn)入4分頻觸發(fā)脈沖函數(shù)，當(dāng)觸發(fā)時(shí)間達(dá)到設(shè)定時(shí)間后，跳出4分頻觸發(fā)脈沖函數(shù)，否則繼續(xù)進(jìn)行觸發(fā)，然后依次進(jìn)入3分頻、2分頻觸發(fā)函數(shù)中，當(dāng)2分頻觸發(fā)完成后，程序跳轉(zhuǎn)至斜坡升壓起動(dòng)函數(shù)中(理論上計(jì)算各分頻電機(jī)電壓對應(yīng)的觸發(fā)角，從該角度開始觸發(fā))，在設(shè)定的時(shí)間中完成整個(gè)起動(dòng)過程。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

以15 kW的三相異步電機(jī)為實(shí)驗(yàn)對象，設(shè)定起動(dòng)時(shí)間為1 min，實(shí)驗(yàn)室中對3種起動(dòng)方式進(jìn)行了驗(yàn)證，得出，斜坡升壓方式電機(jī)起動(dòng)過程較為穩(wěn)定，但是由于不限制電流，測得電流值波動(dòng)很大。額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，電機(jī)起動(dòng)過程中，相電流最大值為33.6×6.4 A，經(jīng)過48 s即可達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的90%，對電網(wǎng)中的其他設(shè)備有一定的影響，后續(xù)工作應(yīng)改進(jìn)算法，使觸發(fā)角的變化隨著正弦波的走勢波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)非線性變化。限流起動(dòng)方式起動(dòng)過程平穩(wěn)，額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下，在電機(jī)起動(dòng)過程中，相電流最大值為33.6×5.1 A，限流起動(dòng)的最大電流峰值比斜坡升壓起動(dòng)明顯減小，但是起動(dòng)時(shí)間比斜坡升壓起動(dòng)長，經(jīng)過53 s才達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的90%，后續(xù)工作中應(yīng)該在硬件上增加采樣電流的精度，以此來獲得更好的預(yù)期效果。以上兩種起動(dòng)方式使用同一個(gè)軟停車子程序，按照預(yù)定的時(shí)間平穩(wěn)停車。離散變頻起動(dòng)過程中由于頻率分四級(jí)變化，在切換的瞬間經(jīng)仿真驗(yàn)證電流波動(dòng)十分劇烈［8］，如圖8所示，出現(xiàn)最大振幅3倍以上的脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可以預(yù)計(jì)到電機(jī)振動(dòng)將會(huì)很明顯。以上問題可在今后的研究中進(jìn)一步解決。

圖8 變頻切換點(diǎn)的相電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩

［1］胡紅明，毛承雄，陸繼明，等.電機(jī)分級(jí)變頻系統(tǒng)中轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的研究［J］.電氣傳動(dòng)，2009，39(8):11-15.

［2］余洪明，章克強(qiáng).軟起動(dòng)器實(shí)用手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［3］顧繩谷.電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2005.

［4］喻金錢，俞斌.STM32F系列ARM Cortex-M3核微控制器開發(fā)與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2011.

［5］諶頤，歐陽培果，廖泰長.一種新型的異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)控制器［J］.計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化，1999(4):35-37.

［6］徐甫榮.采用分級(jí)交-變頻方法的高轉(zhuǎn)矩軟起動(dòng)器的研制［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2005，8(2):14-19.

［7］郭德勝，高強(qiáng)，徐殿國，等.離散變頻軟啟動(dòng)器啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩分析［C］//第五屆變頻器行業(yè)企業(yè)家論壇，2007，51-56.

［8］李林，董林璽.基于MATLAB的交流感應(yīng)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)研究［J］.電子器件，2010，33(5):617-621.