等效正弦分級(jí)變頻軟啟動(dòng)器的研究

楊寧波，童軍(西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，陜西 西安　710054)

0　引　言

由于電力電子技術(shù)的發(fā)展和各種電力電子器件的出現(xiàn)，基于晶閘管調(diào)壓原理的電機(jī)軟啟動(dòng)器對于解決啟動(dòng)過程中的問題有很大的貢獻(xiàn)。軟啟動(dòng)技術(shù)有變頻器控制的軟啟動(dòng)和分級(jí)變頻軟啟動(dòng)，變頻器可以最大限度地限制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流，減少電網(wǎng)壓降，可實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩及變轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)。但是由于變頻器的價(jià)格昂貴且使用成本增加和維修比較復(fù)雜，所以變頻器的使用受到了很大的限制。分級(jí)變頻的優(yōu)點(diǎn)將可以很好的彌補(bǔ)變頻器的缺陷。1999年Dr. Ginart Antonio(U.S.)提出了分級(jí)變頻的理論，將工頻輸入的波進(jìn)行周波控制，使得某些半波導(dǎo)通，某些半波截止，從而通過增加輸出電壓的周期來降低頻率，也就是說頻率的變化是整倍數(shù)的。所謂的分級(jí)變頻軟啟動(dòng)就是通過某種控制方法將這些不同的頻率進(jìn)行切換，最后達(dá)到工頻和額定轉(zhuǎn)速[1-2]。分級(jí)變頻可以在降低啟動(dòng)電流的同時(shí)有效提高異步電機(jī)的初始啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。但是，分級(jí)變頻在實(shí)際工程應(yīng)用中還存在較多的問題，本文將對啟動(dòng)的時(shí)候存在的一些問題進(jìn)行討論。

1　系統(tǒng)原理介紹

分級(jí)變頻軟啟動(dòng)器主要采用傳統(tǒng)軟啟動(dòng)器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將工頻輸入的某些半波導(dǎo)通，某些半波截止，從而增加輸出電壓的周期以降低頻率[3]。下面介紹A相2分頻的產(chǎn)生過程，通過控制晶閘管的通斷來使得工頻在兩個(gè)周期中有一個(gè)正半波導(dǎo)通和一個(gè)負(fù)半波導(dǎo)通，但是這存在四種不同的組合方式，如圖1所示。這四種方式都可以形成的25 Hz的波形，其中頻率和幅值相同，相位不同[4]。

圖1　1/2分頻電壓波形相位示意圖

由于三相分級(jí)變頻不是連續(xù)變化的，所以使得電機(jī)在啟動(dòng)的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)很多問題，比如分級(jí)變頻后電源的相序，頻段的選擇與頻段之間的切換和功率因數(shù)角校正等。

2　分級(jí)變頻的相序問題

三相電源提供的頻率為工頻50 Hz，角速度為ωnet，電壓幅值為UL,則三相電壓值為：

(1)

經(jīng)過m分頻，新的子頻率下的三相電壓基波瞬時(shí)值為：

(2)

式中：ωnet=mωsub。

假設(shè)A相的相位角φA=0，可知：

(3)

(4)

當(dāng)m=3k+1，即m為4、7、10…時(shí)，得到的新的子頻率下的三相正序?qū)ΨQ電壓，此時(shí)任意兩相的相位差為2π/3；當(dāng)m=3k-1，即m為2、5、8、11…時(shí)，得到的是三相負(fù)序?qū)ΨQ電壓；當(dāng)m=3k時(shí)，得到的新的電壓只有零序分量。這些對稱的分頻中只有偶分頻的波形關(guān)于時(shí)間軸上是不平衡的。

在啟動(dòng)的時(shí)候希望所選擇的子頻率為正序平衡，如13分頻和7分頻，對于一些不完全平衡的方式，如4分頻和3分頻以及完全負(fù)序?qū)ΨQ的2分頻需要采用對稱分量法來對其進(jìn)行分解[5]。將正序分量、負(fù)序分量和零序分量的標(biāo)注為“+”、“-”和“0”，運(yùn)用對稱分量法來進(jìn)行分解，可以得到如下式：

(5)

設(shè)變換系數(shù)：

(6)

對式(6)進(jìn)行計(jì)算得：

(7)

通過計(jì)算可得，3分頻的時(shí)候，(0°，260，100°)、(0°，260°，160°)和(0°，200°，100°)滿足正序分量最大和負(fù)序分量最小的要求。2分頻的時(shí)候，(0°，210°，60°)、(0°，210°，150°)、(0°，300°，150°)滿足正序分量最大和負(fù)序分量最小的要求。

3　不同頻段的選擇與切換

分級(jí)變頻的初始啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與頻率成反比，所以頻率越低，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩越大[6]。但是初始頻率太低會(huì)增大啟動(dòng)時(shí)間，而且在啟動(dòng)的時(shí)候盡量讓正序分量最大和負(fù)序分量最小，這樣可以最大地啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，滿足電機(jī)可以滿載或者重載啟動(dòng)[7]。本文采用斜坡電壓的啟動(dòng)方式對其進(jìn)行改善。所以選擇的分級(jí)變頻啟動(dòng)方式為13分頻→7分頻→4分頻→3分頻→2分頻→斜坡電壓→50 Hz的過程。

4　觸發(fā)角控制策略

傳統(tǒng)的分級(jí)變頻軟啟動(dòng)常采用固定觸發(fā)角度的控制策略[8]，這種控制方法得到的電壓不是正弦波形，故其諧波含量比較大。本文采用等效正弦控制的方法可以計(jì)算出啟動(dòng)過程中各級(jí)晶閘管觸發(fā)角，使得輸出電壓波形為等效正弦。如圖2所示，圖為7分頻的電壓等效正弦波形，其中實(shí)線波形為7分頻后的基波，且uν=Uνmsinωνt；虛線波形為工頻正弦波，且u1=U1msinω1t。結(jié)合VVVF原理及等效正弦控制原理可得[9]：

(8)

圖2　等效正弦的觸發(fā)角波形圖

5　功率因數(shù)角的閉環(huán)控制

由于斜坡電壓的存在，使得過度過程中容易出現(xiàn)電機(jī)震蕩的現(xiàn)象[10]。經(jīng)研究表明，這是因?yàn)楣β室驍?shù)角φ的存在而引起的，本文通過對功率因數(shù)角進(jìn)行閉環(huán)控制的方法來減小電機(jī)的震蕩[11-12]。

由晶閘管的輸出電壓公式可知：

(9)

設(shè)在t時(shí)刻，存在這樣的關(guān)系：

UL=f(α1,φ1)

(10)

Δt(Δt→0)，UL幾乎沒有變化，可以忽略不計(jì)，則：

UL=f(α2,φ2)

(11)

設(shè)α2=α1+Δα，φ2=φ1+Δφ則：

f(α1,φ1)=f(α2,φ2)

(12)

則：

(13)

所以：

(14)

故可得其流程圖如圖3所示。

圖3　功率因數(shù)角閉環(huán)控制原理框圖

6　仿真分析與研究

借助于MATLAB/Simulink的仿真來進(jìn)行仿真測驗(yàn)[13]，其中異步電動(dòng)機(jī)PN=5.5 kW、UN=380 V、Rs=1.55 Ω、Rr=1.62 Ω、Ls=9.2 mH、Lr=12.5 mH、Lm=69.31 mH、J=0.02 kg·m2、nN=2 900 r/min，采用頻率3.85 Hz→7.14 Hz→12.5 Hz→16.7 Hz→25 Hz→斜坡電壓啟動(dòng)→50 Hz的啟動(dòng)方案。啟動(dòng)過程仿真波形如圖4所示。

圖4　分級(jí)變頻軟啟動(dòng)仿真波形

7　試驗(yàn)

對一臺(tái)三相異步電機(jī)帶額定負(fù)載進(jìn)行軟啟動(dòng)試驗(yàn)，異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)如下：UN為380/660 V，IN為11 A，PN為5.5 kW，nN為2 900 r/min，圖5和圖6分別是4分頻和斜坡電壓啟動(dòng)所對應(yīng)的試驗(yàn)波形。

圖5　4分頻啟動(dòng)波形

圖6　斜坡電壓啟動(dòng)波形

由試驗(yàn)波形圖可以看出分級(jí)變頻的軟啟動(dòng)控制方式可以降低啟動(dòng)電流的同時(shí)，帶來比較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

8　結(jié)束語

通過等效正弦分級(jí)變頻的軟啟動(dòng)控制方式可以實(shí)現(xiàn)分級(jí)變壓變頻，可以降低啟動(dòng)電流的同時(shí)帶來比較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，使得滿足電機(jī)啟動(dòng)的額定轉(zhuǎn)矩。但是分級(jí)變頻軟啟動(dòng)也存在一定技術(shù)難題，文中提出的方法可以有效地解決技術(shù)上存在的問題。使分級(jí)變頻的軟啟動(dòng)產(chǎn)品用于重載或者滿載啟動(dòng)的場合。

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