礦井通風(fēng)高壓異步電機(jī)軟起動(dòng)控制策略研究

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1、礦井通風(fēng)高壓異步電機(jī)軟起動(dòng)控制策略研究*晶閘管/軟起動(dòng)/DSP/礦井通風(fēng)機(jī)1?引言礦井通風(fēng)機(jī)用以向井下輸送新鮮空氣、供人員的氧氣需求,要稀釋井下有害氣體和沖淡粉塵,保證人員安全及生產(chǎn)的連續(xù)性。然而異步電機(jī)直接起動(dòng)電流可達(dá)額定值的5~7倍[1],甚至有超過(guò)12倍的極端情況。那么通風(fēng)機(jī)傳動(dòng)高壓異步電動(dòng)機(jī)的安全可靠起動(dòng)與運(yùn)行就顯得至關(guān)重要。常用的起動(dòng)方式有磁控降壓起動(dòng)、水電阻降壓起動(dòng)、自藕降壓起動(dòng)等等。因以上幾種起動(dòng)方式不能夠?qū)挿秶恼{(diào)節(jié)電機(jī)端電壓,在起動(dòng)時(shí)若電網(wǎng)短路容量較小極容易造成電動(dòng)機(jī)起動(dòng)失敗。近些年由于電力電子元件的飛速

2、發(fā)展,以晶閘管串聯(lián)構(gòu)成的交流反并聯(lián)調(diào)壓電路已廣泛的應(yīng)用于高壓電機(jī)軟起動(dòng)當(dāng)中。該技術(shù)具有寬范圍調(diào)壓、調(diào)流、起動(dòng)重復(fù)精度高、占地空間小、價(jià)格低廉等特點(diǎn),越來(lái)越受到人們的關(guān)注。2?晶閘管串聯(lián)高壓電機(jī)軟起動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)2.1?主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、晶閘管的選取及均壓措施2.1.1?軟起主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用晶閘管串聯(lián)的交流調(diào)壓軟起電路如圖1a),還包含圖1b)中的電流電壓變送電路、電流電壓過(guò)零檢測(cè)電路、觸發(fā)恒流源、觸發(fā)單元(含磁環(huán))等。??????????????2.1.2?晶閘管額定參數(shù)的選取K1為電壓計(jì)算系數(shù),取2.45,ｎ為

3、串聯(lián)晶閘管的額個(gè)數(shù),K2為均壓系數(shù),取0.8~0.9。一般電機(jī)軟起動(dòng)時(shí)的電流倍數(shù)在4倍額定電流,時(shí)間一般不超過(guò)一分鐘。連續(xù)起動(dòng)次數(shù)冷態(tài)允許2次,熱態(tài)允許1次。根據(jù)這些基本數(shù)據(jù)有IMAX為實(shí)際流過(guò)的最大電流,ｎ為晶閘管并聯(lián)個(gè)數(shù),K為均流系數(shù),可取0.8~0.9。晶閘管在串聯(lián)使用時(shí)需平均分配每只元件所分擔(dān)電壓。因其特性有差異,晶閘管的伏安特性、開(kāi)通時(shí)間及恢復(fù)電荷等參數(shù)的分散性,在其串聯(lián)應(yīng)用時(shí)一定要采取均壓措施。靜態(tài)均壓電阻的選擇依據(jù):動(dòng)態(tài)均壓元件選擇依據(jù):在晶閘管兩端并聯(lián)阻容吸收(R、C)電路,用以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)均壓。具體選擇如下:

4、電阻可依據(jù)經(jīng)驗(yàn)取10~50歐姆/150~250瓦。動(dòng)態(tài)均壓除配置吸收電路外還可采用強(qiáng)觸發(fā)技術(shù)。2.2?晶閘管的強(qiáng)觸發(fā)及隔離技術(shù)高壓環(huán)境中晶閘管的觸發(fā)隔離技術(shù)主要有電磁隔離觸發(fā)、間接光觸發(fā)(光電觸發(fā))、光觸發(fā)等。光觸發(fā)因成本較高極少用于工業(yè)產(chǎn)品而電磁隔離觸發(fā)因體積大、制造難度大成本較高也不適用于普通工業(yè)產(chǎn)品。當(dāng)前常用的觸發(fā)隔離形式主要為間接光觸發(fā)。而觸發(fā)供電電源取能有低壓、高壓及電壓源型耦合取能方式,考慮到系統(tǒng)安全可靠、觸發(fā)脈沖前沿足夠陡峭,系統(tǒng)設(shè)計(jì)了電流源耦[2]合取能觸發(fā)形式。系統(tǒng)控制電流源的開(kāi)通于關(guān)斷控制通過(guò)磁環(huán)的感應(yīng)

5、電流的通斷,在磁環(huán)的二次側(cè)感應(yīng)出脈沖再經(jīng)簡(jiǎn)單整流獲得觸發(fā)脈沖。本方案具有隔離可靠、脈沖對(duì)稱度高、脈沖前沿陡峭等特點(diǎn)。具體實(shí)施方案如圖2所示,觸發(fā)脈沖實(shí)測(cè)波形如圖3所示,脈沖前沿陡度大于1.5A/us符合強(qiáng)觸發(fā)要求。2.3?關(guān)于電機(jī)的轉(zhuǎn)矩震蕩因三相異步電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中功率因數(shù)角是持續(xù)變化的[3],特別是在8電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后期功率因數(shù)角的變化非常劇烈[4],如不加以控制將引起電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩較大脈動(dòng),甚至影響通風(fēng)機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為此增加了電動(dòng)機(jī)定子電壓補(bǔ)償策略。晶閘管輸出電壓有效值為:裝置工作時(shí),可通過(guò)檢測(cè)電機(jī)定子電流的有效值是否

6、接近額定電流來(lái)判斷轉(zhuǎn)速是否達(dá)到電機(jī)額定轉(zhuǎn)速。同時(shí),實(shí)時(shí)的調(diào)整晶閘管的觸發(fā)角度用以補(bǔ)償定子電壓。則電動(dòng)機(jī)端電壓有效值可表示為:實(shí)際觸發(fā)角度等于Δα和α的和,本控制策略也在實(shí)際的測(cè)試中得到了印證,詳見(jiàn)圖5的b)。2.4?重載情況下的起動(dòng)2.4.1?首脈沖起動(dòng)控制在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)之初,向電機(jī)端施加70%~100%電機(jī)額定電壓(可調(diào)整),持續(xù)時(shí)間可在1~3s內(nèi)調(diào)整使電動(dòng)機(jī)克服高靜阻力負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)后,再以電壓斜坡控制方式控制電動(dòng)機(jī)起動(dòng),此種控制方式雖能起動(dòng)重載設(shè)備,但會(huì)向電網(wǎng)輸送較高的電壓尖峰,這對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生一定影響。特別

7、當(dāng)電網(wǎng)短路容量相對(duì)較小時(shí)應(yīng)慎重使用。2.4.2?分級(jí)變頻起動(dòng)控制異步電動(dòng)機(jī)如需成功拖動(dòng)重負(fù)荷起動(dòng),那么需要增大電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩[5]。然而,調(diào)壓軟起動(dòng)本身就是以犧牲電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩為代價(jià)的,異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為:那么,如需增大電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩,還可以下調(diào)定子電壓頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。晶閘管調(diào)壓型軟起動(dòng)裝置可以適當(dāng)配置算法即可實(shí)現(xiàn)此功能,圖4給出晶閘管調(diào)壓型的軟起動(dòng)方式分級(jí)變頻起動(dòng)方式的仿真波形。???????????????3?主控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1?核心控制器的選取TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812專為電機(jī)控制而設(shè)計(jì),具有集成度高,可靠

8、性強(qiáng)的特點(diǎn)。除每秒可執(zhí)行1.5億次指令、采樣周期12.5MIPS的12位A/D變換控制外,還具有用于捕獲高速脈沖信號(hào)的CAP端口和帶有死區(qū)控制的PWM發(fā)生端口非常適合于電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)調(diào)速控制。3.2?信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)在電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中,控制保護(hù)的實(shí)現(xiàn)主要靠采集系統(tǒng)電壓及電動(dòng)機(jī)的額定子電流來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中,定子