基于DSP的異步電動機(jī)變頻起動技術(shù)

倪偉

（南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 輪機(jī)工程系，江蘇南通 226010）

基于DSP的異步電動機(jī)變頻起動技術(shù)

倪偉

（南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 輪機(jī)工程系，江蘇南通 226010）

異步電動機(jī)在船舶輔機(jī)中得到廣泛應(yīng)用，但異步電動機(jī)直接起動過程中存在起動電流大、起動轉(zhuǎn)矩低的缺陷。針對異步電動機(jī)直接起動存在的缺陷，設(shè)計基于DSP的變頻起動裝置和編寫調(diào)試軟件，進(jìn)行異步電動機(jī)變頻起動。結(jié)果表明，基于DSP的異步電動機(jī)變頻起動技術(shù)具有重要的應(yīng)用價值。

DSP；異步電動機(jī)；變頻起動；船舶輔機(jī)

0 引 言

異步電動機(jī)尤其是鼠籠式異步電動機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單堅固，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，在船舶輔機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。異步電動機(jī)雖然起動較同步電動機(jī)更容易，但起動期間的瞬時電流較大，尤其當(dāng)異步電動機(jī)的容量較大時帶來的影響更加不能忽略。而船舶輔機(jī)中的異步電動機(jī)一般容量都較大且數(shù)量較多，起動時對船舶電網(wǎng)尤其是船舶電子設(shè)備影響更大。基于DSP可設(shè)計一種變頻起動技術(shù)來克服異步電動機(jī)起動對船舶電網(wǎng)造成的影響，該變頻起動技術(shù)不但適用于異步電動機(jī)，也適用于同步電動機(jī)，具備一定的廣泛性[1-2]。

1 異步電動機(jī)常用起動技術(shù)

異步電動機(jī)因其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速存在轉(zhuǎn)差而得名，正因?yàn)檗D(zhuǎn)差的存在使得異步電動機(jī)起動較同步電動機(jī)更加容易，但在啟動瞬間而轉(zhuǎn)子還未開始轉(zhuǎn)動時，起動電流較大，當(dāng)轉(zhuǎn)子帶有較重負(fù)載起動時，這種情況更加嚴(yán)重，異步電動機(jī)全壓起動時情況最為惡劣。

基于M ATLAB進(jìn)行異步電動機(jī)全壓起動仿真實(shí)驗(yàn)，其定子電流仿真波形[3]如圖1所示。

圖1 異步電動機(jī)全壓起動定子電流仿真波形

仿真結(jié)果表明，單臺異步電動機(jī)全壓啟動時最大瞬時電流達(dá)到約100A，當(dāng)船舶輔機(jī)中的同等容量異步電動機(jī)同時起動時，船舶電網(wǎng)的瞬時電流很大，極大影響了船舶電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

異步電動機(jī)常用的起動方法有在轉(zhuǎn)子回路中串入附加電阻，但此種技術(shù)僅適用于繞線式異步電動機(jī)。鼠籠式異步電動機(jī)主要采用深槽式和雙鼠籠式設(shè)計來滿足起動要求，但對船舶輔機(jī)中的大容量異步電動機(jī)并不適用。對于大容量異步電動機(jī)可采用降壓起動的方式，主要方法有自耦變壓器起動、星—三角型起動和延邊三角形換接開關(guān)降壓起動。上述三種起動方法都是異步電動機(jī)常用的起動方法，但在船舶輔機(jī)的應(yīng)用場合并不實(shí)用。考慮到船舶尤其遠(yuǎn)洋船舶工作環(huán)境較為惡劣，鹽霧對機(jī)械部件的腐蝕較為嚴(yán)重，以及對星—三角型起動中所需要的大容量接觸器的觸點(diǎn)危害較大等，都會增加船舶輔機(jī)的維護(hù)成本。由電機(jī)學(xué)原理可知，采用恒壓頻比控制可以充分利用電機(jī)鐵芯，保持主磁通不變，發(fā)揮電動機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的能力。異步電動機(jī)變頻起動定子電流仿真波形如圖2所示。

圖2 異步電動機(jī)變頻起動定子電流仿真波形

仿真結(jié)果表明，異步電動機(jī)采用變頻起動時，定子啟動電流大大降低，減小了電網(wǎng)的瞬時沖擊電流，滿足了大容量異步電動機(jī)無觸點(diǎn)開關(guān)、起動過程應(yīng)平穩(wěn)和重載起動、頻繁起動等特殊情況，降低了船舶輔機(jī)的維護(hù)成本。

2 基于DSP的異步電動機(jī)變頻起動技術(shù)原理

在變頻起動過程中，必須滿足輸入電壓的頻率與幅值保持一致才能保證電機(jī)主磁場不至于飽和而導(dǎo)致電機(jī)故障。采用模擬電路實(shí)現(xiàn)頻率與幅值一致雖然可以實(shí)現(xiàn)，但電路構(gòu)成復(fù)雜，對于不同容量的異步電動機(jī)參數(shù)調(diào)試與整定周期較長，且可靠性差。設(shè)計基于DS P技術(shù)的大容量異步電動機(jī)變頻起動電路，在此基礎(chǔ)上提出一種變頻起動控制算法并開發(fā)參數(shù)調(diào)試與整定軟件，協(xié)助所設(shè)計的變頻起動裝置進(jìn)行參數(shù)整定，能夠滿足船舶輔機(jī)中的異步電動機(jī)恒壓頻比控制要求，實(shí)現(xiàn)異步電動機(jī)的變頻起動。異步電動機(jī)變頻起動電路原理如圖3所示。

其中，變頻起動功率電路采用三相橋式整流與逆變電路，將船舶三相電網(wǎng)的交流電整流成直流電，再將直流電進(jìn)行逆變供電機(jī)進(jìn)行起動。異步電動機(jī)變頻起動主電路原理如圖4所示。

圖3 異步電動機(jī)變頻起動電路原理

圖4 異步電動機(jī)變頻起動主電路原理

控制信號采用數(shù)字信號脈寬調(diào)制技術(shù)（DPW M），由DSP控制器產(chǎn)生控制信號驅(qū)動逆變電路進(jìn)行功率放大，最終實(shí)現(xiàn)異步電路的變頻起動。異步電動機(jī)變頻起動控制電路原理如圖5所示。

圖5 異步電動機(jī)變頻起動控制電路原理

變頻起動電路參數(shù)整定曲線主要為起動電壓—頻率曲線，合理設(shè)置起動電壓—頻率曲線能夠使不同容量的異步電動機(jī)共用同一套控制算法，從而使這種變頻起動技術(shù)具有普遍適用性。異步電動機(jī)變頻起動電壓—頻率整定曲線如圖6所示。

圖6 異步電動機(jī)變頻起動電壓—頻率整定曲線

考慮到船舶輔機(jī)中大容量異步電動機(jī)的工作環(huán)境較為惡劣，溫度變化范圍較大且有可能帶重載起動，必須考慮其變頻起動過程中出現(xiàn)的電機(jī)過流情況。通常設(shè)計異步電動機(jī)時將起動瞬時電流設(shè)置為額定工作電流的3~5倍，在重載起動時瞬時電流有可能突破電機(jī)啟動瞬時電流設(shè)置。因此，必須設(shè)計一種重載起動時的軟件控制算法，通過檢測判斷起動時的電機(jī)定子電流實(shí)現(xiàn)重載條件下的安全起動。異步電動機(jī)重載起動軟件流程如圖7所示。

圖7 異步電動機(jī)重載起動軟件流程

3 異步電動機(jī)變頻起動裝置的設(shè)計與調(diào)試軟件的實(shí)現(xiàn)

異步電動機(jī)變頻起動裝置的硬件設(shè)計分為功率變換電路與控制電路，功率變換電路與控制電路采用數(shù)字隔離器進(jìn)行控制信號傳輸，控制電路所需的電壓、電流等電氣參數(shù)信息采用霍爾傳感器進(jìn)行變送，實(shí)現(xiàn)電氣信號的轉(zhuǎn)換與隔離[4]。異步電動機(jī)變頻起動裝置的設(shè)計采用西門康公司（SEM I KRON）的集成功率模塊構(gòu)成功率變換電路，霍爾傳感器采用Al l egr o公司的ACS系列，光電耦合器采用ADI公司的ADuM 1200數(shù)字隔離器，主電路原理如圖8所示；異步電動機(jī)控制電路采用f reescal e公司的56F8037作為控制芯片，控制電路原理如圖9所示；采用Vi sual Basi c 6.0作為調(diào)試軟件的開發(fā)環(huán)境[5]，采用RS422/485串行通信協(xié)議，通信電路原理如圖10所示。

上位機(jī)調(diào)試軟件主要完成的功能為狀態(tài)檢測與控制、參數(shù)整定值的設(shè)置、故障診斷與數(shù)據(jù)記錄。船舶輔機(jī)變頻起動調(diào)試軟件界面流程如圖11～圖12所示。

圖8 異步電動機(jī)變頻起動裝置主電路原理

圖9 異步電動機(jī)控制電路原理

圖10 異步電動機(jī)串行通信電路原理

圖11 船舶輔機(jī)變頻起動調(diào)試軟件界面

4 結(jié)束語

船舶輔機(jī)中大容量異步電動機(jī)的變頻起動技術(shù)是一種新穎的起動技術(shù)，與傳統(tǒng)的啟動方法相比，具有啟動電流小、開關(guān)無觸點(diǎn)、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，比較適合重載、頻繁啟動的場合。正是基于這種考慮，設(shè)計一種交—直—交變頻啟動電路，并基于DSP對變頻起動裝置編寫控制代碼，實(shí)現(xiàn)變頻起動裝置的數(shù)字化控制；基于Vi sual Basi c 6.0和串行通信技術(shù)編寫上位機(jī)調(diào)試軟件，便于變頻起動裝置的調(diào)試和參數(shù)整定，完善異步電動機(jī)變頻起動要求。以某輪空調(diào)裝置的變頻起動技術(shù)改造實(shí)驗(yàn)為例，總功率為50Kw，船舶電網(wǎng)電壓為450V/60Hz，直接起動時定子電流瞬時峰值達(dá)到240A，導(dǎo)致負(fù)載處電壓跌落約10V，采用該裝置后定子電流最大值為45A，負(fù)載處電壓基本未跌落。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性以及裝置的可行性，說明變頻起動在船舶輔機(jī)中具有重要應(yīng)用價值。

圖12 船舶輔機(jī)變頻起動調(diào)試軟件流程

[1]陳堅.電力電子學(xué)——電力電子變換和控制技術(shù)[M].北京:高等教育出版社，2002:109-113.

[2]章云，謝萍莉，熊紅艷.DSP控制器及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001:35-65.

[3]謝小竹，彭彬.M ATLAB電力系統(tǒng)設(shè)計與分析[M].北京:國防工業(yè)出版社，2004:122-130.

[4]倚鵬.高壓大功率變頻器技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社，2008:217-221.

[5]范逸之.Vi sual Basi c與RS232串行通訊控制[M].北京:中國青年出版社，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

倪偉（1973—），男，江蘇南通人，南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院輪機(jī)工程系助教，遠(yuǎn)洋二管輪，電機(jī)員.

喬維德]