摘要 ：本文研究了三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)高轉(zhuǎn)矩軟起動(dòng)的控制方法。在理論分析與仿真的基礎(chǔ)上， 完成了以intel 16位單片機(jī)為微處理器的高轉(zhuǎn)矩軟起動(dòng)器的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)踐表明，基于高轉(zhuǎn)矩的軟起動(dòng)器能使電機(jī)以高轉(zhuǎn)矩和較小起動(dòng)電流平滑起動(dòng)。負(fù)載試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，證明了這種高轉(zhuǎn)矩軟起動(dòng)理論的正確性和有效性。 英文摘要 ：Control method of high torque softstarter for three-phase induction motor is studied in this paper.. Based on theoretical analysis and simulation technique, experiment of the high torque softstarter which has single- chip computer as mico-computer is completed. The experiment approves that the softstarter based on high torque theory can start motor smoothly with high starting torque and small starting current.The result of load test and simulation is identical that conforms the theory is correct and valid. 關(guān)鍵詞： 高轉(zhuǎn)矩 軟起動(dòng)器 單片機(jī) 1、引言 三相籠型異步電動(dòng)機(jī)因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維修方便、價(jià)格便宜以及慣性小等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。隨著各領(lǐng)域生產(chǎn)機(jī)械的不斷更新和發(fā)展，對(duì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能要求越來(lái)越高。如: （1） 要求電動(dòng)機(jī)有較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可以帶負(fù)載起動(dòng)，并且有良好的機(jī)械特性曲線; （2） 起動(dòng)電流盡可能小; （3） 起動(dòng)設(shè)備盡可能簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠、易維護(hù); （4） 起動(dòng)過(guò)程中能源消耗盡可能少。 一般三相異步鼠籠電動(dòng)機(jī)有兩種起動(dòng)方式:額定電壓下的直接起動(dòng)方式和降壓起動(dòng)方式。在降壓起動(dòng)方式中又有星-三角起動(dòng)法、自耦降壓起動(dòng)法、延邊三角形起動(dòng)法、串接飽和電抗器起動(dòng)法等。這類降壓起動(dòng)設(shè)備雖然部分緩解了大容量電機(jī)在較小容量電網(wǎng)上起動(dòng)時(shí)的矛盾，但是它們只是相對(duì)減小了大電流的沖擊并未在本質(zhì)上解決問(wèn)題。而且這些起動(dòng)設(shè)備還有一些固有的缺點(diǎn)，如對(duì)負(fù)載適應(yīng)能力差、起動(dòng)電流不連續(xù)、維修工作量大等等。另外，由于在整個(gè)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，電磁轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載的反轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)加速運(yùn)轉(zhuǎn)，在相同的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量下轉(zhuǎn)矩的差額越大，機(jī)組加速越快，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的機(jī)械起動(dòng)就較慢，對(duì)于重復(fù)起動(dòng)的生產(chǎn)機(jī)械來(lái)說(shuō)，起動(dòng)過(guò)程的時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)勞動(dòng)生產(chǎn)率的影響是很大的，因而對(duì)不同的生產(chǎn)過(guò)程，對(duì)電動(dòng)機(jī)應(yīng)有不同的起動(dòng)時(shí)間要求。 過(guò)去的起動(dòng)裝置大多采用接觸器，屬于有觸點(diǎn)系統(tǒng)，容易磨損引發(fā)故障，起動(dòng)特性不好。為了達(dá)到無(wú)觸點(diǎn)控制，獲得靈活多變的良好的起動(dòng)特性，在80年代初期鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)電子軟起動(dòng)器誕生。軟起動(dòng)控制器是一種新型節(jié)能設(shè)備，在歐美國(guó)家已得到大量的應(yīng)用。它利用晶閘管交流調(diào)壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)降壓起動(dòng)，以后又融入了功率因數(shù)控制技術(shù)，在控制裝置的研究上，正圍繞著提高起動(dòng)力矩、實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控、完善檢測(cè)和自診斷功能以及提高產(chǎn)品可靠性、改進(jìn)制造工藝、降低成本等方面努力。傳統(tǒng)的軟起動(dòng)器一般是在工頻50Hz下采取降壓起動(dòng)，或限流起動(dòng)等來(lái)抑制電機(jī)起動(dòng)時(shí)的電流沖擊，存在著起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小的問(wèn)題，無(wú)法用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載或要求重載起動(dòng)的負(fù)載[1]。本文在文獻(xiàn)[2]的仿真基礎(chǔ)上，研制出一種基于分級(jí)變頻的高轉(zhuǎn)矩軟起動(dòng)器，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明效果良好。 2、原理分析 在定子電壓下降的同時(shí)將頻率下調(diào), 將會(huì)減少電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的損失[3], 就可以解決傳統(tǒng)軟起動(dòng)器的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小的問(wèn)題。文獻(xiàn)[4]中提出的分級(jí)變頻就是使傳統(tǒng)軟起動(dòng)器輸出電壓的頻率從一個(gè)較低的值開始, 分級(jí)上升, 最后達(dá)到50Hz。分級(jí)變頻雖然可以實(shí)現(xiàn)變頻，但不能使頻率連續(xù)地變化, 只能使頻率分級(jí)變化, 而且各級(jí)頻率都是50Hz的n分之一，即50Hz的分頻, 圖1簡(jiǎn)單的展示了分級(jí)變頻的過(guò)程。 由電網(wǎng)提供的50Hz的工頻電源，可產(chǎn)生各級(jí)子頻率系統(tǒng)，工頻的ωnet與子頻率系統(tǒng)的ωsub的關(guān)系如下:ωnet＝ωsub×r （1） 由表1可知，從50Hz產(chǎn)生的三相平衡的各級(jí)子頻率系統(tǒng)有的為負(fù)序如25Hz，有的為正序如12.5Hz。因?yàn)檎蚩僧a(chǎn)生較大的正轉(zhuǎn)矩，所以對(duì)25Hz子頻率系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需要打破平衡，改變相位角，使之不平衡。重新定義子頻率系統(tǒng)的ωsub與相位角關(guān)系如下: ωsub×t -α=0 （2） 設(shè)A相相位角為0°，由式（1），式（2），可得 由式（3），式（4）可計(jì)算出各級(jí)子頻率系統(tǒng)的相位角。本文利用MATLAB/SIMULINK庫(kù)中的傅立葉模塊，計(jì)算出對(duì)r的不同取值對(duì)應(yīng)的子頻率系統(tǒng)電壓的相位角。 表2～6列出了25Hz，16.7Hz，12.5Hz，10Hz，6.25Hz時(shí)各相電壓的相位角。 以上只是部分子頻率系統(tǒng)的電壓相位角，其余的50/r算法類似，不再羅列。圖2為25Hz時(shí)的三相電源波形各相位角組合方案之一，三相都是選擇了2個(gè)連續(xù)周期的第一個(gè)周期全導(dǎo)通，不同的相位角對(duì)應(yīng)著不同的正或負(fù)導(dǎo)通半波。 要得到起動(dòng)時(shí)的最大正轉(zhuǎn)矩，須選出最優(yōu)化的組合。利用三相電路的對(duì)稱分量法對(duì)各種組合的三相電源系統(tǒng)進(jìn)行分析[5]。 3、建模及仿真 根據(jù)原理分析，對(duì)起動(dòng)過(guò)程建立模型如圖3所示。該軟起動(dòng)器有三種起動(dòng)方式。 斜坡電壓起動(dòng)方式的仿真波形如圖5所示，給出的是定子電流（有效值），轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩波形，直接起動(dòng)的波形如圖4所示，限流起動(dòng)波形如圖6所示。由圖形可知斜坡電壓起動(dòng)比直接起動(dòng)的起動(dòng)電流沖擊減小，起動(dòng)時(shí)間增長(zhǎng)，限流起動(dòng)的起動(dòng)電流沖擊更小，起動(dòng)時(shí)間也較長(zhǎng)。分級(jí)變頻如圖7所示，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，電流也限制的比較小，各個(gè)頻率的切換處有跳動(dòng)。 4、硬件設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖8所示，三相電源通過(guò)旁路接觸器與晶閘管的并聯(lián)電路和電機(jī)相連, 以80C196KC為主控MCU，接收來(lái)自同步檢測(cè)及相序判斷電路和電流檢測(cè)電路的信息，根據(jù)鍵盤電路輸入的指示決定對(duì)晶閘管門極脈沖的觸發(fā)方式，起動(dòng)完成后，合上接觸器，將反并聯(lián)晶閘管旁路。 整個(gè)控制電路包括7個(gè)部分:電源電路、電流檢測(cè)電路、電壓同步檢測(cè)和相序判定電路、觸發(fā)脈沖形成和脈沖功放電路、接觸器控制電路、顯示和鍵盤電路及單片機(jī)最小系統(tǒng)電路。 5、軟件設(shè)計(jì) 軟件部分主流程如圖9，由初始化程序、鍵處理程序、中斷處理程序3大部分構(gòu)成。 初始化程序負(fù)責(zé)對(duì)8279的初始化，開同步中斷以及相關(guān)存儲(chǔ)單元的初始化等。鍵處理程序則是根據(jù)按鍵情況修改內(nèi)存中的各個(gè)參數(shù)值和標(biāo)志位等以供中斷處理程序進(jìn)行相應(yīng)處理，并在數(shù)碼管上顯示所修改的參數(shù)值及狀態(tài)。 同步中斷處理程序和軟件定時(shí)器中斷處理程序共同完成對(duì)6個(gè)晶閘管脈沖以正確順序的觸發(fā)，起動(dòng)完畢后使接觸器閉合，以及各種故障下的處理動(dòng)作等。中斷處理程序可根據(jù)鍵盤輸入的起動(dòng)方式選擇限流起動(dòng)、斜坡電壓起動(dòng)或分級(jí)變頻起動(dòng)。 6、結(jié)束語(yǔ) 三相籠型異步電動(dòng)機(jī)因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維修方便、價(jià)格便宜以及慣性小等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。隨著各領(lǐng)域生產(chǎn)機(jī)械的不斷更新和發(fā)展，對(duì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能要求越來(lái)越高，為適應(yīng)這種需求，軟起動(dòng)器得到大量的運(yùn)用。為提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，本文采用分級(jí)變頻理論，按同步轉(zhuǎn)速由低到高分級(jí)起動(dòng)，減小起動(dòng)過(guò)程的能量損耗，克服傳統(tǒng)電子軟起動(dòng)器電磁轉(zhuǎn)矩小的缺點(diǎn)，可以使電機(jī)在全負(fù)載的情況下平滑起動(dòng)和短時(shí)運(yùn)行于低速狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果實(shí)現(xiàn)16.7Hz-25Hz-50Hz分級(jí)變頻起動(dòng). 整個(gè)裝置采用16位單片機(jī)80C196KC為控制核心，可實(shí)現(xiàn)斜坡電壓起動(dòng)，限流起動(dòng)，分級(jí)變頻三種起動(dòng)方式。這種利用分級(jí)變頻起動(dòng)的軟起動(dòng)器，比之傳統(tǒng)的軟起動(dòng)器，有效的提高了起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，尤其是在低速時(shí)。它還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)觸點(diǎn)、重量輕、體積小、起動(dòng)電流及起動(dòng)時(shí)間可控制、起動(dòng)過(guò)程平滑等優(yōu)點(diǎn)，能有效地減小電機(jī)起動(dòng)時(shí)的電流沖擊。其高轉(zhuǎn)矩起動(dòng)方式，使軟起動(dòng)器不僅僅適用于帶風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載的電機(jī)，還能用于帶額定負(fù)載起動(dòng)的電機(jī)，使得它擁有更為廣闊的應(yīng)用前景。