[align=left] 1、引言 　　 一般情況下，三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流比較大，而起動(dòng)轉(zhuǎn)矩并不大。過(guò)大的起動(dòng)電流會(huì)使電網(wǎng)電壓下降，影響其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至使其自身無(wú)法起動(dòng)。這時(shí)就必須采取措施來(lái)降低起動(dòng)電流，常用的辦法是降壓起動(dòng)。而傳統(tǒng)的降壓起動(dòng)方法，如星/角起動(dòng)、定子串電阻或電抗起動(dòng)、自耦變壓器降壓起動(dòng)等，它們都是一級(jí)降壓起動(dòng)，起動(dòng)過(guò)程中電流有兩次沖擊，其幅值雖比直接起動(dòng)電流低，但起動(dòng)過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)，且都無(wú)法對(duì)電機(jī)的起動(dòng)電壓進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，因而導(dǎo)致電機(jī)起動(dòng)時(shí)仍然存在較大的沖擊電流。 本文詳細(xì)分析了異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中的功率因數(shù)角特性，以電機(jī)功率因數(shù)角作為系統(tǒng)的一個(gè)反饋量，對(duì)功率因數(shù)角進(jìn)行閉環(huán)控制，在保證較大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的條件下，有效地降低了電機(jī)的起動(dòng)電流。系統(tǒng)中通過(guò)監(jiān)測(cè)電機(jī)功率因數(shù)角，借助模糊控制方法實(shí)時(shí)修正晶閘管的觸發(fā)角，避免了在電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，由于電機(jī)端口輸入電壓的變化引起的電磁轉(zhuǎn)矩振蕩及電流振蕩，保障了電機(jī)電壓按預(yù)期的規(guī)律進(jìn)行調(diào)節(jié)。另外，電機(jī)功率因數(shù)角信息的獲得，為電機(jī)的輕載節(jié)能運(yùn)行提供了可靠依據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠，實(shí)驗(yàn)證明該方法的有效性，并具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和魯棒性。 2、異步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)角特性分析 2.1　運(yùn)行過(guò)程中的功率因數(shù)角特性 三相異步電動(dòng)機(jī)可用如圖1所示的t型電路進(jìn)行等效。 [/align] 　　 電機(jī)的功率因數(shù)角φ值等于任意一相的相電流與相電壓的相位差，還等于電機(jī)一相的阻抗角。電機(jī)一相的阻抗z可表示為： 在供電頻率不變的情況下，電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速ns是常量，電機(jī)轉(zhuǎn)速n與同步轉(zhuǎn)速ns的關(guān)系為： n=ns（1-s） （2） 　 根據(jù)式（1）和（2），可知功率因數(shù)角φ與電機(jī)轉(zhuǎn)速n存在如下關(guān)系： φ=f（n） （3） 　 當(dāng)已知電機(jī)參數(shù)時(shí)，可得φ=f（n）的關(guān)系曲線，如圖2所示： 從圖2可見(jiàn)，在電機(jī)起動(dòng)的過(guò)程中，隨著轉(zhuǎn)速的增加功率因數(shù)角有較大的變化，如圖2中曲線b段所示。功率因數(shù)角隨轉(zhuǎn)速增大而減小。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，功率因數(shù)角達(dá)到最小值。若電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，電機(jī)運(yùn)行于輕載或空載狀態(tài)，則轉(zhuǎn)速會(huì)進(jìn)一步增加，如圖2中a段曲線所示，此時(shí)功率因數(shù)角增大。 2.2　軟起動(dòng)過(guò)程中的功率因數(shù)角特性 　 異步電動(dòng)機(jī)的軟起動(dòng)器是一種電子式調(diào)壓設(shè)備，即通過(guò)連續(xù)控制電壓值進(jìn)行各種起動(dòng)、運(yùn)行控制的，這就要求軟起動(dòng)器可以根據(jù)實(shí)際的工作狀態(tài)，通過(guò)一定的控制策略連續(xù)、相對(duì)平穩(wěn)的進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。由于電機(jī)是一個(gè)典型的感性負(fù)載，對(duì)電流有明顯的續(xù)流現(xiàn)象，因此對(duì)電機(jī)這樣的感性負(fù)載實(shí)現(xiàn)電壓控制相對(duì)于阻性負(fù)載復(fù)雜的多。 由于電機(jī)在軟起動(dòng)過(guò)程中獲得的輸入電壓是一種斬波形式的非正弦電壓，其電壓、電流波形相對(duì)復(fù)雜。軟起動(dòng)過(guò)程中的電流波形如圖3中曲線i所示。圖3中α為功率器件的觸發(fā)延遲角，φ為可測(cè)功率因數(shù)角，θ為電流斷續(xù)角。曲線u為電源輸入相電壓，曲線i為電機(jī)定子側(cè)相電流。 圖3中φ為可測(cè)功率因數(shù)角，也即是電機(jī)續(xù)流角，表明了電機(jī)對(duì)電流的續(xù)流情況。通過(guò)控制功率器件的觸發(fā)延遲角α來(lái)改變電流斷續(xù)角θ的量值，也就相當(dāng)于控制了電機(jī)定子側(cè)的電壓值。由上圖可得如下關(guān)系式：φ=α- θ （4） 3、異步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)角閉環(huán)軟起動(dòng)器設(shè)計(jì) 3.1　軟起動(dòng)器的整體設(shè)計(jì) 圖4為異步電動(dòng)機(jī)功率因數(shù)角閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理框圖。對(duì)于scr觸發(fā)角的控制大體上包括兩個(gè)部分： （1）按預(yù)先設(shè)定的觸發(fā)規(guī)律進(jìn)行scr觸發(fā)角的調(diào)節(jié)，即圖中的預(yù)設(shè)觸發(fā)角α’n； （2）按功率因數(shù)角變化而變化的scr觸發(fā)角的增量δαn。 　 兩部分相加的和即得實(shí)際的scr觸發(fā)角αn（其下標(biāo)代表第n次調(diào)節(jié)量）。 　 在功率因數(shù)角閉環(huán)控制方法中，根據(jù)功率因數(shù)角的變化量δφn計(jì)算scr觸發(fā)角的增量δαn是本控制方法的關(guān)鍵。由于軟起動(dòng)器所帶的電機(jī)參數(shù)、功率等級(jí)，電機(jī)工作狀態(tài)，電機(jī)負(fù)載的類型的差異要求控制策略適應(yīng)不同的工況，具有負(fù)載類型的不敏感性，因此，本文采用模糊控制算法進(jìn)行δαn的計(jì)算，取得了較好的控制特性。 3.2　系統(tǒng)控制單元設(shè)計(jì) 　 控制單元由80c196kc單片機(jī)及其外圍電路構(gòu)成。負(fù)責(zé)信號(hào)的檢測(cè)、處理和系統(tǒng)控制。其特點(diǎn)是不僅運(yùn)行速度快，而且有針對(duì)于電機(jī)控制的6個(gè)hso, 因此保證了軟起動(dòng)器軟硬件設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)潔、高效、廉價(jià)。控制單元的工作原理如圖5所示。 來(lái)自三相供電電源的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)同步脈沖信號(hào)電路后，形成每個(gè)電壓周期6個(gè)脈沖（300hz）的三相電壓同步脈沖序列，進(jìn)入hsi0口，作為scr觸發(fā)的時(shí)鐘基準(zhǔn)；同時(shí)電源各相電壓方波整形信號(hào)進(jìn)入p1.0－p1.2，以備進(jìn)行軟件的缺相、斷相保護(hù)之用。電壓、電流經(jīng)絕對(duì)值及濾波電路進(jìn)入mcu的a/d轉(zhuǎn)換器，可對(duì)電壓、電流進(jìn)行信號(hào)的采樣及處理。同時(shí)電流信號(hào)經(jīng)絕對(duì)值及方波整形進(jìn)入hsi1，用來(lái)檢測(cè)電流斷續(xù)角θ，以求出可測(cè)功率因數(shù)角φ。保護(hù)電路將電流、電壓信號(hào)濾波后與參考量進(jìn)行比較，當(dāng)電流、電壓幅值過(guò)高時(shí)阻斷觸發(fā)通路，并向mcu外部中斷exint發(fā)出信號(hào)進(jìn)行中斷處理。 3.3　系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的主程序流程如圖6所示。在主程序中首先檢測(cè)三相電源輸入是否存在斷相、相序錯(cuò)誤的問(wèn)題。若無(wú)故障，進(jìn)入系統(tǒng)起動(dòng)控制。并于系統(tǒng)閉環(huán)控制期間不斷檢測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)故障停機(jī)處理，并發(fā)送停機(jī)信號(hào)進(jìn)行報(bào)警。 4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果 圖7為晶閘管壓降信號(hào)波形，圖8為晶閘管的觸發(fā)脈沖信號(hào)波形，圖9為線電壓的斬波輸入信號(hào)波形，圖10為功率因數(shù)角閉環(huán)控制的情況下，軟起動(dòng)過(guò)程中電機(jī)電流的變化過(guò)程?？梢钥闯?，在電機(jī)起動(dòng)初期，電流較大，電機(jī)轉(zhuǎn)速在逐漸上升，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值時(shí)，電流達(dá)到最小值，在起動(dòng)過(guò)程中，電流變化平穩(wěn)，沒(méi)有出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，軟起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)電流是其穩(wěn)定運(yùn)行電流時(shí)的2～3倍。圖11為軟起動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)速波形，動(dòng)態(tài)過(guò)程無(wú)明顯波動(dòng)，運(yùn)行平穩(wěn)。 5、結(jié)束語(yǔ) 　　 本文設(shè)計(jì)了以功率因數(shù)角為反饋控制量的三相異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)監(jiān)測(cè)功率因數(shù)角的變化，實(shí)時(shí)修正晶閘管的觸發(fā)角，避免在電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，由于電機(jī)端口輸入電壓的變化引起的電磁轉(zhuǎn)矩振蕩及電流振蕩，能夠保障電機(jī)電壓按預(yù)期的規(guī)律進(jìn)行調(diào)節(jié)。另外，電機(jī)功率因數(shù)角信息的獲得，為電機(jī)的輕載節(jié)能運(yùn)行提供了依據(jù)。