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交-交變頻技術(shù)實現(xiàn)感應(yīng)電機的重載起動
摘 要:給出了電動機的幾種起動方式，并分析了其特性，著重介紹了軟起動。但本文的目的是解決電動機的重載起動，并給出了一種交交變頻的方法來實現(xiàn)。關(guān)鍵詞:感應(yīng)電機 軟起動 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
三相交流電動機從發(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)展這項經(jīng)典的傳動技術(shù)樹立了豐碑，。又由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便、價格低廉，而廣泛作用于電力拖動生產(chǎn)機械的動力，在機械、化工、紡織和石化等行業(yè)有大量的應(yīng)用。然而，電動機的起動特性卻一直舉步維艱。這是因為電動機在恒壓下直接起動，其起動電流約為額定電流的4-7倍，其轉(zhuǎn)速要在很短時間內(nèi)從零升至額定轉(zhuǎn)速，會在起動過程中產(chǎn)生沖擊，很容易使電力拖動對象的傳動機構(gòu)等造成嚴重磨損甚至損壞。在起動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)備的正常運行。同時由于電壓降低，電動機本身起動也難以完成，造成電機堵轉(zhuǎn)，嚴重時，可能燒壞電動機。因而如何減少異步電動機起動瞬間的大電流的沖擊，是電動機運行中的首要問題。為此必須設(shè)法改善電動機的起動方法，使達到電動機的平滑無沖擊的起動，于是各種限流起動方法也就應(yīng)運而生。
2 傳統(tǒng)的起動方法
2.1 定子串電抗器起動
對于鼠籠式異步電機一般采用定子回路串電抗器分級起動，繞線式異步電機則采用轉(zhuǎn)子回路串電抗器起動。定子邊串電抗器起動，即增加定子邊電抗值，可理解為降低定子實際所加電壓，其目的是減少起動電流。此起動方式屬降壓起動，缺點是起動轉(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。又由于是分級起動，起動特性不平滑。
2.2 星-三角起動
起動時定子繞組星形連接，起動后三角形連接。在電動機繞組星形連接時，電動機電流僅為三角形連接的1/3，遺憾的是電動機的轉(zhuǎn)矩也同樣降低到三角形接線時的1/3，為了使電動機在額定轉(zhuǎn)速時達到它的額定轉(zhuǎn)矩，在經(jīng)歷了預(yù)先設(shè)定的時間后，又從星形接線轉(zhuǎn)換到三角形接線，在轉(zhuǎn)換過程中會出現(xiàn)二次沖擊電流。
2.3 自耦變壓器起動
當電動機起動時，電動機的定子通過自耦變壓器接到三相電源上。當電機轉(zhuǎn)速升高到一定值時，自耦變壓器被切除，電動機定子直接接到電源上，電動機進入正常運行狀態(tài)。同直接起動時相比，當電壓降到W2/W1倍時，起動電流和起動轉(zhuǎn)矩降到(W2/W1)2倍(W2/W1為自耦變壓器的變比)。這種起動方式的優(yōu)點是起動時定子電壓的大小可調(diào)。比起定子串電抗起動，當限定的起動電流相同時，起動轉(zhuǎn)矩損失較少。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，同樣也不能帶重負載起動。
.4 頻敏變阻器起動
對于繞線式異步電機來說，如果僅僅是為了限制起動電流、增大起動轉(zhuǎn)矩，則一般采用轉(zhuǎn)子回路串頻敏變阻器起動方式。但此起動方式在頻繁起動下，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方式的共同特點是控制電路簡單，起動轉(zhuǎn)矩基本固定不可調(diào)，起動中都存在二次沖擊電流，對負載機械有沖擊轉(zhuǎn)矩，且受電網(wǎng)電壓波動的影響，一旦出現(xiàn)電網(wǎng)電壓下降，會造成電機堵轉(zhuǎn)，起動困難，且上述幾種起動方法，在停機時都是瞬間停機，遇到負載較重時會造成劇烈的機械沖擊。
3 軟起動
所謂軟起動是指裝置輸出電壓按一定規(guī)律上升，使被控電動機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)與自動化控制技術(shù)的綜合，是將強電和弱電結(jié)合起來的控制技術(shù)。在軟起動器中三相電源與被控電機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機的每相，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，電動機起動時，用調(diào)節(jié)6個晶閘管的不完全導(dǎo)通來控制電動機的供電電源。換言之，起動時只有三相正弦波形的一部分向電動機供電。
軟起動的優(yōu)點是起動特性曲線好，使晶閘管的導(dǎo)通角從零度開始，逐漸前移，電機的端電壓從零開始逐漸上升，直至達到額定電壓，起動電流從零線性上升至設(shè)定值，從而滿足起動轉(zhuǎn)矩的要求，保證起成功。表1為軟起動同傳統(tǒng)起動對照表。
4 重載起動方式(交-交變頻起動)
4.1 交-交變頻工作原理
盡管軟起動具有起動平滑，起動時間等參數(shù)可調(diào)的特性，具有傳統(tǒng)起動方法無法比擬的優(yōu)越性，是傳統(tǒng)降壓起動器的理想換代產(chǎn)品。但可控硅調(diào)壓方式的軟起動器控制感應(yīng)電動機，在減小電壓的同時，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，對于重載起動就勉為其難了。然而在很多場合下，不能保證負載為輕載起動，如球磨機、破碎機、空氣壓縮機、風(fēng)機等，這就使得我們想在降低電壓的同時，能夠減小供電電壓頻率，即保持V/F不變，保證恒力矩起動，因而變頻器變頻起動無疑是最好的起動設(shè)備，但如果把變頻器僅作起動，不調(diào)速，資金浪費很大，特別是高壓大容量的通用變頻器價格就更為昂貴，且感應(yīng)電動機的重載起動只是短時間的過程，故尋求一種感應(yīng)電機的重載安全起動方法是很有必要的�？v上述幾種起動方式可得出采用交-交變頻器來實現(xiàn)重載起動。因為交-交變頻沒有中間直流環(huán)節(jié)，僅用一次變換就實現(xiàn)了變頻，所以效率較高，而且大功率交流電機調(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的控制角α，就可以改變交流輸出電壓的幅值。
如果讓α角不是固定值，在半個周期內(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。在另外半個周期內(nèi)，對負組變流器N進行同樣的控制，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)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無環(huán)流工作方式，即一組交流電路工作時，將另一組變流電路的脈沖封鎖。下圖給出了一個周期內(nèi)負載電壓、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法。
晶閘管變流電路的輸出電壓為
(1)
式中，Ud0為α=0時的理想空載整流電壓。對交-交變頻電路來說，每次控制時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法求變流電路α角的基本公式。
式(4)可以用模擬電路來實現(xiàn)，但線路復(fù)雜，且不易實現(xiàn)準確的控制，所以采用微機來實現(xiàn)上述運算�？砂咽孪扔嬎愫玫臄�(shù)據(jù)存入存儲器中，運行時按照所存的數(shù)據(jù)進行實時控制。為了用計算機實現(xiàn)實時控制，必須具備三相低頻信號、同步信號、零電流檢測三個基本條件。
4.4 三相低頻信號的產(chǎn)生原理
用計算機產(chǎn)生三相低頻信號，必須首先將要產(chǎn)生的低頻信號進行數(shù)字化。這不僅在幅值上數(shù)字化，在時間上也要數(shù)字化。在時間上，以一度為單位(分辨率已經(jīng)足夠)，將低頻信號的一個周期分成360等份。根據(jù)需要的頻率求出低頻信號一度的時間，以次作為定時時間，這樣每隔一度，便輸出一次低頻信號的對應(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。由于準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，它是限幅的正弦波，當?shù)扔?00時就已經(jīng)到達了最大值。其目的是提高直流電壓的利用率。
下面以準梯形波為例來說明三相低頻信號實現(xiàn)的具體方法。
a. 建立一個準梯形波波形的表格，表格的大小為360個數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)分別以1度為間隔的準梯形波波形數(shù)據(jù)。表格存放在表首地址為TABLE的內(nèi)存中，第一個數(shù)據(jù)為1度時對應(yīng)的波形數(shù)據(jù)，最后一個為360度對應(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)一計數(shù)指針COUN，初始化時，使COUN=0，并起動定時器。在定時時間到達之后，計數(shù)指針COUN增1，同時取出表中的數(shù)據(jù)(對應(yīng)內(nèi)存地址為TABLE+COUN)輸出。當計數(shù)指針COUN=360時，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。
c. 其它兩相低頻信號分別滯后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，在低頻數(shù)字信號輸出之前，應(yīng)乘以調(diào)制系數(shù)，調(diào)制系數(shù)的范圍是0~1。
e. 1度對應(yīng)的時間是由所需輸出頻率決定的，將其轉(zhuǎn)換為定時時間常數(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 同步信號電路
采用微機定時方式進行交-交變頻的移相控制時，需要給微機提供各晶閘管控制角起時定時時刻的方波信號，使移相控制裝置向晶閘管發(fā)出的觸發(fā)脈沖信號在電源電壓的每個周期內(nèi)均能重復(fù)出現(xiàn)。因此，這一方波信號的頻率應(yīng)與電源頻率相同。所以，一般將此方波信號稱為同步信號。此外，同步信號的另一作用是微機利用它的狀態(tài)來進行判相定管，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，進入RC移相電路形成滯后30度的正弦電壓，由三級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。
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)，此時兩組變流器的觸發(fā)脈沖都被封鎖。因此，實際的零電流一定要準確可靠的檢測出來，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，負載電流含有豐富的電流諧波，給電流檢測、尤其是過零點檢測帶來了一定困難。LEM傳感器輸出信號經(jīng)濾波、整形后，會產(chǎn)生偽過零點，使控制系統(tǒng)出現(xiàn)誤動作。由于晶閘管導(dǎo)通時其端電壓為管壓降，近似等于零，而阻斷時端電壓等于其所接交流電壓(電網(wǎng)線電壓或相電壓)。同時檢測變頻器主電路中每一相上的六個晶閘管，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。這種方法直接檢測零電流，不需要對電流波形進行整形，其輸出信號完全對應(yīng)著電流波形中的零電流，使檢測電路更加準確、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。當輸出頻率升高時，輸出電壓一個周期內(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，一旦速度達到了1/3全速，可以控制相應(yīng)的晶閘管，使它們切換到軟起動，軟起動方式仍由本裝置實現(xiàn)。在軟起動的作用下完成起動結(jié)束。因為此時電壓相對較小，切換的過程中，不會有很大的沖擊電流。
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畸變。可以采用快速的，比較好的零電流檢測方法來減小死區(qū)時間。
6 結(jié)束語
傳統(tǒng)起動方式將逐漸被可控硅軟起動所取代，然而軟起動卻不能很好解決感應(yīng)電機的重載起動，因而給出了一種實用的交-交變頻起動方式來解決這個問題。由于目前采用交-交變頻技術(shù)成本相對過高，同時由于國內(nèi)的研究開發(fā)相對滯后，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)相對成本的不斷降低，人們
節(jié)能意識的不斷深入，該技術(shù)在礦井中的應(yīng)用必將迎來一個全新的時期，同時在應(yīng)用范圍上也將擴大，并有待開發(fā)和完善。
參考文獻
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