陈密，高强，徐殿国
(哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨150001)
摘要：常规的晶闸管斜坡调压软启动方式和晶闸管触发系统对10kV 系统下的异步电机难以获得良好的启动效果。为此提出了基于续流角增量的定子电压补偿方法和模糊恒流启动控制方式，基本消除了大功率电机启动过程中的电流过大和电流振荡。晶闸管采用高频电流源触发，解决高压侧和低压侧隔离触发的问题。基于以上方法的新型软启动器在10kV 对旋风机上获得了不错的应用效果。 关键词：对旋风机；软启动；模糊恒流启动；电流源触发中图分类号:TM34 文献标识码:A
Soft Οstarting of 10kV Counter Οrotating F an and
T riggering Methods R esearch
CH EN Mi ,GAO Qiang ,XU Dian Οguo
(Department of Electrical Engineering ,Harbin Institute of T echnology ,
Harbin 150001,Heilongjiang ,China )
Abstract :The regular soft Οstarting method of thyristor voltage controller is hard to gain excellent result in inductor motor which is working in 10kV system.The stator voltage compensation based on increment of dis 2placement angle and constant current f uzzy starting control rules were provided.The over Οcurrent and oscilla 2tion of current during soft Οstarting of three Οphase high Οpower induction motor were eliminated.The high f re 2quency current source was used to trigger thyristors ,so that isolation triggering between high Οvoltage and low Οvoltage was solved.The novel soft Οstarter achieves satisfactory application in 10kV counter Οrotating fan.
K ey w ords :counter Οrotating fan ;soft Οstarting ;constant current fuzzy starting control ;current source trig 2gering
作者简介：陈密(1984-)，男，硕士研究生,Email :chenmi1984121@sina
1 引言
通风机堪称煤矿的“肺脏”，在两级的轴流风机中，对旋风机具有结构紧凑，效率高，反风性能好等优
点，在煤矿通风机中得到了大量的应用。这种风机是一拖二系统，抽风时需要先启动送风机，等送风机达到额定转速后，启动引风机，反风时过程相反[1]。实验中的对旋风机由2台异步电机(容量为710kW ，额定电压10kV ，额定电流52A ，额定转速720r/min )拖动。该套对旋风机直启的启动时间为7s ，启动电流最大为380A ，持续时间1s ，然后电流
降到300A ，持续6s 后达到额定转速。直启过程中电网有明显的压降，需配置软启动。常用的高压异步电机软启动常用方法有以下几种。单晶硅生产工艺
1)液阻启动法[2]。液阻软启动的缺点为液阻
箱容积大，软启动的重复性差。液阻软启动需要维护，不适合置放在易结水或颠簸的现场。
2)磁控软启动。磁控软启动在启动开始时限流作用较强，在软启动过程中限流作用逐渐减弱，磁控式软启动器还存在着体积大、耗电量大、故障率较高和维修费用较高的问题，不适于频繁启动。随着金属原材料的价格越来越高，其成本也会随之增大。
3)变频器启动。启动电流小，启动转矩大，但高压变频器成本居高不下，高次谐波严重。
4)晶闸管调压软启动。可以通过限流启动控制启动过程中的电流倍数，对环境要求不高，可以频繁启动。高压系统中可以利用多只晶闸管串联
EL ECTRIC DRIV E 2010 Vol.40 No.4电气传动 2010年 第40卷 第4期
获得高的耐压，而晶闸管的电流容量可以达到数千安培，耐流能力强。所以晶闸管软启动用于高压异步电机的技术难点在于晶闸管的串联触发一致性和触发的隔离强度上。本文初步解决了这个问题。同时对恒流启动和消除异步电机启动过程中的电流振荡也做出了努力。
2 晶闸管阀组结构及其触发系统
本系统每相晶闸管阀组采用12对反并联晶闸管串联提高耐压，每对晶闸管并联10k Ω均压电阻,RC 吸收回路。每相阀组配置一套输出交直流可变的电流源系统。触发信号从DSP 输出经过光纤传输到电流源的控制端口。DSP 输出低电平时电流源工作在直流输出模式，磁环副边无感应电流,。DSP 输出高电平时电流源工作在交流模式，母线上输出的交变电流经过磁环变压器感应到副边触发晶闸管，实时性和一致性以及触发系统和高压侧的隔离强度都能得到保证。实测磁环副边的驱动电流峰值能达到1A ，平均值为300mA ，达到强触发所需的电流大小。
图1是晶闸管阀组结构框图，电流源母线穿过磁环变压器，副边经过简单半波整流后接到晶闸管的门极，触发脉冲的一致性能得到保证
新型碾米机环保型
。
图1 晶闸管阀组结构框图
Fig.1 The structure of t hyristor valve
压力检测装置
由于三相交流晶闸管调压的触发脉冲顺序如图2所示为A B ,CA ,B C ,A B ,CA ,B C ,A B ，即每相晶闸管的触发脉冲的最短间隔为60个电角度
。
图2 三相交流晶闸管调压触发顺序
ppzhus
Fig.2 The triggering sequence of three Οphase thyristor valve
由触发顺序可知，如果A ,B ,C 三相阀组各
用一套电流源触发，那么只要可控电流源母线上的电流交/直流模式的转换频率达到300Hz ，那么在晶闸管的触发角度到来的时刻控制电流源的电流输出模式就可以控制晶闸管开通。图3是电流源工作在300Hz 转换频率的实验波形
。
图3 可控电流源工作在300Hz 频率时波形
Fig.3 The controllable current source working at 300Hz
图3中,X 轴:5ms/格;Y 轴:C H1,2A/格,CH2,5V/格,C H3,1V/格。C H1为电流源母线
上的电流。C H2为触发指令，高电平为触发，触
发时间持续1.67ms ，在这个时间内输出脉冲串，控制触发高电平相对于电压过零点的位置就可以控制晶闸管的触发角。CH3为磁环副边的电流波形，直流模式时磁环副边没有输出电流，交流模式时副边输出的电流波形经过简单的整流就可以满足晶闸管的触发要求。晶闸管的触发波形要求前沿陡直而且需要大的电流尖峰，由波形中看出均可满足。各路脉冲上升时间小于500ns ，上升沿一致性的差别小于100ns 。由于直流电流已经建立，在向交流模式切换的时候触发电流脉冲不需要建立时间，高电平控制信号到来的同时电流源的输出电流就变为交流，感应到磁环副边触发
电气传动 2010年 第40卷 第4期陈密，等:10kV 对旋风机软启动及触发技术研究
晶闸管。图4是比较3路触发信号的电流波形一
致性，所取信号来自于晶闸管门极前的10Ω限流电阻上的电压
。
图4 3只分立的晶闸管门极驱动电流波形
Fig.4 The waveforms of gate driving from
t hree different t hyristors
传统的高压异步电机软启动触发方式使用各
利路防水接头路隔离电源给每对反并联SCR 的脉冲变压器供电。改进后晶闸管的触发方式具有以下优点:
1)磁环副边的触发电路变得简单很多，一只磁环可以带多个副边，能有效减小阀组体积;
2)以前的触发同时性要靠三极管的同时开通性能，现在磁环副边直接整流后接到晶闸管门极，能保证强触发一致性，可靠性高;pm2.5治理
3)能保证高的隔离强度，隔离强度在10kV 以上的脉冲变压器工艺上难以达到，而10kV 以上隔离强度的副边导线容易得到;
4)脉冲变压器存在饱和的问题，不能发出长脉冲串。电流源则没有限制，可以输出长脉冲串用以触发
晶闸管。
3 基于模糊控制的恒流软启动
高压大功率电机转子等效电阻小，转子惯性大，通常的斜坡电压控制如果不对电流加以限制，电流很容易上升到电机的4～5倍额定电流以上，电机发热严重，不利于电机运行。
基于PID 控制的恒流算法需要数个积分周期，响应较慢，难以满足以20ms 为周期的电流调整。基于模糊控制的恒流启动，可以控制电机启动电流在额定电流3倍以内[3]。
以电机额定电流的3倍为限流值h ，限流值的97%～103%为恒流区域，电流在这个范围内时触
发角保持不变，电流小于限流值97%时，触发角减小，电流大于限流值的103%时，触发角增大。触发角减小增大的幅度由模糊控制表中查询得知。
模糊控制表如表1所示,Δ
α为触发角的增量,
ΔI 为定子电流的增量,ΔI c 为定子电流增量的变化率。触发角的增量由表1中查得。
表1 触发角的模糊控制表
Tab.1 The fuzzy control table of triggering angle
ΔI c ΔI
-2%×h -1%×h 0
1%×h 2%×h Δα
≤-4%×h
-2-2-1-10-3%×h -2-1-1-10-2%×h -1-1-101-1%×h
-1-1-1010-1-10111%×h -1-10112%×h -101123%×h
00112≥4%×h
1
1
2
2
定子电流的增量分为5个区域，定子电流增量的变化率分为9个区域。为限制电流变化幅度，触发角的增量区间为[-2,2]。 利用电网电压和流过阀组电流经过信号调理电路整理出相电压相电流的过零点，测得续流角φ，为保持加在电机定子端的电压相对稳定，如果续流角有剧烈的变化，相应调整触发角[4,5]，按照以下公式计算触发角增量:Δα=Δφ-sin (2φ+2Δφ)/2+sin (2α+2Δα)/2
式中，续流角增量Δφ和当前的触发角α、当前的
续流角φ都已知，在程序中可用迭代逐次逼近解出此超越方程，不难得到触发角的增量。由于续流角的剧烈变化都发生在额定转速附近，此时电机电流比额定电流小或者接近额定电流，因此启动电流在电机额定电流2倍以上时，不用考虑用续流角增量补偿电机定子端电压。实验中采取的是在启动末期电流小于1.5倍额定电流时进行补偿。为了使各相电流均不发生振荡，每相的续流角和续流角增量都需要单独测量并计算，补偿触发角使用对应相的测量值。
4 10kV 对旋风机软启动试验结果
图5是加入模糊恒流算法和触发角补偿算法后的电机启动电流波形。图5中，正向送风时，先启动2号
送风机(710kW ,52A )，由于风机叶片的惯性很大，启动时间较长,3倍限流启动时间达到了30s 。所测得的电流均来自变比为250∶5
陈密，等:10kV 对旋风机软启动及触发技术研究电气传动 2010年 第40卷 第4期
的电流互感器副边的电流。 图6是对旋风机引风机启动电流波形。
当送
图5 对旋风机送风机启动电流
Fig.5 The starting current of forced draft
fan in counter Οrotating
fan
图6 对旋风机引风机启动电流
Fig.6 The starting current of induced
fan in counter Οrotating fan
风机达到额定转速并网运行后，等待约1min ，由
于对旋风机系统中2台风机距离较近，气流能带动1号引风机达到一定的转速，因此1号引风机启动时间大为缩短,3倍限流启动时间为10s 。 由于该次启动时开了8个风门，相当于轻载启动，电机运行时的电流小于额定电流值，实测约为30A 。如果启动时负载加重，启动时间会进一步加长，实测重载启动时送风机启动时间约为40s ，引风机为15s 。整个启动过程波形平滑，基本消除了电流振荡，启动过程中电网电压无明显波动，启动效果良好。
5 结论
1)晶闸管调压式的高压异步电机软启动的关
键技术之一是多路隔离触发晶闸管，采用交直流可变的电流源作为触发脉冲源，能保证实时性和高的隔离强度。触发系统简单易行，减小了晶闸管阀组及其触发系统的体积。DSP 发出的触发信号和电流源之间的连接采用光纤，在现场环境中可以屏蔽绝大部分干扰。
2)采用恒流模糊控制及定子电压补偿算法，对晶闸管的触发角进行控制，基本消除了轻载启动过程中的电流振荡和转矩振荡。
3)在电流限定倍数固定的情况下，电机的软启动时间越短越好。对旋风机系统中的2台风机启动过程存在关联，负载情况和一拖二启动2台单独运行的异步电机存在差异，调整触发策略让后启动的电机获得较大的初始启动电流，让风机快速拖动到额定转速，减小启动时间。
参考文献
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术,2006,4(2):9-11.
[2] 李敬兆，孙鸣，胡瑞仲.液体电阻用于矿井风机起动的特性
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[3] 吕广强，俞红祥，王琦.基于最小电流模糊控制的电机软起
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[4] 孙津济，房建成，王建民.异步电动机软起动过程中的振荡
[J ].电工技术学报,2007,22(2):15-22.
[5] 王毅，赵凯岐，徐殿国.电机软起动控制系统中功率因数角
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收稿日期:2009204220修改稿日期:2009210228
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