摘 要：異步電動機起動電流過大將對電網造成很大的沖擊。在分析異步電動機功率因數角特性的基礎上，以功率因數角作為系統的反饋量進行閉環控制，避免了在起動過程中由于電機端口輸入電壓的變化引起的電磁轉矩振蕩及電流振蕩，保障了電機電壓按預期的規律進行調節。
實驗結果證明了該方法的有效性。
關鍵詞：異步電動機；軟起動器；功率因數；閉環控制；實驗
0 引 言
一般情況下，三相異步電動機的起動電流比較大，而起動轉矩并不大。過大的起動電流會使電網電壓下降，影響其他用電設備的正常運行，甚至使自身無法起動，必須采取措施來降低起動電流，常用的辦法是降壓起動。而傳統的降壓起動方法，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行連續調節，因而導致電機起動時仍然存在較大的沖擊電流_。本文詳細分析了異步電動機起動和運行過程中的功率因數角特性，以電機功率因數角作為系統的一個反饋量，對功率因數角進行閉環控制，在保證較大起動轉矩的條件下，有效地降低了電機的起動電流。系統中通過監測電機功率因數角，借助模糊控制方法實時修正晶閘管的觸發角，避免了在電機起動過程中，由于端口輸入電壓的變化引起的電磁轉矩振蕩及電流振蕩，保障了電機電壓按預期的規律進行調節。另外，電機功率因數角信息的獲得為電機的輕載節能運行提供了可靠依據。系統設計簡單、可靠。實驗證明該方法的有效性，并具有良好的動態響應性能和魯棒性。
1 功率因數角特性分析
1．1 運行過程中的功率因數角特性三相異步電動機可用如圖1所示的T型電路進行等效。
電機的功率因數角θ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：
在供電頻率不變的情況下，電機的同步轉速ns是常量。電機轉速n與同步轉速ns的關系為：
n=ns(1一s) (2)
根據式(1)和式(2)，可知功率因數角φ與電機轉速n存在如下關系：
φ=f(n) (3)當已知電機參數時，可得φ=f(n) 的關系曲線如圖2所示。
由圖可見，在電機起動的過程中，隨著轉速的增加，功率因數角有較大的變化。如圖2曲線b段所示，功率因數角隨轉速增大而減小，當轉速達到額定轉速時，功率因數角達到最小值，若達到額定轉速后，電機運行于輕載或空載狀態，則轉速會進一步增加，如圖2曲線a段所示。此時功率因數角增大。
1．2 軟起動過程中的功率因數角特性
異步電動機的軟起動器是一種電子式調壓設備，即通過連續控制電壓值進行各種起動、運行控制的，這就要求軟起動器可以根據實際的工作狀態，通過一定的控制策略連續、相對平穩地進行電壓調節。由于電機是一個典型的感性負載，對電流有明顯的續流現象，因此對這樣的感性負載實現電壓控制相對于阻性負載復雜得多。
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、電流波形相對復雜。軟起動過程中的電流波形如圖3中曲線i所示。圖中α為功率器件的觸發延遲角，φ為可測功率因數角，θ為電流斷續角。曲線u為電源輸入相電壓，曲線i為電機定子側相電流。
圖中φ為可測功率因數角，也即是電機續流角，表明了電機對電流的續流情況。通過控制功率器件的觸發延遲角α來改變電流斷續角θ的量值，也就相當于控制了電機定子側的電壓值。由上圖可得如下關系式：
φ=α-θ (4)2
2. 功率因數角閉環軟起動器設計
2．1軟起動器設計
圖4為異步電動機功率因數角閉環控制系統的原理框圖。對于SCR．觸發角的控制大體上包括兩個部分：(1)按預先設定的觸發規律進行SCR．觸發角的調節，即圖中的預設觸發角α′n(2)按功率因數角變化而變化的SCR觸發角的增量△α′n。
兩部分相加即得實際的SCR．觸發角αn(其下標代表第n次調節量)。
在功率因數角閉環控制方法中，根據功率因數角的變化量△φn計算SCR觸發角的增量△αn是本控制方法的關鍵。由于軟起動器所帶的電機參數、功率等級，工作狀態，電機負載類型的差異要求控制策略適應不同的工況，具有負載類型的不敏感性，因此，本文采用模糊控制算法對進行△αn計算，取得了較好的控制特性。
2．2 系統控制單元設計
控制單元由80C196KC單片機及其外圍電路構成，負責信號的檢測、處理和系統控制。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，因此保證了軟起動器軟硬件設計的簡潔、高效、廉價。控制單元的工作原理如圖5所示。
來自三相供電電源的電壓信號經過同步脈沖信號電路后，形成每個電壓周期6個脈沖(300 Hz)的三相電壓同步脈沖序列，進入HSl0口，作為SCR．觸發的時鐘基準；同時電源各相電壓方波整形信號進P1．O—P1．2，以備進行軟件的缺相、斷相保護之用。電壓、電流經****值及濾波電路進 入MCU的A／D轉換器，可對電壓、電流進行信號的采樣及處理。同時電 流信號經****值及方波整形進入HSI 1，用來檢測電流斷續角θ，以求出可測功率因數角φ。保護電路將電流、電壓信號濾波后與參考量進行比較，當電流、電壓幅值過高是阻斷觸發通路，并向MCu外部中斷ExINT發出信號進行中斷處理。
2．3 系統軟件設計
系統的主程序流程如圖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，進入系統起動控制。并于系統閉環控制期間不斷檢測系統狀態，發現故障停機處理，并發送停機信號進行報警。
3 實驗結果
圖7為晶閘管壓降信號波形，圖8為晶閘管觸發脈沖信號波形。圖9線電壓斬波輸入信號波形。
圖1 O為功率因數角閉環控制的情況下，軟起動過程中電流變化過程，可以看出，在電機起動初期，電流較大，電機轉速在逐漸上升，當轉速達到額定值時，電流達到最小值。在起動過程中，電流變化平穩，沒有出現振蕩現象。軟起動時的起動電流是其穩定運行電流時的2～3倍。圖11為軟起動過程中的轉速波形。動態過程無明顯波動，運行平穩。
4 結 論
本文設計了以功率因數角為反饋控制量的三相異步電動機軟起動控制系統。通過監測功率因數角的變化，實時修正晶閘管的觸發角，避免在電機起動過程中，由于端口輸入電壓的變化引起的電磁轉矩振蕩及電流振蕩，能夠保障電機電壓按預期的規律進行調節。另外，電機功率因數角信息的獲得，為電機的輕載節能運行提供了依據。
|
