异步电机全转速范围软启动方法

陈　涛，张　军

(1.河南工程学院 电气信息工程学院, 河南 郑州 451191;2.风神轮胎股份有限公司 设备工程部, 河南 焦作 454000)



异步电机全转速范围软启动方法

陈涛1，张军2

(1.河南工程学院 电气信息工程学院, 河南 郑州 451191;2.风神轮胎股份有限公司 设备工程部, 河南 焦作 454000)

针对异步电机启动电流过大的问题，提出了一种基于分级变频与周波调压相结合的全转速范围可控软启动方法.分级变频能够有效地提高异步电机的启动转矩和重载启动能力；周波调压方法能够有效地减少输出电压及输出电流死区，提高软启动器输入与输出侧功率因数.基于该方法，完成了软启动装置的软硬件系统设计并对所提方法进行了验证，结果证实了该方法的有效性.

异步电机; 软启动; 分级变频; 周波调压

三相异步电动机具有结构简单、技术成熟、运行可靠等诸多优势,在交流驱动领域得到了广泛应用，然而作为其技术痼疾的启动电流过大问题不容忽视.针对此问题，大量文献提出了以晶闸管调压为基础的软启动方法，但由于异步电机电磁转矩与定子端电压平方成正比，导致该方法启动的电磁转矩较小，无法用于重载启动领域[1].同时，受晶闸管相控方式的制约，异步电机低速运行时晶闸管调压方法输出功率因数较低，输出侧及电网侧电流谐波较为严重，影响该方法的整体应用效果.以高性能通用变频器为基础的异步电机变频调速能够有效地解决启动电流过大及晶闸管调压方法存在的启动电磁转矩降低问题，但其成本较高，限制了它的应用.因此，在解决异步电机启动电流问题的同时，克服传统晶闸管调压方法存在的技术不足及变频调速成本过高的问题，研究一种具有高启动转矩、高功率因数、宽范围启动过程调节能力的交流异步电机软启动方法尤为重要.

为此，提出了一种以电源半波为基本控制单元的异步电机分级变频启动方法，该方法能够通过简单的功率变换结构近似实现异步电机的变频调速性能，保证高启动转矩和启动过程的高功率因数.同时，将该方法与以电源周波为最小控制单元的调压方法相结合，可以克服分级变频输出频率较低的不足，实现异步电动机全转速范围的可控启动，避免了分级变频单一控制模式启动过程中存在的二次电流冲击问题.

1　分级变频与周波调压方法

1.1分级变频方法

分级变频概念由美国学者Ginart Antonio于1999年提出[2]，基本思路为通过一定的控制策略，以电源半波为基本控制单元，将多个周期的交流电合并为一个工作周期，实现变压变频输出.因此，该方法可以通过简单的功率变换结构近似实现异步电机的变频调速.

假设分级变频变换前为abc坐标系，变换后则记为ABC坐标系，令分频后的A相初始相位和分频前的a相初始相位相等，则变换前后的三相正序电压表达式[3]为

(1)

(2)

式中：uim为网侧电压幅值，uom为变换后的电压幅值，ωi为网侧电压角频率，ωo为变换后的电压角频率.令分频数为正整数v，则存在

ωi=vωo.

(3)

式(1)中，假设a相相位角为零，则b相过零点满足

(4)

式中：k为正整数.式(2)中，假设A相相位角为零，B相落后A相αB电角度，结合式(3)和式(4)，若变换后产生正序电压，则有

(5)

求解式(5)可得

(6)

由于k取整数，满足分频后获得正序电压约束下，则v取1,4,7,10,13.若取负序约束条件，则式(5)为

(7)

求解式(7)可得

(8)

由于k取整数，满足分频后获得负序电压约束下，则v取2,5,8,11.

文献[4-5]证明，对于2分频和3分频输出而言，其输出电压不平衡，所产生的电磁转矩为正或负与电压组合形式有关.输出电压组合形式取决于三相相位组合形式，实际应用中仍需要通过大量的实验获取.实验表明,2分频段的三相相位为0°/-240°/-300°时合成正向转矩最大；3分频段的三相相位为0°/-100°/-260°时合成正向转矩最大.因此，该方法选取分级频段依次为f/10, f/7, f/4, f/3, f/2.

1.2周波调压方法

图1　周波调压原理Fig.1　The schematic diagram of cycle voltage regulation

由分级变频原理可知，该方法最高输出电压频率为输入电压频率的50%，所以采用分级变频启动异步电机时，其最高转速可以达到额定转速的50%.为避免分级变频启动后直接满压导致二次电流冲击，在异步电机50%额定转速以上运行区域引入周波调压方法，将其与分级变频相结合，实现异步电机全转速范围的可控启动.

周波调压以电源周波为基本控制单元，通过功率变换实现输出电压有效值的调节.与晶闸管相控调压相比，该方法输出电压畸变率低、谐波污染小、功率因数高，如图1所示.

由图1可见，改变一相晶闸管的通断占空比K，即可以改变输出电压有效值.理论上,改变K可以实现任意级差的电压输出，但大量实验证明2个以上电源周波处于失电状态而靠惯性维持电机运行时，其运行稳定度将严重下降.为此，确定异步电机的失电时长为一个电源周波，通过改变导通周波个数调节输出电压有效值，占空比

(9)

式中：n为一个控制周期中的电源周波总数.取n为不同正整数，可以得到不同输出电压的有效值，具体对应关系如表1所示.

表1　输出/输入电压有效值与控制周期的对应关系

由表1可见，通过不断调整控制周期，可以得到级差较小的输出电压;随着控制周期的增加，输出电压级差逐步减少.为降低难度，选取控制周期为2,3,4,7并与分级变频相协配，实现异步电机全范围可控启动.

2　软硬件系统

图2　系统结构Fig.2　The structure of induction motor drive system

2.1硬件

硬件系统如图2所示，包括功率变换电路、过零检测电路、电流检测电路、驱动电路等.功率变换电路采用双向晶闸管,以保证电流的双向流动；同步电压检测电路通过检测三相电压过零点，确定晶闸管的触发时刻；驱动电路实现强弱电系统的电气隔离，为晶闸管提供合适的驱动信号；电流检测电路实现异步电机启动电流监控，为恒流启动方式提供定量依据.此外，系统采用STM32单片机执行控制方法并提供人机交互.

图3　过零检测电路Fig.3　The zero crossing detection circuit

2.1.1过零检测电路

以电源半波和电源周波为控制单元的分级变频及周波调压方法需要获取准确的电源电压过零点.采用电压互感器检测电源电压，通过过零比较电路产生过零触发信号控制功率变换电路，电压互感器产生的相位偏移通过在互感器原边配置调相电容予以解决.由于输入电源采用三相三线模式，故需要在过零触发电路中配置人工中性点以实现相电压检测，如图3所示.

2.1.2驱动电路

驱动电路将触发信号隔离、放大后送到功率变换电路，实现双向晶闸管的可靠驱动.采用MOC3021晶闸管专用驱动芯片，并采用其典型应用电路及外围协配参数，如图4所示.

2.1.3电流检测电路

电流检测采用的是L18P010D15电流互感器，额定工作电流为±10 A，最大工作电流为±30 A，精度为±1%，副边负载电阻采用10 K的精密电阻，输出电压为(4±0.04)V，具体电路如图5所示，检测电流经调理后送AD7606进行交流采样，采样数据送STM32进行有效值的计算.

图4　双向晶闸管驱动电路Fig.4　The drive circuit of bidirectional thyristor

图5　电流检测电路Fig.5　The detection circuit of current

2.2软件

软件系统采用模块化方法设计，主要完成参数的初始化设置、相序判断、分级变频及周波调压中断子程序的执行等，主程序流程中的分级变频及周波调压中断子程序通过定时中断执行，如图6所示.

图6　主程序及子程序Fig.6　The flow chart of main program and subprogram

3　实验

选取阻性和感性两种负载类型依次进行实验，阻性负载为3个1 000 W的白炽灯，星形连接；感性负载为YVPL-4三相异步电动机，参数见表2.

表2　三相异步电动机参数

图7　分级变频及周波调压输出电压波形Fig.7　The output voltage waveform of discrete variable frequency and cycle voltage regulation

图8　分级变频及周波调压输出电流波形Fig.8　The output current waveform of discrete variable frequency and cycle voltage regulation

由图7可见，本方法能够获得较为理想的电压波形输出，周波调压方式输出电压波形正弦度高，谐波含量小.图8为电机空载状态下的电流波形，随着负载的增加，电动机负载电流波形死区将进一步缩小，能够保证电机启动过程中转矩和转速的平滑性.因此，基于分级变频及周波调压的异步电机启动方法能够实现电机全转速范围的可控软启动，低速运行区域能够以较低成本获取类似变频调速的大启动转矩,高速运行区可以获得较高的功率因数.

4　结论

针对异步电机传统软启动方法存在的启动转矩小、功率因数低等技术不足，提出了基于分级变频与周波调压的全转速范围软启动方法，对该方法进行了理论分析和实验验证.结果表明,该方法能够实现异步电机全转速范围可控启动，可避免分级变频后直接满压导致的二次电流冲击.同时，在异步电机启动过程低速段能够以较低成本近似获取变频调速的高启动转矩，提高带载启动能力；在启动过程高速段则可以有效降低输出电压及电流谐波，提高功率因数.

[1]ZENGIOBUZ G,CADIRCI I,ERMIS M,et al.Soft starting of large induction motors at constant current with minimized starting torque pulsations[J].IEEE Transactions on Industry Application,2001,37(5):1334-1347.

[2]ANTONIO G,ROSANA E,MADURO A,et al.High starting torque for AC SCR controller[J].IEEE Transaction on Energy Conversion,1999，14(3):553-559.

[3]胡红明,袁佑新,毛承雄,等.基于分级交-交变频的软起动器的设计[J].武汉理工大学学报,2011,33(2):136-139.

[4]李冬辉,吴昊,段克亮.基于离散变频技术的电机重载软起动系统[J].天津大学学报(自然科学版),2009,42(6):471-475.

[5]佘致廷,周米洋,皮玉,等.交流电机离散变频高转矩软起动技术的研究[J].电力电子技术,2010,44(2):58-59.

The soft starting method for full speed adjusting range of induction motor

CHEN Tao1, ZHANG Jun2

(1.College of Electrical Information Engineering, Henan University of Engineering,Zhengzhou451191,China; 2.AeolusTireCo.,Ltd.,Jiaozuo454000,China)

The soft starting method integrated with discrete variable frequency and cycle voltage regulation is proposed in this paper to solve the problem of large starting current of induction motor. The discrete variable frequency method has the ability to improve the starting torque and the load capability of induction motor, and the cycle variable voltage method is able to reduce the dead time of output voltage and current, improve the input and output power factor of the soft starter. Based on the proposed method, the hardware and software system of the soft starter is designed, the experimental verification is also implemented, and the experimental results validate the availability of the proposed method.

induction motor; soft starting; discrete variable frequency; cycle voltage regulation

2015-04-21

河南省高等学校重点科研项目(15B470001)

陈涛(1981-)，男，河南周口人，副教授，主要从事电机驱动及故障诊断方面的研究.

TM343

A

1674-330X(2016)03-0054-05