采用分級(jí)交-交變頻方法的高轉(zhuǎn)矩軟起動(dòng)器的研制

摘要：介紹了一種采用分級(jí)交-交變頻方法的交流電機(jī)軟起動(dòng)器的原理和實(shí)現(xiàn)，它能使電機(jī)以高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和小的起動(dòng)電流平滑地起動(dòng)。并將實(shí)際效果與傳統(tǒng)的電子式軟起動(dòng)器進(jìn)行了比較，證明采用分級(jí)交-交變頻方法的軟起動(dòng)器，不僅可以減小起動(dòng)電流，提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，還可以實(shí)現(xiàn)真正的軟停車(chē)及使電機(jī)短時(shí)工作在低速運(yùn)行和反轉(zhuǎn)制動(dòng)狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：軟起動(dòng)器；高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；分級(jí)交-交變頻；晶閘管

引言

交流異步電動(dòng)機(jī)以其構(gòu)造簡(jiǎn)單、極高的運(yùn)行可靠性、極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力和優(yōu)異的拖動(dòng)性能而在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，但其致命缺點(diǎn)是起動(dòng)沖擊大，會(huì)對(duì)電網(wǎng)及設(shè)備造成不利影響。為了解決起動(dòng)問(wèn)題，人們長(zhǎng)期以來(lái)采用了多種方法，諸如星/三角轉(zhuǎn)換起動(dòng)，自耦變壓器降壓起動(dòng)，飽和電抗器和開(kāi)關(guān)變壓器降壓起動(dòng)，以及水電阻降壓起動(dòng)等方法。到上世紀(jì)70年代，開(kāi)始采用晶閘管移相觸發(fā)降壓軟起動(dòng)，即目前市售的電子式軟起動(dòng)器。到目前為止，所有的軟起動(dòng)設(shè)備都是采用降低起動(dòng)電壓的方法來(lái)起動(dòng)電動(dòng)機(jī)的，由于電動(dòng)機(jī)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(shí)，其電磁轉(zhuǎn)矩會(huì)降低很多，所以，降壓起動(dòng)只適合空載起動(dòng)或輕載起動(dòng)，一般起動(dòng)轉(zhuǎn)矩應(yīng)小于額定轉(zhuǎn)矩的50％左右。對(duì)于需重載起動(dòng)的電機(jī)，如球磨機(jī)、粉碎機(jī)、礦井起重機(jī)等，則并不適用。另外，由于普通軟起動(dòng)器降壓而不降頻，在起動(dòng)過(guò)程中由于大的轉(zhuǎn)差率的存在，不可避免地會(huì)出現(xiàn)大的起動(dòng)電流，因而大大地限制了軟起動(dòng)器的使用范圍。

上世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的變頻調(diào)速技術(shù)，即可控制電機(jī)調(diào)速運(yùn)行，亦可完美地解決軟起動(dòng)問(wèn)題。但由于其價(jià)格昂貴，對(duì)于不需要調(diào)速，僅僅為了解決軟起動(dòng)問(wèn)題而使用變頻器，是非常不經(jīng)濟(jì)的，也是一般的工業(yè)企業(yè)所無(wú)法接受的。

1 正弦波分頻的奧秘

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

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

由于頻率降低了，周期增大了。原來(lái)50Hz正弦波半個(gè)周期的時(shí)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(shí)為90，三分頻時(shí)為60，五分頻時(shí)為36。表1為1～20分頻時(shí)相應(yīng)的波形參數(shù)。

表1 分級(jí)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(shí)相位和幅值均不平衡。

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

所以，在選擇分頻臺(tái)階時(shí)應(yīng)盡量選擇相位、幅值及時(shí)間軸上波形均平衡的分頻次數(shù)，這在低頻段容易實(shí)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(wú)法避免。這時(shí)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(lái)實(shí)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(jiàn)圖4，電壓矢量見(jiàn)圖6。

三分頻時(shí)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(jiàn)圖5，電壓矢量見(jiàn)圖7。

2 分頻臺(tái)階的選擇和轉(zhuǎn)矩的控制

2.1 頻級(jí)選擇

根據(jù)上述正弦波分頻的特點(diǎn)，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(gè)軟起動(dòng)過(guò)程分為六級(jí)完成，即f/13→f/7→f/4→f/3→f/2→50Hz（斜坡升壓）。

軟停車(chē)時(shí)可按相反的順序進(jìn)行。一般情況下，f/11、f/5、f/2可作為反相低速運(yùn)行或電磁制動(dòng)的頻率使用，但不能完成反向軟起動(dòng)過(guò)程，因?yàn)槠湎嘈蛳喾矗詈蟛荒軓膄/2過(guò)渡到50Hz正相序運(yùn)行。

2.2 轉(zhuǎn)矩控制

交流異步電機(jī)在降頻運(yùn)行時(shí)，既要考慮有足夠的低頻轉(zhuǎn)矩，又不能使電機(jī)過(guò)勵(lì)磁，引起振動(dòng)與發(fā)熱，一般應(yīng)按V/f成比例的原則來(lái)控制，適當(dāng)提高其低頻轉(zhuǎn)矩，讓電機(jī)以高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩順利起動(dòng)，故作如下安排：

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

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

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

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

f/2--半周期中有1個(gè)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(dòng)的，考慮到這個(gè)因素，實(shí)際轉(zhuǎn)矩要小于上述的值，但已比降壓軟起動(dòng)提高很多了。

若采用過(guò)大的V/f比，則會(huì)增加電機(jī)的振動(dòng)與發(fā)熱，實(shí)無(wú)此必要。

3 相序識(shí)別和觸發(fā)控制

3.1 相序識(shí)別

要對(duì)三相正弦電源實(shí)現(xiàn)分級(jí)交-交變頻，首先必須進(jìn)行相序檢測(cè)，才能實(shí)現(xiàn)正確的觸發(fā)控制。為了簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，采用了三相相序和缺相檢測(cè)的專(zhuān)用IC芯片TC783A，其電路框圖見(jiàn)圖8。

三相電壓信號(hào)A、B、C經(jīng)分壓電阻網(wǎng)絡(luò)分別進(jìn)入電路的腳1、腳2及腳3，通過(guò)對(duì)正弦波進(jìn)行施密特檢測(cè)，了解信號(hào)的存在并送入缺相檢測(cè)電路后輸出指示。當(dāng)三相正弦輸入正常時(shí)，對(duì)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(méi)有輸入信號(hào)時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出腳上將有高電平。根據(jù)缺相檢測(cè)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(hào)，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(jìn)的IC工藝設(shè)計(jì)制作的單片集成電路，可產(chǎn)生三相6拍調(diào)制脈沖信號(hào)，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(qiáng)，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(diǎn)。其電路框圖如圖9所示。

TC787DS產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖列經(jīng)門(mén)電路與CPU發(fā)出的調(diào)制方波信號(hào)及分頻/工頻控制信號(hào)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(dòng)器采用了16位單片機(jī)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(jí)交-交變頻及移相調(diào)壓控制功能。同時(shí)完成人機(jī)聯(lián)系的鍵盤(pán)和LED顯示管理的功能，以及電機(jī)在起動(dòng)和運(yùn)行過(guò)程中的缺相、短路、過(guò)流、過(guò)載、過(guò)熱等保護(hù)功能。

新型的軟起動(dòng)器保留了電子式軟起動(dòng)器的所有功能，具有限流起動(dòng)，雙斜坡電壓起動(dòng)，分級(jí)交-交變頻高轉(zhuǎn)矩起動(dòng)3種方式，可由用戶(hù)根據(jù)拖動(dòng)負(fù)載的要求通過(guò)鍵盤(pán)進(jìn)行設(shè)定。新型的智能化軟起動(dòng)器具有起動(dòng)電流小，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)平滑，運(yùn)行穩(wěn)定，控制功能強(qiáng)的特點(diǎn)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于分級(jí)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(dòng)的。因此，電機(jī)在運(yùn)行時(shí)會(huì)有振動(dòng)和噪聲（低頻），不像變頻軟起動(dòng)那樣只有調(diào)制脈沖的高頻噪聲。所以，采用分級(jí)交-交變頻時(shí)，電機(jī)不宜在低頻狀態(tài)下長(zhǎng)期運(yùn)行，否則電機(jī)將產(chǎn)生振動(dòng)和發(fā)熱。

用一臺(tái)15kW的4極電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。在起動(dòng)過(guò)程中，6級(jí)頻率依次自動(dòng)切換，每級(jí)持續(xù)時(shí)間為5～10s，可視拖動(dòng)負(fù)載的需要而定。每次頻率切換時(shí)，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(gè)臺(tái)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(dòng)及降壓軟起動(dòng)來(lái)，是不可同日而語(yǔ)的。圖12為6級(jí)變頻軟起動(dòng)時(shí)的電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)。

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

圖13為3種起動(dòng)方式的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比較。其中軟起動(dòng)的電磁轉(zhuǎn)矩最小，低速時(shí)，分級(jí)變頻起動(dòng)比軟起動(dòng)的電磁轉(zhuǎn)矩大很多，中速時(shí)也比軟起動(dòng)時(shí)大。因此，采用分級(jí)變頻可以明顯提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

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

5 結(jié)語(yǔ)

采用分級(jí)交-交變頻方法的軟起動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)了真正的平滑升頻軟起動(dòng)，減小了起動(dòng)沖擊和起動(dòng)電流，提高了起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可使電機(jī)在滿(mǎn)負(fù)載下平滑起動(dòng)。由于保留了傳統(tǒng)電子式軟起動(dòng)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(huì)增加太多成本支出；而在起動(dòng)性能上卻可大大優(yōu)于傳統(tǒng)的降壓軟起動(dòng)器，可實(shí)現(xiàn)近似于變頻器的軟起動(dòng)性能。因而不能不說(shuō)是對(duì)電子式軟起動(dòng)器的一次革命性的突破，從而可大大擴(kuò)展電子式軟起動(dòng)器的使用范圍和市場(chǎng)份額。

采用分級(jí)交-交變頻方法的軟起動(dòng)器還可以方便地實(shí)現(xiàn)短時(shí)低速運(yùn)行和低速反轉(zhuǎn)制動(dòng)功能，以便實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確停車(chē)。尤其是對(duì)于泵類(lèi)負(fù)載，可以完美地實(shí)現(xiàn)如同變頻器一樣的軟停車(chē)控制功能，徹底消除了水錘沖擊。