高压异步电机软停车控制系统的设计

夏鸿飞,赵慧,王卫安

（1.深圳市地铁集团有限公司,广东深圳518000；2.郑州铁路职业技术学院,河南郑州450000；3.变流技术国家工程研究中心,湖南株洲412000）

对于异步电动机,停车方式有3种：①自由停车；②软停车；③制动停车.软起动器带来的最大好处是软停车,软停车消除了拖动系统的反惯性冲击.对于泵类负载而言,也就是消除水锤效应.以往的设计中,为减轻水锤效应,通常偏向于采用斜坡电压下降的设计方法[1-3].可是,这种系统的驱动转矩特性与负载转矩特性很难做到匹配,不能完全消除喘振现象,这是该系统的显著缺陷.事实上,如果能使系统的流量和压力平滑变化,那么该系统在软停车时会消除喘振现象,减少对管道、阀门以及泵的冲击.

1 基础知识

一般而言,泵系统的功率与转速之间的函数关系表达如下

其中,W-泵功率,T-泵转矩,N-泵转速.

忽略电机的铁耗、铜耗和传动损耗时,有

其中,P-异步电动机功率,N-异步电动机转速.

从以上分析可以看出,通过改变异步电动机的输入功率来控制负载的转速,从而消除泵的喘振现象.另外,在系统设计上采用有功功率闭环控制,亦可改善异步电动机的机械特性,使得系统具有良好的动态控制性能.

2 系统硬件的设计

本控制系统为对10 kV系统的晶闸管组件和光纤状态进行实时检测,在原DSP+CPLD的系统增加了两片CPLD.为计算有功功率,增加了一片AD7865,以对所需的电压和输入电流进行实时采样.

采用的TMS320F240芯片是TI公司为数字电机控制应用而推出的一种低价格高性能16位定点DSP.芯片内部带有16 k的FLASH存储器,因此只需外扩一片数据存储器存储运算中的数据.控制系统的运算速度很快,实时处理能力很强.

CPLD（Complex Programmable Logic Device）是一种用户可根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路.在本系统中主要完成电路的译码、相关时序和组合逻辑的控制.同时通过重要信号的冗余和联锁设计,使系统具有监测和保护功能,提高系统的可靠性.MAX7000系列提供了业界速度最快的可编程逻辑解决方案.它基于CMOSEEPROM工艺,传播延迟最小为3.5 ns,可以实现速度高于200 MHz的计数器,并且为高密度的器件提供了非常宽的选择余地.同时,通过MAX7000能实现本系统速度与功耗、转换速率与系统噪声的优化.

3 系统软件的设计

模数转换（A/D）的启动与电网信号同步,由DSP来控制采样.当采样完成时,DSP接收到模数转换（A/D）的中断信号后,把读入的数据存储在RAM中.为保证采样点数的一致性,对网压同步信号采取了数字锁相.

可以通过对单相功率的检测算出电机总的输入功率.一个周期内的计算如下

其中,un-电压采样值,in-输入电流采样值,N-周期内的采样数.

在控制系统工作的过程中,必须对晶闸管进行实时监测,一旦发生故障,可以对主电路实施有效的保护,提高系统工作的可靠性.

4 两种软停车方式的比较

电压斜坡软停车方式是电压斜坡起动方式的反过程,当停车时,控制晶闸管触发角使输出电压迅速下降到UK,然后按照设定的斜率下降到U0,再迅速下降到0.下降斜率由软停初始电压和软停时间决定,如图1所示.电压斜坡软停车方式是比较常用的软停车控制方式.

对传统斜坡电压线性下降系统实测波形图如图2所示,图3则是有功功率闭环控制系统电机功率实测波形图.

图1 电压斜坡方式

图2 斜坡电压方式功率

图3 有功功率闭环方式功率

5 小结

综合以上分析,在消除软停车过程中的喘振现象,有功功率闭环控制系统明显优于斜坡电压下降系统.主要表现在：第一,功率可以做到线性下降,电动机的转速下降平稳；第二,电动机具有与功率对应的稳定转速；第三,有效地消除软停车过程中的功率大幅振荡,甚至负功率.

无论在经济上还是技术上,采用变频调速装置对电动机进行软启动和软停车控制,从而改善电动机启动和停车时的动态稳定性能,实现电机的平稳启动和平滑停车,尤其对于几十兆瓦甚至上百兆瓦的异步电动机来说具有积极意义.

[1] 王毅,赵凯岐,徐殿国.基于DSP的三相异步电机软起动控制器[J].中小型电机,2001（6）：34.

[2] 王卫安,危韧勇.基于DSP的中压软启动器控制系统[J].机车电传动,2004（2）：12-14,22.

[3] 杨伟,吴茂刚.电机软启动器的原理与应用[J].农机化研究,2005（2）：205.