基于離散變頻策略的擺式砂鋸機軟起動器設計

方瑞明 唐雁

(華僑大學 電氣工程系，福建 廈門 361021)

0 引言

擺式砂鋸機是石材行業的重要加工設備，其結構如圖1所示，工作時由主驅動電機帶動鋸框做往返運動進行切削加工［1］。由于其加工周期中大部分時間屬于半載甚至輕載工作狀態，因此可以考慮采用基于晶閘管調壓的電機節能控制器對其進行節能改造。但該設備起動過程中，主驅動電機需要帶動重達十幾噸的鋸框，屬于典型的重載起動，傳統的軟起動策略難以滿足其要求。

離散變頻方法是Antonio Ginart于1999年提出的一種適合于晶閘管調壓電路的交交變頻軟起動策略［2］。由于離散變頻軟起動仍采用傳統軟起動的反并聯晶閘管電路結構，不需要像復雜的整流逆變電路結構，只需設計晶閘管控制策略就能實現較好的重載起動性能，具有成本低、控制簡單的特點。因此，本文將其應用于擺式砂鋸機主驅動電機的軟起動器設計，并研究其最優觸發方法，進一步改善其起動性能。

1 離散變頻軟起動策略

1.1 離散變頻軟起動原理

離散變頻方法就是通過對晶閘管觸發進行控制，有選擇地控制工頻電源的某些半周波通過，而另一些半周波截止，從而實現對頻率的控制，如圖2所示，其中粗實線為不同分頻下的新波形的基波波形、陰影部分表示導通半周波。這樣就可以使得電機起動過程中頻率從一個較低的值開始，分級上升，最后達到50 Hz。

圖1 擺式砂鋸機結構

電機起動過程中降低定子電壓的同時下調頻率，可以減少電機起動轉矩的損失［3］，這樣就可以解決傳統軟起動器的起動轉矩小的問題。

1.2 最優分頻組合

經過離散分頻后新產生的頻率下的三相相序有正序對稱、負序對稱及不對稱的情況。為了提高電動機的起動轉矩，必須使新頻率下的電源產生最大的正向轉矩，即使正序分量最大，負序分量最小。文獻［4］經過研究指出只有3i+1分頻才能得到正序對稱組合，其中i=1，2，3…。正序對稱組合正是最有利于起動的組合方式，但是有時為了使起動更為平滑，則需要選擇更多的過渡頻率，此時就需要尋找正序分量大、負序分量小的最優分頻組合。

圖2 不同頻率下的基波信號波形

基于對稱分量法對不同分頻頻率下不同相序分量進行計算，結果見表1。

表1 不同分頻下最優相位角時的各相序分量

根據表1計算結果，從13分頻開始起動電機，過渡頻率為10分頻、7分頻、4分頻和2分頻。需要指出的是，從25Hz切換到50Hz的時候由于頻率切換跨度較大，會產生較大的電流，雖然這個電流較直接起動沖擊電流小，但是為了獲得更優的起動性能，在這一階段采用斜坡電壓軟起動方式，即緩慢提升電壓直到額定電壓，這樣整個起動期間起動電流都能有效抑制。

1.3 各分頻子頻率觸發角計算

由前文分析，離散變頻軟起動的思想類似于電機恒壓頻比控制，即離散變頻時需保持E1/f1≡C(C為常數)，考慮到E1難以直接測量和控制，忽略定子繞組漏阻抗壓降，保持U1/f1≈C即可。根據前文所確定的分頻組合，各級分頻子頻率所對應的定子相電壓如表2所示。

表2 不同分頻下對應的定子相電壓

利用式(1)及(2)，可計算出各級頻率所對應的觸發角a，如表3所示。時，子頻率分量輸出電壓的有效值為

表3 不同分頻子頻率所對應觸發角

2 仿真分析

仿真模型的搭建基于仿真軟件MATLAB/Simulink。仿真模塊包括5個主要部分:晶閘管調壓電路模塊、同步檢測與觸發脈沖發生控制模塊、子頻率脈沖產生模塊、異步電機模型、參數測量與示波器等。仿真中電機主要參數設置如下:額定功率為 3kW，額定電壓 380V，額定電流11.3A，額定轉矩 13.2N·m，仿真結果見圖3至圖5。

由圖3至圖5可以看出采用離散變頻軟起動時起動轉矩較大，而起動電流能夠抑制在2.5倍額定電流以下，與調壓起動的方式相比，采用分級變頻調壓起動方式起動轉矩更大而更適合帶重載起動。

3 系統設計

3.1 硬件設計

硬件設計的總體結構圖如圖6所示，三相電源通過旁路接觸器與晶閘管的并聯電路與電機相連，以 DSP芯片TMS320LF2407A為主控MCU，接收來自和電壓/電流檢測電路和過零檢測的信息，控制觸發方式;人機界面系統以MCS-89C51作為鍵盤和顯示處理最小系統，負責與DSP數據通訊。

圖6 擺式砂鋸機軟起動器結構框圖

3.2 軟件設計

系統采用模塊化方法進行軟件設計。軟件需要完成的主要工作有:系統初始化，分級變頻信號給定，中斷程序等等。整個軟件分為順序執行的主程序與中斷程序兩部分，其中離散變頻軟起動流程如圖7所示。

4 試驗結果

采用所研制的軟起動器對某石材公司的意大利產ALCIONE-600-2B型擺式砂鋸機主驅動電機進行起動控制，該電機額定功率為 132kW，額定電壓為380V(星接)，額定轉速為1440 r/min，額定電流為 220A。起動過程中電流波形如圖8所示。

由圖8可看出，擺式砂鋸機起動過程平滑，控制效果良好，軟起動控制器運行穩定。

圖7 離散變頻軟起動程序流程圖

5 結束語

針對擺式砂鋸機重載起動的特點，基于離散變頻技術，采用DSPTMS 320LF2407A 芯片做為主控MCU，研制了擺式砂鋸機專用電機軟啟動器。該裝置在保留傳統軟起動器起動電流沖擊小、結構簡單、成本較低等優點的同時，還具有較高的起動轉矩，可用于重載起動的場所，在石材加工機械節能改造方面具有廣闊的應用前景。

圖8 起動過程中電流波形

［1］張進生，王日君，王志.飾面石材加工技術［M］.北京:化學工業出版社，2007.

［2］Antonio Ginart，Rosana Esteller.High starting torque for AC SCR controller［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，1999，14(3):553-559.

［3］馬宏忠，方瑞明，王建輝.電機學［M］.北京:高等教育出版社，2009.

［4］趙凱岐，王毅，徐殿國，劉宏偉.晶閘管控制的感應電機中提高起動電磁轉矩的一種新策略［J］.中國電機工程學報，2004，24(3):145-150.