異步電動(dòng)機(jī)分頻起動(dòng)方式的研究

尹利君+龐家園

摘要：三相異步電機(jī)的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式有很多，使用最多的是軟起動(dòng)系統(tǒng)，但由于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩很小在重負(fù)荷場(chǎng)合比如煤礦中的傳送機(jī)，礦井起重機(jī)，球磨機(jī)還有粉碎機(jī)等，往往無法啟動(dòng)，所以電子式軟起動(dòng)系統(tǒng)往往只在空載或者輕載工況使用。介紹了一種在軟起動(dòng)器的基礎(chǔ)上的起動(dòng)方法，能夠有較小的起動(dòng)電流和高轉(zhuǎn)矩使電動(dòng)器平滑起動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)有控制方式簡(jiǎn)單，成本較低等。使用到MATLAB7.6.0/SIMULINK，把傳統(tǒng)電子式軟起動(dòng)器與分級(jí)變頻方法的軟起動(dòng)器進(jìn)行建模和仿真，二者結(jié)果相比較后，證明采用了分級(jí)變頻方法的軟起動(dòng)器的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：軟起動(dòng)；起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；晶閘管；分級(jí)變頻；仿真；MATLAB/SIMULINK

中圖分類號(hào)：TP217 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

現(xiàn)如今，在技術(shù)程度不太高的工業(yè)生產(chǎn)中所用到的軟起動(dòng)設(shè)備依舊運(yùn)用降壓起動(dòng)的方式進(jìn)行，但如果重載起動(dòng)時(shí)采用降壓起動(dòng)，電磁轉(zhuǎn)矩不夠，也就不可能實(shí)現(xiàn)重載起動(dòng)。本篇介紹了在三相異步電機(jī)中利用交—交變頻技術(shù)的軟起動(dòng)器的工作原理，能夠完成相對(duì)其它起動(dòng)方式，較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較小起動(dòng)電流情況下的平滑起動(dòng)。最后利用仿真軟件將其實(shí)際運(yùn)行的效果和傳統(tǒng)的電子式軟起動(dòng)器相比較。

1異步電動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)起動(dòng)方式

三相異步電機(jī)的起動(dòng)方式分為直接起動(dòng)、星—三角起動(dòng)、自耦變壓器起動(dòng)，近幾年電子式軟起動(dòng)電力電子器件發(fā)展十分迅速，三相異步電機(jī)直接起動(dòng)就是直接把異步電機(jī)接入它的額定電壓情況下進(jìn)行起動(dòng)，這種方式最容易理解，操作方便，起動(dòng)速度很快，同樣因?yàn)檫@些便利，也會(huì)存在諸多的缺點(diǎn)。最嚴(yán)重的一個(gè)缺點(diǎn)就是起動(dòng)電流非常大，如果不是頻繁起動(dòng)的電機(jī)，這個(gè)問題不是很嚴(yán)重，但是對(duì)于一些需要頻繁起動(dòng)的，短時(shí)大電流的頻繁出現(xiàn)，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)部發(fā)熱超出正常值引起絕緣材料過熱，時(shí)間久了就會(huì)絕緣老化，發(fā)生短路甚至更嚴(yán)重的后果。接下來就是直接起動(dòng)的轉(zhuǎn)矩很大，轉(zhuǎn)矩大就會(huì)影響到電機(jī)自身的結(jié)構(gòu)是否牢固，長時(shí)間在直接起動(dòng)情況下，電機(jī)避免不了零件的松散，嚴(yán)重的可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損壞，不能進(jìn)行正常運(yùn)行，還可能將與電機(jī)相連的傳動(dòng)設(shè)備造成損壞。最后是異步電機(jī)直接起動(dòng)和供電變壓器間的關(guān)系，變壓器的容量是根據(jù)負(fù)載的多少進(jìn)行配置，異步電機(jī)直接起動(dòng)的時(shí)候電流會(huì)很大，如果當(dāng)變壓器的功率不變，分配給異步電機(jī)的電壓就會(huì)多，變壓器自身輸出電壓就會(huì)下降，如果電機(jī)容量不大，變壓器的容量相對(duì)很大，影響相對(duì)較小，但是異步電機(jī)的容量與變壓器容量相差不多時(shí)，就會(huì)有很大影響。負(fù)載太重，變壓器輸出電壓不夠，電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降太多，電機(jī)也就無法正常起動(dòng)；電機(jī)直接起動(dòng)時(shí)就會(huì)對(duì)電網(wǎng)有一定沖擊，一些電氣設(shè)備會(huì)受到影響。綜上分析，使用直接起動(dòng)，應(yīng)該具有結(jié)構(gòu)牢靠，不頻繁起動(dòng)，相對(duì)于變壓器容量較小的電機(jī)。降壓起動(dòng)方法最常見的就是星—三角起動(dòng)。如果電機(jī)運(yùn)行時(shí)定子繞組用的是三角形接法，就可以使用。

2異步電動(dòng)機(jī)分頻起動(dòng)原理

分級(jí)變頻控制基本原理是在電機(jī)起動(dòng)的過程中，在電壓幅值從初始值上升的同時(shí)，將電源電壓的頻率從較小的頻率逐級(jí)上升，從而使電磁轉(zhuǎn)矩保持較高的值[2]。分級(jí)變頻軟起動(dòng)的主回路裝置和傳統(tǒng)電子式軟起動(dòng)一樣。通過控制晶閘管的導(dǎo)通，調(diào)節(jié)電壓的頻率和大小。

異步電機(jī)進(jìn)行降頻運(yùn)行，通常使用v/f成比例的方式，要有充裕的低頻轉(zhuǎn)矩，這樣可以適量增高，使電機(jī)能夠在高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下起動(dòng)[3]。因?yàn)檫\(yùn)行時(shí)電壓，電流是間斷的，所以轉(zhuǎn)矩是脈動(dòng)的，轉(zhuǎn)矩的實(shí)際值就要略低于計(jì)算值，當(dāng)然起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要比以往的降壓軟起動(dòng)高。只有完成了沒有問題的觸發(fā)控制，進(jìn)而完成分級(jí)交一交變頻，所以不得不對(duì)相序識(shí)別檢測(cè)。

3.仿真過程

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

電機(jī)直接起動(dòng)的simulink仿真模型如圖3，主要由power模塊、三相電源、電機(jī)、電機(jī)測(cè)量模塊、示波器構(gòu)成，電機(jī)參數(shù)測(cè)量模塊能夠?qū)﹄姍C(jī)的起動(dòng)電流、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、起動(dòng)轉(zhuǎn)速完成檢測(cè)[7]。

分級(jí)變頻調(diào)壓軟起動(dòng)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(jī)模型模塊和測(cè)量顯示模塊組成。斜坡電壓軟起動(dòng)模型、限流軟起動(dòng)模型與之結(jié)構(gòu)類似，只是在控制器模塊中的觸發(fā)角控制模塊

脈沖發(fā)生器和反饋信號(hào)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(shù)設(shè)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(diǎn)接地。三個(gè)電壓測(cè)量模塊Va，Vb，Vc分別檢測(cè)A，B，C相的相電壓，檢測(cè)結(jié)果送到控制器模塊作為電壓同步檢測(cè)信號(hào)。

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

4.仿真結(jié)果

通過仿真結(jié)果的比較，不難看出利用分級(jí)交一交變頻方法起動(dòng)，能夠完成平滑升頻，有效的減小了起動(dòng)電流，并且提高了起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩，減小起動(dòng)時(shí)的沖擊，能夠完成重載下起動(dòng)。與傳統(tǒng)軟起動(dòng)器相比較，僅在結(jié)構(gòu)上改變了觸發(fā)脈沖的產(chǎn)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(tǒng)降壓軟起動(dòng)器遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先，能夠完成類似變頻器的軟起動(dòng)性能[8～10]。

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第一作者：尹利君（1994年-），性別男，2016年畢業(yè)于天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院電氣工程專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位。

第二作者：龐家園（1987年-），性別女，2010年于河北工業(yè)大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2013年于河北工業(yè)大學(xué)獲得碩士學(xué)位，現(xiàn)為天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院講師