異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)技術(shù)及轉(zhuǎn)矩控制仿真研究

童玲,王志新,張華強(qiáng),劉啟中,陳道賢

(1.上海交通大學(xué) 電氣工程系,上海 200240;2.上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院,上海 200240;3.索肯和平(上海)電氣有限公司,上海 200240)

1 引言

電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)一直為人們所關(guān)注。如普通鼠籠式電動(dòng)機(jī)在全壓直接啟動(dòng)時(shí),啟動(dòng)電流達(dá)到額定電流的5～7倍,引起電網(wǎng)電壓急劇下降,使啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩減小,造成啟動(dòng)失敗,且影響其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行。同時(shí),直接啟動(dòng)勢(shì)必對(duì)電動(dòng)機(jī)本身帶來很大的沖擊力,產(chǎn)生過熱,影響使用壽命。電動(dòng)機(jī)容量越大,受影響的程度越深。傳統(tǒng)解決辦法包括星-角啟動(dòng)、自耦變壓器啟動(dòng)、串聯(lián)電抗器啟動(dòng)等,雖然減小了啟動(dòng)電流,但是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩也同時(shí)減小,在切換瞬間還會(huì)產(chǎn)生二次沖擊電流。無級(jí)軟啟動(dòng)方法有磁飽和電抗降壓軟啟動(dòng)、開關(guān)變壓器降壓軟啟動(dòng)、晶閘管串聯(lián)降壓軟啟動(dòng)等。隨著電力電子技術(shù)的提高和功率器件的發(fā)展以及銅、鐵等原材料價(jià)格的大幅上漲,晶閘管串聯(lián)式的高壓軟啟動(dòng)裝置越來越被市場(chǎng)所認(rèn)可。如英國(guó)CT公司、法國(guó) TE公司、美國(guó)BS公司、德國(guó)AEG公司及歐洲ABB公司等均推出了軟啟動(dòng)器系列產(chǎn)品。其中,美國(guó)的BS公司采用晶閘管串聯(lián)技術(shù)生產(chǎn)的中壓6～13.8 kV軟啟動(dòng)器,最大功率可達(dá)10 MW。國(guó)內(nèi)中源ZY-FR1000系列軟啟動(dòng)器性能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,索肯和平(上海)電氣有限公司HPMV系列軟啟動(dòng)器采用了先進(jìn)的光纖隔離電子電壓變送器EVT,同時(shí),能夠?qū)φ麄€(gè)系統(tǒng)進(jìn)行低壓測(cè)試,避免控制、觸發(fā)系統(tǒng)出現(xiàn)問題,損壞晶閘管。

2 軟啟動(dòng)方法[1～17]

2.1 變頻啟動(dòng)

變頻器用于交流電機(jī)啟動(dòng),啟動(dòng)電流小、啟動(dòng)力矩大、調(diào)速曲線平滑、調(diào)速范圍大,運(yùn)行平穩(wěn),啟動(dòng)速度快,是交流電機(jī)理想的啟動(dòng)方式。但是,高壓變頻器更適用于需調(diào)速的電機(jī)系統(tǒng),且價(jià)格昂貴,單純用作軟啟動(dòng)裝置使用不經(jīng)濟(jì)。

2.2 液阻式降壓軟啟動(dòng)

2.2.1 液阻軟啟動(dòng)

液阻是一種由電解液形成的電阻,其導(dǎo)電本質(zhì)是離子導(dǎo)電。電解液中有兩個(gè)導(dǎo)電極板,即固定極板和動(dòng)極板,伺服系統(tǒng)控制動(dòng)極板的距離來改變啟動(dòng)電阻值。

2.2.2 熱變電阻軟啟動(dòng)

與液阻的主要區(qū)別在于電極不動(dòng),熱變電阻呈現(xiàn)明顯的負(fù)溫度特性[9]。

液阻式軟啟動(dòng)裝置的不足是電機(jī)啟動(dòng)時(shí),液體電阻發(fā)熱,要消耗一定的電能,且不適合頻繁啟動(dòng)場(chǎng)合。但因其投資少、性能好(無極控制,熱容量大),不會(huì)產(chǎn)生諧波影響電網(wǎng),適用于高壓大功率電機(jī)和重載啟動(dòng)。

2.3 磁飽和電抗軟啟動(dòng)

磁飽和電抗器的等效電抗值是可控的,它利用鐵心的飽和特性,通過改變直流勵(lì)磁來改變其電抗參數(shù),可以實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)控制,且可實(shí)現(xiàn)軟停車。與高壓晶閘管軟啟動(dòng)相比,其缺點(diǎn)是控制快速性比較差,噪聲較大,也會(huì)產(chǎn)生一定的高次諧波。

2.4 開關(guān)變壓器軟啟動(dòng)

用開關(guān)變壓器隔離高壓和低壓,通過改變其低壓繞組上電壓來改變高壓繞組上的電壓,從而達(dá)到改變電機(jī)端電壓的目的,以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)。不必采用晶閘管串聯(lián)技術(shù),可靠性大大提高,且諧波很小。此外,電壓電流可全范圍調(diào)節(jié),可構(gòu)成閉環(huán)控制,時(shí)間常數(shù)小,反應(yīng)迅速。

2.5 晶閘管串聯(lián)軟啟動(dòng)

在高壓電網(wǎng)和電動(dòng)機(jī)之間接入反并聯(lián)晶閘管調(diào)壓電路,通過控制晶閘管的觸發(fā)角進(jìn)行斬波,起到調(diào)壓作用。由于單只晶閘管還不足以高壓,所以采用串聯(lián)技術(shù)。例如在設(shè)計(jì)6 kV高壓軟啟動(dòng)裝置的時(shí)候,功率單元常采用3只晶閘管串聯(lián)的方式提高耐壓值。該系統(tǒng)對(duì)均壓電路、觸發(fā)電路的性能要求較高,對(duì)元器件參數(shù)的一致性要求比較高。可實(shí)現(xiàn)輸出電壓連續(xù)可調(diào),能完全免除對(duì)電網(wǎng)和電動(dòng)機(jī)及機(jī)械設(shè)備的沖擊。

表1列舉了各種軟啟動(dòng)方法特點(diǎn)?？梢?晶閘管具有體積小、實(shí)現(xiàn)軟啟停容易、能量損耗小、啟動(dòng)方式多樣化等特點(diǎn)。同時(shí),多個(gè)晶閘管串聯(lián),需要解決同步觸發(fā)、均壓、均流等技術(shù)關(guān)鍵。

表1 各種軟啟動(dòng)方法特點(diǎn)Tab.1 The features of each kind of soft-start method

3 轉(zhuǎn)矩控制仿真[18～19]

3.1 轉(zhuǎn)矩控制算法

轉(zhuǎn)矩控制閉環(huán)圖如圖1所示。由電機(jī)運(yùn)動(dòng)方程可設(shè)[20]:

式中:T0為初始轉(zhuǎn)矩(在系統(tǒng)中為零);KI為電磁轉(zhuǎn)矩的上升斜率。

又異步電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速為

因此有:

式中:p為電機(jī)極對(duì)數(shù);a,b,c為常系數(shù)。

由機(jī)械特性方程:

且

結(jié)合式(3)、式(4)可得 u=f1(Tem,t),再由式(5)可得到觸發(fā)角α和時(shí)間t的對(duì)應(yīng)關(guān)系α=f2(u,φ),可實(shí)現(xiàn)晶閘管調(diào)壓[21～26]。

在圖1中閉環(huán)的調(diào)節(jié)量是轉(zhuǎn)矩。此外有反饋電路中與轉(zhuǎn)矩有關(guān)的電流所需的晶閘管觸發(fā)角和根據(jù)負(fù)載計(jì)算應(yīng)給定的電壓觸發(fā)角,并將兩者相比較,運(yùn)算后得到從負(fù)載角度所需的功率,將這一功率實(shí)際值同應(yīng)設(shè)定的電機(jī)電流前饋電路計(jì)算出的定子損耗合成,并計(jì)算出斜坡轉(zhuǎn)矩的實(shí)測(cè)值進(jìn)入上述閉環(huán)方框圖,完成轉(zhuǎn)矩斜坡的控制[1,27]。

圖1 轉(zhuǎn)矩控制框圖Fig.1 T he block diagram of torque control

3.2 仿真用電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)[28]

選用一臺(tái)3 kW的三相異步電動(dòng)機(jī)作為仿真用電動(dòng)機(jī),其參數(shù)為:Pn=3 kW,Vn=380 V,n=50 Hz,Rs=1.877 Ω,Lls=0.00078 H,R′r=1.695 Ω,L′lr=0.00084 H,Lm=0.0693 H,J=0.5 kg?m2,p=2。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用Matlab7.0搭建晶閘管軟啟動(dòng)下的仿真模型如圖2所示,由三相交流電壓源模塊、同步環(huán)節(jié)模塊、觸發(fā)角控制模塊、三相交流調(diào)壓模塊、轉(zhuǎn)矩測(cè)量模塊、控制模塊等構(gòu)成。其中,三相交流電壓源模塊是用3個(gè)單相交流電壓源通過星型接法連接而成,通過正確設(shè)定相位與幅值關(guān)系構(gòu)成電壓源模塊;觸發(fā)角控制模塊的作用是通過電流值計(jì)算觸發(fā)角的大小,送入脈沖觸發(fā)器。觸發(fā)電路由同步環(huán)節(jié)、延遲環(huán)節(jié)、鋸齒波形成環(huán)節(jié)和移相控制環(huán)節(jié)組成,限于篇幅不再提供圖形。

圖2 采用轉(zhuǎn)矩控制的仿真系統(tǒng)圖Fig.2 The simulation sy stem using torque control

轉(zhuǎn)矩斜坡控制封裝模塊內(nèi)部模型如圖3所示,電磁轉(zhuǎn)矩反饋信號(hào)和負(fù)載轉(zhuǎn)矩值通過加法器進(jìn)行比較,轉(zhuǎn)矩偏差經(jīng)滯環(huán)比較(Relay),若反饋信號(hào)大于給定值,輸出為0,反之則輸出為1。轉(zhuǎn)矩上升速率控制值與滯環(huán)輸出相乘后,通過一積分環(huán)節(jié),產(chǎn)生值由0按上升斜率為其乘積值線性遞增的信號(hào),乘積值為0時(shí),積分環(huán)節(jié)輸出即保持原有值不變。啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩起始給定值Constant2和積分輸出值比較,偏差經(jīng)一飽和環(huán)節(jié)(Saturation)限制輸出值范圍,送至輸出端。Constant和飽和輸出范圍的取值都表示觸發(fā)角的大小。

圖3 轉(zhuǎn)矩斜坡控制圖Fig.3 The torque slope control

采用直接啟動(dòng)方式和轉(zhuǎn)矩控制啟動(dòng)方式的電流變化情況如圖4所示。其中,直接啟動(dòng)方式峰值啟動(dòng)電流達(dá)到80 A(為額定電流的4倍),瞬時(shí)沖擊電流很大,這對(duì)電機(jī)本身、拖動(dòng)設(shè)備及電網(wǎng)都造成沖擊;轉(zhuǎn)矩控制方式,啟動(dòng)電流平穩(wěn)無沖擊,最大值45 A(為額定電流的2倍左右),避免了瞬時(shí)沖擊電流給電機(jī)本身、拖動(dòng)設(shè)備及電網(wǎng)帶來的不利影響。

圖4 啟動(dòng)電流iaFig.4 The starting current ia

由于該軟啟動(dòng)系統(tǒng)的啟動(dòng)時(shí)間比較長(zhǎng)(啟動(dòng)時(shí)間為5.5 s),整個(gè)啟動(dòng)過程的波形不便給出。因此,為了清楚起見,分別抽取啟動(dòng)初始階段、中間階段和啟動(dòng)結(jié)束階段的局部啟動(dòng)電流波形放大顯示,如圖5所示。

直接啟動(dòng)和轉(zhuǎn)矩控制方式啟動(dòng)過程中電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化情況如圖6所示。由圖6可知,直接啟動(dòng)時(shí)初始轉(zhuǎn)矩達(dá)到210 N?m,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過負(fù)載轉(zhuǎn)矩,對(duì)電網(wǎng)造成很大的沖擊。采用轉(zhuǎn)矩控制后,電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩得到了很好的控制,最大轉(zhuǎn)矩不超過75 N?m,并且電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩近似保持一致上升,大大減小加速轉(zhuǎn)矩,避免了二次沖擊。綜上所述,采用直接轉(zhuǎn)矩控制的軟啟動(dòng)裝置能夠很大程度地降低加速轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)電流,它的性能要比直接啟動(dòng)優(yōu)越得多,能夠很好地控制異步電機(jī)的啟動(dòng)過程。

圖5 轉(zhuǎn)矩控制啟動(dòng)電流波形Fig.5 The waveforms of starting current using torque control

圖6 電磁轉(zhuǎn)矩 Te和負(fù)載轉(zhuǎn)矩TLFig.6 The electromagnetic torque Teand the load torque TL

4 結(jié)論

基于轉(zhuǎn)矩控制的晶閘管軟啟動(dòng)方法,在保持加速力矩的同時(shí),實(shí)時(shí)計(jì)算定子和轉(zhuǎn)子的功率。即在整個(gè)加速減速周期內(nèi)連續(xù)計(jì)算電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)和定子的損耗,檢測(cè)電壓和電流計(jì)算功率因數(shù),并在扣除定子損耗后,得到實(shí)際的轉(zhuǎn)子功率和電動(dòng)機(jī)力矩,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)修正電磁轉(zhuǎn)矩,從而保證電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩由小到大線性上升。相比直接啟動(dòng)方式,轉(zhuǎn)矩控制啟動(dòng)方式增加了所需的電壓和功率因數(shù)測(cè)量環(huán)節(jié),以及轉(zhuǎn)矩跟蹤反饋環(huán)節(jié)。仿真研究表明轉(zhuǎn)矩控制啟動(dòng)方式能很好地降低加速轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)電流,改善異步電機(jī)的啟動(dòng)過程,消除了直接啟動(dòng)對(duì)電氣和機(jī)械設(shè)備的不利影響,提高電機(jī)的啟動(dòng)特性和安全性能。整個(gè)系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單,控制靈活,啟動(dòng)平穩(wěn),運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí),解決多個(gè)晶閘管串聯(lián)時(shí)涉及的同步觸發(fā)與均壓、均流等技術(shù)難題,有助于開發(fā)大容量高壓固態(tài)軟啟動(dòng)裝置,擴(kuò)大晶閘管高壓軟啟動(dòng)器的應(yīng)用領(lǐng)域。

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