離散變頻技術在礦用3.3 kV大功率軟起動器中的應用

趙宇杰

（晉能控股煤業集團煤峪口礦山西大同037003）

1 引言

晶閘管軟起動控制器可以有效地解決電動機起動電流大的問題，而且能根據不同的應用要求設置不同的軟起動方式。電機的起動轉矩與電壓平方成正比，與頻率成反比。由于軟起動器可以減小起動電流是基于降壓原理，本質上仍為降壓起動；導致其在減小起動電流的同時也減小了起動轉矩。另外,由于普通軟起動器降壓而不降頻,在起動過程中由于存在較大的轉差率，不可避免地會出現大的起動電流，因而軟起動器只適合空載起動或輕載起動，對于重載起動的電機并不適用。由于煤礦產生的特殊性,許多大功率電機需要重載狀態下起動并且運行在工頻全壓狀態。如何克服軟起動器起動電機起動轉矩小的，起動電流大的問題，滿足軟起動器適宜于煤礦井下生產作業的需求，具有非常實際的現實意義。

2 離散變頻理論與實現

離散變頻控制是通過一定的觸發控制策略，有規律地連續導通工頻電源的正半波或負半波，得到離散的、為工頻幾分之一的一系列新頻率，從而實現電壓、頻率的調節。在該理論中,不僅可以實現調壓、調頻，也可同時實現調壓調頻。

根據該理論設計、實現了礦用3 300 v大功率軟起動器。該設計方案在不改變晶閘管軟起動器原有主回路結構，通過改變可控器件的導通策略進而改變輸出電源電壓幅值；同時通過有規律地導通工頻電源的部分區域，降低輸出電源的頻率，保持一定的電壓頻率比，從而在減小電機起動電流、轉差率的同時提高起動轉矩。

因此，觸發控制策略的確定是極其關鍵的環節。

為了確定晶閘管的觸發控制方式（導通與關斷），需分析各分頻段的相序、各分頻段初始相位及觸發角。

2.1 相序分析

三相A、B、C工頻電源電壓為：

式中U0—電壓幅值；ω0—工頻電源角速度；t—時間。則A 相電源電壓過零點為：

當分頻數為 r（r 是正整數）時，新分頻段 a、b、c 三相分頻電源電壓：

式中U1—分頻電源電壓幅值；αa、αb、αc—初始相位；ω1—分頻電源角速度。則角速度：

新分頻段a相電壓過零點為工頻電源A 相電壓過零點。

當新分頻段電壓為正序時，B、C 兩相初相位有如下關系:

當αb=2π/3，由式（7）可知正序時的分頻系數:

ac=2π/3 由于r為正整數，當K=0、1、2、3…時為正序，分頻數r 為 1、4、7 等。當ac=2π/3，由式（7）可知負序時的分頻系數:

當 K=0、1、2、3…時為負序，分頻數r 為2、5、8 …等。

正序電壓在電機中產生正序電流作用于電動機定子繞組,將在電動機定子上產生正向旋轉磁場,磁場軸線從A 轉向B提供正轉矩;負序電流作用于電動機定子繞組,將在電動機定子上產生反向旋轉磁場,磁場軸線從A 轉向C。為滿足煤礦井下生產重載大轉矩起動現場要求，本設計采級分頻實現由低頻段過渡到工頻f/7→f/4→f軟起動控制方案。

2.2 最優初相位確定

對于4分頻及7分頻，其向量空間為正序分布，對于不同的K值而言，有正序的初相位組合，因此可直接選取（0°，-120°，-240°）作為初始相位角。三相電壓向量圖如圖1所示

圖1 三相電壓向量圖

2.3 分頻實現

在三相交流調壓電路中,每隔δ=60°發出一個脈沖序列可以實現三相電源晶閘管移相控制，如圖2 所示。將δ=60°稱為一個節拍(實際換向點)。三相交流電路中可控器件的觸發脈沖，在某一節拍是否過零后觸發，構成了一個0、1組成的觸發脈沖序列；該脈沖序列控制可控器件的通斷，可實現基波頻率是5 0/r 的三相交流電的輸出,其中整數r 是分頻數。

圖2 分頻波形示意圖

以r=2 為例進行分析。基波頻率是50/r=25 Hz,基波周期為40 ms,在t1 時c、a 相各有2 個觸發脈沖，t1、t2 間的自然換相點，b、c 相各有 2 個觸發脈沖，在t2時a、b相各有2個觸發脈沖。構成觸發脈沖序列為12位。觸發脈沖序列( 111111 111111)表示在a 相過零后，每一個換相點輸出4個脈沖控制對應1#—6#相關晶閘管的導通、關斷，輸出電壓幅值可調，頻率為25Hz相位為（0°，-120°，-240°）三相電源。由（5）（6）（7）可得，7、4 分頻對應的觸發脈沖序列,所對應三相基波電壓的相位為（0°，-120°，-240°），其正序電磁轉矩最大 。圖3為a相25 Hz時電壓波形

圖3 a相25 Hz時電壓波形

3 試驗與驗證

試驗器件主要有三相電源、3 對反并聯晶閘管模塊、觸發模塊、加載臺相關測量儀器。電機參數為:額定功率7.5 kW 額定電壓3300/1140 V 額定電流5A 轉速：1 440極對數2接線：Y主回路圖如圖4所示。

圖4 反并聯晶閘管主回路圖

圖5 電壓斜坡軟起動器測試波形

圖6 離散變頻軟起動器測試波形

從圖5 和圖6 對比可以看出：電壓斜坡軟起動方式下，電流峰值為22A，電流有效值為15.3A；離散變頻軟起動方式下，7 分頻段和4 分頻段電流峰值在-18A～20A，4分頻段過渡到工頻段的電流峰值為19A，電流有效值為12 A，電壓斜坡軟起動方式下，在起動初始階段，由于起動轉矩較小而會有堵轉的情況，圖5所示起動初始的最大轉矩為45 Nm；離散變頻軟起動方式下，在各分頻段的最大轉矩值分別為197、153 Nm，是電壓斜坡起動方式下起動轉矩值的數倍。離散變頻軟起動方式下，轉速按照各分頻段呈臺階式上升，在切換的瞬間轉速提高，之后穩定于此分頻段對應的同步轉速。通過以上對比分析可以看出，與電壓斜坡控制方法相比，離散變頻軟起動方式下的起動電流小、起動轉矩大。

4 實際應用

根據以上實驗驗證數據，我們進行了3.3 kV 高壓軟起動器硬件與軟件的技術開發，研發出QJGR-350/3.3高壓軟起動器，該產品已經在煤礦企業得到了很好的應用，既節省了投資成本，又解決了大功率大負荷帶載起動的難題，取得了良好的經濟效益和社會效益。

5 結束語

分級變頻軟起動在不改變傳統晶閘管軟起動器的主電路結構,只是通過改變的晶閘管觸發脈沖的觸發順序和控制算法，從而實現了電動機在起動初期具有低電流、高轉矩的特性。分級變頻軟起動很好的解決了電動機重載起動問題；由于未改變傳統晶閘管軟起動的主電路結構,所以成本不會有所增加,這為分級變頻軟起動擴大其使用范圍、推向市場提供了有利的競爭條件。