煤矿大功率防爆异步电动机软启动技术研究

韩英 徐洋 王艳鹤

【摘要】 针对煤矿大功率防爆异步电动机的启动特性需求，提出一种基于数字信号处理器的软启动控制方案，解决起动过程电流过大、能耗高的问题。在分析软启动技术和煤矿大功率防爆异步电动机启动过程上，从软启动器的电气结构出发，设计基于TMS320F2812A的数字式控制系统，实现电动机起动过程端子电压、电流和输出转矩的调节。

【关键词】 煤矿 隔爆电动机 软启动 控制

前言

异步电动机作为重要的能量装换装置，能够实现电能和机械能之间的转换，在矿山、交通运输、医疗及航空航天等领域具有广泛应用。煤矿大功率隔爆型异步电动机是井下综合机采、提升运输和排水救援等装置的动力来源，高瓦斯、多矿尘、水灾、火灾、有毒有害气体等恶劣生产条件及综合机采技术对电动机的可靠性和智能性提出更高的要求。等在异步电动机直接启动的过程中，在定子绕组上施加额定工作电压将产生额定4～7倍的工作电流，转速也将从零迅速上升到额定值。

由于瞬时扭矩和启动电流电流的冲击，容易造成电动机严重发热，缩短使用寿命，同时也将影响电力系统及其它用电设备的正常运行。

传统异步电动机启动是采用自耦变压器、饱和电抗器及绕组连接方式转换等技术，缓解了启动瞬间对电网和其它用电设备的冲击。但这些设备具有体积庞大、负载能力差、维修工作量大、启动电流非线性可调、电能浪费严重等缺点，在空间受限、智能化要求高的工况下不能满足需求。煤矿井下空间狭小、环境复杂，煤矿大功率隔爆型电动机启动装置体积不能过大，否则不利于运输、安装和后期设备维护，另外散热效果差也是一个重要问题。

随着电力电子技术和现代控制理论的高速发展，依靠电子起动的异步电机控制设备成为异步电机启动技术的发展趋势。

一、软启动技术

煤矿大功率防爆异步电动机软启动器是电力电子技术、电机学和现代控制理论等多门学科在煤矿电气设备领域的综合运用，它将交流电压软启动和矿用真空电磁起动器的两者的功能融为一体。与常规启动方式相比，软启动技术具有起动瞬间电流小、速度平稳连续及对电网冲击小等优点，可以根据启动时的工况要求平稳调整启动曲线，在交流660V和1140V电压等级的煤矿大功率防爆异步电动机重负荷启动及磁力启动中具有广泛运用。

煤矿大功率防爆异步电动机的输出转矩与电子两端的电压成正比，绕组电流也和定子两端电压成正比。所以，可以通过对启动过程的电压进行控制，实现对启动电流和输出转矩的调节。

软启动器的主回路采用六个可控硅两两串联后并联组成三个回路，利用数字信号处理器调整可控硅器件的导通角控制端子两端的电压，达到对端子电流和输出转矩调节的目的，进而实现对煤矿大功率防爆异步电动机启动过程的合理控制。

二、异步电动机

异步电机的转速（转子转速）小于旋转磁场的转速，作电动机运行时因其转子绕组电流是感应产生的，又称感应电动机。

分析过程采用空间矢量方法将复杂的异步电机数学模型简化处理，图1为异步发电机的空间矢量等效电路图。其中：r表示转子，s表示定子，ΨS表示定子磁链空间矢量，uS表示定子电压空间矢量，Ψr表示 转子磁链空间矢量，iS表示定子电流空间矢量，Rr表示转子电阻，RS表示定子电阻，ir表示转子电流空间矢量，L表示主电感，ω表示电角速度，Lσ表示漏电感。

三、 软启动系统

3.1 硬件电路设计

煤矿大功率防爆异步电动机软启动系统以数字信号处理器（DSP）为核心，包括电源、变压器、接触器、桥式电路、电流采集单元、速度采集单元、检测单元、指令输入单元和显示屏等，软启动系统结构简图如图2所示。DSP采集系统信息并进行运算处理，同时具有控制指令接收、发送和系统显示信息传输的功能。桥式电路有晶闸管单元组成，用于实现软启动过程电压调节和控制。变压器用于将电源电压转变成控制电路及传感器所能接收的电压，实现电压的转换。显示屏根据DSP的输出信号，实现整个启动系统的电压、电流、速度、参数、运行状态等信息的实时显示。电路采用单元、速度采样单元和检测电路用于采集系统的状态信息，为短路、过载和漏电等基本保护功能的实现提供原始数据。工作时，DSP接收外界指令信号后，根据已经设置的参数，控制三相可控硅的导通角调节启动电压，使煤矿大功率防爆异步电动机实现平滑启动。启动完成后，旁路接触器吸合，可控硅桥式电路停止工作。

3.2 软件程序设计

硬件电路是软启动系统各个功能基础，而具体功能是通过DSP的软件算法实现的。CCS 3.3是DSP具有专门的软件编辑、调试和烧录的编译的集成环境，为软件开发提供配置、建立、调试和跟踪分析的工具，提高了软件开发速度，大大缩短软启动系统软件程序的开发周期。、系统启动后首先进入主程序并进行初始化操作，然后系统等待外界指令输入，接收到指令后执行指令操作，软启动系统软件流程如图3所示。

四、结束语

针对煤矿大功率防爆异步电动机直接启动电流大、能耗高的问题，选用信号处理速度快、功能强大的DSP为核心芯片，对整个运行过程进行实时控制，实现电动机软启动过程电压和转矩的调节。软启动技术在煤矿井下的运用，减小了大功率设备启动过程对煤矿供电系统和用电设备的冲击，改善电网质量，保证井下安全生产工作的顺利开展。

参 考 文 献

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