王東峰， 張開如， 王毅， 王永立

(1.山東科技大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院， 山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)基地， 山東 青島 266590)

礦用異步電動機(jī)分級離散變頻軟啟動方式研究

王東峰1,2， 張開如1,2， 王毅1,2， 王永立1,2

(1.山東科技大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院， 山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)基地， 山東 青島 266590)

針對傳統(tǒng)礦用異步電動機(jī)軟啟動方式存在電動機(jī)啟動電流大、啟動轉(zhuǎn)矩小、無法實(shí)現(xiàn)重載或滿載啟動的缺點(diǎn)，在原有的分級離散變頻原理基礎(chǔ)上，對調(diào)壓電路、保護(hù)電路等進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種改進(jìn)的礦用異步電動機(jī)分級離散變頻軟啟動方式。主調(diào)壓電路采用門極可關(guān)斷晶閘管GTO代替?zhèn)鹘y(tǒng)的可控硅晶閘管來調(diào)節(jié)電源頻率，并用理想型開關(guān)組代替三相斷路器來控制其關(guān)斷，從而防止過電壓或過電流對電路造成損害，達(dá)到保護(hù)電路的目的。Matlab仿真結(jié)果表明，改進(jìn)的分級離散變頻軟啟動方式不僅能降低啟動電流，增大啟動轉(zhuǎn)矩，還能有效保護(hù)電路。

異步電動機(jī)； 軟啟動； 分級離散變頻； 門極可關(guān)斷晶閘管

0 引言

目前，三相異步電動機(jī)在社會生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用越來越廣泛，已經(jīng)深入到各個(gè)領(lǐng)域和行業(yè)，尤其是在礦業(yè)中有著極其廣泛的應(yīng)用[1-5]，但其啟動問題一直是研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的異步電動機(jī)軟啟動方式是通過可控硅晶閘管來進(jìn)行調(diào)壓的，通過降低電壓來減小啟動電流，這種方法雖然解決了電動機(jī)直接啟動時(shí)電流過大、傳統(tǒng)減壓不平滑等問題[6]，但電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與電壓平方成正比。因此，這種降壓限流的啟動方式使得電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩也大大降低，無法實(shí)現(xiàn)帶重載啟動。而在礦業(yè)生產(chǎn)中，需要電動機(jī)實(shí)現(xiàn)重載或滿載啟動的設(shè)備較多，如球磨機(jī)、礦井起重機(jī)、帶式輸送機(jī)、粉碎機(jī)等。為滿足礦業(yè)生產(chǎn)的需求，尋求一種更加有效的電動機(jī)啟動方式顯得尤為迫切[7]。

分級離散變頻軟啟動是一種新型的電動機(jī)啟動方式，通過有選擇性地觸發(fā)半波導(dǎo)通，達(dá)到變壓變頻的目的，相比于傳統(tǒng)的啟動方式，具有沖擊電流小、啟動轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)。近年來相關(guān)專家學(xué)者對離散變頻理論進(jìn)行了補(bǔ)充和發(fā)展[8]。參考文獻(xiàn)[1]提出了一種最優(yōu)觸發(fā)角的生成方法，通過設(shè)置最大子頻率點(diǎn)來選擇對稱度良好的離散子頻率和相位角，以此來獲得最大轉(zhuǎn)矩。參考文獻(xiàn)[2]通過建立交流電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，確定主調(diào)壓電路采用晶閘管來改變電源頻率，從而達(dá)到調(diào)壓變頻的目的，并采用對稱分量法進(jìn)行了理論分析。參考文獻(xiàn)[3]設(shè)置了四級啟動子頻率，由二分頻切換到工頻時(shí)采用單神經(jīng)元PID算法來實(shí)現(xiàn)限流目的。參考文獻(xiàn)[4]通過研究分頻相位組合及最優(yōu)切換相位，解決了頻率切換時(shí)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速脈動較大的問題，并提出了一種最優(yōu)觸發(fā)脈沖產(chǎn)生策略，為異步電動機(jī)的重載啟動開辟了新的道路。參考文獻(xiàn)[5]對傳統(tǒng)的異步電動機(jī)離散軟啟動電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，使得電動機(jī)在子頻率運(yùn)行時(shí)采用正序電壓啟動，在一定程度上保證了電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩，而當(dāng)切換到工頻時(shí)采用斜坡電壓軟啟動方式，有效地限制了啟動電流。

從以上分析可以看出，目前對離散變頻技術(shù)的研究主要集中在通過改變晶閘管的觸發(fā)策略和相位角等來達(dá)到提高啟動轉(zhuǎn)矩、降低啟動電流的目的，而對調(diào)壓電路的組成及電路保護(hù)等的研究不是很多。因此，本文在保護(hù)電路和調(diào)壓主電路的組成等方面進(jìn)行了改進(jìn)。調(diào)壓電路采用全控型晶閘管GTO來代替原有的可控硅晶閘管，保護(hù)電路用理想型開關(guān)組代替三相斷路器來控制GTO晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷，當(dāng)電路中出現(xiàn)過電壓或過電流時(shí)，可以迅速閉合開關(guān)，將調(diào)壓電路分離出來，從而可以避免過電壓或過電流對電路造成損害，達(dá)到保護(hù)電路的目的。通過分析分頻電壓的相序及最佳初相角的組合，確定了能夠使輸出轉(zhuǎn)矩最大的最佳相位角，并選定了分級啟動的各個(gè)子頻率，最后通過Matlab仿真模型驗(yàn)證了改進(jìn)后的軟啟動方式不僅能降低啟動電流，增大啟動轉(zhuǎn)矩，還能有效保護(hù)電路。

1 分級離散變頻原理

分級離散變頻即在不改變晶閘管軟啟動器的基本電路結(jié)構(gòu)情況下，引入變頻器的交-交變頻理論，并通過控制晶閘管的導(dǎo)通和截止，有選擇地使工頻供電電源的半個(gè)周波全部或部分通過，使得電壓和電流下降的同時(shí)，電源頻率也降低，從而提高電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩。離散變頻雖然可以實(shí)現(xiàn)頻率變化，但不能使之連續(xù)、線性地發(fā)生變化，而只能是原工頻電壓的任一整數(shù)分頻。例如，對于頻率為50 Hz的工頻電源來說，依次進(jìn)行2，3，4，7，10分頻，就可以得到頻率為25，16.7，12.5，7.1，5 Hz的離散子頻率。

本文所設(shè)計(jì)的離散變頻主電路主要由GTO晶閘管調(diào)壓模塊、電壓檢測模塊、觸發(fā)電路模塊、電流檢測模塊、顯示模塊、主控制電路模塊組成，其工作原理如圖1所示。

圖1 離散變頻主電路工作原理

2 分頻電壓的相序及初相角組合

離散變頻后所得到的分頻電壓中會包含正序、負(fù)序、不對稱相序等多種情況。正序電壓會使電動機(jī)正轉(zhuǎn)，負(fù)序電壓會使電動機(jī)反轉(zhuǎn)，因此，必須要分析分頻后的電壓相序和初相角，從中選取最合適的分頻電壓和相位組合。

設(shè)三相對稱電壓為

(1)

式中：U0為三相電壓幅值；ω0為角頻率。

若分頻數(shù)為r，分頻后的角頻率為ω，則

ω0=rω

(2)

分頻后的基波電壓過零點(diǎn)與工頻電壓過零點(diǎn)相同，為其中2個(gè)過零點(diǎn)中的1個(gè)。設(shè)a相初相角為0，則對于b，c相有

(3)

若分頻后的電壓正序?qū)ΨQ，則對于b，c相有

(4)

由式(1)—式(4)可以推導(dǎo)出含有正序?qū)ΨQ的分頻數(shù)為

r=3k+1

(5)

對于任意的正整數(shù)r，其所對應(yīng)的離散分級序列見表1。

若分頻后的電壓為不對稱電壓，設(shè)其過零度角為αb,αc，則

表1 離散頻率(f)分級序列

(6)

由式(3)、式(6)可得

(7)

由式(7)可推導(dǎo)出各分頻電壓的初相角、相序及分頻數(shù)與相序組合數(shù)的關(guān)系。當(dāng)分頻數(shù)為r時(shí)，相序組合數(shù)為(2r)2。以2分頻為例，其相位角見表2。

表2 2分頻相位角

3 對稱分量法及最大輸出轉(zhuǎn)矩分析

三相異步電動機(jī)在不對稱電源下運(yùn)行時(shí)，零序分量對電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩?zé)o影響，因此，僅需考慮正序分量和負(fù)序分量即可。電動機(jī)正序、負(fù)序等效電路如圖2所示。2個(gè)分量所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩經(jīng)過矢量合成后，即為不對稱電源下電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩。

(a) 正序

(b) 負(fù)序

正序分量下電磁轉(zhuǎn)矩為

(8)

負(fù)序分量下電磁轉(zhuǎn)矩為

(9)

在不對稱電源作用下的電動機(jī)總電磁轉(zhuǎn)矩為正序分量與負(fù)序分量的矢量和，即T=T++T-。

不對稱變量都可以通過對稱分量法分解為各序分量，分頻后的不對稱分頻電壓中包含正序、負(fù)序、零序3種分量，用對稱分量法分解出的各序分量為

(10)

式中α為旋轉(zhuǎn)因子，α=exp(-j120°)。

對于含有正序分量的對稱相序組合，可以通過對稱分量法計(jì)算，選取其中正序分量最大的組合，結(jié)合Matalb仿真即可確定能產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩的分頻電壓及初相角組合。經(jīng)過分析，雖然3分頻和2分頻中不包含正序?qū)ΨQ相序的電壓，但通過對其相位角的分析和對稱分量法的分解，仍然可以找到合適的正序分頻電壓和最佳相位角組合。同理可以推出其他具有不對稱相序的分頻電壓獲得最大轉(zhuǎn)矩的最佳相位角組合。以3分頻為例，經(jīng)過計(jì)算得出的相位角組合見表3。

表3 3分頻電壓及相位角組合

4 分級離散變頻軟啟動仿真

分級離散變頻軟啟動器的仿真模型主要由三相電源模塊、GTO晶閘管調(diào)壓模塊、觸發(fā)角模塊、脈沖發(fā)生器模塊、分頻信號模塊、理想開關(guān)組模塊、電動機(jī)測量模塊等組成，如圖3所示。離散變頻獲得分頻電壓時(shí)，理論上可以實(shí)現(xiàn)對工頻電壓的任意整數(shù)次分頻，但在實(shí)際應(yīng)用中是帶異步電動機(jī)啟動，不宜選取過小的頻率，因此，本文直接選定含有正序?qū)ΨQ相序的10分頻為分頻電壓的最小頻率[9]。傳統(tǒng)的離散變頻方式在選定子頻率時(shí)，往往采用由4分頻直接向工頻過渡的形式，由于頻率相差太大，這種啟動方式使得電動機(jī)電流抖動比較劇烈，轉(zhuǎn)速波動也較大,容易造成啟動失敗[10]。為了克服這一缺點(diǎn)，本文在4分頻和工頻電壓之間添加了3分頻和2分頻電壓作為過渡，盡可能使各分頻電壓無縫銜接，確保了切換時(shí)的穩(wěn)定性。最終所選定的分級啟動的5級子頻率為f/10，f/7，f/4，f/3，f/2。電動機(jī)參數(shù)如下：額定功率Pn=10 kW，額定電壓Vn=380 V，額定頻率fn=50 Hz，定子繞組電阻Rs=0.435 Ω，定子繞組電感L1s=0.002 H，轉(zhuǎn)子繞組電阻Rr=3 Ω，轉(zhuǎn)子繞組電感L1r=0.002 H，互感系數(shù)Lm=0.069 31 H，轉(zhuǎn)動慣量J=2 kg·m2，磁極對數(shù)N=4。

采用全控型晶閘管GTO進(jìn)行調(diào)壓的主電路模型如圖4所示。

利用上述模型對電路進(jìn)行仿真，圖5—圖10分別給出了電動機(jī)直接啟動、斜坡啟動、限流啟動、普通晶閘管離散變頻啟動、GTO晶閘管離散變頻啟動、采用三相斷路器保護(hù)電路的仿真波形。

對比幾種常見軟啟動方式的仿真波形(圖5—圖7)可以看出，直接啟動方式所需要的穩(wěn)定時(shí)間最短，約為0.9 s，最大啟動電流可達(dá)100 A，為額定電流的3～4倍，穩(wěn)定電流為15 A，轉(zhuǎn)矩脈動較大，波動范圍為0～800 N·m；斜坡電壓啟動所需要的穩(wěn)定時(shí)間最長，約為7.5 s，最大啟動電流達(dá)30 A，穩(wěn)定電流為15 A，啟動轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)矩脈動都較小，波動范圍為-50～50 N·m；限流軟啟動能有效限制啟動電流，使之平穩(wěn)增長，穩(wěn)定電流為15 A，所需要的穩(wěn)定時(shí)間介于直接啟動和斜坡啟動之間，約為1.8 s，但啟動轉(zhuǎn)矩較小，轉(zhuǎn)矩脈動較大，波動范圍為-50～250 N·m。

對比2種離散變頻啟動仿真波形(圖8，圖9)可以看出，當(dāng)離散變頻主調(diào)壓電路采用普通晶閘管時(shí)，電動機(jī)的啟動電流相對較小，但當(dāng)由二分頻向工頻過渡時(shí)，電流波動較大，過渡不平滑[11]，啟動轉(zhuǎn)矩較大，最大可達(dá)250 N·m，為傳統(tǒng)軟啟動方式的5～6倍。而當(dāng)采用全控型晶閘管GTO作為主調(diào)壓電路時(shí)，電動機(jī)啟動電流較小，穩(wěn)定在-50～50 A，由二分頻向工頻過渡時(shí)，電流波動也較小，過渡非常平滑[12]，同時(shí)間內(nèi)電動機(jī)轉(zhuǎn)速也相對較高，而且在0～0.5 s內(nèi)啟動轉(zhuǎn)矩也明顯增大，最大可達(dá)800 N·m，為普通晶閘管離散軟啟動時(shí)的2～3倍，軟啟動效果更加理想。

由圖10可以看出，當(dāng)保護(hù)電路選用三相斷路器時(shí)，在0～0.5 s內(nèi)，電流和轉(zhuǎn)矩抖動比較劇烈，容易對電動機(jī)造成沖擊。

綜合以上對比結(jié)果可知，當(dāng)電動機(jī)直接啟動時(shí)，啟動時(shí)間最短，但啟動電流較大，且啟動轉(zhuǎn)矩波動也大，獲得的轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定時(shí)間短，不適合帶重載啟動。采用斜坡軟啟動方式時(shí)，雖能有效降低啟動電流，但啟動轉(zhuǎn)矩也變小，且啟動時(shí)間較長。限流軟啟動方式雖能有效限制電動機(jī)的啟動電流，但無法增大其啟動轉(zhuǎn)矩，因此，不能實(shí)現(xiàn)帶重載啟動。當(dāng)采用GTO晶閘管離散變頻啟動時(shí)，電動機(jī)沖擊電流較小，且切換時(shí)的電流波動小，獲得的啟動轉(zhuǎn)矩較大，而保護(hù)電路選用理想型開關(guān)能有效防止電流和轉(zhuǎn)矩發(fā)生劇烈抖動，因而更適用于礦井提升機(jī)等需要重載或滿載啟動的場合。

圖3 分級離散變頻軟啟動器仿真模型

圖4 三相交流調(diào)壓主電路模型

圖5 電動機(jī)直接啟動仿真波形

圖6 電動機(jī)斜坡啟動仿真波形

圖7 電動機(jī)限流軟啟動仿真波形

圖8 電動機(jī)采用普通晶閘管離散變頻軟啟動仿真波形

圖9 電動機(jī)采用GTO晶閘管離散變頻軟啟動仿真波形

圖10 電動機(jī)采用三相斷路器保護(hù)電路啟動仿真波形

5 結(jié)語

介紹了離散變頻軟啟動的基本原理及構(gòu)造，并對其電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種改進(jìn)的礦用異步電動機(jī)分級離散變頻軟啟動方式，將傳統(tǒng)交流調(diào)壓主電路中的可控硅晶閘管換成全控型晶閘管GTO，通過理想型開關(guān)組來控制其關(guān)斷，從而防止過電壓或過電流對電路造成損害，達(dá)到保護(hù)電路的目的。通過對稱分量法分析各分頻電壓的相序及初相角的組合，確定了能使輸出轉(zhuǎn)矩最大的最佳相位角。最后通過Matlab搭建離散變頻軟啟動的仿真模型，并將仿真結(jié)果分別與全壓啟動、斜坡啟動、限流啟動及采用普通晶閘管離散變頻啟動和用三相斷路器保護(hù)電路的仿真結(jié)果作對比，驗(yàn)證了離散變頻軟啟動方式的可行性與有效性。

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Research on soft start mode of grading discrete frequency conversion for mine asynchronous motor

WANG Dongfeng1,2， ZHANG Kairu1,2， WANG Yi1,2， WANG Yongli1,2

(1.College of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China; 2.State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Cofounded by Shandong Province and the Ministry, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

In view of problem that traditional soft start mode of mine-used asynchronous motor has big starting current, small starting torque, and cannot achieve overload or full load start, voltage regulation circuit and protection circuit were improved based on existing grading discrete frequency conversion principle, and an improved soft start mode of grading discrete frequency conversion for mine asynchronous mator was put forward. The main voltage regulator circuit uses gate turn-off thyristor GTO instead of traditional SCR thyristor to adjust power frequency, and uses ideal switch group instead of three-phase circuit breaker to control its turn-off, so as to prevent circuit damage caused by over-voltage or over-current, and achieves purpose of circuit protect. The Matlab simulation results show that improved soft start mode of grading discrete frequency conversion can not only reduce starting current and increase starting torque, but also effectively protect the circuit.

asynchronous motor; soft start; grading discrete frequency conversion; gate turn-off thyristor

2016-07-25；

2016-10-30；責(zé)任編輯：胡嫻。

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAB13B04)。

王東峰(1989-)，男，山東濰坊人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制技術(shù)，E-mail:237373481@qq.com。

1671-251X(2016)12-0050-06

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.12.011

TD614

A

時(shí)間：2016-12-01 10:33

http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161201.1033.011.html

王東峰，張開如，王毅，等.礦用異步電動機(jī)分級離散變頻軟啟動方式研究[J].工礦自動化，2016,42(12)：50-55.