矿井通风高压异步电机软起动控制策略研究42807.doc

矿井通风高压异步电机软起动控制策略研究*
晶闸管/软起动/DSP/矿井通风机
1  引言
矿井通风机用以向井下输送新鲜空气、供人员的氧气需求,要稀释井下有害气体和冲淡粉尘,保证人员安全及生产的连续性。然而异步电机直接起动电流可达额定值的5~7倍[1],甚至有超过12倍的极端情况。那么通风机传动高压异步电动机的安全可靠起动与运行就显得至关重要。
常用的起动方式有磁控降压起动、水电阻降压起动、自藕降压起动等等。因以上几种起动方式不能够宽范围的调节电机端电压,在起动时若电网短路容量较小极容易造成电动机起动失败。近些年由于电力电子元件的飞速发展,以晶闸管串联构成的交流反并联调压电路已广泛的应用于高压电机软起动当中。该技术具有宽范围调压、调流、起动重复精度高、占地空间小、价格低廉等特点,越来越受到人们的关注。
2  晶闸管串联高压电机软起动的关键技术
2.1  主电路拓扑结构、晶闸管的选取及均压措施
2.1.1  软起主电路拓扑结构

系统拓扑结构采用晶闸管串联的交流调压软起电路如图1a),还包含图1b)中的电流电压变送电路、电流电压过零检测电路、触发恒流源、触发单元(含磁环)等。             
 2.1.2  晶闸管额定参数的选取

K1为电压计算系数,取2.45,ｎ为串联晶闸管的额个数,K2为均压系数,取0.8~0.9。
一般电机软起动时的电流倍数在4倍额定电流,时间一般不超过一分钟。连续起动次数冷态允许2次,热态允许1次。根据这些基本数据有

IMAX为实际流过的最大电流,ｎ为晶闸管并联个数,K为均流系数,可取0.8~0.9。
晶闸管在串联使用时需平均分配每只元件所分担电压。因其特性有差异,晶闸管的伏安特性、开通时间及恢复电荷等参数的分散性,在其串联应用时一定要采取均压措施。
静态均压电阻的选择依据:

动态均压元件选择依据:
在晶闸管两端并联阻容吸收(R、C)电路,用以实现动态均压。具体选择如下:

电阻可依据经验取10~50欧姆/150~250瓦。动态均压除配置吸收电路外还可采用强触发技术。
2.2  晶闸管的强触发及隔离技术

高压环境中晶闸管的触发隔离技术主要有电磁隔离触发、间接光触发(光电触发)、光触发等。光触发因成本较高极少用于工业产品而电磁隔离触发因体积大、制造难度大成本较高也不适用于普通工业产品。当前常用的触发隔离形式主要为间接光触发。而触发供电电源取能有低压、高压及电压源型耦合取能方式,考虑到系统安全可靠、触发脉冲前沿足够陡峭,系统设计了电流源耦[2]合取能触发形式。系统控制电流源的开通于关断控制通过磁环的感应电流的通断,在磁环的二次侧感应出脉冲再经简单整流获得触发脉冲。本方案具有隔离可靠、脉冲对称度高、脉冲前沿陡峭等特点。具体实施方案如图2所示,触发脉冲实测波形如图3所示脉冲前沿陡度大于1.5A/us符合强触发要求。
2.3  关于电机的转矩震荡
因三相异步电动机在起动过程中功率因数角是持续变化的[3],特别是在8电动机起动后期功率因数角的变化非常剧烈[4],如不加以控制将引起电动机的转矩较大脉动,甚至影响通风机的安全稳定运行。为此增加了电动机定子电压补偿策略。
晶闸管输出电压有效值为:

装置工作时,可通过检测电机定子电流的有效值是否接近额定电流来判断转速是否达到电机额定转速。同时,实时的调整晶闸管的触发角度用以补偿定子电压。
则电动机端电压有效值可表示为:

实际触发角度等于Δα和α的和,本控制策略也在实际的测试中得到了印证,详见图5的b)。
2.4  重载情况下的起动
2.4.1  首脉冲起动控制
在电动机起动之初,向电机端施加70%~100%电机额定电压(可调整),持续时间可在1~3s内调整使电动机克服高静阻力负载转动起来后,再以电压斜坡控制方式控制电动机起动,此种控制方式虽能起动重载设备,但会向电网输送较高的电压尖峰,这对电网的安全稳定运行会产生一定影响。特别当电网短路容量相对较小时应慎重使用。
2.4.2  分级变频起动控制
异步电动机如需成功拖动重负荷起动,那么需要增大电动机输出转矩[5]。然而,调压软起动本身就是以牺牲电动机转矩为代价的,异步电动机转矩表达式为:

那么,如需增大电动机输出转矩,还可以下调定子电压频率来实现。晶闸管调压型软起动装置可以适当配置算法即可实现此功能,图4给出晶闸管调压型的软起动方式分级变频起动方式的仿真波形。               

3  主控制系统的设计
3.1  核心控制器的选取
TI公司生产的TMS320F2812专为电机控制而设计,具有集成度高,可靠性强的特点。除每秒可执行1.5亿次指令、采样周期12.5MIPS的12位A/D变换控制外,还具有用于捕获高速脉冲信号的CAP端口和带有死区控制的PWM发生端口非常适合于电动机的起动调速控制。
3.2  信号采集电路的设计

在电机起动过程中,控制保护的实现主要靠采集系统电压及电动机的额定子电流来实现。其中,定子电压补偿法还需准确的判断电流的过零信号,为此设计了如图5的电压电流采集电路。
因起动过程是相位控制方式,会产生较大的谐波成分,在捕获电流过零信号时一定需要采取屏蔽虚假过零信号的控制策略,否则定子电压补偿控制算法将难以实现。
3.3  系统模糊控制策略
模糊控制的工作方式追寻着人工智能控制及反馈控制的理论[5],自理论提出以来以广泛的应用于电力电子领域。特别在电机控制领域已广泛应用。为精确的实现电机定子电压补偿,系统设计了基于模糊控制方式的恒流软起动,其中Δα与ΔI分别为电动机定子电流与触发控制角度的增量,ΔIC为电动机定子电流变化率,具体控制方式如表1。

4  理论验证
针对上述理论研究,在实验室条件下针对一台380V/2.5KW/5A异步电动机进行了实际的测试,具体测试波形如下:
图6从测试波形可以看出装置降低电动机起动电流特性明显。同时对比施加了定子电压补偿策略(a)图)与未补偿波形(b)图)可见,当施加控制策略使电动机起动后,转矩震荡明显得到抑制,实验充分的验证了软起动装置的特性及算法的准确性。

5  结束语
对以上软起动装置试制了10kV/500kW高压异步电动机软起动装置并成功应用于某煤矿矿井通风机的软起当中。要求起动电流小于3.5倍额定电流,实现恒流软起动。实际起动电动机电流为116.9A为电机额定电流的3.1倍,具体曲线如图7所示。
装置成功投入运行表明本软起动装置达到了软起动电动机,减小因电机直接起动对电网及机械负荷造成的冲击,具有广泛的煤矿行业推广应用前景,因条件所限分级变频软起方式并没有得到实际的应用这也是本课题继续研究的关键。
王 欢,郭殿林,陈国民