佘致廷,皮玉,周米洋,宗世勇

(湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院湖南 長沙 410082)

傳統(tǒng)的軟啟動器通常采用降壓啟動或限流啟動,存在啟動轉(zhuǎn)矩小,一般只能達(dá)到感應(yīng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩的10%左右,同時啟動電流達(dá)到了感應(yīng)電機(jī)額定電流的2～4倍,無法用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載或重載的啟動[1,2]。1999年,A.Ginart[3,4]等人提出了一種在降低晶閘管輸出電壓的同時降低頻率的離散變頻軟啟動方法。目前有多種實現(xiàn)離散變頻軟啟動方法[5～7],這些方法雖然有一些差異,但都能有效提高感應(yīng)電機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩。本文在文獻(xiàn)[8]研究的基礎(chǔ)上,從產(chǎn)生最大正向轉(zhuǎn)矩為出發(fā)點,研究了一種能產(chǎn)生最大正向轉(zhuǎn)矩的最優(yōu)觸發(fā)角生成方法,并利用Matlab7.1中的Simulink對離散變頻軟啟動器進(jìn)行建模與仿真,實驗研究結(jié)果驗證了理論推導(dǎo)與仿真結(jié)果的有效性,與傳統(tǒng)的軟啟動器相比,這種離散變頻軟啟動器在感應(yīng)電機(jī)額定電流下啟動電機(jī),具有更高的啟動轉(zhuǎn)矩,并大大降低了對電網(wǎng)的沖擊,延長了感應(yīng)電機(jī)的使用壽命,不僅適合風(fēng)機(jī)、泵類的負(fù)載啟動,還適合重載設(shè)備的啟動。

1 離散變頻軟啟動原理

離散變頻軟啟動器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。主控制器MCU為 TMS320LF2407A,控制系統(tǒng)主要包括:電源電路、同步檢測及相序判斷、電流檢測、晶閘管門極脈沖觸發(fā)、接觸器旁路電路和人機(jī)界面單元8個部分。

圖1 離散變頻軟啟動器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Constructiure of control system for discrete variable frequency soft starter

離散變頻是使傳統(tǒng)軟啟動器輸出電壓的頻率從一個較低的值開始,分級上升,最后達(dá)到50 Hz。離散變頻雖然可以實現(xiàn)變頻,但不能使頻率連續(xù)變化,只能使頻率分級變化,而且各級頻率都是50 Hz的整數(shù)分之一,例如,對50 Hz依次進(jìn)行2,3,4,5的分頻,就可得到頻率為25,16.7,12.5,10 Hz的離散子頻率,圖2給出了50 Hz的3級離散變頻過程。

圖2 16.7 Hz,25 Hz,50 Hz 3級變頻Fig.2 16.7 Hz,25 Hz,50 Hz varying frequency

由電網(wǎng)提供的50 Hz的工頻電源,可產(chǎn)生各級子頻率系統(tǒng),工頻的ωnet與子頻率系統(tǒng)的ωsub和分頻系數(shù)的關(guān)系如下:

對取不同整數(shù)r,可得到對稱正、負(fù)序和不對稱正、負(fù)序分級序列,如表1所示。

表1 三相系統(tǒng)分級序列Tab.1 Hierarchical train of three-phase balance sy stem

由表1可知,從50 Hz產(chǎn)生的三相各級離散子頻率有對稱負(fù)序25 Hz、不對稱相序16.7 Hz、對稱正序12.5 Hz等。本文建立了一種能產(chǎn)生最大啟動轉(zhuǎn)矩的控制規(guī)則:為了使電機(jī)按離散頻率啟動時產(chǎn)生相同方向的最大轉(zhuǎn)矩,必須選取相序相同、對稱度好的離散子頻率及相位角。這里取對稱負(fù)序25 Hz為最大離散子頻率點,去掉25 Hz以下的對稱正序離散子頻率點,而對于不對稱的離散子頻率,要選擇負(fù)序、對稱度好的離散子頻率及相位角。按此原則,即可獲得最大啟動轉(zhuǎn)矩的離散變頻控制方案。本文利用Matlab/Simulink庫中的傅立葉模塊,計算出對稱負(fù)序和不對稱負(fù)序的離散子頻率電壓的相位角。表2列出了可獲得最大啟動轉(zhuǎn)矩控制的最優(yōu)組合的離散子頻率及相位角。

按表2優(yōu)化組合的離散變頻子頻率及相位角進(jìn)行電機(jī)啟動控制,可獲取電機(jī)同一方向的最大啟動轉(zhuǎn)矩。在不同的離散頻率點進(jìn)行調(diào)壓控制時,只需要改變相應(yīng)相位的移相觸發(fā)角。

表2 對稱負(fù)序和不對稱負(fù)序的離散子頻率及相位角Tab.2 Symmetrical and anisomerous negative phase discrete frequency and phase angele

2 離散變頻軟啟動的仿真

根據(jù)原理分析,建立的離散變頻高轉(zhuǎn)矩軟啟動器的仿真模型由三相電源、觸發(fā)角組、脈沖發(fā)生器子系統(tǒng)、晶閘管組、電機(jī)及測量顯示等模塊組成,見圖3。

圖3 離散變頻軟啟動器仿真模型Fig.3 T he simulation model of discrete variable frequency soft starter

圖4 脈沖發(fā)生器子系統(tǒng)仿真模型Fig.4 The simulation model of pulse generator sub_system

產(chǎn)生觸發(fā)6個晶閘管的脈沖序列子系統(tǒng)仿真模型如圖4所示。利用上述仿真模型,對采用離散變頻控制法的軟啟動器進(jìn)行仿真。圖5～圖8分別給出了斜坡電壓啟動、直接啟動、限流啟動、離散變頻軟啟動4種仿真波形圖。

圖5 斜坡電壓啟動仿真波形Fig.5 Simulation waveforms of ramp voltage starting

圖6 直接啟動仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of direct starting

圖7 限流啟動仿真波形Fig.7 Simulation wavefo rms of limit current

圖8 分級變頻啟動仿真波形Fig.8 Simulation waveforms of discrete frequency starting

對比分析可知,采用離散變頻軟啟動,除了在頻率切換點電流、轉(zhuǎn)矩有一點突跳外,其它的性能指標(biāo)是最優(yōu)的。特別是在啟動電流較小的情況下,獲得了較大的啟動轉(zhuǎn)矩,因而,離散變頻軟啟動器特別適應(yīng)于滿載電機(jī)的啟動場所。

3 實驗及結(jié)果

將研制的軟啟動控制器接到1臺17 kW,額定轉(zhuǎn)速為1460 r/min,額定電壓為380 V,額定電流為32.9 A的電機(jī)進(jìn)行離散變頻啟動實驗。各離散變頻子頻率啟動時間由鍵盤設(shè)定在1～10 s之內(nèi),移相觸發(fā)角α按限制電流方式調(diào)節(jié)。其中25 Hz時U,V,W三相實測電流波形如圖9所示。

圖9 25Hz階段電流波形Fig.9 Current waveforms with 25 Hz

實驗表明,實測電流波形與仿真結(jié)果相符。從5.25 Hz上升到25 Hz后,即轉(zhuǎn)入工頻運行。50 Hz運行實質(zhì)上是斜坡電壓啟動,所以電流波形與斜坡電壓啟動相同。電機(jī)啟動電流小,啟動平滑,軟啟動控制器運行穩(wěn)定,控制效果良好。

4 結(jié)論

本文研究了高轉(zhuǎn)矩離散變頻軟啟動的基本原理,離散變頻軟啟動器的仿真與實驗結(jié)果驗證了離散變頻軟啟動器可以在減少電機(jī)啟動電流的同時,大大提高軟啟動器的啟動轉(zhuǎn)矩。因此離散頻率軟啟動器適用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載或重載的電機(jī)啟動,具有廣闊的應(yīng)用前景。

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