感应电机智能软启动控制器的设计

2011-05-08常继彬

铁路计算机应用 2011年3期

林辉，常继彬

（1. 西安铁路职业技术学院电气工程系，西安 7 10014；2. 重庆科技学院电子信息工程学院，重庆 401331）

感应电机具有结构简单、制造方便、运行可靠、坚固耐用、价格低廉、很少需要维护及可工作于恶劣环境等优点，在工业生产中被广泛应用。感应电机直接启动时的电流会高达额定电流的5~8倍，产生的电流冲击，会对电机及其所拖动的设备造成电气和机械冲击，造成电网电压的瞬间下降，影响其他电气设备的正常运行[1]。随着电机控制技术的发展，国内外相继开发出一些电机启动控制设备，能够满足大多数负载的启动要求。但感应电机所带负载往往处于变化状态，在空载或轻载状态下运行时，产生电机功率因数减小、效率降低、电能浪费等较严重后果，电机启动控制并没有达到最优，存在着较大的节能空间。感应电机智能软启动控制器就是基于节能需要而设计的。

1 智能软启动控制器工作原理及硬件结构

1.1 工作原理

感应电机智能软启动控制器是将电力电子、计算机控制与自动控制的技术相结合，主回路采用3组反并联晶闸管接于供电电源，与被控感应电机之间进行自动调压。启动时，电子电路产生触发脉冲控制晶闸管的导通角，使感应电机的端电压逐渐增大，直至全压，既减小了电机启动电流的冲击，又不影响电机的启动转矩，实现电机软启动。停机时，则通过控制晶闸管的关断速度，使感应电机的端电压由全压逐渐下降为零，实现软停车。感应电机智能软启动控制器不仅具有优良的启动性能，还具有过流、过压、欠压、缺相等完善的保护功能[2]。

1.2 硬件结构和功能

控制器主电路设计如图1。控制器通过对感应电机的相电压、相电流的过零点进行检测，计算出功率因数角，经过单片机的分析处理，输出触发脉冲，控制双向晶闸管的导通角，达到无冲击启动和节能的目的。

控制器主电路各部分主要功能[3]：

（1）晶闸管：感应电机每相电路都由2只反并联晶闸管构成，并含有阻容吸收保护电路。

（2）电压检测：将三相电源电压经过变送后，输入A/D转换器、单片机，经单片机处理后作为故障诊断、过压及欠压保护、电压显示等的参照依据；将三相电源的正弦电压信号变换为方波信号，作为触发晶闸管的同步信号与相位信号。

（3）电流检测：通过电流互感器检测感应电机的电流，并将电流信号输入单片机，作为过流保护、电流显示等的参照依据，同时检测判断电流的相位。

（4）功率因数角检测电路：当晶闸管截止时，没有电流经过（电流为零），因此晶闸管截止时刻与电源电压，即同步信号过零时刻间的相位差代表着感应电机的续流角度，检测这个相位差就可测得功率因数角，再由单片机经过计算转换成对应的触发控制角。

（5）80C196MC单片机：是整个系统的核心控制单元，负责信号检测、实时计算，输出控制、串行通信和键盘显示器驱动。

（6）键盘和显示器：可设定和修改启动、停机方式和启动电流、过载电流、最高电压和最低电压等参数，显示器可显示预置参数和电动机工况。

（7）触发驱动电路：利用80C196MC单片机集成的波形发生器（WFG）输出三路独立的PWM方波，经过变换后与各相经三角变换后的同步信号波形比较产生触发脉冲，WFG运行中只要CPU在改变PWM占空比时加以干预，就能减轻CPU的运算负担，提高系统的实时性，从而实现更为准确的启动控制。

1.3 节能原理

运行时，转子电流增加的数值有限。同时由于电机电压的降低，使电机空载电流和铁损大幅度减少。在这种情况下，感应电机的总损耗就可降低，定子温升、运行效率和功率因数同时得到改善。由此可见，感应电机的运行经济性与电动机负载率同电机工作电压是否合理匹配关系密切。感应电机的运行效率和功率因数与其端电压存在如下的数学关系[4]：

在空载或轻载运行时，感应电机的实际转差率大大小于额定值，转子电流并不大，当电机降压

上式中，当感应电机额定运行和降压运行时，SN和S为转差率，cosöN和cosö为功率因数，ηN和η为效率，KU为调压系数，KU=U/UN（U和UN为电压）。因为感应电机为感性负载，当电压过零后尚需一定的延迟角电流才过零，其夹角即为功率因数角ö。通过功率因数角闭环控制，使得感应电机在不同负载下运行时，自动调节感应电机的电压以改善其运行效率。可见，智能软启动控制器对功率因数角检测的准确性是保证调压节能效果的关键[5]。通过判断功率因数角的大小，进而改变晶闸管的触发角的大小，实现电机电压的自动调节。当感应电机的转差率为某定值时处于最佳效率，其值是由电机的结构参数所决定；在不同的外加电压下，最佳效率点处的功率因数几乎相同。在感应电机启动过程中，电压连续调节是智能软启动控制器调压的优点，功率因数变化会非常大。电机端电压取决于晶闸管的导通角，它与触发角和功率因数角有关。并不是所有的降压都能达到节能的目的，只有当电压降低程度大于转差率及功率因数上升程度时，才能使电机的运行效率得到提高。如果晶闸管触发角的调节没有及时跟上功率因数角的变化，就有可能导致电机电磁转矩的震荡。因此必须及时检测电机功率因数角的变化，使晶闸管触发角自动跟随功率因数角的变化来进行调节[6]，把功率因数作为反馈量对电机进行控制，智能软启动控制器控制主回路的功率因数闭环控制系统如图2。

从图2可以看出，通过检测电流、电压过零点计算出功率因数并和给定功率因数进行比较，组成功率因数的闭环控制系统，实现功率因数的无差控制，使系统的功率因数保持不变,实现功率因数的校正，达到无冲击启动和节能的目的。

图2 功率因数闭环控制系统图

2 软件设计

80C196MC是为电机高速控制所设计的一款16位单片机，指令系统执行速度快，编程效率高，很适合于实时控制方面的应用[7]。控制系统的基本功能是：接受软启动、软停车指令，按照设定的电流或电压曲线给出触发脉冲，同时监视各重要部件工作状态，具有友好的人机交互界面，并能对相关过程，特别是对故障进行记录。智能软启动控制器的理想状况是在调节过程中具有自学习和自适应功能，达到智能化的控制目标。

智能软启动控制器是按照预先设置的控制模式进行降压起动，常见的软启动模式有：电压斜坡启动、转矩加突跳控制启动、电压控制启动和限流启动等。每种启动模式都有其优点及适用场合。通常停车模式有3种:自由停车，软停车和制动停车。

系统的软件设计是整个控制系统功能实现的关键，主要完成初始化子程序、软启动程序、电压电流检测程序、功率因数检测程序、触发子程序、故障中断子程序、处理采样结果和显示等功能。软启动程序根据设定的启动时间，控制晶闸管的导通角，使感应电机的端电压逐渐升高，避免启动电流过大而造成过大的损耗。检测电压电流过零点程序是把采样数据分析处理并与设定值进行比较，根据比较结果输出相应的触发脉冲，控制晶闸管的导通角，实现了系统电压的自控调节，达到了功率因数闭环控制的目的[8]。为了避免系统的过度频繁调节，在程序中设定误差只要小于一定的常数值就不再调节。软件设计流程如图3。

3 仿真试验

根据上述设计方案，进行了仿真和试验，被控对象为感应电机，额定功率为2.2 kW，额定电压380 V，额定电流4.8 A，额定转速1440r/min。图4为电机直接启动的电流曲线，启动电流冲击较大。图5为采用功率因数闭环制方案时的启动电流、电压波形，电流基本无冲击，电压上升平稳，控制效果比较理想。电机软启动过程中，触发角的变化能很好地控制了感应电机电压的变化，启动效果达到了设计要求。智能软启动控制器的降压节能效果对比：表1为空载降压对电机功率因数的影响。