等效正弦的分級變頻軟啟動器研究與設計

童軍， 喬江， 郭昌永， 劉麗娟， 朱理鵬

(1.西安科技大學 電氣與控制工程學院，陜西 西安 710054；2.甘肅容和礦用設備集團西安分公司，陜西 西安 710043)

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等效正弦的分級變頻軟啟動器研究與設計

童軍1， 喬江1， 郭昌永2， 劉麗娟1， 朱理鵬1

(1.西安科技大學 電氣與控制工程學院，陜西 西安 710054；2.甘肅容和礦用設備集團西安分公司，陜西 西安 710043)

針對傳統軟啟動器起動轉矩過小而無法滿足重載起動的問題，利用分級變頻原理，同時借鑒恒壓頻比的電機變頻調速理論，提出了一種基于等效正弦的分級變頻軟啟動控制方法，可以降低電機定子相電流的諧波含量，減小電機在分級變頻軟啟動過程中的轉矩脈動，達到平穩起動重載的目的。通過搭建基于等效正弦的7階段控制系統仿真模型，驗證了該理論的合理性。在此基礎之上，研制了分級變頻軟啟動器實驗樣機，試驗結果表明，所提出的方法可有效的改善電機的起動電流波形，與仿真結果吻合。

感應電機；軟啟動；分級變頻；等效正弦

0 引 言

異步電機作為現代工業設備的主要動力來源，起動問題備受關注。一般情況下，大功率的電機直接起動，會對電網及設備產生較大的電流沖擊。傳統的解決辦法是通過機械開關如接觸器或繼電器，人為地改變電機的接線方式或電流流通通道來達到降壓的目的。這種起動方式有助于避免大功率的電機在局域電網上的起動產生不利影響，但是它們只是相對減小了沖擊的強度，并未在本質上消除沖擊問題。而且，起動裝置大多采用的是繼電器，接觸器等有觸點系統，所以無法保證起動電壓線性平滑的變化，帶來的缺陷就是負載適應能力差、起動電流存在二次沖擊、維修不便等。交流調壓軟啟動器的出現避免了這一弊端。目前，交流調壓除了單一的調壓功能之外，可以引入雙斜坡，構成雙斜坡電壓軟起動，可以引入電流閉環，構成限流軟起動；但是，這些軟啟動器一個顯而易見的缺陷是限制了起動電流，卻不能保證重載起動[1]。所以，如何在降低起動電流同時，保持較高的起動轉矩成為了國內外專家所探討的一個重要話題。

分級變頻軟啟動器的出現，使電機的起動實現了類似于離散VVVF變頻器的起動效果，有效提高三相感應電機的初始起動轉矩。而電機在分級變頻軟啟動時，往往抖動比較劇烈，分析原因為電機定子電流中含有較大的諧波分量[2-3]。本研究旨在將等效正弦原理應用到分級變頻理論中，設計一臺基于等效正弦的分級變頻軟啟動器，從而減少電流中的諧波含量，使電機達到較好的起動效果。

1 分級變頻原理

分級變頻是通過周波控制，使工頻輸入的某些半波導通，某些半波截止，從而增加輸出電壓的周期以降低頻率。由于周期的改變都是整數倍關系，所以分頻也是整數倍關系，分級變頻軟啟動器起動過程就是在這些頻段的切換過程，所以分級變頻也稱離散變頻[4]。

圖1展示了單相分級變頻過程，頻率從3.85→7.14→12.5→16.7→25→50 Hz分級變化。但對于三相供電系統的分級變頻要比單相復雜的多，需要考慮分頻后電源的相序、相位問題。

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

(1)

經v分頻后得到新頻率下的三相電壓基波瞬時值為：

(2)

其中ωnet=νωsub。

圖1 單相3.85→7.14→12.5→16.7→25→50 Hz分頻波形示意圖Fig.1 Waveform of single-phase discrete frequency for 3.85→7.14→12.5→16.7→25→50 Hz

設A相電壓的相位φA=0，可知：

(3)

其中k=0,1,2……。

當新的頻率下的三相電壓正序對稱時，ν=3k+1，即ν為4、7、10、……；負序對稱時ν=3k-1，即ν為2、5、8、11、……；當ν=3k時只有零序分量。而且，對于正、反相序對稱的分頻，奇分頻可以獲得相位和幅值平衡且在時間軸上平衡的波形，而偶分頻其波形在時間軸上不平衡。

選擇分頻級數時[5]應考慮完全平衡即相位、幅值及時間軸均平衡的分頻方式，這在低頻段容易實現，如起動時選擇正相序平衡的13分頻和7分頻。但在高頻段(這里指2-4分頻)，由于處在低頻和工頻的過渡頻段，則不得不采用不完全平衡分頻方式，如4分頻和3分頻及完全負序對稱的2分頻；而且從2分頻到工頻這一過程跨度較大，電機在2分頻下運行時的理想轉速僅為電機額定理想轉速的一半，因此不可直接切換到工頻，否則轉差率過大，必然產生過大的電流沖擊。為避免此情況，需要對電壓進行控制。采用交流調壓起動方式。對于所選頻段沒有滿足正序對稱要求的，則應按照供電電源中正序分量最大，負序分量最小的方式來選擇相位組合，保證電動機獲得最大正向電磁轉矩。

采用對稱分量法對三相3分頻和2分頻的相位進行數學分析，如式(4)所示：

(4)

通過計算可得， 16.7 Hz時(0°，260°，100°)、(0°，260°，160°)和(0°，200°，100°)，25 Hz時(0°，210°，60°)、(0°，210°，150°)、(0°，300°，150°)滿足正序分量最大，負序分量最小的要求。

根據以上分析，整個分級變頻軟啟動過程采用7段完成，即f/13→f/7→f/4→f/3→f/2→交流調壓起動→f。切換時應遵循以下原則：1)分級變頻軟啟動過程中需保證正弦曲線的連續性；2)所選取的各頻率基波需保證正負半周交替變換；3)切換前后需保證各頻段的轉矩平穩過渡，以減小轉矩振蕩。基于上述原則，最簡單有效的方法就是采用整周期或者半周期切換，或者改進為準整周期或準半周期切換。

2 等效正弦控制策略

電機起動過程最重要的性能指標是起動轉矩倍數和起動電流倍數，要求電機在起動時以最小的起動電流仍然可以獲得較大的起動轉矩。根據電機學理論及異步電機的T型等效電路，如圖2所示。可得電機的電磁轉矩為

(5)

剛起動時，轉速n=0，轉差率s=1，起動轉矩為

(6)

起動電流為

(7)

圖2 異步電動機T型等效電路Fig.2 T-type equivalent circuit for asynchronous motor

采用常規的分級變頻即每一頻段α固定的觸發方式得到的電壓波形為非正弦，且諧波含量較大。根據電力電子學中面積等效原理[6]，可以按照某種控制規律調節觸發角的大小，使得輸出電壓為等效正弦，即為本文提出的等效正弦控制方法，從而減小諧波以及轉矩脈動對電機的沖擊。

圖3 7分頻(7.143 Hz)時電壓輸出波形Fig.3 Voltage output wave diagram of 7 hierarchical frequency

等效正弦控制方法[7]就是使實際波形近似等效為正弦波，降低輸出波形的諧波含量。而對于某一頻段來說，工頻正弦波是其整數次諧波，而且含量較大，這是因為每一頻段波形都是由工頻正弦波斬波得到的。要想降低工頻正弦對各頻段的影響或者提高各頻段的基波含量，可以通過改變一個周期內各觸發角的大小來實現。如圖3所示，是對工頻電壓7分頻得到的7.143 Hz頻率的示意圖。圖中等效電壓為7分頻后的基波，且uv=Uvmsinωvt；工頻電壓為u1=U1msinω1t。結合VVVF原理及等效正弦控制原理可得：

(8)

3 仿真分析

借助于SIMULINK工具搭建仿真平臺[8-9]，其中異步電動機PN=5.5 kW、UN=380 V、Rs=1.55 Ω、Rr=1.62 Ω、Ls=9.2 mH、Lr=12.5 mH、Lm=69.31 mH、J=0.02 kg·m2、nN=2 900 r/min,對基于等效正弦的分級變頻控制進行研究，起動過程中各級晶閘管觸發角根據等效正弦原理計算得到，采用頻率3.85Hz→7.14Hz→12.5Hz→16.7Hz→25Hz→交流調壓起動→50Hz的起動方案。起動過程仿真波形如圖4所示。

圖4 分級變頻軟啟動轉矩、轉速和定子電流仿真波形Fig.4 Simulation waveforms of torque,speed and stator current are under discrete frequency soft start

由于固定角分級軟啟動和等效正弦分級軟啟動起動過程類似，為了能直觀的表達兩者的差異，利用SIMULINK中FFT Tools分別對兩種方式得到的7分頻時定子電流波形進行頻譜分析，如圖5所示。

圖5 定子電流頻譜分析Fig.5 Stator current spectrum analysis

由分析可知，在基波含量接近的情況下，采用等效正弦觸發方式，THD由未采用時的162.93%變為142.57%，定子電流中的諧波含量明顯降低。由此可知該方法優化了定子電流波形，從而一定程度上可以抑制寄生轉矩帶來的電磁震蕩。

4 樣機設計與實驗

4.1 控制系統設計

樣機設計所采用的控制器為Microchip公司的16位高性能控制器dsPIC6014A-301/PF，主電路與傳統的軟啟動器相同。控制電路主要包括：電壓同步及相序檢測、電源電路、驅動電路、電流檢測電路、接觸器控制電路及按鍵與顯示。軟啟動樣機控制系統[10]框圖如圖6所示。

圖6 分級變頻軟啟動器控制系統框圖Fig.6 Control system diagram of discrete frequency soft starter

4.2 電壓同步及觸發方案

主回路六路晶閘管的觸發脈沖需與電源電壓保持嚴格的相位關系，即為同步，因此在設計當中，同步電壓檢測是至關重要的一環。由于本系統通過觸發晶閘管不單要實現相控調壓，更為重要的還要根據分級變頻的觸發規則確定相應半波是否觸發導通以及按等效正弦原理分配觸發角大小。脈沖觸發環節如圖7所示。

圖7 同步及脈沖觸發框圖Fig.7 Diagram of synchronization and trigger pulse

對于觸發脈沖來說，有雙窄脈沖觸發和寬脈沖觸發。采用雙窄脈沖可能會出現第二個窄脈沖不觸發，不能保證工作的可靠性，因此不采用。若采用寬脈沖，雖具有較強的抗擾動性能可保證晶閘管準確觸發，但卻需要較大的輸出功率和較大容量的變壓器，選擇不合適容易使脈沖變壓器飽和，所以也不采用。因此采用具有足夠功率的窄脈沖序列，代替一定寬度的觸發脈沖來觸發六路晶閘管，如圖8所示，既可以保證觸發的可靠性，又可以防止脈沖變壓器的飽和。

4.3 實驗結果

對一臺額定電壓380/660 V，額定電流11 A，額定功率5.5 KW，額定轉速2 900 r/min，三相鼠籠型感應電機，帶額定負載進行不同類別的軟啟動實驗(斜坡電壓起動與分級變頻起動)，以及不同觸發方式下的分級變頻軟啟動實驗，實驗所得波形如圖9所示。

圖8 晶閘管觸發脈沖序列Fig.8 SCR trigger pulse sequences

圖9 實驗波形Fig.9 Experimental waveforms

分級變頻的分頻方式采用的分頻數依次為13、7、4、3、2、斜坡電壓軟啟動，變頻部分起動時間為5 s, 該段時間電流有效值很小,最大為1.5 IN。同一時間段內，斜坡電壓軟啟動卻一直處于堵轉狀態。由此可知分級變頻軟啟動帶負載能力強，在重載情況下，無疑是較好的選擇。

對于不同觸發方式的分級變頻來說，交流調壓器輸出電流波形有著明顯的差異，圖10為局部放大的7分頻電流波形。較之固定角的觸發方式來說，等效正弦分級軟啟動遵循正弦面積等效原理呈現近似正弦形態，此形態有助于減少電流中的諧波含量，抑制異步電動機分級變頻起動時出現的電磁轉矩振蕩。

圖10 分級變頻7分頻局部電流波形Fig.10 Local current of 7 hierarchical frequency

5 結 論

傳統的軟啟動器由于起動轉矩小而限制了其應用范圍，本文通過對分級變頻基本原理的分析與研究，融入等效正弦控制策略，實現了電機的高轉矩起動。根據仿真及相關的實驗驗證了該理論的正確性及有效性。在不改變原有軟啟動器結構的條件下，通過改變控制策略可實現等效正弦的分級變頻起動。該方法不僅滿足一般負載及重載的起動要求，而且一定程度改善了電機定子電流波形，使電機能平穩起動，拓寬了軟啟動器的應用范圍，具有較高的實用價值。

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(編輯：張 楠)

Research and design of discrete frequency soft starter based on equivalent sine wave principle

TONG Jun1， QIAO Jiang1， GUO Chang-yong2， LIU Li-juan1， ZHU Li-peng1

(1.College of Electrical and Control Engineering, Xi′an University of Science and Technology, Xi′an 710054, China; 2. Xi′an Branch of Gan Su Rong He Mining Equipment Group, Xi′an 710043, China)

Due to the torque of traditional soft starter is low and cannot meet the starter of heavy load needs,by using discrete frequency theory and VVVF control strategy for reference,a control method of discrete frequency soft starter was put forward based on equivalent sine. This method lowers harmonic content of motor stator’s phase current and reduces torque ripple during the process of discrete frequency soft starting so as to stabilize heavy load starting.Simulation model of seven-phase equivalent sinusoidal control system testifies the reasonability of this theory. On the basis of the above, discrete frequency soft starter experimental prototype was produced. The experimental result indicates that this method improve current waveform of motor starter effectively and is consistent with simulation result.

induction motor; soft starter; discrete frequency; equivalent sine wave principle

2015-03-12

國家自然科學基金(51307137)

童 軍(1962—)，男，碩士，教授，研究方向為電力電子技術及電路與系統；

喬 江(1989—)，男，碩士研究生，研究方向為電力電子電路與裝置；

喬 江

10.15938/j.emc.2016.11.006

TM 343

A

1007-449X(2016)11-0040-06

郭昌永(1984—)，男，本科，工程師，研究方向為礦用防爆電氣設備的研發與設計;

劉麗娟(1990—)，女，碩士研究生，研究方向為電力電子電路與裝置；

朱理鵬(1990—)，男，碩士研究生，研究方向為電力電子電路與裝置。