電機(jī)分級(jí)變頻軟啟動(dòng)與諧波濾波一體化

陳 靜，宋興宇，袁佑新，王 清

(武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430070)

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，智能控制系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，作為重要驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電機(jī)來說，既要為智能控制打下良好基礎(chǔ)，又要降低電機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。因此，電機(jī)的啟動(dòng)環(huán)節(jié)應(yīng)該引起高度重視。電機(jī)啟動(dòng)電流大、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，對(duì)電機(jī)自身和電網(wǎng)有不利影響。變頻啟動(dòng)不僅改變了電機(jī)的端電壓，還改變了電壓頻率，從而使得其啟動(dòng)電流更小、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，能滿足電機(jī)重載軟啟動(dòng)性能要求。但是，在高壓大功率領(lǐng)域由于變頻器最大功率相對(duì)較低，成本高，技術(shù)復(fù)雜，使得其在高壓電機(jī)的重載軟啟動(dòng)中性價(jià)比低。同時(shí)，電機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的諧波也會(huì)對(duì)電網(wǎng)和電機(jī)造成不利影響。為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)分級(jí)變頻軟啟動(dòng)和諧波濾波需要解決以下問題［1］:

(1)限制電機(jī)啟動(dòng)電流，提高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)，節(jié)能降耗;

(2)針對(duì)電機(jī)啟動(dòng)過程和全壓運(yùn)行過程進(jìn)行諧波濾波，避免諧波對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生大的沖擊和對(duì)電機(jī)及拖動(dòng)設(shè)備的損壞，保證電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。

為了滿足高壓電機(jī)重載啟動(dòng)平穩(wěn)、啟動(dòng)電流小，以及啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大等要求，并且能有效濾除電源中的主要諧波，在整體上提升高壓大功率電機(jī)的重載啟動(dòng)性能，節(jié)能降耗，保持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定，在前期研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合可變電抗技術(shù)、分級(jí)變頻技術(shù)和動(dòng)態(tài)無源諧波濾波技術(shù)，提供一種電機(jī)分級(jí)變頻軟啟動(dòng)與諧波濾波一體化方法，主要包括一體化方法的原理、一體化裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和一體化方法的實(shí)現(xiàn)。

1 一體化原理

1．1 分級(jí)變頻軟啟動(dòng)原理

分級(jí)變頻軟啟動(dòng)子系統(tǒng)主要由分級(jí)變頻器和可變電抗變換器等電路構(gòu)成，通過控制系統(tǒng)來控制晶閘管的通斷以改變可變電抗變換器二次側(cè)電抗，進(jìn)而改變一次側(cè)的電抗值，來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的分級(jí)變頻軟啟動(dòng)。

電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為［2－3］:

式中:r1為定子繞組電阻;x1σ為定子繞組漏電抗;r2'為轉(zhuǎn)子折算后等效電阻;x'2σ為轉(zhuǎn)子折算后等效電抗;f1為定子電流頻率;m1為定子繞組的相數(shù);p為極對(duì)數(shù);U1為電子相電壓。

由式(1)可知，Tst與U21成正比，并隨著f1的降低而升高。與傳統(tǒng)啟動(dòng)方式不同，分級(jí)交-交變頻軟啟動(dòng)是按照恒壓頻比的控制方式進(jìn)行有極變化，逐漸從kUe增大到額定值Ue(0＜k≤1)，每級(jí)分頻的持續(xù)時(shí)間根據(jù)不同分頻時(shí)的頻率大小通過控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與調(diào)節(jié)，這就可使電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩有較大幅度提高，尤其適合重載啟動(dòng)。

分級(jí)變頻軟啟動(dòng)子系統(tǒng)是利用可變電抗變換器將電動(dòng)機(jī)定子電源進(jìn)線側(cè)與晶閘管電路隔離，通過控制器控制晶閘管的通斷，得到不同的電流值，進(jìn)而改變可變電抗變換器的電感值。當(dāng)二次側(cè)線圈上的晶閘管完全導(dǎo)通時(shí)，二次側(cè)線圈上的電流達(dá)到最大值，可變電抗變換器的一次電抗最小，此時(shí)壓降都落在電動(dòng)機(jī)定子端;當(dāng)晶閘管關(guān)斷時(shí)，二次側(cè)線圈上無電流，此時(shí)可變電抗變換器的一次電抗最大，電動(dòng)機(jī)定子端電壓幾乎為零。因此，在一個(gè)電源周期內(nèi)可以通過晶閘管的通斷來改變可變電抗變換器的電抗值［4－6］。

1．2 動(dòng)態(tài)無源諧波濾波原理

動(dòng)態(tài)無源諧波濾波主要使用LC無源濾波的原理，結(jié)合可變電抗變換器的電抗無極變化以及可調(diào)節(jié)電容器組的電容有極變化技術(shù)，可以對(duì)系統(tǒng)中的任意次數(shù)的主要諧波進(jìn)行濾波。

主要諧波頻率為fx，根據(jù)LC無源濾波的原理，其諧振頻率為:

合理地調(diào)節(jié)濾波器的電感L值和電容C值的大小，就可以使得f'x=fx，從而有效濾除系統(tǒng)中頻率為fx的諧波。若系統(tǒng)中的主要諧波頻率發(fā)生改變，通過可變電抗變換器的電抗無極變化和電容器組的電容有極變化，重新改變電感L值和電容C值的大小，繼而可以實(shí)時(shí)地、動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)濾波器的諧振頻率，使得改變后的諧振頻率等于新的變化后的諧波頻率，構(gòu)成低阻抗回路，以有效地吸收諧波。

動(dòng)態(tài)無源諧波濾波子系統(tǒng)主要由功率變換電路、濾波電抗器和電容器組等電路構(gòu)成。智能電能檢測(cè)模塊檢測(cè)由電壓電流互感器發(fā)出的電壓、電流和諧波等電能信號(hào)，傳給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過計(jì)算分析來確定諧波的次數(shù)和大小，根據(jù)LC無源濾波的原理，計(jì)算出濾波器的最佳電容值和電感值，以實(shí)現(xiàn)諧波的有效濾除。動(dòng)態(tài)無源諧波濾波子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)啟動(dòng)過程和全壓運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的諧波的濾除。

2 一體化裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)電機(jī)分級(jí)變頻軟啟動(dòng)與諧波濾波一體化原理，設(shè)計(jì)了一種基于可變電抗技術(shù)、分級(jí)變頻技術(shù)、動(dòng)態(tài)無源諧波濾波技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等的電機(jī)分級(jí)變頻軟啟動(dòng)與諧波濾波一體化裝置，主要由控制系統(tǒng)、分級(jí)變頻軟啟動(dòng)子系統(tǒng)和諧波濾波子系統(tǒng)組成。電機(jī)分級(jí)變頻軟啟動(dòng)與諧波濾波一體化裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 電機(jī)分級(jí)變頻軟啟動(dòng)與諧波濾波一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2．1 分級(jí)變頻軟啟動(dòng)子系統(tǒng)

基于可變電抗變換器的分級(jí)變頻軟啟動(dòng)子系統(tǒng)主要由電壓電流互感器、智能電能檢測(cè)模塊、控制系統(tǒng)、可變電抗變換器和分級(jí)變頻器等組成?？勺冸娍棺儞Q器的一次側(cè)與電動(dòng)機(jī)電源線的進(jìn)線端串聯(lián)，通過接觸器KM1、電壓電流互感器、高壓斷路器和高壓隔離開關(guān)接入電網(wǎng)［7－8］。其二次側(cè)與分級(jí)變頻器相連。分級(jí)變頻器主要由反向并聯(lián)的晶閘管和RC阻容保護(hù)電路等組成?？刂破鹘邮諄碜灾悄茈娔軝z測(cè)模塊的信號(hào)，經(jīng)過分析計(jì)算后向分級(jí)變頻器輸出控制量，采用分級(jí)變頻方式，觸發(fā)和控制分級(jí)變頻器中晶閘管的通斷，來改變可變電抗二次側(cè)電流的大小，間接控制電機(jī)定子上電壓的頻率和大小，實(shí)現(xiàn)分級(jí)變頻重載軟啟動(dòng)。

2．2 動(dòng)態(tài)無源諧波濾波子系統(tǒng)

動(dòng)態(tài)無源諧波濾波子系統(tǒng)主要由功率變換器、濾波電抗器、電容器組、控制系統(tǒng)、電壓電流互感器、智能電能檢測(cè)模塊，以及接觸器KM3組成［9－10］。將濾波電抗器一次側(cè)繞組的一端與電容器組的非接地端相連接，另一端通過接觸器KM3與濾波電抗器一次側(cè)繞組的進(jìn)線端相連接;濾波電抗器的二次側(cè)繞組與功率變換電路相連接，控制系統(tǒng)通過控制功率變換電路中的晶閘管的導(dǎo)通角來調(diào)節(jié)接入系統(tǒng)中的電抗值L的大小，并通過控制電容器組中的各接觸器的通斷來調(diào)節(jié)接入系統(tǒng)電容值C的大小，在諧波頻率f下，構(gòu)成一低阻抗回路以吸收諧波。多組快速熔斷器(FU1，F(xiàn)U2，…，F(xiàn)Un)、電容接觸器(KM11，KM12，…，KM1n)與電容器組(C1，C2，…，Cn)的串聯(lián)電路經(jīng)過并聯(lián)后形成電容器組，并聯(lián)公共端的一端與濾波電抗器的一次側(cè)繞組相連接，另一端接地［11］。

3 一體化方法的實(shí)現(xiàn)

電機(jī)分級(jí)變頻軟啟動(dòng)與諧波濾波一體化方法的實(shí)現(xiàn)，主要由分級(jí)變頻軟啟動(dòng)、電力濾波、接觸器動(dòng)作時(shí)序和控制系統(tǒng)等完成。系統(tǒng)的啟動(dòng)需要手動(dòng)合閘高壓隔離開關(guān)QS和高壓斷路器QF，此時(shí)電路中的智能電能檢測(cè)模塊和控制系統(tǒng)接入電源得電，控制系統(tǒng)開始工作。

第1階段:分級(jí)變頻軟啟動(dòng)。通過控制器將接觸器KM1閉合，此時(shí)可變電抗變換器的一次側(cè)繞組與電機(jī)通過串聯(lián)的方式接入電網(wǎng)，分級(jí)變頻軟啟動(dòng)子系統(tǒng)投入運(yùn)行。根據(jù)預(yù)先設(shè)定的算法，通過控制器輸出脈沖信號(hào)，控制分級(jí)變頻器中晶閘管的通斷，經(jīng)可變電抗變換器分壓，使電機(jī)定子電壓從kUe逐漸增至額定值Ue，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的分級(jí)變頻軟啟動(dòng)［12］。

第2階段:動(dòng)態(tài)無源諧波濾波。同時(shí)閉合接觸器KM1和KM3，濾波電抗器的一次側(cè)繞組與電容器組串聯(lián)后接入可變電抗變換器的一次側(cè)繞組的進(jìn)線端，動(dòng)態(tài)無源諧波濾波子系統(tǒng)投入運(yùn)行。控制器通過分析電路產(chǎn)生的諧波信號(hào)，控制接觸器KM11～KM1n的開合，從而將最佳電容接入電網(wǎng);同時(shí)輸出另外的觸發(fā)脈沖信號(hào)，控制功率變換電路晶閘管的導(dǎo)通角，調(diào)節(jié)濾波電抗器的一次側(cè)繞組的最佳電感值，在諧波頻率fx下，構(gòu)成一低阻抗回路以吸收諧波。

第3階段:啟動(dòng)結(jié)束。電機(jī)定子電壓達(dá)到額定值Ue時(shí)，接觸器KM1斷開，KM2閉合，結(jié)束分級(jí)變頻軟啟動(dòng)，異步電機(jī)進(jìn)入額定工作狀態(tài);動(dòng)態(tài)無源諧波濾波子系統(tǒng)繼續(xù)進(jìn)行電網(wǎng)諧波濾波。

上述接觸器開/閉由控制系統(tǒng)進(jìn)行控制，其動(dòng)作時(shí)序如表1所示。

表1 接觸器動(dòng)作時(shí)序

4 結(jié)論

電機(jī)啟動(dòng)時(shí)都會(huì)伴隨大電流、小轉(zhuǎn)矩、不平穩(wěn)等問題。針對(duì)現(xiàn)有的電機(jī)啟動(dòng)方法的不足，提出一種電機(jī)分級(jí)變頻重載軟啟動(dòng)與諧波濾波一體化方法，該方法結(jié)合可變電抗技術(shù)、分級(jí)變頻技術(shù)和無源諧波濾波技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)啟動(dòng)平穩(wěn)、啟動(dòng)電流小、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，并且有效濾除電源中的主要諧波。筆者通過對(duì)電機(jī)分級(jí)變頻軟啟動(dòng)與諧波濾波一體化原理的分析，說明了一體化裝置各部分的組成與實(shí)現(xiàn)步驟。在窯磨、煤磨或礦井大型提升設(shè)備拖動(dòng)的電機(jī)中應(yīng)用時(shí)，可使所述電機(jī)在啟動(dòng)過程中的限流和轉(zhuǎn)矩要求得到滿足，并在電機(jī)軟啟動(dòng)過程中和結(jié)束后實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)諧波濾波，在整體上提升高壓大功率電機(jī)的重載啟動(dòng)性能，節(jié)能降耗，保持電網(wǎng)電壓穩(wěn)定，便于工程實(shí)現(xiàn)。

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