異步電動機分級變頻軟啟動仿真研究

嚴(yán)垚，王宏華

(河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇南京211100)

0 引言

眾所周知，為了改善異步電動機的啟動性能，采用晶閘管移相觸發(fā)降壓的軟啟動技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，其具有電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)、電流連續(xù)等優(yōu)點，但存在降低啟動轉(zhuǎn)矩的局限，常限定于輕載啟動的應(yīng)用場合。對于需重載或滿載啟動的設(shè)備，如球磨機、粉碎機、礦井起重機、拉絲機、皮帶傳輸機等，采用常規(guī)軟啟動器啟動一般難以達(dá)到減小啟動電流、順利啟動的目的，采用變頻軟啟動技術(shù)是適應(yīng)重載啟動需要的較佳選擇。雖然變壓變頻調(diào)速器可實現(xiàn)異步電動機理想的平滑軟啟動，但成本較高。美國田納西州科技大學(xué)Antonio Ginart博士于1997年提出的分級變頻控制方法，為適應(yīng)重載啟動需要的軟啟動器開發(fā)提供了新思路。本文在分析異步電機分級變頻軟啟動原理的基礎(chǔ)上，基于Matlab/Simulink建立了異步電動機分級變頻軟啟動控制系統(tǒng)仿真模型，該軟啟動器采用7，5，4，2分級變頻，切換為工頻時采用單神經(jīng)元PID算法實現(xiàn)限流，仿真結(jié)果驗證了所設(shè)計的分級變頻軟啟動器有效降低啟動電流，提高啟動轉(zhuǎn)矩，在異步電動機重載啟動應(yīng)用場合具有良好應(yīng)用前景。

1 分級變頻軟啟動的原理

分級變頻軟啟動器的主電路與常規(guī)晶閘管相控調(diào)壓軟啟動器基本一致，在啟動過程中，通過改變晶閘管觸發(fā)角控制策略，使電機定子相電壓頻率隨著相電壓幅值增大而增加，從較小的某一初值分步離散地增加至工頻。分級變頻技術(shù)采用將N個工頻周期組合為一個周期交流電，選擇在其正負(fù)半周期分別只讓工頻電壓的正負(fù)半波導(dǎo)通，實現(xiàn)N分頻。由于新頻率是對交流電源分頻而得，是工頻電源的一系列子頻率，其不可能實現(xiàn)連續(xù)的變頻軟啟動，故也稱之為離散變頻軟啟動。

已有文獻研究表明，N=3m+1(m為自然數(shù))，即N為4，7，10……時，可以得到正序三相對稱電壓;當(dāng)N=3m－1，即N為 2，5，8，11……時，可以得到負(fù)序的三相電壓;當(dāng)N為其他數(shù)時只能得到不平衡的三相電壓組合。對于正序電壓組合的子頻率系統(tǒng)可直接采用;對負(fù)序電壓組合的子頻率系統(tǒng)可通過改造電路結(jié)構(gòu)，調(diào)換 B、C相從而得到正序電壓組合;對于不平衡電壓組合的子頻率系統(tǒng)不予采用。實際應(yīng)用中，對負(fù)序電壓組合的子頻率系統(tǒng)改造電路結(jié)構(gòu)有如下兩種方案。

方案一：分級變頻調(diào)壓軟啟動器的電路結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的軟啟動器結(jié)構(gòu)相比增加了兩組接觸器(其仿真模型如圖1所示，圖1中的一組接觸器仿真模型如圖2所示)，與具備電機制動與反轉(zhuǎn)控制功能的調(diào)壓軟啟動器主電路結(jié)構(gòu)相同，并通過軟件控制實現(xiàn)切換開關(guān)達(dá)到輸出正序電壓。

圖1 增加了兩組接觸器的仿真模型

圖2 一組接觸器的仿真模型

方案二：在傳統(tǒng)軟啟動器結(jié)構(gòu)上增加兩組晶閘管Pe，Pd(圖3)，其主要功能是在負(fù)序子頻率系統(tǒng)工作情況下調(diào)換B、C相電壓，從而實現(xiàn)定子電壓為正序的目的。

圖3 增加兩組晶閘管的分級變頻調(diào)壓軟啟動器主電路圖

2 異步電機分級變頻軟啟動仿真模型

本文建立的異步電機分級變頻軟啟動器MATLAB仿真模型如圖4所示，主要由三相電源模塊、三相交流調(diào)壓模塊、觸發(fā)脈沖模塊、控制器模塊、晶閘管組模塊、電機模型模塊和測量顯示模塊等組成。

圖4 分級變頻調(diào)壓軟啟動器仿真模型

2.1 三相電源模塊

三相電源模塊采用SimPowerSystems庫中的交流電壓源模塊，參數(shù)設(shè)置電壓幅值均為380 V，頻率50 Hz，相位角則為 A相 0°，B相 －120°，C相 120°。電源中性點接地。三個電壓測量模塊Va，Vb，Vc分別檢測A，B，C相的相電壓，檢測結(jié)果送到控制器模塊作為電壓同步檢測信號。

2.2 三相交流調(diào)壓模塊

三相交流調(diào)壓模塊是構(gòu)成軟啟動器主回路的核心，它由3組反并聯(lián)的晶閘管組成，仿真模型如圖5所示。

2.3 脈沖觸發(fā)和觸發(fā)角控制模塊

圖5 晶閘管調(diào)壓電路的仿真模型

脈沖觸發(fā)和觸發(fā)角控制模塊如圖6所示，其包含四個子系統(tǒng)，分別為同步主脈沖發(fā)生模塊(圖7)、子頻率脈沖合成模塊(圖8)、各級頻率切換控制模塊(圖9)、觸發(fā)角控制模塊。

圖6 脈沖觸發(fā)和觸發(fā)角控制模塊

圖7 同步主脈沖發(fā)生模塊

圖8 子頻率脈沖合成模塊

圖9 各級頻率切換控制模塊

2.4 工頻時的控制模塊

控制模塊主要由S－Function模塊完成，本文利用編程語言在S－Function中編寫相關(guān)控制算法。將測量到的電動機相電流經(jīng)過有效值計算模塊轉(zhuǎn)換為當(dāng)前電流有效值，再根據(jù)電流限定值(有效值)，得到當(dāng)前誤差送入SFunction模塊;經(jīng)基于單神經(jīng)元PID控制算法后，得到控制量(導(dǎo)通角)，經(jīng)過處理 (轉(zhuǎn)換為觸發(fā)角)后，送入同步脈沖觸發(fā)模塊，從而達(dá)到限制啟動電流，實現(xiàn)異步電動機軟啟動的目的。由于異步電動機的啟動過程復(fù)雜，加上異步電動機和晶閘管調(diào)壓裝置具有時變性和較強的非線性，故本文選用單神經(jīng)元PID控制作為異步電動機軟啟動器工頻時限流控制的算法。

3 仿真結(jié)果

在matlab/simulink仿真環(huán)境中，通過對異步電動機進行直接啟動控制、限流控制、和分級變頻控制進行仿真。分別得到轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的波形圖(圖10－圖18)。

電動機參數(shù)其他參數(shù)設(shè)置如下：極對數(shù)為2，額定頻率f=50 Hz，Rs=1.9 Ω ，Lls=10 mH，Rr=1.6 Ω ，Llr=16.56 mH，Lms=0.135 7 mH，J=0.202 kg·m2額定功率3 kW。

圖10 電動機直接啟動電磁轉(zhuǎn)矩

圖11 電動機直接啟動轉(zhuǎn)速

圖12 電動機直接啟動電流

圖13 限流啟動電磁轉(zhuǎn)矩

圖14 限流啟動電機轉(zhuǎn)速

圖15 限流啟動電動機電流

圖16 分級變頻軟啟動電磁轉(zhuǎn)矩

圖17 分級變頻軟啟動電動機轉(zhuǎn)速

圖18 分級變頻軟啟動電動機電流

通過對仿真結(jié)果的分析可以得到結(jié)論：限流軟啟動是采用電流的閉環(huán)控制，雖然能夠很好地限制電動機的啟動電流，但是啟動時間較長，啟動轉(zhuǎn)矩不高;分級變頻啟動能夠限制電動機的啟動電流，啟動轉(zhuǎn)矩大，是一種有效的高轉(zhuǎn)矩啟動方法，適用于大負(fù)載的電動機啟動。

4 結(jié)論

采用分級變頻軟啟動方法，在保持常規(guī)晶閘管調(diào)壓軟啟動器基本結(jié)構(gòu)不變的情況下，利用晶閘管通斷實現(xiàn)變壓變頻，可克服常規(guī)軟啟動方法啟動轉(zhuǎn)矩不足的局限。本文研究了分級變頻軟啟動器控制策略，該軟啟動器采用7，5，4，2分級變頻，切換為工頻時采用單神經(jīng)元PID算法實現(xiàn)限流，基于Matlab/Simulink建立了異步電動機分級變頻軟啟動控制系統(tǒng)仿真模型，仿真結(jié)果表明所設(shè)計的分級變頻軟啟動器不僅可有效降低啟動電流、提高啟動轉(zhuǎn)矩，且具有成本低的優(yōu)點，適用于異步電動機重載啟動應(yīng)用場合。

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