異步電動機軟啟動的特性及關鍵技術研究

張興海

【摘要】本文根據電動機軟起動控制的理論與實踐研究基礎，認為其控制效果主要取決于控制策略與方法。為實現起動電流與起動時間的協調控制，非線性控制方法是最優控制選擇之一。本文依據異步電動機起動過程的邏輯原理，對動態規劃的異步電動機起動進行了特性分析。在此基礎上，通過軟起動控制算法模塊和自耦磁控軟起動器整體結構設計，提出動態規劃的最優控制策略。最后提出了電動機起動過程中無功功率補償方案。

【關鍵詞】電動機 軟起動 控制理論 算法模塊

1異步電動機起動特性分析

鑒于理想電機與異步電動機起動特性、非線性和強耦合特性，可以采用動態規劃法對電機起動過程進行非線性控制，從而實現起動過程的最優控制。電機軟啟動控制技術經歷了四個階段，第一階段是開環電壓斜坡控制方式；第二階段是電流限制電流的閉環控制模式的代表；在閉環轉矩控制和離散頻率的第三階段為代表，控制的目的是提高起動過程電磁轉矩；第四階段是使用軟啟動現代控制理論中，比較有代表性的是模糊控制、自適應控制、神經網絡控制。這些控制方法的控制目標可分為兩類：一類是控制電流，電流控制在有限范圍內；另一類是起動過程中提高電磁轉矩，適用于重載軟起動電動機。這些控制方法不考慮控制過程中的開始時間。雖然可以降低啟動電流，但會延長啟動時間；變頻起動過程中可以提高電磁轉矩，但是會有轉矩脈動，為了減少轉矩脈動會使頻率變化是緩慢的，它會延長啟動時間。起動時間的延長會使電機發熱，造成電機發熱，造成主電路的熱繼電器動作，啟動故障。因此，啟動過程中應考慮啟動時間。在起動電流有限的情況下，降低起動時間，優化軟起動過程是有價值的。由于軟啟動過程的動態特性和明顯的時序特性，這是與動態規劃控制方法的應用相一致。軟起動曲線的理想起動，軟起動過程可分為電流上升階段、恒流升速階段、調速階段、電流上升階段和調速階段時間短、相位常數增加速度最長時間。為了縮短起動時間，優化起動過程，在恒速升速階段可以得到最優控制。軟啟動理想的起動特性和基于軟起動過程的規劃控制算法的動態特性，起動過程分為幾個階段，每個階段根據控制要求，選擇不同的控制決策，共同構成整個控制過程的控制策略。采用動態規劃的非線性控制方法，對提高軟起動器的性能具有重要意義。

2軟起動控制算法模塊設計

為了實現電機的平穩起動，設計了四種起動方式，如限時間、斜率控制、恒流控制和智能控制。當被問到有限的起動方式適用于用嚴格的時間限制根據起動過程起動時間，自耦變壓器階段時間和時間的磁控電壓相位分布，起動時間達到設定值時，開關的運行狀態。斜率控制方式是一種相對簡單的控制方式，所檢測的電流值不作為反饋量，而是作為短路、過載等監測電路。在啟動斜坡控制模式下，控制器向觸發板輸出固定斜率電壓信號，從而改變晶閘管觸發角，改變阻抗耦合電抗器，提高電機的端子電壓，從而實現平穩、軟啟動。匝道控制是一種開環控制方式，如果電機負荷發生變化，起動性能不能得到保證。

3自耦磁控軟起動器整體結構設計

白耦磁控軟啟動裝置的硬件和軟件包括：主電路和控制電路。主電路由三相電源、自耦磁電抗器、反并聯晶閘管、無功補償電容器組、三相異步電動機組成。電機容量白耦合磁控電抗器和反并聯晶閘管的開始確定自耦合磁控電抗器的需要和反并聯晶閘管電動機容量不同容量雖然不同，但電路結構是一致的。控制電路與電機容量無關，可設計成通用型。控制電路包括電流檢測電路、電壓檢測電路、控制器和外圍電路、觸發電路、人機接口電路等。根據檢測到的電流、電壓、轉速、功率因數等信息通過數據處理并根據控制算法設計，最后形成各種開關信號和晶閘管觸發信號。軟起動器的性能取決于控制電路的結構和控制算法。軟啟動控制器的主要功能可歸納為以下幾個方面：

（1）檢測電機在起動過程中的起動電流、電壓、電機轉速，并計算出功率因數的大小來判斷啟動過程的階段，決定開關降壓降壓級的磁控管級和級。（2）根據檢測到的電流和電壓信號，計算、處理、決策控制策略分析，通過阻抗變換器的阻抗變化，調節電機的電壓，實現軟啟動，避免自耦變壓器從當前兩沖擊現象。（3）根據計算出的功率因數值，確定無功補償，接通電容器組，動態調整無功補償容量，以提高啟動過程中的功率因數。

4電動機起動過程中無功功率補償方案構建

根據無功補償原理，該裝置具有容性負載功率與電力負荷并聯的感性，讓這兩種無功功率之間的能量交換，感性負載需要輸出電容負載無功補償。無功補償的常用方法有：（1）無功補償集中：在配電總線在高低壓配電電容器組的幾組，對無功功率的分布范圍內的賠償，這些電容器。功率分配范圍內的總功率因數補償到指定值以上。集中補償方法只能補償高壓、低壓母線前后的無功功率。企業內部電路中還存在大量的無功潮流，產生大量的無功損耗。（2）無功功率補償：在配電變壓器低壓側、車間或少量小功率異步電動機上安裝無功補償器。無功功率范圍小，節電效果好于集中補償。但也存在這樣的問題：在其他異步電動機的供電線路中，仍有大量的無功電流流過無功補償。（3）異步電動機局部補償：無功補償裝置直接連接到感應電機旁邊或在線接線端。就地補償相當于電機側的無功功率，電機只需要在無功功率補償的無功功率只提供電機和并聯電容器之間的大部分的無功功率。這種方法可以消除高低壓供電線路中的無功功率，減少線路負載電流和損耗，是一種最完整的補償方法。如果異步電動機容量大，長期輕負荷運行，或者供電線路長，采用無功補償的方法效果最為明顯。無功補償裝置可以達到提高變壓器容量、降低電網電壓降、降低無功損耗、減少電氣設備事故、提高安全性的目的。因此，在電機軟起動過程中，采用局部補償的方法對無功功率進行補償，提高了功率因數。

參考文獻：

[1]機械自動化在煤礦中的應用[J].盧杰.煤炭技術.2014（03）

[2]空間矢量脈寬調制算法（SVPWM）的原理及其仿真研究[J].張強，任一峰，林都，趙敏.電氣技術.2010（06）

[3]一種變頻調速系統的SVPWM控制設計[J].張宏嶺，王大志.單片機與嵌入式系統應用.2009（10）endprint