異步電動機軟啟動的特性及關(guān)鍵技術(shù)研究

張興海

【摘要】本文根據(jù)電動機軟起動控制的理論與實踐研究基礎(chǔ)，認為其控制效果主要取決于控制策略與方法。為實現(xiàn)起動電流與起動時間的協(xié)調(diào)控制，非線性控制方法是最優(yōu)控制選擇之一。本文依據(jù)異步電動機起動過程的邏輯原理，對動態(tài)規(guī)劃的異步電動機起動進行了特性分析。在此基礎(chǔ)上，通過軟起動控制算法模塊和自耦磁控軟起動器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，提出動態(tài)規(guī)劃的最優(yōu)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(guān)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(tài)規(guī)劃法對電機起動過程進行非線性控制，從而實現(xiàn)起動過程的最優(yōu)控制。電機軟啟動控制技術(shù)經(jīng)歷了四個階段，第一階段是開環(huán)電壓斜坡控制方式；第二階段是電流限制電流的閉環(huán)控制模式的代表；在閉環(huán)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩；第四階段是使用軟啟動現(xiàn)代控制理論中，比較有代表性的是模糊控制、自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(nèi)；另一類是起動過程中提高電磁轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩，但是會有轉(zhuǎn)矩脈動，為了減少轉(zhuǎn)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(fā)熱，造成電機發(fā)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(yīng)考慮啟動時間。在起動電流有限的情況下，降低起動時間，優(yōu)化軟起動過程是有價值的。由于軟啟動過程的動態(tài)特性和明顯的時序特性，這是與動態(tài)規(guī)劃控制方法的應(yīng)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(diào)速階段、電流上升階段和調(diào)速階段時間短、相位常數(shù)增加速度最長時間。為了縮短起動時間，優(yōu)化起動過程，在恒速升速階段可以得到最優(yōu)控制。軟啟動理想的起動特性和基于軟起動過程的規(guī)劃控制算法的動態(tài)特性，起動過程分為幾個階段，每個階段根據(jù)控制要求，選擇不同的控制決策，共同構(gòu)成整個控制過程的控制策略。采用動態(tài)規(guī)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(shè)計

為了實現(xiàn)電機的平穩(wěn)起動，設(shè)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(dāng)被問到有限的起動方式適用于用嚴格的時間限制根據(jù)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(shè)定值時，開關(guān)的運行狀態(tài)。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(jiān)測電路。在啟動斜坡控制模式下，控制器向觸發(fā)板輸出固定斜率電壓信號，從而改變晶閘管觸發(fā)角，改變阻抗耦合電抗器，提高電機的端子電壓，從而實現(xiàn)平穩(wěn)、軟啟動。匝道控制是一種開環(huán)控制方式，如果電機負荷發(fā)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(jié)構(gòu)設(shè)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(lián)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(lián)晶閘管的開始確定自耦合磁控電抗器的需要和反并聯(lián)晶閘管電動機容量不同容量雖然不同，但電路結(jié)構(gòu)是一致的?？刂齐娐放c電機容量無關(guān)，可設(shè)計成通用型?？刂齐娐钒娏鳈z測電路、電壓檢測電路、控制器和外圍電路、觸發(fā)電路、人機接口電路等。根據(jù)檢測到的電流、電壓、轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)等信息通過數(shù)據(jù)處理并根據(jù)控制算法設(shè)計，最后形成各種開關(guān)信號和晶閘管觸發(fā)信號。軟起動器的性能取決于控制電路的結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)速，并計算出功率因數(shù)的大小來判斷啟動過程的階段，決定開關(guān)降壓降壓級的磁控管級和級。（2）根據(jù)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(diào)節(jié)電機的電壓，實現(xiàn)軟啟動，避免自耦變壓器從當(dāng)前兩沖擊現(xiàn)象。（3）根據(jù)計算出的功率因數(shù)值，確定無功補償，接通電容器組，動態(tài)調(diào)整無功補償容量，以提高啟動過程中的功率因數(shù)。

4電動機起動過程中無功功率補償方案構(gòu)建

根據(jù)無功補償原理，該裝置具有容性負載功率與電力負荷并聯(lián)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?shù)某Ｓ梅椒ㄓ校海?）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(nèi)的賠償，這些電容器。功率分配范圍內(nèi)的總功率因數(shù)補償?shù)街付ㄖ狄陨?。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(yè)內(nèi)部電路中還存在大量的無功潮流，產(chǎn)生大量的無功損耗。（2）無功功率補償：在配電變壓器低壓側(cè)、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(jié)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(yīng)電機旁邊或在線接線端。就地補償相當(dāng)于電機側(cè)的無功功率，電機只需要在無功功率補償?shù)臒o功功率只提供電機和并聯(lián)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?shù)姆椒ㄐЧ顬槊黠@。無功補償裝置可以達到提高變壓器容量、降低電網(wǎng)電壓降、降低無功損耗、減少電氣設(shè)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?shù)姆椒▽o功功率進行補償，提高了功率因數(shù)。

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