礦用異步電動機分級離散變頻軟啟動方式研究

王東峰， 張開如， 王毅， 王永立

(1.山東科技大學 電氣與自動化工程學院， 山東 青島 266590；2.山東科技大學 礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培養基地， 山東 青島 266590)

礦用異步電動機分級離散變頻軟啟動方式研究

王東峰1,2， 張開如1,2， 王毅1,2， 王永立1,2

(1.山東科技大學 電氣與自動化工程學院， 山東 青島 266590；2.山東科技大學 礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培養基地， 山東 青島 266590)

針對傳統礦用異步電動機軟啟動方式存在電動機啟動電流大、啟動轉矩小、無法實現重載或滿載啟動的缺點，在原有的分級離散變頻原理基礎上，對調壓電路、保護電路等進行了改進，提出了一種改進的礦用異步電動機分級離散變頻軟啟動方式。主調壓電路采用門極可關斷晶閘管GTO代替傳統的可控硅晶閘管來調節電源頻率，并用理想型開關組代替三相斷路器來控制其關斷，從而防止過電壓或過電流對電路造成損害，達到保護電路的目的。Matlab仿真結果表明，改進的分級離散變頻軟啟動方式不僅能降低啟動電流，增大啟動轉矩，還能有效保護電路。

異步電動機； 軟啟動； 分級離散變頻； 門極可關斷晶閘管

0 引言

目前，三相異步電動機在社會生產和生活中的應用越來越廣泛，已經深入到各個領域和行業，尤其是在礦業中有著極其廣泛的應用[1-5]，但其啟動問題一直是研究熱點。傳統的異步電動機軟啟動方式是通過可控硅晶閘管來進行調壓的，通過降低電壓來減小啟動電流，這種方法雖然解決了電動機直接啟動時電流過大、傳統減壓不平滑等問題[6]，但電動機輸出轉矩與電壓平方成正比。因此，這種降壓限流的啟動方式使得電動機的啟動轉矩也大大降低，無法實現帶重載啟動。而在礦業生產中，需要電動機實現重載或滿載啟動的設備較多，如球磨機、礦井起重機、帶式輸送機、粉碎機等。為滿足礦業生產的需求，尋求一種更加有效的電動機啟動方式顯得尤為迫切[7]。

分級離散變頻軟啟動是一種新型的電動機啟動方式，通過有選擇性地觸發半波導通，達到變壓變頻的目的，相比于傳統的啟動方式，具有沖擊電流小、啟動轉矩大等優點。近年來相關專家學者對離散變頻理論進行了補充和發展[8]。參考文獻[1]提出了一種最優觸發角的生成方法，通過設置最大子頻率點來選擇對稱度良好的離散子頻率和相位角，以此來獲得最大轉矩。參考文獻[2]通過建立交流電動機的穩態數學模型，確定主調壓電路采用晶閘管來改變電源頻率，從而達到調壓變頻的目的，并采用對稱分量法進行了理論分析。參考文獻[3]設置了四級啟動子頻率，由二分頻切換到工頻時采用單神經元PID算法來實現限流目的。參考文獻[4]通過研究分頻相位組合及最優切換相位，解決了頻率切換時轉矩和轉速脈動較大的問題，并提出了一種最優觸發脈沖產生策略，為異步電動機的重載啟動開辟了新的道路。參考文獻[5]對傳統的異步電動機離散軟啟動電路結構進行了改造，使得電動機在子頻率運行時采用正序電壓啟動，在一定程度上保證了電動機的啟動轉矩，而當切換到工頻時采用斜坡電壓軟啟動方式，有效地限制了啟動電流。

從以上分析可以看出，目前對離散變頻技術的研究主要集中在通過改變晶閘管的觸發策略和相位角等來達到提高啟動轉矩、降低啟動電流的目的，而對調壓電路的組成及電路保護等的研究不是很多。因此，本文在保護電路和調壓主電路的組成等方面進行了改進。調壓電路采用全控型晶閘管GTO來代替原有的可控硅晶閘管，保護電路用理想型開關組代替三相斷路器來控制GTO晶閘管的導通和關斷，當電路中出現過電壓或過電流時，可以迅速閉合開關，將調壓電路分離出來，從而可以避免過電壓或過電流對電路造成損害，達到保護電路的目的。通過分析分頻電壓的相序及最佳初相角的組合，確定了能夠使輸出轉矩最大的最佳相位角，并選定了分級啟動的各個子頻率，最后通過Matlab仿真模型驗證了改進后的軟啟動方式不僅能降低啟動電流，增大啟動轉矩，還能有效保護電路。

1 分級離散變頻原理

分級離散變頻即在不改變晶閘管軟啟動器的基本電路結構情況下，引入變頻器的交-交變頻理論，并通過控制晶閘管的導通和截止，有選擇地使工頻供電電源的半個周波全部或部分通過，使得電壓和電流下降的同時，電源頻率也降低，從而提高電動機的啟動轉矩。離散變頻雖然可以實現頻率變化，但不能使之連續、線性地發生變化，而只能是原工頻電壓的任一整數分頻。例如，對于頻率為50 Hz的工頻電源來說，依次進行2，3，4，7，10分頻，就可以得到頻率為25，16.7，12.5，7.1，5 Hz的離散子頻率。

本文所設計的離散變頻主電路主要由GTO晶閘管調壓模塊、電壓檢測模塊、觸發電路模塊、電流檢測模塊、顯示模塊、主控制電路模塊組成，其工作原理如圖1所示。

圖1 離散變頻主電路工作原理

2 分頻電壓的相序及初相角組合

離散變頻后所得到的分頻電壓中會包含正序、負序、不對稱相序等多種情況。正序電壓會使電動機正轉，負序電壓會使電動機反轉，因此，必須要分析分頻后的電壓相序和初相角，從中選取最合適的分頻電壓和相位組合。

設三相對稱電壓為

(1)

式中：U0為三相電壓幅值；ω0為角頻率。

若分頻數為r，分頻后的角頻率為ω，則

ω0=rω

(2)

分頻后的基波電壓過零點與工頻電壓過零點相同，為其中2個過零點中的1個。設a相初相角為0，則對于b，c相有

(3)

若分頻后的電壓正序對稱，則對于b，c相有

(4)

由式(1)—式(4)可以推導出含有正序對稱的分頻數為

r=3k+1

(5)

對于任意的正整數r，其所對應的離散分級序列見表1。

若分頻后的電壓為不對稱電壓，設其過零度角為αb,αc，則

表1 離散頻率(f)分級序列

(6)

由式(3)、式(6)可得

(7)

由式(7)可推導出各分頻電壓的初相角、相序及分頻數與相序組合數的關系。當分頻數為r時，相序組合數為(2r)2。以2分頻為例，其相位角見表2。

表2 2分頻相位角

3 對稱分量法及最大輸出轉矩分析

三相異步電動機在不對稱電源下運行時，零序分量對電動機的轉矩無影響，因此，僅需考慮正序分量和負序分量即可。電動機正序、負序等效電路如圖2所示。2個分量所產生的轉矩經過矢量合成后，即為不對稱電源下電動機的轉矩。

(a) 正序

(b) 負序

正序分量下電磁轉矩為

(8)

負序分量下電磁轉矩為

(9)

在不對稱電源作用下的電動機總電磁轉矩為正序分量與負序分量的矢量和，即T=T++T-。

不對稱變量都可以通過對稱分量法分解為各序分量，分頻后的不對稱分頻電壓中包含正序、負序、零序3種分量，用對稱分量法分解出的各序分量為

(10)

式中α為旋轉因子，α=exp(-j120°)。

對于含有正序分量的對稱相序組合，可以通過對稱分量法計算，選取其中正序分量最大的組合，結合Matalb仿真即可確定能產生最大轉矩的分頻電壓及初相角組合。經過分析，雖然3分頻和2分頻中不包含正序對稱相序的電壓，但通過對其相位角的分析和對稱分量法的分解，仍然可以找到合適的正序分頻電壓和最佳相位角組合。同理可以推出其他具有不對稱相序的分頻電壓獲得最大轉矩的最佳相位角組合。以3分頻為例，經過計算得出的相位角組合見表3。

表3 3分頻電壓及相位角組合

4 分級離散變頻軟啟動仿真

分級離散變頻軟啟動器的仿真模型主要由三相電源模塊、GTO晶閘管調壓模塊、觸發角模塊、脈沖發生器模塊、分頻信號模塊、理想開關組模塊、電動機測量模塊等組成，如圖3所示。離散變頻獲得分頻電壓時，理論上可以實現對工頻電壓的任意整數次分頻，但在實際應用中是帶異步電動機啟動，不宜選取過小的頻率，因此，本文直接選定含有正序對稱相序的10分頻為分頻電壓的最小頻率[9]。傳統的離散變頻方式在選定子頻率時，往往采用由4分頻直接向工頻過渡的形式，由于頻率相差太大，這種啟動方式使得電動機電流抖動比較劇烈，轉速波動也較大,容易造成啟動失敗[10]。為了克服這一缺點，本文在4分頻和工頻電壓之間添加了3分頻和2分頻電壓作為過渡，盡可能使各分頻電壓無縫銜接，確保了切換時的穩定性。最終所選定的分級啟動的5級子頻率為f/10，f/7，f/4，f/3，f/2。電動機參數如下：額定功率Pn=10 kW，額定電壓Vn=380 V，額定頻率fn=50 Hz，定子繞組電阻Rs=0.435 Ω，定子繞組電感L1s=0.002 H，轉子繞組電阻Rr=3 Ω，轉子繞組電感L1r=0.002 H，互感系數Lm=0.069 31 H，轉動慣量J=2 kg·m2，磁極對數N=4。

采用全控型晶閘管GTO進行調壓的主電路模型如圖4所示。

利用上述模型對電路進行仿真，圖5—圖10分別給出了電動機直接啟動、斜坡啟動、限流啟動、普通晶閘管離散變頻啟動、GTO晶閘管離散變頻啟動、采用三相斷路器保護電路的仿真波形。

對比幾種常見軟啟動方式的仿真波形(圖5—圖7)可以看出，直接啟動方式所需要的穩定時間最短，約為0.9 s，最大啟動電流可達100 A，為額定電流的3～4倍，穩定電流為15 A，轉矩脈動較大，波動范圍為0～800 N·m；斜坡電壓啟動所需要的穩定時間最長，約為7.5 s，最大啟動電流達30 A，穩定電流為15 A，啟動轉矩和轉矩脈動都較小，波動范圍為-50～50 N·m；限流軟啟動能有效限制啟動電流，使之平穩增長，穩定電流為15 A，所需要的穩定時間介于直接啟動和斜坡啟動之間，約為1.8 s，但啟動轉矩較小，轉矩脈動較大，波動范圍為-50～250 N·m。

對比2種離散變頻啟動仿真波形(圖8，圖9)可以看出，當離散變頻主調壓電路采用普通晶閘管時，電動機的啟動電流相對較小，但當由二分頻向工頻過渡時，電流波動較大，過渡不平滑[11]，啟動轉矩較大，最大可達250 N·m，為傳統軟啟動方式的5～6倍。而當采用全控型晶閘管GTO作為主調壓電路時，電動機啟動電流較小，穩定在-50～50 A，由二分頻向工頻過渡時，電流波動也較小，過渡非常平滑[12]，同時間內電動機轉速也相對較高，而且在0～0.5 s內啟動轉矩也明顯增大，最大可達800 N·m，為普通晶閘管離散軟啟動時的2～3倍，軟啟動效果更加理想。

由圖10可以看出，當保護電路選用三相斷路器時，在0～0.5 s內，電流和轉矩抖動比較劇烈，容易對電動機造成沖擊。

綜合以上對比結果可知，當電動機直接啟動時，啟動時間最短，但啟動電流較大，且啟動轉矩波動也大，獲得的轉矩穩定時間短，不適合帶重載啟動。采用斜坡軟啟動方式時，雖能有效降低啟動電流，但啟動轉矩也變小，且啟動時間較長。限流軟啟動方式雖能有效限制電動機的啟動電流，但無法增大其啟動轉矩，因此，不能實現帶重載啟動。當采用GTO晶閘管離散變頻啟動時，電動機沖擊電流較小，且切換時的電流波動小，獲得的啟動轉矩較大，而保護電路選用理想型開關能有效防止電流和轉矩發生劇烈抖動，因而更適用于礦井提升機等需要重載或滿載啟動的場合。

圖3 分級離散變頻軟啟動器仿真模型

圖4 三相交流調壓主電路模型

圖5 電動機直接啟動仿真波形

圖6 電動機斜坡啟動仿真波形

圖7 電動機限流軟啟動仿真波形

圖8 電動機采用普通晶閘管離散變頻軟啟動仿真波形

圖9 電動機采用GTO晶閘管離散變頻軟啟動仿真波形

圖10 電動機采用三相斷路器保護電路啟動仿真波形

5 結語

介紹了離散變頻軟啟動的基本原理及構造，并對其電路結構進行了改進，提出了一種改進的礦用異步電動機分級離散變頻軟啟動方式，將傳統交流調壓主電路中的可控硅晶閘管換成全控型晶閘管GTO，通過理想型開關組來控制其關斷，從而防止過電壓或過電流對電路造成損害，達到保護電路的目的。通過對稱分量法分析各分頻電壓的相序及初相角的組合，確定了能使輸出轉矩最大的最佳相位角。最后通過Matlab搭建離散變頻軟啟動的仿真模型，并將仿真結果分別與全壓啟動、斜坡啟動、限流啟動及采用普通晶閘管離散變頻啟動和用三相斷路器保護電路的仿真結果作對比，驗證了離散變頻軟啟動方式的可行性與有效性。

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Research on soft start mode of grading discrete frequency conversion for mine asynchronous motor

WANG Dongfeng1,2， ZHANG Kairu1,2， WANG Yi1,2， WANG Yongli1,2

(1.College of Electrical Engineering and Automation, Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China; 2.State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Cofounded by Shandong Province and the Ministry, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China)

In view of problem that traditional soft start mode of mine-used asynchronous motor has big starting current, small starting torque, and cannot achieve overload or full load start, voltage regulation circuit and protection circuit were improved based on existing grading discrete frequency conversion principle, and an improved soft start mode of grading discrete frequency conversion for mine asynchronous mator was put forward. The main voltage regulator circuit uses gate turn-off thyristor GTO instead of traditional SCR thyristor to adjust power frequency, and uses ideal switch group instead of three-phase circuit breaker to control its turn-off, so as to prevent circuit damage caused by over-voltage or over-current, and achieves purpose of circuit protect. The Matlab simulation results show that improved soft start mode of grading discrete frequency conversion can not only reduce starting current and increase starting torque, but also effectively protect the circuit.

asynchronous motor; soft start; grading discrete frequency conversion; gate turn-off thyristor

2016-07-25；

2016-10-30；責任編輯：胡嫻。

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAB13B04)。

王東峰(1989-)，男，山東濰坊人，碩士研究生，主要研究方向為電力系統運行與控制技術，E-mail:237373481@qq.com。

1671-251X(2016)12-0050-06

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.12.011

TD614

A

時間：2016-12-01 10:33

http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161201.1033.011.html

王東峰，張開如，王毅，等.礦用異步電動機分級離散變頻軟啟動方式研究[J].工礦自動化，2016,42(12)：50-55.