孟彥京，李 鳴，榮為青，高澤宇

(陜西科技大學，西安 710021)

0 引 言

異步電動機作為基本動力源在工業(yè)領域廣泛應用，它具有結構簡單、運行可靠、價格低廉和環(huán)境適應性強等諸多優(yōu)點[1-2]。但因其起動電流大、起動轉矩小，必須空載或輕載起動，給需要帶載起動的應用帶來不便[3-4]。目前常用的軟啟動器所依據(jù)的理論是電動機穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型的調壓調速原理，在降低起動電流的同時也降低了起動轉矩[5-6]。因此，具有高起動轉矩的軟起動設備的研發(fā)成為解決問題的關鍵[7]。

為了改善異步電動機的起動性能，在降低起動電流的情況下有效增加起動轉矩，文獻[8-9]提出了離散變頻軟起動的原理及控制方法，后經(jīng)仿真和實驗驗證，該方法諧波含量較高且?guī)лd能力有限、轉矩脈動大；文獻[10-11]提出了一種基于六邊形空間電壓矢量的軟起動控制方法，它在離散變頻原理的基礎上引入了空間電壓矢量原理。該方法雖然在一定程度上降低了離散變頻軟起動的諧波、有效減小了諧波轉矩，但由于其離散變頻的基本特征沒變，只能實現(xiàn)有級變頻，故不能完全滿足工業(yè)實際的需求。

變頻器作為高性能的調速設備是電機軟起動非常理想的選擇，其一般采用矢量控制方法和直接轉矩控制方法，使異步電動機起動系統(tǒng)具有優(yōu)良的動態(tài)、靜態(tài)性能，調速范圍寬，平滑性好，節(jié)能效果顯著。但是采用變頻器作軟啟動器，在不需要調速的工控場合中存在著當電機起動完成后變頻軟啟動器難以旁路退出的問題，造成大量不必要的能源浪費[12-13]。

基于上述分析，本文提出一種能夠連續(xù)變頻的新型可旁路變頻軟啟動器。通過對傳統(tǒng)交直交變頻器主電路拓撲結構進行改進，實現(xiàn)變頻軟啟器的旁路退出功能，使其在單臺電機起動完成后還可以應用于其他電機的軟起動或者調速生產(chǎn)中，如此實現(xiàn)一機多用，大幅度降低成本；而且其優(yōu)越的性能也很好地解決了異步電動機的起動問題，使之既可以應用于電機變頻調速領域又可以應用于軟起動領域，打破軟啟動器與變頻器的界限，具有較高的性價比。

1 可旁路變頻軟啟動器的結構和工作原理

1.1 可旁路變頻軟啟動器的系統(tǒng)組成

常用的交-直-交電壓型變頻器主回路結構如圖1所示，左側為二極管不可控整流橋，將三相交流電整流成電壓恒定的直流電壓；中間為大電容濾波，這是為了減小直流電壓脈動而設置；右側為逆變器，它由6個IGBT構成三相逆變橋，將直流電壓變換為頻率與電壓均可調的交流輸出[14]。

圖1 傳統(tǒng)交-直-交變頻器主回路結構圖

本文提出的一種新型可旁路變頻軟啟動器控制系統(tǒng)整體結構如圖2所示，主要包括三相整流橋、三相逆變橋、采樣電路、控制電路與驅動電路。與圖1相比，本結構在傳統(tǒng)交直交變頻器主電路拓撲結構的基礎上進行了適當?shù)母倪M：將目前通用型變頻器直流母線并聯(lián)的大容量電解電容替換成一個小電容C2，同時在母線端再并聯(lián)一個串聯(lián)帶有續(xù)流二極管的功率開關管的小電容C1，電容均采用不超過幾百微法的無極電容，取消了傳統(tǒng)變頻器主電路中的大容量電容器組件，降低了變頻器的重量及成本；為了實現(xiàn)旁路，本結構在三相逆變橋的出線端以及電網(wǎng)和電機之間串聯(lián)有旁路接觸器開關K1,K2,K3,K4,K5,K6，控制器通過驅動電路控制所有的旁路接觸器，形成新的交流-直流-交流拓撲結構。

圖2 可旁路變頻軟啟動器控制系統(tǒng)整體框圖

1.2 可旁路變頻軟啟動器的工作原理

1.2.1 直流母線電容的充放電控制原理

普通變頻器直流回路電容的作用有兩個：一是濾波，使直流電壓近似為平直的水平線；二是吸收回饋能量，當帶電機等感性負載時，電容的作用就是吸收掉電感續(xù)流時刻在直流母線上產(chǎn)生的尖峰電壓。

本方案由于主電路結構的變化，使新型可旁路變頻軟啟動器工作原理和直流母線電壓波形相較于傳統(tǒng)變頻器發(fā)生較大的改變。在此種拓撲形式下，并聯(lián)在直流母線的小電容濾波作用很小，因此，三相整流橋輸出的電壓波形由近似直流變?yōu)槊恳还ゎl周期具有6個波頭的脈動直流電壓，如圖3所示，使變頻軟啟動器輸出端與電網(wǎng)具有直接連接關系而為后續(xù)旁路切換提供條件。

圖3 無濾波大電容時直流母線電壓波形圖

當變頻軟啟動器所帶負載為感性時會存在電感續(xù)流的狀態(tài)。電路工作于能量回饋模式時，由于采用不可控整流，能量不能從直流側回饋至電網(wǎng)，因此通過電容形成續(xù)流回路來儲存電感中的能量。此時沒有了大電容吸收能量，現(xiàn)有直接并聯(lián)在母線的電容容值相對較小，其續(xù)流能力有限，不能完全吸收電機負載回饋到母線的全部能量，因此當續(xù)流電流流向直流母線時會產(chǎn)生泵升電壓。若母線電壓高于設定的閾值時，由控制器發(fā)出觸發(fā)信號導通并聯(lián)在母線上串聯(lián)電容的功率開關管，使該并聯(lián)支路上的電容接入電路吸收電機回饋的能量以消除泵升電壓，起到緩沖無功能量的作用；當母線電壓小于設定的閾值時，控制器發(fā)出信號關斷功率開關管。這一結構解決了負載能量反饋到直流母線的問題，以實現(xiàn)無大容量電解電容變頻軟啟動器的控制過程。

1.2.2 可旁路變頻軟啟動器的運行原理

本文所述的是一種無大電解電容的新型可旁路變頻軟啟動器，首先通過傳統(tǒng)變頻調速理論對電機進行連續(xù)變頻的軟起動控制，當電機起動完成達到工頻時，采用相應的控制算法使電網(wǎng)的三相與電機的三相具有直接連接關系，通過控制器對電壓電流進行檢測以找到電流過零點這一最佳旁路時機來實現(xiàn)變頻軟啟動器的旁路。

當這種新型可旁路變頻軟啟動器工作在變頻調速狀態(tài)時，因為電源為脈動直流，所以其控制算法應該對直流電壓變化的因素進行考慮，這個可以通過控制PWM的實時伏秒積進行補償，也可以通過空間電壓矢量的方法進行實時計算控制。變頻控制策略與傳統(tǒng)的變頻器控制相同，可以采用恒壓頻比、磁鏈軌跡或直接轉矩控制等，在此不再贅述，本文只討論達到工頻后的切換問題。

在電機成功起動并達到工頻電網(wǎng)頻率時，通過相位調節(jié)使三相逆變橋輸出與電網(wǎng)電壓同頻同相位后增大調制比，使之工作在過調制狀態(tài)，并轉變?yōu)?20°調制方波控制方式，使三相逆變橋工作于與電網(wǎng)同步的近似兩相導通工作模式，不考慮高頻調制段的輸出，則方波段輸出的電壓可以近似為兩相導通的供電模式，圖4為調制方波觸發(fā)信號時序圖。

圖4 調制方波觸發(fā)信號時序圖

通過控制輸出頻率和相位，使整流側電壓處于電網(wǎng)A，B相導通時，VT1，VT6的方波段對應如圖4的t1到t2時間段，在電機端形成電壓矢量UAB；同理，當整流側電壓處于電網(wǎng)A，C相導通時，VT1，VT2的方波段對應圖4中的t3到t4時間段，在電機端形成電壓矢量UAC。其情況以此類推，以此形成如圖5所示的50 Hz的正六邊形磁場，在120°調制方波的控制方式下使電機正常運行且定子端電壓與電網(wǎng)一致時，通過檢測電流過零點即可以進行變頻軟啟動器的旁路切換動作。

圖5 空間電壓矢量六邊形

2 變頻軟啟動器的旁路切換控制過程

2.1 變頻軟啟動器旁路時機選取條件

目前變頻器存在起動電機負載后難以旁路而導致變頻器不能充分利用，使設備成本較高等問題。本文研究的新型變頻器拓撲結構在直流母線上保留了直接來自電網(wǎng)的6個波頭脈動電壓，使電網(wǎng)電壓通過整流橋的二極管與逆變橋的IGBT直接作用到負載上，當電機起動完成，頻率為工頻時，調節(jié)相位并使電機以過調制的方法過渡在120°調制方波的控制方式下運行，此時欲將電動機切換到工頻電網(wǎng)。

為了實現(xiàn)電機的軟切換，盡可能減小電機抖動過程、保證電機運行平穩(wěn)，實現(xiàn)其轉速無擾動切換，且切換前后電機定轉子電流無突變，同時減小IGBT的開關損耗，需要找到一個可旁路變頻軟啟動器的最佳旁路時機。本文選擇將電流過零點作為電機旁路切換的支點，在電流過零點附近閉合旁路接觸器從而實現(xiàn)電機的軟切換，將電機與電網(wǎng)直接相連使變頻軟啟動器從主電路中旁路出去。在此分析中，假設接觸器開關過程瞬間完成，不考慮開關延時與過渡過程對變頻軟啟動器旁路切換控制的影響。

2.2 變頻軟啟動器旁路切換控制

當電機達到工頻時變頻軟啟動器旁路切換的控制分析過程如圖6所示。主回路的IGBT管V1與V4，IGBT管V3與V6及IGBT管V5與V2分別構成3組上下橋臂，6個IGBT管導通的順序依次：V1，V2-V2，V3-V3，V4-V4，V5-V5，V6-V6，V1。

圖6 三相電源波形圖

首先以a點為零點，以α為觸發(fā)角觸發(fā)導通V1，V2，則U相，W相電流開始增加；然后以b點為零點，以α為觸發(fā)角觸發(fā)導通V2，V3，V相，W相電流也開始增加；接著以c點為零點，以α為觸發(fā)角觸發(fā)導通V3，V4，此過程中會出現(xiàn)U相電流處于過零點附近，所以此時閉合K4并斷開K1從而使電機U相直接與電網(wǎng)A相相連，V相，A相電流開始增加，U相旁路后對應的V1，V4不再觸發(fā)。繼續(xù)以d點為零點，以α為觸發(fā)角觸發(fā)導通V5，W相，A相電流增加，接著以e點為零點，以α為觸發(fā)角觸發(fā)導通V5，V6，此過程中會出現(xiàn)V相電流處于過零點附近，此時閉合K5并斷開K2從而使電機V相直接與電網(wǎng)B相相連，W相，B相電流開始增加，V相旁路后對應的V3，V6不再觸發(fā)。繼續(xù)以f點為零點，以α為觸發(fā)角觸發(fā)導通A，B相，A相，B相電流增加，接著以g點為零點，以α為觸發(fā)角觸發(fā)導通V2，此過程中會出現(xiàn)W相電流處于過零點附近，此時閉合K6并斷開K3從而使電機W相直接與電網(wǎng)C相相連。

至此，變頻軟啟動器完成旁路切換過程，從而實現(xiàn)軟啟動器在電機起動完成后可以自行退出的功能，解決了變頻器應用于軟啟動器不能旁路的問題。

3 仿真結果與分析

針對上述分析方法，在MATLAB/Simulink中搭建模型，對整個系統(tǒng)進行仿真，仿真模型如圖7所示，整體上由主回路和控制器兩大部分組成：主回路部分包括三相交流電源模塊、改進的交直交變頻結構模塊、旁路接觸器模塊和異步電動機模塊；控制器部分包括:SPWM控制單元模塊、相位調節(jié)控制單元模塊、基于正弦供電的空間矢量控制單元模塊與旁路控制單元模塊。模型中電機參數(shù)：PN=22 kW，UN=380 V，fN=50 Hz。

圖7 具有旁路功能的變頻軟啟動器仿真圖

仿真結果如圖8所示，電機帶21%負載，電機從零轉速起動，在基于SPWM的恒壓頻比的控制方法下進行變頻軟起動，在0.7 s時變頻調速過程結束并達到工頻；電機起動完成后，于1.1 s開始采用相位調節(jié)的方法使逆變橋輸出方式與電網(wǎng)同頻同相位，并于1.4 s采用過調制的方法，逐漸增加三相調制波的幅值，從而使電機在120°調制方波控制的方式下運行,由仿真波形可知電機運行狀況良好。在1.7 s時進行變頻軟啟動器的旁路切換動作，由轉速與轉矩波形可知，其有微小波動，但屬正常范圍。

(a) 新型變頻軟啟動器仿真波形局部圖

(b) t=1.7 s時旁路切換動作的局部放大圖

從整個過程觀察，以上各個階段的定子電流、轉子轉速與電磁轉矩均在正常范圍內波動，且旁路切換過程變化平穩(wěn)，變頻軟啟動器旁路退出之后定子電流波形變?yōu)闃藴实墓ゎl三相電流波形，說明此時無諧波影響，且轉速基本無波動，對電機無沖擊作用；在局部放大圖中可以看到，旁路完成后，定子電流、轉子轉速以及電磁轉矩的數(shù)值均在正常范圍之內，仿真波形無畸變，證明在此種控制方式下可以成功實現(xiàn)變頻軟啟動器的旁路退出且旁路效果良好。

4 結 語

針對變頻器應用于軟啟動器切換到工頻后難以實現(xiàn)旁路的不足，本文分析了一種新型可旁路變頻軟啟動器的切換控制方法，通過分析及仿真可得以下結論：1)用兩個容值較小的無極電容取代普通變頻器直接并聯(lián)的大容量電解電容，不僅有效降低了變頻軟啟動器的成本與體積，而且在實現(xiàn)變頻調速的同時解決了電機能量回饋問題；2)在電路中設計有旁路接觸器開關，通過尋找合適的旁路時機和自然過渡到電網(wǎng)的切換策略，實現(xiàn)變頻軟啟動器在控制電機連續(xù)變頻軟起動后的自旁路功能。實現(xiàn)了變頻器與軟啟動器之間的連續(xù)平滑切換，淡化了軟啟動器與變頻器的界限；3)通過系統(tǒng)仿真驗證方案可行性，其應用于電機軟起動可以很好地實現(xiàn)電機變頻調速控制功能，電機起動性能良好，證明該新型可旁路變頻軟啟動器具有良好的經(jīng)濟前景和較好的工業(yè)應用價值。

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