基于DSP的異步電動機離散變頻軟起動系統*

許昕琪，郭　歌

（1.西安科技大學電氣與控制工程學院，西安710054；2.陜西安康水力發電廠，陜西安康725000）

基于DSP的異步電動機離散變頻軟起動系統*

許昕琪1*，郭歌2

（1.西安科技大學電氣與控制工程學院，西安710054；2.陜西安康水力發電廠，陜西安康725000）

針對電機的輸出電磁轉矩跟供電電源頻率成反比，在不改變傳統軟起動系統主電路結構的基礎上，通過有選擇地控制晶閘管的導通和關斷，使得一些工頻半波導通或是不導通，對加在電機定子端的電壓實現離散變頻，使得基波頻率發生變化，通過降低電壓頻率使得輸出起動轉矩增大。利用DSP高速數據處理能力，設計制作了離散變頻軟起動控制系統的實驗裝置，通過仿真試驗和實驗數據結果，驗證了離散變頻軟起動在重載起動情況下的可行性和實用性。

重載軟起動；離散變頻；晶閘管；異步電動機；DSP

異步電動機全壓起動產生過大的瞬間起動電流，可能導致電網電壓降低或是導致電機無法正常起動，甚至是燒毀電機［1］。

離散頻率控制方法（即分級變頻），即是利用軟起動器原有的主回路結構，通過選擇性的觸發控制工頻電源的半波通過或截止來實現離散變頻［2］。離散變頻起動實現類似于變頻器的起動效果，這樣既有效的降低了電機的起動電流，又能提供較高的起動轉矩，適用于重載起動［1］。

1　離散變頻的原理分析

1.1離散變頻的基本原理

離散變頻就是通過調節三相反并聯晶閘管的導通和關斷，選擇性的控制工頻半波的導通和截止，因為基波頻率只能是工頻的整數分之一，所以稱此種方式為離散變頻［3］。

供電電源的頻率為50 Hz，對此頻率進行1/n分頻，n為整數，所以經過分頻后，可以成為2分頻，3分頻，4分頻……等等，其分頻子頻率分別對應工頻50 Hz的1/n。工頻供電電源經過2分頻、3分頻、4分頻后得到的子頻率波形圖如圖1所示（陰影部分表示在該工頻半波控制晶閘管開通，黑色曲線為分頻子頻率的基波波形）。由分頻原理可知：經過選擇性的控制工頻供電電源的半周波的導通或關斷，使得子頻率基波頻率發生改變，可是它的諧波頻率是原三相工頻供電電源的頻率。

項目來源：基于多粒度知識發現的人群復雜行為模式分析即預測模型研究項目（61402360）

收稿日期：2015-07-21修改日期：2015-08-15

1.2離散變頻的相位分析

對于同一波形，由于選擇的半波不同，離散變頻后得到的新波形的基波相位也有可能不同［4］。根據正弦信號的特點，每個工頻周期由兩個半波組成，有2個零點，那么r分頻后新頻率下波形的零相位點數ns=2r。

同理，可以得到其它頻率下的不同分頻波形和基波初相位，并可以計算出每一分頻下所對應的基波個數，這些波形互差相等的θr，θr是通過在原始工頻信號相鄰的兩個零點之間平移得到的。

圖1　各分頻電壓波形圖

設原工頻信號的初始相位角為0o，則新頻率下波形的相位角φr為：

這樣對原本對稱的三相電壓，經過每相離散變頻后，得到新頻率下的三相組合由于初始角組合的不同就有可能不對稱，還有可能相序發生了變化［1］。

表1給出了2分頻的組合情況，這里將A相的初始相位角固定在0°進行分析，可以看到2分頻時沒有正序對稱的組合。表2給出了3分頻的組合情況。

表1　r=2時B、C相的初始相位（θA=0°）

表2　r=3時B、C相的初始相位（θA=0°）

1.3對稱相序的分析

三相感應電動機的轉速及其旋轉方向取決于它的電磁轉矩大小和方向。三相工頻供電電源的相序是正序對稱的，電機的電磁轉矩為正向，對應電機正轉。所以，為了提高電機的起動轉矩，首先要先確定哪些分頻頻率有正序對稱的相位角組合，哪些分頻頻率沒有對稱的相位角組合，對于沒有正序對稱的組合，則要找出其正序分量最大且負序分量小的組合。下面對分頻次數與基波相序的關系進行分析［4］。

假設三相交流供電電源是對稱的，供電頻率f0= 50 Hz，角頻率為w0，周期為T0，A、B、C三相供電電源的電壓分別為ua、ub、uc，則

A相初始相位角為0度，B相和C相在整個時域內的相位角分別為：

其中，k為整數。

設變頻后新頻率wr（rwr=w0）下B相電壓的相位角為αB，αB是式（4）過零點中的一個角度，所以當wrt=αB時必有［4］：

B相電壓的相位角：

若要產生的分頻頻率的相序與供電電源相序相同，即正序對稱，則

可解得：

分頻數為4，7，10，13…時，可以獲得正序對稱的分頻頻率。

同時，要產生的分頻頻率的相序是負序對稱的，可求得：

分頻數為2，5，8，11…時，可以獲得負序對稱的分頻頻率［5］。

對于其它分頻數，如3， 6， 9， 12…，則找不到對稱的相位角組合。

1.4最佳分頻組合及頻率等級的選取

離散變換后的三相相位角有正序對稱、負序對稱、不對稱的情況。為了獲得最大的正向電磁轉矩，找到最優的分頻頻率相位角組合。這里我們采用了對稱分量法將不對稱的相序分解為正序對稱分量，負序對稱分量，和零序分量。例如對2分頻的各種組合進行對稱分量法進行分析，求得25 Hz下的最佳分頻方式，即，（0°，-60°，-210°），（0°，-150°，-210°）和（0°，-150°，-300°）使得正序分量最大［6］。

由前面的分析可知，從50 Hz工頻電源向下離散分頻，所以應該盡可能的選擇正序對稱的分頻頻率，而對于不對稱的分頻頻率來說，應該本著提高起動轉矩和起動平滑性的原則來獲得可以產生最大正序分量的相位角組合［2］。當分頻頻率較高時，各個分頻頻率間的跨度比較大，如果直接切換，會產生較大的轉矩振蕩，例如從4分頻直接切換到工頻，就是相當于直接從12.5 Hz跨越到了50 Hz，這樣就會產生轉矩突跳，嚴重時甚至可以導致起動失敗，損壞電機。所以離散分頻頻率中的3分頻和2分頻還要保留，這樣才能保證起動的平滑性。

1.5頻率切換和轉速檢測

在離散變頻軟起動系統中，關鍵是要進行各頻段的切換，而頻段切換是根據電機轉子轉速作為判斷依據的。因此，電機起動時要實時地檢測電機轉速，過早或過晚的切換都會造成電機運轉的不穩定［7］。

離散變頻軟起動具體過程為：電機從最低離散頻段開始起動，當達到該頻段頻率額定轉速的90%時，切換到下一個離散頻段，隨后，當電機達到該頻段頻率額定轉速的90%時再切換到下一頻段，按這種方式使電機逐漸從低頻段切換到高頻段，然后轉換到工頻段。異步電動機在正常運行時突然失去電源電壓后，轉子電流在定子繞組中產生感應電壓。該感應電壓不會立即減小到零，而是保持一段時間，此電壓稱為失電殘余電壓，簡稱殘壓［7］。由于殘壓中包含了轉速的信息，因此可利用殘壓來獲得電機轉速。

經分析，殘壓表達式為［8］：

uB、uC依次滯后uA120o。

式中：φ=arctan（-Trwr）。即其相位角設為 φ0= wrt+θ0+λ+φ。

由殘壓解析式（9）可知，殘壓幅值是由轉子轉速和轉子電流共同決定；殘壓頻率由轉子轉速決定。

針對恒轉矩負載，其在斷電后的轉子轉速按wr=wr0+kt線性下降的，將wr=wr0+kt代入到相位角的φ0的表達式中可得：

并讓φ0的表達式對時間t求導可得：

由于φ=arctan（-Trwr）求導后對整體導數的結果影響不大，故將此部分忽略。

也可以表示為

式中：B=2k、A=wr0由此可得，相位角的導數φ0′是隨時間線性變化的，且其線性變化律B=2k（k為轉子轉速的線性變化率），因此，若可求得A、B，就可得知wr=wr0+kt的具體表達式，進而可適時的估算轉子轉速。

在電動機的定子端采同步采樣其三相失電殘壓，將等間隔采樣來的n組數據經Clark變換，即

（uα、uβ分別為定子靜止坐標系的橫軸、縱軸分量），則P=。

uα、uβ合成的空間矢量的相位角為φ=arctan，將所求得的φ作為目標函數，然后對這組數據運用最小二乘法進行線性擬合，可求得系數A和B的估計值［9］。

2　系統的總體結構

電動機離散變頻軟起動控制系統的結構框圖如圖2所示，附以外圍檢測電路、脈沖觸發電路等完成電動機的離散變頻軟起動控制［10］。

圖2　系統的結構框圖

下面分別具體介紹關鍵部分的設計：

（1）續流角檢測晶閘管的電流過零點與同步信號過零點間的時間差計算出電機的續流角，可作為調整觸發角的依據。

（2）電壓檢測將三相電源電壓經變換調整后送入DSP，用于故障檢測、過壓及欠壓保護、電壓顯示等。

（3）電流檢測利用霍爾電流傳感器檢測電機的三相電流，通過調整使得輸出信號滿足A/D轉換要求，將電流信息送入處理器中，完成限流軟起動控制，同時作為過流、過載保護、電流顯示等的依據。

（4）轉速檢測離散變頻軟起動系統中，關鍵是根據電機的轉速進行各頻段的切換，這就要求在電機起動時對轉速進行實時地檢測，過早或是過晚的切換都會造成電機運轉的不穩定［7，9］。

（5）同步電壓檢測及相序判斷觸發晶閘管，必須要有一個時間基準，同步電壓檢測電路就是為觸發信號提供時間基準的，是通過把三相供電電源信號轉變為低電壓的方波信號，直接輸入給DSP，保證了調壓電路的正常運行。相序判斷是對電壓的相序進行判斷，確定電壓是否是正序或者是負序，或者是相序故障［12］。

3　仿真、實驗驗證

3.1仿真驗證

設針對恒轉矩負載，其在斷電后的轉子轉速按wr=wr0+kt（假設斷電時刻t1=0，wr0=73，k=24）線性下降。將離散化后的三相殘壓經過Clark變換后，經過計算可以估算出轉子轉速的線性下降方程即wr=wr0+t，如圖3所示。

圖3　仿真計算的轉子轉速與假設轉子轉速的曲線對比

由圖3中曲線（實線為估算的轉子轉速曲線，虛線為假設的轉子轉速曲線）可知，由殘壓Clark變換后估算的轉子轉速與假設的轉子轉速的變化曲線基本一致，只有很細微的誤差。由此可得，針對恒轉矩負載運用失電殘壓來間接的估算轉子轉速是可行的且準確性好。

3.2實驗驗證

實驗電機為380 V，1.5 kW，額定轉速為1 390 rot/min的三相異步電動機。其控制芯片為dsPIC30F6014具體實物圖如圖4所示。

圖4　離散變頻軟起動器實驗裝置

離散變頻起動時，從13分頻開始，依次通過7分頻，4分頻，3分頻，2分頻，再到工頻運行。圖5為離散變頻運行過程的B相電流和K2和K5的觸發信號波形圖。

圖5　離散變頻運行過程的B相電流和K2和K5的觸發信號波形圖

從圖5中可得，3為B相電路中的K2晶閘管的觸發信號，1為B相電路中的K5晶閘管的觸發信號，4為B相電流信號，K2和K5的觸發信號都能夠準確的觸發對應的晶閘管按時導通，并且使得B相電流減小，起到了軟起動的作用，確保了離散變頻的可靠實現。

4　結束語

本文分析了離散變頻調壓、調頻的基本原理，確定了分頻下的最優相位角組合，并利用失電殘壓的測速方法，完成對轉子轉速的檢測，選用DSP的高速數據處理能力及其外圍硬件資源，采用dsPIC30F6014芯片，設計制作了離散變頻軟起動器實驗裝置。

通過實驗驗證，離散變頻控制是可實現的，能夠實現起動電流低、起動轉矩高的目標，拓寬了傳統電子軟起動器的應用范圍，具有廣闊的應用前景。

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許昕琪（1989-），女，漢族，江蘇無錫人，助理工程師，碩士學位，現工作于西安科技大學，研究方向為微電子、電力電子方向，xuxq0208@163.com；

郭歌（1988-），男，漢族，陜西周至人，助理工程師，碩士學位，現工作于陜西安康水力發電廠，研究方向為電力電子與電力傳動，guoge0036@163.com。

The Soft Starting System of Asynchronous Motor Based on DSP*

XU Xinqi1*，GUO Ge2
（1.College of Electrical and Control Engineering，Xi'an University of Science and Technology，Xi'an 710054，China；2.Shaanxi Ankang Hydropower station，Ankang Shaanxi 725000，China）

The output torque of the motor is inversely proportional to the power supply frequency，without changing the traditional soft start system on the main circuit structure，transistors can be selectively controlled to be turned on and off，thus some half-wave frequency is guided or not.The voltage applied to the motor stator is discrete，so that the frequency of the fundamental wave changes and the starting torque is increased by reducing the voltage frequency. Using the DSP high-speed data processing capability，the experimental device of the discrete variable frequency soft start control system is designed.The feasibility and practicability of the discrete variable frequency soft starting in the heavy load starting is verified by the experimental results of the simulation experiment and experimental device.

Heavy-load start；Discrete frequency-control；Thyristor；Asynchronous motor；DSP

TM921.2

A

1005-9490（2016）03-0714-05

EEACC：8310E10.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.041