梁澤毅

(上海梅山工業(yè)民用工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200093)

0 引 言

轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)是煉鋼設(shè)備除塵過程中的重要輔機(jī)，主要功能是將灰塵和有害氣體吹入除塵設(shè)備進(jìn)行凈化。風(fēng)機(jī)提供的動(dòng)力是轉(zhuǎn)爐煉鋼設(shè)備除塵系統(tǒng)正常運(yùn)行的主要?jiǎng)恿ΓL(fēng)機(jī)一旦供電異常，除塵過程受到破壞，可能造成意外停產(chǎn)、污染環(huán)境、危害操作人員等嚴(yán)重后果。因此保證轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)的供電可靠性至關(guān)重要。轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)系統(tǒng)一般采用主/備用電源的雙電源供電模式，在電網(wǎng)系統(tǒng)波動(dòng)或是配電系統(tǒng)異常時(shí)，快速切換供電電源，且在切換過程中需要避免出現(xiàn)過壓、過流問題。尤其是轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)系統(tǒng)一般使用較大容量電動(dòng)機(jī)，在供電切換過程中電機(jī)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢會(huì)在定子中感應(yīng)出瞬間高強(qiáng)度沖擊電壓、形成電流尖峰，危及電力線路保護(hù)裝置，很可能引起跳閘導(dǎo)致重新失電[1-2]。交流電機(jī)在電壓切換過程中，由于轉(zhuǎn)子慣性，轉(zhuǎn)速不會(huì)迅速到零，此時(shí)在定子繞組中感應(yīng)出電動(dòng)勢，即感應(yīng)電機(jī)剩余感應(yīng)電動(dòng)勢，對剩余感應(yīng)電動(dòng)勢產(chǎn)生機(jī)理的研究是抑制合閘沖擊電流的基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[3-8]討論了失電后電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)換過程與三相定子電流方程，對重合閘的最不利時(shí)機(jī)做出分析，用空間矢量方法推導(dǎo)出剩余感應(yīng)電動(dòng)勢表達(dá)式，并討論了切換成功的關(guān)鍵因素。對電壓暫態(tài)特征的提取與準(zhǔn)確快速的識別，是快速有效地進(jìn)行電源切換時(shí)機(jī)判斷的基礎(chǔ)。為了及時(shí)檢測出電壓暫降的起始時(shí)刻與相角變化，常使用的方法可分為時(shí)域檢測法[9]與變換域檢測法[10-13]?；跁r(shí)域檢測法，本文提出了一種優(yōu)化單相d-q變換算法對電壓暫降進(jìn)行快速檢測的方法，實(shí)時(shí)檢測電壓暫態(tài)特征，并研究了感應(yīng)電機(jī)在定子斷電后的剩余感應(yīng)電動(dòng)勢對電機(jī)產(chǎn)生電流沖擊的機(jī)理，判斷電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。采用優(yōu)化單相d-q變換算法判斷電壓暫降，控制晶閘管動(dòng)作時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)雙電源之間安全、穩(wěn)定的切換，保證轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)的供電安全。在理論分析的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種采用數(shù)字信號處理器(DSP)的轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)雙電源快速切換供電裝置，通過實(shí)時(shí)并適時(shí)地控制晶閘管的通斷時(shí)刻，減小切換合閘時(shí)的電流電壓沖擊，確保供電可靠性。

1 電源快速切換機(jī)理

本文研究的基于晶閘管的快速切換電路拓?fù)淙鐖D1所示，該拓?fù)渲饕蓴嗦菲鱇M1、KM2，三相反并聯(lián)晶閘管組SCRs1、SCRs2等組成。斷路器KM1和KM2具有互鎖功能，晶閘管組SCRs1和SCRs2也具有類似的互鎖功能。起動(dòng)過程中對晶閘管組SCRs1進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)軟起動(dòng)；正常工作時(shí)，閉合KM1，電機(jī)由主電源供電。當(dāng)檢測到主電源異常時(shí)，向SCRs1發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號，使其工作，然后斷開KM1，由于SCRs1已經(jīng)導(dǎo)通，KM1觸點(diǎn)兩端被SCRs1箝位，其關(guān)斷過程不會(huì)出現(xiàn)電弧。當(dāng)KM1關(guān)斷后，移除SCRs1的觸發(fā)信號，晶閘管自然過零關(guān)斷。同時(shí)，檢測備用電源的狀態(tài)信息和感應(yīng)電機(jī)的反電動(dòng)勢信息，適時(shí)向SCRs2發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號，電機(jī)由主電源供電切換到備用電源供電。最后再閉合KM2，斷開SCRs2的驅(qū)動(dòng)信號，完成由主電源向備用電源切換。由于KM1與KM2之間設(shè)置互補(bǔ)控制信號，避免了KM1與KM2同時(shí)閉合導(dǎo)致的電壓沖擊。

圖1 基于晶閘管的快速開關(guān)拓?fù)?/p>

理論分析表明，確保無沖擊電流狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)電源快速切換的時(shí)機(jī)可以采用備用電源與電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢的相角差為切換依據(jù)。切換模式可以分為快速切換、同期捕捉切換和剩余感應(yīng)電動(dòng)勢切換等三種，如圖2所示?？焖偾袚Q模式為當(dāng)主電源發(fā)生故障時(shí)，若主、備電源相角差別不大，在較短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行電源切換，這種切換方式既保證了較短的停電時(shí)間，對定子繞組造成的電壓沖擊也在允許范圍內(nèi)，如圖2中區(qū)域1所示。如果主/備電源之間相角相差較大，或者快速切換時(shí)機(jī)太短導(dǎo)致切換開關(guān)來不及運(yùn)作，可以在相角差越過180°后再次重合時(shí)進(jìn)行切換，也即同期捕捉切換模式，如圖2中的區(qū)域2所示。若同期捕捉切換沒有成功，就轉(zhuǎn)入剩余感應(yīng)電動(dòng)勢切換模式，如圖2中的區(qū)域3所示，當(dāng)剩余感應(yīng)電動(dòng)勢衰減到20%～40%額定電壓時(shí)，投入備用電源，實(shí)現(xiàn)電源切換。剩余感應(yīng)電動(dòng)勢切換可保證切換過程不產(chǎn)生沖擊電流，但電動(dòng)機(jī)的斷電時(shí)間相對較長。

圖2 剩余感應(yīng)電動(dòng)勢與備用電源的角差和幅值示意圖

為了保證切換過程的快速性，在可接受斷電時(shí)間內(nèi)完成電源切換，經(jīng)過電壓檢測與相角檢測后，盡量保證在快速切換或同期捕獲階段切換到備用電源，在相角差較小時(shí)進(jìn)行合閘可使負(fù)載承受的沖擊電流較小，達(dá)到低電流沖擊下快速切換電源的效果?？焖偾袚Q模式和同期捕捉切換模式的實(shí)現(xiàn)嚴(yán)重依賴于雙路電源的頻率和相位差均較小，否則將產(chǎn)生較大的沖擊電流，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。實(shí)際工程應(yīng)用中，主/備供電電源的頻率差和相位差是隨機(jī)的，快速檢測電動(dòng)機(jī)的剩余感應(yīng)電動(dòng)勢是確?？煽窟M(jìn)行主/備供電電源切換的必要手段。

2 感應(yīng)電機(jī)剩余感應(yīng)電動(dòng)勢分析

在進(jìn)行電源切換時(shí)，由于電機(jī)轉(zhuǎn)子的慣性，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速不會(huì)立刻降到零，此時(shí)感應(yīng)電機(jī)為發(fā)電機(jī)模式，產(chǎn)生反電動(dòng)勢，即為剩余感應(yīng)電動(dòng)勢。慣性大的電機(jī)剩余感應(yīng)電動(dòng)勢衰減時(shí)間可延續(xù)至3 s以上，而現(xiàn)代社會(huì)對切換速度的要求越來越高，常需要在剩余感應(yīng)電動(dòng)勢存在的情況下實(shí)現(xiàn)快速電源切換。研究電機(jī)剩余感應(yīng)電動(dòng)勢的產(chǎn)生機(jī)理對電源切換時(shí)產(chǎn)生沖擊電壓的瞬態(tài)分析有重要意義。

采用空間矢量法可簡化感應(yīng)電機(jī)模型的建立。電壓與定子磁鏈的表達(dá)式為

(1)

(2)

ψs=Lsis+Mmi′r

(3)

ψ′r=Mmis+Lri′r

(4)

式中：us、is、ψs為定子側(cè)電壓、電流與磁鏈；ir、ψr為轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)子磁鏈；ψ′r，i′r為折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)子電流；Mm為電動(dòng)機(jī)互感系數(shù);Rs、Ls分別為定子每相繞組的電阻和總電感；Rr、Lr分別為歸算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相繞組的電阻和總電感；ur為轉(zhuǎn)子側(cè)電壓。

在某一時(shí)刻斷開三相定子電源，由式(1)～式(4)可得：

(5)

此時(shí)由于電機(jī)是感性負(fù)載，轉(zhuǎn)子電流不會(huì)突變，可由式(2)得到斷電前一時(shí)刻轉(zhuǎn)子電流初始值Irt0，折算到定子側(cè)可得斷電后轉(zhuǎn)子電流為

(6)

假定斷電時(shí)間較短，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在剩余感應(yīng)電動(dòng)勢衰減過程中保持不變,則有：

(7)

由式(1)～式(7)可得：

(8)

最終剩余感應(yīng)電動(dòng)勢表達(dá)式為

(9)

由式(9)可知，剩余感應(yīng)電動(dòng)勢幅值由轉(zhuǎn)子電流與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，其衰減的幅度與轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù)Tr相關(guān)，Tr越大剩余感應(yīng)電動(dòng)勢衰減得越慢，當(dāng)剩余感應(yīng)電動(dòng)勢未衰減到零時(shí)接入備用電源產(chǎn)生電壓差，剩余感應(yīng)電動(dòng)勢與備用電源之間的相角差越大，在裝置中產(chǎn)生的電壓沖擊就越大。圖3為不同相位差下，產(chǎn)生沖擊電壓的大小。es為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)在定子上感應(yīng)出的剩余感應(yīng)電動(dòng)勢，usp為接入的備用電源電壓，可知隨著相位差的變大，電壓差幅值增大，在相位差達(dá)到180°時(shí)幅值達(dá)到最大，因此在合閘時(shí)應(yīng)盡量選擇相位接近的時(shí)刻。比如，當(dāng)備用電源與剩余感應(yīng)電動(dòng)勢之間的相角差較大時(shí)，需要等待相角差越過180°再次接近時(shí)進(jìn)行電源切換，即為同期捕獲切換。

圖3 接入備用電源后電壓差示意圖

3 動(dòng)態(tài)電壓檢測

為了實(shí)現(xiàn)主電源電壓波動(dòng)時(shí)快速切換電源，保障用電設(shè)備的安全，對電網(wǎng)電壓及電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行及時(shí)、快速的檢測非常重要，其影響整個(gè)系統(tǒng)對電源故障的反應(yīng)速度。為了節(jié)省數(shù)字信號處理器(DSP)中的AD檢測接口，采用優(yōu)化單相d-q變換算法進(jìn)行交流電壓暫態(tài)檢測，該方法檢測速度快，在獲得電壓實(shí)時(shí)變化的同時(shí)可以得到相位跳變信息，兼具實(shí)時(shí)性與魯棒性。

設(shè)采樣得到的a相電壓信號為

(10)

式中：ua為a相電壓；ω為電壓角頻率；φ為a相初始相角；U為相電壓有效值。

將ua延時(shí)可以獲得c、b相電壓uc、ub：

ub=-ua-uc

(12)

將ua延時(shí)σ角度得到電壓uσ為

(13)

由式(13)可得：

(14)

將式(14)代入式(11)與式(12)中，可得b、c相電壓表達(dá)式：

(15)

(16)

將經(jīng)過延時(shí)處理得到的三相電壓進(jìn)行Park變換得到其在d-q坐標(biāo)系的電壓：

(17)

C=

(18)

將式(10)、式(15)、式(16)、式(18)代入式(17)可得到在d-q坐標(biāo)系的電壓：

(19)

由式(19)可以得到基波電壓的幅值與相角跳變值為

(20)

通過對采樣得到的單相電壓進(jìn)行優(yōu)化單相d-q變換，由式(20)可計(jì)算出被檢測電源電壓的幅值與相位的實(shí)時(shí)變化，為實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行電源切換奠定基礎(chǔ)。需要注意的是，對于σ的取值需要在對程序延時(shí)要求與硬件噪聲進(jìn)行綜合考慮后選取。

在對快速電源切換系統(tǒng)的理論分析的基礎(chǔ)上，研制了新型快速電源切換裝置的控制系統(tǒng)，其組成如圖4所示。系統(tǒng)的主控芯片采用TI公司的TMS320F28335 DSP。對A路(主電源)、B路(備用電源)和交流電機(jī)的輸入電壓電流通過信號調(diào)理電路后采樣進(jìn)DSP，使用優(yōu)化單相d-q變換算法對電壓幅值與相位進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，根據(jù)電壓的實(shí)時(shí)狀態(tài)選擇適當(dāng)切換時(shí)機(jī)后發(fā)送SCR驅(qū)動(dòng)信號，完成主/備用電源之間的快速可靠切換。保護(hù)電路及報(bào)警與顯示單元等對電源切換系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，既參與對系統(tǒng)的保護(hù)，也經(jīng)由CAN通信與系統(tǒng)上位機(jī)進(jìn)行信息交互， 實(shí)時(shí)發(fā)送運(yùn)行狀態(tài)信息。在本文所研究的控制策略支撐下，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)的高可靠性供電。

圖4 控制系統(tǒng)組成框圖

4 仿真結(jié)果

在進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，基于MATLAB/Simulink進(jìn)行了仿真測試，設(shè)置晶閘管脈沖寬度為100°，選擇六脈沖驅(qū)動(dòng)方式控制晶閘管，在仿真模型中選擇2.2 kW鼠籠型感應(yīng)電機(jī)，額定電流4.8 A，帶風(fēng)機(jī)負(fù)載，假設(shè)在0.3 s時(shí)出現(xiàn)電壓暫降。當(dāng)備用電源與剩余感應(yīng)電動(dòng)勢相位相差20°，直接切換時(shí)定子電流波形如圖5所示，此時(shí)沖擊電流最高為額定電流的3倍，且在0.3～0.35 s之間波動(dòng)較小，50 ms后系統(tǒng)可以正常工作。由仿真數(shù)據(jù)可得，在相角差為30°以內(nèi)時(shí)直接切換對系統(tǒng)帶來的沖擊是可以接受的，在此相角差范圍內(nèi)無需判斷相角差最小時(shí)刻，可以直接切換電源。

圖5 掉電時(shí)相角差20°時(shí)直接切換三相定子電流波形

當(dāng)備用電源與剩余感應(yīng)電動(dòng)勢相角差為100°時(shí)直接切換電源，對系統(tǒng)的沖擊如圖6所示，造成的沖擊電流高達(dá)額定電流10倍以上，對系統(tǒng)沖擊較大，應(yīng)等待至同期捕獲時(shí)期再進(jìn)行電源切換。圖7所示為電機(jī)斷電60 ms后，在備用電源與剩余感應(yīng)電動(dòng)勢之間的相角差再次重合時(shí)，進(jìn)行電源切換，此時(shí)最高沖擊電流較小。圖8中波形為備用電源與剩余感應(yīng)電動(dòng)勢之間的相角差達(dá)到180°時(shí)進(jìn)行電源切換的三相定子電流波形，在該時(shí)刻進(jìn)行電源切換，造成了最大的電壓沖擊，與理論分析一致，該沖擊電壓下有設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 掉電時(shí)刻相角差100°時(shí)直接切換電源三相定子電流波形

圖7 掉電時(shí)相角差100°時(shí)同期捕獲切換三相定子電流波形

圖8 掉電時(shí)相角差180°時(shí)切換電源三相定子電流波形

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)雙電源切換裝置。通過對剩余感應(yīng)電動(dòng)勢形成機(jī)理進(jìn)行建模分析，將備用電源與剩余感應(yīng)電動(dòng)勢相位差作為自動(dòng)切換時(shí)機(jī)的判斷依據(jù)。對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析可知，在備用電源與剩余感應(yīng)電動(dòng)勢之間相差30°以內(nèi)時(shí)可以驅(qū)動(dòng)晶閘管進(jìn)行快速切換，在備用電源與剩余感應(yīng)電動(dòng)勢之間的相角差較大時(shí)，使用同期捕獲切換的方式可以大幅度減小沖擊電流，保護(hù)快切裝置與設(shè)備。仿真結(jié)果表明了本文所提出的控制策略和控制方案的正確性和可行性，研究成果具有較大工程應(yīng)用價(jià)值。