煉鋼轉爐除塵風機雙電源切換控制策略研究

梁澤毅

(上海梅山工業民用工程設計研究院有限公司，上海 200093)

0 引 言

轉爐風機是煉鋼設備除塵過程中的重要輔機，主要功能是將灰塵和有害氣體吹入除塵設備進行凈化。風機提供的動力是轉爐煉鋼設備除塵系統正常運行的主要動力，風機一旦供電異常，除塵過程受到破壞，可能造成意外停產、污染環境、危害操作人員等嚴重后果。因此保證轉爐風機的供電可靠性至關重要。轉爐風機系統一般采用主/備用電源的雙電源供電模式，在電網系統波動或是配電系統異常時，快速切換供電電源，且在切換過程中需要避免出現過壓、過流問題。尤其是轉爐風機系統一般使用較大容量電動機，在供電切換過程中電機產生的感應電動勢會在定子中感應出瞬間高強度沖擊電壓、形成電流尖峰，危及電力線路保護裝置，很可能引起跳閘導致重新失電[1-2]。交流電機在電壓切換過程中，由于轉子慣性，轉速不會迅速到零，此時在定子繞組中感應出電動勢，即感應電機剩余感應電動勢，對剩余感應電動勢產生機理的研究是抑制合閘沖擊電流的基礎。文獻[3-8]討論了失電后電機的電磁轉換過程與三相定子電流方程，對重合閘的最不利時機做出分析，用空間矢量方法推導出剩余感應電動勢表達式，并討論了切換成功的關鍵因素。對電壓暫態特征的提取與準確快速的識別，是快速有效地進行電源切換時機判斷的基礎。為了及時檢測出電壓暫降的起始時刻與相角變化，常使用的方法可分為時域檢測法[9]與變換域檢測法[10-13]。基于時域檢測法，本文提出了一種優化單相d-q變換算法對電壓暫降進行快速檢測的方法，實時檢測電壓暫態特征，并研究了感應電機在定子斷電后的剩余感應電動勢對電機產生電流沖擊的機理，判斷電機運行狀態。采用優化單相d-q變換算法判斷電壓暫降，控制晶閘管動作時刻，實現雙電源之間安全、穩定的切換，保證轉爐風機的供電安全。在理論分析的基礎上設計了一種采用數字信號處理器(DSP)的轉爐風機雙電源快速切換供電裝置，通過實時并適時地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 電源快速切換機理

本文研究的基于晶閘管的快速切換電路拓撲如圖1所示，該拓撲主要由斷路器KM1、KM2，三相反并聯晶閘管組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進行控制，實現電機軟起動；正常工作時，閉合KM1，電機由主電源供電。當檢測到主電源異常時，向SCRs1發出驅動信號，使其工作，然后斷開KM1，由于SCRs1已經導通，KM1觸點兩端被SCRs1箝位，其關斷過程不會出現電弧。當KM1關斷后，移除SCRs1的觸發信號，晶閘管自然過零關斷。同時，檢測備用電源的狀態信息和感應電機的反電動勢信息，適時向SCRs2發出驅動信號，電機由主電源供電切換到備用電源供電。最后再閉合KM2，斷開SCRs2的驅動信號，完成由主電源向備用電源切換。由于KM1與KM2之間設置互補控制信號，避免了KM1與KM2同時閉合導致的電壓沖擊。

圖1 基于晶閘管的快速開關拓撲

理論分析表明，確保無沖擊電流狀態下實現電源快速切換的時機可以采用備用電源與電機感應電動勢的相角差為切換依據。切換模式可以分為快速切換、同期捕捉切換和剩余感應電動勢切換等三種，如圖2所示。快速切換模式為當主電源發生故障時，若主、備電源相角差別不大，在較短時間內進行電源切換，這種切換方式既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，如圖2中區域1所示。如果主/備電源之間相角相差較大，或者快速切換時機太短導致切換開關來不及運作，可以在相角差越過180°后再次重合時進行切換，也即同期捕捉切換模式，如圖2中的區域2所示。若同期捕捉切換沒有成功，就轉入剩余感應電動勢切換模式，如圖2中的區域3所示，當剩余感應電動勢衰減到20%～40%額定電壓時，投入備用電源，實現電源切換。剩余感應電動勢切換可保證切換過程不產生沖擊電流，但電動機的斷電時間相對較長。

圖2 剩余感應電動勢與備用電源的角差和幅值示意圖

為了保證切換過程的快速性，在可接受斷電時間內完成電源切換，經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，在相角差較小時進行合閘可使負載承受的沖擊電流較小，達到低電流沖擊下快速切換電源的效果。快速切換模式和同期捕捉切換模式的實現嚴重依賴于雙路電源的頻率和相位差均較小，否則將產生較大的沖擊電流，產生嚴重后果。實際工程應用中，主/備供電電源的頻率差和相位差是隨機的，快速檢測電動機的剩余感應電動勢是確保可靠進行主/備供電電源切換的必要手段。

2 感應電機剩余感應電動勢分析

在進行電源切換時，由于電機轉子的慣性，轉子的轉速不會立刻降到零，此時感應電機為發電機模式，產生反電動勢，即為剩余感應電動勢。慣性大的電機剩余感應電動勢衰減時間可延續至3 s以上，而現代社會對切換速度的要求越來越高，常需要在剩余感應電動勢存在的情況下實現快速電源切換。研究電機剩余感應電動勢的產生機理對電源切換時產生沖擊電壓的瞬態分析有重要意義。

采用空間矢量法可簡化感應電機模型的建立。電壓與定子磁鏈的表達式為

(1)

(2)

ψs=Lsis+Mmi′r

(3)

ψ′r=Mmis+Lri′r

(4)

式中：us、is、ψs為定子側電壓、電流與磁鏈；ir、ψr為轉子電流和轉子磁鏈；ψ′r，i′r為折算到定子側的轉子磁鏈和轉子電流；Mm為電動機互感系數;Rs、Ls分別為定子每相繞組的電阻和總電感；Rr、Lr分別為歸算到定子側的轉子每相繞組的電阻和總電感；ur為轉子側電壓。

在某一時刻斷開三相定子電源，由式(1)～式(4)可得：

(5)

此時由于電機是感性負載，轉子電流不會突變，可由式(2)得到斷電前一時刻轉子電流初始值Irt0，折算到定子側可得斷電后轉子電流為

(6)

假定斷電時間較短，轉子轉速在剩余感應電動勢衰減過程中保持不變,則有：

(7)

由式(1)～式(7)可得：

(8)

最終剩余感應電動勢表達式為

(9)

由式(9)可知，剩余感應電動勢幅值由轉子電流與轉子轉速決定，其衰減的幅度與轉子時間常數Tr相關，Tr越大剩余感應電動勢衰減得越慢，當剩余感應電動勢未衰減到零時接入備用電源產生電壓差，剩余感應電動勢與備用電源之間的相角差越大，在裝置中產生的電壓沖擊就越大。圖3為不同相位差下，產生沖擊電壓的大小。es為轉子旋轉時在定子上感應出的剩余感應電動勢，usp為接入的備用電源電壓，可知隨著相位差的變大，電壓差幅值增大，在相位差達到180°時幅值達到最大，因此在合閘時應盡量選擇相位接近的時刻。比如，當備用電源與剩余感應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 動態電壓檢測

為了實現主電源電壓波動時快速切換電源，保障用電設備的安全，對電網電壓及電機感應電動勢的動態變化進行及時、快速的檢測非常重要，其影響整個系統對電源故障的反應速度。為了節省數字信號處理器(DSP)中的AD檢測接口，采用優化單相d-q變換算法進行交流電壓暫態檢測，該方法檢測速度快，在獲得電壓實時變化的同時可以得到相位跳變信息，兼具實時性與魯棒性。

設采樣得到的a相電壓信號為

(10)

式中：ua為a相電壓；ω為電壓角頻率；φ為a相初始相角；U為相電壓有效值。

將ua延時可以獲得c、b相電壓uc、ub：

ub=-ua-uc

(12)

將ua延時σ角度得到電壓uσ為

(13)

由式(13)可得：

(14)

將式(14)代入式(11)與式(12)中，可得b、c相電壓表達式：

(15)

(16)

將經過延時處理得到的三相電壓進行Park變換得到其在d-q坐標系的電壓：

(17)

C=

(18)

將式(10)、式(15)、式(16)、式(18)代入式(17)可得到在d-q坐標系的電壓：

(19)

由式(19)可以得到基波電壓的幅值與相角跳變值為

(20)

通過對采樣得到的單相電壓進行優化單相d-q變換，由式(20)可計算出被檢測電源電壓的幅值與相位的實時變化，為實時準確地進行電源切換奠定基礎。需要注意的是，對于σ的取值需要在對程序延時要求與硬件噪聲進行綜合考慮后選取。

在對快速電源切換系統的理論分析的基礎上，研制了新型快速電源切換裝置的控制系統，其組成如圖4所示。系統的主控芯片采用TI公司的TMS320F28335 DSP。對A路(主電源)、B路(備用電源)和交流電機的輸入電壓電流通過信號調理電路后采樣進DSP，使用優化單相d-q變換算法對電壓幅值與相位進行實時檢測，根據電壓的實時狀態選擇適當切換時機后發送SCR驅動信號，完成主/備用電源之間的快速可靠切換。保護電路及報警與顯示單元等對電源切換系統運行狀態進行實時監測，既參與對系統的保護，也經由CAN通信與系統上位機進行信息交互， 實時發送運行狀態信息。在本文所研究的控制策略支撐下，實現轉爐風機的高可靠性供電。

圖4 控制系統組成框圖

4 仿真結果

在進行理論分析的基礎上，基于MATLAB/Simulink進行了仿真測試，設置晶閘管脈沖寬度為100°，選擇六脈沖驅動方式控制晶閘管，在仿真模型中選擇2.2 kW鼠籠型感應電機，額定電流4.8 A，帶風機負載，假設在0.3 s時出現電壓暫降。當備用電源與剩余感應電動勢相位相差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0.3～0.35 s之間波動較小，50 ms后系統可以正常工作。由仿真數據可得，在相角差為30°以內時直接切換對系統帶來的沖擊是可以接受的，在此相角差范圍內無需判斷相角差最小時刻，可以直接切換電源。

圖5 掉電時相角差20°時直接切換三相定子電流波形

當備用電源與剩余感應電動勢相角差為100°時直接切換電源，對系統的沖擊如圖6所示，造成的沖擊電流高達額定電流10倍以上，對系統沖擊較大，應等待至同期捕獲時期再進行電源切換。圖7所示為電機斷電60 ms后，在備用電源與剩余感應電動勢之間的相角差再次重合時，進行電源切換，此時最高沖擊電流較小。圖8中波形為備用電源與剩余感應電動勢之間的相角差達到180°時進行電源切換的三相定子電流波形，在該時刻進行電源切換，造成了最大的電壓沖擊，與理論分析一致，該沖擊電壓下有設備損壞的風險。

圖6 掉電時刻相角差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°時同期捕獲切換三相定子電流波形

圖8 掉電時相角差180°時切換電源三相定子電流波形

5 結 語

本文設計了一種轉爐風機雙電源切換裝置。通過對剩余感應電動勢形成機理進行建模分析，將備用電源與剩余感應電動勢相位差作為自動切換時機的判斷依據。對系統進行仿真分析可知，在備用電源與剩余感應電動勢之間相差30°以內時可以驅動晶閘管進行快速切換，在備用電源與剩余感應電動勢之間的相角差較大時，使用同期捕獲切換的方式可以大幅度減小沖擊電流，保護快切裝置與設備。仿真結果表明了本文所提出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用價值。