異步電機分級離散變頻軟啟動器研究

王東峰， 王旖旎， 于 潔， 崔 倫， 王 毅

(1. 國網山東省電力公司 東營市河口區供電公司，山東 東營 257200； 2. 礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培養基地(山東科技大學)，山東 青島 266590)

0 引 言

作為一種新型的電動機啟動方式，離散變頻軟起動器采用分級離散變頻軟啟動方式，主調壓電路采用3組反向并聯的晶閘管，也就是主電路結構延續了傳統電子式軟起動器中的應用，與之不同的是，其在保證預算成本不增長的前提下，通過改變傳統軟起動器的晶閘管觸發策略，基本達到跟變頻器一致的功能，有效地實現了對離散變頻軟起動器應用范圍的擴大，使其在某些需要重載起動或滿載起動的場合更為適用，表1所示為在各個行業中離散變頻軟起動器的應用分布。

表1 離散變頻軟起動器應用行業分布

1 分級離散變頻原理

對起動過程中的定子端電壓幅值和頻率進行控制，使其同時發生變化，即同時降低電壓和頻率，從而相應的提高電動機的起動轉矩，這就是離散變頻軟起動[4～6]。而在頻率降低的過程中，沒有經過整流和逆變，只能分級將電壓頻率提升至工頻，變換過程不連續。用離散變頻的方法所形成的分頻電壓的頻率是工頻的整數分之一，即50 Hz/n，其中n為正整數。

通過有選擇的觸發晶閘管，達到工頻電壓的正半波導通或負半波部分導通或全部導通的目的，然后對三相電源的正弦量按照要求斬波，從而形成新的某一頻率的電壓波形，這就是離散變頻。如圖1中所示，晶閘管導通用陰影部分表示，晶閘管關斷用空白部分表示，由圖1可以看出，工頻電壓在每兩個周期內僅有一個正半波和一個負半波導通，即新產生的電壓波形的周期無工頻電壓周期的兩倍，頻率則為其二分之一，也就是產生一個25 Hz的電壓波形。每一個分頻電壓都有一個觸發策略相對應，若要形成一套完整的異步電機離散變頻軟起動的方法，可把各分頻電壓連續起來，并依次進行觸發。離散變頻軟起動并不只是簡單的對上下半波導通，還有實現增大起動轉矩，減小起動電流的目的。在起動過程中，還需對三相電源的以下各情況進行分析：分頻相序、初相角組合、分頻次序、觸發角的選取以及高次諧波的影響等[7]。

圖1 25 Hz電壓波形

本文所設計的離散變頻主電路主要由GTO晶閘管調壓模塊、電壓檢測模塊、驅動電路模塊、電流檢測模塊、顯示模塊、主控制電路模塊組成，其工作原理如圖2所示。

圖2 離散變頻主電路工作原理圖

2 分頻電壓最優相位角組合

由于分頻以后的電壓中會含有不對稱分量，而不對稱分量中又包含了正序、負序和零序，因此電動機要想獲得正向或反向最大轉矩，我們必須將其中的正序分量和負序分量都做極端化處理，使得他們其中一個值最大化，另外一個值最小化，處理方法通常是采用對稱分量法，通過選取最優的相位角來獲得最大轉矩[8～10]。

對稱分量法是在疊加原理的基礎上發展而來的，應用對稱分量法可以將一組三相不對稱的分量分解成3組獨立且對稱的分量，即正序、負序和零序分量。其中正序和負序分量各相大小相等，相位角互差120°，零序分量各相大小相等，方向相同[11]。若有一組r分頻的三相不對稱電壓，設其有效值為UNA、UNB、UNC，初相位為0°、-α°、-β°，角頻率為ω，即：

(1)

應用對稱分量法對其分解，分解之后的向量形式為：

通過依次剔除納入的文獻反復多次計算合并效應量進行敏感性分析，發現對最終結果沒有影響。HPV感染與肺癌相關性的合并HR及95% CI從0.85(0.67～1.08)到0.95(0.76～1.20)(圖3)，HPV感染與肺腺癌相關性的合并HR及95% CI從0.59(0.37～0.95)到0.69(0.50～0.96)(圖4)，驗證了本研究結果的穩定性與可靠性。

(2)

式(2)中，等號右側第一列代表正序對稱分量，第二列代表負序對稱分量，第三列代表零序對稱分量。因為變換系數α，有：

(3)

由于1+α+α2=0，因此將上述不對稱三相正弦分量分解為3組對稱的正弦分量，其向量形式為：

(4)

(5)

(6)

將變換系數α代入分解后的三相分量后，其向量形式為：

(7)

因此，應用對稱分量法所得到的3組對稱分量為：

(8)

利用式(8)對各分頻的初相角組合進行計算，就可以得到最佳的相位角組合，經計算得出：2分頻電壓獲得最大正向轉矩的相位角組合為：(0°，60°，210°)，(0°，150°，210°)，(0°，150°，300°)；3分頻電壓獲得最大正向轉矩的相位角組合為：(0°，100°，260°)，(0°，100°，200°)，(0°，160°，260°)；4分頻、7分頻、10分頻電壓獲得最大正向轉矩的相位角組合均為：(0°，120°，240°)。

3 離散頻段的選取

離散變頻的目的是通過降低機端電壓和電源頻率，以此來提高電動機起動轉矩。單從原理上分析，可以實現對工頻電壓的任意整數次分頻，且頻率越小起動轉矩越大，但在實際中，電動機都有極限頻率，當頻率小于該極限值時，電動機則無法正常起動，因此不能無限地降低電源頻率。由式(9)轉矩表達式可知：

(9)

(10)

(11)

電動機采用離散變頻軟起動時，頻率從最小值一直緩慢變換到工頻50 Hz時，需要經過多個中間頻率級的切換才能達到起動要求。在切換過程中，顯然并不是所有的頻率級都能滿足電動機的起動要求。因為某段分頻中可能會包含大量的諧波分量，不利于電動機的起動，達不到所需要的異步電機理想的起動要求。因此在設置頻率級的同時，頻率差不宜過大，并且在設定分頻級數時，分頻級數不能太多，也就是說所設定的電動機的最小頻率不能過低，若起動頻率過小，會達不到電動機的起動要求，從而使得電動機起動不起來[12]。故而電動機在整個起動過程中不能由4分頻直接切換到工頻，必須加入其它分頻來過渡，而4分頻和工頻之間只有2分頻和3分頻，且2分頻和3分頻中雖然沒有包含所需的對稱正序分量，但當應用所掌握的電力系統中的基本方法對稱分量法來對其進行分解時，能夠解得正序分量的一個最大值，而這正是所想要的，因此可以把它作為我們所設定的分頻級數中的一部分，用來起動電機[13]。由于起動頻率不能過低，因此本文將10分頻作為最低分頻進行分析。

離散變頻在該方式下起動時，電動機先從最低分頻10分頻起動，起動一段時間后，通過改變晶閘管的觸發策略，切換到下一分頻起動，如此循環往復直至工頻。為了保證頻率切換時的平穩性，每個頻率運行的時間應該為該頻率運行周期的整數倍。在各個頻率起動時，需要維持壓頻比恒定，而且各個分頻的起動時間對電機的正常運行也很關鍵，正序分量對提高電動機的轉速有利，起動時間稍長，負序分量和不對稱分量對電動機不利，起動時間稍短。

綜上所述，電動機采用離散變頻軟起動時，分頻起動次序為：

f/10(5 Hz)→f/7(7.14 Hz)→f/4(12.5 Hz)→f/3(16.7 Hz)→f/2(25 Hz)→f/(50 Hz)

各個分頻所對應的作用時間為：0.8 s、0.56 s、1.12 s、0.36 s、0.4 s。

4 分級離散變頻軟啟動仿真

前面我們對離散變頻軟起動的各項參數進行了理論分析，本部分將在理論分析的基礎上，利用MATLAB/SIMULINK工具箱，對三相異步電機的直接起動、斜坡軟起動、限流軟起動和離散變頻軟起動等方式進行建模和仿真，并對仿真結果進行分析。其中離散變頻軟起動模型如圖3所示，在仿真過程中，用到的各部分參數如下：三相電源有效值為220 V，頻率為50 Hz，A相初相位為0°，B、C兩相相位角依次滯后120°；三相異步電機選用的是Asynchronous Machine SI Units，具體參數為：額定功率Pn=10 kW，額定電壓Vn=380 V，額定頻率fn=50 Hz，定子繞組電阻Rs=0.435 Ω，定子繞組電感L1 s=0.002 H，轉子繞組電阻Rr= 3 Ω，轉子繞組電感L1 r=0.002 H，互感系數Lm=0.069 31 H，轉動慣量J=2 kg·m2，磁極對數P=4。

圖3 離散變頻軟起動模型

10分頻觸發脈沖合成模塊的內部構造如圖4所示。

圖4 10分頻觸發脈沖合成模塊內部構造

圖5 直接起動電流、轉速、轉矩波形

圖6 斜坡軟起動電流、轉速、轉矩波形

圖7 限流軟起動電流、轉速、轉矩波形

利用上述模型對電路進行仿真，圖5為電機直接起動時的仿真波形。由以上仿真結果可以看出，電動機在直接起動時，定子電流可以瞬間達到100 A，約為額定電流的10倍，而定子電流最大有效值約為62 A。在0～1 s內，電動機轉速快速上升，最終大約穩定在700 r/min，而電動機的轉矩脈動較大，波動范圍為0～800 N·m，電動機的起動過程約在0.9 s時結束，之后進入穩定運行狀態。圖6為斜坡軟起動時的仿真波形。由圖6可知，電動機采用斜坡軟起動時，起動時間較長，大約需要7 s才能達到穩定。起動過程中，電動機的最大電流約為30 A，而穩定電流約為12 A，最大起動電流為穩定電流的2.5倍，滿足起動要求。轉速增加非常平滑，避免了電動機的轉速出現大范圍波動，且轉矩脈動較小，最大為-50～50 N·m，因此不能帶重載或滿載起動，使用范圍受到了較大限制。圖7為限流軟起動時的仿真波形。由圖7可知，電動機采用限流軟起動時，起動時間較短，約1.8 s就能達到穩定狀態，最大起動電流為50 A，穩定電流為20 A，最大起動電流為穩定電流的2.5倍，符合起動要求。在起動過程中，電機轉速平滑上升，沒有出現大的轉速波動，約在1.8 s時，達到了額定轉速。起動瞬間，電動機起動轉矩快速上升，約在0.7 s時達到最大值250 N·m，之后逐步下降，并趨于穩定，在整個過程中轉矩波動較小，約為-50～250 N·m，雖然限流軟起動能在起動瞬間，大幅減小電動機的起動電流，但由于電流檢測有一定的滯后性，因此后續沖擊電流較大，容易對電機和負載產生不利影響。

圖8為離散變頻軟起動的仿真波形。

圖8 離散變頻軟起動電流、轉速、轉矩波形

圖9 采用GTO晶閘管的離散變頻軟起動電流、轉速、轉矩波形

從圖8可以看出，當離散變頻主調壓電路采用普通可控硅晶閘管時，電動機的起動電流相對較小，但當由2分頻向工頻過渡時，電流波動較大，過渡不平滑，起動轉矩較大，最大可達250 N·m，為傳統軟起動方式的5～6倍。圖9為在仿真實驗過程中將全控型晶閘管GTO作主調壓電路時的仿真圖形，從圖中可以看出，此時電動機起動電流較大，接近于100 A，但由二分頻向工頻過渡時，電流波動較小，過渡非常平滑，且相同時間內電動機轉速也相對較高，在0～0.5 s內起動轉矩明顯增大，最大可達900 N·m，為普通晶閘管離散變頻軟起動的2～3倍。

綜上所述，離散變頻軟起動可以有效地降低電動機的起動電流，大幅提高起動轉矩，通過仿真驗證了離散變頻理論在提高電動機起動轉矩方面的正確性和優越性。但同時也可看到其仍有不足之處，如離散變頻后的電壓和電流為離散的非正弦量，因而會包含大量的諧波分量；其次，在離散變頻起動過程中，電動機的起動電流和轉矩波動較大，起動過程并不平穩，這是以后繼續研究和改進的重點。

5 實驗驗證

實驗裝置是在離散變頻軟起動器的基礎上搭建出來的，由于在實驗環境中沒有本文設計中所采用的10KW的異步電動機，因此在實驗過程中采用了額定電壓220 V、額定功率90 W、額定轉速1 400 r/min的三相交流異步電動機，為了測得轉速，同步采用額定電壓220 V、額定功率355 W、額定轉速1 500 r/min的同步電機，另外還有主控板、試驗臺、示波器、純電阻等實驗設備。

圖10為在實驗過程中測得的電動機直接起動時的電流波形圖，從圖中可以看出，當電動機直接起動時，起動電流較大，最大可達3 A，為該電動機額定電流的7.5倍，但是到達穩定所需要的時間較短，約為1.2 s。圖11和圖12分別為電動機采用限流軟起動時的電流波形圖和轉速波形圖，從中可以看出定子電流緩慢上升，起動瞬間電流較小，約為0.6 A。電動機轉速平穩上升，大約2.8 s以后電動機趨于穩定，達到穩定所需要的時間要比直接起動長[14～16]。圖13為實驗過程中用示波器采集到的電動機離散變頻軟起動時串聯電阻兩端的電壓波形圖，因為在本實驗環境中示波器沒有直接用來測電流的探頭，因此實驗過程中，在定子端口處串聯一個電阻，測得電阻兩端的電壓波形即為電流的波形，因為對電阻而言，電壓和電流同相位。從圖中可以看出，在向工頻過渡過程中，電流出現了抖動，與仿真結果一致。

圖10 電動機直接起動實測電流波形

圖11 電動機限流軟起動實測電流波形

圖12 電動機限流軟起動實測轉速波形

圖13 電動機離散變頻軟起動實測電流波形

6 結論

本文在原有的離散變頻原理基礎上，通過分析其原理及分頻電壓最優相位角組合、離散頻段的選取等，對調壓主電路和保護電路進行了進一步研究，提出了一種改進的異步電機分級離散變頻軟起動方式。利用MATLAB仿真軟件搭建離散變頻軟起動模型，并將仿真結果與幾種傳統的軟起動仿真結果作對比，驗證了分級離散變頻軟起動不僅能有效的減小起動電流，還能提高起動轉矩。最后通過實驗，驗證了本文理論分析與仿真的正確性。