感应电机离散变频高转矩软启动器的研究

佘致廷,皮玉,周米洋,宗世勇

(湖南大学 电气与信息工程学院湖南 长沙 410082)

传统的软启动器通常采用降压启动或限流启动,存在启动转矩小,一般只能达到感应电机额定转矩的10%左右,同时启动电流达到了感应电机额定电流的2～4倍,无法用于恒转矩负载或重载的启动[1,2]。1999年,A.Ginart[3,4]等人提出了一种在降低晶闸管输出电压的同时降低频率的离散变频软启动方法。目前有多种实现离散变频软启动方法[5～7],这些方法虽然有一些差异,但都能有效提高感应电机启动转矩。本文在文献[8]研究的基础上,从产生最大正向转矩为出发点,研究了一种能产生最大正向转矩的最优触发角生成方法,并利用Matlab7.1中的Simulink对离散变频软启动器进行建模与仿真,实验研究结果验证了理论推导与仿真结果的有效性,与传统的软启动器相比,这种离散变频软启动器在感应电机额定电流下启动电机,具有更高的启动转矩,并大大降低了对电网的冲击,延长了感应电机的使用寿命,不仅适合风机、泵类的负载启动,还适合重载设备的启动。

1 离散变频软启动原理

离散变频软启动器的控制系统结构如图1所示。主控制器MCU为 TMS320LF2407A,控制系统主要包括:电源电路、同步检测及相序判断、电流检测、晶闸管门极脉冲触发、接触器旁路电路和人机界面单元8个部分。

图1 离散变频软启动器的控制系统结构图Fig.1 Constructiure of control system for discrete variable frequency soft starter

离散变频是使传统软启动器输出电压的频率从一个较低的值开始,分级上升,最后达到50 Hz。离散变频虽然可以实现变频,但不能使频率连续变化,只能使频率分级变化,而且各级频率都是50 Hz的整数分之一,例如,对50 Hz依次进行2,3,4,5的分频,就可得到频率为25,16.7,12.5,10 Hz的离散子频率,图2给出了50 Hz的3级离散变频过程。

图2 16.7 Hz,25 Hz,50 Hz 3级变频Fig.2 16.7 Hz,25 Hz,50 Hz varying frequency

由电网提供的50 Hz的工频电源,可产生各级子频率系统,工频的ωnet与子频率系统的ωsub和分频系数的关系如下:

对取不同整数r,可得到对称正、负序和不对称正、负序分级序列,如表1所示。

表1 三相系统分级序列Tab.1 Hierarchical train of three-phase balance sy stem

由表1可知,从50 Hz产生的三相各级离散子频率有对称负序25 Hz、不对称相序16.7 Hz、对称正序12.5 Hz等。本文建立了一种能产生最大启动转矩的控制规则:为了使电机按离散频率启动时产生相同方向的最大转矩,必须选取相序相同、对称度好的离散子频率及相位角。这里取对称负序25 Hz为最大离散子频率点,去掉25 Hz以下的对称正序离散子频率点,而对于不对称的离散子频率,要选择负序、对称度好的离散子频率及相位角。按此原则,即可获得最大启动转矩的离散变频控制方案。本文利用Matlab/Simulink库中的傅立叶模块,计算出对称负序和不对称负序的离散子频率电压的相位角。表2列出了可获得最大启动转矩控制的最优组合的离散子频率及相位角。

按表2优化组合的离散变频子频率及相位角进行电机启动控制,可获取电机同一方向的最大启动转矩。在不同的离散频率点进行调压控制时,只需要改变相应相位的移相触发角。

表2 对称负序和不对称负序的离散子频率及相位角Tab.2 Symmetrical and anisomerous negative phase discrete frequency and phase angele

2 离散变频软启动的仿真

根据原理分析,建立的离散变频高转矩软启动器的仿真模型由三相电源、触发角组、脉冲发生器子系统、晶闸管组、电机及测量显示等模块组成,见图3。

图3 离散变频软启动器仿真模型Fig.3 T he simulation model of discrete variable frequency soft starter

图4 脉冲发生器子系统仿真模型Fig.4 The simulation model of pulse generator sub_system

产生触发6个晶闸管的脉冲序列子系统仿真模型如图4所示。利用上述仿真模型,对采用离散变频控制法的软启动器进行仿真。图5～图8分别给出了斜坡电压启动、直接启动、限流启动、离散变频软启动4种仿真波形图。

图5 斜坡电压启动仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of ramp voltage starting

图6 直接启动仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of direct starting

图7 限流启动仿真波形Fig.7 Simulation wavefo rms of limit current

图8 分级变频启动仿真波形Fig.8 Simulation waveforms of discrete frequency starting

对比分析可知,采用离散变频软启动,除了在频率切换点电流、转矩有一点突跳外,其它的性能指标是最优的。特别是在启动电流较小的情况下,获得了较大的启动转矩,因而,离散变频软启动器特别适应于满载电机的启动场所。

3 实验及结果

将研制的软启动控制器接到1台17 kW,额定转速为1460 r/min,额定电压为380 V,额定电流为32.9 A的电机进行离散变频启动实验。各离散变频子频率启动时间由键盘设定在1～10 s之内,移相触发角α按限制电流方式调节。其中25 Hz时U,V,W三相实测电流波形如图9所示。

图9 25Hz阶段电流波形Fig.9 Current waveforms with 25 Hz

实验表明,实测电流波形与仿真结果相符。从5.25 Hz上升到25 Hz后,即转入工频运行。50 Hz运行实质上是斜坡电压启动,所以电流波形与斜坡电压启动相同。电机启动电流小,启动平滑,软启动控制器运行稳定,控制效果良好。

4 结论

本文研究了高转矩离散变频软启动的基本原理,离散变频软启动器的仿真与实验结果验证了离散变频软启动器可以在减少电机启动电流的同时,大大提高软启动器的启动转矩。因此离散频率软启动器适用于恒转矩负载或重载的电机启动,具有广阔的应用前景。

[1]佘致廷,刘志星,董璞.基于 Matlab/Simulink动态仿真模型的电机高转矩软启动器研究[J].电气传动自动化,2003(3):14-17.

[2]甘世红,褚建新,顾伟.高压异步电动机软起动方法综述[J].电气传动,2005,35(10):3-6

[3]Ginart A,Camilleri J S,Pesse G.Thyristor Controlled AC Induction Motors Using a Discrete Frequency Control Method[C]∥29th SSST,MARCH,1997:164-168.

[4]Antonio Ginart,Rosana Esteller.High Starting T orque for AC SCR Controller[J].IEEE T ransactions on Energy Conversion,1999,14(3):553-559.

[5]李冬辉,段克亮,马跃贤,等.离散变频软起动过程的若干问题[J].天津大学学报,2007,40(9):1061-1065.

[6]阎超,石新春.分级变频软起动器触发控制策略研究与仿真[J].电力科学与工程,2008,24(10):1-4.

[7]胡红明,毛承雄,陆继明,等.分级交-交变频高转矩软启动器原理和仿真[J].电气传动,2009,39(2):16-19.

[8]佘致廷,肖岸文,董璞,等.基于分级变频高转矩软起动器的研究[J].湖南大学学报(自然科学版),2004,31(6),46-50.