1 引言
交流異步電動(dòng)機(jī)以其構(gòu)造簡(jiǎn)單、極高的運(yùn)行可靠性、極強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力和優(yōu)異的拖動(dòng)性能而在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，但其致命缺點(diǎn)是起動(dòng)沖擊大，會(huì)對(duì)電網(wǎng)及設(shè)備造成不利影響。為了解決起動(dòng)問題，人們長(zhǎng)期以來采用了多種方法:有星/三角轉(zhuǎn)換起動(dòng)，自耦變壓器降壓起動(dòng)，飽和電抗器和開關(guān)變壓器降壓起動(dòng)，以及水電阻降壓起動(dòng)等方法。到上世紀(jì)70年代，開始采用晶閘管移相觸發(fā)降壓軟起動(dòng)，即目前市售的電子式軟起動(dòng)器，圖1為軟起動(dòng)器的控制框圖[3]。
圖1 軟起動(dòng)器的控制框圖
到目前為止，所有的軟起動(dòng)設(shè)備都是采用降低起動(dòng)電壓的方法來起動(dòng)交流異步電動(dòng)機(jī)的，由于電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與其定子繞組所加電壓的平方成正比，當(dāng)定子電壓降低時(shí)，其電磁轉(zhuǎn)矩會(huì)降低很多，所以只適合空載或輕載起動(dòng)的電機(jī)，一般起動(dòng)轉(zhuǎn)矩應(yīng)小于額定轉(zhuǎn)矩的50%左右。對(duì)于需重載的電機(jī)，如球磨機(jī)、粉碎機(jī)、起重機(jī)等，則并不適用。另外由于普通軟起動(dòng)器降壓而不降頻，在起動(dòng)過程中由于大的轉(zhuǎn)差率的存在，不可避免地會(huì)出現(xiàn)大的起動(dòng)電流，因而大大地限制了軟起動(dòng)器的使用范圍。
上世紀(jì)80年代發(fā)展起來的變頻調(diào)速技術(shù)，除可控制電機(jī)調(diào)速運(yùn)行外，也完美地解決了異步電機(jī)的軟起動(dòng)問題。但由于其價(jià)格昂貴，對(duì)于不需要調(diào)速，僅僅為了解決起動(dòng)問題的設(shè)備，使用變頻器實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)，是非常不經(jīng)濟(jì)的，也是一般的工業(yè)企業(yè)所無法承受的。
為了提高電子式軟起動(dòng)器的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，降低起動(dòng)電流，采用了分級(jí)交一交變頻的方法，利用原軟起動(dòng)器的硬件結(jié)構(gòu)，通過巧妙地控制三相晶閘管的觸發(fā)順序，在改變電壓的同時(shí)也改變交流電的頻率，實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)矩的v/f控制軟起動(dòng)。頻率分級(jí)提升:由f/13→f/7→f/4→f/3→f/2→f(50hz)→并網(wǎng)運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)了真正的平滑升頻軟起動(dòng)，并且提高了起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，減小了起動(dòng)電流，更適合于需重載起動(dòng)的負(fù)載。
2 正弦波分頻的奧秘
要將三相正弦交流電進(jìn)行交一交變頻，只能實(shí)現(xiàn)1/n分頻，如f/2、f/3……f/n。方法是通過晶閘管控制交流電的通斷，將n周期的交流電合并為一個(gè)周期，其正半周時(shí)只讓正向半波導(dǎo)通，負(fù)半周時(shí)則讓反向半波導(dǎo)通。圖2為25hz和10hz時(shí)的一相電壓波形圖[2]。
圖2 產(chǎn)生單相25hz和10hz電壓波形圖（黑色區(qū)域?qū)?yīng)的晶閘管導(dǎo)通）
由于頻率降低了，周期增大了。原來50hz正弦波半個(gè)周期的時(shí)間為10ms，相位角為180°，在分頻后的新的頻率(周期)中，原半周期的相位角僅為180°/n。如二分頻時(shí)為90°，三分頻時(shí)為60°，五分頻時(shí)為36°。附表為1~20分頻時(shí)相應(yīng)的波形參數(shù)。
原正弦波各相過零點(diǎn)在新的頻率中的相位角分別為:
二分頻:負(fù)相序平衡
a相 0° 90° 180° 270° 360°
b相 60° 150° 240° 330° 60°
c相 -60° 30° 120° 210° 300°
三分頻:不平衡
a相 0° 60° 120° 180° 240° 300° 360°
b相 40° 100° 160° 220° 280° 340° 40°
c相 -40° 20° 80° 140° 200° 260° 320°
四分頻:正相序平衡
a相 0° 45° 90° 135° 180° 225° 270° 315° 360°
b相 30° 75° 120° 165° 210° 255° 300° 345° 30°
c相 -30° 15° 60° 105° 150° 195°240° 285° 330°
五分頻:負(fù)相序平衡
a相 0° 36° 72° 108° 144° 180° 216° 252° 288° 324° 360°
b相 24° 60° 96° 132° 168° 204° 240° 276° 312° 348° 24°
c相 -24° 12° 48° 84° 120° 156° 192° 228° 264° 300° 336°
注:△為可選的負(fù)相序分頻，☆為可選的正相序分頻。
從以上可以看出，有趣的是:分頻后的波形隨著分頻次數(shù)呈周期性的變化:
1、4、7、10、13、16、19……分頻，正相序平衡;
2、4、8、11、14、17、20……分頻，負(fù)相序平衡;
3、6、9、12、15、18……分頻時(shí)相位和幅值均不平衡。
另外，對(duì)于正、負(fù)相序平衡的分頻中，奇數(shù)次分頻時(shí)不僅能做到相位和幅值的平衡，其波形在時(shí)間軸上也是平衡的，而偶數(shù)次分頻則其波形在時(shí)間軸上不平衡。圖3為四分頻和五分頻時(shí)的波形圖，清楚地顯示了這一點(diǎn)。
圖3 四分頻和五分頻時(shí)的一相電壓波形圖
所以在選擇分頻臺(tái)階時(shí)應(yīng)盡量選擇相位，幅值及時(shí)間軸上波形均平衡的分頻次數(shù)，這在低頻段容易實(shí)現(xiàn)，如正相序平衡的13分頻(3.846hz)和7分頻(7.14hz)，以及反相序平衡的11分頻(4.54hz)和5分頻(10hz)。但在高頻段，由于處于關(guān)鍵頻段，則不可避免地要采用不能完全平衡的分頻，如4分頻(12.5hz)，或完全不平衡的分頻，如3分頻(16.67hz)和正相序2分頻(25hz)就無法避免。這時(shí)只能在所有的相位組合中，選出產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩最大的一組來實(shí)現(xiàn)分頻。二分頻共有43=64種相位組合。其中0°、60°、210°組和0°、150°、210°組的正轉(zhuǎn)矩陣最大，波形見圖4，電壓矢量見圖6。
圖4 二分頻（25hz）三相電壓波形圖
（黑色區(qū)域?qū)?yīng)的晶閘管導(dǎo)通）
圖5 三分頻（16.67hz）三相電壓波形圖
(黑色區(qū)域?qū)?yīng)的晶閘管導(dǎo)通)
三分頻時(shí)共有63=216種相位組合。其中0°、100°、260°組和0°、160°、260°組的正轉(zhuǎn)矩最大，其三相電壓波形見圖5，電壓矢量見圖7。
3 分頻臺(tái)階的選擇和轉(zhuǎn)矩的控制
3.1 頻級(jí)選擇
根據(jù)上述正弦波分頻的特點(diǎn)，經(jīng)綜合考慮，在低頻段盡量選擇正相序平衡的奇數(shù)次分頻，整個(gè)軟起動(dòng)過程分為六級(jí)完成:f/13→f/7→f/4→f/3→f/2→50hz(鈄坡升壓)。
圖6 二分頻電壓矢量圖
圖7 三分頻電壓矢量圖
軟停車時(shí)可按相反的順序進(jìn)行。而f/11、f/5、f/2可作為反相低速運(yùn)行或電磁制動(dòng)的頻率使用，但不能完成反向軟起動(dòng)過程，因?yàn)槠湎嘈蛳喾矗詈蟛荒軓膄/2過渡到50hz正相序運(yùn)行，否則將是比正相序分頻更為理想的軟起動(dòng)分頻等級(jí)。
3.2 轉(zhuǎn)矩控制
交流異步電機(jī)在降頻運(yùn)行時(shí)，既要考慮有足夠的低頻轉(zhuǎn)矩，又不能使電機(jī)過勵(lì)磁，引起振動(dòng)與發(fā)熱，一般應(yīng)按v/f成比例的原則來控制，適當(dāng)提高其低頻轉(zhuǎn)矩，讓電機(jī)以高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩順利起動(dòng)，故作如下安排:
f/13—半周期中有2個(gè)波頭導(dǎo)通，200%額定轉(zhuǎn)矩;
f/7—半周期中有2個(gè)波頭導(dǎo)通，200%額定轉(zhuǎn)矩;
f/4—半周期中有1個(gè)波頭導(dǎo)通，100%額定轉(zhuǎn)矩;
f/3—半周期中有1個(gè)波頭導(dǎo)通，100%額定轉(zhuǎn)矩;
f/2—半周期中有1個(gè)波頭導(dǎo)通，100%額定轉(zhuǎn)矩;
由于電壓、電流不連續(xù)，因而轉(zhuǎn)矩是脈動(dòng)的，考慮到這個(gè)因素，實(shí)際轉(zhuǎn)矩要小于上述的值，但已比降壓軟起動(dòng)提高很多了。
若采用過大的v/f比，則會(huì)增加電機(jī)的振動(dòng)與發(fā)熱，實(shí)無此必要。
4 相序識(shí)別和觸發(fā)控制
4.1 相序識(shí)別
要對(duì)三相正弦電源實(shí)現(xiàn)分級(jí)交一交變頻，首先必須進(jìn)行相序檢測(cè)，才能實(shí)現(xiàn)正確的觸發(fā)控制。為了簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，采用了三相相序和缺相檢測(cè)的專用ic芯片tc783a，其電路框圖見圖8。
圖8 三相相序和缺相檢測(cè)電路tc783a邏輯框圖
三相電壓信號(hào)a、b、c經(jīng)分壓電阻網(wǎng)絡(luò)分別進(jìn)入電路1、2、3腳，通過對(duì)正弦波進(jìn)行施密特檢測(cè)了解信號(hào)的存在并送入缺相檢測(cè)電路檢測(cè)后輸出指示。當(dāng)三相正弦輸入正常時(shí)，對(duì)應(yīng)a、b、c輸入1、2、3腳的輸出端12、11、10腳輸出為低電平;當(dāng)某一相沒有輸入信號(hào)時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出腳上將有高電平。根據(jù)缺相檢測(cè)的結(jié)果，在不缺相的情況下相序指示電路將輸出相序信號(hào)，9腳輸出高電平指示正相序，8腳輸出高電平則指示反相序。在缺相狀態(tài)下，8腳、9腳都輸出低電平。
4.2 觸發(fā)控制
基本的三相觸發(fā)脈沖序列由相位控制電路tc787ds產(chǎn)生，tc787ds是采用先進(jìn)的ic工藝設(shè)計(jì)制作的單片集成電路，可產(chǎn)生三相六拍調(diào)制脈沖信號(hào)，可供三相全控整流、調(diào)壓的觸發(fā)脈沖使用，具有功耗小，功能強(qiáng)，輸入阻抗高，抗干擾性能好，移相范圍寬，外接元件少等優(yōu)點(diǎn)。其電路框圖見圖9。
圖9 三相觸發(fā)控制電路tc787ds邏輯框圖
tc787ds產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖列經(jīng)門電路與cpu發(fā)出的調(diào)制方波信號(hào)及分頻/工頻控制信號(hào)組合后, 就能產(chǎn)生交一交分頻所需要的觸發(fā)脈沖控制序列, 見圖10、圖11所示。
4.3 控制cpu
軟起動(dòng)器采用了16位單片機(jī)80c196kc作為控制 cpu，利用其三路pwm輸出產(chǎn)生三相調(diào)制方波，控制三相六只晶閘管的觸發(fā)順序，完成分級(jí)交一交變頻及移相調(diào)壓控制功能。同時(shí)完成人機(jī)聯(lián)系的鍵盤和led顯示管理的功能，以及電機(jī)在起動(dòng)和運(yùn)行過程中的缺相、短路、過流、過載、過熱等保護(hù)功能。
圖10 觸發(fā)信號(hào)組合原理框圖
圖11 cpu產(chǎn)品的三相調(diào)制方波
新型的軟起動(dòng)器保留了傳統(tǒng)電子式軟起動(dòng)器的所有功能，具有限流起動(dòng)，雙鈄坡電壓起動(dòng)，分級(jí)交一交變頻高轉(zhuǎn)矩起動(dòng)三種方式，可由用戶根據(jù)拖動(dòng)負(fù)載的要求通過鍵盤進(jìn)行設(shè)定。新型的智能化軟起動(dòng)器具有起動(dòng)電流小，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)平滑，運(yùn)行穩(wěn)定，控制功能強(qiáng)的特點(diǎn)。
5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
由于分級(jí)交一交變頻屬于單相半波控制, 由圖4、圖5的電壓波形可以看出，定子電壓是不連續(xù)的，所以定子電流也是不連續(xù)的，轉(zhuǎn)矩也是不連續(xù)的、是脈動(dòng)的。因此電機(jī)在運(yùn)行時(shí)會(huì)有振動(dòng)和噪聲(低頻)，不像變頻軟起動(dòng)那樣只有調(diào)制脈沖的高頻噪聲，這是有區(qū)別的。所以采用分級(jí)交一交變頻時(shí)，電機(jī)不宜在低頻狀態(tài)下長(zhǎng)期運(yùn)行，否則電機(jī)將產(chǎn)生振動(dòng)和發(fā)熱。
用一臺(tái)15kw的4極電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。在起動(dòng)過程中，6級(jí)頻率依次自動(dòng)切換，每級(jí)持續(xù)時(shí)間為5~10s，可視拖動(dòng)負(fù)載的需要而定。每次頻率切換時(shí)，由于同步轉(zhuǎn)速突然增加，使轉(zhuǎn)差率增加，因而電流增大;隨著轉(zhuǎn)速的上升，轉(zhuǎn)差率減小，電流也隨之減小。由于每個(gè)臺(tái)階頻率增加有限，因而因轉(zhuǎn)差率增大而引起的電流增加是有限的，比起直接起動(dòng)及降壓軟起動(dòng)來，是不可同日而語(yǔ)的。圖12為分級(jí)變頻軟起動(dòng)時(shí)的電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速曲線。
圖12 分級(jí)變頻軟起動(dòng)時(shí)的電流、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速曲線
圖13 三種起動(dòng)方式的電磁轉(zhuǎn)矩比較
從圖12可以看出，定子電流曲線分為6段，在每一段中，當(dāng)頻率剛剛切換時(shí)，由于同步轉(zhuǎn)速突然增大，轉(zhuǎn)差率增大，所以電流立即增大。之后隨著轉(zhuǎn)速的增加，轉(zhuǎn)差率逐漸減小，電流也隨之減小，最終達(dá)到與該段頻率相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)。轉(zhuǎn)矩是脈動(dòng)的，而轉(zhuǎn)速卻上升得很平穩(wěn)。
圖13為三種起動(dòng)方式的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比較。其中傳統(tǒng)軟起動(dòng)的電磁轉(zhuǎn)矩最小，低速時(shí)，分級(jí)變頻起動(dòng)比軟起動(dòng)的電磁轉(zhuǎn)矩大很多，中速時(shí)也比軟起動(dòng)時(shí)大。因此，采用分級(jí)變頻可以明顯提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。
圖14為直接起動(dòng)，傳統(tǒng)軟起動(dòng)和分級(jí)變頻起動(dòng)方式的定子電流比較，圖中直接起動(dòng)的電流很大，軟起動(dòng)次之，分級(jí)變頻起動(dòng)的電流較小。
圖14 三種起動(dòng)方式的定子電流比較
6 結(jié)束語(yǔ)
采用分級(jí)交一交變頻方法的軟起動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)了真正的平滑升頻軟起動(dòng)，減小了起動(dòng)沖擊和起動(dòng)電流，提高了起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可使電機(jī)在滿負(fù)載下平滑起動(dòng)。由于保留了傳統(tǒng)電子式軟起動(dòng)器的硬件結(jié)構(gòu)，只是改變了晶閘管觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生順序和控制方法，因而不會(huì)增加成本支出;而在起動(dòng)性能上卻可大大優(yōu)于傳統(tǒng)的降壓軟起動(dòng)器，可實(shí)現(xiàn)近似于變頻器的軟起動(dòng)性能。因而不能不說是對(duì)電子式軟起動(dòng)器的一次革命性的突破，從而可大大擴(kuò)展電子式軟起動(dòng)器的使用范圍和市場(chǎng)份額。
采用分級(jí)交一交變頻方法的軟起動(dòng)器還可以方便地實(shí)現(xiàn)短時(shí)低速運(yùn)行和低速反轉(zhuǎn)制動(dòng)功能，以便實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確停車。尤其是對(duì)于泵類負(fù)載，可以完美地實(shí)現(xiàn)如同變頻器一樣的軟停車控制功能，以消除水錘沖擊。
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作者簡(jiǎn)介
徐甫榮(1946-) 男 教授級(jí)高工 1970年畢業(yè)于西安交通大學(xué)電機(jī)工程系發(fā)電廠電力網(wǎng)及電力系統(tǒng)專業(yè)。現(xiàn)在國(guó)家電力公司熱工研究院，主要從事火電廠熱工自動(dòng)化及交直流調(diào)速拖動(dòng)技術(shù)的研究工作。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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