異步電動機分級變頻軟啟動仿真研究

嚴垚，王宏華

(河海大學能源與電氣學院，江蘇南京211100)

0 引言

眾所周知，為了改善異步電動機的啟動性能，采用晶閘管移相觸發降壓的軟啟動技術得到了廣泛應用，其具有電壓可連續調節、電流連續等優點，但存在降低啟動轉矩的局限，常限定于輕載啟動的應用場合。對于需重載或滿載啟動的設備，如球磨機、粉碎機、礦井起重機、拉絲機、皮帶傳輸機等，采用常規軟啟動器啟動一般難以達到減小啟動電流、順利啟動的目的，采用變頻軟啟動技術是適應重載啟動需要的較佳選擇。雖然變壓變頻調速器可實現異步電動機理想的平滑軟啟動，但成本較高。美國田納西州科技大學Antonio Ginart博士于1997年提出的分級變頻控制方法，為適應重載啟動需要的軟啟動器開發提供了新思路。本文在分析異步電機分級變頻軟啟動原理的基礎上，基于Matlab/Simulink建立了異步電動機分級變頻軟啟動控制系統仿真模型，該軟啟動器采用7，5，4，2分級變頻，切換為工頻時采用單神經元PID算法實現限流，仿真結果驗證了所設計的分級變頻軟啟動器有效降低啟動電流，提高啟動轉矩，在異步電動機重載啟動應用場合具有良好應用前景。

1 分級變頻軟啟動的原理

分級變頻軟啟動器的主電路與常規晶閘管相控調壓軟啟動器基本一致，在啟動過程中，通過改變晶閘管觸發角控制策略，使電機定子相電壓頻率隨著相電壓幅值增大而增加，從較小的某一初值分步離散地增加至工頻。分級變頻技術采用將N個工頻周期組合為一個周期交流電，選擇在其正負半周期分別只讓工頻電壓的正負半波導通，實現N分頻。由于新頻率是對交流電源分頻而得，是工頻電源的一系列子頻率，其不可能實現連續的變頻軟啟動，故也稱之為離散變頻軟啟動。

已有文獻研究表明，N=3m+1(m為自然數)，即N為4，7，10……時，可以得到正序三相對稱電壓;當N=3m－1，即N為 2，5，8，11……時，可以得到負序的三相電壓;當N為其他數時只能得到不平衡的三相電壓組合。對于正序電壓組合的子頻率系統可直接采用;對負序電壓組合的子頻率系統可通過改造電路結構，調換 B、C相從而得到正序電壓組合;對于不平衡電壓組合的子頻率系統不予采用。實際應用中，對負序電壓組合的子頻率系統改造電路結構有如下兩種方案。

方案一：分級變頻調壓軟啟動器的電路結構與傳統的軟啟動器結構相比增加了兩組接觸器(其仿真模型如圖1所示，圖1中的一組接觸器仿真模型如圖2所示)，與具備電機制動與反轉控制功能的調壓軟啟動器主電路結構相同，并通過軟件控制實現切換開關達到輸出正序電壓。

圖1 增加了兩組接觸器的仿真模型

圖2 一組接觸器的仿真模型

方案二：在傳統軟啟動器結構上增加兩組晶閘管Pe，Pd(圖3)，其主要功能是在負序子頻率系統工作情況下調換B、C相電壓，從而實現定子電壓為正序的目的。

圖3 增加兩組晶閘管的分級變頻調壓軟啟動器主電路圖

2 異步電機分級變頻軟啟動仿真模型

本文建立的異步電機分級變頻軟啟動器MATLAB仿真模型如圖4所示，主要由三相電源模塊、三相交流調壓模塊、觸發脈沖模塊、控制器模塊、晶閘管組模塊、電機模型模塊和測量顯示模塊等組成。

圖4 分級變頻調壓軟啟動器仿真模型

2.1 三相電源模塊

三相電源模塊采用SimPowerSystems庫中的交流電壓源模塊，參數設置電壓幅值均為380 V，頻率50 Hz，相位角則為 A相 0°，B相 －120°，C相 120°。電源中性點接地。三個電壓測量模塊Va，Vb，Vc分別檢測A，B，C相的相電壓，檢測結果送到控制器模塊作為電壓同步檢測信號。

2.2 三相交流調壓模塊

三相交流調壓模塊是構成軟啟動器主回路的核心，它由3組反并聯的晶閘管組成，仿真模型如圖5所示。

2.3 脈沖觸發和觸發角控制模塊

圖5 晶閘管調壓電路的仿真模型

脈沖觸發和觸發角控制模塊如圖6所示，其包含四個子系統，分別為同步主脈沖發生模塊(圖7)、子頻率脈沖合成模塊(圖8)、各級頻率切換控制模塊(圖9)、觸發角控制模塊。

圖6 脈沖觸發和觸發角控制模塊

圖7 同步主脈沖發生模塊

圖8 子頻率脈沖合成模塊

圖9 各級頻率切換控制模塊

2.4 工頻時的控制模塊

控制模塊主要由S－Function模塊完成，本文利用編程語言在S－Function中編寫相關控制算法。將測量到的電動機相電流經過有效值計算模塊轉換為當前電流有效值，再根據電流限定值(有效值)，得到當前誤差送入SFunction模塊;經基于單神經元PID控制算法后，得到控制量(導通角)，經過處理 (轉換為觸發角)后，送入同步脈沖觸發模塊，從而達到限制啟動電流，實現異步電動機軟啟動的目的。由于異步電動機的啟動過程復雜，加上異步電動機和晶閘管調壓裝置具有時變性和較強的非線性，故本文選用單神經元PID控制作為異步電動機軟啟動器工頻時限流控制的算法。

3 仿真結果

在matlab/simulink仿真環境中，通過對異步電動機進行直接啟動控制、限流控制、和分級變頻控制進行仿真。分別得到轉矩和轉速的波形圖(圖10－圖18)。

電動機參數其他參數設置如下：極對數為2，額定頻率f=50 Hz，Rs=1.9 Ω ，Lls=10 mH，Rr=1.6 Ω ，Llr=16.56 mH，Lms=0.135 7 mH，J=0.202 kg·m2額定功率3 kW。

圖10 電動機直接啟動電磁轉矩

圖11 電動機直接啟動轉速

圖12 電動機直接啟動電流

圖13 限流啟動電磁轉矩

圖14 限流啟動電機轉速

圖15 限流啟動電動機電流

圖16 分級變頻軟啟動電磁轉矩

圖17 分級變頻軟啟動電動機轉速

圖18 分級變頻軟啟動電動機電流

通過對仿真結果的分析可以得到結論：限流軟啟動是采用電流的閉環控制，雖然能夠很好地限制電動機的啟動電流，但是啟動時間較長，啟動轉矩不高;分級變頻啟動能夠限制電動機的啟動電流，啟動轉矩大，是一種有效的高轉矩啟動方法，適用于大負載的電動機啟動。

4 結論

采用分級變頻軟啟動方法，在保持常規晶閘管調壓軟啟動器基本結構不變的情況下，利用晶閘管通斷實現變壓變頻，可克服常規軟啟動方法啟動轉矩不足的局限。本文研究了分級變頻軟啟動器控制策略，該軟啟動器采用7，5，4，2分級變頻，切換為工頻時采用單神經元PID算法實現限流，基于Matlab/Simulink建立了異步電動機分級變頻軟啟動控制系統仿真模型，仿真結果表明所設計的分級變頻軟啟動器不僅可有效降低啟動電流、提高啟動轉矩，且具有成本低的優點，適用于異步電動機重載啟動應用場合。

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