煤礦大功率防爆異步電動機軟啟動技術研究

韓英 徐洋 王艷鶴

【摘要】 針對煤礦大功率防爆異步電動機的啟動特性需求，提出一種基于數字信號處理器的軟啟動控制方案，解決起動過程電流過大、能耗高的問題。在分析軟啟動技術和煤礦大功率防爆異步電動機啟動過程上，從軟啟動器的電氣結構出發，設計基于TMS320F2812A的數字式控制系統，實現電動機起動過程端子電壓、電流和輸出轉矩的調節。

【關鍵詞】 煤礦 隔爆電動機 軟啟動 控制

前言

異步電動機作為重要的能量裝換裝置，能夠實現電能和機械能之間的轉換，在礦山、交通運輸、醫療及航空航天等領域具有廣泛應用。煤礦大功率隔爆型異步電動機是井下綜合機采、提升運輸和排水救援等裝置的動力來源，高瓦斯、多礦塵、水災、火災、有毒有害氣體等惡劣生產條件及綜合機采技術對電動機的可靠性和智能性提出更高的要求。等在異步電動機直接啟動的過程中，在定子繞組上施加額定工作電壓將產生額定4～7倍的工作電流，轉速也將從零迅速上升到額定值。

由于瞬時扭矩和啟動電流電流的沖擊，容易造成電動機嚴重發熱，縮短使用壽命，同時也將影響電力系統及其它用電設備的正常運行。

傳統異步電動機啟動是采用自耦變壓器、飽和電抗器及繞組連接方式轉換等技術，緩解了啟動瞬間對電網和其它用電設備的沖擊。但這些設備具有體積龐大、負載能力差、維修工作量大、啟動電流非線性可調、電能浪費嚴重等缺點，在空間受限、智能化要求高的工況下不能滿足需求。煤礦井下空間狹小、環境復雜，煤礦大功率隔爆型電動機啟動裝置體積不能過大，否則不利于運輸、安裝和后期設備維護，另外散熱效果差也是一個重要問題。

隨著電力電子技術和現代控制理論的高速發展，依靠電子起動的異步電機控制設備成為異步電機啟動技術的發展趨勢。

一、軟啟動技術

煤礦大功率防爆異步電動機軟啟動器是電力電子技術、電機學和現代控制理論等多門學科在煤礦電氣設備領域的綜合運用，它將交流電壓軟啟動和礦用真空電磁起動器的兩者的功能融為一體。與常規啟動方式相比，軟啟動技術具有起動瞬間電流小、速度平穩連續及對電網沖擊小等優點，可以根據啟動時的工況要求平穩調整啟動曲線，在交流660V和1140V電壓等級的煤礦大功率防爆異步電動機重負荷啟動及磁力啟動中具有廣泛運用。

煤礦大功率防爆異步電動機的輸出轉矩與電子兩端的電壓成正比，繞組電流也和定子兩端電壓成正比。所以，可以通過對啟動過程的電壓進行控制，實現對啟動電流和輸出轉矩的調節。

軟啟動器的主回路采用六個可控硅兩兩串聯后并聯組成三個回路，利用數字信號處理器調整可控硅器件的導通角控制端子兩端的電壓，達到對端子電流和輸出轉矩調節的目的，進而實現對煤礦大功率防爆異步電動機啟動過程的合理控制。

二、異步電動機

異步電機的轉速（轉子轉速）小于旋轉磁場的轉速，作電動機運行時因其轉子繞組電流是感應產生的，又稱感應電動機。

分析過程采用空間矢量方法將復雜的異步電機數學模型簡化處理，圖1為異步發電機的空間矢量等效電路圖。其中：r表示轉子，s表示定子，ΨS表示定子磁鏈空間矢量，uS表示定子電壓空間矢量，Ψr表示 轉子磁鏈空間矢量，iS表示定子電流空間矢量，Rr表示轉子電阻，RS表示定子電阻，ir表示轉子電流空間矢量，L表示主電感，ω表示電角速度，Lσ表示漏電感。

三、 軟啟動系統

3.1 硬件電路設計

煤礦大功率防爆異步電動機軟啟動系統以數字信號處理器（DSP）為核心，包括電源、變壓器、接觸器、橋式電路、電流采集單元、速度采集單元、檢測單元、指令輸入單元和顯示屏等，軟啟動系統結構簡圖如圖2所示。DSP采集系統信息并進行運算處理，同時具有控制指令接收、發送和系統顯示信息傳輸的功能。橋式電路有晶閘管單元組成，用于實現軟啟動過程電壓調節和控制。變壓器用于將電源電壓轉變成控制電路及傳感器所能接收的電壓，實現電壓的轉換。顯示屏根據DSP的輸出信號，實現整個啟動系統的電壓、電流、速度、參數、運行狀態等信息的實時顯示。電路采用單元、速度采樣單元和檢測電路用于采集系統的狀態信息，為短路、過載和漏電等基本保護功能的實現提供原始數據。工作時，DSP接收外界指令信號后，根據已經設置的參數，控制三相可控硅的導通角調節啟動電壓，使煤礦大功率防爆異步電動機實現平滑啟動。啟動完成后，旁路接觸器吸合，可控硅橋式電路停止工作。

3.2 軟件程序設計

硬件電路是軟啟動系統各個功能基礎，而具體功能是通過DSP的軟件算法實現的。CCS 3.3是DSP具有專門的軟件編輯、調試和燒錄的編譯的集成環境，為軟件開發提供配置、建立、調試和跟蹤分析的工具，提高了軟件開發速度，大大縮短軟啟動系統軟件程序的開發周期。、系統啟動后首先進入主程序并進行初始化操作，然后系統等待外界指令輸入，接收到指令后執行指令操作，軟啟動系統軟件流程如圖3所示。

四、結束語

針對煤礦大功率防爆異步電動機直接啟動電流大、能耗高的問題，選用信號處理速度快、功能強大的DSP為核心芯片，對整個運行過程進行實時控制，實現電動機軟啟動過程電壓和轉矩的調節。軟啟動技術在煤礦井下的運用，減小了大功率設備啟動過程對煤礦供電系統和用電設備的沖擊，改善電網質量，保證井下安全生產工作的順利開展。

參 考 文 獻

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