分級變頻軟起動

1、分級變頻軟起動Graduation frequency conversion soft start哈爾濱九洲電氣股份有限公司何曉平He Xiaoping【摘要】本文介紹一種針對三相鼠籠異步電動機起動的起動方式，在不改 變傳統(tǒng)品閘管軟起動的主電路結(jié)構(gòu)，通過改變頻率來保證電動機在起動初期具有 低電流、高轉(zhuǎn)矩的特性。【關(guān)鍵詞】品閘管、電動機、觸發(fā)、電壓Abstrakt: This article introduced that one kind the starting way which starts in view of the three-phase mouse cage asynchrono

2、us motor.In does not change the traditional thyristor soft start the main circuit structure.Through the change frequency guaranteed that the electric motor has the low electric current, the high torque characteristic in the starting initial period.Key words： thyristor、electric motor、trigger voltage1

3、引言目前市場上的的軟起動設(shè)備都是采用降低起動電壓的方法來起動電動機的， 由于起動轉(zhuǎn)矩與其電壓的平方成正比，當定子電壓降低時，其起動轉(zhuǎn)矩會降低很 多。所以，降壓起動只適合空載起動或輕載起動，對于需重載起動的電機并不適 用。另外，由于普通軟起動器降壓而不降頻，在起動過程中由于大的轉(zhuǎn)差率的存 在，不可避免地會出現(xiàn)大的起動電流，因而大大地限制了軟起動器的使用范圍。本文推出一種通過控制信號降低起動頻率來提高電動機的起動轉(zhuǎn)矩的新的 軟起動方式。2分級變頻理論概述傳統(tǒng)的軟起動器一般是在工頻50Hz下采取降壓起動或者限流起動等來抑制 電動機起動時的沖擊電流，存在著起動轉(zhuǎn)矩小的問題。由于起動轉(zhuǎn)矩和電壓的平 方成

4、正比，和頻率成反比，所以在起動過程中降低電壓的同時，如果相應(yīng)地降低頻率，就可以提高起動轉(zhuǎn)矩。本文采用分級變頻的方式，在0-50Hz的頻率段內(nèi) 取不同的頻率點進行分級變頻，使軟起動器輸出電壓的頻率從一個較低的值開 始，分級上升，最后達到工頻50Hz，分級變頻雖然可以實現(xiàn)變頻，但是不能像 變頻器一樣使頻率連續(xù)變化，只能使頻率分級變化，而且各級頻率均為工頻50Hz 的1/P，即50Hz的分頻。3分頻方法3.1基本假設(shè)（1）三相SCR交流電路按照三相三線制供電。負載（電動機）是對稱負載， 每相均為電感L和電阻R串聯(lián)支路， X = o L， 每相阻抗為 Z = R + jX = Ze jI = Z2。，

5、Z = VR2 + X2， 負載回路時間常數(shù)為 T = L/R， 相位 角。=tg -1 = tg -1 o T。sin G - 120 0 )， net（2）供電電源（隱含了本文對于0參考坐標的規(guī)定）：U A(0)= 0.816 U sin 0，U B(0)= 0.816 UUc (e) = 0.816 U t sin (0 - 240 0)uab(0)= 1.414 U t sin (0 + 30 0)Uac G)= 1.414 U t sin G- 30 o)U 耽(0)= 1.414 U t sin (0 - 90 0 )，Uca (0)= 1.414 U t sin (0 - 210

6、 0)（3）品閘管按照A相：1#、4#，B相：3#、6#，C相：5#、2#編號。 流過1#、3#、5#的電流為正（流入電動機）；4#、6#、2#的電流為負（流 入電網(wǎng)）。3.2三相交流電路的節(jié)拍控制21、觸發(fā)的概念（1）過零觸發(fā)：a = 00的觸發(fā)即是過零觸發(fā)。三相交流SCR相控調(diào)壓電路 里的1#SCR觸發(fā)角a = 00對應(yīng)于電網(wǎng)A相電壓的正向過零（即0 = 00）發(fā)出的 觸發(fā)。連續(xù)不斷的過零觸發(fā)將產(chǎn)生交流調(diào)壓電路穩(wěn)態(tài)的最高輸出電壓。這時，全 部品閘管相當于短路導線。（2）觸發(fā)與導通是兩個概念。如果三相交流調(diào)壓電路的負載是電感性的， 阻抗角8 0，那么，a = 8的觸發(fā)對應(yīng)交流調(diào)壓的最高輸出電

7、壓。a8以后，a越大，則輸出電壓越小。（3）在觸發(fā)導通以后，新導通的SCR支路是承受電網(wǎng)線電壓還是相電壓？ 答案是：如果觸發(fā)之前另外兩相的SCR都不導通（在三相三線制電路里，兩相 的SCR都不導通意味著三相的SCR都不導通），則新導通的SCR支路承受線電 壓；如果觸發(fā)之前另外兩相的SCR （仍然）導通，則新導通的SCR支路（因為 三相全通）承受相電壓。例如，在1#SCR的觸發(fā)以后，可能是線電壓u B加 到1#SCR 一負載和6#SCR 一負載組成的支路上，也可能是相電壓Unet*0 1#SCR一負載組成的支路上。究竟是哪一種情況，取決于1#SCR導通之前的 其它SCR的導通狀態(tài)。（4）在觸發(fā)導

8、通以后，新導通的SCR支路不論承受電網(wǎng)線電壓還是相電壓， 流過新導通的SCR支路電流的流向（在與之反并聯(lián)的SCR未導通以前）是不可 能逆轉(zhuǎn)的。也就是說，如果該電流等于零了，它將繼續(xù)保持為零（直到下一次被 觸發(fā)）。2 2、節(jié)拍控制的定義在三相交流調(diào)壓電路中，是每e 600發(fā)出一個脈沖以實現(xiàn)SCR移相控制的。 在這里，我們將e = 600稱為一個節(jié)拍。三相交流電路的節(jié)拍控制是我們作出的 關(guān)于在某一節(jié)拍是進行或者不進行過零觸發(fā)的人為規(guī)定，其目的在于給電路提供 其基波頻率是50/p的三相電流波形，整數(shù)p是分頻數(shù)。23、SCR導通的條件過零觸發(fā)使被觸發(fā)的SCR具備導通的可能性，但是，并不一定引起該SCR

9、 導通。過零觸發(fā)是使某SCR導通的必要條件，而使某SCR導通的充分條件是： 不僅進行了過零觸發(fā)，而且與之反并聯(lián)的SCR已經(jīng)不再導通。如果與之反并聯(lián) 的SCR仍然在導通，那么，因為觸發(fā)脈沖是寬度大于150 0的寬脈沖，所以，過 零觸發(fā)的SCR的導通會捱到與之反并聯(lián)SCR關(guān)斷的時刻。24、不進行過零觸發(fā)的定義不進行過零觸發(fā)是相對進行過零觸發(fā)而言的。兩者非此即彼。所有SCR 在過零時刻都進行寬脈沖觸發(fā)的必然后果是全部品閘管通通相當于短路導線。觸 發(fā)脈沖發(fā)生器總是無條件地產(chǎn)生出所有的過零觸發(fā)脈沖。只是在輸送通道上存在 著可控的門電路，而門電路的關(guān)斷對應(yīng)于不進行過零觸發(fā)。2 5、觸發(fā)制度的數(shù)字表示（以后

10、也可以簡稱為觸發(fā)制度）約定以1#SCR的觸發(fā)為第一拍（在1#觸發(fā)脈沖的前沿，6#觸發(fā)脈沖仍 然存在），因為（不妨礙一般性）約定第一拍是一定會進行的，所以，相應(yīng)的觸發(fā) 制度的數(shù)字表示為1，第二拍觸發(fā)是送給2#SCR的，如果不進行第二次觸發(fā)， 則觸發(fā)制度的數(shù)字表示為10，如果進行第二拍觸發(fā)，則觸發(fā)制度的數(shù)字表示為 11，第三拍觸發(fā)是送給3#SCR的，如果不進行第3拍觸發(fā)，則觸發(fā)制度的數(shù) 字表示為1*0，*依第二拍是否觸發(fā)而取值0或1，如果進行第3拍觸發(fā)，則觸 發(fā)制度的數(shù)字表示為1*1，第4拍觸發(fā)是送給4#SCR的，如果不進行第4拍觸 發(fā)，則觸發(fā)制度的數(shù)字表示為1*0，*依第二、三拍是否觸發(fā)而取值0

11、0，01 或10，11，如果進行第4拍觸發(fā)，則觸發(fā)制度的數(shù)字表示為1*1，余類推。不 贅。2 6、觸發(fā)制度的周期性分頻觸發(fā)后的基波頻率是50/p Hz，它的周期是20p ms，在一個20p ms 的周期里含有的觸發(fā)拍數(shù)總共為6p，觸發(fā)制度的數(shù)字表示的重復(fù)周期也是6p， 例如，觸發(fā)制度第2拍的數(shù)字表示若為10，則第6p 2拍的數(shù)字表示仍為10?；ㄖ芷诂F(xiàn)在，以p = 2為例進行分析。基波頻率是50/p = 25Hz， 20p = 40ms，觸發(fā)拍數(shù)總共為12。觸發(fā)制度為G* ）共12個數(shù)。相應(yīng)地有2048 種排列。按照這些排列，將得到2048種電流波形。首先，要將基波頻率不是25Hz 的波形篩選

12、（剔除）掉，換句話說，得到的電流波形應(yīng)該是40ms的周期函數(shù)（顯 然，觸發(fā)制度（1111111111 11）所對應(yīng)的電流波形的周期是20皿，不是40皿）。這樣的波形可能是m種，例如m = 1000。其次，要檢查這m種電流波形。對于 每一個觸發(fā)制度，找到所對應(yīng)的三相基波電流的幅度和相位，從中挑選出正序電 磁轉(zhuǎn)矩最大的一種或幾種，以及負序電磁轉(zhuǎn)矩最大的一種或幾種。圖1為25Hz時 的一相電壓波形。圖1 25Hz時一相電壓波形圖（黑色區(qū)域?qū)?yīng)品閘管導通）3.3按照觸發(fā)制度推導三相電流波形（1）如果在某個節(jié)拍上觸發(fā)制度的數(shù)字表示是0，則在該節(jié)拍上，各相 電流將按照上一節(jié)拍的規(guī)律繼續(xù)變化。（2）如果在某

13、個節(jié)拍上觸發(fā)制度的數(shù)字表示是1，則會對某相的SCR進 行過零觸發(fā)，這時需要弄清：與之反并聯(lián)的SCR是否已經(jīng)關(guān)斷，如果已經(jīng)關(guān)斷， 它立即導通；如果沒有關(guān)斷，它的導通時刻將要推遲到與之反并聯(lián)的SCR真正 關(guān)斷的瞬間。所以，需要對于上一節(jié)拍的末尾情況有所調(diào)查。在觸發(fā)沒有造成被 觸發(fā)的SCR導通以前，各相電流仍然按照上一節(jié)拍的規(guī)律繼續(xù)變化。（3）在該SCR導通的初始時刻，需要弄清楚另外兩相的SCR是否導通， 如果不導通，則在該SCR觸發(fā)導通以后，負載中心點電壓不為零，負載2Z承受線電壓；如果另外兩相的SCR仍然導通，則在該SCR觸發(fā)導通以后，因為三相 均與電網(wǎng)接通，負載中心點電壓為零，負載Z承受相電壓

14、。（4）在某相的SCR觸發(fā)導通以后，需要弄清三相電流iA（0），iBG）和ic（0） 會不會在該節(jié)拍內(nèi)過零，如果某相電流過零了，（因為SCR導通的單向性）它將 一直保持零。在它過零以后，三相電流只可能是以下情況：要么全為零，要么其 它兩相電流仍然流通。如果是后一種情況，則負載2Z將承受線電壓。（5）對于某一節(jié)拍，在列微分方程時，要明確i（0），i （0）和i G）的初始 值，即所謂初始條件。除了第一節(jié)拍的初始條件是由人為規(guī)定的以外，例如規(guī)定 三相電流均為零。其它任一節(jié)拍的初始條件就是前一節(jié)拍末尾時iA（0），iB（0）和 ic （0）的值。（6）以1#SCR為例，如果導通以后1#SCR和6#S

15、CR支路承受電網(wǎng)線 電壓，貝 U 2Z 承受 UAB（0）= 1.414 U sin G + 30 0）（或者 Z 承受 U （0）= 0.707 U sin G + 30。）；如果導通以后1 #SCR支路承受電網(wǎng)相電壓,則Z 承受UA（0）= 0.816 U 七 sin 0。3.4篩選最佳觸發(fā)制度（1）已經(jīng)得到了在某種觸發(fā)制度下iA（0），iB（0）和七（0）的波形，就要對于 它們進行諧波分析（傅立葉變換），找出它們的各次諧波。主要是它們的（A、B、 C三相的）基波。（2）將i （0），i （0）和i （0）的基波用矢量表示為i，i，i，并且認為ABCABCi = -i -i。（因為是三相三

16、線制，忽略分布電容引起的零序電流，三相電流 CA B之和等于零。）（3） 按照對稱分量法，把i，i，i看成是正序電流i 、負序電流i和ABC+ A- A TOC o 1-5 h z 零序電流I的線性組合。用對稱分量法得到正序電流i和負序電流i （見補充 0A+ A- A說明）。al ，+ A, .I = a2I-C- Ai=-們 + a * +G + 2a )，I = a2i+A+ A 3AB+ B1 G - a)i -G + 2a)i)，I = aI3AB- B- A其中，符號a三e，我把它叫做旋轉(zhuǎn)因子。顯然1 + a + a2= 0，a3 = 1 （閱讀 這部分，讀者可以參考高壓電工實用技

17、術(shù)第68 一頁）?！狙a充說明：（1）正序電流由I ，I = a2I，I = aI組成，正序電流+ A + B+ A+ C+ A作用于電動機定子繞組，將在電動機定子上產(chǎn)生正向旋轉(zhuǎn)磁場，磁場軸線從A轉(zhuǎn)向B；負序電流由I ，I = aI ， I= a2I組成，負序電流作用于電動機A B A C A定子繞組，將在電動機定子上產(chǎn)生反向旋轉(zhuǎn)磁場，磁場軸線從A轉(zhuǎn)向C；零序電流只存在在三相4線制電路里，零序電流由I ，I和I組成，I = I = I 。0A 0B 0C0A 0B 0C（2）既然I，I，I是正序電流、負序電流和零序電流的線性組合。那么，ABC如何由I，I和I分解出I ，I和I ?A B C+A-

18、A 0A(i 、|I + AI尸I 0A )aa2)(i |Aa2a| IiB11iJk C /1 l1 -13 1A=(iIi+A+(I -IiA+|(i )0AIi|=|(1a21 a1)1(i 、i + AiB+BB|0B|-AC )i+ C IC 10C J3|k1JG +1)，A BI = 1 k - a2 +(一 a2 L 1 虹 + a +(2a + 1X + A 3AB 3ABI = -11 - a * + (12 - a L 1 虹 一 a )i -(2a + 1X 】-A 3AB 3AB在某種觸發(fā)制度下，三相基波在電動機定子的空間產(chǎn)生脈振磁勢，將 脈振磁勢分解成正序和負序旋轉(zhuǎn)磁勢。把三相的正序旋轉(zhuǎn)磁勢按矢量相加原則生 成基波的總正序旋轉(zhuǎn)磁勢，把三相的負序旋轉(zhuǎn)磁勢按矢量相加原則生成基波的總 負序旋轉(zhuǎn)磁勢。比較正序和負序基波旋轉(zhuǎn)磁勢，哪一個的幅值大就取哪一個。更換觸發(fā)制度，重復(fù)以上的工作，比較兩種不同的觸發(fā)制度所產(chǎn)生的 不同效果。把效果好的保留下來，把效果不好的舍棄。好的標準是所產(chǎn)生的 旋轉(zhuǎn)磁勢具有較大的幅值(不論是正序還是負序)。再更換觸發(fā)制度，再重復(fù)以 上的工作，比較兩種不同的觸發(fā)制度所產(chǎn)生的效果。把效果好的保留下來， 把效