異步電動機分頻起動方式的研究

尹利君+龐家園

摘要：三相異步電機的電動機啟動方式有很多，使用最多的是軟起動系統，但由于起動轉矩很小在重負荷場合比如煤礦中的傳送機，礦井起重機，球磨機還有粉碎機等，往往無法啟動，所以電子式軟起動系統往往只在空載或者輕載工況使用。介紹了一種在軟起動器的基礎上的起動方法，能夠有較小的起動電流和高轉矩使電動器平滑起動，其優點有控制方式簡單，成本較低等。使用到MATLAB7.6.0/SIMULINK，把傳統電子式軟起動器與分級變頻方法的軟起動器進行建模和仿真，二者結果相比較后，證明采用了分級變頻方法的軟起動器的優勢。

關鍵詞：軟起動；起動轉矩；晶閘管；分級變頻；仿真；MATLAB/SIMULINK

中圖分類號：TP217 文獻標識碼：A

0引言

現如今，在技術程度不太高的工業生產中所用到的軟起動設備依舊運用降壓起動的方式進行，但如果重載起動時采用降壓起動，電磁轉矩不夠，也就不可能實現重載起動。本篇介紹了在三相異步電機中利用交—交變頻技術的軟起動器的工作原理，能夠完成相對其它起動方式，較高的起動轉矩和較小起動電流情況下的平滑起動。最后利用仿真軟件將其實際運行的效果和傳統的電子式軟起動器相比較。

1異步電動機傳統起動方式

三相異步電機的起動方式分為直接起動、星—三角起動、自耦變壓器起動，近幾年電子式軟起動電力電子器件發展十分迅速，三相異步電機直接起動就是直接把異步電機接入它的額定電壓情況下進行起動，這種方式最容易理解，操作方便，起動速度很快，同樣因為這些便利，也會存在諸多的缺點。最嚴重的一個缺點就是起動電流非常大，如果不是頻繁起動的電機，這個問題不是很嚴重，但是對于一些需要頻繁起動的，短時大電流的頻繁出現，會導致電機內部發熱超出正常值引起絕緣材料過熱，時間久了就會絕緣老化，發生短路甚至更嚴重的后果。接下來就是直接起動的轉矩很大，轉矩大就會影響到電機自身的結構是否牢固，長時間在直接起動情況下，電機避免不了零件的松散，嚴重的可能會導致結構產生損壞，不能進行正常運行，還可能將與電機相連的傳動設備造成損壞。最后是異步電機直接起動和供電變壓器間的關系，變壓器的容量是根據負載的多少進行配置，異步電機直接起動的時候電流會很大，如果當變壓器的功率不變，分配給異步電機的電壓就會多，變壓器自身輸出電壓就會下降，如果電機容量不大，變壓器的容量相對很大，影響相對較小，但是異步電機的容量與變壓器容量相差不多時，就會有很大影響。負載太重，變壓器輸出電壓不夠，電機起動轉矩下降太多，電機也就無法正常起動；電機直接起動時就會對電網有一定沖擊，一些電氣設備會受到影響。綜上分析，使用直接起動，應該具有結構牢靠，不頻繁起動，相對于變壓器容量較小的電機。降壓起動方法最常見的就是星—三角起動。如果電機運行時定子繞組用的是三角形接法，就可以使用。

2異步電動機分頻起動原理

分級變頻控制基本原理是在電機起動的過程中，在電壓幅值從初始值上升的同時，將電源電壓的頻率從較小的頻率逐級上升，從而使電磁轉矩保持較高的值[2]。分級變頻軟起動的主回路裝置和傳統電子式軟起動一樣。通過控制晶閘管的導通，調節電壓的頻率和大小。

異步電機進行降頻運行，通常使用v/f成比例的方式，要有充裕的低頻轉矩，這樣可以適量增高，使電機能夠在高起動轉矩下起動[3]。因為運行時電壓，電流是間斷的，所以轉矩是脈動的，轉矩的實際值就要略低于計算值，當然起動轉矩要比以往的降壓軟起動高。只有完成了沒有問題的觸發控制，進而完成分級交一交變頻，所以不得不對相序識別檢測。

3.仿真過程

本文仿真采用三相交流380V電源，所選仿真電機為4極鼠籠式異步電動機，所示，電源與電機之間采用星型無中線連接[6]。

電機直接起動的simulink仿真模型如圖3，主要由power模塊、三相電源、電機、電機測量模塊、示波器構成，電機參數測量模塊能夠對電機的起動電流、起動轉矩、起動轉速完成檢測[7]。

分級變頻調壓軟起動器的仿真模型主要由三相電源模塊、控制器模塊、晶閘管組模塊、電機模型模塊和測量顯示模塊組成。斜坡電壓軟起動模型、限流軟起動模型與之結構類似，只是在控制器模塊中的觸發角控制模塊

脈沖發生器和反饋信號上有所不同。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380V，頻率50Hz，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。

控制器模塊（pulse）其中有主脈沖發生模塊、子頻率脈沖合成模塊、各級頻率切換控制模塊、觸發角控制模塊和過電流中斷保護。

4.仿真結果

通過仿真結果的比較，不難看出利用分級交一交變頻方法起動，能夠完成平滑升頻，有效的減小了起動電流，并且提高了起動時的轉矩，減小起動時的沖擊，能夠完成重載下起動。與傳統軟起動器相比較，僅在結構上改變了觸發脈沖的產生順序和控制方法，并沒有多余的成本開銷，在性能上要比傳統降壓軟起動器遠遠領先，能夠完成類似變頻器的軟起動性能[8～10]。

參考文獻

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[10]林宏杰，趙長寶，尤曉華.一種用單片機的交一交變頻器.微小型計算機開發與應用，1998（6）

第一作者：尹利君（1994年-），性別男，2016年畢業于天津理工大學中環信息學院電氣工程專業，獲學士學位。

第二作者：龐家園（1987年-），性別女，2010年于河北工業大學獲得學士學位，2013年于河北工業大學獲得碩士學位，現為天津理工大學中環信息學院講師