电动机软起动器的应用

电动机软起动器的应用（共8篇）

电动机软起动器的应用 篇1

0引言

三相异步电机由于结构简单、控制维护方便、性能稳定、效率高等优点而被广泛地应用于各种机械设备的拖动中。因其直接起动时产生的冲击电流对电网及其负载造成冲击, 同时由于起动应力较大, 使负载设备的使用寿命降低, 因此常采用降压起动方式来减少影响。但是, 传统的降压起动方式, 如星三角起动、自耦变压器起动等, 要么起动电流和机械冲击过大, 要么体积庞大笨重、损耗大, 要么起动力矩小、维修率高等等, 都不尽人意。随着电子技术的发展, 使用软起动器可以无冲击而平滑地起动电动机, 而且可根据电动机负载的特性来调节起动过程中的参数达到最佳的起停状态, 从而延长机械设备的使用寿命, 减少设备的维修量, 提高经济效益。

1软起动的基本原理

软起动是指运用串接于电源与被控电机之间的软起动器, 控制其内部晶闸管的导通角, 使电机输入电压从零以预设函数关系逐渐上升, 直至起动结束, 赋予电机全电压的起动方法。软起动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置, 它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联晶闸管及其电子控制电路, 通过运用不同的方法, 控制三相反向并联晶闸管的导通角, 使被控电动机的输入电压按不同的要求而变化, 就可实现不同的功能。如图 (一) 所示。

目前使用的软起动器, 基本上是以单片机作为中央控制控制核心来完成测量及各种控制算法, 用程序软件自动控制整个起动过程。它通过单片机及相应的数字电路控制晶闸管触发脉冲的迟早来改变触发角的大小, 从而改变晶闸管的导通时间, 最终改变加到电动机三相绕组的电压大小。由于电动机转矩近似与定子电压的平方成正比, 电流又和定子电压成正比。这样, 电动机的起动转矩和起动电流的限制可以通过定子电压的控制来实现, 而定子电压又是通过可控硅的导通相角来控制的, 所以不同的初始相角可实现不同的端电压, 电动机的起动转矩和起动电流的最大值可根据负载而设定, 以满足不同的负载起动要求。电动机起动过程中, 晶闸管的导通角逐渐增大, 晶闸管的输出电压也逐渐增加, 电动机从零开始加速, 直到晶闸管全导通, 从而实现电动机的无级平滑起动, 并使电动机工作在额定电压的机械特性上。

2软起动器运行特点

2.1软起动常用的几种起动方式:

2.1.1限流起动电动机起动时, 软起动器输出电压从零迅速增加, 直到输出电流上升到设定的限流值Iq, 在输出电流不大于Iq下, 电压逐渐上升, 电机加速, 直到起动完成。如图 (二) 所示, Iq可调, Ie为电机额定电流。此方式的优点是起动电流小, 且可按需要调整, 对电网影响小。缺点是在起动时难以知道起动压降, 不能充分利用压降空间;损失起动力矩, 起动时间相对较长, 对电动机不利。

2.1.2电压斜坡起动指输出电压按预先设定的斜坡线性上升, 即电压由小到大斜坡线性上升, 它是将传统的降压起动从有级变成了无级。主要用在重载起动, 它的缺点是初始转矩小, 转矩特性抛物线型上升对拖动系统不利, 且起动时间长对电动机不利。如图 (三) 所示。

2.1.3突跳控制起动也是用在重载起动, 不同的是在起动的瞬间用突跳转矩克服电机静转矩, 然后转矩平滑上升, 缩短起动时间。。但是, 突跳会给电网发送尖脉冲, 干扰其它负荷, 应用时要特别注意。如图 (四) 所示。

2.1.4电压控制起动用在轻载起动的场合, 在保证起动压降下发挥电动机的最大起动转矩, 尽可能的缩短了起动时间, 是最优的轻载软起动方式。

2.2软起动常用停机方式

2.2.1自由停车传统的控制方式都是通过瞬间停电完成的, 即惯性停车 (断电自停) 。

2.2.2软停车如图 (五) 所示, 在停车信号发出后, 软起动器输出电压从额定电压Ue迅速降到跌落电压Usd, 再按所设定的时间降到起始电压Ui, 软起动器停止输出。这种停车方式可以消除由于自由停车带来的拖动系统反惯性冲击, 如皮带运输机、升降机等许多负荷并不宜突然停机, 高层建筑的水泵系统也因自由停车, 而产生巨大的“水锤”效应, 使管道、水泵损坏。软停车功能正好能满足此要求。晶闸管在收到软停机信号后, 导通角渐减, 经一定时间才过渡到全关, 即电动机端电压渐减至零, 停车时间可按实际需要设定。

2.3软起动器的优点

对于大功率异步电动机而言, 软起动比硬起动 (即直接起动) 和传统降压起动具有以下主要优点:制动停车。向电机输入直流电流, 从而加快制动, 制动时间可调, 主要用于惯性力矩大的负载或需快速停机的场合, 在一定的场合代替了反接制动停车。

2.4接触器旁路工作

软起动器有在线型和旁路型。在线型是指起动完毕, 不需要触器旁路, 一直带电工作的工作方式, 晶闸管长期在线运行功耗太大造成能源浪费、给电网带来高次谐波污染等。旁路型是为了延长使用寿命, 使电网避免谐波污染, 减少软起动器中的晶闸管发热损耗, 在电动机达到满速运行时用旁路接触器取代已完成起动任务的软起动器。旁路型电路复杂化, 系统可靠性降低。 (1) 减少起动过程引起的电网电压降使之不影响同一供电网其它电气设备的正常运行; (2) 对电动机提供平滑的起动过程, 降低电机起动过程中线路的冲击电流, 减少电动机 (传动机械) 的冲击电流及对电网和配电系统的冲击, 延长电动机 (传动机械) 使用寿命; (3) 减少电磁干扰:硬起动产生的冲击电流会以电磁波的形式干扰电气仪表的正常运行; (4) 具有多台电动机控制功能, 用一台起动器控制多台电动机的起动, 起动电流、起动时间可分别设置;多种起动模式:电压斜坡起动、限流起动、脉冲突跳起动, 具有软停车功能; (5) 具有完善的保护功能:过载保护、断相保护、过压和欠压保护等。

3软起动器的控制接线 (以英杰电气有限公司的KRQS系列为例)

3.1 KRQS110/P型软起动器基本接线示意图 (见图六) :

3.2 KRQS110/P型软起动器基本接线原理图 (见图七) :

4软起动器的选用及注意事项

软起动器应用领域可以涵盖工农业生产中的异步电动机传动设备, 原则上凡不需要调速的各种应用场合都可适用, 特别适用于各种泵类负载或风机类负载, 需要软起动与软停车的场合。目前多用在交流380V、电机功率从5.5千瓦到800kW的场合 (国外产品电压达6～10KV、功率5000KW) , 是传统启动方式理想的更新换代产品。在选用软起动器时, 除了进行技术、性能、价格比较外, 还要考虑设备现场的电网容量、设备启动负荷轻重、启动频繁程度等使用条件。对于水泵类启动负载较轻的设备, 可选择功能简单、价格较低、操作方便的软启动器。对于大型风机、破碎机等启动负荷比较重的设备, 应该选用启动功能比较多、有限流启动功能、自身保护比较齐全的软启动器。尤其功率比较大的设备, 最好选用启动功能比较全的高性能软启动器。在频繁工作的场所要按电动机的起动电流选取, 因为软启动器生产厂家一般选取的可控硅电流是电动机额电流的2.5倍, 限制最大电动机启动电流是额定电流的4.5倍, 在不频繁操作下充分利用可控硅短时过载能力。所以在频繁启动的条件下, 应加大选取软启动器的容量, 根据频繁度的不同按1.2～1.5倍选取即可。

5结束语

三相异步电动机的软起动方式很多。随着技术进步的加速, 各种新的软起动控制方式也脱颖而出, 比较各种软起动方式的优缺点, 可从中选择出适合特定应用场合的最佳软起动方案。

参考文献

[1]四川英杰电气有限公司.KRQS系列全数字交流电动机软起动器用户手册[S].

[2]任致程.电动机电子保护器与软起动器应用指南、机械工业出版社.

电动机软起动器的应用 篇2

传统的大中型电动机控制装置采用的是接触器、磁力启动器直接启停方式，缺点是控制方式简单、不灵活，对系统冲击较大且控制元件易损坏，维护工作量大。

随着计算机控制技术的日趋成熟，近年来一种以计算机为核心，采用双向可控硅为主控回路的智能化新型控制器“软启动器”已普遍应用于该领域，它以控制方式灵活简便，对系统冲击小且控制元件不易损坏以及维护方便等诸多优点正逐步取代传统的控制装置。当然新产品应用总会暴露出一些不足，本文以丹江口电厂使用的软启动器为基础，对其在3年中的运行情况及暴露出的问题进行探讨，从生产角度提出几点改进建议使其控制功能更加完善，供生产厂家及同行们参考。软启动器的功能及特点

1．1应用情况

丹江电厂20m3空压机系统是机组调相、检修和其它用气设备的气源，由2台空压机和4个储气罐构成，工作气压为0．6～0．8MPa，空压机的电机容量为132kW，额定电流272A。2套独立的控制系统各控制1台空压机，运行已20多年，设备老化严重，故障率高。受当时科技水平的限制，逻辑控制回路由继电器构成，启动方式为传统的频敏电阻降压方式，启动电机执行元件是接触器。控制系统接线复杂，故障点多，对电机保护功能不全，启动电流大，对厂用电有较大的冲击，不利于其它设备的稳定运行。1997年初对该系统改造时，应用了软启动器。新控制系统解决了原控制系统存在的诸多问题，且有利于同正着手全面改造的新计算机监控系统接口，为提高全厂综合自动化水平，实现减人增效打下了基础。

1．2软启动器

软启动器主要由CPU为8096的主控板、驱动板、电机主控制回路及控制面板构成。软启动器具有控制功能、电机保护功能以及显示、报警、参数设置功能。

1．2．1控制功能模式

收到外部启、停命令后，按照预先设定的启、停方式实现对电机的控制。可选的启、停控制模式有以下几种：

（1）限流软启动控制模式：如图1所示，电动机启动时，其输出电压从零迅速增加，直至输出电流达到设定的电流限幅值Ｉm，然后保证输出电流在不大于该值的情况下，电压逐渐升高，电动机逐渐加速，完成启动过程。

（2）电压斜坡启动控制模式:如图2所示，U1为电动机启动所需最小转矩对应的初始电压。当电动机启动时，软启动器的输出电压迅速上升到整定值U1，然后按设定的速率逐渐增加，直至达到电网电压后，接触器吸合，启动过程完成。

（3）停车模式：电动机按所设定的速率逐渐减速直到完全停机。

（4）自由停车：电动机不受控制地依惯性自由停机。

（5）点动功能：在该方式的控制下，软启动器输出电压迅速增加至初始电压U1，并保持该输出电压值。

1．2．2电机保护功能

软启动器的电机保护功能有：相序保护、缺相保护、启动过流保护、运行过流保护、运行过载保护及电动机长时间不能完成启动过程保护。

软启动器的保护功能动作时，软启动器将产生停机输出，并在控制面板上直接显示其原因。

1．2．3显示、报警和参数设置功能

在软启动器的控制面板上，可显示电机电流、报警信号及设定的参数值；以数字形式设置电机保护值、电机运行方式；手动操作启、停电机。

软启动器的工作原理是：软启动器收到启动命令后，便按所设定的启动方式进行有关计算，确定可控硅的触发输出电压信号，以控制电动机的启动过程。当电动机的启动过程完成后，软启动器便控制交流接触器吸合，短接所有可控硅，使电动机直接投网运行，避免不必要的能源损耗。图3为软启动器的原理图。

1．3应用于丹江口电厂的软启动器

1．3．1系统结构

控制系统结构如图4所示，主要包括软启动器、可编程控制器、压力传感器、进气电磁阀。

1．3．2系统主要功能

（1）控制功能

自动／手动控制空压机启、停。控制方式通过工作方式切换开关选择。

自动工作方式时，根据气罐气压的变化自动启停空压机。手动方式时可编程控制器退出运行，在软启动器控制面板上手动操作启停空压机。根据20m3空压机系统的实际情况，选择电机的启停方式是限流软启动和软停车。

（2）保护功能

保护功能涉及整个空压机系统。当发生一级气缸气压过高／低、油缸压力过高／低、排气温度过高以及断相、相序错、电机过流、过载等任一异常时，保护动作自动停机。

（3）监视、报警功能

实时监视系统的运行工况，在控制盘上有主回路电流、电压指示及显示系统运行状态，当系统出现故障时，控制盘上有详细的故障报警显示，同时向中控室发报警信号。

1．3．3系统工作原理

当气罐气压降至空压机启动值时，可编程控制器向软启动器发出启动命令，软启动器通过可控硅控制电动机的启动电压和电流，使空压机系统平滑启动到空载。当电压达到额定值时，接触器吸合，可控硅短路，三相电源直接加在电动机上，软启动器启动完成，并向可编程控制器发启动完成信号。可编程控制器经过9s的延时，投进气电磁阀，空压机带载运行，向气罐打气；当气罐气压达停机值时，可编程控制器切进气电磁阀，使空压机系统进入空载状态，2s后向软启动器发停机令，在软启动器的控制下，电动机逐渐减速至完全停机。

2运行效果及改进建议

新控制系统3年的运行情况表明，其可靠性、功能和性能与原控制系统相比都有显著的改善和提高。主要体现在以下几点：

（1）在结构上采用软启动器作为控制输出执行元件，控制逻辑用可编程控制器实现，使得系统结构简单明了，提高了控制系统的可靠性，也便于维护。

（2）软启动器的限流启动方式，将启动电流控制在安全范围内，改善了原控制系统因启动电流较大冲击厂用电而影响其它设备正常运行的状况。

（3）启动过程采用双向可控硅，启动过程完成后，接触器短接可控硅的控制方式，既避免了用接触器直接控制电机接点易拉弧、粘连、烧坏等故障的发生，也节约了能源。

（4）软启动、软停车方式，减少机械应力，保护设备，延长其使用寿命。

（5）保护功能涉及空压机系统各不良运行工况，有利于提高设备健康水平。

（6）控制盘上的显示功能，便于在现场全面了解设备运行情况。

（7）数字化参数设定及显示功能直观、方便、省时。

软启动器的抗干扰能力，是影响其可靠性的一个重要指标，在软启动器运行的3年中，曾发生装置加电瞬间误启动的现象，为此，针对目前该软启动器存在的问题，特提出以下建议和改进措施供厂家参考：

（1）为防止装置加电后瞬间误启动现象的发生，建议厂家对控制软件进行修改，在装置软件的最终出口信号回路上增加一个延时功能块，延时时间的多少要以躲过干扰信号为前提，这需要现场调试确定，或者在硬件最终信号出口回路上增加一个延时继电器，也可以有效解决干扰问题。

（2）为便于维护，希望软启动器能够在负载正常运行中便于退出和投入，也就是说正常运行过程中，若关断相应的软启动器控制装置电源，系统运行方式保持原状态不变，此时可以对故障的软启动器装置进行检修，检修完后直接将软启动器控制装置电源合上，而运行方式(即自动跟随装置软件)的要求一致，该功能对现场日常维护非常适用。

（3）建议将软启动器装置模块化，便于维修。

4结束语

电动机软起动器的应用 篇3

江铜集团永平铜矿-20 0m泵房五台水泵电机 (每台为6k V/8 0 0 k W) 在初步设计时, 未考虑电动机启动方式, 且电机功率较大, 启动电流大, 启动时严重影响配电系统的正常运行, 影响供电网络运行安全。但施工设计配电硐室 (6k V高压配电柜) 已形成, 无法采用“一对一”的起动模式, 并且井下开拓硐室成本较高, 因此, 为减小设备体积、节约投资成本, 研究采用一台起动装置起动五台水泵电机 (简称“一拖五”) 成为必要。

2 国内外交流高压电动机启动装置形式简介

交流高压电动机启动装置形式比较多, 常见的有:自耦变压器启动器、晶闸管控制软启动器、磁控启动器、液阻式启动器、热变电阻启动器、变频软启动器等。采用晶闸管控制软启动器、磁控启动器、变频软启动器均可实现软启动。利用晶闸管交流调压技术实现电机降压软起动适用于异步电动机的起动、运行和停止的控制与保护, 通过电流和功率因素的检测、控制输出电压、降低起动电流, 使电动机平滑起动, 减小起动时产生的起动力矩冲击。在停止时控制输出电压, 逐渐减小运行电流, 使电动机平稳停止。该启动方式还具有过载、三相不平衡、缺相、欠压、起动峰值过流、起动超时等故障保护功能。由于越是大容量电机越需要高水平的软起动装置, 因此, 应用高压晶闸管技术的软起动装置有广阔的发展空间, 可以产生巨大的经济和社会效益。

3 软启动方案的确定

3.1软启动方案的提出

由于水泵高压电动功率较大, 启动电流大, 必须采取限流措施, 确保对供电电网、机械设备以及电动机自身的安全不会产生较大影响。一般情况, 在电网容量、电动机自身技术条件及机械设备许可的情况下, 应首选全压直接启动方式, 当全压启动条件不满足时, 普遍采用降压启动方式。具体各启动器性能对比如表1所示。

根据现场提供供电设备技术数据、结合表1的启动性能对比, 分析当地电网原使用情况得知, 该电动机不能采用全压直接起动方式, 只能采用降压起动方式。在充分了解永平铜矿井下排水系统设备的工作性能、安全可靠性等的基础上, 确定采用软启动器控制电动机方式。经过对各种传统的电动机控制方法的比较, 从设备成本、设备体积、维护费用及维护工作量等方面考虑, 最终确定采用一种低成本而启动性能相对较好的晶闸管控制软启动装置, 按启动方式, 提出两种解决方案:

(1) 一对一软起动方案。

系统原理如图1所示, 使用一台软起动装置起动一台水泵电机, 系统可以达到很高的可靠性, 软起动装置和电机可以分别形成五套相对独立的系统, 而不互相影响。但此方案设备数量多, 费用高, 而且需要开拓水泵配电硐室。

(2) “一拖五”软起动方案。

由于井下开拓硐室成本较高, 为减小设备体积、节约投资成本, 系统采用一台软起动装置起动五台水泵电机, 系统结构简单, 能有效改善起动性能, 完善保护功能。为了满足井下开采排水安全的苛刻要求, 提高系统的可靠性, 软启动装置采用一用一备工作方式。高压配电系统采用双层柜, 一路为运行母线, 一路为软启动母线, 确保了启动控制系统的独立性, 使软启动控制灵活、可靠, 既可实现逐台软启动, 也可以实现逐台软停止。系统原理如图2所示。

3.2软启动方案的比较

两种软启动方案的比较如表2所示。

4 软起动“一拖五”系统主要研究内容与技术关键

采用“一拖五”软启动系统, 必须保证每台水泵电机的相对独立性, 即每一台电机的起动、停机及故障

保护过程不被系统的其它部分所影响。每一台水泵系统的保护功能必须单独检测、单独处理, 不能影响到其它水泵系统, 特别是正在正常运行的水泵。

二台高压电机软起动装置互为备用, 工作方式用转换开关进行选择, 如, 当采用1#高压电机软起动装置时, 转换开关打向1#。五台水泵工作方式同样用转换开关进行选择, 当选择1#泵工作时, 转换开关打向1#, 按启动按钮, 运行的高压电机软起动装置自动跟踪, 水泵根据工作要求正常启动运行。当对运行的泵停车时, 按任意一台水泵停止按钮, 运行的高压电机软起动装置能自动跟踪, 达到软停车效果。

“一拖五”软起动系统采用的是分散采集、分散执行, 集中逻辑处理、集中屏幕显示的结构模式, 因此, 各个组成部分的数据都通过通讯传输到显示屏里才能进行显示。P L C通过触摸屏工控机得到系统各个设备的实时状态, 以完成系统逻辑操作。

由微机保护装置完成起动/运行接触器的分合闸, 并返回其工作状态, 完成本机工作电压、电流以及电机温度的检测处理、分析、判断, 计算有功功率, 记录本机运行时间, 并判断本机的过流、短路、缺相、电机温度、零序保护, 并在本机显示。由于微机保护装置与6 k V接触器距离较近, 接触器在分合闸时所产生的较大的电磁干扰很容易影响保护装置中单片机的状态采样和运算, 因此, 保护装置采用了可靠的抗干扰设计。

“一拖五”软起动系统解决了以下关键技术问题:触摸屏工控机系统稳定性;R S-4 8 5串行总线设备地址识别;各设备R S-4 8 5串行通讯程序设计, 保证低误码率;P L C程序设计保证各个水泵系统的相对独立性;P L C数字量采集现场防抖动处理;P L C程序设计保证避免操作人员误操作;微机保护装置及模拟量采集装置现场抗干扰能力等。

电动机软起动器的应用 篇4

大型电机选择何种起动方式极其重要,尤其是在系统容量有限或在同一系统中存在对电压要求严格的大型电机时,就不可避免存在大型电机起动过程中降低起动电流、稳定系统电压的问题。

1 起动方式比较

目前电机的起动方式主要分为全压起动、降压起动、变频起动、降补软起动、机械起动。现介绍几种常用的起动方式。

1.1 水电阻降压起动方式

水电阻降压起动就是在定子回路中串入三相水电阻,水电阻的动极板通过传动机构控制,定子回路阻值呈无级平滑减小,电机端电压均匀提高,从而实现整个起动过程中电机在较小起动电流下均匀升速。

该起动方式的缺点是电机起动过程中电压高、电流大,调整电极板非常危险;由于水电阻易受环境影响,阻值变化大,因此起动电流不确定且不能多次起动电机;对水质要求较高,维护不便。

1.2 热变电阻降压起动方式

热变电阻降压起动方式中的电阻器具有负温度系数,它的极板是静止不动的。电机起动后,电阻体的阻值随温度升高而减小,使电机端电压逐步升高,实现电机的平稳起动。

该起动方式的优点是系统功率因数高且接近恒定,母线电压波动小,起动平稳无冲击,静态变阻,安全可靠,免维护。

该起动方式的缺点是环境温度对起动特性的影响大,要求机械和电力系统能够容忍。

1.3 降补固态软起动方式

降补固态软起动方式适用于大中型高压鼠笼交流异步电机或异步起动的高压同步电机。

该起动方式的优点是起动电流小且恒定,起动转矩大且逐步增加,不受环境温度变化的影响,对电网影响小,无电磁干扰;较高压变频软起动方式具有操作简单、免维护、无谐波污染等优势。

该起动方式的缺点是对电网容量有一定要求,控制较复杂。

1.4 高压变频软起动装置

电机起动过程中,高压变频软起动装置输出频率从0Hz(同步起动)或5Hz(异步起动)逐步升到50Hz,电机转速从0逐步升到额定转速,起动电流控制在额定电流的50%以内,加速时间可通过改变v-f曲线斜率调整。

该起动方式相对于其它软起动方式具有明显的技术先进性,但成本高。

2 大容量电机起动方式的选择

一般冶金、化工、石油行业的电网容量有限,往往无法承受大容量电机起动时的冲击,因此在这些行业里,选择大容量电机软起动方式时首先要考虑电网容量,其次是电机起动频率,再次是投资成本和环境等。下面以某钢铁公司热电车间的19MW电动风机为例,讨论电机起动方式的选择。这台电动风机所在的电网如图1所示。

根据工艺要求,该钢铁公司的#6炉至#10炉风机出现故障或检修时,由19MW电动风机供风,因此这台备用电动风机需频繁起动。

该风机电机额定功率为19 000kW;额定电压为10kV;额定电流为1 254A;额定转速为1 480r/min;起动电流倍数为3.86;额定频率为50Hz;起动转矩倍数为0.48;最大转矩倍数为1.73;电机飞轮矩(或转动惯量GD2)为1 493kg·m2。

该风机电机负载类型为轴流压缩机;负载飞轮矩(或转动惯量GD2)为27 000kg·m2;静阻转矩为7 000N·m;空载转矩为25 000N·m。

由图1可知电网的容量不足以承受此台风机的起动冲击,因此必须选择合适的软起动方式限制冲击。由于该钢铁公司地处南方,气候潮湿、温差较大,不应选择对环境要求较高的水电阻、热变电阻等起动方式,而变频起动方式成本高且起动时的谐波会影响电网,因此最终选用降补固态软起动方式。

3 降补固态软起动装置原理

降补固态软起动装置一次原理图如图2所示。降补固态软起动装置包含1套无功发生器、1套无功控制器、1台降压器、1台降压控制器、1台软起连接柜、1台软起起动柜、1台电机运行高压柜。

3.1 无功发生器工作原理

由于大容量电机在起动过程中消耗大量无功(大容量电机起动过程中功率因数可低至0.1以下)会引起电网电压的波动,因此在电机机端并联一个无功发生器来提供电机起动过程中所需的无功功率,以降低起动电流,减小大容量电机在起动过程中对电网的冲击。电动风机起动电流矢量图如图3所示,Id为电机电流,Ic为无功发生器电流,两者的矢量合成电流为I,即从电网吸收的电流。

由图3可知,无功发生器提供无功电流后,电动风机从系统吸收的电流明显减少。无功发生器的主要作用是在电机起动过程中产生合适的无功功率提供给电机。无功发生器由油浸式电容组成,全封闭在箱体内,通过引出线并联在电机机端上,如图4所示。

3.2 无功控制器工作原理

无功发生器根据需要分成几组,由无功控制器进行适时分组投切。无功控制器与无功发生器配合组成无功控制系统,适时提供合理的无功量;同时,无功控制器的PLC又是整个软起动系统的核心,控制着降压控制器、联络柜、起动柜、运行柜的投切。

无功控制器起动初始,无功控制器的PLC检测起动指令以及起动柜、联接柜、降压控制器等的断路器状态,并根据情况发出无功控制器合闸指令。

3.3 降压器以及降压控制器工作原理

降压器是一台自耦变压器,主要起着稳定系统电压、控制电机起动端电压、限制电机起动电流的作用。降压器的输出电流为电机全压直接起动电流的k(k为降压器变比,k<1)倍。

降压控制器的主要作用是在电机起动过程中消除切换过程产生的过电压。当起动电流小于设定值后,降压控制器分开降压变的星点投入水电阻。

3.4 软起连接柜以及软起起动柜工作原理

软起连接柜及软起起动柜仅在电机起动时运行。在高压运行柜合闸后,电机全压运行时,软起连接柜和软起起动柜中的断路器断开,切除整个软起动回路,使之脱离电网。

3.5 工作流程

降补固态软起动装置工作过程如图5所示。

4 电机起动中的技术要求

电机起动中,需满足以下技术要求:

(1) 110kV母线电流不大于1.5倍电机额定电流;10kV母线电压不低于8 800V;电机起动时间短于60s。

(2)无功发生器为2组,机端电压为6 800V时切除I组,机端电压为7 900V时切除Ⅱ组。

(3)机端电流降至1 200A时分开降压变星点投入水电阻、运行柜,分断起动柜、连接柜。

5电机实际起动状况

电机实际起动状况如下:

(1)电机机端初始起动电流为3 300A,系统母线电流为2 300A。110kV母线电流为电机额定电流的1.8倍,超过了要求,经分析认为是由10kV母线电压达了11kV引起的。

(2)无功控制器分别在机端电压为6 800V、7 900V时切除I、II组无功发生器。

(3)机端电流下降为1 200A时,降压控制器投入了水电阻、运行柜,分断起动柜、连接柜。

(4)起动时间大约在33s内。

电动机软起动器的应用 篇5

异步电动机作为拖动机械广泛应用于工矿企业、交通运输、国防工业等领域中,据国家有关部门统计,我国生产的电力约有60%供电动机转化为机械能,而许多异步电动机在运行过程中存在着严重的能源浪费。异步电动机在直接起动时瞬时冲击电流很大(最大可达额定电流的5-7倍),在电动机经常起动的情况下,过大的电流会造成电动机严重发热,加速电动机的绝缘老化,缩短电动机的使用寿命。过大的起动电流,还会对电网造成不良影响,使电网电压波动,影响电网供电和同一电网上的其它负载[1,2]。多年来采用Y/△转换、自耦降压和磁控降压等方式来实现限流,这些方法虽可起到一定的限流作用,但它们通常是靠接触器切换起动电压达到降压目的,无法从根本上解决起动时电流尖峰冲击。变频技术的日趋成熟以及各种工业应用型变频器的出现虽可较好地解决这些问题,但普遍存在着变频电路及控制方案复杂、制作成本较高的缺点,特别是对需频繁起制动、运行中无需进行调速的应用场合,使用变频器仅作为起动器也是一种浪费。随着电力电子技术的快速发展,采用晶闸管为主电路元件,单片机为控制核心的智能型起动设备完成电动机的起动过程已成为现实。

本文针对目前工矿企业中异步电动机不良的起动与停车特性,在考查现代起动器设计方法基础上,提出将模糊控制理论应用于软起动控制器的设计中,使控制器智能化,系统鲁棒性增强,从而解决电动机起、停过程中电流、转矩对电机本身的机械冲击及对电网的负面影响等[3,4]。详细介绍了软起动器原理和系统的软、硬件设计。最后通过计算机仿真实现了异步电动机的软起与软停控制策略,结果表明,采用模糊控制理论对电动机的软起动与软停车进行控制会取得更良好的控制效果。

2 软起动器的模糊控制实现

2.1 模糊控制原理

异步电动机模糊软起动和软停车的原理如图1所示。

以电动机输出电流与期望电流值之差EI及其变化率ECI作为输入变量,以晶闸管触发角的变化Δα作为输出变量,经过模糊控制器对输入信息进行模糊化、模糊推理、模糊决策和清晰化,从而得到控制量,施加于被控电机实现软起动和软停车。

2.2 模糊控制参数选择

2.2.1 论域、隶属函数、控制规则的确定

模糊软起动器的输入EI、ECI与输出U可划分为5个模糊子集,即{NB,NS,ZR,PS,PB}。EI、ECI的论域为[-6,6],U的论域为[-3,3]。除了ZR的隶属函数选三角形隶属函数以外,其余均选梯形隶属函数。模糊推理规则如表1所示。

为了简单起见,可使模糊软停车控制器输入输出的模糊子集划分与论域选择同软起动时相一致,且推理规则表也使用同一个。

2.2.2 输入、输出比例因子的确定

假设某类型异步电动机参数为Pe=7.5 kW、Ie=15 A、ne=2900 r/min、f=50 Hz,Y接。电流误差的实际变化范围[-10 A,10 A]。若设定的起动电流为额定电流的2倍,即30 A。则相对值论域为[-1/3,1/3]。为使其转换至整数论域[-6,6],需Ke=6/(1/3)=18。同理,偏差变化率实际变化范围[-8 A,8 A]时可确定Ke c=22.6。触发角α的实际变化范围[-20°,20°],为转换至[-3,3],需Ku=20/3=6.7。同理也可确定出被控量为电压时的Ke′、Ke c′、Ku′。

2.3 模糊决策

从节约单片机内存资源的角度出发,本文不采用存控制表格的方式,而是采用在线计算控制量的解析法。选用多修正因子法。其中a0=0.4,a1=0.6,a2=0.75。计算时NB、NS、ZR、PS、PB的取值分别对应-2,-1,0,1,2。

3 软起动器的软、硬件实现

控制系统的硬件由AT89C52单片机系统、电压同步信号采样及处理电路、电流检测电路、脉冲触发电路等组成。由同步变压器来的电压信号经电压比较器、光电隔离及功率驱动后送入AT89C52外部中断。电流检测电路以电流互感器测出电动机的实际工作电流,经整流、滤波、放大、A/D转换及光电隔离后送入单片机,用软件对其非线性进行补偿,以此电流信号作为计算晶闸管导通角大小的依据,并用于故障检测及数码管显示。硬件结构如图2所示,系统的软件流程如图3所示。

4 系统仿真

采用MATLAB软件进行仿真研究。仿真结果如图4所示。由图4可见,与常规PID控制相比,模糊软起动过程响应快、超调小,对电网冲击小,不会造成大的电压降落,保证了电网电压的稳定,可延长供电设备的使用寿命。在接到停车指令后模糊控制均使输出电流按设定电流变化,一直到完全停车,晶闸管全部关断,具有更好的跟踪性能。

5 结论

本文将模糊控制理论应用于异步电动机软起动器的设计中,仿真结果表明该策略的正确性,进一步拓宽了模糊控制的应用领域。此外,该类起动器还可集节能与各种保护功能于一身,具有较高的性价比,适于推广使用,因此具有较大的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]张文生,刘耀年,张玉霞.异步电动机智能软起动器及其应用[J].电工技术杂志,2000(11):15-18.

[2]陆保义,许伯强.异步电动机综合控制装置[J].电力电子技术,1999(1):32-35.

[3]冯晓刚.电力拖动系统模糊控制策略的研究[D].上海大学博士学位论文.1996.

[4]高宏伟,武彩霞,付兴武等.模糊控制理论在风机、泵类软起动器中的应用研究[J].中小型电机,2002(5):1-3.

电动机软起动控制器研究 篇6

目前在工矿企业中使用着大量的交流异步电动机, 有相当多的异步电动机及其拖动系统还处于非经济运行的状态, 白白地浪费了大量的电能。究其原因, 大致是由以下几种情况造成的:

1.1 由于大部分电机采用直接起动方式, 除了可能对电网及拖动系统造成冲击和引发事故之外, 超出正常8~10倍的起动电流会造成巨大的能量损耗;

1.2 在进行电功机容量选配时, 往往片面追求大的安全余量, 且层层加码, 结果使电动机容量过大, 造成“大马拉小车”的现象, 导致电动机偏离最佳工况点, 运行效率和功率降低;

1.3 从电动机所拖动的生产机械自身的运行经济性考虑, 往往要求电机拖动系统具有变压、变速调节功能, 若用定速定压拖动, 势必造成大量额外电能损失。

根据以上相互矛后的要求和电网的实际情况, 通常采用的启动方式有以两种方式:一种是在额定电压下的直接起动方式, 另一种是降压起动方式。

三相交流异步电动机的起动转矩M a直接与所加电压的二次方有关, 也就是说, 只要降低电机接线端子上的电压就会影响这些值, 软起动的工作原理是通过串接于电源与被控电机之间的三相反并联晶闸管, 改变其导通角使电机的端子电压从预定的值上升到额定电压。通过控制开关元件的导通角进而控制电动机的工作电压, 使电动机的工作电压按照规划好的模式由大到小连续增加, 从而使电动机的起动电流在一定范围内变化。

对比软起动方式和降压起动方式, 我们可以看出降压起动时起动转矩在起动过程中是一个固定不变的量, 而且, 起动转矩下降的倍数至少要大于起动电流下降的倍数, 起动转矩下降无穷大是降压起动的一个重要问题, 而软起动方式时, 虽然在起动的瞬间起动转矩的初始值不大, 但在整个起动过程中起动转矩不断增加, 在起动过程结束时可以达到额定转矩。这样软起动就解决了在降低起动电流的时候又不使起动转矩下降的确问题。

目前, 国内应用软起动技术的电动机软起动控制器还没有成熟的产品出现, 国外如AB公司虽然有这种产品, 但在国内市场的价格较高, 不利于国内应用这种先进技术产品。所以, 国内急需开发具有自主知识产权而且性能先进的电动机软起动控制器。国内的各企业、高校和科研单位也一直在进行着软起动系统的研制工作。己有的产品多为单一功能或少功能的系统, 具有较多集成功能的产品到目前为止仍没有出现。

2、软启动控制器的研究

电动机转矩与电动机外施电压的平方成正比。因此, 只要做到能无级、平滑地调节电动机的外施电压, 即可使电动机的起动特性变软, 达到软起动的目的。

电动机的软起动是一种连续无级渐升压限流起动方式, 其主要思想是通过软件控制, 使电动机在起动时, 定子电压由某一初始值逐渐上升至全电压, 并在电压上升过程中, 限制起动电流的增加, 以实现小电流起动, 大电流运作。即软起动是以软件控制代替常规继电器线路控制来满足电动机平稳升压起动。软起动器是一种以实现软起动思想为基础, 硬件以微处理器控制为核心, 以无触点可控硅为主要控制器件的交流调压装置, 在软件的支持下实现电动机升压限流起动, 并在电动机起动后继续参与电动机的运行控制的器件。

根据以上原理, 能够满足无级、平滑地调节输出主电压的主电路器件只有无触点开关较为合适。目前国内外厂家生产的软起动器, 按其主电路采用的器件主要分为磁控式软起动器和电子式软起动器。磁控式软起动器主要执行元件是磁放大器, 采用调感调压原理, 起动时在电动机上串联一个自饱和电抗器, 使起动电流在电抗器上产生电压降, 然后再通过磁饱和逐步减小阻抗, 使加在绕线端的电压逐步上升, 完成起动过程。

设计电动机软起动控制器首先要考虑它所要完成的功能, 然后根据这些功能确定它所要检测的参量, 最后设计完成这些功能的各个模块。根据要完成的软起动器所要实现的功能, 确定软起动控制器需要检测、输出的参量如下:

2.1 检测电源电压, 用以判断电源电压是否为正常状态, 检测的项目有:过压、欠压、断相、逆序;

2.2 检测电动机的工作电流, 用以判断故障情况和能量消耗、以及功率因数角的大小;

2.3 检测开关元件的温度和压降, 用以判断开关元件是否正常工作;

2.4 检测软起动控制器的启动命令, 用以起动电动机;

2.5 检测电动机的双斜坡起动方式选择信号;

2.6 输出故障报警信号和旁路信号;

2.7 控制参数和运行参数可以设定和显示。

在软起动的起动过程, 首先应该确定软起动的初始起动电压 (百分比) , 这个初始电压必须满足机械设备所需的起动转矩;其次要确定降压起动的时间 (即调节电压上升率) 。有的产品采用“恒电流”的软起动方式, 它是通过“起动电流限制值”的整定 (一般此值为额定电流的2.0~3.6倍) 来完成起动过程的 (软停止过程与软起动过程程序相反) 。我们所设计的软起动器, 其基本技术性能包括:

2.7.1 初始起动电压, 一般可在10%~60%额定电压的范围内调整;

2.7.2 起动时间一般为0.5~3 0 s连续可调, 有的产品其可调时间可能更短或更长一些 (调节软起动时间实为调节电压的上升率) ;

2.7.3 起动电流限制值一般整定为 (2.0~3.6) Ie;

2.7.4 软停止时间一般为0.5~240s可调, 相当的电压降为100%~30%;

2.7.5 初始起动转矩为5%~90%

软起动器应具备过电流及速断保护、断线保护、品闸管等的过热保护和进线电源逆序保护 (对于不允许反转的设备应有这种保护) 。设置进线电源逆序保护的目的是当送电时, 如电源相序与原要求不一致时, 起动器则不能工作, 同时发出报警信弓。这种保护对那些不允许反转的设备是必不可少的。

除了上述基本功能外, 还有一些附加的技术性能和保护功能, 例如有的产品具有节能功能的选择开关, 它可使电动机的运行电压调节至与实际的负载相适应, 避免电动机长期处于空载或轻载状态, 从而达到改善功率因数和节能目的。有的产品还具备不平衡保护, 等等。软起动器为电力电子产品, 可以很方便地与计算机系统相连接, 从而可方便地实现工厂的自动化控制。

由于软起动器仍然属于降压起动的范畴, 因此, 它的起动转矩有所降, 对需要重载起动的设备, 仍然采用绕线式异步电动机较为合适。因为绕线式异步电动机可以通过外加转子绕组阻抗的办法, 降低它的起动电流, 但同时起动转矩较大。

3、结语

本结主要介绍了软起动器的基本原理和类型。电动机的软起动是一种连续无级渐升压限流起动方式, 其主要思想是通过软件控制, 使电动机在起动时, 定子电压由某一初始值逐渐上升至全电压, 并在电压上升过程中, 限制起动电流的增加, 以实现小电流起动, 大电流工作。即软起动是以软件控制代替常规继电器线路控制来满足电动机平稳升压起动。

摘要：异步电动机以其优良的性能及无须维护的特点, 在各行各业中得到广泛的应用。然而由于其起动时要产生较大冲击电流, 同时由于起动应力较大, 使负载设备的使用寿命降低。本文对电动机软起动控制器的硬件和软件流程等理论进行了研究。参照美AB公司SMCPLUS软起动器, 研究软起动控制器, 实现软起动控制器降低电动机起动电流的目的。

关键词：软启动,控制器

参考文献

[1]丁健, 史中.一种基于模糊控制的新型软起动器.电力电子技术, 1 9 9 8, (1) :4～6

[2]周希章.电动机的起动、制动和调速.机械工业出版社, 1 9 8 4:1～2

电动机软起动器的应用 篇7

近年来, 随着科学技术的高速发展, 各种新型的控制技术也不断出现, 根据现有的控制技术, 本文设计了一种基于单片机控制, 采用PWM斩波降压的新型软起动器, 和传统的机械式起动器相比, 本设计具有维护方便、结构简单、保护功能全面的优点。

1 软起动器的控制策略分析

直流电动机根据其励磁方式的不同分为并励直流电动机、他励直流电动机、串励直流电动机和复励直流电动机, 本设计以传统启动箱的并励直流电动机为研究对象。传统的起动方式主要是通过依靠电枢回路串电阻来减小起动电流, 然后利用接触器切除起动电阻。这一起动方式具有以下缺点: (1) 启动电阻上消耗的能量大; (2) 接触器吸合和断开过程中产生的噪声污染大; (3) 机械式起动器对起动电流的限制能力有限, 仅仅能满足起动的需求。本文研究的新型起动器, 能够解决上面所述机械式起动器的缺点。新型软起动器采用模拟脉宽调制变换器的控制方法、使用IGBT (绝缘栅双极晶体管) 作为开关器件、控制部分以单片机为核心, 我们称之为无触点直流电动机软起动器。

2 软起动器的硬件设计

2.1 单片机的选择

本文选用ATMEL公司的8位Atmega64, 该芯片是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器, 具有单时钟周期指令执行时间和先进的指令集, 芯片内部有64K字节的系统内可编程Flash, 两个独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器, 4K字节片内SRAM, 两路8位PWM通道, 通过JTAG接口实现对EEPROM、Flas h、锁定位的编程。选用该芯片还考虑到它具有丰富的I/O接口, 方便连接系统需要的各种外设。

2.2 A/D转换芯片的选择

Atmega64单片机本身具有丰富的片内AD, 但是由于单片机要对采集到的电流数据进行运算和一些其他处理, 如果采用片内AD将使电流采样速度远远落后于实际的电流变化速度, 从而导致系统的实时性变差, 使用高速片外A/D转换芯片成为提高系统稳定性和可靠性的唯一选择, 因此本设计中选择了MAXIM公司的ADC0820芯片。这是一款8位高速模数转换芯片, 在快速转换的模式下, 其最大的转换时间仅仅为1.4us。该芯片与单片机连接简单, 不需要外部时钟, 并且还具有采样保持功能。

2.3 IGBT驱动器电路

IGBT作为一种电压控制型功率器件, 所需驱动功率较小, 导通压降低, 控制电路简单, 并且具有短路承受能力和较大的安全工作区, 因此在电力电子系统中得到广泛应用。一个理想的IGBT驱动器应具有以下基本性能: (1) 动态驱动能力强; (2) 能向IGBT提供适当的正/反向栅压; (3) 有足够的输入输出电隔离能力; (4) 输入输出信号传输无延时。本文选用的是CONCEPT公司的2SD315A, 这个一种集成度很高的驱动模块, 具有安全性、易用性和智能性的特点, 内部包含两路IGBT驱动电路, 其最高可以驱动1700V的IGBT。

2.4 电流和电压检测电路

电流检测电路功能包括了过流保护、电流反馈和励磁电路的保护功能。电流反馈取自直流供电母线, 采样器件选用闭环型霍尔电流传感器。励磁电路的电流保护又包括短路保护和欠流失磁保护, 短路保护主要通过EXB841来完成, 欠流失磁保护通过霍尔电流传感器完成。电压检测电路的主要功能是取得供电系统的实时母线直流电压, 获取电压数值一方面为了判断系统的工作状态, 另一方面是通过运算得出起动开始时输出方波最合适的占空比。

3 软起动器的软件设计

3.1 软起动器的软件总设计

软起动器的软件总设计是系统软件流程的整体框架, 各个子程序依附于框架之中。软件总设计包括电动机起动前的故障信息检测、控制IGBT的脉冲输出、软起动程序的调用、电动机运行过程中的故障信息检测、电压数据的显示、电流数据的显示和实时检测电动机运行状况的数据显示等。

3.2 模拟量的采集设计

由于单片机只能对数字信号进行处理, 无法直接处理模拟信号, 因此, 系统中各模拟量进行单片机前通常由A/D转换芯片进行。在A/D转换的过程中由于信号传输线很容易受到干扰而使模拟信号进行A/D芯片时夹杂很多干扰信号, 因此要想得到精确的数字信号必须对结果进行滤波。本软起动器工作环境恶劣, 现场的强电设备较多, 电流波形中会产生尖脉冲干扰对于这样峰值大、持续时间短的干扰信号最好的策略是采用防脉冲干扰平均值滤波法的原理将被认为是受干扰的信号数据去掉。

当每次A/D转换完成后, 单片机将得到的数据进行数字滤波, 然后将滤波后的数据输入到脉宽调制子程序中, 此时算完成一次A/D转换, A/D转换模块将准备进行下一次采样。

3.3 中断信号的采集设计

软起动器的主电路一旦发生故障如欠压、过压、短路、过流等情况, 除去与之对应的故障信号传输到单片机外, 还要产生一个总的故障信号。该故障信号的出现意味着系统中目前存在故障。硬件设计中总的故障信号输出是连接到INT0中断输入端的, 由于INT0中断具有最高的优先级, 因此一旦有故障发生, 单片机将接收到中断触发信号, 立刻停止正在进行的工作。系统首先切断电动机的供电, 然后判断故障信号的来源, 并将故障信息输出到显示屏上, 方便诊断和排除故障。

3.4 软起动器控制程序设计

软起动器控制程序设计具有控制软起动器的电压给定和电流调节的功能, 该设计处于核心地位, 这一部分的正确设计将使整个系统更加稳定可靠, 本设计的控制策略选择斜坡用电压给定、电流单闭环的方法。

4 结语

本文研究的直流电动机软起动器通过PWM斩波改变加在电动机上的平均电压使起动电流控制在一定范围之内, 用半导体开关器件取代机械式接触器, 实现了无触点起动, 从本质上解决了传统起动设备存在的一些缺点, 具有传统起动方式无法比拟的优势。

摘要：直流电动机如果在额定电压下直接起动, 起动电流为额定电流的10～20倍, 因此, 直流电动机的起动问题是影响其寿命的关键因素。本文设计了一种基于单片机控制, 采用PWM斩波降压的新型软起动器, 和传统的机械式起动器相比, 本设计具有维护方便、结构简单、保护功能全面的优点。

关键词：单片机,直流电动机,软起动器

参考文献

[1]司昌健, 曹书强, 陈庆国.基于EXB841的IGBT驱动与保护电路研究[J].电源世界, 2009 (1) :26～29.

电动机软起动器的应用 篇8

软起动器是一种集电力、电子、电气、电机、控制和计算机技术于一体的新型电气产品, 控制技术的发展使软起动器的控制方式得以丰富多彩, 并适应于工业领域不同的工艺要求, 随着计算机技术的发展, 现代软起动器的控制核心几乎已全部采用了MCU, 甚至DSP, 这使得复杂的现代控制理论得以在软起动器上应用。

软起动器控制技术的发展大致经历了四个阶段。早期的软起动器一般仅具有开环电压斜坡控制方式, 随着技术的发展, 闭环电压、电流控制方式出现, 比较有代表性的是电流限幅。在此基础上又衍生出了电流斜坡、突跳转矩、电压斜坡加电流限幅和转速闭环等控制方式。第三个阶段以闭环转矩控制为代表, 此外还有分级变频控制。目前, 软起动器控制技术正在经历第四个发展阶段, 众多厂商和科技工作者正致力于将现代控制理论, 如模糊控制、自适应控制、智能控制等技术逐步应用到软起动器上, 使软起动器的性能得到进一步提高。

2 软起动器基本原理

根据感应电机的等效电路, 在忽略激磁电流Im的条件下, 可知, 如不采取任何措施而直接投入电网起动时, 会产生起动电流过大的问题。感应电机的转子阻抗虽无法改变, 但定子电流与定子端电压成正比, 因此减小端电压也可以相应地减小定子电流。晶闸管软起动器是应用晶闸管相控调压的原理, 利用晶闸管的可控导通特性, 通过改变相控角α来改变加在定子上的电压均方根值。

3 软起动器的控制方式

3.1 电压斜坡控制方式

电压斜坡起动方式是一种开环控制方式, 是软起动器最早的起动方式, 系统中没有闭环调节环节。电流采样环节只用来做晶闸管过电流保护用, 而电压采样环节仅采样电源电压过零点, 以提供移相触发的同步基准。电压斜坡起动方式的起动效果受负载和电源变化的影响较大, 无法准确地获得所希望的起动效果。电压斜坡起动适合于风机和水泵类大惯性负载。

3.2 电压突跳控制方式

电压突跳控制方式, 也称为转矩突跳控制方式, 是其它控制方式的一种扩展或附加功能。它不能独立使用, 必须同其它控制方式复合使用。例如“电压斜坡+突跳转矩”控制方式。由于电压突跳控制方式的特点, 决定了起动之初电流、转矩的冲击是不可避免的, 因此, 这种模式只能在特定场合使用。

3.3 电流限幅控制方式

图1所示为电流限幅起动控制方式控制原理框图。由于电压斜坡控制是开环控制, 因此斜坡上升率不能随系统自动调节, 往往会使电流超出所希望的值, 因此发展了电流限幅控制方式。系统中增加了闭环电流调节环节, 该方式受负载和电源变化的影响较小, 起动特性的稳定性大大提高, 此方式特别适用于恒转矩负载。

3.4 电流斜坡控制方式

电流斜坡起动方式是电流限幅起动方式的一种扩展。电流斜坡起动方式适用于要求电流上升比较平滑的大惯性负载, 特别是风机、泵类负载。对于大惯性的平方转矩负载, 如果直接采用电流限幅, 则由于负载惯量大, 起动时间并未快多少, 有时还会因过载保护而导致起动失败, 如图2曲线1所示。采用电流斜坡控制方式将可以使驱动转矩曲线更好地拟合负载转矩曲线, 使负载电机以近似恒加速起动, 满足了负载转矩的需要, 又不会引起转矩的过冲, 整个起动过程电机电流曲线所包络面积也比较小, 相应的电机发热量也比较小, 如图2曲线2所示。另外, 这种控制方式如各参数调整得比较好, 其起动效果可接近后面将要论述的“转矩控制”的效果。电流斜坡的斜率也可以设置成多段加速斜率, 也可以加突跳控制。

3.5 具有限流功能的电压斜坡控制方式

具有限流功能的电压斜坡控制方式, 也称电压斜坡加电流限幅控制方式。电流的限幅作用同样可以通过两种模式实现:直接限制电流、通过限制电压来限制电流。前一种方式对电流的限制更直接、调试起来也更容易;后一种方式通过限制电压来限制电流, 不够直接, 调试时也相对繁琐。这种控制方式同电压斜坡控制方式的不同之处在于电流曲线是平顶的, 即对于电机电流有一个最大值的限制, 其它的控制机理同电压斜坡控制方式是一样的。

具有限流功能的电压斜坡方式同电流斜坡起动方式的电压、电流曲线很类似, 区别只是电流模式更直接, 和转矩的贴合更紧密, 通过闭环控制可以更加适应负载的变化;电压模式相对受到负载的影响比较大, 不同的负载下, 其电流和转矩曲线变化也比较大。

3.6 转速闭环控制方式

转速闭环控制方式实际是转速-电流双闭环的控制方式, 它早已被应用于晶闸管交流调压调速系统中, 可提高调速精度与运行的稳定性, 但仅适用于一些属短时与重复短时作深调速运行的负载。一些特殊场合, 如对起动过程中速度曲线要求比较严格, 或对起动时间要求比较严格, 恰好这种系统可以满足要求。因此转速-电流双闭环的控制方式被应用在软起动器当中。转速闭环控制方式控制原理如图3所示。此方式最典型的应用是矿用胶带传输系统。

3.7 转矩控制方式

转矩控制是通过转矩闭环控制来实现的, 采用转矩PID控制来调节电磁转矩。转矩控制起动时, 要求控制电机起动时的电磁转矩按控制规律上升, PID调节环节一直投入系统运行, 自动调节使电机能够平滑起动。给定值是根据所设定的转矩斜坡对应的转矩值, 反馈值是根据电动机反馈的电压、电流运算出的实时转矩值, 对其进行PID控制, 其输出量经过适当变换后, 结合控制策略, 产生与交流调压装置的触发角α相对应的驱动脉冲。转矩控制方式原理如图4所示。图中Tem*为给定电磁转矩, Tem为根据电压、电流计算出的电机实际转矩, 经PID调节后得出的控制转矩, 通过计算出电压的大小, 结合电压和功率因数角φ就可以确定触发角α, 其中φ是可以通过交流采样法实时计算的。通过实时检测三相电流、功率因数结合实际触发角计算出电机实际转矩作为反馈, 再通过PID调节输出电压就可以实现对实际转矩的闭环控制。起动特性的调整可以通过设定初始转矩T0和转矩上升斜率KT来进行。

转矩控制方式能很好地解决转矩过冲问题。但同时应当看到重构电机转矩有相当的难度, 对电压轨线不易做出准确的预测。转矩控制最典型的应用是在水泵控制上。

3.8 模糊控制

电流限幅起动控制方式不能有效地克服负载、模型的大范围变化, 特别是起动过程中电动机参数的变化和不确定性, 传统的PID调节难以达到理想的控制效果。模糊控制是在被控对象的模糊模型的基础上, 运用模糊控制器近似推理手段, 实现系统控制的一种方法。模糊控制不依赖于被控对象的精确数学模型、控制较易实现、具有很强的鲁棒性, 因此很适合于电动机软起动控制。模糊控制系统是一种具有反馈闭环结构的数字控制系统, 它的构成核心是具有智能性的模糊控制器, 这也是它与其它控制系统的不同之处。模糊控制系统的组成如图5所示。图6是一个以电流为控制量的模糊控制器的示例。

3.9 神经网络控制

神经网络能够通过自身的学习了解系统的结构、参数、不确定性和非线性, 并给出系统所需的控制规律。因此, 由它构成的控制器具有很强的自适应性和鲁棒性。单神经元自适应PID控制器结构如图7所示, 图中转换器的输入为系统给定r (k) 和输出y (k) 。状态转换器的输出为神经元学习所需的输入信号x1、x2、x3。控制信号u (k) 由神经元通过关联搜索和自学习产生。这里r (k) 为电流设定值, y (k) 为电流反馈值, 经状态转换之后成为神经元学习所需的状态量x1、x2、x3。为保证单神经元的自适应PID控制学习算法的收敛性和鲁棒性, 采用规范化处理后的学习算法。对积分I、比例P和微分D分别采用了不同的学习速率, 以便对不同的权系数进行调整。

由以上分析知:单神经元的自适应PID控制器通过对加权系数的调整来实现自适应、自组织功能。加权系数的调整可以采用不同的学习规则, 从而构成不同的控制算法。这些学习规则, 与神经元的输入、输出和输出偏差三者的相关函数有关。该规则有利于单神经元自适应控制器与受控对象的交互作用, 增强学习能力、适应能力和控制能力, 易于实时控制。

3.10 分级变频控制方式

有些感应电机需要带重载起动, 使用传统的软起动方法比较困难, 一般负载起动转矩在额定转矩的60%以下采用降压起动型的软起动器比较适宜。如果在降压的同时也相应地降低电源的频率, 可实现起动高转矩。降低电源频率可以采用两种方法, 一种是使用变频器, 一种是采用分级变频方式的软起动器, 它具有较好的经济性。

分级变频的控制方法能够在电机起动过程中, 使电压频率从一个比较小的初值逐级增大至50 Hz, 从而提高低电压时的转矩。分级变频软起动器的主电路拓扑结构同一般软起动器一样, 同时由于晶闸管是一种半控器件, 它只能产生工频的几分频, 使频率分步离散地增加。分级变频的控制方法改善了软起动器控制电机低速时的转矩。分级变频方式还可以实现软停车, 也可以使软起动器输出负相序电压, 使电机处于电磁制动状态。

3.11 软停车

当软停车时, 软起动器并不关闭输出, 而是继续向电机提供一个比负载阻转矩小的驱动转矩, 使电机缓慢而平稳的停止。软停车功能适用于要求平滑停车的场合, 如水泵, 避免“水锤效应”。图8是电压斜坡软停车方式控制下软起动器输出电压曲线, 电压斜坡软停车方式近似是电压斜坡起动方式的反过程。

3.12 制动停车

电动机需要迅速且准确停车时, 通常要通过制动使电机停止运行。而通过软起动器不但可以实现电动机从零到预定转速的起动过程, 还可实现电动机的能耗制动或反接制动。直流能耗制动需外加直流电源或通过外加整流器将交流转换成制动需要的直流。这里所讲的是通过交流电机软起动器的电力电子功率元件, 改变其向电动机输送交流电能的通道, 也可以实现直流能耗制动。这样可利用一台设备, 同时实现电机的起停控制和制动控制, 省去了一套制动单元。

3.13 节能运行

电机轻载运行时, 效率、功率因数均较低, 造成了电能的很大浪费。使用软起动器配以相应的节能控制算法可以起到一定的节能效果。具有节能功能的软起动器可对电机电流、功率因数进行监视, 控制电动机的端电压变化, 使其在欠载或空载的情况下调整电动机的电压, 降低励磁电流, 从而达到节能的目的。感应电动机额定电压和额定频率下的效率和功率因数及负荷率的近似关系如表1所示。由于在各种不同特性的负载下, 电动机的工作特性变化情况不同, 因此节能效果也不同[2]。另外, 软起动器节能的效果还同负载持续时间、电机极对数、电机容量有关。

4 总结与展望

晶闸管从50年代诞生以来, 随着电力电子元件制造技术的提高, 其电流、电压等级不断提高, 可靠性、稳定性不断加强, 使晶闸管软起动器得以实现并投入大规模工业应用。微电子技术、特别是集成电路技术的发展使得软起动器得以不断简单化、小型化。国外发达国家对软起动器的研究起步较早。九十年代, 我国对软起动器的研究开始进行, 随后形成了软起动器的研究热潮。目前国内外对软起动器的研究方兴未艾, 随着各国技术人员研究的深入, 计算机技术和现代控制理论的发展, 各种新兴的软起动器控制方式必将不断涌现。

参考文献

[1]刘利, 王栋.电动机软启动器实用技术[M].北京:中国电力出版社, 2009.

[2]刘利, 王栋, 杨润玲, 等.电机软启动器节能运行功能及其应用研究[J].电气传动, 2010, (4) :11-14.

[3]李焦明.变频恒压供水循环软起动控制系统的设计与调试[J].化工自动化及仪表, 2009, 36 (4) :84-87.

[4]王兆安, 张明勋.电力电子产品设计应用手册[M].北京:机械工业出版社, 2003.