基于功率因数闭环控制的异步电动机软起动器的研究

基于功率因数闭环控制的异步电动机软起动器的研究孙立伟，孙 力（哈尔滨工业大学电气工程系 哈尔滨 150001）摘要： 异步电动机起动电流过大将对电网造成很大的冲击，本文在分析异步电动机功率因数角特性的基础上，以电机的功率因数角作为系统的反馈量进行闭环控制，避免了在电机起动过程中，由于电机端口输入电压的变化引起的电磁转矩振荡及电流振荡，保障了电机电压按预期的规律进行调节。实验结果证明了该方法的有效性。关键词：异步电动机；软起动器；功率因数；闭环控制；节能 Soft-starter of Asynchronous Motor Based on Power Factor Closed-loop ControlSun Liwei, Sun Li( Dept. of Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001)Abstract: The large starting current of asynchronous motor may bring about great impact to electric network. According to the analysis of power factor characteristic in asynchronous motors, this paper brings forward a closed-loop control method using the power factor angle as the feedback variable of the system, avoiding the vibration of electromagnetic torsion and currents by variation of input-voltage during the starting process of motors. The above strategy ensures the voltage regulation according to the expected rules. The experiment results prove the availability of the method.Keywords: asynchronous motors; soft-starter; power factor; closed-loop control; energy-saving国家自然科学基金 054770090 引 言一般情况下，三相异步电动机的起动电流比较大，而起动转矩并不大。过大的起动电流会使电网电压下降，影响其他用电设备的正常运行，甚至使自身无法起动。这时就必须采取措施来降低起动电流，常用的办法是降压起动1。而传统的降压起动方法，如星/角起动、定子串电阻或电抗起动、自耦变压器降压起动等，它们都是一级降压起动，起动过程中电流有两次冲击，其幅值虽比直接起动电流低，但起动过程时间较长，且都无法对电机的起动电压进行连续调节，因而导致电机起动时仍然存在较大的冲击电流2。本文详细分析了异步电动机起动和运行过程中的功率因数角特性，以电机功率因数角作为系统的一个反馈量，对功率因数角进行闭环控制，在保证较大起动转矩的条件下，有效地降低了电机的起动电流1。系统中通过监测电机功率因数角，借助模糊控制方法实时修正晶闸管的触发角，避免了在电机起动过程中，由于电机端口输入电压的变化引起的电磁转矩振荡及电流振荡，保障了电机电压按预期的规律进行调节。另外，电机功率因数角信息的获得，为电机的轻载节能运行提供了可靠依据。系统设计简单、可靠，实验证明该方法的有效性，并具有良好的动态响应性能和鲁棒性。1异步电动机功率因数角特性分析1.1运行过程中的功率因数角特性 三相异步电动机可用如图1所示的T型电路进行等效。图1三相异步电动T型等效电路Fig.1 T-type equivalent circuit of asynchronous motor电机的功率因数角值等于任意一相的相电流与相电压的相位差，还等于电机一相的阻抗角。电机一相的阻抗Z可表示为： (1)在供电频率不变的情况下，电机的同步转速ns是常量，电机转速n与同步转速ns的关系为： (2)根据式（1）和（2），可知功率因数角与电机转速n存在如下关系： (3)当已知电机参数时，可得=f(n)的关系曲线，如图2所示：图2 功率因数角与转速的关系曲线Fig2 The curve of relationship of PF angle and speed从上图可见，在电机起动的过程中，随着转速的增加功率因数角有较大的变化，如上图中曲线b段所示。功率因数角随转速增大而减小。当转速达到额定转速时，功率因数角达到最小值。若电机达到额定转速后，电机运行于轻载或空载状态，则转速会进一步增加，如上图中a段曲线所示，此时功率因数角增大。1.2软起动过程中的功率因数角特性异步电动机的软起动器是一种电子式调压设备，即通过连续控制电压值进行各种起动、运行控制的，这就要求软起动器可以根据实际的工作状态，通过一定的控制策略连续、相对平稳的进行电压调节。由于电机是一个典型的感性负载，对电流有明显的续流现象，因此对电机这样的感性负载实现电压控制相对于阻性负载复杂的多3。由于电机在软起动过程中获得的输入电压是一种斩波形式的非正弦电压，其电压、电流波形相对复杂。软起动过程中的电流波形如图3中曲线i所示。图中为功率器件的触发延迟角，为可测功率因数角，为电流断续角。曲线u为电源输入相电压，曲线i为电机定子侧相电流4。图3 软起过程中电机定子电流Fig.3 The soft starting current of stator of motor上图中为可测功率因数角，也即是电机续流角，表明了电机对电流的续流情况。通过控制功率器件的触发延迟角来改变电流断续角的量值，也就相当于控制了电机定子侧的电压值。由上图可得如下关系式：=- (4)2 异步电动机功率因数角闭环软起动器设计2.1软起动器的整体设计 图4为异步电动机功率因数角闭环控制系统的原理框图。对于SCR触发角的控制大体上包括两个部分：（1）按预先设定的触发规律进行SCR触发角的调节，即图中的预设触发角n；（2）按功率因数角变化而变化的SCR触发角的增量n。两部分加和即得实际的SCR触发角n（其下标代表第n次调节量）。图4 功率因数角闭环控制原理框图Fig.4 The theory chart of closed-loop power factor control在功率因数角闭环控制方法中，根据功率因数角的变化量n计算SCR触发角的增量n是本控制方法的关键。由于软起动器所带的电机参数、功率等级，电机工作状态，电机负载的类型的差异要求控制策略适应不同的工况，具有负载类型的不敏感性，因此，本文采用模糊控制算法进行n的计算，取得了较好的控制特性。2.2系统控制单元设计控制单元由80C196KC单片机及其外围电路构成。负责信号的检测、处理和系统控制。其特点是不仅运行速度快，而且有针对于电机控制的6个HSO, 因此保证了软起动器软硬件设计的简洁、高效、廉价。控制单元的工作原理如图5所示。图5控制单元的工作原理框图Fig.5 The theory frame diagram of control unit 来自三相供电电源的电压信号经过同步脉冲信号电路后，形成每个电压周期6个脉冲（300Hz）的三相电压同步脉冲序列，进入HSI0口，作为SCR触发的时钟基准；同时电源各相电压方波整形信号进入P1.0P1.2，以备进行软件的缺相、断相保护之用。电压、电流经绝对值及滤波电路进入MCU的A/D转换器，可对电压、电流进行信号的采样及处理。同时电流信号经绝对值及方波整形进入HSI1，用来检测电流断续角，以求出可测功率因数角。保护电路将电流、电压信号滤波后与参考量进行比较，当电流、电压幅值过高是阻断触发通路，并向MCU外部中断EXINT发出信号进行中断处理。2.3系统软件的设计系统的主程序流程如图6所示。在主程序中首先检测三相电源输入是否存在断相、相序错误的问题。若无故障，进入系统起动控制。并于系统闭环控制期间不断检测系统状态，发现故障停机处理，并发送停机信号进行报警。图6主程序原理框图Fig.6 The flow chart of main program3实验结果图7为晶闸管压降信号波形，图8为晶闸管的触发脉冲信号波形，图9 线电压的斩波输入信号波形，图10为功率因数角闭环控制的情况下，软起动过程中电机电流的变化过程，可以看出，在电机起动初期，电流较大，电机转速在逐渐上升，当转速达到额定值时，电流达到最小值，在起动过程中，电流变化平稳，没有出现振荡现象，软起动时的起动电流是其稳定运行电流时的23倍。图11为软起动过程中的转速波形，动态过程无明显波动，运行平稳。 图7 晶闸管压降信号 Fig.7 The reduced-voltage signal of thyristor 图8 晶闸管触发脉冲信号 Fig.8 The firing pulse signal of thyristor 图9 线电压斩波输入信号Fig.9 The input signal of line voltage 图 10软起动过程中的相电流包洛线波形 Fig.10 The envelope of phase current during soft starting图 11软起动过程中电机转速波形Fig. 11 The curve of speed during soft starting4 结 论本文设计了以功率因数角为反馈控制量的三相异步电动机软起动控制系统，通过监测功率因数角的变化，实时修正晶闸管的触发角，避免在电机起动过程中，由于电机端口输入电压的变化引起的电磁转矩振荡及电流振荡，能够保障电机电压按预期的规律进行调节。另外，电机功率因数角信息的获得，为电机的轻载节能运行提供了依据。参考文献1 Larabee, John. Induction motor starting methods and issuesJ. IEEE Industry Applications Society 52nd Annual Petroleum and Chemical Industry Conference, 2005, p 217-2222 徐甫荣,崔力. 交流异步电机软起动及优化节能控制技术研究J.电气传动自动化,2003,25(1): 17.3 Liu, Jinqi ,A study on saving energy technology with regulating voltage of induction motor during light loadsJ. IPEMC , 2004, p 409-4134 M. G. Solveson, Soft started induction motor modeling and heating issues for different starting profiles using a flux linkage ABC-frame of r