基于功率因數(shù)閉環(huán)控制的異步電動機軟起動器的研究

1、基于功率因數(shù)閉環(huán)控制的異步電動機軟起動器的研究孫立偉，孫 力（哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程系 哈爾濱 150001）摘要： 異步電動機起動電流過大將對電網(wǎng)造成很大的沖擊，本文在分析異步電動機功率因數(shù)角特性的基礎(chǔ)上，以電機的功率因數(shù)角作為系統(tǒng)的反饋量進(jìn)行閉環(huán)控制，避免了在電機起動過程中，由于電機端口輸入電壓的變化引起的電磁轉(zhuǎn)矩振蕩及電流振蕩，保障了電機電壓按預(yù)期的規(guī)律進(jìn)行調(diào)節(jié)。實驗結(jié)果證明了該方法的有效性。關(guān)鍵詞：異步電動機；軟起動器；功率因數(shù)；閉環(huán)控制；節(jié)能 soft-starter of asynchronous motor based on power factor closed-loop co

2、ntrolsun liwei, sun li( dept. of electrical engineering, harbin institute of technology, harbin 150001)abstract: the large starting current of asynchronous motor may bring about great impact to electric network. according to the analysis of power factor characteristic in asynchronous motors, this pa

3、per brings forward a closed-loop control method using the power factor angle as the feedback variable of the system, avoiding the vibration of electromagnetic torsion and currents by variation of input-voltage during the starting process of motors. the above strategy ensures the voltage regulation a

4、ccording to the expected rules. the experiment results prove the availability of the method.keywords: asynchronous motors; soft-starter; power factor; closed-loop control; energy-saving國家自然科學(xué)基金 054770090 引 言一般情況下，三相異步電動機的起動電流比較大，而起動轉(zhuǎn)矩并不大。過大的起動電流會使電網(wǎng)電壓下降，影響其他用電設(shè)備的正常運行，甚至使自身無法起動。這時就必須采取措施來降低起動電流，常用的辦法

5、是降壓起動1。而傳統(tǒng)的降壓起動方法，如星/角起動、定子串電阻或電抗起動、自耦變壓器降壓起動等，它們都是一級降壓起動，起動過程中電流有兩次沖擊，其幅值雖比直接起動電流低，但起動過程時間較長，且都無法對電機的起動電壓進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，因而導(dǎo)致電機起動時仍然存在較大的沖擊電流2。本文詳細(xì)分析了異步電動機起動和運行過程中的功率因數(shù)角特性，以電機功率因數(shù)角作為系統(tǒng)的一個反饋量，對功率因數(shù)角進(jìn)行閉環(huán)控制，在保證較大起動轉(zhuǎn)矩的條件下，有效地降低了電機的起動電流1。系統(tǒng)中通過監(jiān)測電機功率因數(shù)角，借助模糊控制方法實時修正晶閘管的觸發(fā)角，避免了在電機起動過程中，由于電機端口輸入電壓的變化引起的電磁轉(zhuǎn)矩振蕩及電流振蕩，

6、保障了電機電壓按預(yù)期的規(guī)律進(jìn)行調(diào)節(jié)。另外，電機功率因數(shù)角信息的獲得，為電機的輕載節(jié)能運行提供了可靠依據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計簡單、可靠，實驗證明該方法的有效性，并具有良好的動態(tài)響應(yīng)性能和魯棒性。1異步電動機功率因數(shù)角特性分析1.1運行過程中的功率因數(shù)角特性 三相異步電動機可用如圖1所示的t型電路進(jìn)行等效。圖1三相異步電動t型等效電路fig.1 t-type equivalent circuit of asynchronous motor電機的功率因數(shù)角值等于任意一相的相電流與相電壓的相位差，還等于電機一相的阻抗角。電機一相的阻抗z可表示為： (1)在供電頻率不變的情況下，電機的同步轉(zhuǎn)速ns是常量，電機轉(zhuǎn)速

7、n與同步轉(zhuǎn)速ns的關(guān)系為： (2)根據(jù)式（1）和（2），可知功率因數(shù)角與電機轉(zhuǎn)速n存在如下關(guān)系： (3)當(dāng)已知電機參數(shù)時，可得=f(n)的關(guān)系曲線，如圖2所示：圖2 功率因數(shù)角與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線fig2 the curve of relationship of pf angle and speed從上圖可見，在電機起動的過程中，隨著轉(zhuǎn)速的增加功率因數(shù)角有較大的變化，如上圖中曲線b段所示。功率因數(shù)角隨轉(zhuǎn)速增大而減小。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時，功率因數(shù)角達(dá)到最小值。若電機達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，電機運行于輕載或空載狀態(tài)，則轉(zhuǎn)速會進(jìn)一步增加，如上圖中a段曲線所示，此時功率因數(shù)角增大。1.2軟起動過程中的功率因數(shù)角

8、特性異步電動機的軟起動器是一種電子式調(diào)壓設(shè)備，即通過連續(xù)控制電壓值進(jìn)行各種起動、運行控制的，這就要求軟起動器可以根據(jù)實際的工作狀態(tài)，通過一定的控制策略連續(xù)、相對平穩(wěn)的進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。由于電機是一個典型的感性負(fù)載，對電流有明顯的續(xù)流現(xiàn)象，因此對電機這樣的感性負(fù)載實現(xiàn)電壓控制相對于阻性負(fù)載復(fù)雜的多3。由于電機在軟起動過程中獲得的輸入電壓是一種斬波形式的非正弦電壓，其電壓、電流波形相對復(fù)雜。軟起動過程中的電流波形如圖3中曲線i所示。圖中為功率器件的觸發(fā)延遲角，為可測功率因數(shù)角，為電流斷續(xù)角。曲線u為電源輸入相電壓，曲線i為電機定子側(cè)相電流4。圖3 軟起過程中電機定子電流fig.3 the soft s

9、tarting current of stator of motor上圖中為可測功率因數(shù)角，也即是電機續(xù)流角，表明了電機對電流的續(xù)流情況。通過控制功率器件的觸發(fā)延遲角來改變電流斷續(xù)角的量值，也就相當(dāng)于控制了電機定子側(cè)的電壓值。由上圖可得如下關(guān)系式：=- (4)2 異步電動機功率因數(shù)角閉環(huán)軟起動器設(shè)計2.1軟起動器的整體設(shè)計 圖4為異步電動機功率因數(shù)角閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理框圖。對于scr觸發(fā)角的控制大體上包括兩個部分：（1）按預(yù)先設(shè)定的觸發(fā)規(guī)律進(jìn)行scr觸發(fā)角的調(diào)節(jié)，即圖中的預(yù)設(shè)觸發(fā)角n；（2）按功率因數(shù)角變化而變化的scr觸發(fā)角的增量n。兩部分加和即得實際的scr觸發(fā)角n（其下標(biāo)代表第n次調(diào)節(jié)量

10、）。圖4 功率因數(shù)角閉環(huán)控制原理框圖fig.4 the theory chart of closed-loop power factor control在功率因數(shù)角閉環(huán)控制方法中，根據(jù)功率因數(shù)角的變化量n計算scr觸發(fā)角的增量n是本控制方法的關(guān)鍵。由于軟起動器所帶的電機參數(shù)、功率等級，電機工作狀態(tài)，電機負(fù)載的類型的差異要求控制策略適應(yīng)不同的工況，具有負(fù)載類型的不敏感性，因此，本文采用模糊控制算法進(jìn)行n的計算，取得了較好的控制特性。2.2系統(tǒng)控制單元設(shè)計控制單元由80c196kc單片機及其外圍電路構(gòu)成。負(fù)責(zé)信號的檢測、處理和系統(tǒng)控制。其特點是不僅運行速度快，而且有針對于電機控制的6個hso, 因

11、此保證了軟起動器軟硬件設(shè)計的簡潔、高效、廉價。控制單元的工作原理如圖5所示。圖5控制單元的工作原理框圖fig.5 the theory frame diagram of control unit 來自三相供電電源的電壓信號經(jīng)過同步脈沖信號電路后，形成每個電壓周期6個脈沖（300hz）的三相電壓同步脈沖序列，進(jìn)入hsi0口，作為scr觸發(fā)的時鐘基準(zhǔn)；同時電源各相電壓方波整形信號進(jìn)入p1.0p1.2，以備進(jìn)行軟件的缺相、斷相保護(hù)之用。電壓、電流經(jīng)絕對值及濾波電路進(jìn)入mcu的a/d轉(zhuǎn)換器，可對電壓、電流進(jìn)行信號的采樣及處理。同時電流信號經(jīng)絕對值及方波整形進(jìn)入hsi1，用來檢測電流斷續(xù)角，以求出可測功

12、率因數(shù)角。保護(hù)電路將電流、電壓信號濾波后與參考量進(jìn)行比較，當(dāng)電流、電壓幅值過高是阻斷觸發(fā)通路，并向mcu外部中斷exint發(fā)出信號進(jìn)行中斷處理。2.3系統(tǒng)軟件的設(shè)計系統(tǒng)的主程序流程如圖6所示。在主程序中首先檢測三相電源輸入是否存在斷相、相序錯誤的問題。若無故障，進(jìn)入系統(tǒng)起動控制。并于系統(tǒng)閉環(huán)控制期間不斷檢測系統(tǒng)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)故障停機處理，并發(fā)送停機信號進(jìn)行報警。圖6主程序原理框圖fig.6 the flow chart of main program3實驗結(jié)果圖7為晶閘管壓降信號波形，圖8為晶閘管的觸發(fā)脈沖信號波形，圖9 線電壓的斬波輸入信號波形，圖10為功率因數(shù)角閉環(huán)控制的情況下，軟起動過程中電

13、機電流的變化過程，可以看出，在電機起動初期，電流較大，電機轉(zhuǎn)速在逐漸上升，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值時，電流達(dá)到最小值，在起動過程中，電流變化平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，軟起動時的起動電流是其穩(wěn)定運行電流時的23倍。圖11為軟起動過程中的轉(zhuǎn)速波形，動態(tài)過程無明顯波動，運行平穩(wěn)。 圖7 晶閘管壓降信號 fig.7 the reduced-voltage signal of thyristor 圖8 晶閘管觸發(fā)脈沖信號 fig.8 the firing pulse signal of thyristor 圖9 線電壓斬波輸入信號fig.9 the input signal of line voltage 圖 1

14、0軟起動過程中的相電流包洛線波形 fig.10 the envelope of phase current during soft starting圖 11軟起動過程中電機轉(zhuǎn)速波形fig. 11 the curve of speed during soft starting4 結(jié) 論本文設(shè)計了以功率因數(shù)角為反饋控制量的三相異步電動機軟起動控制系統(tǒng)，通過監(jiān)測功率因數(shù)角的變化，實時修正晶閘管的觸發(fā)角，避免在電機起動過程中，由于電機端口輸入電壓的變化引起的電磁轉(zhuǎn)矩振蕩及電流振蕩，能夠保障電機電壓按預(yù)期的規(guī)律進(jìn)行調(diào)節(jié)。另外，電機功率因數(shù)角信息的獲得，為電機的輕載節(jié)能運行提供了依據(jù)。參考文獻(xiàn)1 lara

15、bee, john. induction motor starting methods and issuesj. ieee industry applications society 52nd annual petroleum and chemical industry conference, 2005, p 217-2222 徐甫榮,崔力. 交流異步電機軟起動及優(yōu)化節(jié)能控制技術(shù)研究j.電氣傳動自動化,2003,25(1): 17.3 liu, jinqi ,a study on saving energy technology with regulating voltage of induction motor during light loadsj. ipemc , 2004, p 409-4134 m. g. solveson, soft started induction motor modeling and heating issues for different starting profiles using a flux linkage abc-frame of re