煤礦大功率防爆異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)技術(shù)研究

韓英 徐洋 王艷鶴

【摘要】 針對(duì)煤礦大功率防爆異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性需求，提出一種基于數(shù)字信號(hào)處理器的軟啟動(dòng)控制方案，解決起動(dòng)過程電流過大、能耗高的問題。在分析軟啟動(dòng)技術(shù)和煤礦大功率防爆異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程上，從軟啟動(dòng)器的電氣結(jié)構(gòu)出發(fā)，設(shè)計(jì)基于TMS320F2812A的數(shù)字式控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程端子電壓、電流和輸出轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。

【關(guān)鍵詞】 煤礦 隔爆電動(dòng)機(jī) 軟啟動(dòng) 控制

前言

異步電動(dòng)機(jī)作為重要的能量裝換裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)電能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換，在礦山、交通運(yùn)輸、醫(yī)療及航空航天等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。煤礦大功率隔爆型異步電動(dòng)機(jī)是井下綜合機(jī)采、提升運(yùn)輸和排水救援等裝置的動(dòng)力來源，高瓦斯、多礦塵、水災(zāi)、火災(zāi)、有毒有害氣體等惡劣生產(chǎn)條件及綜合機(jī)采技術(shù)對(duì)電動(dòng)機(jī)的可靠性和智能性提出更高的要求。等在異步電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)的過程中，在定子繞組上施加額定工作電壓將產(chǎn)生額定4～7倍的工作電流，轉(zhuǎn)速也將從零迅速上升到額定值。

由于瞬時(shí)扭矩和啟動(dòng)電流電流的沖擊，容易造成電動(dòng)機(jī)嚴(yán)重發(fā)熱，縮短使用壽命，同時(shí)也將影響電力系統(tǒng)及其它用電設(shè)備的正常運(yùn)行。

傳統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)是采用自耦變壓器、飽和電抗器及繞組連接方式轉(zhuǎn)換等技術(shù)，緩解了啟動(dòng)瞬間對(duì)電網(wǎng)和其它用電設(shè)備的沖擊。但這些設(shè)備具有體積龐大、負(fù)載能力差、維修工作量大、啟動(dòng)電流非線性可調(diào)、電能浪費(fèi)嚴(yán)重等缺點(diǎn)，在空間受限、智能化要求高的工況下不能滿足需求。煤礦井下空間狹小、環(huán)境復(fù)雜，煤礦大功率隔爆型電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)裝置體積不能過大，否則不利于運(yùn)輸、安裝和后期設(shè)備維護(hù)，另外散熱效果差也是一個(gè)重要問題。

隨著電力電子技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的高速發(fā)展，依靠電子起動(dòng)的異步電機(jī)控制設(shè)備成為異步電機(jī)啟動(dòng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

一、軟啟動(dòng)技術(shù)

煤礦大功率防爆異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)器是電力電子技術(shù)、電機(jī)學(xué)和現(xiàn)代控制理論等多門學(xué)科在煤礦電氣設(shè)備領(lǐng)域的綜合運(yùn)用，它將交流電壓軟啟動(dòng)和礦用真空電磁起動(dòng)器的兩者的功能融為一體。與常規(guī)啟動(dòng)方式相比，軟啟動(dòng)技術(shù)具有起動(dòng)瞬間電流小、速度平穩(wěn)連續(xù)及對(duì)電網(wǎng)沖擊小等優(yōu)點(diǎn)，可以根據(jù)啟動(dòng)時(shí)的工況要求平穩(wěn)調(diào)整啟動(dòng)曲線，在交流660V和1140V電壓等級(jí)的煤礦大功率防爆異步電動(dòng)機(jī)重負(fù)荷啟動(dòng)及磁力啟動(dòng)中具有廣泛運(yùn)用。

煤礦大功率防爆異步電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與電子兩端的電壓成正比，繞組電流也和定子兩端電壓成正比。所以，可以通過對(duì)啟動(dòng)過程的電壓進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)啟動(dòng)電流和輸出轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。

軟啟動(dòng)器的主回路采用六個(gè)可控硅兩兩串聯(lián)后并聯(lián)組成三個(gè)回路，利用數(shù)字信號(hào)處理器調(diào)整可控硅器件的導(dǎo)通角控制端子兩端的電壓，達(dá)到對(duì)端子電流和輸出轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦大功率防爆異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程的合理控制。

二、異步電動(dòng)機(jī)

異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速）小于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速，作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)因其轉(zhuǎn)子繞組電流是感應(yīng)產(chǎn)生的，又稱感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。

分析過程采用空間矢量方法將復(fù)雜的異步電機(jī)數(shù)學(xué)模型簡化處理，圖1為異步發(fā)電機(jī)的空間矢量等效電路圖。其中：r表示轉(zhuǎn)子，s表示定子，ΨS表示定子磁鏈空間矢量，uS表示定子電壓空間矢量，Ψr表示 轉(zhuǎn)子磁鏈空間矢量，iS表示定子電流空間矢量，Rr表示轉(zhuǎn)子電阻，RS表示定子電阻，ir表示轉(zhuǎn)子電流空間矢量，L表示主電感，ω表示電角速度，Lσ表示漏電感。

三、 軟啟動(dòng)系統(tǒng)

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

煤礦大功率防爆異步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)系統(tǒng)以數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）為核心，包括電源、變壓器、接觸器、橋式電路、電流采集單元、速度采集單元、檢測(cè)單元、指令輸入單元和顯示屏等，軟啟動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。DSP采集系統(tǒng)信息并進(jìn)行運(yùn)算處理，同時(shí)具有控制指令接收、發(fā)送和系統(tǒng)顯示信息傳輸?shù)墓δ堋蚴诫娐酚芯чl管單元組成，用于實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)過程電壓調(diào)節(jié)和控制。變壓器用于將電源電壓轉(zhuǎn)變成控制電路及傳感器所能接收的電壓，實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換。顯示屏根據(jù)DSP的輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)啟動(dòng)系統(tǒng)的電壓、電流、速度、參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)等信息的實(shí)時(shí)顯示。電路采用單元、速度采樣單元和檢測(cè)電路用于采集系統(tǒng)的狀態(tài)信息，為短路、過載和漏電等基本保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)提供原始數(shù)據(jù)。工作時(shí)，DSP接收外界指令信號(hào)后，根據(jù)已經(jīng)設(shè)置的參數(shù)，控制三相可控硅的導(dǎo)通角調(diào)節(jié)啟動(dòng)電壓，使煤礦大功率防爆異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)平滑啟動(dòng)。啟動(dòng)完成后，旁路接觸器吸合，可控硅橋式電路停止工作。

3.2 軟件程序設(shè)計(jì)

硬件電路是軟啟動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)功能基礎(chǔ)，而具體功能是通過DSP的軟件算法實(shí)現(xiàn)的。CCS 3.3是DSP具有專門的軟件編輯、調(diào)試和燒錄的編譯的集成環(huán)境，為軟件開發(fā)提供配置、建立、調(diào)試和跟蹤分析的工具，提高了軟件開發(fā)速度，大大縮短軟啟動(dòng)系統(tǒng)軟件程序的開發(fā)周期。、系統(tǒng)啟動(dòng)后首先進(jìn)入主程序并進(jìn)行初始化操作，然后系統(tǒng)等待外界指令輸入，接收到指令后執(zhí)行指令操作，軟啟動(dòng)系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。

四、結(jié)束語

針對(duì)煤礦大功率防爆異步電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)電流大、能耗高的問題，選用信號(hào)處理速度快、功能強(qiáng)大的DSP為核心芯片，對(duì)整個(gè)運(yùn)行過程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)過程電壓和轉(zhuǎn)矩的調(diào)節(jié)。軟啟動(dòng)技術(shù)在煤礦井下的運(yùn)用，減小了大功率設(shè)備啟動(dòng)過程對(duì)煤礦供電系統(tǒng)和用電設(shè)備的沖擊，改善電網(wǎng)質(zhì)量，保證井下安全生產(chǎn)工作的順利開展。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]國家能源局.關(guān)于規(guī)范煤制油、煤制天然氣產(chǎn)業(yè)科學(xué)有序發(fā)展的通知.〔2014〕339號(hào).

[2]盧杰， 機(jī)械自動(dòng)化在煤礦中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2014，（3）106-108.

[3]張宏嶺，王大志.一種變頻調(diào)速系統(tǒng)的SVPWM控制設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2009（10）：45～47.

[4] 張強(qiáng)，任一峰，林都等.空間矢量脈寬調(diào)制算法（SVPWM）的原理及其仿真研究[J].電氣技術(shù)，2010（6）：35～38.

[5]董紀(jì)淸，陳為，盧增藝.開關(guān)電源高頻變壓器電容效應(yīng)建模與分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009.12（2）：169-172.