宽频电源下的异步电动机限流软起动方法 【技术领域】
本发明属于内燃机车技术领域，尤其涉及一种宽频电源下的异步电动机限流软起动方法。
背景技术
在已有技术中，内燃机车冷却风扇的驱动方法有静液压传动、跳波变频交流传动、变极调速及逆变器变频调速等多种方式。
静液压传动方式是传动系统由柴油机通过两万向轴连接后齿轮箱，后齿轮箱连接静液压泵，通过液压马达驱动冷却风扇。这种冷却风扇驱动方法具有机械故障多、系统维修量大、占用空间大、重量高、效率低、经济性差等缺点，在使用中，温度调节阀发生故障时会引起柴油机冷却水温(油温)过高故障，影响机车的正常运行，因此传统的冷却风扇驱动方法已经越来越不适应现代铁路运输的需要。
跳波变频交流传动方式是系统将电源电压部分阻断并重新组合，产生一个脉动的电流周波和脉动的电磁转矩，尤其是在1/2全速下，三相电压矢量空间夹角分别60°、150°、150°，电动机在严重不对称的三相电压下运行，其过载能力和效率降低，性能恶化，并且有局部(如某一相绕组)过热的危险，因此采用此方案必须提高电动机的容量和散热能力。另外脉动的电磁转矩将严重影响转子和轴承的使用寿命。
变极调速方式是通过变换异步电动机绕组极数从而改变同步转速进行调速。在控制电机极对数发生变化的过程中，三相电源不是连续的供应给电动机，而是先切断三相电源，等待电动机电枢绕组的反电势降为零，再通过接触器的切换进行变极控制。如果在切断三相电源后，立即进行变极控制，输入电压与电动机电枢绕组的反电势将产生叠加作用而出现很大的电流冲击，甚至高于全转速直接起动时的电流冲击，严重威胁机械和电气设备的安全。因此要先切断三相电源，等待电动机反电势降为零，再进行变极控制，在此情况下，当电动机从1/2全速变到全速时，风扇的转速将首先因失去动力而迅速下降，变极时，冲击电流也会很大。另外进行变极控制的过程中，需要三个交流接触器进行切换，如果采用高、低温两个冷却风扇，则需要六个交流接触器，有触点电器大大增加，不利于系统的可靠性。
逆变器变频调速方式，可实现精确的转速控制，风扇电动机的转速可根据水温的变化自动调节。电动机起动为软起动，起动电流小，工作电流随风扇转速的增加逐渐增大，达到额定转速时，工作电流为额定电流，对电器及机械系统冲击小。但是，逆变器的投入成本高，对防护等级、散热条件和维护保养的要求很高。在逆变器供电条件下，三相异步电动机电压为非正弦波，其中含有的高次谐波会使电机产生附加的铜耗、铁耗以及杂散损耗。谐波还会引起电机转矩脉动，噪音增加。在高频开关频率下运行时，转子中会产生明显的集肤效应。附加损耗和集肤效应使电机稳定运行时的温升显著增加。另外普通的二电平和三电平PWM电压源型逆变器由于输出电压跳变台阶较大，相电压的跳变达到直流母线电压的一半，会产生较大的dv/dt。较大的dv/dt会影响电机的绝缘。所以对这种电动机的要求较高，电动机的成本也很高。
内燃机车的冷却风扇属于风机型负载，负载转矩的大小与转速N的平方成正比，TL＝kn2，式中k为比例常数，风机的转矩特性曲线如图1所示。驱动风扇的异步电动机的机械特性曲线如附图2所示。通过将异步电动机的机械特性曲线和风机的转矩特性曲线进行对比，可以看出在供电频率不变，调节供电电压从零逐渐升到最大值过程中，电动机的电磁转矩与其绕组所加电压的平方成正比，电动机的电磁转矩也逐渐增大，机械特性由软变硬，这正好适应风机转矩过零点的特性。但是，已有技术的三相全控整流、调压的触发脉冲由相位控制专用芯片如(TC787DS)产生，由于采用时间比例积分的方式产生驱动脉冲信号，已有技术的晶闸管软起动装置仅适应50Hz或60Hz定频电源，只允许电源频率在小范围内变化，由于内燃机车的交流发电机发电频率随柴油机转速变化而变化，一般柴油机转速变化范围为400r/mim～1000r/mim，交流发电机地发电频率为40％～100％的额定频率。在40％～100％的额定频率变化的电源供电条件下，这种控制方式无法适应在变频变压供电条件下的内燃机车冷却风扇电机软起动的要求。
【发明内容】
本发明的目的就是克服上述现有技术之不足，提供一种结构简单、体积小、重量轻、维护方便、性能优良、可靠性高、经济性好的宽频电源下的异步电动机限流软起动方法。
本发明的目的是这样现的：一种宽频电源下的异步电动机限流软起动方法，其特征在于采取以下步骤：
a.检测Ua、Ub、Uc同步信号；
b.计算交流发电机的发电频率；
c.计算三相交流电压的半波周期Ta(Ta为全导通时间)；
d.检测交流发电机的输出电流有效值；
e.最大电流限制值经斜坡控制，得出输出电流限定值，并与输出电流有效值反馈比较，其差值经PID调节器处理，得出晶闸管导通时间Ton(Ton的最大值为Ta)；
f.根据同步信号、Ta、Ton确定各晶闸管导通时刻；
g.根据各晶闸管的导通时刻和导通时间，生成各晶闸管触发脉冲信号，控制各晶闸管的导通和关闭；
h.计算在当前发电频率下相应的异步电动机同步转速；
i.检测异步电动机的实际转速；
j.将异步电动机的同步转速与实际转速进行比较，如果转速差大于转速差设定值，则返回步骤a；否则，进入下一步骤；
k.软起动结束，闭合主回路旁路接触器，转为直接驱动。
为了更好地实现本发明的目的，所述宽频电源下的异步电动机限流软起动方法，可以进一步采取以下步骤：
A.确定最大分频级数及相应的各级分频数；
B.将分频级数计数器初始化为1；
C.根据分频级数计数器值确定相应的分频数；
D.执行上述a至j步骤，其中：在步骤f中，是根据当前分频选通相应的半波和各晶闸管的导通时刻及导通时间，生成各晶闸管选通半波触发脉冲信号，控制各晶闸管的导通和关闭；在步骤h中，是计算在当前发电频率及分频频率下所对应的异步电动机同步转速；在步骤j中，如果转速差不大于转速差设定值，则进入步骤E；
E.如果当前分频级数计数器值小于最大分频级数，则分频级数计数器值加1，返回C；否则，进入上述步骤k。
采用本发明的方法，按照预先设定的起动曲线及分频级数，增加软起动器选通晶闸管的导通角α，使电机的端电压逐渐增大，输入电动机的电源频率分级上升，电机平滑加速，同时通过限流闭环限制电机端电压的增长率，从而减少了电动机起动时对发电机、电动机本身、相连电气设备的机械冲击。
采用本发明的方法，可以实现起动电流和起动转矩的平滑控制，电动机可以带动风扇负载随时起、停，将高、低温水的温度控制在一定范围内。在加载的过程中，随着柴油机的转速越高，柴油机输出功率越大，冷却风扇的转速也越高，散热能力也越强，这刚好符合柴油机冷却的要求。
本发明的方法，同样适用于机车空压机电动机和真空泵电动机的软起动，空压机电动机的转矩特性为恒扭矩特性，起动转矩大，因此必须采用多级分频限流软起动方法。真空泵电动机的转矩特性曲线与冷却风扇电动机的转矩特性曲线基本相同，起动转矩小，可以采用一级或多级分频限流软起动方法。
采用本发明的方法，主电路只须采用晶闸管及简单的RC吸收电路，整个主电路简单，晶闸管元件可靠性高，温度适应范围宽，因此系统具有结构简单、体积小、重量轻、维护方便、性能优良、可靠性高等特点，对防护等级、散热条件和维护保养的要求不高，适应高温、低温、风沙等恶劣自然条件下的应用。成本大大降低，经济效益和社会效益显著。由于装置结构简单、体积小、重量轻，可以降低机车的轴重，节省机车的内部空间，利于机车的模块化设计。当软起动结束，旁路接触器接通，风扇电机转为交流发电机直接驱动，三相异步电动机的电源电压为正弦波，效率高，谐波含量低，电机产生附加的铜耗、铁耗以及杂散损耗小，电动机的温升显著降低。
【附图说明】
附图1为风机的转矩特性曲线。
附图2为异步电动机的机械特性曲线。
附图3为本发明实施例的主电路原理示意图。
附图4为本发明实施例的控制系统原理框图。
附图5为本发明实施例的计算机主程序流程框图。
附图6为本发明实施例的计算机限流软起动子程序流程框图。
附图7为本发明实施例的计算机限流闭环子程序流程框图。
【具体实施方式】
下面结合附图详细说明本发明的实施例。参看附图3，在三相主电路中，分别串接一组反向并联的晶闸管Q1和Q2、Q3和Q4、Q5和Q6，旁路接触器MC跨接在各组晶闸管的两端。
参看附图4，本发明实施例的控制系统采用的电机专用DSPic30f6010A控制板，具有执行速度快、处理能力强、内部存储空间大、接口丰富等特点。它采集电流有效值、电动机转速、三相电压Ua、Ub、Uc等信号，生成各晶闸管触发脉冲信号Tr1～Tr6，经脉冲功放电路和脉冲变压器，驱动各晶闸管Q1～Q6；生成Do1信号，经继电器输出，控制旁路接触器MC。
下面参看附图5～附图7，详细说本发明实施例的软起动控制方法。参看附图5，此程序由定时器产生定时中断，每5ms执行一次。程序由框1开始，进入框2，采集传感器、开关、通信控制信号。进入框3，确定最大分频级数及相应的各级分频数。例如确定最大分频级数为4，各级的分频数依次为：第1级为13，第2级为7，第3级为4，第4级为1。进入框4，判断启动开关是否闭合，如果否，则进入框7，将分频级数计数器初始化为1，然后进入框8，结束程序；如果是，则进入框5。在框5，判断主电路输入电压是否大于下限，如果否，则进入框7，将分频级数计数器初始化为1，然后进入框8，结束程序；如果是，则进入框6，调用限流软起动子程序。限流软起动子程序执行完后，进入框8，结束程序。
参看附图6，限流软起动子程序在框6.1入口，进入框6.2，根据当前得出分频计数器对应的分频数。进入框6.3检测Ua、Ub、Uc同步信号。进入框6.4，根据当前分频选通相应的半波。进入框6.5，计算交流发电机的发电频率。计算三相交流电压的半波周期Ta。进入框6.7，调用限流闭环子程序，得出各选通晶闸管导通时间Ton。进入框6.8，确定各选通晶闸管导通时刻。进入框6.9，生成各晶闸管触发脉冲信号。进入框6.10，计算在当前发电频率及分频下相应的异步电动机同步转速Ns。进入框6.11，检测异步电动机的实际转速N。进入框6.12，判断Ns与N的差值是否大于转速差设定值，如果是，则进入框6.16，结束子程序；如果否，则进入框6.13。在框6.13，判断最大分频级数与分频级数计数器是否相等，如果否，则进入6.15，分频级数计数器加1；如果是，则进入框6.14，闭合旁路接触器，转为直接驱动，然后进入框6.16，结束程序。
参看附图7，限流闭环子程序在框6.7.1入口，进入框6.7.2，装载输电流限定值Iref。进入框6.7.3，对输出电流限定值进行斜坡控制。进入框6.7.4，计算输出电流反馈值与输出电流限定值的差。进入框6.7.5，对电流差进行PI调节运算得出Ton。进入框6.7.6，判断Ton是否大于Ta，如果否，则进入框6.7.8，结束子程序；如果是，则进入框6.7.7，令Ton等于Ta，然后进入框6.7.8，结束子程序。