车载遥感接收站电机启动优化设计

郑卫胜，徐金晓，申海桢，郑 昱

（中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南 郑州 450047）

0 引 言

车载遥感接收站用于遥感卫星数据的接收，具有机动灵活的特点，可通过公路、铁路等方式快速部署到指定地点，完成数据接收任务。接收站安装有三轴电机，用于完成天线三轴的起卧倒伏，便于撤收运输。

为满足机动性要求，车载遥感接收站配备有一台车载发电机，以满足接收站的供电需求。其中，三轴电机能否正常启动是发电机选型的重要考虑因素。

1 三轴电机传统的启动方式

三轴电机以往通常采用全压直接启动。采用此方法时，操纵控制方便，维护简单；但启动电流较大，启动转矩却不大，启动电流大约是额定电流的4～7倍。过大的电流会造成较大的压降，影响其他用电设备的正常工作，使用发电机供电时尤为明显。

以某设备为例，采用额定功率为30 kW的油机供电，三轴直接启动时，启动瞬间电流峰值和有效值如表1所示。

表1 电机直接启动时的电流值

由表1可知，设备平稳运行时总功耗约13.5 kW，启动三轴时瞬时总功耗约为56 kW，远大于油机输出功率32 kW，油机无法工作。同时，由于三轴启动瞬间的电流冲击，将油机电压拉低，导致电流增大，易造成其他设备过流烧毁。

若要保证系统设备正常启动，第一，选用额定功率更大的油机，第二，优化电机启动方式，降低启动电流。选用额定功率更大的油机，油机结构尺寸会大大增加，导致无法进行车载安装。因此，对电机启动方式进行优化，降低启动电流较为可行。

2 电机启动过程分析

对于电机启动，需要满足两个条件[1]：第一必须要有足够大的启动转矩TS以带动负载转动，确保电机能够快速启动；第二在保证启动转矩TS足够大的前提条件下，尽可能减小电机的启动电流IS。

由三相异步电机T型等效电路可知，其启动电流和启动转矩为[2]：

其中，U1为电源额定相电压，r1为定子电阻，r'2为转子折算到定子侧的电阻，X1为定子感抗，X'2为转子折算到定子侧的感抗，P为电动机的极对数。由式（1）和式（2）可知，当电机参数和电源频率一定时，电机启动电流Is和定子端电压U1成正比，同时启动转矩Ts和定子端电压U1的平方成正比。

3 电机启动方式的改进分析

三相交流异步电机的启动方式除了直接启动，常见的还有降压启动和变频启动。由式（1）可知，电机启动电流Is和定子端电压U1成正比，可通过降低电机定子端电压U1，使启动电流降低。又由式（2）可知，电机启动转矩Ts和定子端电压U1的平方成正比，减小启动电压使启动电流降低的同时，启动转矩下降得更快。因此，降压启动对于转矩要求不高的负载或轻载较为适用。

变频启动是通过增加变频器等装置来改变供电电压和频率，从而调节电机转速和转矩[3]的一种电机启动方式。改变电源频率通常采用交-直-交转换技术，首先通过整流器将交流电变为直流电，再通过调整逆变器参数来获得需要的输出电压和电源频率。采用变频启动可保证电机的最大启动转矩不变的同时，使电机以较低的速度启动，降低了瞬时启动电流，从而实现电机的带重载启动。遥感接收站三轴电机属于带载启动，选用变频启动技术进行优化较为可行。

4 变频启动设计

4.1 变频启动原理

转子转差率大是电机启动电流较大而转矩不大的根本原因。而变频器恰恰可通过改变电源频率来降低电机启动转差率，从而实现电机在最大启动转矩不变的同时降低瞬时启动电流。

由转速差Δn=n1-n，电机启动时n=0、n1=60f/p可知，减小电源频率f就可减小n1，从而减小转速差。若能调整f使电机启动时的转差与电机额定运行时转差相等，就能使电机启动电流和启动转矩接近其额定运行时的状态。因此，通过设定某f，以使电机启动时，保证电机启动时转差与其额定运行转差基本相同，从而可使电机启动转矩不降低的同时，降低电机启动瞬时电流。当电机启动过程中达到某一转速后，可通过闭环控制环节，根据所设定函数逐渐增大f，直至达到额定电源频率，完成电机启动。

变频启动时，由E1=4.44f1×ω1×kω1×Φm可知，若使Φm工作在额定值，必须保证E1/f1为恒定值。

电机启动最大转矩：

当E1/f1为常数时，Tm与f1无关。因此，电源压频比不变，可保持电机最大启动转矩不变的同时减小电机启动有效电流，从而实现电机的小电流带载启动。

4.2 变频装置的组成

变频启动装置一般包括一台变频器，一台可编程控制器和三只交流接触器等设备和元器件。一次线路如图1所示。

电机启动时，变频器输入接触器CM1和变频器输出接触器CM2均为状态，同时工频接触器DM为断开状态。变频器按照可编程控制器设定好的控制参数启动信号，变频器拖动电机启动，启动过程中，电源频率根据所设定函数逐渐增大f，直至达到额定电源频率。启动完成后，接触器CM2首先断开，之后CM1断开，最后DM吸合，变频启动过程完成，电机转入外部电源频率运行。启动过程中的变频器动作控制均通过可编程控制器即PLC完成。

图1 电机变频启动装置

4.3 PLC编程控制的注意事项

为保证电机启动过程安全可靠且运行平稳，需要注意一下几点[4]。

第一，启动前，必须确保在DM为断开状态，且CM1和CM2均吸合的状态下，PLC才可发出变频器启动指令。

第二，启动过程中，若变频器没有启动，3 s后PLC应报系统故障。

第三，变频器停车方式应设置为自由停车。

4.4 变频启动效果

同样以前面提到的某项目设备为例，三轴采用变频方式启动过程中电流有效值如表2所示，可看出三轴启动瞬间电流有效值大幅下降，降低了供电电源的容量要求。

表2 电机变频启动时的电流值

5 结 论

对于电机重载启动，特别是采用油机供电的电机，变频启动较全压直接启动具有明显的优势，可大大降低启动瞬间电流有效值，降低供电电源的容量需求。