張興海

【摘要】本文根據(jù)電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)控制的理論與實(shí)踐研究基礎(chǔ)，認(rèn)為其控制效果主要取決于控制策略與方法。為實(shí)現(xiàn)起動(dòng)電流與起動(dòng)時(shí)間的協(xié)調(diào)控制，非線性控制方法是最優(yōu)控制選擇之一。本文依據(jù)異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程的邏輯原理，對(duì)動(dòng)態(tài)規(guī)劃的異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)進(jìn)行了特性分析。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)軟起動(dòng)控制算法模塊和自耦磁控軟起動(dòng)器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出動(dòng)態(tài)規(guī)劃的最優(yōu)控制策略。最后提出了電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中無(wú)功功率補(bǔ)償方案。

【關(guān)鍵詞】電動(dòng)機(jī) 軟起動(dòng) 控制理論 算法模塊

1異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)特性分析

鑒于理想電機(jī)與異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)特性、非線性和強(qiáng)耦合特性，可以采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法對(duì)電機(jī)起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行非線性控制，從而實(shí)現(xiàn)起動(dòng)過(guò)程的最優(yōu)控制。電機(jī)軟啟動(dòng)控制技術(shù)經(jīng)歷了四個(gè)階段，第一階段是開環(huán)電壓斜坡控制方式；第二階段是電流限制電流的閉環(huán)控制模式的代表；在閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制和離散頻率的第三階段為代表，控制的目的是提高起動(dòng)過(guò)程電磁轉(zhuǎn)矩；第四階段是使用軟啟動(dòng)現(xiàn)代控制理論中，比較有代表性的是模糊控制、自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。這些控制方法的控制目標(biāo)可分為兩類：一類是控制電流，電流控制在有限范圍內(nèi)；另一類是起動(dòng)過(guò)程中提高電磁轉(zhuǎn)矩，適用于重載軟起動(dòng)電動(dòng)機(jī)。這些控制方法不考慮控制過(guò)程中的開始時(shí)間。雖然可以降低啟動(dòng)電流，但會(huì)延長(zhǎng)啟動(dòng)時(shí)間；變頻起動(dòng)過(guò)程中可以提高電磁轉(zhuǎn)矩，但是會(huì)有轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，為了減少轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)使頻率變化是緩慢的，它會(huì)延長(zhǎng)啟動(dòng)時(shí)間。起動(dòng)時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)使電機(jī)發(fā)熱，造成電機(jī)發(fā)熱，造成主電路的熱繼電器動(dòng)作，啟動(dòng)故障。因此，啟動(dòng)過(guò)程中應(yīng)考慮啟動(dòng)時(shí)間。在起動(dòng)電流有限的情況下，降低起動(dòng)時(shí)間，優(yōu)化軟起動(dòng)過(guò)程是有價(jià)值的。由于軟啟動(dòng)過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性和明顯的時(shí)序特性，這是與動(dòng)態(tài)規(guī)劃控制方法的應(yīng)用相一致。軟起動(dòng)曲線的理想起動(dòng)，軟起動(dòng)過(guò)程可分為電流上升階段、恒流升速階段、調(diào)速階段、電流上升階段和調(diào)速階段時(shí)間短、相位常數(shù)增加速度最長(zhǎng)時(shí)間。為了縮短起動(dòng)時(shí)間，優(yōu)化起動(dòng)過(guò)程，在恒速升速階段可以得到最優(yōu)控制。軟啟動(dòng)理想的起動(dòng)特性和基于軟起動(dòng)過(guò)程的規(guī)劃控制算法的動(dòng)態(tài)特性，起動(dòng)過(guò)程分為幾個(gè)階段，每個(gè)階段根據(jù)控制要求，選擇不同的控制決策，共同構(gòu)成整個(gè)控制過(guò)程的控制策略。采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃的非線性控制方法，對(duì)提高軟起動(dòng)器的性能具有重要意義。

2軟起動(dòng)控制算法模塊設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平穩(wěn)起動(dòng)，設(shè)計(jì)了四種起動(dòng)方式，如限時(shí)間、斜率控制、恒流控制和智能控制。當(dāng)被問到有限的起動(dòng)方式適用于用嚴(yán)格的時(shí)間限制根據(jù)起動(dòng)過(guò)程起動(dòng)時(shí)間，自耦變壓器階段時(shí)間和時(shí)間的磁控電壓相位分布，起動(dòng)時(shí)間達(dá)到設(shè)定值時(shí)，開關(guān)的運(yùn)行狀態(tài)。斜率控制方式是一種相對(duì)簡(jiǎn)單的控制方式，所檢測(cè)的電流值不作為反饋量，而是作為短路、過(guò)載等監(jiān)測(cè)電路。在啟動(dòng)斜坡控制模式下，控制器向觸發(fā)板輸出固定斜率電壓信號(hào)，從而改變晶閘管觸發(fā)角，改變阻抗耦合電抗器，提高電機(jī)的端子電壓，從而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、軟啟動(dòng)。匝道控制是一種開環(huán)控制方式，如果電機(jī)負(fù)荷發(fā)生變化，起動(dòng)性能不能得到保證。

3自耦磁控軟起動(dòng)器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

白耦磁控軟啟動(dòng)裝置的硬件和軟件包括：主電路和控制電路。主電路由三相電源、自耦磁電抗器、反并聯(lián)晶閘管、無(wú)功補(bǔ)償電容器組、三相異步電動(dòng)機(jī)組成。電機(jī)容量白耦合磁控電抗器和反并聯(lián)晶閘管的開始確定自耦合磁控電抗器的需要和反并聯(lián)晶閘管電動(dòng)機(jī)容量不同容量雖然不同，但電路結(jié)構(gòu)是一致的?？刂齐娐放c電機(jī)容量無(wú)關(guān)，可設(shè)計(jì)成通用型。控制電路包括電流檢測(cè)電路、電壓檢測(cè)電路、控制器和外圍電路、觸發(fā)電路、人機(jī)接口電路等。根據(jù)檢測(cè)到的電流、電壓、轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)等信息通過(guò)數(shù)據(jù)處理并根據(jù)控制算法設(shè)計(jì)，最后形成各種開關(guān)信號(hào)和晶閘管觸發(fā)信號(hào)。軟起動(dòng)器的性能取決于控制電路的結(jié)構(gòu)和控制算法。軟啟動(dòng)控制器的主要功能可歸納為以下幾個(gè)方面：

（1）檢測(cè)電機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中的起動(dòng)電流、電壓、電機(jī)轉(zhuǎn)速，并計(jì)算出功率因數(shù)的大小來(lái)判斷啟動(dòng)過(guò)程的階段，決定開關(guān)降壓降壓級(jí)的磁控管級(jí)和級(jí)。（2）根據(jù)檢測(cè)到的電流和電壓信號(hào)，計(jì)算、處理、決策控制策略分析，通過(guò)阻抗變換器的阻抗變化，調(diào)節(jié)電機(jī)的電壓，實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，避免自耦變壓器從當(dāng)前兩沖擊現(xiàn)象。（3）根據(jù)計(jì)算出的功率因數(shù)值，確定無(wú)功補(bǔ)償，接通電容器組，動(dòng)態(tài)調(diào)整無(wú)功補(bǔ)償容量，以提高啟動(dòng)過(guò)程中的功率因數(shù)。

4電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中無(wú)功功率補(bǔ)償方案構(gòu)建

根據(jù)無(wú)功補(bǔ)償原理，該裝置具有容性負(fù)載功率與電力負(fù)荷并聯(lián)的感性，讓這兩種無(wú)功功率之間的能量交換，感性負(fù)載需要輸出電容負(fù)載無(wú)功補(bǔ)償。無(wú)功補(bǔ)償?shù)某Ｓ梅椒ㄓ校海?）無(wú)功補(bǔ)償集中：在配電總線在高低壓配電電容器組的幾組，對(duì)無(wú)功功率的分布范圍內(nèi)的賠償，這些電容器。功率分配范圍內(nèi)的總功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)街付ㄖ狄陨?。集中補(bǔ)償方法只能補(bǔ)償高壓、低壓母線前后的無(wú)功功率。企業(yè)內(nèi)部電路中還存在大量的無(wú)功潮流，產(chǎn)生大量的無(wú)功損耗。（2）無(wú)功功率補(bǔ)償：在配電變壓器低壓側(cè)、車間或少量小功率異步電動(dòng)機(jī)上安裝無(wú)功補(bǔ)償器。無(wú)功功率范圍小，節(jié)電效果好于集中補(bǔ)償。但也存在這樣的問題：在其他異步電動(dòng)機(jī)的供電線路中，仍有大量的無(wú)功電流流過(guò)無(wú)功補(bǔ)償。（3）異步電動(dòng)機(jī)局部補(bǔ)償：無(wú)功補(bǔ)償裝置直接連接到感應(yīng)電機(jī)旁邊或在線接線端。就地補(bǔ)償相當(dāng)于電機(jī)側(cè)的無(wú)功功率，電機(jī)只需要在無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功功率只提供電機(jī)和并聯(lián)電容器之間的大部分的無(wú)功功率。這種方法可以消除高低壓供電線路中的無(wú)功功率，減少線路負(fù)載電流和損耗，是一種最完整的補(bǔ)償方法。如果異步電動(dòng)機(jī)容量大，長(zhǎng)期輕負(fù)荷運(yùn)行，或者供電線路長(zhǎng)，采用無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆椒ㄐЧ顬槊黠@。無(wú)功補(bǔ)償裝置可以達(dá)到提高變壓器容量、降低電網(wǎng)電壓降、降低無(wú)功損耗、減少電氣設(shè)備事故、提高安全性的目的。因此，在電機(jī)軟起動(dòng)過(guò)程中，采用局部補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，提高了功率因數(shù)。

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