一種有效的異步電動機軟起動方法及應用

童 軍，劉 斌，喬 江，曹浩翔，王俠輝

(1.西安科技大學，西安 710054；2.日立永濟電氣設備(西安)有限公司，西安 710016)

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一種有效的異步電動機軟起動方法及應用

童 軍1，劉 斌1，喬 江2，曹浩翔1，王俠輝1

(1.西安科技大學，西安 710054；2.日立永濟電氣設備(西安)有限公司，西安 710016)

為了提高異步電機軟起動的起動轉矩和降低起動電流，提出了從二分頻到工頻起動的軟起動方法。在此理論基礎下，利用MATLAB的Simulink仿真功能，搭建了異步電機分級變頻控制的軟起動系統的仿真模型。仿真結果驗證了該控制方法在降低電機的起動電流的同時，還可以提高起動轉矩的可行性，并通過實驗驗證了其可靠性。

分級變頻；二分頻；軟起動；MATLAB

0 引 言

眾所周知，晶閘管移相觸發可以降低起動電壓，改善異步電動機的起動性能，使其具有電壓連續可調節、電流連續等優點,但起動轉矩也被限制了，所以只能適用于輕載起動的場合。對于需要重載或滿載起動的設備，如球磨機、礦井起重機皮帶傳輸機等，不可以應用此控制方法。在分級變頻原理基礎之上，本文提出一種簡單易行的軟起動方法，該方法起動電流小而且起動轉矩大，對分級變頻軟起動器簡化，電路簡單，對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 系統原理介紹

所謂的分級變頻就是通過控制晶閘管整個周期波的導通與關斷，使工頻輸入的某些半個周波的導通，某些半個周波的截止，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倍的關系變化，所以分級變頻軟起動的起動過程就是這些頻率段的切換過程，故分級變頻也稱離散變頻。然而多頻段的分級變頻軟起動的狀態較多，所以會導致起動過程比較復雜，尤其在頻段與頻段之間的切換，相位對接不上會使得轉矩的大幅度跌落。電機容易出現抖動[2]。在電機起動的時候，只要起動電流不超過4IN，而且起動轉矩遠可以達到額定轉矩，分級變頻就可以使用較少的分級頻段起動，如從二分頻(25 Hz)下起動，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)，就可實現二分頻下的斜坡電壓起動。起動過程如1圖所示：通過控制晶閘管導通角來實現工頻以下的斜坡電壓起動直至全壓起動[3]。

圖1 起動電壓波形

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。其電壓瞬時值可表示：

(1)

經二分頻后得新頻率下的三相電壓基波瞬時值：

(2)

通過將工頻的2個周期波中選擇兩個正半波和兩個負半波為一個組合進行導通，便可以獲得25Hz導通的電壓波形，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A相的工頻電壓的初相位為0°時，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組合，而這些系統均不是三相對稱的。而這些不同的組合起動得到的起動性能也是不同的[4]。所以需要選擇一種最佳的組合方式得到最大起動轉矩，故需要對其進行不對稱分析，通過對稱分量法對三相異步電機在不對稱電壓系統運行時進行分析，即把不對稱的三相電壓分解為正序、負序和零序三相的對稱電壓系統，然后再分別考慮各分量對電機機械特性的影響，最終把這些影響疊加起來，選一個最優的組合方式，構成在三相不對稱電壓系統下電機的實際運行情況。

(3)

式中：α為120°復變量算子，即α=ej120°,α2=ej240°。

由此可以得到電機正序及負序下的τ型等效電路，如圖3所示。

圖3 電機正序及負序下的τ型等效電路

因此可得出電機在正序和負序模式下運行的理論轉矩：

(5)

(6)

(7)

只有正向轉矩占主導作用的時候，電機才能順利地起動，否則會有較大的沖擊電流。

由式(7)可知，只要電機端電壓中的正序分量最大，負序分量最小便可滿足電機的起動要求。利用MATLAB軟件構建對稱分量法的m函數，定量分析表中各種相位組合下的三相電壓系統。當相位組合為(0°，210°，60°)，(0°，210°，150°)，(0°，300°，150°)時，正序分量最大，負序分量最小[5]。如圖4所示，選擇(0°，210°，60°)相位組合對其進行正序、負序和零序相位進行分析。

當端電壓的相位組合為(0°，210°，60°)時，其正序，負序和零序電壓分別：

(8)

由上述關系可知，電機在不對稱情況下運行的時候，正序電壓所產生的旋轉磁場與轉子運動的方向一致，產生的正序電磁轉矩為驅動電機工作的驅動轉矩，而負序旋轉磁場則恰恰相反，所以其為制動轉矩。故電機的總轉矩：

(9)

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

3 晶閘管觸發方案

晶閘管的觸發方案一般有雙窄脈沖觸發和寬脈沖觸發，雙窄脈沖觸發起到真正觸發的脈沖為第一個脈沖，因為第一個觸發脈沖在其反向的晶閘管過零前到達，不能保證第二個脈沖到達時電流是否過零，如果沒有過零點就不能觸發晶閘管，導致觸發電路失控。而寬脈沖觸發對脈沖變壓器要求高，且體積大，所以本文考慮用脈沖序列觸發方案，如圖5所示。圖5的觸發序列為二分頻所對應的同步脈沖觸發序列，可以保證不會出現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 晶閘管觸發脈沖序列

4 仿真分析

利用MATLAB的Simulink工具進行仿真分析，圖6為仿真系統圖。仿真模塊主要包括三相交流調壓主電路、電機測量模塊、功率因數角檢測模塊、觸發脈沖發生模塊及拖動系統。其中，異步電動機的參數為PN=5.5kW，UN=380V，RS=1.55Ω，Rr=1.62Ω，LS=9.2mH，Lr=12.5mH，Lm=69.31mH，J=0.02kg·m2。電機的起動為二分頻起動方式，起動過程仿真波形如圖7示[6]。

圖6 仿真系統圖

(a) 轉矩仿真波形

(b) 轉速仿真波形

(c) 電流仿真波形

斜坡電壓起動的仿真結果如圖8所示。

(a) 轉矩仿真波形

(b) 轉速仿真波形

(c) 電流仿真波形

從圖7可以看出二分頻的起動過程為在1s時二分頻切換為斜坡電壓起動，在2.5s時切換為工頻工作。從圖7與圖8的比較可以看出，二分頻起動的起動電流明顯小于斜坡電壓起動的起動電流，起動轉矩遠大于斜坡電壓起動方式的起動轉矩，其最大起動轉矩(圖7(a))大概是斜坡起動轉矩(圖8(a))的5倍多，適合于重載起動的場合，且轉速的切換也比較平滑，控制方法簡單，同時也避免了分級變頻起動頻率的切換帶來的繁瑣問題。

5 實 驗

本系統采用的控制器為Microchip公司的主控制器芯片dsPIC6014A-301/PF，主電路是傳統的軟起動器。控制電路主要包括：電壓同步及相序檢測模塊、電源電路模塊、驅動電路模塊、電流檢測電路模塊、接觸器控制電路模塊、液晶顯示模塊。起動系統的控制框圖如圖9所示。

圖9 分級變頻軟起動器控制系統框圖

本文對一臺UN=380V，IN=10A，PN=5.5kW,nN=1 450r/min的三相感應電機進行軟起動實驗。通過顯示屏與示波器來有選擇地進行起動，使其從二分頻到工頻完成起動過程，并記錄下起動過程，如圖10所示。

(a) 觸發脈沖序列波形

(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的一系列脈沖觸發序列，而從圖10(b)、圖10(c)所代表的不同階段的起動波形圖可以明顯地看出三相感應電機從二分頻以選擇(0°，210°，60°)的相位角進行起動，然后通過斜坡電壓軟起動的起動方式進行起動，當達到工頻通過旁路接觸器進行切換，即認為起動過程結束。可以看出二分頻軟起動控制方式的電機控制比較穩定，起動電流小于額定電流的3倍，其效果也十分明顯。

6 結 語

由于電力電子技術的發展，使得人們越來越重視交流調速在交流電機上的應用，尤其是先進的控制策略的應用，所以好的控制策略的至關重要。本設計起動控制方式是從二分頻直接起動，然后通過斜坡電壓起動達到工頻后進行切換，參數調整靈活，在不改變原有軟起動器結構的基礎上，通過改變控制策略可實現分級變頻起動，且可以帶來大的起動轉矩和比較小的起動電流，以滿足感應電機在重載或者滿載的情況下使用。從而使軟起動器適用于更多的場合，使其具有非常好的前景。

[1] 王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2009：154-156.

[2] 黃美成.鼠籠式異步電動機軟起動裝置的可靠性和起動電流控制方法的研究[D].長沙：湖南大學，2004.

[3] 童軍，張臻，郭昌永.電動機軟起動功率因數角閉環控制技術研究[J].電機與控制學報，2013，17(12)：51-56.

[4] 程雪，侯思祖，王彬.一種限流型異步電動機軟起動裝置的設計與實現[J].電機技術，2006(4)：8-10，13.

[5] 蘭志杰，張昌凡，陳穎，等.基于分級變頻的重載軟起動系統[J].電機與控制應用，2007,34(3)：50-53.

[6] 陳忠華，郭鳳儀，石兆元.異步電動機軟起動控制方法的研究與仿真[J].工礦自動化，2008(1):4-8.

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

國家自然科學基金項目(51307137)

TM343

A

1004-7018(2016)08-0055-04

童軍(1962-)，男，教授，碩士生導師，研究方向為電力電子技術及電路系統。