异步电动机转矩控制软起动仿真研究

1 引言 　　鼠笼式异步电动机在全压直接起动时，起动电流可以达到额定电流的5-7倍，会造成电动机绕组因过流引起过温，从而加速绝缘老化。同时，硬起动造成的过电流也势必会造成电网电压急剧下降，影响其他电力设备的正常使用，且电网电压的急剧下降，使起动转矩减小，有造成起动失败的可能性。异步电动机降压起动目前应用比较普遍的有：串电阻或者串电抗起动、Y—△起动。自藕变压器降压起动等方法。这些传统降压起动方法很大程度上缓解了大容量电机在相对较小容量电网上起动时的矛盾，但是它们只是降低起动电流冲击，并没有从本质上解决问题，而且还造成起动转矩同时在减小，在切换瞬间还会产生二次冲击电流。近年来，随着电力电子技术的发展，使无电弧开关和连续调节电流成为可能。为电动机的起动提供了全新的思路，从而出现了电机软起动技术。晶闸管串联式的高压软起动器应运而生，如美国的BS公司。英国的CT公司。法国的TE公司、瑞典的ABB公司等软起动器系列产品已成为市场的主流。其中美国的BS公司采用晶闸管串联技术生产的重压6~13.8KV软启动器，最大功率可以达10MV。国内的中源ZY—FR1000系列软启动器性能达到国际先进水平，湖北省万洲电气有限公司WGQH系列高压固态软启动器也具有国内先进的水平。 2 软起动方法 2.1  变频启动 　　变频器用于交流电机起动，起动电流小、起动力矩大、调速曲线平滑调速范围大、运行平稳，起动速度快，是交流电机理想的起动方式。但是，高压变频器更适用于需要调速的电机系统，且价格高昂，单纯做软起动装置使用太浪费。 2.2 液阻式降压软起动 2.2. 1 液阻软起动 　　液阻式一种由电解液形成的电阻，起到点本质是离子导电。电解液中有两个导电极板，即固定板和动级板，伺服系统控制动级板得距离来改变起动电阻值。 2.2. 2  热变电组软起动 　　与液阻的主要区别在于电机不动，热变电阻呈现明显的负温特性。 　　液阻式软起动装置的不足时电机起动时，液体电阻发热，要消耗一定的电能，且不适合频繁起动场合。但因其投资少，性能好（无级控制，热容量大），不会产生谐波影响电网，使用于高压发大功率和重载起动。 2.3  磁饱和电抗软起动 　　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。与高压晶闸管软起动相比，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 开关变压器软起动 　　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，以实现软起动。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 晶闸管串联软起动调压电路， 　　在高压电网和电动机之间接入反并联晶闸管通过控制晶闸的触发角进行斩波，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6KV高压软起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。 　　综上所述，晶闸管具有体积小、实现软启动停容易能量损耗小、启动方式多样化等特点。同时，多个晶闸管串联，需要解决同步触发、均压、均流等技术关键。 3　 转矩控制仿真 3. 1 　 转矩控制算法 由电机运动方程可设：

　　在图 1 中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。

3. 3 　 实验结果 　　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。

　　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3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。

　　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，如图4所示。直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如图5所示。由图5可知，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。

4 　 结论 　　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。