一種有效的異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)方法及應(yīng)用

童 軍，劉 斌，喬 江，曹浩翔，王俠輝

(1.西安科技大學(xué)，西安 710054；2.日立永濟(jì)電氣設(shè)備(西安)有限公司，西安 710016)

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一種有效的異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)方法及應(yīng)用

童 軍1，劉 斌1，喬 江2，曹浩翔1，王俠輝1

(1.西安科技大學(xué)，西安 710054；2.日立永濟(jì)電氣設(shè)備(西安)有限公司，西安 710016)

為了提高異步電機(jī)軟起動(dòng)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和降低起動(dòng)電流，提出了從二分頻到工頻起動(dòng)的軟起動(dòng)方法。在此理論基礎(chǔ)下，利用MATLAB的Simulink仿真功能，搭建了異步電機(jī)分級(jí)變頻控制的軟起動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該控制方法在降低電機(jī)的起動(dòng)電流的同時(shí)，還可以提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的可行性，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可靠性。

分級(jí)變頻；二分頻；軟起動(dòng)；MATLAB

0 引 言

眾所周知，晶閘管移相觸發(fā)可以降低起動(dòng)電壓，改善異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)性能，使其具有電壓連續(xù)可調(diào)節(jié)、電流連續(xù)等優(yōu)點(diǎn),但起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也被限制了，所以只能適用于輕載起動(dòng)的場(chǎng)合。對(duì)于需要重載或滿載起動(dòng)的設(shè)備，如球磨機(jī)、礦井起重機(jī)皮帶傳輸機(jī)等，不可以應(yīng)用此控制方法。在分級(jí)變頻原理基礎(chǔ)之上，本文提出一種簡單易行的軟起動(dòng)方法，該方法起動(dòng)電流小而且起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，對(duì)分級(jí)變頻軟起動(dòng)器簡化，電路簡單，對(duì)CPU性能要求較低，成本下降，易于被人們接受，也易于推廣[1]。

1 系統(tǒng)原理介紹

所謂的分級(jí)變頻就是通過控制晶閘管整個(gè)周期波的導(dǎo)通與關(guān)斷，使工頻輸入的某些半個(gè)周波的導(dǎo)通，某些半個(gè)周波的截止，也就是通過改變輸出電壓的周期來降低頻率。所以分頻與周期都是通過整數(shù)倍的關(guān)系變化，所以分級(jí)變頻軟起動(dòng)的起動(dòng)過程就是這些頻率段的切換過程，故分級(jí)變頻也稱離散變頻。然而多頻段的分級(jí)變頻軟起動(dòng)的狀態(tài)較多，所以會(huì)導(dǎo)致起動(dòng)過程比較復(fù)雜，尤其在頻段與頻段之間的切換，相位對(duì)接不上會(huì)使得轉(zhuǎn)矩的大幅度跌落。電機(jī)容易出現(xiàn)抖動(dòng)[2]。在電機(jī)起動(dòng)的時(shí)候，只要起動(dòng)電流不超過4IN，而且起動(dòng)轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩，分級(jí)變頻就可以使用較少的分級(jí)頻段起動(dòng)，如從二分頻(25 Hz)下起動(dòng)，如電壓按斜坡電壓法從某一值增加至二分頻下的工作電壓(UN/2)，就可實(shí)現(xiàn)二分頻下的斜坡電壓起動(dòng)。起動(dòng)過程如1圖所示：通過控制晶閘管導(dǎo)通角來實(shí)現(xiàn)工頻以下的斜坡電壓起動(dòng)直至全壓起動(dòng)[3]。

圖1 起動(dòng)電壓波形

2 二分頻原理分析

三相供電電源A相、B相、C相，頻率為50 Hz，角頻率為ω1，電壓幅值為U1。其電壓瞬時(shí)值可表示：

(1)

經(jīng)二分頻后得新頻率下的三相電壓基波瞬時(shí)值：

(2)

通過將工頻的2個(gè)周期波中選擇兩個(gè)正半波和兩個(gè)負(fù)半波為一個(gè)組合進(jìn)行導(dǎo)通，便可以獲得25Hz導(dǎo)通的電壓波形，即二分頻的電壓波形。如圖2所示，可以看出二分頻導(dǎo)通有4種不同的組合方式，這4種方法形成的25Hz的分頻波形、頻率和振幅相同，相位不同。

圖2 4種二分頻電壓波形相位

當(dāng)A相的工頻電壓的初相位為0°時(shí)，B相和C相工頻電壓的初相位分別為-120°和120°。因此，25Hz子頻率下就可以得到如下的新相位組合,如表1所示。

表1 25 Hz子頻率下新的相位組合

如果將三相相位隨意組合，就可以得到64種不同的三相電壓系統(tǒng)組合，而這些系統(tǒng)均不是三相對(duì)稱的。而這些不同的組合起動(dòng)得到的起動(dòng)性能也是不同的[4]。所以需要選擇一種最佳的組合方式得到最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，故需要對(duì)其進(jìn)行不對(duì)稱分析，通過對(duì)稱分量法對(duì)三相異步電機(jī)在不對(duì)稱電壓系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)進(jìn)行分析，即把不對(duì)稱的三相電壓分解為正序、負(fù)序和零序三相的對(duì)稱電壓系統(tǒng)，然后再分別考慮各分量對(duì)電機(jī)機(jī)械特性的影響，最終把這些影響疊加起來，選一個(gè)最優(yōu)的組合方式，構(gòu)成在三相不對(duì)稱電壓系統(tǒng)下電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況。

(3)

式中：α為120°復(fù)變量算子，即α=ej120°,α2=ej240°。

由此可以得到電機(jī)正序及負(fù)序下的τ型等效電路，如圖3所示。

圖3 電機(jī)正序及負(fù)序下的τ型等效電路

因此可得出電機(jī)在正序和負(fù)序模式下運(yùn)行的理論轉(zhuǎn)矩：

(5)

(6)

(7)

只有正向轉(zhuǎn)矩占主導(dǎo)作用的時(shí)候，電機(jī)才能順利地起動(dòng)，否則會(huì)有較大的沖擊電流。

由式(7)可知，只要電機(jī)端電壓中的正序分量最大，負(fù)序分量最小便可滿足電機(jī)的起動(dòng)要求。利用MATLAB軟件構(gòu)建對(duì)稱分量法的m函數(shù)，定量分析表中各種相位組合下的三相電壓系統(tǒng)。當(dāng)相位組合為(0°，210°，60°)，(0°，210°，150°)，(0°，300°，150°)時(shí)，正序分量最大，負(fù)序分量最小[5]。如圖4所示，選擇(0°，210°，60°)相位組合對(duì)其進(jìn)行正序、負(fù)序和零序相位進(jìn)行分析。

當(dāng)端電壓的相位組合為(0°，210°，60°)時(shí)，其正序，負(fù)序和零序電壓分別：

(8)

由上述關(guān)系可知，電機(jī)在不對(duì)稱情況下運(yùn)行的時(shí)候，正序電壓所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的方向一致，產(chǎn)生的正序電磁轉(zhuǎn)矩為驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，而負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)則恰恰相反，所以其為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。故電機(jī)的總轉(zhuǎn)矩：

(9)

所以由于負(fù)序電壓的存在，使得機(jī)械特性的轉(zhuǎn)矩曲線有所下降，所以負(fù)序電壓盡可能的小。而選擇(0°，210°，60°)的相位組合將會(huì)選擇最合適的正負(fù)序組合，有助于較好地提高電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

3 晶閘管觸發(fā)方案

晶閘管的觸發(fā)方案一般有雙窄脈沖觸發(fā)和寬脈沖觸發(fā)，雙窄脈沖觸發(fā)起到真正觸發(fā)的脈沖為第一個(gè)脈沖，因?yàn)榈谝粋€(gè)觸發(fā)脈沖在其反向的晶閘管過零前到達(dá)，不能保證第二個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)電流是否過零，如果沒有過零點(diǎn)就不能觸發(fā)晶閘管，導(dǎo)致觸發(fā)電路失控。而寬脈沖觸發(fā)對(duì)脈沖變壓器要求高，且體積大，所以本文考慮用脈沖序列觸發(fā)方案，如圖5所示。圖5的觸發(fā)序列為二分頻所對(duì)應(yīng)的同步脈沖觸發(fā)序列，可以保證不會(huì)出現(xiàn)雙窄脈沖和寬脈沖所考慮的問題，提高可靠性，又可以防止脈沖變壓器飽和。

圖5 晶閘管觸發(fā)脈沖序列

4 仿真分析

利用MATLAB的Simulink工具進(jìn)行仿真分析，圖6為仿真系統(tǒng)圖。仿真模塊主要包括三相交流調(diào)壓主電路、電機(jī)測(cè)量模塊、功率因數(shù)角檢測(cè)模塊、觸發(fā)脈沖發(fā)生模塊及拖動(dòng)系統(tǒng)。其中，異步電動(dòng)機(jī)的參數(shù)為PN=5.5kW，UN=380V，RS=1.55Ω，Rr=1.62Ω，LS=9.2mH，Lr=12.5mH，Lm=69.31mH，J=0.02kg·m2。電機(jī)的起動(dòng)為二分頻起動(dòng)方式，起動(dòng)過程仿真波形如圖7示[6]。

圖6 仿真系統(tǒng)圖

(a) 轉(zhuǎn)矩仿真波形

(b) 轉(zhuǎn)速仿真波形

(c) 電流仿真波形

斜坡電壓起動(dòng)的仿真結(jié)果如圖8所示。

(a) 轉(zhuǎn)矩仿真波形

(b) 轉(zhuǎn)速仿真波形

(c) 電流仿真波形

從圖7可以看出二分頻的起動(dòng)過程為在1s時(shí)二分頻切換為斜坡電壓起動(dòng)，在2.5s時(shí)切換為工頻工作。從圖7與圖8的比較可以看出，二分頻起動(dòng)的起動(dòng)電流明顯小于斜坡電壓起動(dòng)的起動(dòng)電流，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)大于斜坡電壓起動(dòng)方式的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，其最大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩(圖7(a))大概是斜坡起動(dòng)轉(zhuǎn)矩(圖8(a))的5倍多，適合于重載起動(dòng)的場(chǎng)合，且轉(zhuǎn)速的切換也比較平滑，控制方法簡單，同時(shí)也避免了分級(jí)變頻起動(dòng)頻率的切換帶來的繁瑣問題。

5 實(shí) 驗(yàn)

本系統(tǒng)采用的控制器為Microchip公司的主控制器芯片dsPIC6014A-301/PF，主電路是傳統(tǒng)的軟起動(dòng)器。控制電路主要包括：電壓同步及相序檢測(cè)模塊、電源電路模塊、驅(qū)動(dòng)電路模塊、電流檢測(cè)電路模塊、接觸器控制電路模塊、液晶顯示模塊。起動(dòng)系統(tǒng)的控制框圖如圖9所示。

圖9 分級(jí)變頻軟起動(dòng)器控制系統(tǒng)框圖

本文對(duì)一臺(tái)UN=380V，IN=10A，PN=5.5kW,nN=1 450r/min的三相感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行軟起動(dòng)實(shí)驗(yàn)。通過顯示屏與示波器來有選擇地進(jìn)行起動(dòng)，使其從二分頻到工頻完成起動(dòng)過程，并記錄下起動(dòng)過程，如圖10所示。

(a) 觸發(fā)脈沖序列波形

(b) 二分頻階段波形

(c) 斜坡階段波形

由圖10(a)可以看出,其為二分頻單相起動(dòng)的一系列脈沖觸發(fā)序列，而從圖10(b)、圖10(c)所代表的不同階段的起動(dòng)波形圖可以明顯地看出三相感應(yīng)電機(jī)從二分頻以選擇(0°，210°，60°)的相位角進(jìn)行起動(dòng)，然后通過斜坡電壓軟起動(dòng)的起動(dòng)方式進(jìn)行起動(dòng)，當(dāng)達(dá)到工頻通過旁路接觸器進(jìn)行切換，即認(rèn)為起動(dòng)過程結(jié)束。可以看出二分頻軟起動(dòng)控制方式的電機(jī)控制比較穩(wěn)定，起動(dòng)電流小于額定電流的3倍，其效果也十分明顯。

6 結(jié) 語

由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，使得人們?cè)絹碓街匾暯涣髡{(diào)速在交流電機(jī)上的應(yīng)用，尤其是先進(jìn)的控制策略的應(yīng)用，所以好的控制策略的至關(guān)重要。本設(shè)計(jì)起動(dòng)控制方式是從二分頻直接起動(dòng)，然后通過斜坡電壓起動(dòng)達(dá)到工頻后進(jìn)行切換，參數(shù)調(diào)整靈活，在不改變?cè)熊浧饎?dòng)器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過改變控制策略可實(shí)現(xiàn)分級(jí)變頻起動(dòng)，且可以帶來大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和比較小的起動(dòng)電流，以滿足感應(yīng)電機(jī)在重載或者滿載的情況下使用。從而使軟起動(dòng)器適用于更多的場(chǎng)合，使其具有非常好的前景。

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An Effective Asynchronous Motor Soft Start Method and Its Application

TONGJun1，LIUBin1,QIAOJiang2,CAOHao-xiang1,WANGXia-hui1

(1.Xi'an University of Science and Technology,Xi'an 710054,China; 2.Hitachi Yonge Electric Equipment(Xi'an) Co.,Ltd.,Xi'an 710016,China)

In order to improve the starting torque and reduce the starting current of the asynchronous motor, a soft starting method was proposed from the divided frequency to power frequency. On the basis of this theory, using the simulation function of MATLAB Simulink, a simulation model of asynchronous motor soft start system of discrete frequency control was set up. The simulation results show that this control method reduces the motor starting current and also can improve the feasibility of starting torque at the same time, and its reliability is verified by experiment.

classification frequency; divide frequency; soft start; MATLAB

2016-04-06

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51307137)

TM343

A

1004-7018(2016)08-0055-04

童軍(1962-)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)及電路系統(tǒng)。