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        中高壓軟啟動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)

        2021-02-27 03:23:44王黨樹王新霞婁嘉南
        實(shí)驗(yàn)室研究與探索 2021年1期
        關(guān)鍵詞:信號(hào)

        王黨樹, 王新霞, 婁嘉南

        (西安科技大學(xué)a.電氣與控制工程學(xué)院;b.理學(xué)院,西安710054)

        0 引 言

        電動(dòng)機(jī)是現(xiàn)代工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和交通運(yùn)輸?shù)闹匾O(shè)備,據(jù)統(tǒng)計(jì),三相異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)力設(shè)備占據(jù)一定比例,目前生產(chǎn)現(xiàn)場用到的異步電動(dòng)機(jī),啟動(dòng)方式大都采用的是直接啟動(dòng),直接啟動(dòng)方式不需要外圍控制電路、操作簡單且啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩相對(duì)較大[1]。因此在電網(wǎng)允許條件下,大部分電動(dòng)機(jī)依然采用的是直接啟動(dòng)[2]。異步電動(dòng)機(jī)在額定電壓下直接啟動(dòng)時(shí)的啟動(dòng)電流約為額定電流的5 ~7 倍。由于啟動(dòng)電流大,會(huì)使電網(wǎng)電壓短時(shí)間內(nèi)降落很多,造成電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩減小很多,啟動(dòng)困難,還影響電網(wǎng)上其他設(shè)備的正常運(yùn)行[3];同時(shí)過大的啟動(dòng)電流將會(huì)在電動(dòng)機(jī)軸上產(chǎn)生過大的電磁轉(zhuǎn)矩,對(duì)電動(dòng)機(jī)的沖擊會(huì)造成電動(dòng)機(jī)不同程度的損壞。因此在電動(dòng)機(jī)頻繁啟、停的生產(chǎn)設(shè)備中,要獲得較好的啟動(dòng)曲線,需要在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中加入軟啟動(dòng)環(huán)節(jié)[4]。軟啟動(dòng)器(soft starter)是一種基于交流調(diào)壓器原理,集電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)、軟停車、輕載節(jié)能和多種保護(hù)功能于一體的電動(dòng)機(jī)控制裝置。軟啟動(dòng)器相對(duì)于傳統(tǒng)的啟動(dòng)方式,具有無級(jí)調(diào)節(jié)、沖擊轉(zhuǎn)矩和沖擊電流小的優(yōu)點(diǎn)[5]。文獻(xiàn)[6]中利用改變電源電壓頻率實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。文獻(xiàn)[7]中引入電流閉環(huán)控制,使電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過程中保持電流恒定,以確保電動(dòng)機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)。目前軟啟動(dòng)器啟動(dòng)方式有:限流軟啟動(dòng)、電壓斜坡軟啟動(dòng)、轉(zhuǎn)矩控制軟啟動(dòng)等方式[8]。本文采用PI 控制器控制的軟啟動(dòng)方式,相比于其他方式具有抗擾性高、作用速度快、誤差小等優(yōu)點(diǎn)。

        1 晶閘管軟啟動(dòng)方案

        晶閘管軟啟動(dòng)原理:實(shí)時(shí)檢測電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)電流值,送入TMS320F28335 控制器中,并與電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后平穩(wěn)運(yùn)行電流值做差,對(duì)該差值進(jìn)行PI 調(diào)節(jié)后輸出PWM信號(hào),該信號(hào)經(jīng)整形放大后,在同步信號(hào)作用下控制串聯(lián)在電源與電動(dòng)機(jī)之間晶閘管的導(dǎo)通,使電動(dòng)機(jī)電壓由零平穩(wěn)上升至三相異步電動(dòng)機(jī)額定工作電壓,啟動(dòng)電流在安全值范圍內(nèi)。

        根據(jù)啟動(dòng)原理,晶閘管軟啟動(dòng)方案如圖1 所示:主要由晶閘管、電壓檢測回路、觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路、控制器等組成[9]。此外設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)故障檢測、過壓、欠壓保護(hù)的功能[10]。

        圖1 晶閘管軟啟動(dòng)系統(tǒng)原理框圖

        2 軟啟動(dòng)器的硬件組成

        如圖2 所示。利用電容兩端電壓不能突變的特性,可以有效地抑制過電壓[11]。系統(tǒng)主電路是由三組反并聯(lián)晶閘管組成的三相調(diào)壓電路。在雙向晶閘管和三相電源之間接入接觸器,在軟啟動(dòng)過程中,接觸器斷開,軟啟動(dòng)完成后接觸器閉合。同理,在軟停車過程中,接觸器再次斷開,軟啟動(dòng)器投入到停車運(yùn)行。為防止過電壓燒壞晶閘管,在每對(duì)反并聯(lián)的晶閘管兩端并聯(lián)阻容吸收回路。

        圖2 軟啟動(dòng)器主電路圖

        2.1 同步信號(hào)檢測

        在三相調(diào)壓電路主回路中,觸發(fā)角α 的起始位置與軟啟動(dòng)器的控制有著緊密的聯(lián)系。為保證各個(gè)晶閘管的觸發(fā)脈沖與其陽極電壓保持嚴(yán)格的相位關(guān)系,同步檢測是軟啟動(dòng)器設(shè)計(jì)中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)[12-13]。同步檢測電路由電壓比較器、光電耦合器等組成,如圖3 所示,電壓比較器采集電壓過零點(diǎn),當(dāng)電網(wǎng)電壓由零變正時(shí),比較器輸出高電平,光電耦合器截止,DSP 控制器引腳接收到高電平;同理當(dāng)電網(wǎng)電壓由正變負(fù)時(shí),比較器輸出低電平,光電耦合器導(dǎo)通,DSP控制器引腳接收到低電平。

        圖3 同步信號(hào)檢測電路圖

        2.2 脈沖整形及放大回路

        晶閘管的觸發(fā)是軟啟動(dòng)器的重要部分,能否及時(shí)、有效的觸發(fā)晶閘管是實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)的關(guān)鍵[14]。脈沖整形與放大電路如圖4 所示,由DSP 的PWM 模塊產(chǎn)生具有一定相移的6 路PWM 信號(hào),經(jīng)三極管放大,脈沖變壓器驅(qū)動(dòng)后,輸出具有一定功率的觸發(fā)信號(hào)到晶閘管的門極,如果此時(shí)晶閘管兩端的電壓為正,則晶閘管在門極控制下導(dǎo)通。圖中D1為反向保護(hù)二極管,用于防止Q1關(guān)斷時(shí)脈沖變壓器釋放磁場儲(chǔ)能所形成反向電壓加到晶閘管的門極。R5、C2可提高抗干擾能力,降低門極輸入阻抗,C2越大,脈沖前沿陡度越差,故C2不宜太大,一般取C2=0.01 ~0.1 μF,R5=100 Ω左右。

        為了防止脈沖變壓器飽和以及縮短續(xù)流時(shí)間,續(xù)流回路中的二極管的穩(wěn)壓值應(yīng)該盡量大一些。脈沖變壓器副邊的二極管回路確保了一組正的脈沖信號(hào)輸出。該回路中脈沖變壓器具有功率放大和隔離的作用。

        圖4 晶閘管觸發(fā)回路

        2.3 接觸器控制回路

        接觸器控制回路是在軟啟動(dòng)完成以后,通過接觸器控制回路把軟啟動(dòng)器從三相工頻電源退出來,使軟啟動(dòng)器只工作在電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)和軟停車時(shí),以提高軟啟動(dòng)器的使用時(shí)間,延長它的壽命。

        接觸器控制回路一般需要較大的驅(qū)動(dòng)功率,因此采用的兩級(jí)驅(qū)動(dòng)方式,首先通過DSP的輸出驅(qū)動(dòng)繼電器,再通過繼電器驅(qū)動(dòng)三相交流接觸器。DSP 通過三極管驅(qū)動(dòng)繼電器,通過繼電器的動(dòng)作來控制交流接觸器線圈得電,從而控制通斷[15]。

        3 系統(tǒng)主程序

        主程序主要完成系統(tǒng)檢測、變量初始化、參數(shù)修改、故障診斷、系統(tǒng)保護(hù)等任務(wù),如圖5 所示。

        3.1 脈沖觸發(fā)同步信號(hào)程序

        觸發(fā)模塊與電源周期的同步在脈沖的產(chǎn)生中有著非常重要的作用。只有正確的同步信號(hào)才能保證可靠、有效的觸發(fā)晶閘管,從而保證軟啟動(dòng)的順利完成。系統(tǒng)通過中斷子程序觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通,以確保觸發(fā)與電源周期同步。中斷子程序流程圖如圖6 所示。

        3.2 限流軟啟動(dòng)控制算法

        在本系統(tǒng)中,針對(duì)電動(dòng)機(jī)在不同場合運(yùn)行所要求的參數(shù)不同,簡單的增量式數(shù)字PI調(diào)節(jié)是非常適合的控制方法,即

        圖5 主程序流程圖

        圖6 中斷子程序流程圖

        式中:un為第n次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值;un-1為第n-1 次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值;en為第n 次采樣時(shí)刻輸入的偏差值;en-1為第n -1 次采樣時(shí)刻輸入的偏差值;Ki為積分系數(shù);Kp為比例系數(shù)。

        電流計(jì)算子程序通過調(diào)用PI 子程序?qū)o定電流信號(hào)和反饋電流信號(hào)進(jìn)行PI控制算法運(yùn)算,其輸出對(duì)應(yīng)晶閘管的觸發(fā)角,電流環(huán)的兩個(gè)輸出限幅值(上限幅和下限幅)對(duì)應(yīng)晶閘管觸發(fā)角的最大值和最小值。在觸發(fā)角小于功率因數(shù)角時(shí),系統(tǒng)事實(shí)上已經(jīng)沒有調(diào)壓作用,輸出的下限幅值應(yīng)該取電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的功率因數(shù)φ 值,約為30°,輸出的上限幅值為150°[1]。

        在本系統(tǒng)中,電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的電流限幅值可以設(shè)置為1.0 ~4.0In,In可調(diào)。電流計(jì)算程序如圖7 所示,調(diào)節(jié)器的比例、積分系數(shù)選擇上要綜合動(dòng)態(tài)和靜態(tài)來合理設(shè)置限流起動(dòng)過程中的PI 參數(shù),在限流起動(dòng)時(shí),要求電動(dòng)機(jī)電流在最短的時(shí)間內(nèi),響應(yīng)到設(shè)置的最大允許電流值,并努力維持該最大允許電流值,PI 參數(shù)不能太小,否則電動(dòng)機(jī)電流的響應(yīng)太慢,甚至無法啟動(dòng)。

        圖7 電流PI程序流程圖

        4 仿真與實(shí)驗(yàn)

        為驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了系統(tǒng)仿真,如圖8 所示,主要由三相電源、脈沖發(fā)生器、晶閘管、異步電動(dòng)機(jī)、PI控制模塊、測量模塊等組成。圖9 所示為VT14 輸出觸發(fā)信號(hào)波形和電壓波形。

        圖8 Matlab仿真程序圖

        圖9 VT14輸出觸發(fā)信號(hào)波形和電壓波形

        在負(fù)載容量為PL=15 kW的條件下,電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流如圖10 所示,軟啟動(dòng)的峰值電流為30 A,直接啟動(dòng)電流為118 A,如圖11 所示,通過對(duì)比,發(fā)現(xiàn)軟啟動(dòng)電流值比直接啟動(dòng)電流值顯著降低,對(duì)電網(wǎng)的影響也相對(duì)較小。

        圖10 軟啟動(dòng)器啟動(dòng)電流及轉(zhuǎn)速波形圖

        圖11 直接啟動(dòng)電流波形圖

        根據(jù)Matlab仿真結(jié)果搭建了實(shí)物模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn),采用3 kW,額定轉(zhuǎn)速為2 900 r/min,額定電流為6 A,額定電壓為380 V的三相異步電動(dòng)機(jī)。啟動(dòng)電流由原來的6.2IN減小到1.4IN,顯著地降低了對(duì)電網(wǎng)的影響。

        5 結(jié) 語

        本文針對(duì)電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)由于啟動(dòng)電流過大引起影響電網(wǎng)波動(dòng)的現(xiàn)象,提出一種限流PI調(diào)節(jié)降壓式軟啟動(dòng)方法。通過對(duì)該方法進(jìn)行仿真得出以下結(jié)論:

        (1)啟動(dòng)電壓控制采用PI調(diào)節(jié)控制,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流,實(shí)現(xiàn)了電機(jī)平穩(wěn)軟啟動(dòng);

        (2)在相同負(fù)載下,電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生5 ~7 倍額定電流強(qiáng)度的起動(dòng)電流,而用軟啟動(dòng)方式,啟動(dòng)電流為額定電流2 倍左右;

        (3)通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本該軟啟動(dòng)能夠切實(shí)減小啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)沖擊;

        (4)仿真得出電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流由原來的7.76IN降低至2.31IN。

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