作者：湖南大學 電氣與信息工程學院 佘致廷 曾聰
1 引言
三相籠型異步電動機因具有結構簡單、運行可靠、維修方便、價格便宜以及慣性小等優點而被廣泛應用于工業、農業和交通運輸等領域。隨著各領域生產機械的不斷更新和發展，對電動機的起動性能要求越來越高。如:
(1) 要求電動機有較大的起動轉矩，可以帶負載起動，并且有良好的機械特性曲線;
(2) 起動電流盡可能小;
(3) 起動設備盡可能簡單、經濟、可靠、易維護;
(4) 起動過程中能源消耗盡可能少。
一般三相異步鼠籠電動機有兩種起動方式:額定電壓下的直接起動方式和降壓起動方式。在降壓起動方式中又有星-三角起動法、自耦降壓起動法、延邊三角形起動法、串接飽和電抗器起動法等。這類降壓起動設備雖然部分緩解了大容量電機在較小容量電網上起動時的矛盾，但是它們只是相對減小了大電流的沖擊并未在本質上解決問題。而且這些起動設備還有一些固有的缺點，如對負載適應能力差、起動電流不連續、維修工作量大等等。另外，由于在整個電動機起動過程中，電磁轉矩大于負載的反轉矩，電動機加速運轉，在相同的轉動慣量下轉矩的差額越大，機組加速越快，轉動慣量大的機械起動就較慢，對于重復起動的生產機械來說，起動過程的時間長短對勞動生產率的影響是很大的，因而對不同的生產過程，對電動機應有不同的起動時間要求。
過去的起動裝置大多采用接觸器，屬于有觸點系統，容易磨損引發故障，起動特性不好。為了達到無觸點控制，獲得靈活多變的良好的起動特性，在80年代初期鼠籠型異步電動機電子軟起動器誕生。軟起動控制器是一種新型節能設備，在歐美國家已得到大量的應用。它利用晶閘管交流調壓技術實現降壓起動，以后又融入了功率因數控制技術，在控制裝置的研究上，正圍繞著提高起動力矩、實現計算機聯網遠程監控、完善檢測和自診斷功能以及提高產品可靠性、改進制造工藝、降低成本等方面努力。傳統的軟起動器一般是在工頻50hz下采取降壓起動，或限流起動等來抑制電機起動時的電流沖擊，存在著起動轉矩小的問題，無法用于恒轉矩負載或要求重載起動的負載[1]。本文在文獻[2]的仿真基礎上，研制出一種基于分級變頻的高轉矩軟起動器，經實驗證明效果良好。
2 原理分析
在定子電壓下降的同時將頻率下調, 將會減少電動機轉矩的損失[3], 就可以解決傳統軟起動器的起動轉矩小的問題。文獻[4]中提出的分級變頻就是使傳統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50hz。分級變頻雖然可以實現變頻，但不能使頻率連續地變化, 只能使頻率分級變化, 而且各級頻率都是50hz的n分之一，即50hz的分頻, 圖1簡單的展示了分級變頻的過程。
圖1 16.7hz-25hz-50hz三級變頻波形圖
由電網提供的50hz的工頻電源，可產生各級子頻率系統，工頻的ωnet與子頻率系統的ωsub的關系如下:
ωnet＝ωsub×r (1)
由表1可知，從50hz產生的三相平衡的各級子頻率系統有的為負序如25hz，有的為正序如12.5hz。因為正序可產生較大的正轉矩，所以對25hz子頻率系統來說，需要打破平衡，改變相位角，使之不平衡。重新定義子頻率系統的ωsub與相位角關系如下:
ωsub×t -α=0 (2)
設a相相位角為0°，由式(1)，式(2)，可得
對應的子頻率系統電壓如下:
由式(3)，式(4)可計算出各級子頻率系統的相位角。本文利用matlab/simubbbb庫中的傅立葉模塊，計算出對r的不同取值對應的子頻率系統電壓的相位角。
表2~6列出了25hz，16.7hz，12.5hz，10hz，6.25hz時各相電壓的相位角。
以上只是部分子頻率系統的電壓相位角，其余的50/r算法類似，不再羅列。圖2為25hz時的三相電源波形各相位角組合方案之一，三相都是選擇了2個連續周期的第一個周期全導通，不同的相位角對應著不同的正或負導通半波。
圖2 25hz時三相電源波形(a相90°，b相-30°，c相30°)
圖3 高轉矩軟起動器仿真模型
要得到起動時的最大正轉矩，須選出最優化的組合。利用三相電路的對稱分量法對各種組合的三相電源系統進行分析[5]。
3 建模及仿真
根據原理分析，對起動過程建立模型如圖3所示。該軟起動器有三種起動方式。
斜坡電壓起動方式的仿真波形如圖5所示，給出的是定子電流(有效值)，轉速，轉矩波形，直接起動的波形如圖4所示，限流起動波形如圖6所示。由圖形可知斜坡電壓起動比直接起動的起動電流沖擊減小，起動時間增長，限流起動的起動電流沖擊更小，起動時間也較長。分級變頻如圖7所示，起動轉矩較大，電流也限制的比較小，各個頻率的切換處有跳動。
圖4 直接起動仿真波形
圖5 斜坡電壓起動仿真波形
圖6 限流起動仿真波形圖
圖7 分級變頻起動仿真波形
圖8 硬件設計結構總圖
4 硬件設計
硬件設計的總體結構圖如圖8所示，三相電源通過旁路接觸器與晶閘管的并聯電路和電機相連, 以80c196kc為主控mcu，接收來自同步檢測及相序判斷電路和電流檢測電路的信息，根據鍵盤電路輸入的指示決定對晶閘管門極脈沖的觸發方式，起動完成后，合上接觸器，將反并聯晶閘管旁路。
整個控制電路包括7個部分:電源電路、電流檢測電路、電壓同步檢測和相序判定電路、觸發脈沖形成和脈沖功放電路、接觸器控制電路、顯示和鍵盤電路及單片機最小系統電路。
5 軟件設計
軟件部分主流程如圖9，由初始化程序、鍵處理程序、中斷處理程序3大部分構成。
圖9 主流程圖
初始化程序負責對8279的初始化，開同步中斷以及相關存儲單元的初始化等。鍵處理程序則是根據按鍵情況修改內存中的各個參數值和標志位等以供中斷處理程序進行相應處理，并在數碼管上顯示所修改的參數值及狀態。
同步中斷處理程序和軟件定時器中斷處理程序共同完成對6個晶閘管脈沖以正確順序的觸發，起動完畢后使接觸器閉合，以及各種故障下的處理動作等。中斷處理程序可根據鍵盤輸入的起動方式選擇限流起動、斜坡電壓起動或分級變頻起動。
6 結束語
三相籠型異步電動機因具有結構簡單、運行可靠、維修方便、價格便宜以及慣性小等優點而被廣泛應用于工業、農業和交通運輸等領域。隨著各領域生產機械的不斷更新和發展，對電動機的起動性能要求越來越高，為適應這種需求，軟起動器得到大量的運用。為提高起動轉矩，本文采用分級變頻理論，按同步轉速由低到高分級起動，減小起動過程的能量損耗，克服傳統電子軟起動器電磁轉矩小的缺點，可以使電機在全負載的情況下平滑起動和短時運行于低速狀態。試驗結果實現16.7hz-25hz-50hz分級變頻起動。
整個裝置采用16位單片機80c196kc為控制核心，可實現斜坡電壓起動，限流起動，分級變頻三種起動方式。這種利用分級變頻起動的軟起動器，比之傳統的軟起動器，有效的提高了起動轉矩，尤其是在低速時。它還具有結構簡單、無觸點、重量輕、體積小、起動電流及起動時間可控制、起動過程平滑等優點，能有效地減小電機起動時的電流沖擊。其高轉矩起動方式，使軟起動器不僅僅適用于帶風機、水泵類負載的電機，還能用于帶額定負載起動的電機，使得它擁有更為廣闊的應用前景。
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
