孟彥京，蔣 超，陳 君，李逸博

（陜西科技大學(xué)，陜西西安 710021）

基于電壓空間矢量高轉(zhuǎn)矩軟啟動(dòng)的研究

孟彥京，蔣 超，陳 君，李逸博

（陜西科技大學(xué)，陜西西安 710021）

利用電壓空間矢量原理，通過同時(shí)調(diào)節(jié)電機(jī)輸入電壓的幅值和頻率，得到適當(dāng)?shù)碾妷菏噶?，從而提高電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。提出了實(shí)現(xiàn)不同頻率電壓的電壓矢量觸發(fā)方式和使電機(jī)平穩(wěn)啟動(dòng)的相鄰頻率電壓矢量切換方法。采用仿真軟件Matlab對所搭建的控制系統(tǒng)進(jìn)行建模與仿真，采用STM32搭建了該軟啟動(dòng)器的控制系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場電機(jī)啟動(dòng)試驗(yàn)。仿真結(jié)果、現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果與傳統(tǒng)軟啟動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果表明基于電壓空間矢量軟啟動(dòng)控制策略有利于提高電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

電壓空間矢量；分級變頻；軟啟動(dòng)；啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩

傳統(tǒng)軟啟動(dòng)器一般是在工頻50 Hz下，采取斜坡升壓或限流啟動(dòng)等方式來抑制電機(jī)的啟動(dòng)電流［1-2］，有效地減小了電流沖擊對電機(jī)、電網(wǎng)的危害。但這種啟動(dòng)方式同時(shí)還降低了電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，無法用于要求重載啟動(dòng)的負(fù)載［3］。針對以上問題，筆者采用電壓空間矢量原理，在不改變傳統(tǒng)軟啟動(dòng)器硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過改變晶閘管觸發(fā)策略，在改變電壓幅值同時(shí)改變電壓頻率，實(shí)現(xiàn)電機(jī)高轉(zhuǎn)距小電流啟動(dòng)［4-6］。

1 原理分析

1.1 高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩原理

電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩Te表達(dá)式為：

式中：m為相數(shù)；p為極對數(shù)；f為電源頻率；U為定子電壓；r1為定子繞組電阻；r2′為轉(zhuǎn)子繞組電阻；x1σ為定子繞組漏電抗；x2σ′為轉(zhuǎn)子繞組漏電抗；s為轉(zhuǎn)差率。

由式（1）可得到電機(jī)的機(jī)械特性曲線，如圖1所示。

圖1是電機(jī)定子繞組輸入端采用不同控制策略的對比曲線。曲線1表示電機(jī)以降低頻率并保持壓頻比不變的調(diào)壓變頻方式啟動(dòng)；曲線2表示電機(jī)以頻率不變而降低啟動(dòng)電壓的調(diào)壓方式啟動(dòng)。圖中曲線與橫坐標(biāo)的交點(diǎn)表示電機(jī)轉(zhuǎn)速為0時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩，即電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小反映了電機(jī)帶載啟動(dòng)能力的強(qiáng)弱。可以看出，曲線1的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩是曲線2的5倍，即電機(jī)按照電壓空間矢量原理變頻啟動(dòng)的帶載能力明顯提高。在定子電壓下降的同時(shí)，減小電機(jī)輸入電源頻率，將會減少電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的損失，就可以解決傳統(tǒng)軟啟動(dòng)器的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小的問題。

1.2 空間矢量策略的實(shí)現(xiàn)

利用空間矢量原理實(shí)現(xiàn)調(diào)壓變頻的控制策略是將啟動(dòng)過程分為若干階段，每個(gè)階段的頻率不同；各階段的頻率由低向高，最后達(dá)到工頻。

在每個(gè)不同頻率段，通過控制晶閘管的導(dǎo)通順序和導(dǎo)通角，同時(shí)觸發(fā)兩相定子繞組上的電壓，形成如圖2所示電壓波形圖，其中陰影部分為有效觸發(fā)電壓。

采用圖2中陰影部分電壓信號，同時(shí)觸發(fā)兩相定子繞組上的電壓并按照AC→BC→BA→CA→CB→AB→AC的順序依次觸發(fā)電壓矢量，建立圖3所示的磁鏈軌跡，用六邊形磁鏈軌跡去近似圓形磁鏈軌跡。

將原來在一個(gè)工頻周期內(nèi)完成觸發(fā)的電壓矢量，調(diào)整到在n個(gè)周期內(nèi)完成觸發(fā)運(yùn)行，從而將電源頻率從工頻變?yōu)楣ゎl的n分頻。電壓空間矢量控制策略能使頻率變?yōu)楣ゎl頻率50 Hz的1／n，即50 Hz的n分頻。

啟動(dòng)過程中，電機(jī)輸入電壓頻率分級變化。分頻頻率的選擇應(yīng)采用三相對稱的頻率。文獻(xiàn)［7］中推導(dǎo)出對稱頻率為50 Hz的（3k+1）分頻，即4分頻、7分頻等。相鄰頻率切換時(shí)應(yīng)避免頻率變化過大。在本控制策略中，4分頻切換至工頻頻率過程中加入不對稱的3分頻，2分頻作為過渡頻率，這樣可以減小電壓突變引起的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，減小對電機(jī)及其負(fù)載造成危害。

頻率切換過程中，為保持磁通不變，采用恒壓頻比控制（220 V- 50 Hz），切換過程的機(jī)械特性曲線如圖4所示。

圖4中，垂直于橫軸的直線為電機(jī)負(fù)載曲線；曲線1是電機(jī)在31 V- 7.14 Hz下運(yùn)行的機(jī)械特性曲線；曲線2是電機(jī)在55 V- 12.5 Hz下運(yùn)行的機(jī)械特性曲線；曲線a是電機(jī)在31 V- 12.5 Hz下運(yùn)行的機(jī)械特性曲線。

在電機(jī)啟動(dòng)過程中，為了使曲線1平穩(wěn)切換至曲線2，采用先變頻后調(diào)壓的方式進(jìn)行相鄰頻率間的切換。首先，保持電壓有效值不變，提高頻率至目標(biāo)頻率，電機(jī)機(jī)械特性曲線如曲線a所示。其次，逐漸增加電壓，使得電機(jī)從曲線a按照一簇漸變的調(diào)壓機(jī)械特性曲線（a、b、…、n）逐步達(dá)到曲線2，從而完成相鄰頻率的切換。

利用空間矢量原理實(shí)現(xiàn)了在調(diào)節(jié)電機(jī)輸入電壓的同時(shí)，改變電源頻率，在降低啟動(dòng)電流的同時(shí)，獲得高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于電壓空間矢量的軟啟動(dòng)器控制系統(tǒng)主要包括：電源電路、電流檢測電路、電壓缺相和相序檢測電路、晶閘管觸發(fā)脈沖形成和脈沖功放電路、接觸器控制電路、顯示和鍵盤電路及STM32，如圖5所示。

該控制系統(tǒng)以STM32作為主控MCU（Microcontroller Unit），接收來自電壓缺相和相序檢測電路、電流檢測電路的信號，根據(jù)鍵盤電路的輸入指示計(jì)算并輸出晶閘管門極脈沖的觸發(fā)脈沖。

3 工作流程

基于電壓空間矢量的高轉(zhuǎn)矩軟啟動(dòng)器采用有級變頻的方式，即f／n1→f／n2→f／ni→…→f／nk→f的順序進(jìn)行分頻啟動(dòng)。其中k是分頻級數(shù)，f／ni是當(dāng)前頻率值。

首先，由電壓缺相和相序檢測電路檢測輸入三相電源是否缺相，相序是否正確；用戶可以通過鍵盤電路輸入設(shè)置分頻級數(shù)k；根據(jù)電壓空間矢量控制策略按照頻率由低向高的順序在各個(gè)分頻區(qū)間內(nèi)制定三相觸發(fā)順序，STM32計(jì)算三相晶閘管的觸發(fā)角；最后晶閘管觸發(fā)脈沖形成和脈沖功放電路按照計(jì)算結(jié)果輸出脈沖信號控制晶閘管觸發(fā)角，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)啟動(dòng)過程的調(diào)壓變頻控制，達(dá)到提高啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，抑制啟動(dòng)電流的目的。工作流程如圖6所示。

4 建模及仿真

本試驗(yàn)對22 k W電機(jī)進(jìn)行仿真分析。軟啟動(dòng)系統(tǒng)仿真模型如圖7所示。由晶閘管導(dǎo)通角模塊將給定的導(dǎo)通角發(fā)送給脈沖觸發(fā)器模塊，按照電壓空間矢量原理產(chǎn)生脈沖信號控制晶閘管模塊中的6個(gè)晶閘管的觸發(fā)角，以控制加在定子繞組兩端的電壓。由測試模塊對電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)進(jìn)行測試。

電機(jī)按照分級變頻啟動(dòng)方式啟動(dòng)，頻率分為5個(gè)等級，7.14、12.5、16.7、25和50 Hz。啟動(dòng)過程定子相電壓波形如圖8所示。

軟啟動(dòng)器在0－0.5 s仿真區(qū)間由7分頻單獨(dú)作用，0.5－1 s由4分頻單獨(dú)作用，1－1.25 s由3分頻單獨(dú)作用，1.25－1.36 s由2分頻單獨(dú)作用，1.36 s后切換至工頻啟動(dòng)，啟動(dòng)過程結(jié)束。

電機(jī)在初始電壓頻率7.14 Hz下運(yùn)行時(shí)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小是電機(jī)能否帶載正常起動(dòng)的關(guān)鍵。電機(jī)在該頻率下運(yùn)行的電磁轉(zhuǎn)矩和電機(jī)轉(zhuǎn)速波形圖如圖9所示。

傳統(tǒng)軟啟動(dòng)方式是以斜坡升壓方式啟動(dòng)，其電磁轉(zhuǎn)矩和電機(jī)轉(zhuǎn)速波形圖如圖10所示。

對比圖9和圖10可以得知：電壓空間矢量軟啟動(dòng)相較于傳統(tǒng)軟啟動(dòng)，前者啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩約是后者的10倍，帶載能力明顯提高。

5 現(xiàn)場試驗(yàn)

試驗(yàn)環(huán)境為22 k W異步電機(jī)，380 V- 50 Hz三相交流電源，軟啟動(dòng)器，磁粉制動(dòng)器（用于模擬負(fù)載）。測試工具為DT3351鉗形電流表、示波器及萬用表。測得電機(jī)在7分頻運(yùn)行時(shí)的定子電壓波形如圖11所示。

試驗(yàn)測得電機(jī)采用不同控制策略時(shí)帶載情況如表1所示。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)表明電壓空間矢量原理的軟啟動(dòng)相比于傳統(tǒng)軟啟動(dòng)，在不改變硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上其帶載能力提高了30%，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)高轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)啟動(dòng)。

6 結(jié)束語

基于電壓空間矢量的軟啟動(dòng)研究，根據(jù)電壓空間矢量原理，運(yùn)用分級變頻軟啟動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的提高。以STM32為主控器件搭建了軟啟動(dòng)器的控制系統(tǒng)。以22 k W電機(jī)模型為對象，利用Matlab軟件對其在各分頻頻率段運(yùn)行時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行仿真，與傳統(tǒng)軟啟動(dòng)啟動(dòng)過程電機(jī)轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩仿真波形圖對比；以22 k W電機(jī)為試驗(yàn)對象，采用不同控制策略時(shí)，對電機(jī)帶載能力進(jìn)行測試。仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果都證明了采用電壓空間矢量原理的軟啟動(dòng)器，比之傳統(tǒng)軟啟動(dòng)器，有效地提高了電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，能夠用于需要重載啟動(dòng)的場合，擁有更廣闊的應(yīng)用前景。

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Study of High Torque Softs Tarter Based on Voltage Spaee Veetor

MENG Yanjing，JIANG Chao，CHEN Jun，LI Yibo
（Shaanxi University of Science and Technology，Xi'an 710021，Shaanxi，China）

voltage space vector；discrete frequency；soft starter；starting torque

TM343

A

1673-6524（2015）04-0034-05

2015- 03- 20；

2015- 05- 18

孟彥京（1956－），男，教授，博士，主要從事電力電子與電力技術(shù)方向研究。E-mail：419771692＠qq.com

蔣超（1990－），男，碩士研究生，主要從事控制理論與控制工程、電力電子方向研究。E-mail：419771692＠qq.com

Abstraet：In accordance with the principle of voltage space vector，through regulating the amplitude and frequency of the input voltage，the appropriate voltage vector is to be obtained so as to improve the starting torque.A presentation is made of the voltage vector triggering method under different frequencies and the voltage vector switching method for the adjacent frequency of the motor in terms of stable starting.Matlab，a kind of simulation software，is used to model and simulate and STM32 is used to build the control system of the soft starter in field motor starting test.Compared statistically with the traditional soft starting results as well as simulation results，the test results show that soft starting control strategy based on the voltage space vector is advantageous to improving the starting torque of the motor.