楊寧波，童軍(西安科技大學 電氣與控制工程學院，陜西 西安　710054)

0　引　言

由于電力電子技術的發(fā)展和各種電力電子器件的出現，基于晶閘管調壓原理的電機軟啟動器對于解決啟動過程中的問題有很大的貢獻。軟啟動技術有變頻器控制的軟啟動和分級變頻軟啟動，變頻器可以最大限度地限制電動機的啟動電流，減少電網壓降，可實現恒轉矩及變轉矩啟動。但是由于變頻器的價格昂貴且使用成本增加和維修比較復雜，所以變頻器的使用受到了很大的限制。分級變頻的優(yōu)點將可以很好的彌補變頻器的缺陷。1999年Dr. Ginart Antonio(U.S.)提出了分級變頻的理論，將工頻輸入的波進行周波控制，使得某些半波導通，某些半波截止，從而通過增加輸出電壓的周期來降低頻率，也就是說頻率的變化是整倍數的。所謂的分級變頻軟啟動就是通過某種控制方法將這些不同的頻率進行切換，最后達到工頻和額定轉速[1-2]。分級變頻可以在降低啟動電流的同時有效提高異步電機的初始啟動轉矩。但是，分級變頻在實際工程應用中還存在較多的問題，本文將對啟動的時候存在的一些問題進行討論。

1　系統(tǒng)原理介紹

分級變頻軟啟動器主要采用傳統(tǒng)軟啟動器主電路拓撲結構，將工頻輸入的某些半波導通，某些半波截止，從而增加輸出電壓的周期以降低頻率[3]。下面介紹A相2分頻的產生過程，通過控制晶閘管的通斷來使得工頻在兩個周期中有一個正半波導通和一個負半波導通，但是這存在四種不同的組合方式，如圖1所示。這四種方式都可以形成的25 Hz的波形，其中頻率和幅值相同，相位不同[4]。

圖1　1/2分頻電壓波形相位示意圖

由于三相分級變頻不是連續(xù)變化的，所以使得電機在啟動的時候會出現很多問題，比如分級變頻后電源的相序，頻段的選擇與頻段之間的切換和功率因數角校正等。

2　分級變頻的相序問題

三相電源提供的頻率為工頻50 Hz，角速度為ωnet，電壓幅值為UL,則三相電壓值為：

(1)

經過m分頻，新的子頻率下的三相電壓基波瞬時值為：

(2)

式中：ωnet=mωsub。

假設A相的相位角φA=0，可知：

(3)

(4)

當m=3k+1，即m為4、7、10…時，得到的新的子頻率下的三相正序對稱電壓，此時任意兩相的相位差為2π/3；當m=3k-1，即m為2、5、8、11…時，得到的是三相負序對稱電壓；當m=3k時，得到的新的電壓只有零序分量。這些對稱的分頻中只有偶分頻的波形關于時間軸上是不平衡的。

在啟動的時候希望所選擇的子頻率為正序平衡，如13分頻和7分頻，對于一些不完全平衡的方式，如4分頻和3分頻以及完全負序對稱的2分頻需要采用對稱分量法來對其進行分解[5]。將正序分量、負序分量和零序分量的標注為“+”、“-”和“0”，運用對稱分量法來進行分解，可以得到如下式：

(5)

設變換系數：

(6)

對式(6)進行計算得：

(7)

通過計算可得，3分頻的時候，(0°，260，100°)、(0°，260°，160°)和(0°，200°，100°)滿足正序分量最大和負序分量最小的要求。2分頻的時候，(0°，210°，60°)、(0°，210°，150°)、(0°，300°，150°)滿足正序分量最大和負序分量最小的要求。

3　不同頻段的選擇與切換

分級變頻的初始啟動轉矩與頻率成反比，所以頻率越低，啟動轉矩越大[6]。但是初始頻率太低會增大啟動時間，而且在啟動的時候盡量讓正序分量最大和負序分量最小，這樣可以最大地啟動轉矩，滿足電機可以滿載或者重載啟動[7]。本文采用斜坡電壓的啟動方式對其進行改善。所以選擇的分級變頻啟動方式為13分頻→7分頻→4分頻→3分頻→2分頻→斜坡電壓→50 Hz的過程。

4　觸發(fā)角控制策略

傳統(tǒng)的分級變頻軟啟動常采用固定觸發(fā)角度的控制策略[8]，這種控制方法得到的電壓不是正弦波形，故其諧波含量比較大。本文采用等效正弦控制的方法可以計算出啟動過程中各級晶閘管觸發(fā)角，使得輸出電壓波形為等效正弦。如圖2所示，圖為7分頻的電壓等效正弦波形，其中實線波形為7分頻后的基波，且uν=Uνmsinωνt；虛線波形為工頻正弦波，且u1=U1msinω1t。結合VVVF原理及等效正弦控制原理可得[9]：

(8)

圖2　等效正弦的觸發(fā)角波形圖

5　功率因數角的閉環(huán)控制

由于斜坡電壓的存在，使得過度過程中容易出現電機震蕩的現象[10]。經研究表明，這是因為功率因數角φ的存在而引起的，本文通過對功率因數角進行閉環(huán)控制的方法來減小電機的震蕩[11-12]。

由晶閘管的輸出電壓公式可知：

(9)

設在t時刻，存在這樣的關系：

UL=f(α1,φ1)

(10)

Δt(Δt→0)，UL幾乎沒有變化，可以忽略不計，則：

UL=f(α2,φ2)

(11)

設α2=α1+Δα，φ2=φ1+Δφ則：

f(α1,φ1)=f(α2,φ2)

(12)

則：

(13)

所以：

(14)

故可得其流程圖如圖3所示。

圖3　功率因數角閉環(huán)控制原理框圖

6　仿真分析與研究

借助于MATLAB/Simulink的仿真來進行仿真測驗[13]，其中異步電動機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，采用頻率3.85 Hz→7.14 Hz→12.5 Hz→16.7 Hz→25 Hz→斜坡電壓啟動→50 Hz的啟動方案。啟動過程仿真波形如圖4所示。

圖4　分級變頻軟啟動仿真波形

7　試驗

對一臺三相異步電機帶額定負載進行軟啟動試驗，異步電動機參數如下：UN為380/660 V，IN為11 A，PN為5.5 kW，nN為2 900 r/min，圖5和圖6分別是4分頻和斜坡電壓啟動所對應的試驗波形。

圖5　4分頻啟動波形

圖6　斜坡電壓啟動波形

由試驗波形圖可以看出分級變頻的軟啟動控制方式可以降低啟動電流的同時，帶來比較大的啟動轉矩。

8　結束語

通過等效正弦分級變頻的軟啟動控制方式可以實現分級變壓變頻，可以降低啟動電流的同時帶來比較大的啟動轉矩，使得滿足電機啟動的額定轉矩。但是分級變頻軟啟動也存在一定技術難題，文中提出的方法可以有效地解決技術上存在的問題。使分級變頻的軟啟動產品用于重載或者滿載啟動的場合。

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