試驗用變壓器吊芯天車三相異步電動機軟啟動器設(shè)計研究 *

高原彬

(甘肅電器科學(xué)研究院，甘肅 天水 741018)

0 引 言

近年來，我國工業(yè)快速穩(wěn)定發(fā)展，各行各業(yè)電氣設(shè)備的電使用量也在逐年增長，變壓器產(chǎn)品的試驗檢測工作愈加重要，在試驗過程中對于試驗儀器設(shè)備的性能有了更高要求。原有的傳統(tǒng)起動方式具有非常大的局部限定性，假若無法減弱起動電流造成的危害，根本就沒辦法在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中生存。常用的起動方式簡單、方便、有效，但起動轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)困難，起動中電流沖擊大，電網(wǎng)的其他負載會受到劇烈機械沖擊。軟啟動器用于電機起動時，通過控制導(dǎo)通角來調(diào)節(jié)起動壓降，能夠使電機平穩(wěn)起動，減弱對電網(wǎng)的損害。而且，軟啟動器不僅能使電機平穩(wěn)起動，同時對電路有過電流、過電壓、缺相保護功能。因此，如何合理的開發(fā)試驗用變壓器吊芯天車三相異步電動機軟啟動器，如何優(yōu)化電機起動過程，具有極其重要的意義。

筆者通過對異步電動機幾種啟動原理和方式的分析對比，選用軟啟動方式設(shè)計研究試驗用變壓器吊芯天車三相異步電動機啟動器，進行軟啟動器硬件電路設(shè)計、軟件流程開發(fā)，仿真模擬試驗，最終達到異步電動機軟啟動器優(yōu)化三相異步電動機起動過程的結(jié)果。

1 異步電機啟動方式及其原理

1.1 傳統(tǒng)啟動方式的原理分析

傳統(tǒng)啟動方式分全壓啟動和降壓啟動兩種。

1.1.1 全壓啟動

1.1.2 降壓啟動

降壓起動分為定子串電阻降壓起動、星三角降壓起動和自耦變壓器降壓起動三種類型。

(1) 定子串電阻降壓起動是指電機起動時，三相繞組串電阻，減低定子電壓，電動機轉(zhuǎn)速與額定相同后，由接觸器控制切除電阻在額定電壓下運行過程。優(yōu)點是起動平滑穩(wěn)定、運行可靠安全、結(jié)構(gòu)簡單、啟動運動階段功率因數(shù)較高。缺點是電能損耗大、啟動特性難優(yōu)化、頻繁起動時，電抗值溫度的變化導(dǎo)致啟動特性不好。控制過程如圖1所示。

圖1 定子串電阻起動電路

(2) 自耦變壓器利用自耦變壓器降低起動電壓。電動機運行正常后，斷開自耦變壓器，在全壓下正常運行。優(yōu)點是電路簡單，起動電流小，價格低廉，且檢修維護方便等?？刂七^程如圖2所示。

圖2 星-三角形(丫-△)降壓起動控制圖

(3) 自耦變壓器利用自耦變壓器降低起動電壓。電動機運行正常后，斷開自耦變壓器，在全壓下正常運行。優(yōu)點是變壓器電壓抽頭多，能讓不同負載起動時選擇且起動不受電動機接線方式的限定。缺點是體積大，價格貴，且維護檢修費用高。壓起動控制圖如圖3所示。

圖3 自耦變壓器降壓起動控制圖

1.2 軟啟動器起動方式的原理及分類

軟起動器是一種新型的，適用于三相異步電動機軟啟動的控制裝置，它具有軟起動、節(jié)能和保護等功能。脈沖觸發(fā)電路控制串接于三相電源和被控三相異步電動機之間的三相反并聯(lián)晶閘管的導(dǎo)通角，使電機定子繞組電壓從零開始增加，直到達到額定轉(zhuǎn)速、電動機的全電壓。

軟起動器能夠?qū)崿F(xiàn)三相異步電動機平滑穩(wěn)定起動，設(shè)計采用限流起動，原理如圖4所示。起動電流不大于IM，IM是設(shè)定電流限值。晶閘管電壓從零增大，直到電機的起動電流達與IM比較，并大于該值，在保證起動電流小于或者等于IM的情況下，升高電壓，最終在額定電壓運行。

圖4 限流起動原理圖

軟啟動器具有缺相保護(TC783A檢測三相電壓，當(dāng)某相信號缺失，作出反應(yīng))、過電壓保護(TC783A檢測電壓大于基準值，作出過電壓保護措施)、過電流保護(電流檢測電路檢測值與電流限值IM比較，若大于2.5IM應(yīng)采用相應(yīng)的措施)功能。

2 軟啟動器主電路設(shè)計

軟起動器利用相位控制方式調(diào)壓，電路設(shè)計有兩種，一種是采用6只晶閘管，分三組三對反并聯(lián)來實現(xiàn)；一種是用用三只雙向晶閘管構(gòu)成。

圖5 軟啟動器主電路

雙向晶閘管僅有一個門極，由于正負脈沖都可以觸發(fā)晶閘管，有簡化主電路的效果，觸發(fā)電路設(shè)計也比較靈活。但雙向晶閘管門靈敏度低，關(guān)斷t較長，可能形成反導(dǎo)通的觸發(fā)電流，使誤導(dǎo)通。單向晶閘管關(guān)斷也比較簡單，可靠性更好。但主電路需要晶閘管數(shù)量多，電路結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜。

綜合考慮，本設(shè)計中使用三對反并聯(lián)普通晶閘管作為主電路中功率器件。

3 控制硬件電路設(shè)計

設(shè)計所用的控制器是單片機，單片機的選型非常重要，通過比較，STC89C52單片機功能齊全完整，能夠滿足此設(shè)計對控制器的要求。此次異步電動機軟啟動器的設(shè)計主要由主控制器單片機、A/D轉(zhuǎn)換電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、TC787脈沖觸發(fā)電路等模塊組成。

設(shè)計思路是采用限流起動的方式，根據(jù)限流起動的原理，限定值IM一般設(shè)為(2倍左右IN)，單片機通過D/A轉(zhuǎn)換器(D/A轉(zhuǎn)換芯片PCF8591為8位)將輸出0～5 V電壓分為255份，每一份通過放大器放大至0～15 V，送入TC787第4引腳，當(dāng)按下開始按鍵，單片機輸出最大值255給模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入TC787，在單片機內(nèi)部與限流起動的電流設(shè)定值IM比較，如果不相等，由單片機自動減1，直到電流值與IM相等，此時晶閘管兩端電壓Ud=UN，接觸器工作，晶閘管斷開電路。當(dāng)檢測電流>2.5倍IM，單片機系統(tǒng)判定為過電流，或者由TC783A電路向單片機外部中斷發(fā)出中斷請求，說明電路發(fā)生缺相或者過電壓，單片機會通過控制TC787引腳5，來切斷晶閘管觸發(fā)脈沖，并通過聲光報警電路發(fā)出報警，從而保護電路。

LCD1602液晶顯示電路主要顯示電壓的額定值UN、電流的額定值IN，電流限定值IM和電流測量電路測得的起動電流值I?？傮w方案如圖6所示。

圖6 總體方案

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在此次異步電動機軟啟動器的設(shè)計中，系統(tǒng)程序比較復(fù)雜，通過比較分析，決定分塊設(shè)計。主程序流程圖是整個系統(tǒng)功能實現(xiàn)的大致體現(xiàn)，也是軟件編程時的指導(dǎo)思想。具體下去，就是各個功能模塊實現(xiàn)。主程序流程如圖7所示。

在主程序中如果發(fā)現(xiàn)故障，單片機將停止觸發(fā)脈沖的輸出，并停止程序的執(zhí)行，發(fā)出警報；若無故障，單片機通過D/A轉(zhuǎn)換向觸發(fā)脈沖芯片TC787送入移相電壓(此時移相電壓為最大值)，晶閘管工作，電動機開始轉(zhuǎn)動，同時LCD1602顯示額定電壓、額定電流、限流起動電流限定值；電流檢測電路檢測電流，并由LCD1602顯示，A/D轉(zhuǎn)換將電流值送入單片機與電流設(shè)定值進行比較，若未達到限定值，則繼續(xù)減小移相電壓送入TC787。

圖7 主程序流程圖

5 軟件仿真及結(jié)果分析

在實際應(yīng)用中，需要做大量的驗證實驗，用實驗結(jié)果說明電路的連通性和安全性。設(shè)計采用電子電路仿真軟件，將電力電子器件和芯片做成一個元件庫，庫里的每一個元件都與實物按1:1比例制作而成，功能和實物相同，使用者將需要的元器件用導(dǎo)線連接好后就可進行仿真實驗。

5.1 仿真軟件的選擇

在工業(yè)的發(fā)展中，先后出現(xiàn)了很多仿真軟件，常見的仿真軟件有Multisim軟件、OrCAD軟件、Quareus II軟件和Proteus軟件。其中Proteus多用于單片機實驗，本次設(shè)計的主控器件是單片機，因此使用Proteus作為此次設(shè)計的實驗軟件較為合理。

5.2 仿真結(jié)果

5.2.1 主電路及三相交流電源波形

主電路中，電源由3個激勵源構(gòu)成。脈沖觸發(fā)電路通過晶閘管連接電動機。主電路如圖8所示。

三相交流電源仿真波形圖如圖9所示。每一相相位相差120°。

5.2.2 脈沖觸發(fā)波形仿真圖

開始工作時，移相電壓最大，導(dǎo)通電壓為0V，即導(dǎo)通角為0°觸發(fā)角為180°，然后單片機控制移相電壓減小，導(dǎo)通電壓增大，導(dǎo)通角增大，觸發(fā)角減小為0°，直到導(dǎo)通角為180°，器件全導(dǎo)通，定子電壓等于額定值。

圖8 異步電動機主電路Proteus仿真圖

圖9 三相交流電源仿真波形圖

圖10所示波形為觸發(fā)角為180°，導(dǎo)通角為0°，電壓為0V，電動機不轉(zhuǎn)時的波形。

圖11所示波形為觸發(fā)角為90°，導(dǎo)通角為90°，電壓為1/2UN，電動機轉(zhuǎn)速接近一半時的波形。

圖10 觸發(fā)角180°，導(dǎo)通角0°時的波形 圖11 觸發(fā)角90°，導(dǎo)通角90°時的波形

圖12所示波形為觸發(fā)角為30°，導(dǎo)通角為150°時的觸發(fā)脈沖波形。

圖13所示波形為觸發(fā)角0°，導(dǎo)通角為180°，電壓為UN，電動機全速轉(zhuǎn)動時的波形。

圖12 觸發(fā)角30°，導(dǎo)通角150°時的波形 圖13 觸發(fā)角0°，導(dǎo)通角180°晶閘管全導(dǎo)通時的波形

5.2.3 系統(tǒng)仿真圖

此次設(shè)計主要顯示電動機額定電壓、額定電流、電流限定值、和電流測量值。Proteus仿真電路圖如圖14所示。

圖14 LCD1602顯示仿真圖

6 結(jié) 語

試驗用變壓器吊芯天車三相異步電動機軟啟動器的設(shè)計基于限流起動方式原理。電流檢測電路通過A/D轉(zhuǎn)換電路將電流測量值送入單片機，由D/A轉(zhuǎn)換電壓后送入TC787觸發(fā)脈沖芯片的移相電壓輸入端，再由TC787脈沖輸出端送給晶閘管驅(qū)動電路驅(qū)動晶閘管，如果觸發(fā)角變小，導(dǎo)通電壓增大，則要重復(fù)測量電流值，重復(fù)比較，形成自動控制閉環(huán)系統(tǒng)，電機轉(zhuǎn)速等于額定，接觸器工作，旁路電路工作，切斷晶閘管控制電路，電動機全壓起動，完成電動機平滑起動。

設(shè)計的異步電動機軟啟動器硬件結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟，軟件編程簡單、靈活，能夠達到優(yōu)化三相異步電動機起動過程的目的。