[发明专利]软起动等效正弦分频控制方法和控制装置

说明书

技术领域

本发明涉及电动机控制技术领域，更具体地说，涉及一种用于异步电动机起动的软起动等效正弦分频控制方法和控制装置。

背景技术

异步电动机的电子（固态）软起动器是一种集软起动、软停机、节能和多功能保护于一体的电机控制装置。相比于传统的起动装置，它具有起动冲击小、保护电网、起动可重复性、成本低等优势，在各种工控场合得到了广泛的应用。

目前市场上在售的电子软起动器都是采用电压斩波的控制方式，通过调节给电机定子电压的大小来实现软起动（电压控制方式）。在降低电压起动的同时，虽然起动电流减小，但是起动转矩减小的更多。传统的软起动方法是降压起动，不可避免的使转矩减小了。在某些应用中，电机需要带重载起动，这种情况使用传统的方式软起动电动机较为困难。因此传统的软起动方式只能应用在电动机起动转矩在额定转矩的60％以下的情况。当电机在超过60％的重载或额定负载起动时，普通的电压控制调节方式就不能完成这一目标，因为根据电机转矩特性：转矩与电压成正比，重载电机起动时所需励磁转矩较高（一般要超过额定转矩），而电压控制方式中只控制电压幅值这一个向量，电压与转矩成正比关系，造成在重载电机起动时失败。

在电动机带重载启动下使用传统的软启动方法，起动比较困难。从电动机转矩表达式中可以看出，电动机的起动转矩与频率成反比，如果在降压的同时也相应的降低电源的频率，则可以实现启动高转矩。

上述公式中U₁为电机定子电压，f₁为电机定子频率。

由于分级变频软起动器的主电路拓扑结构同一般软起动器一样，同时由于晶闸管是一种半控器件，因此，并不能如同变频器一样实现输出电压频率连续变化，它只能产生工频的几分频（即工频的几分之一），使频率分步离散地增加。虽然电压下降了，但同时频率也下降了，所以总的说来转矩比单纯的降压起动提高了，改善了软起动器控制电动机低速时的转矩，使电动机在低速运行时，电流较小，转矩较大，所以采用分级变频的软起动器可以使电动机带较重的负载起动。此外，分级变频方式可以实现软停车，此时可按相反的顺序进行；而且分级变频控制也可以使软起动器输出负相序电压，使电动机处于电磁制动状态。

目前，对离散变频控制方法的使用大都是处于理论仿真和研究阶段，还没有任何厂家能够把其应用于实际产品中。

降低电源供电频率的方法有两种。一种是采用变频器，使用它的无级变频功能可以获得优良的起动性能，能够使起动平滑、稳定，并且可以提供1～2倍额定转矩的起动转矩，特别适用于重载起动。但是变频器造价高昂，仅仅用在电动机的软起动性价比较低。另一种方式是分级变频软起动方式，该种方式在不改变传统电动机软起动器主电路结构的基础上，采用新的控制算法提高起动转矩。因此，该种方式更适用于电动机的软起动应用。

分级变频控制方法在电动机起动过程中，通过控制三组反并联晶闸管的触发角，以工频50Hz为例，使电压频率从一个比较小的初值逐级增大至50Hz，从而提高低电压时的转矩。分级变频软起动器的主电路拓扑结构同一般软起动器一样，由于晶闸管是半控型器件，这样软起动器不能如同变频器输出连续的电源频率，它只能产生工频的分频（即工频的几分之一频率）。使供电频率分步离散的增加，如3.125～3.846～5Hz～7.143Hz～12.5Hz～16.67Hz～50Hz。虽然该方式下电压下降了，但同时频率也下降了，所以转矩比单纯的降压起动有了明显的提高。同时改善了软起动器控制电动机低速时的转矩，使电动机在低速运行时电流较小转矩较大。

在改变输出频率的同时，考虑电机磁通饱和等因素，参照变频器VVVF调速控制策略，将软起动器在分频的同时改变输出电压幅值，这样可以避免电机饱和，同时使电机在软起动和软停车时具有一定的调速性能，即等效正弦控制方式。

传统的等效正弦控制方式，通过计算机仿真计算晶闸管的触发时刻，模拟各种负载和工况下的运行条件，把触发时刻写入到微控制器的程序代码中进行控制。传统软起动方法在重载或满载起动时会发生起动失败问题，这大大限制了软起动器的使用范围，等效正弦分频控制方法在理论上可以比较好地解决这一问题，但实际上晶闸管的触发时刻往往只能通过试凑方法来解决，而根据标准和技术要求：在限流倍数为4.5倍额定电流的情况下，软起动的起动时间为10s。以50Hz的电网为例，这需要触发晶闸管3000次（三相，上下半波），这样的触发如果只是通过试凑方式来解决，其效果可想而知，因此分频控制方法在实际中一直没有得到很好的应用。