一種電容啟動補償裝置的研制

吳明強

摘 要：該文闡明了一種適用于電源車供電的中型異步電動機電容啟動補償裝置的工作原理和設計特點，并結合工程應用實例，對其應用進行了敘述。該補償裝置采用電流互感器實時檢測電機相電流，以決定補償裝置轉換開關的投切時間。該補償裝置采用主從控制方式運行，補償裝置可作為下位機與上位機采用MODBUS協(xié)議進行通信，通過上位機軟件界面控制其運行。整個啟動控制系統(tǒng)性能可靠、制造成本低、經(jīng)濟實用，具有較大的實用價值。

關鍵詞：電動機 啟動 電容補償 控制

中圖分類號：TP17 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（a）-0043-02

中壓電動機在啟動時，一般會產生5～7倍的啟動電流[1]，這一方面造成對電網(wǎng)的沖擊、降低電網(wǎng)電能的質量；另一方面造成電機繞組的發(fā)熱，并且過大的轉矩沖擊又會影響電機本身及其驅動設備的使用壽命[2]。此外，對于煤礦挖掘機、抽油機、提升機等采用移動電源車，柴油發(fā)電機組供電、頻繁啟動、周期性沖擊負荷的大功率機電設備，其電動機在啟動過程中，除去以上問題外，還存在以下兩個不利因素。

（1）柴油發(fā)電機供電系統(tǒng)的突加負載的能力比一般變壓器供電系統(tǒng)的要弱，其突加負載一般為50%額定負載，而變壓器供電系統(tǒng)的突加負載則沒有限制。

（2）由于啟動電流大，功率因數(shù)低，因而異步電動機啟動時，會對柴油發(fā)電機造成很強的去磁作用，導致其輸出電壓降低，運行頻率下降，帶不動負載。

針對以上情況，該公司研制了一種中型異步電機電容啟動補償裝置，以解決此類問題。該裝置在神華集團，內蒙古薛家灣煤礦等地的應用中，取得了理想的效果。

1 啟動補償裝置設計原理

補償裝置的主電路原理圖如圖1，其工作原理為：首先，發(fā)出啟動命令后，DSC控制器通過電流互感器CT，依次檢測電動機三相電流。如果某相電流超過設定，則控制器通過驅動電路，控制繼電器K2觸頭閉合，接入三相電容補償電路，以對電動機的啟動電流進行限流和功率因數(shù)補償。其次，控制器延時一段時間后，再次檢測電動機各相電流，如電動機相電流小于設定值，則控制繼電器K2斷開，使補償電路脫離，從而完成電機的啟動。為限制啟動過程中，諧波引起的過流和電容器組啟動涌流，每相電容器組還串接干式鐵心電抗器。電容補償電路的參數(shù)設計，以電路不產生振蕩為準。為了避免電壓波動對電容器造成損害，系統(tǒng)選用的補償電容額定工作電壓略高于系統(tǒng)額定電壓的電容器，為避免由此帶來電容器實際容量下降。系統(tǒng)設計過程中，在選擇電容器時，對電容器容量進行了適當?shù)难a償。

補償裝置的控制以Microchip公司出產的DSPIC6014為控制核心[3]，它既可單獨運行，又可通過232/485接口，與上位機（PC機）組成主、從控制系統(tǒng)，由上位機通過標準的MODBUS-RTU協(xié)議，控制設備的運行。補償裝置的控制電路原理框圖如圖2。

與之配套的，上位機監(jiān)控程序采用VB6.0編寫[4]。上位機用戶界面如圖3所示，它采用的是VB中MSComm的控件的事件驅動方式接收數(shù)據(jù)。程序中設及到的03碼、05碼、06碼等命令字的發(fā)送，則嚴格按MODBUS協(xié)議所設計的幀格式和主、從機在該協(xié)議基礎上所定義的通信協(xié)議進行。Timer1定時器事件是整個監(jiān)控程序的核心，用于對接收到的，從機（補償裝置）上傳的數(shù)據(jù)幀，進行有效性判別、應答和超時判斷。由于本裝置采用的是標準MODBUS協(xié)議，因而有較強的兼容性，除了可以使用VB軟件編寫監(jiān)控軟件外，還可以通過簡單的組態(tài)，采用任何支持MODBUS協(xié)議的組態(tài)軟件，編寫監(jiān)控程序，以方便用戶。

2 應用實例

2.1 背景介紹

補償設備研制成功后，已成功地運用于內蒙古神華集團薛家灣煤礦的WK-10系列挖掘機的異步電動機的啟動中。該挖掘機由太原重型機械廠生產，采用中壓交流電動機（690KW/6KV）驅動，電源車供電，其中的柴油發(fā)電機采用美國康明斯進口發(fā)電機組。發(fā)電機組頻率范圍為：50～52.5Hz，輸出電壓范圍為：6 000～6 600V，額定電流206A，最大過載電流309A，其頻率越高，輸出功率越大，啟動電流越小。

2.2 設備使用前、后對比

該挖掘機驅動電機在使用本設備前，采用串電抗器啟動方式。發(fā)電機工作頻率為52.5Hz，輸出電壓為6 400V，啟動電流為額定電流的7～9倍，且功率因數(shù)較低，一般只有0.2～0.3左右，因而導致柴油發(fā)電機組提供的有功分量明顯減少，滿足不了啟動的要求，往往啟動瞬間，挖掘機驅動電機停機，產生過電壓，造成發(fā)電機組智能型PCC3201控制系統(tǒng)電子模塊化控制盤，發(fā)生過壓保護動作，使得發(fā)電機組停機。據(jù)統(tǒng)計，采用電抗器這種方式啟動，一般情況只有33%的情況可啟動成功，并且由于啟動時，電機發(fā)熱，再次啟動往往需要間隔半小時，嚴重影響了該設備的使用效率。

在加裝本公司電容補償裝置后，由于啟動電流所需的無功電流大都由電容器供給，因而該裝置的使用，減少了啟動電流對柴油發(fā)電機的去磁作用，從而提高整個設備的安全系數(shù)和效率。此時，啟動電流減少到300A，低于發(fā)電機最大過電流309.3A，發(fā)電機頻率可減小到50Hz，輸出電壓：6 400V，經(jīng)過測試，一般95%以上可啟動成功。如把發(fā)電機頻率適當調高，啟動成功率則更高。

在實際應用中，我們測試發(fā)現(xiàn)，啟動時，電容補償電路啟動投入時間點的確定一般不存在問題，但斷開時間點，需要根據(jù)現(xiàn)場情況進行多次調試，以防止電容放電、反沖過電壓，使發(fā)電機組保護裝置動作。

3 結語

該啟動裝置用于挖掘機，提升機、抽油機等大功率、電源車供電、頻繁啟動的工礦設備中，在不影響啟動力矩的情況下，既降低了啟動電流、縮短了啟動時間，又提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，取得了較好的效果，具有較大的實用價值。

參考文獻

[1] 鄧星鐘，周祖德，鄧堅.機電傳動控制[M].武漢：華中科技大學出版社，2001.

[2] 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[3] 梁海浪.DSPIC數(shù)字信號控制器C程序開發(fā)及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[4] 李江全，湯智輝，朱東芹，等.VisualBasic數(shù)據(jù)采集與串口通信測控應用實戰(zhàn)[M].北京：人民郵電出版社，2010.