分级变频软起动器的触发策略研究与仿真

分级变频软起动器触发控制策略研究与仿真

(华北电力大学电气与电子工程学院, 保定071000)

摘要: 介绍了分级变频软起动器的工作原理，限制电机起动电流的软起动器。这种软起动器对传统软起动器的电路结构进行了改造，通过对晶闸管的控制实现对电压频率的离散控制，即分级变频。经过对子频率的相位研究，采用转矩最大的正序组合并在频率分级起动的同时结合调压起动的方法。最后通过仿真试验，证明了此种分级变频调压软起动器可以有效地提高起动转矩降低起动电流。

关键词: 分级变频; 电机软起动; 晶闸管触发

Research of Discrete Frequency Soft Start Control for

Induction Motor

(North China Electronic Power University,Electrical and Electronic Engineering Institute, Baoding 071000, China)

Abstract: A Soft Starter was proposed to improve electromagnetic torque and reduce current at starting. This soft starter improved the traditional circuit structure, the strategy defined the triggering instants of soft starters SCR to control the AC power supply by discrete frequency. After the sub-frequency phase study, and used the positive sequence voltage, at the same time starting with the surge of start-up method. Finally, simulation tests proved that the frequency of such classification Surge soft starter can be effective in raising starting torque and reducing starting current.

Key words: discrete frequency; motor soft-starting; thyristor trigger

0 引言

三相交流电动机发明以来，经历了100多年的历程。在这漫长的岁月中，三相交流异步电动机因其结构简单、运行可靠和价格便宜而被广泛采用。据统计，其耗电量占全国发电量的30%以上[1]。然而，电动机的起动特性却一直不理想。众所周知，电动机起动时刻出现的起动电流一般高出额定电流3~7倍，最高可达电动机额定电流的15倍，这样大的电流不仅加重了进线、供电电网以及接在电动机前面的开关电器的负荷，而且同时出现的巨大转矩冲击又会使电动机发生猛烈的冲振，并且也给用作动力传输的辅助设备(例如三角皮带、变速机构)和做功的机械设备带来不可避免的机械冲击[2]。晶闸管调压软起动器能限制起动电流,在轻载场合下具有节能的优点,但很难满足如球磨机、粉碎机、矿井起重机等场合的需求[3]。在电机起动过程中采用变频器可以很好的实现起动电流小，起动转矩大等优点，但是这种变频器的造价过高，在不需要调速的场合不能充分的发挥其价值。如何降低起动电流，增大起动转矩，同时经济适用，成为国内外机电行业专家们探讨的重要课题。自Antonio Ginart提出了离散频率控制法(即分级变频) ,并讲述了其概念和原理后,分级变频理论成为国内机电行业学者研究的热点[4]。

1分级变频原理

根据电机的转矩计算公式

()()

[]2'21

1

2

'

2

1

1

1

'

2

2

1

1

2

σ

σ

σ

σ

πX

X

R

R

f

R

pU

m

T

M

+

+

+

=（1）

可知，在定子电压下降的同时将频率下调，将会减少电动机转矩的损失，就可以提高传统软起动器的起动转矩[5]。分级变频就是使传统软起动器输出电压的频率从一个较低的值开始，分级上升，最后达到50Hz。离散频率控制虽然可以实现变频，但不能使频率连续地变化，只能使频率分级离散的变化，而且各级频率都是50HZ的1/n，即50Hz的分频。

通过控制晶闸管的导通，可以导通工频50Hz 的几个半波，关断几个半波，从而可得到不同频率的电压。这种分频方式是分级的，得到的子频率为f/r ，(r 为自然数),如：25Hz 、50/3Hz 、12.5Hz 、10Hz 和6.25Hz 等。以单相为例，如图1。

图1 产生12.5Hz 、25Hz 、50Hz 电压波形示意图

Fig.1 Produced 12.5Hz 、25Hz 、50Hz voltage waveform schematic diagram

工频角速度net ω与分频后子频率的角速度sub ω的关系如下：

r sub net ⨯=ωω （2）

设A 相电压的相位角A ϕ=0o ,可知 r

n B 3/2ππϕ+= （3） r

n C 3

/2ππϕ-=

（4）

以25Hz 子频率为例，单相电压共有四种可能的相位（如图2），分别为0o ,90o ,180o ,270o 。

图2 25Hz 电压波形的4种相位

Fig.2 Four phases of 25Hz voltage waveform 再利用式（3）和式（4）计算可以得出各子频率的可能相位角。

r=2时：

A 相：0o ，90o ，180o ，270o 。

B 相：60o ，150o ，240o ，330o 。

C 相：-60o ，30o ，120o ，210o 。 r=4时：

A 相：0o ，45o ，90o ，135o ，180o ，225o ，270o ，315o 。

B 相：30o ，75o ，120o ，175o ，210o ，255o ，300o ，345o 。

C 相：-30o ，15o ，60o ，105o ，150o ，195o ，240o ，285o 。

r=3、5、6……时同样可推导出类似相位角。可以看出在r=4时，A ，B ，C 三相相位组合可以得到0o ，120o ，240o 的正序组合，事实上，只有当13+=m r （m 为自然数）时，分频所得的子频率可能形成正序三相电压。而当r=2时可以得到负序的电压（0o ，240o ，120o ）。相序情况如表1所示。因此，本文介绍的分级变频软起动器采用12.5Hz-25Hz-50Hz 的三级起动方式，在25Hz 时通过换相的方式实现正序运行。

r 三相平衡情况

频率/Hz 2 负序 25 3 不平衡 16.7 4 正序 12.5 5 负序 10 6 不平衡 8.33 …

…

…

表1 三相平衡系统离散频率相序表

Tab.1 three-phase system discrete frequency phase-sequence table

2 电路结构与工作流程

2.1 主电路结构

本文介绍的这种软起动器采用五对反并联晶闸管组。如图3所示。与传统的晶闸管软起动器相比，增加了Pe, Pd 两组晶闸管，其主要作用就是在25Hz 频率运行阶段交换B 、C 相，以实现电压的正序。同时此电路结构还可以为软起动器增加电机的制动与反转控制功能。有些文献中提到的采用三组晶闸管组的变频软起动器在除了12.5Hz 子频率起动时，都不能得到三相平衡的对称正序电压，需要通过对称分量法对相位组合进行分析选取可以得到相对最大转矩的组合[6]，而本文所介绍的这种软起动器则可以直接得到正序电压，此为本方案的改进之处。