車載遙感接收站電機啟動優化設計

鄭衛勝，徐金曉，申海楨，鄭 昱

（中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南 鄭州 450047）

0 引 言

車載遙感接收站用于遙感衛星數據的接收，具有機動靈活的特點，可通過公路、鐵路等方式快速部署到指定地點，完成數據接收任務。接收站安裝有三軸電機，用于完成天線三軸的起臥倒伏，便于撤收運輸。

為滿足機動性要求，車載遙感接收站配備有一臺車載發電機，以滿足接收站的供電需求。其中，三軸電機能否正常啟動是發電機選型的重要考慮因素。

1 三軸電機傳統的啟動方式

三軸電機以往通常采用全壓直接啟動。采用此方法時，操縱控制方便，維護簡單；但啟動電流較大，啟動轉矩卻不大，啟動電流大約是額定電流的4～7倍。過大的電流會造成較大的壓降，影響其他用電設備的正常工作，使用發電機供電時尤為明顯。

以某設備為例，采用額定功率為30 kW的油機供電，三軸直接啟動時，啟動瞬間電流峰值和有效值如表1所示。

表1 電機直接啟動時的電流值

由表1可知，設備平穩運行時總功耗約13.5 kW，啟動三軸時瞬時總功耗約為56 kW，遠大于油機輸出功率32 kW，油機無法工作。同時，由于三軸啟動瞬間的電流沖擊，將油機電壓拉低，導致電流增大，易造成其他設備過流燒毀。

若要保證系統設備正常啟動，第一，選用額定功率更大的油機，第二，優化電機啟動方式，降低啟動電流。選用額定功率更大的油機，油機結構尺寸會大大增加，導致無法進行車載安裝。因此，對電機啟動方式進行優化，降低啟動電流較為可行。

2 電機啟動過程分析

對于電機啟動，需要滿足兩個條件[1]：第一必須要有足夠大的啟動轉矩TS以帶動負載轉動，確保電機能夠快速啟動；第二在保證啟動轉矩TS足夠大的前提條件下，盡可能減小電機的啟動電流IS。

由三相異步電機T型等效電路可知，其啟動電流和啟動轉矩為[2]：

其中，U1為電源額定相電壓，r1為定子電阻，r'2為轉子折算到定子側的電阻，X1為定子感抗，X'2為轉子折算到定子側的感抗，P為電動機的極對數。由式（1）和式（2）可知，當電機參數和電源頻率一定時，電機啟動電流Is和定子端電壓U1成正比，同時啟動轉矩Ts和定子端電壓U1的平方成正比。

3 電機啟動方式的改進分析

三相交流異步電機的啟動方式除了直接啟動，常見的還有降壓啟動和變頻啟動。由式（1）可知，電機啟動電流Is和定子端電壓U1成正比，可通過降低電機定子端電壓U1，使啟動電流降低。又由式（2）可知，電機啟動轉矩Ts和定子端電壓U1的平方成正比，減小啟動電壓使啟動電流降低的同時，啟動轉矩下降得更快。因此，降壓啟動對于轉矩要求不高的負載或輕載較為適用。

變頻啟動是通過增加變頻器等裝置來改變供電電壓和頻率，從而調節電機轉速和轉矩[3]的一種電機啟動方式。改變電源頻率通常采用交-直-交轉換技術，首先通過整流器將交流電變為直流電，再通過調整逆變器參數來獲得需要的輸出電壓和電源頻率。采用變頻啟動可保證電機的最大啟動轉矩不變的同時，使電機以較低的速度啟動，降低了瞬時啟動電流，從而實現電機的帶重載啟動。遙感接收站三軸電機屬于帶載啟動，選用變頻啟動技術進行優化較為可行。

4 變頻啟動設計

4.1 變頻啟動原理

轉子轉差率大是電機啟動電流較大而轉矩不大的根本原因。而變頻器恰恰可通過改變電源頻率來降低電機啟動轉差率，從而實現電機在最大啟動轉矩不變的同時降低瞬時啟動電流。

由轉速差Δn=n1-n，電機啟動時n=0、n1=60f/p可知，減小電源頻率f就可減小n1，從而減小轉速差。若能調整f使電機啟動時的轉差與電機額定運行時轉差相等，就能使電機啟動電流和啟動轉矩接近其額定運行時的狀態。因此，通過設定某f，以使電機啟動時，保證電機啟動時轉差與其額定運行轉差基本相同，從而可使電機啟動轉矩不降低的同時，降低電機啟動瞬時電流。當電機啟動過程中達到某一轉速后，可通過閉環控制環節，根據所設定函數逐漸增大f，直至達到額定電源頻率，完成電機啟動。

變頻啟動時，由E1=4.44f1×ω1×kω1×Φm可知，若使Φm工作在額定值，必須保證E1/f1為恒定值。

電機啟動最大轉矩：

當E1/f1為常數時，Tm與f1無關。因此，電源壓頻比不變，可保持電機最大啟動轉矩不變的同時減小電機啟動有效電流，從而實現電機的小電流帶載啟動。

4.2 變頻裝置的組成

變頻啟動裝置一般包括一臺變頻器，一臺可編程控制器和三只交流接觸器等設備和元器件。一次線路如圖1所示。

電機啟動時，變頻器輸入接觸器CM1和變頻器輸出接觸器CM2均為狀態，同時工頻接觸器DM為斷開狀態。變頻器按照可編程控制器設定好的控制參數啟動信號，變頻器拖動電機啟動，啟動過程中，電源頻率根據所設定函數逐漸增大f，直至達到額定電源頻率。啟動完成后，接觸器CM2首先斷開，之后CM1斷開，最后DM吸合，變頻啟動過程完成，電機轉入外部電源頻率運行。啟動過程中的變頻器動作控制均通過可編程控制器即PLC完成。

圖1 電機變頻啟動裝置

4.3 PLC編程控制的注意事項

為保證電機啟動過程安全可靠且運行平穩，需要注意一下幾點[4]。

第一，啟動前，必須確保在DM為斷開狀態，且CM1和CM2均吸合的狀態下，PLC才可發出變頻器啟動指令。

第二，啟動過程中，若變頻器沒有啟動，3 s后PLC應報系統故障。

第三，變頻器停車方式應設置為自由停車。

4.4 變頻啟動效果

同樣以前面提到的某項目設備為例，三軸采用變頻方式啟動過程中電流有效值如表2所示，可看出三軸啟動瞬間電流有效值大幅下降，降低了供電電源的容量要求。

表2 電機變頻啟動時的電流值

5 結 論

對于電機重載啟動，特別是采用油機供電的電機，變頻啟動較全壓直接啟動具有明顯的優勢，可大大降低啟動瞬間電流有效值，降低供電電源的容量需求。