基于DSP的异步电动机变频起动技术

倪伟

（南通航运职业技术学院 轮机工程系，江苏南通 226010）

基于DSP的异步电动机变频起动技术

倪伟

（南通航运职业技术学院 轮机工程系，江苏南通 226010）

异步电动机在船舶辅机中得到广泛应用，但异步电动机直接起动过程中存在起动电流大、起动转矩低的缺陷。针对异步电动机直接起动存在的缺陷，设计基于DSP的变频起动装置和编写调试软件，进行异步电动机变频起动。结果表明，基于DSP的异步电动机变频起动技术具有重要的应用价值。

DSP；异步电动机；变频起动；船舶辅机

0 引 言

异步电动机尤其是鼠笼式异步电动机因其结构简单坚固，环境适应性强，在船舶辅机中得到广泛应用。异步电动机虽然起动较同步电动机更容易，但起动期间的瞬时电流较大，尤其当异步电动机的容量较大时带来的影响更加不能忽略。而船舶辅机中的异步电动机一般容量都较大且数量较多，起动时对船舶电网尤其是船舶电子设备影响更大。基于DSP可设计一种变频起动技术来克服异步电动机起动对船舶电网造成的影响，该变频起动技术不但适用于异步电动机，也适用于同步电动机，具备一定的广泛性[1-2]。

1 异步电动机常用起动技术

异步电动机因其转子转速与同步转速存在转差而得名，正因为转差的存在使得异步电动机起动较同步电动机更加容易，但在启动瞬间而转子还未开始转动时，起动电流较大，当转子带有较重负载起动时，这种情况更加严重，异步电动机全压起动时情况最为恶劣。

基于M ATLAB进行异步电动机全压起动仿真实验，其定子电流仿真波形[3]如图1所示。

图1 异步电动机全压起动定子电流仿真波形

仿真结果表明，单台异步电动机全压启动时最大瞬时电流达到约100A，当船舶辅机中的同等容量异步电动机同时起动时，船舶电网的瞬时电流很大，极大影响了船舶电网的安全运行。

异步电动机常用的起动方法有在转子回路中串入附加电阻，但此种技术仅适用于绕线式异步电动机。鼠笼式异步电动机主要采用深槽式和双鼠笼式设计来满足起动要求，但对船舶辅机中的大容量异步电动机并不适用。对于大容量异步电动机可采用降压起动的方式，主要方法有自耦变压器起动、星—三角型起动和延边三角形换接开关降压起动。上述三种起动方法都是异步电动机常用的起动方法，但在船舶辅机的应用场合并不实用。考虑到船舶尤其远洋船舶工作环境较为恶劣，盐雾对机械部件的腐蚀较为严重，以及对星—三角型起动中所需要的大容量接触器的触点危害较大等，都会增加船舶辅机的维护成本。由电机学原理可知，采用恒压频比控制可以充分利用电机铁芯，保持主磁通不变，发挥电动机产生转矩的能力。异步电动机变频起动定子电流仿真波形如图2所示。

图2 异步电动机变频起动定子电流仿真波形

仿真结果表明，异步电动机采用变频起动时，定子启动电流大大降低，减小了电网的瞬时冲击电流，满足了大容量异步电动机无触点开关、起动过程应平稳和重载起动、频繁起动等特殊情况，降低了船舶辅机的维护成本。

2 基于DSP的异步电动机变频起动技术原理

在变频起动过程中，必须满足输入电压的频率与幅值保持一致才能保证电机主磁场不至于饱和而导致电机故障。采用模拟电路实现频率与幅值一致虽然可以实现，但电路构成复杂，对于不同容量的异步电动机参数调试与整定周期较长，且可靠性差。设计基于DS P技术的大容量异步电动机变频起动电路，在此基础上提出一种变频起动控制算法并开发参数调试与整定软件，协助所设计的变频起动装置进行参数整定，能够满足船舶辅机中的异步电动机恒压频比控制要求，实现异步电动机的变频起动。异步电动机变频起动电路原理如图3所示。

其中，变频起动功率电路采用三相桥式整流与逆变电路，将船舶三相电网的交流电整流成直流电，再将直流电进行逆变供电机进行起动。异步电动机变频起动主电路原理如图4所示。

图3 异步电动机变频起动电路原理

图4 异步电动机变频起动主电路原理

控制信号采用数字信号脉宽调制技术（DPW M），由DSP控制器产生控制信号驱动逆变电路进行功率放大，最终实现异步电路的变频起动。异步电动机变频起动控制电路原理如图5所示。

图5 异步电动机变频起动控制电路原理

变频起动电路参数整定曲线主要为起动电压—频率曲线，合理设置起动电压—频率曲线能够使不同容量的异步电动机共用同一套控制算法，从而使这种变频起动技术具有普遍适用性。异步电动机变频起动电压—频率整定曲线如图6所示。

图6 异步电动机变频起动电压—频率整定曲线

考虑到船舶辅机中大容量异步电动机的工作环境较为恶劣，温度变化范围较大且有可能带重载起动，必须考虑其变频起动过程中出现的电机过流情况。通常设计异步电动机时将起动瞬时电流设置为额定工作电流的3~5倍，在重载起动时瞬时电流有可能突破电机启动瞬时电流设置。因此，必须设计一种重载起动时的软件控制算法，通过检测判断起动时的电机定子电流实现重载条件下的安全起动。异步电动机重载起动软件流程如图7所示。

图7 异步电动机重载起动软件流程

3 异步电动机变频起动装置的设计与调试软件的实现

异步电动机变频起动装置的硬件设计分为功率变换电路与控制电路，功率变换电路与控制电路采用数字隔离器进行控制信号传输，控制电路所需的电压、电流等电气参数信息采用霍尔传感器进行变送，实现电气信号的转换与隔离[4]。异步电动机变频起动装置的设计采用西门康公司（SEM I KRON）的集成功率模块构成功率变换电路，霍尔传感器采用Al l egr o公司的ACS系列，光电耦合器采用ADI公司的ADuM 1200数字隔离器，主电路原理如图8所示；异步电动机控制电路采用f reescal e公司的56F8037作为控制芯片，控制电路原理如图9所示；采用Vi sual Basi c 6.0作为调试软件的开发环境[5]，采用RS422/485串行通信协议，通信电路原理如图10所示。

上位机调试软件主要完成的功能为状态检测与控制、参数整定值的设置、故障诊断与数据记录。船舶辅机变频起动调试软件界面流程如图11～图12所示。

图8 异步电动机变频起动装置主电路原理

图9 异步电动机控制电路原理

图10 异步电动机串行通信电路原理

图11 船舶辅机变频起动调试软件界面

4 结束语

船舶辅机中大容量异步电动机的变频起动技术是一种新颖的起动技术，与传统的启动方法相比，具有启动电流小、开关无触点、使用寿命长等优点，比较适合重载、频繁启动的场合。正是基于这种考虑，设计一种交—直—交变频启动电路，并基于DSP对变频起动装置编写控制代码，实现变频起动装置的数字化控制；基于Vi sual Basi c 6.0和串行通信技术编写上位机调试软件，便于变频起动装置的调试和参数整定，完善异步电动机变频起动要求。以某轮空调装置的变频起动技术改造实验为例，总功率为50Kw，船舶电网电压为450V/60Hz，直接起动时定子电流瞬时峰值达到240A，导致负载处电压跌落约10V，采用该装置后定子电流最大值为45A，负载处电压基本未跌落。实验结果验证了理论分析的正确性以及装置的可行性，说明变频起动在船舶辅机中具有重要应用价值。

图12 船舶辅机变频起动调试软件流程

[1]陈坚.电力电子学——电力电子变换和控制技术[M].北京:高等教育出版社，2002:109-113.

[2]章云，谢萍莉，熊红艳.DSP控制器及其应用[M].北京:机械工业出版社，2001:35-65.

[3]谢小竹，彭彬.M ATLAB电力系统设计与分析[M].北京:国防工业出版社，2004:122-130.

[4]倚鹏.高压大功率变频器技术原理与应用[M].北京:人民邮电出版社，2008:217-221.

[5]范逸之.Vi sual Basi c与RS232串行通讯控制[M].北京:中国青年出版社，2000:58-106.

Variable Frequency Start Technology of Asynchronous Motor on the Basis of DSP

NI Wei
（Turbine Engineering Department, Nantong Shipping College, Nantong, 226010, China）

The asynchronous motor is widely applied in shipping accessory machine, but the asynchronous motor, in the starting process, has the problems of being big current and low torque. In terms of this, a variable frequency start device and a writing and debugging software based on DSP was designed to conduct the variable frequency start of asynchronous motor. It is showed that the variable frequency start based on DSP is of great application value.

DSP; Asynchronous motor; Variable frequency start; Shipping accessory machine

TM 343

A

1671-4326（2011）04-0066-04

2011-06-02

倪伟（1973—），男，江苏南通人，南通航运职业技术学院轮机工程系助教，远洋二管轮，电机员.

乔维德]