一种电容启动补偿装置的研制

摘 要：该文阐明了一种适用于电源车供电的中型异步电动机电容启动补偿装置的工作原理和设计特点，并结合工程应用实例，对其应用进行了叙述。该补偿装置采用电流互感器实时检测电机相电流，以决定补偿装置转换开关的投切时间。该补偿装置采用主从控制方式运行，补偿装置可作为下位机与上位机采用MODBUS协议进行通信，通过上位机软件界面控制其运行。整个启动控制系统性能可靠、制造成本低、经济实用，具有较大的实用价值。

关键词：电动机 启动 电容补偿 控制

中图分类号：TP17 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（a）-0043-02

中压电动机在启动时，一般会产生5～7倍的启动电流[1]，这一方面造成对电网的冲击、降低电网电能的质量；另一方面造成电机绕组的发热，并且过大的转矩冲击又会影响电机本身及其驱动设备的使用寿命[2]。此外，对于煤矿挖掘机、抽油机、提升机等采用移动电源车，柴油发电机组供电、频繁启动、周期性冲击负荷的大功率机电设备，其电动机在启动过程中，除去以上问题外，还存在以下两个不利因素。

（1）柴油发电机供电系统的突加负载的能力比一般变压器供电系统的要弱，其突加负载一般为50%额定负载，而变压器供电系统的突加负载则没有限制。

（2）由于启动电流大，功率因数低，因而异步电动机启动时，会对柴油发电机造成很强的去磁作用，导致其输出电压降低，运行频率下降，带不动负载。

针对以上情况，该公司研制了一种中型异步电机电容启动补偿装置，以解决此类问题。该装置在神华集团，内蒙古薛家湾煤矿等地的应用中，取得了理想的效果。

1 启动补偿装置设计原理

补偿装置的主电路原理图如图1，其工作原理为：首先，发出启动命令后，DSC控制器通过电流互感器CT，依次检测电动机三相电流。如果某相电流超过设定，则控制器通过驱动电路，控制继电器K2触头闭合，接入三相电容补偿电路，以对电动机的启动电流进行限流和功率因数补偿。其次，控制器延时一段时间后，再次检测电动机各相电流，如电动机相电流小于设定值，则控制继电器K2断开，使补偿电路脱离，从而完成电机的启动。为限制启动过程中，谐波引起的过流和电容器组启动涌流，每相电容器组还串接干式铁心电抗器。电容补偿电路的参数设计，以电路不产生振荡为准。为了避免电压波动对电容器造成损害，系统选用的补偿电容额定工作电压略高于系统额定电压的电容器，为避免由此带来电容器实际容量下降。系统设计过程中，在选择电容器时，对电容器容量进行了适当的补偿。

补偿装置的控制以Microchip公司出产的DSPIC6014为控制核心[3]，它既可单独运行，又可通过232/485接口，与上位机（PC机）组成主、从控制系统，由上位机通过标准的MODBUS-RTU协议，控制设备的运行。补偿装置的控制电路原理框图如图2。

与之配套的，上位机监控程序采用VB6.0编写[4]。上位机用户界面如图3所示，它采用的是VB中MSComm的控件的事件驱动方式接收数据。程序中设及到的03码、05码、06码等命令字的发送，则严格按MODBUS协议所设计的帧格式和主、从机在该协议基础上所定义的通信协议进行。Timer1定时器事件是整个监控程序的核心，用于对接收到的，从机（补偿装置）上传的数据帧，进行有效性判别、应答和超时判断。由于本装置采用的是标准MODBUS协议，因而有较强的兼容性，除了可以使用VB软件编写监控软件外，还可以通过简单的组态，采用任何支持MODBUS协议的组态软件，编写监控程序，以方便用户。

2 应用实例

2.1 背景介绍

补偿设备研制成功后，已成功地运用于内蒙古神华集团薛家湾煤矿的WK-10系列挖掘机的异步电动机的启动中。该挖掘机由太原重型机械厂生产，采用中压交流电动机（690KW/6KV）驱动，电源车供电，其中的柴油发电机采用美国康明斯进口发电机组。发电机组频率范围为：50～52.5Hz，输出电压范围为：6 000～6 600V，额定电流206A，最大过载电流309A，其频率越高，输出功率越大，启动电流越小。

2.2 设备使用前、后对比

该挖掘机驱动电机在使用本设备前，采用串电抗器启动方式。发电机工作频率为52.5Hz，输出电压为6 400V，启动电流为额定电流的7～9倍，且功率因数较低，一般只有0.2～0.3左右，因而导致柴油发电机组提供的有功分量明显减少，满足不了启动的要求，往往启动瞬间，挖掘机驱动电机停机，产生过电压，造成发电机组智能型PCC3201控制系统电子模块化控制盘，发生过压保护动作，使得发电机组停机。据统计，采用电抗器这种方式启动，一般情况只有33%的情况可启动成功，并且由于启动时，电机发热，再次启动往往需要间隔半小时，严重影响了该设备的使用效率。

在加装本公司电容补偿装置后，由于启动电流所需的无功电流大都由电容器供给，因而该装置的使用，减少了启动电流对柴油发电机的去磁作用，从而提高整个设备的安全系数和效率。此时，启动电流减少到300A，低于发电机最大过电流309.3A，发电机频率可减小到50Hz，输出电压：6 400V，经过测试，一般95%以上可启动成功。如把发电机频率适当调高，启动成功率则更高。

在实际应用中，我们测试发现，启动时，电容补偿电路启动投入时间点的确定一般不存在问题，但断开时间点，需要根据现场情况进行多次调试，以防止电容放电、反冲过电压，使发电机组保护装置动作。

3 结语

该启动装置用于挖掘机，提升机、抽油机等大功率、电源车供电、频繁启动的工矿设备中，在不影响启动力矩的情况下，既降低了启动电流、缩短了启动时间，又提高系统的功率因数，取得了较好的效果，具有较大的实用价值。

参考文献

[1] 邓星钟，周祖德，邓坚.机电传动控制[M].武汉：华中科技大学出版社，2001.

[2] 陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社，2004.

[3] 梁海浪.DSPIC数字信号控制器C程序开发及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[4] 李江全，汤智辉，朱东芹，等.VisualBasic数据采集与串口通信测控应用实战[M].北京：人民邮电出版社，2010.