張 臻，吳效威，喬海強(qiáng)，劉 超，劉建鵬，夏遠(yuǎn)洋

(1.許繼電源有限公司，河南 許昌 461000；2.廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，南寧 530004；3.雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司錦屏水力發(fā)電廠(chǎng)，四川 西昌 615050；4.廣西電力系統(tǒng)最優(yōu)化與節(jié)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南寧 530004)

0 引 言

交流異步電動(dòng)機(jī)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、價(jià)格便宜、維護(hù)方便等特點(diǎn)，在生產(chǎn)和生活中得到了廣泛地應(yīng)用，成為當(dāng)今傳動(dòng)工程中最常用的動(dòng)力來(lái)源。但是由于其起動(dòng)特性，電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的起動(dòng)電流通常達(dá)到電動(dòng)機(jī)額定電流的5～8倍，甚至更高。過(guò)大的電流會(huì)造成電動(dòng)機(jī)發(fā)熱以致會(huì)加速電動(dòng)機(jī)的絕緣老化，大大降低電動(dòng)機(jī)的使用壽命，同時(shí)全壓直接起動(dòng)產(chǎn)生過(guò)高的起動(dòng)電流將直接影響連接在該電網(wǎng)上的電氣設(shè)備的運(yùn)行。為了降低起動(dòng)電流，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)通常借助輔助起動(dòng)裝置。隨著電力電子技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了新型的晶閘管軟起動(dòng)裝置，現(xiàn)代晶閘管電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)器通常都由微型計(jì)算機(jī)作為其控制核心，可以方便地滿(mǎn)足技術(shù)進(jìn)步的要求，正得到越來(lái)越廣泛地應(yīng)用。普通軟起動(dòng)器實(shí)質(zhì)上是通過(guò)各種控制策略限制起動(dòng)定子電流的增加，而初始起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較低的缺點(diǎn)仍不滿(mǎn)足對(duì)起始轉(zhuǎn)矩要求比較高的應(yīng)用場(chǎng)合的需求。如何在降低起動(dòng)電流同時(shí)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的大轉(zhuǎn)矩起動(dòng)成為了國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家所探討的一個(gè)重要話(huà)題。本文通過(guò)對(duì)離散變頻控制理論的研究，提出了一種新型離散變頻高轉(zhuǎn)矩軟起動(dòng)器控制方案，實(shí)現(xiàn)了軟起動(dòng)器起動(dòng)階段小電流大轉(zhuǎn)矩的目標(biāo)，有效地解決了傳統(tǒng)軟起動(dòng)器起動(dòng)初始階段轉(zhuǎn)矩過(guò)小的問(wèn)題[1]。

1 離散變頻原理分析

1.1 離散變頻原理

根據(jù)電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，如圖1所示，采用基于T型等效電路對(duì)異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的電壓、電流、轉(zhuǎn)矩等變量的關(guān)系進(jìn)行深入研究分析[2]。

圖1 異步電動(dòng)機(jī)T型等效電路

由電機(jī)學(xué)知，三相異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩理論值為

(1)

假定t=t0時(shí)刻起動(dòng)，t=0-1轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n=0，轉(zhuǎn)差率s=1，初始起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為

(2)

初始起動(dòng)電流為

(3)

由上述分析可知，初始起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)機(jī)定子側(cè)電壓的平方成正比例關(guān)系，初始起動(dòng)電流與定子側(cè)電壓成正比例關(guān)系。即降低電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電壓可以減小起動(dòng)電流，但是缺點(diǎn)是初始起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小。如何實(shí)現(xiàn)在定子電壓下降的同時(shí)減小輸入電壓頻率則能實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)器的較低軟起動(dòng)電流情況下同時(shí)大幅提高初始起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)交流調(diào)壓理論[3]，離散變頻理論即在降低輸出電壓同時(shí)使電壓頻率從一個(gè)較低的值開(kāi)始，通過(guò)分級(jí)控制頻率分級(jí)上升，最終達(dá)到工頻50 Hz。離散變頻理論為分級(jí)頻率控制，使電壓的頻率分級(jí)地變化，各級(jí)子頻率都是工頻的幾分之一，即50 Hz的n分頻。

采用晶閘管斬波控制方法[4]，在工頻50 Hz電壓波形的幾個(gè)半周波形內(nèi)導(dǎo)通，然后再斷開(kāi)幾個(gè)周期，等效模擬產(chǎn)生各級(jí)頻率下的電源波形[5]，如圖2所示。

圖2 1/2、1/3、1/4分頻電壓波形示意圖

圖3 單相12.5Hz→16.7Hz→25Hz→50Hz分頻波形示意圖

頻率由0Hz→12.5Hz→16.7Hz→25Hz→50Hz分級(jí)變化，也可在0 Hz和12.5 Hz前面插入更低一級(jí)的子頻率，例如10 Hz、6.25 Hz等等，見(jiàn)圖3。

1.2 最佳相位選擇

假定各級(jí)子頻率系統(tǒng)均為三相對(duì)稱(chēng)系統(tǒng)，各相間相位角為120°。若A相的相位角為0 ，B相在A相導(dǎo)通后經(jīng)過(guò)r個(gè)半波導(dǎo)通，其新頻率下的相位在工頻下表示為

(4)

B相在子頻率下的相位角應(yīng)為

(5)

式中,n為自然數(shù)，r為大于等于0、且小于2倍n的整數(shù)，r的具體取值取決于其相對(duì)于另一相相電壓波形的晶閘管導(dǎo)通時(shí)刻。根據(jù)上述分析各級(jí)子頻率下任意兩相之間的相位差可通過(guò)下式計(jì)算得到。

(6)

若離散變頻后各相間的電壓相位差α為2π/3，則三相電壓相位為三相對(duì)稱(chēng)正序電壓；當(dāng)α為 4π/3時(shí)，三相電壓為對(duì)稱(chēng)的負(fù)序電壓；當(dāng)α為0時(shí)，得到的是零序電壓。通過(guò)上述分析可知：當(dāng)n=3m+ 1(m為自然數(shù))，就是為4、7、10、……等一系列數(shù)字時(shí)，相位差α可能為 2π/3，可以得到正序三相對(duì)稱(chēng)電壓；當(dāng)n=3m-1時(shí)，就是2、5、8、11……等一系列數(shù)字時(shí)，相位差α可能是4π/3，可以得到負(fù)序的三相電壓。

表1 各級(jí)子頻率相位平衡情況

如表1所示，在某些頻率下可以找到正序?qū)ΨQ(chēng)的組合，另外一些頻率下僅能找到負(fù)序?qū)ΨQ(chēng)的組合，某些頻率下則不存在三相對(duì)稱(chēng)的組合。若離散變頻后各子頻率應(yīng)遵循供電系統(tǒng)中正序分量最大，負(fù)序分量最小的原則來(lái)選擇最優(yōu)分頻及相位組合控制方式，使電動(dòng)機(jī)最大限度的獲得正向的電磁轉(zhuǎn)矩[6]。

通過(guò)對(duì)稱(chēng)分量法對(duì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析。

(7)

通過(guò)對(duì)各級(jí)子頻率下的相位組合進(jìn)行理論分析，計(jì)算各級(jí)子頻率下各對(duì)稱(chēng)分量所占比例，進(jìn)一步選擇各級(jí)子頻率下的最優(yōu)離散變頻控制方式。利用Matlab中的Simulink建立仿真模型，對(duì)各級(jí)子頻率下各組相位下進(jìn)行各次諧波幅值分析和轉(zhuǎn)矩計(jì)算， 25 Hz、16.7 Hz下的最佳相位組合依次為(0°，210°，150°)、(0°，260°，100°)。

2 離散變頻軟起動(dòng)控制策略

采用f1/4→f1/3→f1/2→f1(f1=50 Hz)的起動(dòng)操作流程，為了保證切換前后各頻率的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)過(guò)渡，減小轉(zhuǎn)矩振蕩，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[7-10]。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 仿真試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)對(duì)離散變頻理論的研究與分析，利用Matlab中的Simulink工具，可以建立離散變頻起動(dòng)軟起動(dòng)器的仿真模型[11]，圖4所示。

圖4 離散變頻軟起動(dòng)仿真模型

起動(dòng)過(guò)程仿真波形，見(jiàn)圖5。

圖5 離散變頻起動(dòng)過(guò)程仿真波形

普通軟起動(dòng)方式為限流軟起動(dòng)、斜坡電壓軟起動(dòng)，通過(guò)搭建仿真模型進(jìn)行仿真，其仿真波形如圖6、圖7所示。

圖6 斜坡電壓起動(dòng)過(guò)程仿真波形

圖7 限流起動(dòng)過(guò)程仿真波形

通過(guò)上述仿真波形對(duì)比可以看出在各種起動(dòng)方式下，離散變頻的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要比其他傳統(tǒng)型軟起動(dòng)方法要大的多，起動(dòng)電流較小。因此驗(yàn)證了離散變頻理論在提高電動(dòng)機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩方面的理論正確性及有效性。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)前面的理論研究分析及仿真驗(yàn)證，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一臺(tái)離散變頻軟起動(dòng)器樣機(jī)，試驗(yàn)電機(jī)為380 V，6.5 kW，額定轉(zhuǎn)速為1400 r/min的三相鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)。

離散變頻軟起動(dòng)器起動(dòng)過(guò)程電流波形如圖8所示，(橫坐標(biāo)坐標(biāo)為時(shí)間軸，每格40 ms；縱坐標(biāo)為測(cè)量值， 1通道每格為20 A，2通道每格為30 A，3通道每格為20 A)。

圖8 離散變頻軟起動(dòng)波形

試驗(yàn)結(jié)果表明采用離散變頻控制方案下電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流較小、轉(zhuǎn)矩提升效果明顯，滿(mǎn)足部分應(yīng)用場(chǎng)合重載起動(dòng)需求。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)普通軟起動(dòng)器初始起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小無(wú)法滿(mǎn)足重載起動(dòng)需求，提出了一種基于離散變頻控制方法軟起動(dòng)器，試驗(yàn)結(jié)果證明了該控制方法的有效性，采用離散變頻控制方法的軟起動(dòng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性?xún)r(jià)比較高，實(shí)現(xiàn)降低起動(dòng)電流同時(shí)提高初始起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的功能，滿(mǎn)足重載起動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)合需求，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。