寬頻電源下的異步電動機限流軟起動方法

2023-11-03 07:21:32 1

專利名稱：寬頻電源下的異步電動機限流軟起動方法
技術領域：
本發明屬於內燃機車技術領域，尤其涉及一種寬頻電源下的異步電動機限流軟起動方法。
背景技術：
在已有技術中，內燃機車冷卻風扇的驅動方法有靜液壓傳動、跳波變頻交流傳動、變極調速及逆變器變頻調速等多種方式。
靜液壓傳動方式是傳動系統由柴油機通過兩萬向軸連接後齒輪箱，後齒輪箱連接靜液壓泵，通過液壓馬達驅動冷卻風扇。這種冷卻風扇驅動方法具有機械故障多、系統維修量大、佔用空間大、重量高、效率低、經濟性差等缺點，在使用中，溫度調節閥發生故障時會引起柴油機冷卻水溫(油溫)過高故障，影響機車的正常運行，因此傳統的冷卻風扇驅動方法已經越來越不適應現代鐵路運輸的需要。
跳波變頻交流傳動方式是系統將電源電壓部分阻斷並重新組合，
產生一個脈動的電流周波和脈動的電磁轉矩，尤其是在1/2全速下，三相電壓矢量空間夾角分別60°、 150°、 150°,電動機在嚴重不對稱的三相電壓下運行，其過載能力和效率降低，性能惡化，並且有局部(如某一相繞組)過熱的危險，因此釆用此方案必須提高電動機的容量和散熱能力。另外脈動的電磁轉矩將嚴重影響轉子和軸承的使用壽命。
4變極調速方式是通過變換異步電動機繞組極數從而改變同步轉 速進行調速。在控制電機極對數發生變化的過程中，三相電源不是連 續的供應給電動機，而是先切斷三相電源，等待電動機電樞繞組的反 電勢降為零，再通過接觸器的切換進行變極控制。如果在切斷三相電
源後，立即進行變極控制，輸入電壓與電動機電樞繞組的反電勢將產 生疊加作用而出現很大的電流衝擊，甚至高於全轉速直接起動時的電 流衝擊，嚴重威脅機械和電氣設備的安全。因此要先切斷三相電源， 等待電動機反電勢降為零，再進行變極控制，在此情況下，當電動機
從l/2全速變到全速時，風扇的轉速將首先因失去動力而迅速下降， 變極時，衝擊電流也會很大。另外進行變極控制的過程中，需要三個 交流接觸器進行切換，如果釆用高、低溫兩個冷卻風扇，則需要六個 交流接觸器，有觸點電器大大增加，不利於系統的可靠性。
逆變器變頻調速方式，可實現精確的轉速控制，風扇電動機的轉 速可根據水溫的變化自動調節。電動機起動為軟起動，起動電流小， 工作電流隨風扇轉速的增加逐漸增大，達到額定轉速時，工作電流為 額定電流，對電器及機械系統衝擊小。但是，逆變器的投入成本高， 對防護等級、散熱條件和維護保養的要求很高。在逆變器供電條件下， 三相異步電動機電壓為非正弦波，其中含有的高次諧波會使電機產生 附加的銅耗、鐵耗以及雜散損耗。諧波還會引起電機轉矩脈動，噪音 增加。在高頻開關頻率下運行時，轉子中會產生明顯的集膚效應。附 加損耗和集膚效應使電機穩定運行時的溫升顯著增加。另外普通的二 電平和三電平PWM電壓源型逆變器由於輸出電壓跳變臺階較大，相電壓的跳變達到直流母線電壓的一半，會產生較大的dv/dt。較大的dv/dt會影響電機的絕緣。所以對這種電動機的要求較高，電動機的成本也很高。
內燃機車的冷卻風扇屬於風機型負載，負載轉矩的大小與轉速N
的平方成正比，^=^2,式中k為比例常數，風機的轉矩特性曲線如圖l所示。驅動風扇的異步電動機的機械特性曲線如附圖2所示。
通過將異步電動機的機械特性曲線和風機的轉矩特性曲線進行對比，可以看出在供電頻率不變，調節供電電壓從零逐漸升到最大值過程中，電動機的電磁轉矩與其繞組所加電壓的平方成正比，電動機的電磁轉矩也逐漸增大，機械特性由軟變硬，這正好適應風機轉矩過零點的特性。但是，已有技術的三相全控整流、調壓的觸發脈衝由相位控制專用晶片如(TC787DS)產生，由於釆用時間比例積分的方式產生驅動脈衝信號，已有技術的晶閘管軟起動裝置僅適應50Hz或60Hz定頻電源，只允許電源頻率在小範圍內變化，由於內燃機車的交流發電機發電頻率隨柴油機轉速變化而變化， 一般柴油機轉速變化範圍為400r/mim~ 1000r/mim,交流發電機的發電頻率為40% ~ 100°/。的額定頻率。在40%~100%的額定頻率變化的電源供電條件下，這種控制方式無法適應在變頻變壓供電條件下的內燃機車冷卻風扇電機軟起動的要求。

發明內容
本發明的目的就是克服上述現有技術之不足，提供一種結構簡單、體積小、重量輕、維護方便、性能優良、可靠性高、經濟性好的寬頻電源下的異步電動機限流軟起動方法。
本發明的目的是這樣現的 一種寬頻電源下的異步電動機限流軟 起動方法，其特徵在於釆取以下步驟
a. 檢測Ua、 Ub、 Uc同步信號；
b. 計算交流發電機的發電頻率；
c. 計算三相交流電壓的半波周期Ta (Ta為全導通時間)；
d. 檢測交流發電機的輸出電流有效值；
e. 最大電流限制值經斜坡控制，得出輸出電流限定值，並與輸 出電流有效值反饋比較，其差值經PID調節器處理，得出晶 閘管導通時間Ton (Ton的最大值為Ta );
f. 根據同步信號、Ta、 Ton確定各晶間管導通時刻；
g. 根據各晶閘管的導通時刻和導通時間，生成各晶閘管觸發脈 衝信號，控制各晶閘管的導通和關閉；
h. 計算在當前發電頻率下相應的異步電動機同步轉速；
i. 檢測異步電動機的實際轉速；
j.將異步電動機的同步轉速與實際轉速進行比較，如果轉速差
大於轉速差設定值，則返回步驟a;否則，進入下一步驟； k.軟起動結束，閉合主迴路旁路接觸器，轉為直接驅動。 為了更好地實現本發明的目的，所述寬頻電源下的異步電動機限 流軟起動方法，可以進一步採取以下步驟
A. 確定最大分頻級數及相應的各級分頻數；
B. 將分頻級數計數器初始化為1;C. 根據分頻級數計數器值確定相應的分頻數；
D. 執行上述a至j步驟，其中在步驟f中，是根據當前分頻選 通相應的半波和各晶閘管的導通時刻及導通時間，生成各晶 閘管選通半波觸發脈衝信號，控制各晶閘管的導通和關閉； 在步驟h中，是計算在當前發電頻率及分頻頻率下所對應的 異步電動機同步轉速；在步驟j中，如果轉速差不大於轉速 差設定值，則進入步驟E;
E. 如果當前分頻級數計數器值小於最大分頻級數，則分頻級數 計數器值加l，返回C;否則，進入上述步驟k。
釆用本發明的方法，按照預先設定的起動曲線及分頻級數，增 加軟起動器選通晶閘管的導通角cc，使電機的端電壓逐漸增大，輸入 電動機的電源頻率分級上升，電機平滑加速，同時通過限流閉環限制 電機端電壓的增長率，從而減少了電動機起動時對發電機、電動機本 身、相連電氣設備的機械衝擊。
釆用本發明的方法，可以實現起動電流和起動轉矩的平滑控制， 電動機可以帶動風扇負載隨時起、停，將高、低溫水的溫度控制在一 定範圍內。在加載的過程中，隨著柴油機的轉速越高，柴油機輸出功 率越大，冷卻風扇的轉速也越高，散熱能力也越強，這剛好符合柴油 機冷卻的要求。
本發明的方法，同樣適用於機車空壓機電動機和真空泵電動機的 軟起動，空壓機電動機的轉矩特性為恆扭矩特性，起動轉矩大，因此 必須採用多級分頻限流軟起動方法。真空泵電動機的轉矩特性曲線與冷卻風扇電動機的轉矩特性曲線基本相同，起動轉矩小，可以釆用一級或多級分頻限流軟起動方法。
釆用本發明的方法，主電路只須釆用晶閘管及簡單的RC吸收電路，整個主電路簡單，晶閘管元件可靠性高，溫度適應範圍寬，因此系統具有結構簡單、體積小、重量輕、維護方便、性能優良、可靠性高等特點，對防護等級、散熱條件和維護保養的要求不高，適應高溫、低溫、風沙等惡劣自然條件下的應用。成本大大降低，經濟效益和社會效益顯著。由於裝置結構簡單、體積小、重量輕，可以降低機車的軸重，節省機車的內部空間，利於機車的模塊化設計。當軟起動結東，旁路接觸器接通，風扇電機轉為交流發電機直接驅動，三相異步電動機的電源電壓為正弦波，效率高，諧波含量低，電機產生附加的銅耗、鐵耗以及雜散損耗小，電動機的溫升顯著降低。


附圖l為風機的轉矩特性曲線。附圖2為異步電動機的機械特性曲線。附圖3為本發明實施例的主電路原理示意圖。附圖4為本發明實施例的控制系統原理框圖。附圖5為本發明實施例的計算機主程序流程框圖。附圖6為本發明實施例的計算機限流軟起動子程序流程框圖。附圖7為本發明實施例的計算機限流閉環子程序流程框圖。
具體實施例方式
下面結合附圖詳細說明本發明的實施例。參看附圖3，在三相主電路中，分別串接一組反向並聯的晶閘管Q1和Q2、 Q3和Q4、 Q5和Q6，旁路接觸器MC跨接在各組晶閘管的兩端。
參看附圖4，本發明實施例的控制系統釆用的電機專用DSPic30f6010A控制板，具有執行速度快、處理能力強、內部存儲空間大、接口豐富等特點。它採集電流有效值、電動機轉速、三相電壓Ua、 Ub、 Uc等信號，生成各晶閘管觸發脈衝信號Trl-Tr6，經脈衝功放電路和脈衝變壓器，驅動各晶閘管Q1-Q6;生成Dol信號，經繼電器輸出，控制旁路接觸器MC。
下面參看附圖5~附圖7,詳細說本發明實施例的軟起動控制方法。參看附圖5，此程序由定時器產生定時中斷，每5ms執行一次。程序由框l開始，進入框2，採集傳感器、開關、通信控制信號。進入框3，確定最大分頻級數及相應的各級分頻數。例如確定最大分頻級數為4，各級的分頻數依次為第1級為13,第2級為7，第3級為4,第4級為1。進入框4,判斷啟動幵關是否閉合，如果否，則進入框7，將分頻級數計數器初始化為1,然後進入框8，結束程序；如果是，則進入框5。在框5，判斷主電路輸入電壓是否大於下限，如果否，則進入框7，將分頻級數計數器初始化為1,然後進入框8，結東程序；如果是，則進入框6，調用限流軟起動子程序。限流軟起動子程序執行完後，進入框8，結束程序。
參看附圖6，限流軟起動子程序在框6.1入口，進入框6.2,根據當前得出分頻計數器對應的分頻數。進入框6. 3檢測Ua、 Ub、 Uc同步信號。進入框6.4，根據當前分頻選通相應的半波。進入框6.5，計算交流發電機的發電頻率。計算三相交流電壓的半波周期Ta。進入框6. 7，調用限流閉環子程序，得出各選通晶閘管導通時間Ton。進入框6.8，確定各選通晶閘管導通時刻。進入框6.9，生成各晶閘管觸發脈衝信號。進入框6.10，計算在當前發電頻率及分頻下相應的異步電動機同步轉速Ns。進入框6. 11，檢測異步電動機的實際轉速N。進入框6. 12,判斷Ns與N的差值是否大於轉速差設定值，如果是，則進入框6.16,結東子程序；如果否，則進入框6. 13。在框6.13，判斷最大分頻級數與分頻級數計數器是否相等，如果否，則進入6. 15,分頻級數計數器加1;如果是，則進入框6. 14，閉合旁路接觸器，轉為直接驅動，然後進入框6. 16，結東程序。
參看附圖7,限流閉環子程序在框6.7.1入口，進入框6. 7.2，裝載輸電流限定值Iref。進入框6.7. 3,對輸出電流限定值進行斜坡控制。進入框6.7.4，計算輸出電流反饋值與輸出電流限定值的差。進入框6.7.5,對電流差進行PI調節運算得出Ton。進入框6. 7. 6，判斷Ton是否大於Ta,如果否，則進入框6. 7. 8，結束子程序；如果是，則進入框6. 7. 7，令Ton等於Ta，然後進入框6. 7. 8,結東子程序。
ii
權利要求
1、一種寬頻電源下的異步電動機限流軟起動方法，其特徵在於採取以下步驟a.檢測Ua、Ub、Uc同步信號；b.計算交流發電機的發電頻率；c.計算三相交流電壓的半波周期Ta(Ta為全導通時間)；d.檢測交流發電機的輸出電流有效值；e.最大電流限制值經斜坡控制，得出輸出電流限定值，並與輸出電流有效值反饋比較，其差值經PID調節器處理，得出晶閘管導通時間Ton(Ton的最大值為Ta)；f.根據同步信號、Ta、Ton確定各晶閘管導通時刻；g.根據各晶閘管的導通時刻和導通時間，生成各晶閘管觸發脈衝信號，控制各晶閘管的導通和關閉；h.計算在當前發電頻率下相應的異步電動機同步轉速；i.檢測異步電動機的實際轉速；j.將異步電動機的同步轉速與實際轉速進行比較，如果轉速差大於轉速差設定值，則返回步驟a；否則，進入下一步驟；k.軟起動結束，閉合主迴路旁路接觸器，轉為直接驅動。
2、根據權利要求1所述的寬頻電源下的異步電動機限流軟起動B. 將分頻級數計數器初始化為l;C. 根據分頻級數計數器值確定相應的分頻數；D. 執行上述a至j步驟，其中在步驟f中，是根據當前分頻選 通相應的半波和各晶閘管的導通時刻及導通時間，生成各晶 閘管選通半波觸發脈衝信號，控制各晶閘管的導通和關閉； 在步驟h中，是計算在當前發電頻率及分頻頻率下所對應的 異步電動機同步轉速；在步驟j中，如果轉速差不大於轉速差設定值，則進入步驟E;E. 如果當前分頻級數計數器值小於最大分頻級數，則分頻級數 計數器值加l，返回C;否則，進入上述步驟j。
全文摘要
本發明的寬頻電源下的異步電動機限流軟起動方法，採用多級分頻限流軟起動，根據Ua、Ub、Uc同步信號、發電機的發電頻率及電流有效值，確定各晶閘管導通時刻和導通時間，在電動機的同步轉速與實際轉速的轉速差等不大於轉速差設定值時，閉合主迴路旁路接觸器，轉為直接驅動。結構簡單、體積小、重量輕、維護方便、性能優良、可靠性高、經濟性好。
文檔編號H02P1/26GK101662247SQ20091018766
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月25日 優先權日2009年9月25日
發明者張瑞珍, 蔡志偉 申請人:中國北車集團大連機車車輛有限公司