佘致廷,皮玉,周米洋,宗世勇

(湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院湖南 長(zhǎng)沙 410082)

傳統(tǒng)的軟啟動(dòng)器通常采用降壓?jiǎn)?dòng)或限流啟動(dòng),存在啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小,一般只能達(dá)到感應(yīng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的10%左右,同時(shí)啟動(dòng)電流達(dá)到了感應(yīng)電機(jī)額定電流的2～4倍,無(wú)法用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載或重載的啟動(dòng)[1,2]。1999年,A.Ginart[3,4]等人提出了一種在降低晶閘管輸出電壓的同時(shí)降低頻率的離散變頻軟啟動(dòng)方法。目前有多種實(shí)現(xiàn)離散變頻軟啟動(dòng)方法[5～7],這些方法雖然有一些差異,但都能有效提高感應(yīng)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。本文在文獻(xiàn)[8]研究的基礎(chǔ)上,從產(chǎn)生最大正向轉(zhuǎn)矩為出發(fā)點(diǎn),研究了一種能產(chǎn)生最大正向轉(zhuǎn)矩的最優(yōu)觸發(fā)角生成方法,并利用Matlab7.1中的Simulink對(duì)離散變頻軟啟動(dòng)器進(jìn)行建模與仿真,實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果驗(yàn)證了理論推導(dǎo)與仿真結(jié)果的有效性,與傳統(tǒng)的軟啟動(dòng)器相比,這種離散變頻軟啟動(dòng)器在感應(yīng)電機(jī)額定電流下啟動(dòng)電機(jī),具有更高的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,并大大降低了對(duì)電網(wǎng)的沖擊,延長(zhǎng)了感應(yīng)電機(jī)的使用壽命,不僅適合風(fēng)機(jī)、泵類(lèi)的負(fù)載啟動(dòng),還適合重載設(shè)備的啟動(dòng)。

1 離散變頻軟啟動(dòng)原理

離散變頻軟啟動(dòng)器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。主控制器MCU為 TMS320LF2407A,控制系統(tǒng)主要包括:電源電路、同步檢測(cè)及相序判斷、電流檢測(cè)、晶閘管門(mén)極脈沖觸發(fā)、接觸器旁路電路和人機(jī)界面單元8個(gè)部分。

圖1 離散變頻軟啟動(dòng)器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Constructiure of control system for discrete variable frequency soft starter

離散變頻是使傳統(tǒng)軟啟動(dòng)器輸出電壓的頻率從一個(gè)較低的值開(kāi)始,分級(jí)上升,最后達(dá)到50 Hz。離散變頻雖然可以實(shí)現(xiàn)變頻,但不能使頻率連續(xù)變化,只能使頻率分級(jí)變化,而且各級(jí)頻率都是50 Hz的整數(shù)分之一,例如,對(duì)50 Hz依次進(jìn)行2,3,4,5的分頻,就可得到頻率為25,16.7,12.5,10 Hz的離散子頻率,圖2給出了50 Hz的3級(jí)離散變頻過(guò)程。

圖2 16.7 Hz,25 Hz,50 Hz 3級(jí)變頻Fig.2 16.7 Hz,25 Hz,50 Hz varying frequency

由電網(wǎng)提供的50 Hz的工頻電源,可產(chǎn)生各級(jí)子頻率系統(tǒng),工頻的ωnet與子頻率系統(tǒng)的ωsub和分頻系數(shù)的關(guān)系如下:

對(duì)取不同整數(shù)r,可得到對(duì)稱(chēng)正、負(fù)序和不對(duì)稱(chēng)正、負(fù)序分級(jí)序列,如表1所示。

表1 三相系統(tǒng)分級(jí)序列Tab.1 Hierarchical train of three-phase balance sy stem

由表1可知,從50 Hz產(chǎn)生的三相各級(jí)離散子頻率有對(duì)稱(chēng)負(fù)序25 Hz、不對(duì)稱(chēng)相序16.7 Hz、對(duì)稱(chēng)正序12.5 Hz等。本文建立了一種能產(chǎn)生最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的控制規(guī)則:為了使電機(jī)按離散頻率啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生相同方向的最大轉(zhuǎn)矩,必須選取相序相同、對(duì)稱(chēng)度好的離散子頻率及相位角。這里取對(duì)稱(chēng)負(fù)序25 Hz為最大離散子頻率點(diǎn),去掉25 Hz以下的對(duì)稱(chēng)正序離散子頻率點(diǎn),而對(duì)于不對(duì)稱(chēng)的離散子頻率,要選擇負(fù)序、對(duì)稱(chēng)度好的離散子頻率及相位角。按此原則,即可獲得最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的離散變頻控制方案。本文利用Matlab/Simulink庫(kù)中的傅立葉模塊,計(jì)算出對(duì)稱(chēng)負(fù)序和不對(duì)稱(chēng)負(fù)序的離散子頻率電壓的相位角。表2列出了可獲得最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩控制的最優(yōu)組合的離散子頻率及相位角。

按表2優(yōu)化組合的離散變頻子頻率及相位角進(jìn)行電機(jī)啟動(dòng)控制,可獲取電機(jī)同一方向的最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。在不同的離散頻率點(diǎn)進(jìn)行調(diào)壓控制時(shí),只需要改變相應(yīng)相位的移相觸發(fā)角。

表2 對(duì)稱(chēng)負(fù)序和不對(duì)稱(chēng)負(fù)序的離散子頻率及相位角Tab.2 Symmetrical and anisomerous negative phase discrete frequency and phase angele

2 離散變頻軟啟動(dòng)的仿真

根據(jù)原理分析,建立的離散變頻高轉(zhuǎn)矩軟啟動(dòng)器的仿真模型由三相電源、觸發(fā)角組、脈沖發(fā)生器子系統(tǒng)、晶閘管組、電機(jī)及測(cè)量顯示等模塊組成,見(jiàn)圖3。

圖3 離散變頻軟啟動(dòng)器仿真模型Fig.3 T he simulation model of discrete variable frequency soft starter

圖4 脈沖發(fā)生器子系統(tǒng)仿真模型Fig.4 The simulation model of pulse generator sub_system

產(chǎn)生觸發(fā)6個(gè)晶閘管的脈沖序列子系統(tǒng)仿真模型如圖4所示。利用上述仿真模型,對(duì)采用離散變頻控制法的軟啟動(dòng)器進(jìn)行仿真。圖5～圖8分別給出了斜坡電壓?jiǎn)?dòng)、直接啟動(dòng)、限流啟動(dòng)、離散變頻軟啟動(dòng)4種仿真波形圖。

圖5 斜坡電壓?jiǎn)?dòng)仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of ramp voltage starting

圖6 直接啟動(dòng)仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of direct starting

圖7 限流啟動(dòng)仿真波形Fig.7 Simulation wavefo rms of limit current

圖8 分級(jí)變頻啟動(dòng)仿真波形Fig.8 Simulation waveforms of discrete frequency starting

對(duì)比分析可知,采用離散變頻軟啟動(dòng),除了在頻率切換點(diǎn)電流、轉(zhuǎn)矩有一點(diǎn)突跳外,其它的性能指標(biāo)是最優(yōu)的。特別是在啟動(dòng)電流較小的情況下,獲得了較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩,因而,離散變頻軟啟動(dòng)器特別適應(yīng)于滿(mǎn)載電機(jī)的啟動(dòng)場(chǎng)所。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

將研制的軟啟動(dòng)控制器接到1臺(tái)17 kW,額定轉(zhuǎn)速為1460 r/min,額定電壓為380 V,額定電流為32.9 A的電機(jī)進(jìn)行離散變頻啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)。各離散變頻子頻率啟動(dòng)時(shí)間由鍵盤(pán)設(shè)定在1～10 s之內(nèi),移相觸發(fā)角α按限制電流方式調(diào)節(jié)。其中25 Hz時(shí)U,V,W三相實(shí)測(cè)電流波形如圖9所示。

圖9 25Hz階段電流波形Fig.9 Current waveforms with 25 Hz

實(shí)驗(yàn)表明,實(shí)測(cè)電流波形與仿真結(jié)果相符。從5.25 Hz上升到25 Hz后,即轉(zhuǎn)入工頻運(yùn)行。50 Hz運(yùn)行實(shí)質(zhì)上是斜坡電壓?jiǎn)?dòng),所以電流波形與斜坡電壓?jiǎn)?dòng)相同。電機(jī)啟動(dòng)電流小,啟動(dòng)平滑,軟啟動(dòng)控制器運(yùn)行穩(wěn)定,控制效果良好。

4 結(jié)論

本文研究了高轉(zhuǎn)矩離散變頻軟啟動(dòng)的基本原理,離散變頻軟啟動(dòng)器的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了離散變頻軟啟動(dòng)器可以在減少電機(jī)啟動(dòng)電流的同時(shí),大大提高軟啟動(dòng)器的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。因此離散頻率軟啟動(dòng)器適用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載或重載的電機(jī)啟動(dòng),具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]佘致廷,劉志星,董璞.基于 Matlab/Simulink動(dòng)態(tài)仿真模型的電機(jī)高轉(zhuǎn)矩軟啟動(dòng)器研究[J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化,2003(3):14-17.

[2]甘世紅,褚建新,顧偉.高壓異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)方法綜述[J].電氣傳動(dòng),2005,35(10):3-6

[3]Ginart A,Camilleri J S,Pesse G.Thyristor Controlled AC Induction Motors Using a Discrete Frequency Control Method[C]∥29th SSST,MARCH,1997:164-168.

[4]Antonio Ginart,Rosana Esteller.High Starting T orque for AC SCR Controller[J].IEEE T ransactions on Energy Conversion,1999,14(3):553-559.

[5]李冬輝,段克亮,馬躍賢,等.離散變頻軟起動(dòng)過(guò)程的若干問(wèn)題[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào),2007,40(9):1061-1065.

[6]閻超,石新春.分級(jí)變頻軟起動(dòng)器觸發(fā)控制策略研究與仿真[J].電力科學(xué)與工程,2008,24(10):1-4.

[7]胡紅明,毛承雄,陸繼明,等.分級(jí)交-交變頻高轉(zhuǎn)矩軟啟動(dòng)器原理和仿真[J].電氣傳動(dòng),2009,39(2):16-19.

[8]佘致廷,肖岸文,董璞,等.基于分級(jí)變頻高轉(zhuǎn)矩軟起動(dòng)器的研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,31(6),46-50.