浅析异步电动机软启动技术及转矩控制仿真研究

浅析异步电动机软启动技术及转矩控制仿真研究

茆林艳

江苏省盐城技师学院   224000

摘 要：软启动技术有利于改善和控制异步电机的启动过程,详细分析、比较了变频、液阻和晶闸管串联等软启动方法的特点,采用晶闸管串联技术和转矩控制策略,实现异步电机固态软启动.针对某3 kW异步电机仿真研究,表明采用转矩控制方式,软启动装置能够很大程度地降低启动转矩和启动电流,能够很好地控制异步电机的启动过程.

关键词：电动机；软启动；转矩控制；仿真

一、引言

电动机容量越大,受影响的程度越深。传统解决办法包括星-角启动、自耦变压器启动、串联电抗器启动等,虽然减小了启动电流,但是启动转矩也同时减小,在切换瞬间还会产生二次冲击电流。无级软启动方法有磁饱和电抗降压软启动、开关变压器降压软启动、晶闸管串联降压软启动等。随着电力电子技术的提高和功率器件的发展以及铜、铁等原材料价格的大幅上涨,晶闸管串联式的高压软启动装置越来越被市场所认可。如英国CT公司、法国 TE公司、美国BS公司、德国AEG公司及欧洲ABB公司等均推出了软启动器系列产品。其中,美国的BS公司采用晶闸管串联技术生产的中压6～13.8 kV软启动器,最大功率可达10 MW。国内中源ZY-FR1000系列软启动器性能达到国际先进水平,索肯和平(上海)电气有限公司HPMV系列软启动器采用了先进的光纤隔离电子电压变送器EVT,同时,能够对整个系统进行低压测试,避免控制、触发系统出现问题,损坏晶闸管。

 二、软启动方法

2.1 变频启动

变频器用于交流电机启动,启动电流小、启动力矩大、调速曲线平滑、调速范围大,运行平稳,启动速度快,是交流电机理想的启动方式。但是,高压变频器更适用于需调速的电机系统,且价格昂贵,单纯用作软启动装置使用不经济。

2.2 液阻式降压软启动

2.2.1 液阻软启动

液阻是一种由电解液形成的电阻,其导电本质是离子导电。电解液中有两个导电极板,即固定极板和动极板,伺服系统控制动极板的距离来改变启动电阻值。

2.2.2 热变电阻软启动

与液阻的主要区别在于电极不动,热变电阻呈现明显的负温度特性。阻式软启动装置的不足是电机启动时,液体电阻发热,要消耗一定的电能,且不适合频繁启动场合。但因其投资少、性能好(无极控制,热容量大),不会产生谐波影响电网,适用于高压大功率电机和重载启动。

2.3 磁饱和电抗软启动

磁饱和电抗器的等效电抗值是可控的,它利用铁心的饱和特性,通过改变直流励磁来改变其电抗参数,可以实现电流闭环控制,且可实现软停车。与高压晶闸管软启动相比,其缺点是控制快速性比较差,噪声较大,也会产生一定的高次谐波。

2.4 开关变压器软启动

用开关变压器隔离高压和低压,通过改变其低压绕组上电压来改变高压绕组上的电压,从而达到改变电机端电压的目的,以实现软启动。不必采用晶闸管串联技术,可靠性大大提高,且谐波很小。此外,电压电流可全范围调节,可构成闭环控制,时间常数小,反应迅速。

2.5 晶闸管串联软启动

在高压电网和电动机之间接入反并联晶闸管调压电路,通过控制晶闸管的触发角进行斩波,起到调压作用。由于单只晶闸管还不足以高压,所以采用串联技术。例如在设计6 kV高压软启动装置的时候,功率单元常采用3只晶闸管串联的方式提高耐压值。该系统对均压电路、触发电路的性能要求较高,对元器件参数的一致性要求比较高。可实现输出电压连续可调,能完全免除对电网和电动机及机械设备的冲击。

三、转矩控制仿真

3.1 转矩控制算法

闭环的调节量是转矩。此外有反馈电路中与转矩有关的电流所需的晶闸管触发角和根据负载计算应给定的电压触发角,并将两者相比较,运算后得到从负载角度所需的功率,将这一功率实际值同应设定的电机电流前馈电路计算出的定子损耗合成,并计算出斜坡转矩的实测值进入上述闭环方框图,完成转矩斜坡的控制。转矩控制框图Fig.1 T he block diagram of torque control

3.2 仿真用电动机技术参数[28]

选用一台3 kW的三相异步电动机作为仿真用电动机,其参数为:Pn=3 kW,Vn=380 V,n=50 Hz,Rs=1.877 Ω,Lls=0.00078 H,R′r=1.695 Ω,L′lr=0.00084 H,Lm=0.0693 H,J=0.5 kg◦m2,p=2。

3.3 结果

利用Matlab7.0搭建晶闸管软启动下的仿真模型如图2所示,由三相交流电压源模块、同步环节模块、触发角控制模块、三相交流调压模块、转矩测量模块、控制模块等构成。其中,三相交流电压源模块是用3个单相交流电压源通过星型接法连接而成,通过正确设定相位与幅值关系构成电压源模块;触发角控制模块的作用是通过电流值计算触发角的大小,送入脉冲触发器。触发电路由同步环节、延迟环节、锯齿波形成环节和移相控制环节组成,限于篇幅不再提供图形。采用转矩控制的仿真系统图Fig.2 The simulation sy stem using torque control转矩斜坡控制封装模块内部模型如图3所示,电磁转矩反馈信号和负载转矩值通过加法器进行比较,转矩偏差经滞环比较(Relay),若反馈信号大于给定值,输出为0,反之则输出为1。转矩上升速率控制值与滞环输出相乘后,通过一积分环节,产生值由0按上升斜率为其乘积值线性递增的信号,乘积值为0时,积分环节输出即保持原有值不变。启动转矩起始给定值Constant2和积分输出值比较,偏差经一饱和环节(Saturation)限制输出值范围,送至输出端。Constant和饱和输出范围的取值都表示触发角的大小。转矩斜坡控制图Fig.3 The torque slope control

采用直接启动方式和转矩控制启动方式的电流变化情况如图4所示。其中,直接启动方式峰值启动电流达到80 A(为额定电流的4倍),瞬时冲击电流很大,这对电机本身、拖动设备及电网都造成冲击;转矩控制方式,启动电流平稳无冲击,最大值45 A(为额定电流的2倍左右),避免了瞬时冲击电流给电机本身、拖动设备及电网带来的不利影响。启动电流iaFig.4 The starting current ia

由于该软启动系统的启动时间比较长(启动时间为5.5 s),整个启动过程的波形不便给出。因此,为了清楚起见,分别抽取启动初始阶段、中间阶段和启动结束阶段的局部启动电流波形放大显示.。接启动和转矩控制方式启动过程中电磁转矩和负载转矩变化情况,直接启动时初始转矩达到210 N◦m,远远超过负载转矩,对电网造成很大的冲击。采用转矩控制后,电机输出转矩得到了很好的控制,最大转矩不超过75 N◦m,并且电磁转矩和负载转矩近似保持一致上升,大大减小加速转矩,避免了二次冲击。综上所述,采用直接转矩控制的软启动装置能够很大程度地降低加速转矩和启动电流,它的性能要比直接启动优越得多,能够很好地控制异步电机的启动过程。转矩控制启动电流波形Fig.5 The waveforms of starting current using torque control电磁转矩 Te和负载转矩TLFig.6 The electromagnetic torque Teand the load torque TL。

基于转矩控制的晶闸管软启动方法,在保持加速力矩的同时,实时计算定子和转子的功率。即在整个加速减速周期内连续计算电动机的功率因数和定子的损耗,检测电压和电流计算功率因数,并在扣除定子损耗后,得到实际的转子功率和电动机力矩,实现实时修正电磁转矩,从而保证电机启动转矩由小到大线性上升。相比直接启动方式,转矩控制启动方式增加了所需的电压和功率因数测量环节,以及转矩跟踪反馈环节。仿真研究表明转矩控制启动方式能很好地降低加速转矩和启动电流,改善异步电机的启动过程,消除了直接启动对电气和机械设备的不利影响,提高电机的启动特性和安全性能。整个系统具有操作简单,控制灵活,启动平稳,运行可靠等优点。同时,解决多个晶闸管串联时涉及的同步触发与均压、均流等技术难题,有助于开发大容量高压固态软启动装置,扩大晶闸管高压软启动器的应用领域。