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交-交变频技术实现感应电机的重载起动
摘 要:给出了电动机的几种起动方式，并分析了其特性，着重介绍了软起动。但本文的目的是解决电动机的重载起动，并给出了一种交交变频的方法来实现。关键词:感应电机 软起动 交交变频
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
三相交流电动机从发明以来，经历了100多年的历程，在这漫长的岁月里，它为奠定与发展这项经典的传动技术树立了丰碑，。又由于其具有结构简单、运行可靠、维护方便、价格低廉，而广泛作用于电力拖动生产机械的动力，在机械、化工、纺织和石化等行业有大量的应用。然而，电动机的起动特性却一直举步维艰。这是因为电动机在恒压下直接起动，其起动电流约为额定电流的4-7倍，其转速要在很短时间内从零升至额定转速，会在起动过程中产生冲击，很容易使电力拖动对象的传动机构等造成严重磨损甚至损坏。在起动瞬间大电流的冲击下，将引起电网电压降低，影响到电网内其它设备的正常运行。同时由于电压降低，电动机本身起动也难以完成，造成电机堵转，严重时，可能烧坏电动机。因而如何减少异步电动机起动瞬间的大电流的冲击，是电动机运行中的首要问题。为此必须设法改善电动机的起动方法，使达到电动机的平滑无冲击的起动，于是各种限流起动方法也就应运而生。
2 传统的起动方法
2.1 定子串电抗器起动
对于鼠笼式异步电机一般采用定子回路串电抗器分级起动，绕线式异步电机则采用转子回路串电抗器起动。定子边串电抗器起动，即增加定子边电抗值，可理解为降低定子实际所加电压，其目的是减少起动电流。此起动方式属降压起动，缺点是起动转矩随定子电压的降低而成平方关系下降，外串电阻中有较大的功率损耗。又由于是分级起动，起动特性不平滑。
2.2 星-三角起动
起动时定子绕组星形连接，起动后三角形连接。在电动机绕组星形连接时，电动机电流仅为三角形连接的1/3，遗憾的是电动机的转矩也同样降低到三角形接线时的1/3，为了使电动机在额定转速时达到它的额定转矩，在经历了预先设定的时间后，又从星形接线转换到三角形接线，在转换过程中会出现二次冲击电流。
2.3 自耦变压器起动
当电动机起动时，电动机的定子通过自耦变压器接到三相电源上。当电机转速升高到一定值时，自耦变压器被切除，电动机定子直接接到电源上，电动机进入正常运行状态。同直接起动时相比，当电压降到W2/W1倍时，起动电流和起动转矩降到(W2/W1)2倍(W2/W1为自耦变压器的变比)。这种起动方式的优点是起动时定子电压的大小可调。比起定子串电抗起动，当限定的起动电流相同时，起动转矩损失较少。要使变压器的容量和耐压水平提高，将使得变压器的体积增大，成本高，且不允许频繁起动，同样也不能带重负载起动。
.4 频敏变阻器起动
对于绕线式异步电机来说，如果仅仅是为了限制起动电流、增大起动转矩，则一般采用转子回路串频敏变阻器起动方式。但此起动方式在频繁起动下，易发生温升，且结构复杂，不常用。
由此可知上述几种起动方式的共同特点是控制电路简单，起动转矩基本固定不可调，起动中都存在二次冲击电流，对负载机械有冲击转矩，且受电网电压波动的影响，一旦出现电网电压下降，会造成电机堵转，起动困难，且上述几种起动方法，在停机时都是瞬间停机，遇到负载较重时会造成剧烈的机械冲击。
3 软起动
所谓软起动是指装置输出电压按一定规律上升，使被控电动机的电压由零升到全电压，转速相应的由零平滑加速到额定转速的过程。它是电力电子技术与自动化控制技术的综合，是将强电和弱电结合起来的控制技术。在软起动器中三相电源与被控电机之间串入三相反并联晶闸管，采用反并联接线的晶闸管接在电动机的每相，利用晶闸管移相控制原理，控制其内部晶闸管的导通角，电动机起动时，用调节6个晶闸管的不完全导通来控制电动机的供电电源。换言之，起动时只有三相正弦波形的一部分向电动机供电。
软起动的优点是起动特性曲线好，使晶闸管的导通角从零度开始，逐渐前移，电机的端电压从零开始逐渐上升，直至达到额定电压，起动电流从零线性上升至设定值，从而满足起动转矩的要求，保证起成功。表1为软起动同传统起动对照表。
4 重载起动方式(交-交变频起动)
4.1 交-交变频工作原理
尽管软起动具有起动平滑，起动时间等参数可调的特性，具有传统起动方法无法比拟的优越性，是传统降压起动器的理想换代产品。但可控硅调压方式的软起动器控制感应电动机，在减小电压的同时，供电频率仍为工频，使得其功率因数低，无功功率增加，这决定了其只能应用于轻载场合，对于重载起动就勉为其难了。然而在很多场合下，不能保证负载为轻载起动，如球磨机、破碎机、空气压缩机、风机等，这就使得我们想在降低电压的同时，能够减小供电电压频率，即保持V/F不变，保证恒力矩起动，因而变频器变频起动无疑是最好的起动设备，但如果把变频器仅作起动，不调速，资金浪费很大，特别是高压大容量的通用变频器价格就更为昂贵，且感应电动机的重载起动只是短时间的过程，故寻求一种感应电机的重载安全起动方法是很有必要的。纵上述几种起动方式可得出采用交-交变频器来实现重载起动。因为交-交变频没有中间直流环节，仅用一次变换就实现了变频，所以效率较高，而且大功率交流电机调速系统所用的变频器也主要是交-交变频来完成的。
交-交变频的工作原理是让两组交流电路按一定频率交替工作，就可以给负载输出该频率的交流电。改变两组变流电路的切换频率，就可以改变输出频率;改变变流电路工作时的控制角α，就可以改变交流输出电压的幅值。
如果让α角不是固定值，在半个周期内让正组变流电路P的α角按正弦规律从900逐渐减
小到00，然后在逐渐增大到900。那么，正组整流电路在每个控制间隔内的平均输出电压按正弦规律从零逐渐增至最大，在逐渐减小到零。在另外半个周期内，对负组变流器N进行同样的控制，就可以得到接近正弦波的输出电压。和可控硅整流电路(软起动)一样，交-交变频电路也属于电网换相。
4.2 整流与逆变工作状态
假设负载的功率因数角为Φ，即输出电流滞后输出电压Φ角。另外两组交流电路在工作时无环流工作方式，即一组交流电路工作时，将另一组变流电路的脉冲封锁。下图给出了一个周期内负载电压、电流波形。
从图3中可以看出，那组变流电路工作是由输出电流的方向决定的，与输出电压极性无关。变流电路是工作在整流状态还是逆变状态，则是由输出电压方向和输出电流方向的异同决定的。
4.3 输出正弦波电压的调制方法
使交-交变频电路的输出电压波形为正弦波的调制方法有多种，这里介绍广泛采用的余弦交点法。
晶闸管变流电路的输出电压为
(1)
式中，Ud0为α=0时的理想空载整流电压。对交-交变频电路来说，每次控制时α角是不同的，式(1)中的U0表示每次控制间隔内输出电压的平均值。
设要得到的正弦波输出电压为
(2)
则比较式(1)和式(2)可得(3)
(3)
式中γ称为输出电压比，
因此 (4)
上式就是用余弦交点法求变流电路α角的基本公式。
式(4)可以用模拟电路来实现，但线路复杂，且不易实现准确的控制，所以采用微机来实现上述运算。可把事先计算好的数据存入存储器中，运行时按照所存的数据进行实时控制。为了用计算机实现实时控制，必须具备三相低频信号、同步信号、零电流检测三个基本条件。
4.4 三相低频信号的产生原理
用计算机产生三相低频信号，必须首先将要产生的低频信号进行数字化。这不仅在幅值上数字化，在时间上也要数字化。在时间上，以一度为单位(分辨率已经足够)，将低频信号的一个周期分成360等份。根据需要的频率求出低频信号一度的时间，以次作为定时时间，这样每隔一度，便输出一次低频信号的对应值，每360循环一次，构成低频的周期。其它两相输出和上面一样，只是输出的对应数值不一样，正好相差120、240度。这样就构成了互差1200的低频信号。由于准梯形波具有较高的基波幅值，因此这里采用它作为低频参考信号，它是限幅的正弦波，当等于600时就已经到达了最大值。其目的是提高直流电压的利用率。
下面以准梯形波为例来说明三相低频信号实现的具体方法。
a. 建立一个准梯形波波形的表格，表格的大小为360个数据，这些数据分别以1度为间隔的准梯形波波形数据。表格存放在表首地址为TABLE的内存中，第一个数据为1度时对应的波形数据，最后一个为360度对应的波形数据。表格的数据是按比例得到的。
b. 设一计数指针COUN，初始化时，使COUN=0，并起动定时器。在定时时间到达之后，计数指针COUN增1，同时取出表中的数据(对应内存地址为TABLE+COUN)输出。当计数指针COUN=360时，使COUN复位为0，便完成了本周期的数据输出，为下一周期做准备。这样周而复始不断的取数输出，就产生了低频数字信号。
c. 其它两相低频信号分别滞后120、240度的同样波形，可以完全使用同样的表格。
d. 为了得到复值可变的低频信号，在低频数字信号输出之前，应乘以调制系数，调制系数的范围是0~1。
e. 1度对应的时间是由所需输出频率决定的，将其转换为定时时间常数后，存放于TIME的单元中，它就是控制交-交变频器输出频率的变量。
4.5 同步信号电路
采用微机定时方式进行交-交变频的移相控制时，需要给微机提供各晶闸管控制角起时定时时刻的方波信号，使移相控制装置向晶闸管发出的触发脉冲信号在电源电压的每个周期内均能重复出现。因此，这一方波信号的频率应与电源频率相同。所以，一般将此方波信号称为同步信号。此外，同步信号的另一作用是微机利用它的状态来进行判相定管，决定是某相的上管或下管工作与否。
取A相电压经同步变压器降压后，进入RC移相电路形成滞后30度的正弦电压，由三级管将正弦波形成方波，再经光电隔离、反相及输出电路，在输出端得到同步脉冲信号。
4.6 零电流检测电路
不论是电压型还是电流型控制的无环流交-交变频器，正反组变流器的换向都必须处于零电流状态，此时两组变流器的触发脉冲都被封锁。因此，实际的零电流一定要准确可靠的检测出来，这关系到换相的死区长短，以及换相的可靠性。
检测方法 检测负载电流的方法常用的有两种：LEM电流传感器和检测和晶闸管端电压法。用LEM电流传感器检测负载电流，可将主电路与控制电路完全隔离，且检测电路结构简单。但由于换相等原因，负载电流含有丰富的电流谐波，给电流检测、尤其是过零点检测带来了一定困难。LEM传感器输出信号经滤波、整形后，会产生伪过零点，使控制系统出现误动作。由于晶闸管导通时其端电压为管压降，近似等于零，而阻断时端电压等于其所接交流电压(电网线电压或相电压)。同时检测变频器主电路中每一相上的六个晶闸管，如有一管导通说明此相有电流。如六管全关断则说明此相无电流，也就是电流过零点。这种方法直接检测零电流，不需要对电流波形进行整形，其输出信号完全对应着电流波形中的零电流，使检测电路更加准确、可靠。图4为零电流检测电路。
5 出现的问题及解决方法
交-交变频电路的输出电压是由若干段电网电压拼接而成的。当输出频率升高时，输出电压一个周期内电网电压的段数就减少，所含谐波分量就要增加。这种输出电压的波形畸变是限制输出频率提高的主要因数之一。所以最高输出频率不高于电网频率的1/3-1/2。但由于我们主要用于起动，一旦速度达到了1/3全速，可以控制相应的晶闸管，使它们切换到软起动，软起动方式仍由本装置实现。在软起动的作用下完成起动结束。因为此时电压相对较小，切换的过程中，不会有很大的冲击电流。
由于采用无环流控制方式，有换流死区，所以输出波形有一点畸变。可以采用快速的，比较好的零电流检测方法来减小死区时间。
6 结束语
传统起动方式将逐渐被可控硅软起动所取代，然而软起动却不能很好解决感应电机的重载起动，因而给出了一种实用的交-交变频起动方式来解决这个问题。由于目前采用交-交变频技术成本相对过高，同时由于国内的研究开发相对滞后，致使该技术还主要限于大型矿井的关键设备。但随着这一技术相对成本的不断降低，人们
节能意识的不断深入，该技术在矿井中的应用必将迎来一个全新的时期，同时在应用范围上也将扩大，并有待开发和完善。
参考文献
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