交-交變頻技術(shù)實現(xiàn)感應(yīng)電機的重載起動電機的

1、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 thi s paper, softstarting is introduced emphasizly. But how to solve over loading star ting is purposedand AC AC variable freq

2、uency is given.Keywords:inducing motor soft starting AC-AC variable frequency1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

3、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

4、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(dāng)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(dāng)電機轉(zhuǎn) 速升高到一定值時,自耦變壓器被切除,電動

5、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(dāng)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 fi 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(dāng)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

6、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

7、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)矩的耍求,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2. 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

8、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。縱上述幾種起 動方式可得出采用交 -交變頻器來實現(xiàn)重

9、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 a, 就可以改變交流輸出電壓的幅值。如果讓 a 角不是固定值,在半個周期內(nèi)讓正組變流電路 P 的 a 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

10、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 0 ,即輸出電流滯后輸出電壓 0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

11、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, UdO 為 a =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 a 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則比較式和式可得(3式中 Y 稱為輸出電壓比,因此上式就是用余弦交點法求變流電路 a 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(zhǔn)確的控制,所以采 用微機來實現(xiàn)上述運算。可把事先計算好的數(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

12、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 。 由丁準(zhǔn)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(dāng)?shù)扔?

13、600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(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)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 C0UN=0,并起動定時器。在定時時間到 達之后,計數(shù)指針 C0UN 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(dāng)計數(shù)指針 C0UN=360時,使 C0UN 復(fù)

14、位為 0,便完成了本周 期的數(shù)據(jù)輸出,為下一周期做準(zhǔn)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 01。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

15、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(zhǔn)確可靠的檢測出來,這關(guān)系到換相的死區(qū)長短,以及換

16、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

17、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(zhǔn)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(dāng)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?？梢圆捎?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)還主要限子大型礦井的關(guān)鍵設(shè)備。但