梁澤毅

(上海梅山工業(yè)民用工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200093)

0 引 言

轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)是煉鋼設(shè)備除塵過程中的重要輔機(jī)，它的主要功能是將灰塵和有害氣體吹入除塵設(shè)備進(jìn)行凈化。風(fēng)機(jī)提供的動力是轉(zhuǎn)爐煉鋼設(shè)備除塵系統(tǒng)正常運(yùn)行的主要動力，一旦風(fēng)機(jī)供電異常，除塵過程受到破壞，可能造成意外停產(chǎn)、污染環(huán)境、危害操作人員等嚴(yán)重后果。因此，保證轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)的供電可靠性至關(guān)重要。

轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)系統(tǒng)一般采用主/備用電源的雙電源供電模式，在電網(wǎng)系統(tǒng)波動或配電系統(tǒng)異常時，快速切換供電電源，且在切換過程中需要避免出現(xiàn)過壓、過流問題。尤其是轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)系統(tǒng)一般使用較大容量電動機(jī)，在供電切換過程中電機(jī)產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢會在定子中感應(yīng)出瞬間高強(qiáng)度沖擊電壓，形成電流尖峰，危及電力線路保護(hù)裝置，很可能引起跳閘導(dǎo)致重新失電[1-2]。感應(yīng)電機(jī)在電壓切換過程中，由于轉(zhuǎn)子慣性，轉(zhuǎn)速不會迅速到零，此時在定子繞組中感應(yīng)出電動勢，即感應(yīng)電機(jī)剩余感應(yīng)電動勢，對剩余感應(yīng)電動勢產(chǎn)生機(jī)理的研究是抑制合閘沖擊電流的基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[3-6]討論了失電后電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)換過程與三相定子電流方程，對重合閘后的最不利時機(jī)做出分析，用空間矢量方法推導(dǎo)出剩余感應(yīng)電動勢表達(dá)式。對電壓暫態(tài)特征提取與準(zhǔn)確快速的識別，是快速有效地進(jìn)行電源切換時機(jī)判斷的基礎(chǔ)。

本文提出了一種優(yōu)化單相d，q變換算法對電壓暫降進(jìn)行快速檢測方法，實(shí)時檢測電壓暫態(tài)特征，并研究了感應(yīng)電機(jī)在定子斷電后的剩余感應(yīng)電動勢對電機(jī)產(chǎn)生電流沖擊的機(jī)理，判斷電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。采用改進(jìn)單相d，q變換算法判斷電壓暫降，控制晶閘管動作時刻，實(shí)現(xiàn)雙電源之間安全、穩(wěn)定的切換，保證轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)的供電安全。在理論分析基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種采用DSP的轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)雙電源快速切換供電裝置，通過實(shí)時控制晶閘管的通斷時刻，減小切換合閘時的電流電壓沖擊，確保供電可靠性。

1 電源快速切換機(jī)理

本文研究的基于晶閘管的快速切換電路拓?fù)淙鐖D1所示，該拓?fù)渲饕蓴嗦菲鱇M1、KM2和三相反并聯(lián)晶閘管組SCRs1、SCRs2等組成。斷路器KM1和KM2具有互鎖功能，晶閘管組SCRs1和SCRs2也具有類似的互鎖功能。起動過程中對晶閘管組SCRs1進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟起動。正常工作時，閉合KM1，電機(jī)由主電源供電。當(dāng)檢測到主電源異常時，向SCRs1發(fā)出驅(qū)動信號，使其工作，然后斷開KM1，由于SCRs1已經(jīng)導(dǎo)通，KM1觸點(diǎn)兩端被SCRs1鉗位，其關(guān)斷過程不會出現(xiàn)電弧。當(dāng)KM1關(guān)斷后，移除SCRs1的觸發(fā)信號，晶閘管自然過零關(guān)斷。同時，檢測備用電源的狀態(tài)信息和感應(yīng)電機(jī)的反電動勢信息，判斷時機(jī)向SCRs2發(fā)出驅(qū)動信號，電機(jī)由主電源供電切換到備用電源供電，最后再閉合KM2，斷開SCRs2的驅(qū)動信號，完成由主電源向備用電源切換。由于KM1與KM2之間設(shè)置互補(bǔ)控制信號，避免了KM1與KM2同時閉合導(dǎo)致的電壓沖擊。

圖1 基于晶閘管快速開關(guān)拓?fù)?/p>

理論分析表明，確保無沖擊電流狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)電源快速切換，可以采用備用電源與電機(jī)感應(yīng)電動勢的相角差、主電源衰減幅值為切換依據(jù)。切換模式可以劃分為快速切換、同期捕捉切換和剩余感應(yīng)電動勢切換等三種，如圖2所示。當(dāng)主電源發(fā)生故障時，若主、備電源相角幅值差別不大，在較短時間內(nèi)進(jìn)行電源切換即快速切換模式。這種切換方式保證了較短的停電時間，對定子繞組造成的電壓沖擊也在允許范圍內(nèi)，如圖2中區(qū)域1所示；如果主、備電源之間相角相差較大，或者快速切換時機(jī)太短導(dǎo)致切換開關(guān)來不及運(yùn)作，可以在相角差越過180°后再次重合時進(jìn)行切換，即同期捕捉切換模式，如圖2區(qū)域2所示；若同期捕捉切換沒有成功，就轉(zhuǎn)入剩余感應(yīng)電動勢切換模式，如圖2中區(qū)域3所示，當(dāng)剩余感應(yīng)電動勢衰減到20%～40%額定電壓時，投入備用電源，實(shí)現(xiàn)電源切換。剩余感應(yīng)電動勢切換可保證切換過程不產(chǎn)生沖擊電流，但電動機(jī)的斷電時間相對較長。

圖2 剩余感應(yīng)電動勢與備用電源角差和幅值示意圖

為了保證切換過程的快速性，在可接受斷電時間內(nèi)完成電源切換，經(jīng)過電壓檢測與相角檢測后，盡量保證在快速切換或同期捕獲階段切換到備用電源，在相角差較小時進(jìn)行合閘可使負(fù)載承受的沖擊電流較小，達(dá)到低電流沖擊下快速電源切換效果?？焖偾袚Q模式和同期捕捉切換模式的實(shí)現(xiàn)前提是雙路電源的頻率和相位差均較小，否則將產(chǎn)生較大的沖擊電流，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。實(shí)際工程應(yīng)用中，主/備供電電源的頻率差和相位差是隨機(jī)的，快速檢測電動機(jī)的剩余感應(yīng)電動勢是確保可靠進(jìn)行主/備供電切換的必要手段。

2 感應(yīng)電機(jī)剩余感應(yīng)電動勢分析

在進(jìn)行電源切換時，受電機(jī)轉(zhuǎn)子慣性的影響，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不會立刻降到零，此時感應(yīng)電機(jī)為發(fā)電機(jī)模式，產(chǎn)生反電動勢，即為剩余感應(yīng)電動勢。慣性大的電機(jī)剩余感應(yīng)電動勢衰減時間可延續(xù)至3 s以上。而現(xiàn)代社會對切換速度的要求越來越高，常需要在剩余感應(yīng)電動勢存在的情況下實(shí)現(xiàn)快速電源切換，因此研究電機(jī)剩余感應(yīng)電動勢的產(chǎn)生機(jī)理對電源切換時產(chǎn)生沖擊電壓的瞬態(tài)分析有著重要意義。

采用空間矢量法可簡化感應(yīng)電機(jī)模型的建立，其電壓與定子磁鏈的空間矢量：

(1)

(2)

ψs=Lsis+Mmi′r

(3)

(4)

式中：us，is，ψs為定子側(cè)電壓、電流與磁鏈；ir，ψr為轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)子磁鏈；ψ′r，i′r為折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)子電流；ωr為轉(zhuǎn)子電角度；Mm為電動機(jī)互感。

在某一時刻斷開三相定子電源，由式(1)～式(4)可得：

(5)

此時電機(jī)是感性負(fù)載，轉(zhuǎn)子電流不會突變，可由式(2)得到斷電前一時刻轉(zhuǎn)子電流初始值Irt0，折算到定子側(cè)，可得斷電后轉(zhuǎn)子電流：

(6)

由式(1)～式(6)可得：

(7)

(8)

最終剩余感應(yīng)電動勢表達(dá)式：

(9)

由式(9)可知，剩余感應(yīng)電動勢幅值由轉(zhuǎn)子電流與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速決定，其衰減的幅度與轉(zhuǎn)子時間常數(shù)Tr相關(guān)。Tr越大，剩余感應(yīng)電動勢衰減越慢，當(dāng)剩余感應(yīng)電動勢未衰減到零時接入備用電源產(chǎn)生電壓差，剩余感應(yīng)電動勢與備用電源之間的相角差越大，在裝置中產(chǎn)生的電壓沖擊就越大。圖3為在不同相位差下產(chǎn)生的沖擊電壓的大小。es為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時在定子上感應(yīng)出的剩余感應(yīng)電動勢，us為接入的備用電源?？芍?，隨著相位差增加，電壓差幅值增大，在相位差到180°時幅值達(dá)到最大，因此在合閘時應(yīng)盡量選擇相位接近的時刻。比如，當(dāng)備用電源與剩余感應(yīng)電動勢之間的相角差較大時，需要等待相角差越過180°再次接近時進(jìn)行電源切換，即為同期捕獲切換。

圖3 接入備用電源后電壓差示意圖

3 動態(tài)電壓檢測

為了實(shí)現(xiàn)主電源電壓波動時快速切換電源，保障用電設(shè)備的安全，對電網(wǎng)電壓及電機(jī)感應(yīng)電壓的動態(tài)變化進(jìn)行及時、快速的檢測非常重要，它影響整個系統(tǒng)對電源故障的反應(yīng)速度。為了節(jié)省DSP中的AD檢測接口，采用改進(jìn)單相d，q變換算法進(jìn)行交流電壓暫態(tài)檢測。該方法檢測速度快，在獲得電壓實(shí)時變化的同時，可以得到相位跳變信息，兼具實(shí)時性與魯棒性。

設(shè)采樣得到的a相電壓信號：

(10)

將ua延時可以獲得uc，ub：

(11)

ub=-ua-uc

(12)

將ua延時σ角度得到電壓uσ：

(13)

由式(13)可得：

(14)

將式(14)代入式(11)與式(12)中，可得b、c相電壓表達(dá)式：

(15)

(16)

將經(jīng)過延時處理得到的三相電壓進(jìn)行Park變換，得到其在d，q坐標(biāo)系的電壓：

(17)

式中：

式(10)、式(15)、式(16)代入式(17)，可得到在d，q坐標(biāo)系的電壓：

(18)

由式(18)可以得到基波電壓的幅值與相角跳變值：

(19)

通過對采樣得到的單相電壓進(jìn)行優(yōu)化單相d,q變換，由式(19)可計(jì)算出被檢測電源電壓的幅值與相位的實(shí)時變化，為實(shí)時準(zhǔn)確地進(jìn)行電源切換奠定了基礎(chǔ)。需要注意的是，對于σ的取值需要在程序延時要求與硬件噪聲進(jìn)行綜合考慮后選取。

在對快速電源切換系統(tǒng)的理論分析基礎(chǔ)上，研制了新型快速電源切換裝置的控制系統(tǒng)，其組成如圖4所示。系統(tǒng)的主控芯片采用TI公司的TMS320F28335，輔以必要的外圍功能電路，形成完整的控制系統(tǒng)硬件。在上述研究的控制策略下，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)的高可靠性供電。

圖4 控制系統(tǒng)組成框圖

4 仿真實(shí)驗(yàn)

在上述理論分析的基礎(chǔ)上，基于MATLAB/ Simulink進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。設(shè)置晶閘管脈沖寬度為100°，選擇六脈沖驅(qū)動方式控制晶閘管，仿真模型選擇2.2 kW鼠籠型異步電機(jī)，額定電流4.8 A，帶風(fēng)機(jī)負(fù)載，假設(shè)在0.3 s時出現(xiàn)電壓暫降。當(dāng)主電源與備用電源相位相差20°，直接切換時定子電流波形如圖5所示，此時沖擊電流最高為額定電流的3倍，且在0.30 s～0.35 s之間波動較小，50 ms后系統(tǒng)可以正常工作。由仿真數(shù)據(jù)可得，在相角差為30°以內(nèi)直接切換對系統(tǒng)帶來的沖擊是可以接受的，此相角差范圍內(nèi)無需判斷相角差最小時刻，在檢測到電網(wǎng)電壓驟降后直接切換電源對系統(tǒng)沒有太大影響。

圖5 掉電時相角差20°時直接切換三相定子電流波形

當(dāng)主電源電壓與備用電源電壓相角差為100°時直接切換電源，對系統(tǒng)的沖擊如圖6所示。造成的電流沖擊高達(dá)額定電流10倍以上，對系統(tǒng)沖擊較大，應(yīng)等待至同期捕捉時期再進(jìn)行電源切換。圖7為電機(jī)斷電60 ms后，在備用電源與剩余感應(yīng)電動勢之間的相角差再次重合時進(jìn)行電源切換，此時最高沖擊電流僅為額定電流4倍左右，對定子繞組的沖擊不大。圖8為備用電源與剩余感應(yīng)電動勢之間的相角差達(dá)到180°時進(jìn)行電源切換的三相定子電流波形。根據(jù)理論分析，在該時刻進(jìn)行電源切換，會造成最大的電壓沖擊，圖8表明，此時的最大沖擊電流與斷電時直接切換電源類似，同樣會對感應(yīng)電機(jī)以及快速電源切換裝置造成極大沖擊，甚至導(dǎo)致設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 掉電時相角差100°時直接切換電源三相定子電流波形

圖7 掉電時相角差100°時在同期切換時刻三相定子電流波形

圖8 掉電時相角差100°時切換電源三相定子電流波形

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種轉(zhuǎn)爐風(fēng)機(jī)雙電源切換裝置。通過對剩余感應(yīng)電動勢形成機(jī)理進(jìn)行建模分析，將備用電源與剩余感應(yīng)電動勢相位差作為自動切換時機(jī)的判斷依據(jù)。為了保證切換裝置的快速性，研究了一種改進(jìn)單相d，q變換算法對電壓暫降進(jìn)行檢測。系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn)證明，在備用電源與剩余感應(yīng)電動勢之間相差30°以內(nèi)時，驅(qū)動晶閘管進(jìn)行快速切換；在備用電源與剩余感應(yīng)電動勢之間的相角差較大時，使用同期切換的方式可以大幅度減小沖擊電流，保護(hù)快切裝置與設(shè)備。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本文的控制策略和控制方案的正確性和可行性，研究成果具有較大工程應(yīng)用價值。