采用分級交-交變頻方法的高轉(zhuǎn)矩軟起動器的研制

    摘要：介紹了一種采用分級交-交變頻方法的交流電機軟起動器的原理和實現(xiàn)，它能使電機以高起動轉(zhuǎn)矩和小的起動電流平滑地起動。并將實際效果與傳統(tǒng)的電子式軟起動器進行了比較，證明采用分級交-交變頻方法的軟起動器，不僅可以減小起動電流，提高起動轉(zhuǎn)矩，還可以實現(xiàn)真正的軟停車及使電機短時工作在低速運行和反轉(zhuǎn)制動狀態(tài)。

    關(guān)鍵詞：軟起動器；高起動轉(zhuǎn)矩；分級交-交變頻；晶閘管

引言

交流異步電動機以其構(gòu)造簡單、極高的運行可靠性、極強的環(huán)境適應(yīng)能力和優(yōu)異的拖動性能而在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，但其致命缺點是起動沖擊大，會對電網(wǎng)及設(shè)備造成不利影響。為了解決起動問題，人們長期以來采用了多種方法，諸如星/三角轉(zhuǎn)換起動，自耦變壓器降壓起動，飽和電抗器和開關(guān)變壓器降壓起動，以及水電阻降壓起動等方法。到上世紀(jì)70年代，開始采用晶閘管移相觸發(fā)降壓軟起動，即目前市售的電子式軟起動器。到目前為止，所有的軟起動設(shè)備都是采用降低起動電壓的方法來起動電動機的，由于電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與其繞組所加電壓的平方成正比，當(dāng)定子電壓降低時，其電磁轉(zhuǎn)矩會降低很多，所以，降壓起動只適合空載起動或輕載起動，一般起動轉(zhuǎn)矩應(yīng)小于額定轉(zhuǎn)矩的50％左右。對于需重載起動的電機，如球磨機、粉碎機、礦井起重機等，則并不適用。另外，由于普通軟起動器降壓而不降頻，在起動過程中由于大的轉(zhuǎn)差率的存在，不可避免地會出現(xiàn)大的起動電流，因而大大地限制了軟起動器的使用范圍。

上世紀(jì)80年代發(fā)展起來的變頻調(diào)速技術(shù)，即可控制電機調(diào)速運行，亦可完美地解決軟起動問題。但由于其價格昂貴，對于不需要調(diào)速，僅僅為了解決軟起動問題而使用變頻器，是非常不經(jīng)濟的，也是一般的工業(yè)企業(yè)所無法接受的。

1 正弦波分頻的奧秘

為了提高電子式軟起動器的起動轉(zhuǎn)矩，降低起動電流，采用了分級交-交變頻的方法，利用原軟起動器的硬件結(jié)構(gòu)，通過巧妙地控制三相晶閘管的觸發(fā)順序，在改變電壓的同時也改變交流電的頻率，實現(xiàn)了高轉(zhuǎn)矩的V/f控制軟起動。頻率分級提升，由f/13→f/7→f/4→f/3→f/2→f（50Hz）→并網(wǎng)運行。實現(xiàn)了真正的平滑升頻軟起動，并且提高了起動轉(zhuǎn)矩，減小了起動電流，更適合于需重載起動的負(fù)載。

要將三相正弦交流電進行交-交變頻，只能實現(xiàn)1/n分頻，如f/2、f/3......f/n。方法是通過晶閘管控制交流電的通斷，將n周期的交流電合并為一個周期，其正半周時只讓正向半波導(dǎo)通，負(fù)半周時則讓反向半波導(dǎo)通。圖2為25Hz和10Hz時的一相電壓波形圖[2]。

由于頻率降低了，周期增大了。原來50Hz正弦波半個周期的時間為10ms，相位角為180°，在分頻后的新的頻率（周期）中，原半周期的相位角僅為180°/n。如二分頻時為90°，三分頻時為60°，五分頻時為36°。表1為1～20分頻時相應(yīng)的波形參數(shù)。

表1 分級交-交變頻參數(shù)表

經(jīng)分析，分頻后的波形隨著分頻次數(shù)呈周期性的變化：

1、4、7、10、13、16、19......分頻，正相序平衡；

2、5、8、11、14、17、20......分頻，反相序平衡；

3、6、9、12、15、18......分頻時相位和幅值均不平衡。

    另外，對于正、反相序平衡的分頻中，奇次分頻時不僅能做到相位和幅值的平衡，其波形在時間軸上也是平衡的，而偶數(shù)次分頻則其波形在時間軸上不平衡。圖3為四分頻和五分頻時的波形圖，清楚地顯示了這一點。

所以，在選擇分頻臺階時應(yīng)盡量選擇相位、幅值及時間軸上波形均平衡的分頻次數(shù)，這在低頻段容易實現(xiàn)，如正相序平衡的13分頻（3.846Hz）和7分頻（7.14Hz），以及反相序平衡的11分頻（4.54Hz）和5分頻（10Hz）。但在高頻段，由于處于關(guān)鍵頻段，則不可避免地要采用不能完全平衡的分頻，如4分頻（12.5Hz），或完全不平衡的分頻，如3分頻（16.67Hz）和正相序2分頻（25Hz）就無法避免。這時只能在所有的相位組合中，選出產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩最大的一組來實現(xiàn)分頻。二分頻共有43=64種相位組合。其中0°、60°、210°組和0°、150°、210°組的正轉(zhuǎn)矩最大，波形見圖4，電壓矢量見圖6。

三分頻時共有63=216種相位組合。其中0°、100°、260°組和0°、160°、260°組的正轉(zhuǎn)矩最大，其三相電壓波形見圖5，電壓矢量見圖7。

2 分頻臺階的選擇和轉(zhuǎn)矩的控制

2.1 頻級選擇

根據(jù)上述正弦波分頻的特點，經(jīng)綜合考慮，在低頻段盡量選擇正相序平衡的奇數(shù)次分頻，整個軟起動過程分為六級完成，即f/13→f/7→f/4→f/3→f/2→50Hz（斜坡升壓）。

軟停車時可按相反的順序進行。一般情況下，f/11、f/5、f/2可作為反相低速運行或電磁制動的頻率使用，但不能完成反向軟起動過程，因為其相序相反，最后不能從f/2過渡到50Hz正相序運行。

2.2 轉(zhuǎn)矩控制

交流異步電機在降頻運行時，既要考慮有足夠的低頻轉(zhuǎn)矩，又不能使電機過勵磁，引起振動與發(fā)熱，一般應(yīng)按V/f成比例的原則來控制，適當(dāng)提高其低頻轉(zhuǎn)矩，讓電機以高起動轉(zhuǎn)矩順利起動，故作如下安排：

f/13--半周期中有2個波頭導(dǎo)通，200％額定轉(zhuǎn)矩；

f/7--半周期中有2個波頭導(dǎo)通，200％額定轉(zhuǎn)矩；

f/4--半周期中有1個波頭導(dǎo)通，100％額定轉(zhuǎn)矩；

f/3--半周期中有1個或2個波頭導(dǎo)通，100％額定轉(zhuǎn)矩；

f/2--半周期中有1個波頭導(dǎo)通，100％額定轉(zhuǎn)矩。

    由于電壓、電流不連續(xù)，因而轉(zhuǎn)矩是脈動的，考慮到這個因素，實際轉(zhuǎn)矩要小于上述的值，但已比降壓軟起動提高很多了。

若采用過大的V/f比，則會增加電機的振動與發(fā)熱，實無此必要。

3 相序識別和觸發(fā)控制

3.1 相序識別

要對三相正弦電源實現(xiàn)分級交-交變頻，首先必須進行相序檢測，才能實現(xiàn)正確的觸發(fā)控制。為了簡化電路結(jié)構(gòu)，采用了三相相序和缺相檢測的專用IC芯片TC783A，其電路框圖見圖8。

三相電壓信號A、B、C經(jīng)分壓電阻網(wǎng)絡(luò)分別進入電路的腳1、腳2及腳3，通過對正弦波進行施密特檢測，了解信號的存在并送入缺相檢測電路后輸出指示。當(dāng)三相正弦輸入正常時，對應(yīng)A、B、C輸入腳1～腳3的輸出端（腳10～腳12）輸出為低電平；當(dāng)某一相沒有輸入信號時，對應(yīng)的輸出腳上將有高電平。根據(jù)缺相檢測的結(jié)果，在不缺相的情況下相序指示電路將輸出相序信號，腳9輸出高電平指示正相序，腳8輸出高電平則指示反相序。在缺相狀態(tài)下，腳8及腳9都輸出低電平。

3.2 觸發(fā)控制

基本的三相觸發(fā)脈沖列由相位控制電路TC787DS產(chǎn)生，TC787DS是采用先進的IC工藝設(shè)計制作的單片集成電路，可產(chǎn)生三相6拍調(diào)制脈沖信號，可供三相全控整流、調(diào)壓的觸發(fā)脈沖使用，具有功耗小，功能強，輸入阻抗高，抗干擾性能好，移相范圍寬，外接元件少等優(yōu)點。其電路框圖如圖9所示。

TC787DS產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖列經(jīng)門電路與CPU發(fā)出的調(diào)制方波信號及分頻/工頻控制信號組合后，就能產(chǎn)生交-交分頻所需要的觸發(fā)脈沖控制序列，如圖10、圖11所示。

3.3 控制CPU

軟起動器采用了16位單片機80C196KC作為控制CPU，利用其三路PWM輸出產(chǎn)生三相調(diào)制方波，控制三相6只晶閘管的觸發(fā)順序，完成分級交-交變頻及移相調(diào)壓控制功能。同時完成人機聯(lián)系的鍵盤和LED顯示管理的功能，以及電機在起動和運行過程中的缺相、短路、過流、過載、過熱等保護功能。

新型的軟起動器保留了電子式軟起動器的所有功能，具有限流起動，雙斜坡電壓起動，分級交-交變頻高轉(zhuǎn)矩起動3種方式，可由用戶根據(jù)拖動負(fù)載的要求通過鍵盤進行設(shè)定。新型的智能化軟起動器具有起動電流小，起動轉(zhuǎn)矩大，起動平滑，運行穩(wěn)定，控制功能強的特點。

4 實驗結(jié)果

由于分級交-交變頻屬于單相半波控制，由圖4及圖5的電壓波形可以看出，定子電壓是不連續(xù)的，所以定子電流也是不連續(xù)的，轉(zhuǎn)矩也是不連續(xù)的、脈動的。因此，電機在運行時會有振動和噪聲（低頻），不像變頻軟起動那樣只有調(diào)制脈沖的高頻噪聲。所以，采用分級交-交變頻時，電機不宜在低頻狀態(tài)下長期運行，否則電機將產(chǎn)生振動和發(fā)熱。

用一臺15kW的4極電機進行試驗。在起動過程中，6級頻率依次自動切換，每級持續(xù)時間為5～10s，可視拖動負(fù)載的需要而定。每次頻率切換時，由于同步轉(zhuǎn)速突然增加，使轉(zhuǎn)差率增加，因而電流增大；隨著轉(zhuǎn)速的上升，轉(zhuǎn)差率減小，電流也隨之減小。由于每個臺階頻率增加有限，因而因轉(zhuǎn)差率增大而引起的電流增加是有限的，比起直接起動及降壓軟起動來，是不可同日而語的。圖12為6級變頻軟起動時的電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速曲線。

從圖12可以看出，定子電流曲線分為6段，轉(zhuǎn)矩是脈動的，而轉(zhuǎn)速卻上升得很平衡。

圖13為3種起動方式的起動轉(zhuǎn)矩比較。其中軟起動的電磁轉(zhuǎn)矩最小，低速時，分級變頻起動比軟起動的電磁轉(zhuǎn)矩大很多，中速時也比軟起動時大。因此，采用分級變頻可以明顯提高起動轉(zhuǎn)矩。

    圖14為直接起動，傳統(tǒng)軟起動和分級變頻起動方式的定子電流比較，圖14中直接起動的電流很大，軟起動次之，分級變頻起動的電流較小。

5 結(jié)語

采用分級交-交變頻方法的軟起動器，實現(xiàn)了真正的平滑升頻軟起動，減小了起動沖擊和起動電流，提高了起動轉(zhuǎn)矩，可使電機在滿負(fù)載下平滑起動。由于保留了傳統(tǒng)電子式軟起動器的硬件結(jié)構(gòu)，只是改變了晶閘管觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生順序和控制方法，因而不會增加太多成本支出；而在起動性能上卻可大大優(yōu)于傳統(tǒng)的降壓軟起動器，可實現(xiàn)近似于變頻器的軟起動性能。因而不能不說是對電子式軟起動器的一次革命性的突破，從而可大大擴展電子式軟起動器的使用范圍和市場份額。

采用分級交-交變頻方法的軟起動器還可以方便地實現(xiàn)短時低速運行和低速反轉(zhuǎn)制動功能，以便實現(xiàn)準(zhǔn)確停車。尤其是對于泵類負(fù)載，可以完美地實現(xiàn)如同變頻器一樣的軟停車控制功能，徹底消除了水錘沖擊。