一种有效的异步电动机软起动方法及应用

童 军，刘 斌，乔 江，曹浩翔，王侠辉

(1.西安科技大学，西安 710054；2.日立永济电气设备(西安)有限公司，西安 710016)



一种有效的异步电动机软起动方法及应用

童 军1，刘 斌1，乔 江2，曹浩翔1，王侠辉1

(1.西安科技大学，西安 710054；2.日立永济电气设备(西安)有限公司，西安 710016)

为了提高异步电机软起动的起动转矩和降低起动电流，提出了从二分频到工频起动的软起动方法。在此理论基础下，利用MATLAB的Simulink仿真功能，搭建了异步电机分级变频控制的软起动系统的仿真模型。仿真结果验证了该控制方法在降低电机的起动电流的同时，还可以提高起动转矩的可行性，并通过实验验证了其可靠性。

分级变频；二分频；软起动；MATLAB

0 引 言

众所周知，晶闸管移相触发可以降低起动电压，改善异步电动机的起动性能，使其具有电压连续可调节、电流连续等优点,但起动转矩也被限制了，所以只能适用于轻载起动的场合。对于需要重载或满载起动的设备，如球磨机、矿井起重机皮带传输机等，不可以应用此控制方法。在分级变频原理基础之上，本文提出一种简单易行的软起动方法，该方法起动电流小而且起动转矩大，对分级变频软起动器简化，电路简单，对CPU性能要求较低，成本下降，易于被人们接受，也易于推广[1]。

1 系统原理介绍

所谓的分级变频就是通过控制晶闸管整个周期波的导通与关断，使工频输入的某些半个周波的导通，某些半个周波的截止，也就是通过改变输出电压的周期来降低频率。所以分频与周期都是通过整数倍的关系变化，所以分级变频软起动的起动过程就是这些频率段的切换过程，故分级变频也称离散变频。然而多频段的分级变频软起动的状态较多，所以会导致起动过程比较复杂，尤其在频段与频段之间的切换，相位对接不上会使得转矩的大幅度跌落。电机容易出现抖动[2]。在电机起动的时候，只要起动电流不超过4IN，而且起动转矩远可以达到额定转矩，分级变频就可以使用较少的分级频段起动，如从二分频(25 Hz)下起动，如电压按斜坡电压法从某一值增加至二分频下的工作电压(UN/2)，就可实现二分频下的斜坡电压起动。起动过程如1图所示：通过控制晶闸管导通角来实现工频以下的斜坡电压起动直至全压起动[3]。

图1 起动电压波形

2 二分频原理分析

三相供电电源A相、B相、C相，频率为50 Hz，角频率为ω1，电压幅值为U1。其电压瞬时值可表示：

(1)

经二分频后得新频率下的三相电压基波瞬时值：

(2)

通过将工频的2个周期波中选择两个正半波和两个负半波为一个组合进行导通，便可以获得25Hz导通的电压波形，即二分频的电压波形。如图2所示，可以看出二分频导通有4种不同的组合方式，这4种方法形成的25Hz的分频波形、频率和振幅相同，相位不同。

图2 4种二分频电压波形相位

当A相的工频电压的初相位为0°时，B相和C相工频电压的初相位分别为-120°和120°。因此，25Hz子频率下就可以得到如下的新相位组合,如表1所示。

表1 25 Hz子频率下新的相位组合

如果将三相相位随意组合，就可以得到64种不同的三相电压系统组合，而这些系统均不是三相对称的。而这些不同的组合起动得到的起动性能也是不同的[4]。所以需要选择一种最佳的组合方式得到最大起动转矩，故需要对其进行不对称分析，通过对称分量法对三相异步电机在不对称电压系统运行时进行分析，即把不对称的三相电压分解为正序、负序和零序三相的对称电压系统，然后再分别考虑各分量对电机机械特性的影响，最终把这些影响叠加起来，选一个最优的组合方式，构成在三相不对称电压系统下电机的实际运行情况。

(3)

式中：α为120°复变量算子，即α=ej120°,α2=ej240°。

由此可以得到电机正序及负序下的τ型等效电路，如图3所示。

图3 电机正序及负序下的τ型等效电路

因此可得出电机在正序和负序模式下运行的理论转矩：

(5)

(6)

(7)

只有正向转矩占主导作用的时候，电机才能顺利地起动，否则会有较大的冲击电流。

由式(7)可知，只要电机端电压中的正序分量最大，负序分量最小便可满足电机的起动要求。利用MATLAB软件构建对称分量法的m函数，定量分析表中各种相位组合下的三相电压系统。当相位组合为(0°，210°，60°)，(0°，210°，150°)，(0°，300°，150°)时，正序分量最大，负序分量最小[5]。如图4所示，选择(0°，210°，60°)相位组合对其进行正序、负序和零序相位进行分析。

当端电压的相位组合为(0°，210°，60°)时，其正序，负序和零序电压分别：

(8)

由上述关系可知，电机在不对称情况下运行的时候，正序电压所产生的旋转磁场与转子运动的方向一致，产生的正序电磁转矩为驱动电机工作的驱动转矩，而负序旋转磁场则恰恰相反，所以其为制动转矩。故电机的总转矩：

(9)

所以由于负序电压的存在，使得机械特性的转矩曲线有所下降，所以负序电压尽可能的小。而选择(0°，210°，60°)的相位组合将会选择最合适的正负序组合，有助于较好地提高电机的起动转矩。

3 晶闸管触发方案

晶闸管的触发方案一般有双窄脉冲触发和宽脉冲触发，双窄脉冲触发起到真正触发的脉冲为第一个脉冲，因为第一个触发脉冲在其反向的晶闸管过零前到达，不能保证第二个脉冲到达时电流是否过零，如果没有过零点就不能触发晶闸管，导致触发电路失控。而宽脉冲触发对脉冲变压器要求高，且体积大，所以本文考虑用脉冲序列触发方案，如图5所示。图5的触发序列为二分频所对应的同步脉冲触发序列，可以保证不会出现双窄脉冲和宽脉冲所考虑的问题，提高可靠性，又可以防止脉冲变压器饱和。

图5 晶闸管触发脉冲序列

4 仿真分析

利用MATLAB的Simulink工具进行仿真分析，图6为仿真系统图。仿真模块主要包括三相交流调压主电路、电机测量模块、功率因数角检测模块、触发脉冲发生模块及拖动系统。其中，异步电动机的参数为PN=5.5kW，UN=380V，RS=1.55Ω，Rr=1.62Ω，LS=9.2mH，Lr=12.5mH，Lm=69.31mH，J=0.02kg·m2。电机的起动为二分频起动方式，起动过程仿真波形如图7示[6]。

图6 仿真系统图

(a) 转矩仿真波形

(b) 转速仿真波形

(c) 电流仿真波形

斜坡电压起动的仿真结果如图8所示。

(a) 转矩仿真波形

(b) 转速仿真波形

(c) 电流仿真波形

从图7可以看出二分频的起动过程为在1s时二分频切换为斜坡电压起动，在2.5s时切换为工频工作。从图7与图8的比较可以看出，二分频起动的起动电流明显小于斜坡电压起动的起动电流，起动转矩远大于斜坡电压起动方式的起动转矩，其最大起动转矩(图7(a))大概是斜坡起动转矩(图8(a))的5倍多，适合于重载起动的场合，且转速的切换也比较平滑，控制方法简单，同时也避免了分级变频起动频率的切换带来的繁琐问题。

5 实 验

本系统采用的控制器为Microchip公司的主控制器芯片dsPIC6014A-301/PF，主电路是传统的软起动器。控制电路主要包括：电压同步及相序检测模块、电源电路模块、驱动电路模块、电流检测电路模块、接触器控制电路模块、液晶显示模块。起动系统的控制框图如图9所示。

图9 分级变频软起动器控制系统框图

本文对一台UN=380V，IN=10A，PN=5.5kW,nN=1 450r/min的三相感应电机进行软起动实验。通过显示屏与示波器来有选择地进行起动，使其从二分频到工频完成起动过程，并记录下起动过程，如图10所示。

(a) 触发脉冲序列波形

(b) 二分频阶段波形

(c) 斜坡阶段波形

由图10(a)可以看出,其为二分频单相起动的一系列脉冲触发序列，而从图10(b)、图10(c)所代表的不同阶段的起动波形图可以明显地看出三相感应电机从二分频以选择(0°，210°，60°)的相位角进行起动，然后通过斜坡电压软起动的起动方式进行起动，当达到工频通过旁路接触器进行切换，即认为起动过程结束。可以看出二分频软起动控制方式的电机控制比较稳定，起动电流小于额定电流的3倍，其效果也十分明显。

6 结 语

由于电力电子技术的发展，使得人们越来越重视交流调速在交流电机上的应用，尤其是先进的控制策略的应用，所以好的控制策略的至关重要。本设计起动控制方式是从二分频直接起动，然后通过斜坡电压起动达到工频后进行切换，参数调整灵活，在不改变原有软起动器结构的基础上，通过改变控制策略可实现分级变频起动，且可以带来大的起动转矩和比较小的起动电流，以满足感应电机在重载或者满载的情况下使用。从而使软起动器适用于更多的场合，使其具有非常好的前景。

[1] 王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009：154-156.

[2] 黄美成.鼠笼式异步电动机软起动装置的可靠性和起动电流控制方法的研究[D].长沙：湖南大学，2004.

[3] 童军，张臻，郭昌永.电动机软起动功率因数角闭环控制技术研究[J].电机与控制学报，2013，17(12)：51-56.

[4] 程雪，侯思祖，王彬.一种限流型异步电动机软起动装置的设计与实现[J].电机技术，2006(4)：8-10，13.

[5] 兰志杰，张昌凡，陈颖，等.基于分级变频的重载软起动系统[J].电机与控制应用，2007,34(3)：50-53.

[6] 陈忠华，郭凤仪，石兆元.异步电动机软起动控制方法的研究与仿真[J].工矿自动化，2008(1):4-8.

An Effective Asynchronous Motor Soft Start Method and Its Application

TONGJun1，LIUBin1,QIAOJiang2,CAOHao-xiang1,WANGXia-hui1

(1.Xi'an University of Science and Technology,Xi'an 710054,China; 2.Hitachi Yonge Electric Equipment(Xi'an) Co.,Ltd.,Xi'an 710016,China)

In order to improve the starting torque and reduce the starting current of the asynchronous motor, a soft starting method was proposed from the divided frequency to power frequency. On the basis of this theory, using the simulation function of MATLAB Simulink, a simulation model of asynchronous motor soft start system of discrete frequency control was set up. The simulation results show that this control method reduces the motor starting current and also can improve the feasibility of starting torque at the same time, and its reliability is verified by experiment.

classification frequency; divide frequency; soft start; MATLAB

2016-04-06

国家自然科学基金项目(51307137)

TM343

A

1004-7018(2016)08-0055-04

童军(1962-)，男，教授，硕士生导师，研究方向为电力电子技术及电路系统。