陳　濤，張　軍

(1.河南工程學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院, 河南 鄭州 451191;2.風(fēng)神輪胎股份有限公司 設(shè)備工程部, 河南 焦作 454000)

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異步電機全轉(zhuǎn)速范圍軟啟動方法

陳濤1，張軍2

(1.河南工程學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院, 河南 鄭州 451191;2.風(fēng)神輪胎股份有限公司 設(shè)備工程部, 河南 焦作 454000)

針對異步電機啟動電流過大的問題，提出了一種基于分級變頻與周波調(diào)壓相結(jié)合的全轉(zhuǎn)速范圍可控軟啟動方法.分級變頻能夠有效地提高異步電機的啟動轉(zhuǎn)矩和重載啟動能力；周波調(diào)壓方法能夠有效地減少輸出電壓及輸出電流死區(qū)，提高軟啟動器輸入與輸出側(cè)功率因數(shù).基于該方法，完成了軟啟動裝置的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計并對所提方法進行了驗證，結(jié)果證實了該方法的有效性.

異步電機; 軟啟動; 分級變頻; 周波調(diào)壓

三相異步電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟、運行可靠等諸多優(yōu)勢,在交流驅(qū)動領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，然而作為其技術(shù)痼疾的啟動電流過大問題不容忽視.針對此問題，大量文獻提出了以晶閘管調(diào)壓為基礎(chǔ)的軟啟動方法，但由于異步電機電磁轉(zhuǎn)矩與定子端電壓平方成正比，導(dǎo)致該方法啟動的電磁轉(zhuǎn)矩較小，無法用于重載啟動領(lǐng)域[1].同時，受晶閘管相控方式的制約，異步電機低速運行時晶閘管調(diào)壓方法輸出功率因數(shù)較低，輸出側(cè)及電網(wǎng)側(cè)電流諧波較為嚴重，影響該方法的整體應(yīng)用效果.以高性能通用變頻器為基礎(chǔ)的異步電機變頻調(diào)速能夠有效地解決啟動電流過大及晶閘管調(diào)壓方法存在的啟動電磁轉(zhuǎn)矩降低問題，但其成本較高，限制了它的應(yīng)用.因此，在解決異步電機啟動電流問題的同時，克服傳統(tǒng)晶閘管調(diào)壓方法存在的技術(shù)不足及變頻調(diào)速成本過高的問題，研究一種具有高啟動轉(zhuǎn)矩、高功率因數(shù)、寬范圍啟動過程調(diào)節(jié)能力的交流異步電機軟啟動方法尤為重要.

為此，提出了一種以電源半波為基本控制單元的異步電機分級變頻啟動方法，該方法能夠通過簡單的功率變換結(jié)構(gòu)近似實現(xiàn)異步電機的變頻調(diào)速性能，保證高啟動轉(zhuǎn)矩和啟動過程的高功率因數(shù).同時，將該方法與以電源周波為最小控制單元的調(diào)壓方法相結(jié)合，可以克服分級變頻輸出頻率較低的不足，實現(xiàn)異步電動機全轉(zhuǎn)速范圍的可控啟動，避免了分級變頻單一控制模式啟動過程中存在的二次電流沖擊問題.

1　分級變頻與周波調(diào)壓方法

1.1分級變頻方法

分級變頻概念由美國學(xué)者Ginart Antonio于1999年提出[2]，基本思路為通過一定的控制策略，以電源半波為基本控制單元，將多個周期的交流電合并為一個工作周期，實現(xiàn)變壓變頻輸出.因此，該方法可以通過簡單的功率變換結(jié)構(gòu)近似實現(xiàn)異步電機的變頻調(diào)速.

假設(shè)分級變頻變換前為abc坐標系，變換后則記為ABC坐標系，令分頻后的A相初始相位和分頻前的a相初始相位相等，則變換前后的三相正序電壓表達式[3]為

(1)

(2)

式中：uim為網(wǎng)側(cè)電壓幅值，uom為變換后的電壓幅值，ωi為網(wǎng)側(cè)電壓角頻率，ωo為變換后的電壓角頻率.令分頻數(shù)為正整數(shù)v，則存在

ωi=vωo.

(3)

式(1)中，假設(shè)a相相位角為零，則b相過零點滿足

(4)

式中：k為正整數(shù).式(2)中，假設(shè)A相相位角為零，B相落后A相αB電角度，結(jié)合式(3)和式(4)，若變換后產(chǎn)生正序電壓，則有

(5)

求解式(5)可得

(6)

由于k取整數(shù)，滿足分頻后獲得正序電壓約束下，則v取1,4,7,10,13.若取負序約束條件，則式(5)為

(7)

求解式(7)可得

(8)

由于k取整數(shù)，滿足分頻后獲得負序電壓約束下，則v取2,5,8,11.

文獻[4-5]證明，對于2分頻和3分頻輸出而言，其輸出電壓不平衡，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為正或負與電壓組合形式有關(guān).輸出電壓組合形式取決于三相相位組合形式，實際應(yīng)用中仍需要通過大量的實驗獲取.實驗表明,2分頻段的三相相位為0°/-240°/-300°時合成正向轉(zhuǎn)矩最大；3分頻段的三相相位為0°/-100°/-260°時合成正向轉(zhuǎn)矩最大.因此，該方法選取分級頻段依次為f/10, f/7, f/4, f/3, f/2.

1.2周波調(diào)壓方法

圖1　周波調(diào)壓原理Fig.1　The schematic diagram of cycle voltage regulation

由分級變頻原理可知，該方法最高輸出電壓頻率為輸入電壓頻率的50%，所以采用分級變頻啟動異步電機時，其最高轉(zhuǎn)速可以達到額定轉(zhuǎn)速的50%.為避免分級變頻啟動后直接滿壓導(dǎo)致二次電流沖擊，在異步電機50%額定轉(zhuǎn)速以上運行區(qū)域引入周波調(diào)壓方法，將其與分級變頻相結(jié)合，實現(xiàn)異步電機全轉(zhuǎn)速范圍的可控啟動.

周波調(diào)壓以電源周波為基本控制單元，通過功率變換實現(xiàn)輸出電壓有效值的調(diào)節(jié).與晶閘管相控調(diào)壓相比，該方法輸出電壓畸變率低、諧波污染小、功率因數(shù)高，如圖1所示.

由圖1可見，改變一相晶閘管的通斷占空比K，即可以改變輸出電壓有效值.理論上,改變K可以實現(xiàn)任意級差的電壓輸出，但大量實驗證明2個以上電源周波處于失電狀態(tài)而靠慣性維持電機運行時，其運行穩(wěn)定度將嚴重下降.為此，確定異步電機的失電時長為一個電源周波，通過改變導(dǎo)通周波個數(shù)調(diào)節(jié)輸出電壓有效值，占空比

(9)

式中：n為一個控制周期中的電源周波總數(shù).取n為不同正整數(shù)，可以得到不同輸出電壓的有效值，具體對應(yīng)關(guān)系如表1所示.

表1　輸出/輸入電壓有效值與控制周期的對應(yīng)關(guān)系

由表1可見，通過不斷調(diào)整控制周期，可以得到級差較小的輸出電壓;隨著控制周期的增加，輸出電壓級差逐步減少.為降低難度，選取控制周期為2,3,4,7并與分級變頻相協(xié)配，實現(xiàn)異步電機全范圍可控啟動.

2　軟硬件系統(tǒng)

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2　The structure of induction motor drive system

2.1硬件

硬件系統(tǒng)如圖2所示，包括功率變換電路、過零檢測電路、電流檢測電路、驅(qū)動電路等.功率變換電路采用雙向晶閘管,以保證電流的雙向流動；同步電壓檢測電路通過檢測三相電壓過零點，確定晶閘管的觸發(fā)時刻；驅(qū)動電路實現(xiàn)強弱電系統(tǒng)的電氣隔離，為晶閘管提供合適的驅(qū)動信號；電流檢測電路實現(xiàn)異步電機啟動電流監(jiān)控，為恒流啟動方式提供定量依據(jù).此外，系統(tǒng)采用STM32單片機執(zhí)行控制方法并提供人機交互.

圖3　過零檢測電路Fig.3　The zero crossing detection circuit

2.1.1過零檢測電路

以電源半波和電源周波為控制單元的分級變頻及周波調(diào)壓方法需要獲取準確的電源電壓過零點.采用電壓互感器檢測電源電壓，通過過零比較電路產(chǎn)生過零觸發(fā)信號控制功率變換電路，電壓互感器產(chǎn)生的相位偏移通過在互感器原邊配置調(diào)相電容予以解決.由于輸入電源采用三相三線模式，故需要在過零觸發(fā)電路中配置人工中性點以實現(xiàn)相電壓檢測，如圖3所示.

2.1.2驅(qū)動電路

驅(qū)動電路將觸發(fā)信號隔離、放大后送到功率變換電路，實現(xiàn)雙向晶閘管的可靠驅(qū)動.采用MOC3021晶閘管專用驅(qū)動芯片，并采用其典型應(yīng)用電路及外圍協(xié)配參數(shù)，如圖4所示.

2.1.3電流檢測電路

電流檢測采用的是L18P010D15電流互感器，額定工作電流為±10 A，最大工作電流為±30 A，精度為±1%，副邊負載電阻采用10 K的精密電阻，輸出電壓為(4±0.04)V，具體電路如圖5所示，檢測電流經(jīng)調(diào)理后送AD7606進行交流采樣，采樣數(shù)據(jù)送STM32進行有效值的計算.

圖4　雙向晶閘管驅(qū)動電路Fig.4　The drive circuit of bidirectional thyristor

圖5　電流檢測電路Fig.5　The detection circuit of current

2.2軟件

軟件系統(tǒng)采用模塊化方法設(shè)計，主要完成參數(shù)的初始化設(shè)置、相序判斷、分級變頻及周波調(diào)壓中斷子程序的執(zhí)行等，主程序流程中的分級變頻及周波調(diào)壓中斷子程序通過定時中斷執(zhí)行，如圖6所示.

圖6　主程序及子程序Fig.6　The flow chart of main program and subprogram

3　實驗

選取阻性和感性兩種負載類型依次進行實驗，阻性負載為3個1 000 W的白熾燈，星形連接；感性負載為YVPL-4三相異步電動機，參數(shù)見表2.

表2　三相異步電動機參數(shù)

圖7　分級變頻及周波調(diào)壓輸出電壓波形Fig.7　The output voltage waveform of discrete variable frequency and cycle voltage regulation

圖8　分級變頻及周波調(diào)壓輸出電流波形Fig.8　The output current waveform of discrete variable frequency and cycle voltage regulation

由圖7可見，本方法能夠獲得較為理想的電壓波形輸出，周波調(diào)壓方式輸出電壓波形正弦度高，諧波含量小.圖8為電機空載狀態(tài)下的電流波形，隨著負載的增加，電動機負載電流波形死區(qū)將進一步縮小，能夠保證電機啟動過程中轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的平滑性.因此，基于分級變頻及周波調(diào)壓的異步電機啟動方法能夠?qū)崿F(xiàn)電機全轉(zhuǎn)速范圍的可控軟啟動，低速運行區(qū)域能夠以較低成本獲取類似變頻調(diào)速的大啟動轉(zhuǎn)矩,高速運行區(qū)可以獲得較高的功率因數(shù).

4　結(jié)論

針對異步電機傳統(tǒng)軟啟動方法存在的啟動轉(zhuǎn)矩小、功率因數(shù)低等技術(shù)不足，提出了基于分級變頻與周波調(diào)壓的全轉(zhuǎn)速范圍軟啟動方法，對該方法進行了理論分析和實驗驗證.結(jié)果表明,該方法能夠?qū)崿F(xiàn)異步電機全轉(zhuǎn)速范圍可控啟動，可避免分級變頻后直接滿壓導(dǎo)致的二次電流沖擊.同時，在異步電機啟動過程低速段能夠以較低成本近似獲取變頻調(diào)速的高啟動轉(zhuǎn)矩，提高帶載啟動能力；在啟動過程高速段則可以有效降低輸出電壓及電流諧波，提高功率因數(shù).

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The soft starting method for full speed adjusting range of induction motor

CHEN Tao1, ZHANG Jun2

(1.College of Electrical Information Engineering, Henan University of Engineering,Zhengzhou451191,China; 2.AeolusTireCo.,Ltd.,Jiaozuo454000,China)

The soft starting method integrated with discrete variable frequency and cycle voltage regulation is proposed in this paper to solve the problem of large starting current of induction motor. The discrete variable frequency method has the ability to improve the starting torque and the load capability of induction motor, and the cycle variable voltage method is able to reduce the dead time of output voltage and current, improve the input and output power factor of the soft starter. Based on the proposed method, the hardware and software system of the soft starter is designed, the experimental verification is also implemented, and the experimental results validate the availability of the proposed method.

induction motor; soft starting; discrete variable frequency; cycle voltage regulation

2015-04-21

河南省高等學(xué)校重點科研項目(15B470001)

陳濤(1981-)，男，河南周口人，副教授，主要從事電機驅(qū)動及故障診斷方面的研究.

TM343

A

1674-330X(2016)03-0054-05