一種新型可旁路變頻軟啟動器的切換控制方法

孟彥京，李 鳴，榮為青，高澤宇

(陜西科技大學(xué)，西安 710021)

0 引 言

異步電動機(jī)作為基本動力源在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，它具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、價(jià)格低廉和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)[1-2]。但因其起動電流大、起動轉(zhuǎn)矩小，必須空載或輕載起動，給需要帶載起動的應(yīng)用帶來不便[3-4]。目前常用的軟啟動器所依據(jù)的理論是電動機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型的調(diào)壓調(diào)速原理，在降低起動電流的同時(shí)也降低了起動轉(zhuǎn)矩[5-6]。因此，具有高起動轉(zhuǎn)矩的軟起動設(shè)備的研發(fā)成為解決問題的關(guān)鍵[7]。

為了改善異步電動機(jī)的起動性能，在降低起動電流的情況下有效增加起動轉(zhuǎn)矩，文獻(xiàn)[8-9]提出了離散變頻軟起動的原理及控制方法，后經(jīng)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法諧波含量較高且?guī)лd能力有限、轉(zhuǎn)矩脈動大；文獻(xiàn)[10-11]提出了一種基于六邊形空間電壓矢量的軟起動控制方法，它在離散變頻原理的基礎(chǔ)上引入了空間電壓矢量原理。該方法雖然在一定程度上降低了離散變頻軟起動的諧波、有效減小了諧波轉(zhuǎn)矩，但由于其離散變頻的基本特征沒變，只能實(shí)現(xiàn)有級變頻，故不能完全滿足工業(yè)實(shí)際的需求。

變頻器作為高性能的調(diào)速設(shè)備是電機(jī)軟起動非常理想的選擇，其一般采用矢量控制方法和直接轉(zhuǎn)矩控制方法，使異步電動機(jī)起動系統(tǒng)具有優(yōu)良的動態(tài)、靜態(tài)性能，調(diào)速范圍寬，平滑性好，節(jié)能效果顯著。但是采用變頻器作軟啟動器，在不需要調(diào)速的工控場合中存在著當(dāng)電機(jī)起動完成后變頻軟啟動器難以旁路退出的問題，造成大量不必要的能源浪費(fèi)[12-13]。

基于上述分析，本文提出一種能夠連續(xù)變頻的新型可旁路變頻軟啟動器。通過對傳統(tǒng)交直交變頻器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)變頻軟啟器的旁路退出功能，使其在單臺電機(jī)起動完成后還可以應(yīng)用于其他電機(jī)的軟起動或者調(diào)速生產(chǎn)中，如此實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，大幅度降低成本；而且其優(yōu)越的性能也很好地解決了異步電動機(jī)的起動問題，使之既可以應(yīng)用于電機(jī)變頻調(diào)速領(lǐng)域又可以應(yīng)用于軟起動領(lǐng)域，打破軟啟動器與變頻器的界限，具有較高的性價(jià)比。

1 可旁路變頻軟啟動器的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 可旁路變頻軟啟動器的系統(tǒng)組成

常用的交-直-交電壓型變頻器主回路結(jié)構(gòu)如圖1所示，左側(cè)為二極管不可控整流橋，將三相交流電整流成電壓恒定的直流電壓；中間為大電容濾波，這是為了減小直流電壓脈動而設(shè)置；右側(cè)為逆變器，它由6個(gè)IGBT構(gòu)成三相逆變橋，將直流電壓變換為頻率與電壓均可調(diào)的交流輸出[14]。

圖1 傳統(tǒng)交-直-交變頻器主回路結(jié)構(gòu)圖

本文提出的一種新型可旁路變頻軟啟動器控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括三相整流橋、三相逆變橋、采樣電路、控制電路與驅(qū)動電路。與圖1相比，本結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)交直交變頻器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)：將目前通用型變頻器直流母線并聯(lián)的大容量電解電容替換成一個(gè)小電容C2，同時(shí)在母線端再并聯(lián)一個(gè)串聯(lián)帶有續(xù)流二極管的功率開關(guān)管的小電容C1，電容均采用不超過幾百微法的無極電容，取消了傳統(tǒng)變頻器主電路中的大容量電容器組件，降低了變頻器的重量及成本；為了實(shí)現(xiàn)旁路，本結(jié)構(gòu)在三相逆變橋的出線端以及電網(wǎng)和電機(jī)之間串聯(lián)有旁路接觸器開關(guān)K1,K2,K3,K4,K5,K6，控制器通過驅(qū)動電路控制所有的旁路接觸器，形成新的交流-直流-交流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖2 可旁路變頻軟啟動器控制系統(tǒng)整體框圖

1.2 可旁路變頻軟啟動器的工作原理

1.2.1 直流母線電容的充放電控制原理

普通變頻器直流回路電容的作用有兩個(gè)：一是濾波，使直流電壓近似為平直的水平線；二是吸收回饋能量，當(dāng)帶電機(jī)等感性負(fù)載時(shí)，電容的作用就是吸收掉電感續(xù)流時(shí)刻在直流母線上產(chǎn)生的尖峰電壓。

本方案由于主電路結(jié)構(gòu)的變化，使新型可旁路變頻軟啟動器工作原理和直流母線電壓波形相較于傳統(tǒng)變頻器發(fā)生較大的改變。在此種拓?fù)湫问较?，并?lián)在直流母線的小電容濾波作用很小，因此，三相整流橋輸出的電壓波形由近似直流變?yōu)槊恳还ゎl周期具有6個(gè)波頭的脈動直流電壓，如圖3所示，使變頻軟啟動器輸出端與電網(wǎng)具有直接連接關(guān)系而為后續(xù)旁路切換提供條件。

圖3 無濾波大電容時(shí)直流母線電壓波形圖

當(dāng)變頻軟啟動器所帶負(fù)載為感性時(shí)會存在電感續(xù)流的狀態(tài)。電路工作于能量回饋模式時(shí)，由于采用不可控整流，能量不能從直流側(cè)回饋至電網(wǎng)，因此通過電容形成續(xù)流回路來儲存電感中的能量。此時(shí)沒有了大電容吸收能量，現(xiàn)有直接并聯(lián)在母線的電容容值相對較小，其續(xù)流能力有限，不能完全吸收電機(jī)負(fù)載回饋到母線的全部能量，因此當(dāng)續(xù)流電流流向直流母線時(shí)會產(chǎn)生泵升電壓。若母線電壓高于設(shè)定的閾值時(shí)，由控制器發(fā)出觸發(fā)信號導(dǎo)通并聯(lián)在母線上串聯(lián)電容的功率開關(guān)管，使該并聯(lián)支路上的電容接入電路吸收電機(jī)回饋的能量以消除泵升電壓，起到緩沖無功能量的作用；當(dāng)母線電壓小于設(shè)定的閾值時(shí)，控制器發(fā)出信號關(guān)斷功率開關(guān)管。這一結(jié)構(gòu)解決了負(fù)載能量反饋到直流母線的問題，以實(shí)現(xiàn)無大容量電解電容變頻軟啟動器的控制過程。

1.2.2 可旁路變頻軟啟動器的運(yùn)行原理

本文所述的是一種無大電解電容的新型可旁路變頻軟啟動器，首先通過傳統(tǒng)變頻調(diào)速理論對電機(jī)進(jìn)行連續(xù)變頻的軟起動控制，當(dāng)電機(jī)起動完成達(dá)到工頻時(shí)，采用相應(yīng)的控制算法使電網(wǎng)的三相與電機(jī)的三相具有直接連接關(guān)系，通過控制器對電壓電流進(jìn)行檢測以找到電流過零點(diǎn)這一最佳旁路時(shí)機(jī)來實(shí)現(xiàn)變頻軟啟動器的旁路。

當(dāng)這種新型可旁路變頻軟啟動器工作在變頻調(diào)速狀態(tài)時(shí)，因?yàn)殡娫礊槊}動直流，所以其控制算法應(yīng)該對直流電壓變化的因素進(jìn)行考慮，這個(gè)可以通過控制PWM的實(shí)時(shí)伏秒積進(jìn)行補(bǔ)償，也可以通過空間電壓矢量的方法進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算控制。變頻控制策略與傳統(tǒng)的變頻器控制相同，可以采用恒壓頻比、磁鏈軌跡或直接轉(zhuǎn)矩控制等，在此不再贅述，本文只討論達(dá)到工頻后的切換問題。

在電機(jī)成功起動并達(dá)到工頻電網(wǎng)頻率時(shí)，通過相位調(diào)節(jié)使三相逆變橋輸出與電網(wǎng)電壓同頻同相位后增大調(diào)制比，使之工作在過調(diào)制狀態(tài)，并轉(zhuǎn)變?yōu)?20°調(diào)制方波控制方式，使三相逆變橋工作于與電網(wǎng)同步的近似兩相導(dǎo)通工作模式，不考慮高頻調(diào)制段的輸出，則方波段輸出的電壓可以近似為兩相導(dǎo)通的供電模式，圖4為調(diào)制方波觸發(fā)信號時(shí)序圖。

圖4 調(diào)制方波觸發(fā)信號時(shí)序圖

通過控制輸出頻率和相位，使整流側(cè)電壓處于電網(wǎng)A，B相導(dǎo)通時(shí)，VT1，VT6的方波段對應(yīng)如圖4的t1到t2時(shí)間段，在電機(jī)端形成電壓矢量UAB；同理，當(dāng)整流側(cè)電壓處于電網(wǎng)A，C相導(dǎo)通時(shí)，VT1，VT2的方波段對應(yīng)圖4中的t3到t4時(shí)間段，在電機(jī)端形成電壓矢量UAC。其情況以此類推，以此形成如圖5所示的50 Hz的正六邊形磁場，在120°調(diào)制方波的控制方式下使電機(jī)正常運(yùn)行且定子端電壓與電網(wǎng)一致時(shí)，通過檢測電流過零點(diǎn)即可以進(jìn)行變頻軟啟動器的旁路切換動作。

圖5 空間電壓矢量六邊形

2 變頻軟啟動器的旁路切換控制過程

2.1 變頻軟啟動器旁路時(shí)機(jī)選取條件

目前變頻器存在起動電機(jī)負(fù)載后難以旁路而導(dǎo)致變頻器不能充分利用，使設(shè)備成本較高等問題。本文研究的新型變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在直流母線上保留了直接來自電網(wǎng)的6個(gè)波頭脈動電壓，使電網(wǎng)電壓通過整流橋的二極管與逆變橋的IGBT直接作用到負(fù)載上，當(dāng)電機(jī)起動完成，頻率為工頻時(shí)，調(diào)節(jié)相位并使電機(jī)以過調(diào)制的方法過渡在120°調(diào)制方波的控制方式下運(yùn)行，此時(shí)欲將電動機(jī)切換到工頻電網(wǎng)。

為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟切換，盡可能減小電機(jī)抖動過程、保證電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)速無擾動切換，且切換前后電機(jī)定轉(zhuǎn)子電流無突變，同時(shí)減小IGBT的開關(guān)損耗，需要找到一個(gè)可旁路變頻軟啟動器的最佳旁路時(shí)機(jī)。本文選擇將電流過零點(diǎn)作為電機(jī)旁路切換的支點(diǎn)，在電流過零點(diǎn)附近閉合旁路接觸器從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟切換，將電機(jī)與電網(wǎng)直接相連使變頻軟啟動器從主電路中旁路出去。在此分析中，假設(shè)接觸器開關(guān)過程瞬間完成，不考慮開關(guān)延時(shí)與過渡過程對變頻軟啟動器旁路切換控制的影響。

2.2 變頻軟啟動器旁路切換控制

當(dāng)電機(jī)達(dá)到工頻時(shí)變頻軟啟動器旁路切換的控制分析過程如圖6所示。主回路的IGBT管V1與V4，IGBT管V3與V6及IGBT管V5與V2分別構(gòu)成3組上下橋臂，6個(gè)IGBT管導(dǎo)通的順序依次：V1，V2-V2，V3-V3，V4-V4，V5-V5，V6-V6，V1。

圖6 三相電源波形圖

首先以a點(diǎn)為零點(diǎn)，以α為觸發(fā)角觸發(fā)導(dǎo)通V1，V2，則U相，W相電流開始增加；然后以b點(diǎn)為零點(diǎn)，以α為觸發(fā)角觸發(fā)導(dǎo)通V2，V3，V相，W相電流也開始增加；接著以c點(diǎn)為零點(diǎn)，以α為觸發(fā)角觸發(fā)導(dǎo)通V3，V4，此過程中會出現(xiàn)U相電流處于過零點(diǎn)附近，所以此時(shí)閉合K4并斷開K1從而使電機(jī)U相直接與電網(wǎng)A相相連，V相，A相電流開始增加，U相旁路后對應(yīng)的V1，V4不再觸發(fā)。繼續(xù)以d點(diǎn)為零點(diǎn)，以α為觸發(fā)角觸發(fā)導(dǎo)通V5，W相，A相電流增加，接著以e點(diǎn)為零點(diǎn)，以α為觸發(fā)角觸發(fā)導(dǎo)通V5，V6，此過程中會出現(xiàn)V相電流處于過零點(diǎn)附近，此時(shí)閉合K5并斷開K2從而使電機(jī)V相直接與電網(wǎng)B相相連，W相，B相電流開始增加，V相旁路后對應(yīng)的V3，V6不再觸發(fā)。繼續(xù)以f點(diǎn)為零點(diǎn)，以α為觸發(fā)角觸發(fā)導(dǎo)通A，B相，A相，B相電流增加，接著以g點(diǎn)為零點(diǎn)，以α為觸發(fā)角觸發(fā)導(dǎo)通V2，此過程中會出現(xiàn)W相電流處于過零點(diǎn)附近，此時(shí)閉合K6并斷開K3從而使電機(jī)W相直接與電網(wǎng)C相相連。

至此，變頻軟啟動器完成旁路切換過程，從而實(shí)現(xiàn)軟啟動器在電機(jī)起動完成后可以自行退出的功能，解決了變頻器應(yīng)用于軟啟動器不能旁路的問題。

3 仿真結(jié)果與分析

針對上述分析方法，在MATLAB/Simulink中搭建模型，對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真模型如圖7所示，整體上由主回路和控制器兩大部分組成：主回路部分包括三相交流電源模塊、改進(jìn)的交直交變頻結(jié)構(gòu)模塊、旁路接觸器模塊和異步電動機(jī)模塊；控制器部分包括:SPWM控制單元模塊、相位調(diào)節(jié)控制單元模塊、基于正弦供電的空間矢量控制單元模塊與旁路控制單元模塊。模型中電機(jī)參數(shù)：PN=22 kW，UN=380 V，fN=50 Hz。

圖7 具有旁路功能的變頻軟啟動器仿真圖

仿真結(jié)果如圖8所示，電機(jī)帶21%負(fù)載，電機(jī)從零轉(zhuǎn)速起動，在基于SPWM的恒壓頻比的控制方法下進(jìn)行變頻軟起動，在0.7 s時(shí)變頻調(diào)速過程結(jié)束并達(dá)到工頻；電機(jī)起動完成后，于1.1 s開始采用相位調(diào)節(jié)的方法使逆變橋輸出方式與電網(wǎng)同頻同相位，并于1.4 s采用過調(diào)制的方法，逐漸增加三相調(diào)制波的幅值，從而使電機(jī)在120°調(diào)制方波控制的方式下運(yùn)行,由仿真波形可知電機(jī)運(yùn)行狀況良好。在1.7 s時(shí)進(jìn)行變頻軟啟動器的旁路切換動作，由轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩波形可知，其有微小波動，但屬正常范圍。

(a) 新型變頻軟啟動器仿真波形局部圖

(b) t=1.7 s時(shí)旁路切換動作的局部放大圖

從整個(gè)過程觀察，以上各個(gè)階段的定子電流、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩均在正常范圍內(nèi)波動，且旁路切換過程變化平穩(wěn)，變頻軟啟動器旁路退出之后定子電流波形變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的工頻三相電流波形，說明此時(shí)無諧波影響，且轉(zhuǎn)速基本無波動，對電機(jī)無沖擊作用；在局部放大圖中可以看到，旁路完成后，定子電流、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及電磁轉(zhuǎn)矩的數(shù)值均在正常范圍之內(nèi)，仿真波形無畸變，證明在此種控制方式下可以成功實(shí)現(xiàn)變頻軟啟動器的旁路退出且旁路效果良好。

4 結(jié) 語

針對變頻器應(yīng)用于軟啟動器切換到工頻后難以實(shí)現(xiàn)旁路的不足，本文分析了一種新型可旁路變頻軟啟動器的切換控制方法，通過分析及仿真可得以下結(jié)論：1)用兩個(gè)容值較小的無極電容取代普通變頻器直接并聯(lián)的大容量電解電容，不僅有效降低了變頻軟啟動器的成本與體積，而且在實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的同時(shí)解決了電機(jī)能量回饋問題；2)在電路中設(shè)計(jì)有旁路接觸器開關(guān)，通過尋找合適的旁路時(shí)機(jī)和自然過渡到電網(wǎng)的切換策略，實(shí)現(xiàn)變頻軟啟動器在控制電機(jī)連續(xù)變頻軟起動后的自旁路功能。實(shí)現(xiàn)了變頻器與軟啟動器之間的連續(xù)平滑切換，淡化了軟啟動器與變頻器的界限；3)通過系統(tǒng)仿真驗(yàn)證方案可行性，其應(yīng)用于電機(jī)軟起動可以很好地實(shí)現(xiàn)電機(jī)變頻調(diào)速控制功能，電機(jī)起動性能良好，證明該新型可旁路變頻軟啟動器具有良好的經(jīng)濟(jì)前景和較好的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

[1] 孫旭東,王善銘.電機(jī)學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006.

[2] 孟彥京,陳君,高澤宇,等.感應(yīng)電動機(jī)離散變頻快速軟起動研究[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,35(2)：154-159.

[3] 馮惕.基于空間矢量理論異步電動機(jī)起動過程的控制[J].南通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,13(3)：17-23.

[4] 趙云,劉世琦,李曉明,等.考慮電磁暫態(tài)過程的大功率異步電動機(jī)全壓起動方法[J].高電壓技術(shù),2013,39(2)：464-473.

[5] 許樹申.交流異步電動機(jī)軟起動技術(shù)分析與研究[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2010,17(27)：49-50.

[6] 周振華,崔學(xué)深,王月欣,等.感應(yīng)電機(jī)軟啟動初始兩相瞬態(tài)電流解析與控制[J].現(xiàn)代電力,2012,29(2)：50-55.

[7] 胡斯登,趙爭鳴,袁立強(qiáng),等.基于磁鏈控制的異步電動機(jī)V/F控制系統(tǒng)直流預(yù)勵磁起動方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2012,27(7)：118-123.

[8] 趙凱岐,王毅,徐殿國,等.晶閘管控制的感應(yīng)電機(jī)中提高起動電磁轉(zhuǎn)矩的一種新策略[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2004,41(3)：150-155.

[9] GINART A,CAMILLERI J S,PESSE G.Thyristor controlled AC induction motors using a discrete frequency control method[C]//Southeastern Symposium on System Theory.IEEE Computer Society,1997：164-167.

[10] 孟彥京,張陳斌,陳君,等.一種基于正弦波電壓空間矢量的新型軟起動器[J].電力電子技術(shù),2014,21(7)：28-31+35.

[11] 孟彥京,李林濤,段明亮,等.一種磁場矢量控制軟起動器及其控制方法[P].陜西：CN103618480A,2014-03-05.

[12] 彭巨光,謝勇,異步電動機(jī)變頻起動、切換的分析與研究[J].電機(jī)電器技術(shù),2003,32(1)：22-23.

[13] 鄭磊,秦榮超.變頻器代替軟起動器的改造[J].電氣技術(shù),2013,17(6)：118-119.

[14] 于泳,熊文凱,徐殿國.通用變頻調(diào)速系統(tǒng)若干關(guān)鍵技術(shù)綜述[J].自動化博覽,2008(S1):66-70.