采用分級交-交變頻方法的高轉矩軟起動器的研制

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，它能使電機以高起動轉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，提高起動轉矩，還可以實現真正的軟停車及使電機短時工作在低速運行和反轉制動狀態(tài)。

關鍵詞：軟起動器；高起動轉矩；分級交-交變頻；晶閘管

引言

交流異步電動機以其構造簡單、極高的運行可靠性、極強的環(huán)境適應能力和優(yōu)異的拖動性能而在國民經濟的各個領域獲得了廣泛的應用，但其致命缺點是起動沖擊大，會對電網及設備造成不利影響。為了解決起動問題，人們長期以來采用了多種方法，諸如星/三角轉換起動，自耦變壓器降壓起動，飽和電抗器和開關變壓器降壓起動，以及水電阻降壓起動等方法。到上世紀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矩與其繞組所加電壓的平方成正比，當定子電壓降低時，其電磁轉矩會降低很多，所以，降壓起動只適合空載起動或輕載起動，一般起動轉矩應小于額定轉矩的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差率的存在，不可避免地會出現大的起動電流，因而大大地限制了軟起動器的使用范圍。

上世紀80年代發(fā)展起來的變頻調速技術，即可控制電機調速運行，亦可完美地解決軟起動問題。但由于其價格昂貴，對于不需要調速，僅僅為了解決軟起動問題而使用變頻器，是非常不經濟的，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構，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，實現了高轉矩的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）→并網運行。實現了真正的平滑升頻軟起動，并且提高了起動轉矩，減小了起動電流，更適合于需重載起動的負載。

要將三相正弦交流電進行交-交變頻，只能實現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通，負半周時則讓反向半波導通。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分頻時相應的波形參數。

表1 分級交-交變頻參數表

經分析，分頻后的波形隨著分頻次數呈周期性的變化：

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盡量選擇相位、幅值及時間軸上波形均平衡的分頻次數，這在低頻段容易實現，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，選出產生正轉矩最大的一組來實現分頻。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矩的控制

2.1 頻級選擇

根據上述正弦波分頻的特點，經綜合考慮，在低頻段盡量選擇正相序平衡的奇數次分頻，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矩，又不能使電機過勵磁，引起振動與發(fā)熱，一般應按V/f成比例的原則來控制，適當提高其低頻轉矩，讓電機以高起動轉矩順利起動，故作如下安排：

f/13--半周期中有2個波頭導通，200％額定轉矩；

f/7--半周期中有2個波頭導通，200％額定轉矩；

f/4--半周期中有1個波頭導通，100％額定轉矩；

f/3--半周期中有1個或2個波頭導通，100％額定轉矩；

f/2--半周期中有1個波頭導通，100％額定轉矩。

由于電壓、電流不連續(xù)，因而轉矩是脈動的，考慮到這個因素，實際轉矩要小于上述的值，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分級交-交變頻，首先必須進行相序檢測，才能實現正確的觸發(fā)控制。為了簡化電路結構，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經分壓電阻網絡分別進入電路的腳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。當三相正弦輸入正常時，對應A、B、C輸入腳1～腳3的輸出端（腳10～腳12）輸出為低電平；當某一相沒有輸入信號時，對應的輸出腳上將有高電平。根據缺相檢測的結果，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產生，TC787DS是采用先進的IC工藝設計制作的單片集成電路，可產生三相6拍調制脈沖信號，可供三相全控整流、調壓的觸發(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產生的觸發(fā)脈沖列經門電路與CPU發(fā)出的調制方波信號及分頻/工頻控制信號組合后，就能產生交-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輸出產生三相調制方波，控制三相6只晶閘管的觸發(fā)順序，完成分級交-交變頻及移相調壓控制功能。同時完成人機聯系的鍵盤和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-交變頻高轉矩起動3種方式，可由用戶根據拖動負載的要求通過鍵盤進行設定。新型的智能化軟起動器具有起動電流小，起動轉矩大，起動平滑，運行穩(wěn)定，控制功能強的特點。

4 實驗結果

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，可視拖動負載的需要而定。每次頻率切換時，由于同步轉速突然增加，使轉差率增加，因而電流增大；隨著轉速的上升，轉差率減小，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、轉矩和轉速曲線。

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

圖13為3種起動方式的起動轉矩比較。其中軟起動的電磁轉矩最小，低速時，分級變頻起動比軟起動的電磁轉矩大很多，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 結語

采用分級交-交變頻方法的軟起動器，實現了真正的平滑升頻軟起動，減小了起動沖擊和起動電流，提高了起動轉矩，可使電機在滿負載下平滑起動。由于保留了傳統(tǒng)電子式軟起動器的硬件結構，只是改變了晶閘管觸發(fā)脈沖的產生順序和控制方法，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短時低速運行和低速反轉制動功能，以便實現準確停車。尤其是對于泵類負載，可以完美地實現如同變頻器一樣的軟停車控制功能，徹底消除了水錘沖擊。