等效正弦的分級(jí)變頻軟啟動(dòng)器研究與設(shè)計(jì)

童軍， 喬江， 郭昌永， 劉麗娟， 朱理鵬

(1.西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.甘肅容和礦用設(shè)備集團(tuán)西安分公司，陜西 西安 710043)

?

等效正弦的分級(jí)變頻軟啟動(dòng)器研究與設(shè)計(jì)

童軍1， 喬江1， 郭昌永2， 劉麗娟1， 朱理鵬1

(1.西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.甘肅容和礦用設(shè)備集團(tuán)西安分公司，陜西 西安 710043)

針對(duì)傳統(tǒng)軟啟動(dòng)器起動(dòng)轉(zhuǎn)矩過小而無法滿足重載起動(dòng)的問題，利用分級(jí)變頻原理，同時(shí)借鑒恒壓頻比的電機(jī)變頻調(diào)速理論，提出了一種基于等效正弦的分級(jí)變頻軟啟動(dòng)控制方法，可以降低電機(jī)定子相電流的諧波含量，減小電機(jī)在分級(jí)變頻軟啟動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，達(dá)到平穩(wěn)起動(dòng)重載的目的。通過搭建基于等效正弦的7階段控制系統(tǒng)仿真模型，驗(yàn)證了該理論的合理性。在此基礎(chǔ)之上，研制了分級(jí)變頻軟啟動(dòng)器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，試驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的方法可有效的改善電機(jī)的起動(dòng)電流波形，與仿真結(jié)果吻合。

感應(yīng)電機(jī)；軟啟動(dòng)；分級(jí)變頻；等效正弦

0 引 言

異步電機(jī)作為現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備的主要?jiǎng)恿碓?，起?dòng)問題備受關(guān)注。一般情況下，大功率的電機(jī)直接起動(dòng)，會(huì)對(duì)電網(wǎng)及設(shè)備產(chǎn)生較大的電流沖擊。傳統(tǒng)的解決辦法是通過機(jī)械開關(guān)如接觸器或繼電器，人為地改變電機(jī)的接線方式或電流流通通道來達(dá)到降壓的目的。這種起動(dòng)方式有助于避免大功率的電機(jī)在局域電網(wǎng)上的起動(dòng)產(chǎn)生不利影響，但是它們只是相對(duì)減小了沖擊的強(qiáng)度，并未在本質(zhì)上消除沖擊問題。而且，起動(dòng)裝置大多采用的是繼電器，接觸器等有觸點(diǎn)系統(tǒng)，所以無法保證起動(dòng)電壓線性平滑的變化，帶來的缺陷就是負(fù)載適應(yīng)能力差、起動(dòng)電流存在二次沖擊、維修不便等。交流調(diào)壓軟啟動(dòng)器的出現(xiàn)避免了這一弊端。目前，交流調(diào)壓除了單一的調(diào)壓功能之外，可以引入雙斜坡，構(gòu)成雙斜坡電壓軟起動(dòng)，可以引入電流閉環(huán)，構(gòu)成限流軟起動(dòng)；但是，這些軟啟動(dòng)器一個(gè)顯而易見的缺陷是限制了起動(dòng)電流，卻不能保證重載起動(dòng)[1]。所以，如何在降低起動(dòng)電流同時(shí)，保持較高的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩成為了國內(nèi)外專家所探討的一個(gè)重要話題。

分級(jí)變頻軟啟動(dòng)器的出現(xiàn)，使電機(jī)的起動(dòng)實(shí)現(xiàn)了類似于離散VVVF變頻器的起動(dòng)效果，有效提高三相感應(yīng)電機(jī)的初始起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。而電機(jī)在分級(jí)變頻軟啟動(dòng)時(shí)，往往抖動(dòng)比較劇烈，分析原因?yàn)殡姍C(jī)定子電流中含有較大的諧波分量[2-3]。本研究旨在將等效正弦原理應(yīng)用到分級(jí)變頻理論中，設(shè)計(jì)一臺(tái)基于等效正弦的分級(jí)變頻軟啟動(dòng)器，從而減少電流中的諧波含量，使電機(jī)達(dá)到較好的起動(dòng)效果。

1 分級(jí)變頻原理

分級(jí)變頻是通過周波控制，使工頻輸入的某些半波導(dǎo)通，某些半波截止，從而增加輸出電壓的周期以降低頻率。由于周期的改變都是整數(shù)倍關(guān)系，所以分頻也是整數(shù)倍關(guān)系，分級(jí)變頻軟啟動(dòng)器起動(dòng)過程就是在這些頻段的切換過程，所以分級(jí)變頻也稱離散變頻[4]。

圖1展示了單相分級(jí)變頻過程，頻率從3.85→7.14→12.5→16.7→25→50 Hz分級(jí)變化。但對(duì)于三相供電系統(tǒng)的分級(jí)變頻要比單相復(fù)雜的多，需要考慮分頻后電源的相序、相位問題。

三相供電電源A相、B相、C相，頻率為50 Hz，角頻率為ωnet，電壓幅值為U1。其電壓瞬時(shí)值可表示為：

(1)

經(jīng)v分頻后得到新頻率下的三相電壓基波瞬時(shí)值為：

(2)

其中ωnet=νωsub。

圖1 單相3.85→7.14→12.5→16.7→25→50 Hz分頻波形示意圖Fig.1 Waveform of single-phase discrete frequency for 3.85→7.14→12.5→16.7→25→50 Hz

設(shè)A相電壓的相位φA=0，可知：

(3)

其中k=0,1,2……。

當(dāng)新的頻率下的三相電壓正序?qū)ΨQ時(shí)，ν=3k+1，即ν為4、7、10、……；負(fù)序?qū)ΨQ時(shí)ν=3k-1，即ν為2、5、8、11、……；當(dāng)ν=3k時(shí)只有零序分量。而且，對(duì)于正、反相序?qū)ΨQ的分頻，奇分頻可以獲得相位和幅值平衡且在時(shí)間軸上平衡的波形，而偶分頻其波形在時(shí)間軸上不平衡。

選擇分頻級(jí)數(shù)時(shí)[5]應(yīng)考慮完全平衡即相位、幅值及時(shí)間軸均平衡的分頻方式，這在低頻段容易實(shí)現(xiàn)，如起動(dòng)時(shí)選擇正相序平衡的13分頻和7分頻。但在高頻段(這里指2-4分頻)，由于處在低頻和工頻的過渡頻段，則不得不采用不完全平衡分頻方式，如4分頻和3分頻及完全負(fù)序?qū)ΨQ的2分頻；而且從2分頻到工頻這一過程跨度較大，電機(jī)在2分頻下運(yùn)行時(shí)的理想轉(zhuǎn)速僅為電機(jī)額定理想轉(zhuǎn)速的一半，因此不可直接切換到工頻，否則轉(zhuǎn)差率過大，必然產(chǎn)生過大的電流沖擊。為避免此情況，需要對(duì)電壓進(jìn)行控制。采用交流調(diào)壓起動(dòng)方式。對(duì)于所選頻段沒有滿足正序?qū)ΨQ要求的，則應(yīng)按照供電電源中正序分量最大，負(fù)序分量最小的方式來選擇相位組合，保證電動(dòng)機(jī)獲得最大正向電磁轉(zhuǎn)矩。

采用對(duì)稱分量法對(duì)三相3分頻和2分頻的相位進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，如式(4)所示：

(4)

通過計(jì)算可得， 16.7 Hz時(shí)(0°，260°，100°)、(0°，260°，160°)和(0°，200°，100°)，25 Hz時(shí)(0°，210°，60°)、(0°，210°，150°)、(0°，300°，150°)滿足正序分量最大，負(fù)序分量最小的要求。

根據(jù)以上分析，整個(gè)分級(jí)變頻軟啟動(dòng)過程采用7段完成，即f/13→f/7→f/4→f/3→f/2→交流調(diào)壓起動(dòng)→f。切換時(shí)應(yīng)遵循以下原則：1)分級(jí)變頻軟啟動(dòng)過程中需保證正弦曲線的連續(xù)性；2)所選取的各頻率基波需保證正負(fù)半周交替變換；3)切換前后需保證各頻段的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)過渡，以減小轉(zhuǎn)矩振蕩?；谏鲜鲈瓌t，最簡單有效的方法就是采用整周期或者半周期切換，或者改進(jìn)為準(zhǔn)整周期或準(zhǔn)半周期切換。

2 等效正弦控制策略

電機(jī)起動(dòng)過程最重要的性能指標(biāo)是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)和起動(dòng)電流倍數(shù)，要求電機(jī)在起動(dòng)時(shí)以最小的起動(dòng)電流仍然可以獲得較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。根據(jù)電機(jī)學(xué)理論及異步電機(jī)的T型等效電路，如圖2所示?？傻秒姍C(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為

(5)

剛起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速n=0，轉(zhuǎn)差率s=1，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為

(6)

起動(dòng)電流為

(7)

圖2 異步電動(dòng)機(jī)T型等效電路Fig.2 T-type equivalent circuit for asynchronous motor

采用常規(guī)的分級(jí)變頻即每一頻段α固定的觸發(fā)方式得到的電壓波形為非正弦，且諧波含量較大。根據(jù)電力電子學(xué)中面積等效原理[6]，可以按照某種控制規(guī)律調(diào)節(jié)觸發(fā)角的大小，使得輸出電壓為等效正弦，即為本文提出的等效正弦控制方法，從而減小諧波以及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)對(duì)電機(jī)的沖擊。

圖3 7分頻(7.143 Hz)時(shí)電壓輸出波形Fig.3 Voltage output wave diagram of 7 hierarchical frequency

等效正弦控制方法[7]就是使實(shí)際波形近似等效為正弦波，降低輸出波形的諧波含量。而對(duì)于某一頻段來說，工頻正弦波是其整數(shù)次諧波，而且含量較大，這是因?yàn)槊恳活l段波形都是由工頻正弦波斬波得到的。要想降低工頻正弦對(duì)各頻段的影響或者提高各頻段的基波含量，可以通過改變一個(gè)周期內(nèi)各觸發(fā)角的大小來實(shí)現(xiàn)。如圖3所示，是對(duì)工頻電壓7分頻得到的7.143 Hz頻率的示意圖。圖中等效電壓為7分頻后的基波，且uv=Uvmsinωvt；工頻電壓為u1=U1msinω1t。結(jié)合VVVF原理及等效正弦控制原理可得：

(8)

3 仿真分析

借助于SIMULINK工具搭建仿真平臺(tái)[8-9]，其中異步電動(dòng)機(jī)PN=5.5 kW、UN=380 V、Rs=1.55 Ω、Rr=1.62 Ω、Ls=9.2 mH、Lr=12.5 mH、Lm=69.31 mH、J=0.02 kg·m2、nN=2 900 r/min,對(duì)基于等效正弦的分級(jí)變頻控制進(jìn)行研究，起動(dòng)過程中各級(jí)晶閘管觸發(fā)角根據(jù)等效正弦原理計(jì)算得到，采用頻率3.85Hz→7.14Hz→12.5Hz→16.7Hz→25Hz→交流調(diào)壓起動(dòng)→50Hz的起動(dòng)方案。起動(dòng)過程仿真波形如圖4所示。

圖4 分級(jí)變頻軟啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和定子電流仿真波形Fig.4 Simulation waveforms of torque,speed and stator current are under discrete frequency soft start

由于固定角分級(jí)軟啟動(dòng)和等效正弦分級(jí)軟啟動(dòng)起動(dòng)過程類似，為了能直觀的表達(dá)兩者的差異，利用SIMULINK中FFT Tools分別對(duì)兩種方式得到的7分頻時(shí)定子電流波形進(jìn)行頻譜分析，如圖5所示。

圖5 定子電流頻譜分析Fig.5 Stator current spectrum analysis

由分析可知，在基波含量接近的情況下，采用等效正弦觸發(fā)方式，THD由未采用時(shí)的162.93%變?yōu)?42.57%，定子電流中的諧波含量明顯降低。由此可知該方法優(yōu)化了定子電流波形，從而一定程度上可以抑制寄生轉(zhuǎn)矩帶來的電磁震蕩。

4 樣機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

4.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

樣機(jī)設(shè)計(jì)所采用的控制器為Microchip公司的16位高性能控制器dsPIC6014A-301/PF，主電路與傳統(tǒng)的軟啟動(dòng)器相同?？刂齐娐分饕ǎ弘妷和郊跋嘈驒z測、電源電路、驅(qū)動(dòng)電路、電流檢測電路、接觸器控制電路及按鍵與顯示。軟啟動(dòng)樣機(jī)控制系統(tǒng)[10]框圖如圖6所示。

圖6 分級(jí)變頻軟啟動(dòng)器控制系統(tǒng)框圖Fig.6 Control system diagram of discrete frequency soft starter

4.2 電壓同步及觸發(fā)方案

主回路六路晶閘管的觸發(fā)脈沖需與電源電壓保持嚴(yán)格的相位關(guān)系，即為同步，因此在設(shè)計(jì)當(dāng)中，同步電壓檢測是至關(guān)重要的一環(huán)。由于本系統(tǒng)通過觸發(fā)晶閘管不單要實(shí)現(xiàn)相控調(diào)壓，更為重要的還要根據(jù)分級(jí)變頻的觸發(fā)規(guī)則確定相應(yīng)半波是否觸發(fā)導(dǎo)通以及按等效正弦原理分配觸發(fā)角大小。脈沖觸發(fā)環(huán)節(jié)如圖7所示。

圖7 同步及脈沖觸發(fā)框圖Fig.7 Diagram of synchronization and trigger pulse

對(duì)于觸發(fā)脈沖來說，有雙窄脈沖觸發(fā)和寬脈沖觸發(fā)。采用雙窄脈沖可能會(huì)出現(xiàn)第二個(gè)窄脈沖不觸發(fā)，不能保證工作的可靠性，因此不采用。若采用寬脈沖，雖具有較強(qiáng)的抗擾動(dòng)性能可保證晶閘管準(zhǔn)確觸發(fā)，但卻需要較大的輸出功率和較大容量的變壓器，選擇不合適容易使脈沖變壓器飽和，所以也不采用。因此采用具有足夠功率的窄脈沖序列，代替一定寬度的觸發(fā)脈沖來觸發(fā)六路晶閘管，如圖8所示，既可以保證觸發(fā)的可靠性，又可以防止脈沖變壓器的飽和。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)一臺(tái)額定電壓380/660 V，額定電流11 A，額定功率5.5 KW，額定轉(zhuǎn)速2 900 r/min，三相鼠籠型感應(yīng)電機(jī)，帶額定負(fù)載進(jìn)行不同類別的軟啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)(斜坡電壓起動(dòng)與分級(jí)變頻起動(dòng))，以及不同觸發(fā)方式下的分級(jí)變頻軟啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)所得波形如圖9所示。

圖8 晶閘管觸發(fā)脈沖序列Fig.8 SCR trigger pulse sequences

圖9 實(shí)驗(yàn)波形Fig.9 Experimental waveforms

分級(jí)變頻的分頻方式采用的分頻數(shù)依次為13、7、4、3、2、斜坡電壓軟啟動(dòng)，變頻部分起動(dòng)時(shí)間為5 s, 該段時(shí)間電流有效值很小,最大為1.5 IN。同一時(shí)間段內(nèi)，斜坡電壓軟啟動(dòng)卻一直處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。由此可知分級(jí)變頻軟啟動(dòng)帶負(fù)載能力強(qiáng)，在重載情況下，無疑是較好的選擇。

對(duì)于不同觸發(fā)方式的分級(jí)變頻來說，交流調(diào)壓器輸出電流波形有著明顯的差異，圖10為局部放大的7分頻電流波形。較之固定角的觸發(fā)方式來說，等效正弦分級(jí)軟啟動(dòng)遵循正弦面積等效原理呈現(xiàn)近似正弦形態(tài)，此形態(tài)有助于減少電流中的諧波含量，抑制異步電動(dòng)機(jī)分級(jí)變頻起動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的電磁轉(zhuǎn)矩振蕩。

圖10 分級(jí)變頻7分頻局部電流波形Fig.10 Local current of 7 hierarchical frequency

5 結(jié) 論

傳統(tǒng)的軟啟動(dòng)器由于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小而限制了其應(yīng)用范圍，本文通過對(duì)分級(jí)變頻基本原理的分析與研究，融入等效正弦控制策略，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的高轉(zhuǎn)矩起動(dòng)。根據(jù)仿真及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該理論的正確性及有效性。在不改變?cè)熊泦?dòng)器結(jié)構(gòu)的條件下，通過改變控制策略可實(shí)現(xiàn)等效正弦的分級(jí)變頻起動(dòng)。該方法不僅滿足一般負(fù)載及重載的起動(dòng)要求，而且一定程度改善了電機(jī)定子電流波形，使電機(jī)能平穩(wěn)起動(dòng)，拓寬了軟啟動(dòng)器的應(yīng)用范圍，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

[1] 嚴(yán)垚, 王宏華. 異步電動(dòng)機(jī)離散變頻軟啟動(dòng)技術(shù)的發(fā)展[J]. 機(jī)械制造與自動(dòng)化, 2012, 41(6):196-199.

YAN Yao, WANG Honghua.Development of discrete variable frequency induction motors soft starter[J].Machine Building & Automation, 2012, 41(6):196-199.

[2] 楊順昌, 廖勇, 余渝. 考慮諧波影響后交流勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的分析與計(jì)算[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2003, 18(1):5-9.

YANG Shunchang, LIAO Yong, YU Yu. Analysis and calcualation of electromagnetic torques for AC excited motors incorporating the effect of harmonic currents in the excitation source[J].Transactions of China Electrotechnical Society, 2003, 18(1): 5-9.

[3] 孫津濟(jì), 房建成, 王建民. 異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)過程中的振蕩[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2007, 22(2):15-21.

SUN Jinji, FANG Jiancheng, WANG Jianmin.Oscillation in soft-starting of induction motor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2007, 22(2): 15-21．

[4] 趙凱岐, 王毅, 徐殿國,等. 晶閘管控制的感應(yīng)電機(jī)中提高起動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩的一種新策略[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2004, 24(3):145-150.

ZHAO Kaiqi, WANG Yi, XU Dianguo, et al. A new strategy to improve electromagnetic starting induction motors[J].Proceedings of the CSEE, 2004, 24(3):145-150.

[5] 周封, 曹俊雷, 劉健,等. 電動(dòng)機(jī)離散變頻軟起動(dòng)分頻及最優(yōu)切換相位控制[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2016,20(3): 13-20.

ZHOU Feng, CAO Junlei, LIU Jian,et al.Optimal switching phase and frequency splitting strategy of discretefrequency conversion soft starting control for asynchronous motor[J].Electric Machines and Control, 2016,20(3): 13-20.

[6] 王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2009：162-169.

[7] 孟彥京, 張陳斌, 陳君,等. 一種基于正弦波電壓空間矢量的新型軟起動(dòng)器[J]. 電力電子技術(shù), 2014, 48(7):28-31.

MENG Yanjing, ZHANG Chenbin, CHEN Jun,et al. A novel soft starter based on sine wave voltage space vector[J].Power Electronics, 2014,48(7):28-31.

[8] 洪乃剛. 電力電子和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的MATLAB仿真[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社,2010：139-146.

[9] 胡紅明, 毛承雄, 陸繼明,等. 分級(jí)交-交變頻高轉(zhuǎn)矩軟啟動(dòng)器原理和仿真[J]. 電氣傳動(dòng), 2009, 39(2):16-19.

HU Hongming, MAO Chenxiong, LU Jiming,et al.Discrete frequency principle and simulation of high torque soft starter[J]. Electric Drive, 2009, 39(2):16-19．

[10] 童軍, 張臻, 郭昌永. 電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)功率因數(shù)角閉環(huán)控制技術(shù)研究[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2013, 17(12):51-56.

TONG Jun, ZHANG Zhen, GUO Changyong. Study of power factor angle closed-loop control technology in soft-starter[J]. Electric Machines and Control,2013,17(12):51-56.

(編輯：張 楠)

Research and design of discrete frequency soft starter based on equivalent sine wave principle

TONG Jun1， QIAO Jiang1， GUO Chang-yong2， LIU Li-juan1， ZHU Li-peng1

(1.College of Electrical and Control Engineering, Xi′an University of Science and Technology, Xi′an 710054, China; 2. Xi′an Branch of Gan Su Rong He Mining Equipment Group, Xi′an 710043, China)

Due to the torque of traditional soft starter is low and cannot meet the starter of heavy load needs,by using discrete frequency theory and VVVF control strategy for reference,a control method of discrete frequency soft starter was put forward based on equivalent sine. This method lowers harmonic content of motor stator’s phase current and reduces torque ripple during the process of discrete frequency soft starting so as to stabilize heavy load starting.Simulation model of seven-phase equivalent sinusoidal control system testifies the reasonability of this theory. On the basis of the above, discrete frequency soft starter experimental prototype was produced. The experimental result indicates that this method improve current waveform of motor starter effectively and is consistent with simulation result.

induction motor; soft starter; discrete frequency; equivalent sine wave principle

2015-03-12

國家自然科學(xué)基金(51307137)

童 軍(1962—)，男，碩士，教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)及電路與系統(tǒng)；

喬 江(1989—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮与娐放c裝置；

喬 江

10.15938/j.emc.2016.11.006

TM 343

A

1007-449X(2016)11-0040-06

郭昌永(1984—)，男，本科，工程師，研究方向?yàn)榈V用防爆電氣設(shè)備的研發(fā)與設(shè)計(jì);

劉麗娟(1990—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮与娐放c裝置；

朱理鵬(1990—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮与娐放c裝置。