交-交變頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電機(jī)的重載起動(dòng)

 摘 要:給出了電動(dòng)機(jī)的幾種起動(dòng)方式，并分析了其特性，著重介紹了軟起動(dòng)。但本文的目的是解決電動(dòng)機(jī)的重載起動(dòng)，并給出了一種交交變頻的方法來實(shí)現(xiàn)。 
關(guān)鍵詞:感應(yīng)電機(jī) 軟起動(dòng) 交交變頻 
Abstract:some starting manners of motor are given and analyzed in this paper, soft 
starting is introduced emphasizly. But how to solve over loading starting is purposed 
and AC-AC variable frequency is given. 
Keywords:inducing motor soft starting AC-AC variable frequency 
1 引言 
三相交流電動(dòng)機(jī)從發(fā)明以來，經(jīng)歷了100多年的歷程，在這漫長的歲月里，它為奠定與發(fā)展這項(xiàng)經(jīng)典的傳動(dòng)技術(shù)樹立了豐碑，。又由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、價(jià)格低廉，而廣泛作用于電力拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的動(dòng)力，在機(jī)械、化工、紡織和石化等行業(yè)有大量的應(yīng)用。然而，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性卻一直舉步維艱。這是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)在恒壓下直接起動(dòng)，其起動(dòng)電流約為額定電流的4-7倍，其轉(zhuǎn)速要在很短時(shí)間內(nèi)從零升至額定轉(zhuǎn)速，會(huì)在起動(dòng)過程中產(chǎn)生沖擊，很容易使電力拖動(dòng)對(duì)象的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等造成嚴(yán)重磨損甚至損壞。在起動(dòng)瞬間大電流的沖擊下，將引起電網(wǎng)電壓降低，影響到電網(wǎng)內(nèi)其它設(shè)備的正常運(yùn)行。同時(shí)由于電壓降低，電動(dòng)機(jī)本身起動(dòng)也難以完成，造成電機(jī)堵轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時(shí)，可能燒壞電動(dòng)機(jī)。因而如何減少異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間的大電流的沖擊，是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的首要問題。為此必須設(shè)法改善電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法，使達(dá)到電動(dòng)機(jī)的平滑無沖擊的起動(dòng)，于是各種限流起動(dòng)方法也就應(yīng)運(yùn)而生。 
2 傳統(tǒng)的起動(dòng)方法 
2.1 定子串電抗器起動(dòng) 
對(duì)于鼠籠式異步電機(jī)一般采用定子回路串電抗器分級(jí)起動(dòng)，繞線式異步電機(jī)則采用轉(zhuǎn)子回路串電抗器起動(dòng)。定子邊串電抗器起動(dòng)，即增加定子邊電抗值，可理解為降低定子實(shí)際所加電壓，其目的是減少起動(dòng)電流。此起動(dòng)方式屬降壓起動(dòng)，缺點(diǎn)是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨定子電壓的降低而成平方關(guān)系下降，外串電阻中有較大的功率損耗。又由于是分級(jí)起動(dòng)，起動(dòng)特性不平滑。 
2.2 星-三角起動(dòng) 
起動(dòng)時(shí)定子繞組星形連接，起動(dòng)后三角形連接。在電動(dòng)機(jī)繞組星形連接時(shí)，電動(dòng)機(jī)電流僅為三角形連接的1/3，遺憾的是電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩也同樣降低到三角形接線時(shí)的1/3，為了使電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速時(shí)達(dá)到它的額定轉(zhuǎn)矩，在經(jīng)歷了預(yù)先設(shè)定的時(shí)間后，又從星形接線轉(zhuǎn)換到三角形接線，在轉(zhuǎn)換過程中會(huì)出現(xiàn)二次沖擊電流。 
2.3 自耦變壓器起動(dòng) 
當(dāng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的定子通過自耦變壓器接到三相電源上。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速升高到一定值時(shí)，自耦變壓器被切除，電動(dòng)機(jī)定子直接接到電源上，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。同直接起動(dòng)時(shí)相比，當(dāng)電壓降到W2/W1倍時(shí)，起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩降到(W2/W1)2倍(W2/W1為自耦變壓器的變比)。這種起動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)時(shí)定子電壓的大小可調(diào)。比起定子串電抗起動(dòng)，當(dāng)限定的起動(dòng)電流相同時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩?fù)p失較少。要使變壓器的容量和耐壓水平提高，將使得變壓器的體積增大，成本高，且不允許頻繁起動(dòng)，同樣也不能帶重負(fù)載起動(dòng)。 
.4 頻敏變阻器起動(dòng) 
對(duì)于繞線式異步電機(jī)來說，如果僅僅是為了限制起動(dòng)電流、增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，則一般采用轉(zhuǎn)子回路串頻敏變阻器起動(dòng)方式。但此起動(dòng)方式在頻繁起動(dòng)下，易發(fā)生溫升，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不常用。 
由此可知上述幾種起動(dòng)方式的共同特點(diǎn)是控制電路簡單，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩基本固定不可調(diào)，起動(dòng)中都存在二次沖擊電流，對(duì)負(fù)載機(jī)械有沖擊轉(zhuǎn)矩，且受電網(wǎng)電壓波動(dòng)的影響，一旦出現(xiàn)電網(wǎng)電壓下降，會(huì)造成電機(jī)堵轉(zhuǎn)，起動(dòng)困難，且上述幾種起動(dòng)方法，在停機(jī)時(shí)都是瞬間停機(jī)，遇到負(fù)載較重時(shí)會(huì)造成劇烈的機(jī)械沖擊。 
3 軟起動(dòng) 
所謂軟起動(dòng)是指裝置輸出電壓按一定規(guī)律上升，使被控電動(dòng)機(jī)的電壓由零升到全電壓，轉(zhuǎn)速相應(yīng)的由零平滑加速到額定轉(zhuǎn)速的過程。它是電力電子技術(shù)與自動(dòng)化控制技術(shù)的綜合，是將強(qiáng)電和弱電結(jié)合起來的控制技術(shù)。在軟起動(dòng)器中三相電源與被控電機(jī)之間串入三相反并聯(lián)晶閘管，采用反并聯(lián)接線的晶閘管接在電動(dòng)機(jī)的每相，利用晶閘管移相控制原理，控制其內(nèi)部晶閘管的導(dǎo)通角，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，用調(diào)節(jié)6個(gè)晶閘管的不完全導(dǎo)通來控制電動(dòng)機(jī)的供電電源。換言之，起動(dòng)時(shí)只有三相正弦波形的一部分向電動(dòng)機(jī)供電。 
軟起動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)特性曲線好，使晶閘管的導(dǎo)通角從零度開始，逐漸前移，電機(jī)的端電壓從零開始逐漸上升，直至達(dá)到額定電壓，起動(dòng)電流從零線性上升至設(shè)定值，從而滿足起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的要求，保證起成功。表1為軟起動(dòng)同傳統(tǒng)起動(dòng)對(duì)照表。 
4 重載起動(dòng)方式(交-交變頻起動(dòng)) 
4.1 交-交變頻工作原理 
盡管軟起動(dòng)具有起動(dòng)平滑，起動(dòng)時(shí)間等參數(shù)可調(diào)的特性，具有傳統(tǒng)起動(dòng)方法無法比擬的優(yōu)越性，是傳統(tǒng)降壓起動(dòng)器的理想換代產(chǎn)品。但可控硅調(diào)壓方式的軟起動(dòng)器控制感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，在減小電壓的同時(shí)，供電頻率仍為工頻，使得其功率因數(shù)低，無功功率增加，這決定了其只能應(yīng)用于輕載場合，對(duì)于重載起動(dòng)就勉為其難了。然而在很多場合下，不能保證負(fù)載為輕載起動(dòng)，如球磨機(jī)、破碎機(jī)、空氣壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等，這就使得我們想在降低電壓的同時(shí)，能夠減小供電電壓頻率，即保持V/F不變，保證恒力矩起動(dòng)，因而變頻器變頻起動(dòng)無疑是最好的起動(dòng)設(shè)備，但如果把變頻器僅作起動(dòng)，不調(diào)速，資金浪費(fèi)很大，特別是高壓大容量的通用變頻器價(jià)格就更為昂貴，且感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的重載起動(dòng)只是短時(shí)間的過程，故尋求一種感應(yīng)電機(jī)的重載安全起動(dòng)方法是很有必要的�？v上述幾種起動(dòng)方式可得出采用交-交變頻器來實(shí)現(xiàn)重載起動(dòng)。因?yàn)榻?交變頻沒有中間直流環(huán)節(jié)，僅用一次變換就實(shí)現(xiàn)了變頻，所以效率較高，而且大功率交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)所用的變頻器也主要是交-交變頻來完成的。 
交-交變頻的工作原理是讓兩組交流電路按一定頻率交替工作，就可以給負(fù)載輸出該頻率的交流電。改變兩組變流電路的切換頻率，就可以改變輸出頻率;改變變流電路工作時(shí)的控制角α，就可以改變交流輸出電壓的幅值。 
如果讓?duì)两遣皇枪潭ㄖ�，在半個(gè)周期內(nèi)讓正組變流電路P的α角按正弦規(guī)律從900逐漸減

小到00，然后在逐漸增大到900。那么，正組整流電路在每個(gè)控制間隔內(nèi)的平均輸出電壓按正弦規(guī)律從零逐漸增至最大，在逐漸減小到零。在另外半個(gè)周期內(nèi)，對(duì)負(fù)組變流器N進(jìn)行同樣的控制，就可以得到接近正弦波的輸出電壓。和可控硅整流電路(軟起動(dòng))一樣，交-交變頻電路也屬于電網(wǎng)換相。 
4.2 整流與逆變工作狀態(tài) 
假設(shè)負(fù)載的功率因數(shù)角為Φ，即輸出電流滯后輸出電壓Φ角。另外兩組交流電路在工作時(shí)無環(huán)流工作方式，即一組交流電路工作時(shí)，將另一組變流電路的脈沖封鎖。下圖給出了一個(gè)周期內(nèi)負(fù)載電壓、電流波形。 
從圖3中可以看出，那組變流電路工作是由輸出電流的方向決定的，與輸出電壓極性無關(guān)。變流電路是工作在整流狀態(tài)還是逆變狀態(tài)，則是由輸出電壓方向和輸出電流方向的異同決定的。 
4.3 輸出正弦波電壓的調(diào)制方法 
使交-交變頻電路的輸出電壓波形為正弦波的調(diào)制方法有多種，這里介紹廣泛采用的余弦交點(diǎn)法。 
晶閘管變流電路的輸出電壓為 
(1) 
式中，Ud0為α=0時(shí)的理想空載整流電壓。對(duì)交-交變頻電路來說，每次控制時(shí)α角是不同的，式(1)中的U0表示每次控制間隔內(nèi)輸出電壓的平均值。 
設(shè)要得到的正弦波輸出電壓為 
(2) 
則比較式(1)和式(2)可得(3) 
(3) 
式中γ稱為輸出電壓比， 
因此 (4) 
上式就是用余弦交點(diǎn)法求變流電路α角的基本公式。 
式(4)可以用模擬電路來實(shí)現(xiàn)，但線路復(fù)雜，且不易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的控制，所以采用微機(jī)來實(shí)現(xiàn)上述運(yùn)算。可把事先計(jì)算好的數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器中，運(yùn)行時(shí)按照所存的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。為了用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，必須具備三相低頻信號(hào)、同步信號(hào)、零電流檢測三個(gè)基本條件。 
4.4 三相低頻信號(hào)的產(chǎn)生原理 
用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生三相低頻信號(hào)，必須首先將要產(chǎn)生的低頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。這不僅在幅值上數(shù)字化，在時(shí)間上也要數(shù)字化。在時(shí)間上，以一度為單位(分辨率已經(jīng)足夠)，將低頻信號(hào)的一個(gè)周期分成360等份。根據(jù)需要的頻率求出低頻信號(hào)一度的時(shí)間，以次作為定時(shí)時(shí)間，這樣每隔一度，便輸出一次低頻信號(hào)的對(duì)應(yīng)值，每360循環(huán)一次，構(gòu)成低頻的周期。其它兩相輸出和上面一樣，只是輸出的對(duì)應(yīng)數(shù)值不一樣，正好相差120、240度。這樣就構(gòu)成了互差1200的低頻信號(hào)。由于準(zhǔn)梯形波具有較高的基波幅值，因此這里采用它作為低頻參考信號(hào)，它是限幅的正弦波，當(dāng)?shù)扔?00時(shí)就已經(jīng)到達(dá)了最大值。其目的是提高直流電壓的利用率。 
下面以準(zhǔn)梯形波為例來說明三相低頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)的具體方法。 
a. 建立一個(gè)準(zhǔn)梯形波波形的表格，表格的大小為360個(gè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)分別以1度為間隔的準(zhǔn)梯形波波形數(shù)據(jù)。表格存放在表首地址為TABLE的內(nèi)存中，第一個(gè)數(shù)據(jù)為1度時(shí)對(duì)應(yīng)的波形數(shù)據(jù)，最后一個(gè)為360度對(duì)應(yīng)的波形數(shù)據(jù)。表格的數(shù)據(jù)是按比例得到的。 
b. 設(shè)一計(jì)數(shù)指針COUN，初始化時(shí)，使COUN=0，并起動(dòng)定時(shí)器。在定時(shí)時(shí)間到達(dá)之后，計(jì)數(shù)指針COUN增1，同時(shí)取出表中的數(shù)據(jù)(對(duì)應(yīng)內(nèi)存地址為TABLE+COUN)輸出。當(dāng)計(jì)數(shù)指針COUN=360時(shí)，使COUN復(fù)位為0，便完成了本周期的數(shù)據(jù)輸出，為下一周期做準(zhǔn)備。這樣周而復(fù)始不斷的取數(shù)輸出，就產(chǎn)生了低頻數(shù)字信號(hào)。 
c. 其它兩相低頻信號(hào)分別滯后120、240度的同樣波形，可以完全使用同樣的表格。 
d. 為了得到復(fù)值可變的低頻信號(hào)，在低頻數(shù)字信號(hào)輸出之前，應(yīng)乘以調(diào)制系數(shù)，調(diào)制系數(shù)的范圍是0~1。 
e. 1度對(duì)應(yīng)的時(shí)間是由所需輸出頻率決定的，將其轉(zhuǎn)換為定時(shí)時(shí)間常數(shù)后，存放于TIME的單元中，它就是控制交-交變頻器輸出頻率的變量。 
4.5 同步信號(hào)電路 
采用微機(jī)定時(shí)方式進(jìn)行交-交變頻的移相控制時(shí)，需要給微機(jī)提供各晶閘管控制角起時(shí)定時(shí)時(shí)刻的方波信號(hào)，使移相控制裝置向晶閘管發(fā)出的觸發(fā)脈沖信號(hào)在電源電壓的每個(gè)周期內(nèi)均能重復(fù)出現(xiàn)。因此，這一方波信號(hào)的頻率應(yīng)與電源頻率相同。所以，一般將此方波信號(hào)稱為同步信號(hào)。此外，同步信號(hào)的另一作用是微機(jī)利用它的狀態(tài)來進(jìn)行判相定管，決定是某相的上管或下管工作與否。 
取A相電壓經(jīng)同步變壓器降壓后，進(jìn)入RC移相電路形成滯后30度的正弦電壓，由三級(jí)管將正弦波形成方波，再經(jīng)光電隔離、反相及輸出電路，在輸出端得到同步脈沖信號(hào)。 
4.6 零電流檢測電路 
不論是電壓型還是電流型控制的無環(huán)流交-交變頻器，正反組變流器的換向都必須處于零電流狀態(tài)，此時(shí)兩組變流器的觸發(fā)脈沖都被封鎖。因此，實(shí)際的零電流一定要準(zhǔn)確可靠的檢測出來，這關(guān)系到換相的死區(qū)長短，以及換相的可靠性。 
檢測方法 檢測負(fù)載電流的方法常用的有兩種：LEM電流傳感器和檢測和晶閘管端電壓法。用LEM電流傳感器檢測負(fù)載電流，可將主電路與控制電路完全隔離，且檢測電路結(jié)構(gòu)簡單。但由于換相等原因，負(fù)載電流含有豐富的電流諧波，給電流檢測、尤其是過零點(diǎn)檢測帶來了一定困難。LEM傳感器輸出信號(hào)經(jīng)濾波、整形后，會(huì)產(chǎn)生偽過零點(diǎn)，使控制系統(tǒng)出現(xiàn)誤動(dòng)作。由于晶閘管導(dǎo)通時(shí)其端電壓為管壓降，近似等于零，而阻斷時(shí)端電壓等于其所接交流電壓(電網(wǎng)線電壓或相電壓)。同時(shí)檢測變頻器主電路中每一相上的六個(gè)晶閘管，如有一管導(dǎo)通說明此相有電流。如六管全關(guān)斷則說明此相無電流，也就是電流過零點(diǎn)。這種方法直接檢測零電流，不需要對(duì)電流波形進(jìn)行整形，其輸出信號(hào)完全對(duì)應(yīng)著電流波形中的零電流，使檢測電路更加準(zhǔn)確、可靠。圖4為零電流檢測電路。 
5 出現(xiàn)的問題及解決方法 
交-交變頻電路的輸出電壓是由若干段電網(wǎng)電壓拼接而成的。當(dāng)輸出頻率升高時(shí)，輸出電壓一個(gè)周期內(nèi)電網(wǎng)電壓的段數(shù)就減少，所含諧波分量就要增加。這種輸出電壓的波形畸變是限制輸出頻率提高的主要因數(shù)之一。所以最高輸出頻率不高于電網(wǎng)頻率的1/3-1/2。但由于我們主要用于起動(dòng)，一旦速度達(dá)到了1/3全速，可以控制相應(yīng)的晶閘管，使它們切換到軟起動(dòng)，軟起動(dòng)方式仍由本裝置實(shí)現(xiàn)。在軟起動(dòng)的作用下完成起動(dòng)結(jié)束。因?yàn)榇藭r(shí)電壓相對(duì)較小，切換的過程中，不會(huì)有很大的沖擊電流。 
由于采用無環(huán)流控制方式，有換流死區(qū)，所以輸出波形有一點(diǎn)畸變�？梢圆捎每焖俚�，比較好的零電流檢測方法來減小死區(qū)時(shí)間。 
6 結(jié)束語 
傳統(tǒng)起動(dòng)方式將逐漸被可控硅軟起動(dòng)所取代，然而軟起動(dòng)卻不能很好解決感應(yīng)電機(jī)的重載起動(dòng)，因而給出了一種實(shí)用的交-交變頻起動(dòng)方式來解決這個(gè)問題。由于目前采用交-交變頻技術(shù)成本相對(duì)過高，同時(shí)由于國內(nèi)的研究開發(fā)相對(duì)滯后，致使該技術(shù)還主要限于大型礦井的關(guān)鍵設(shè)備。但隨著這一技術(shù)相對(duì)成本的不斷降低，人們

節(jié)能意識(shí)的不斷深入，該技術(shù)在礦井中的應(yīng)用必將迎來一個(gè)全新的時(shí)期，同時(shí)在應(yīng)用范圍上也將擴(kuò)大，并有待開發(fā)和完善。 
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