基于電壓空間矢量高轉矩軟啟動的研究

孟彥京，蔣 超，陳 君，李逸博

（陜西科技大學，陜西西安 710021）

基于電壓空間矢量高轉矩軟啟動的研究

孟彥京，蔣 超，陳 君，李逸博

（陜西科技大學，陜西西安 710021）

利用電壓空間矢量原理，通過同時調節(jié)電機輸入電壓的幅值和頻率，得到適當?shù)碾妷菏噶?，從而提高電機啟動轉矩。提出了實現(xiàn)不同頻率電壓的電壓矢量觸發(fā)方式和使電機平穩(wěn)啟動的相鄰頻率電壓矢量切換方法。采用仿真軟件Matlab對所搭建的控制系統(tǒng)進行建模與仿真，采用STM32搭建了該軟啟動器的控制系統(tǒng)進行現(xiàn)場電機啟動試驗。仿真結果、現(xiàn)場試驗結果與傳統(tǒng)軟啟動數(shù)據(jù)進行對比，結果表明基于電壓空間矢量軟啟動控制策略有利于提高電機的啟動轉矩。

電壓空間矢量；分級變頻；軟啟動；啟動轉矩

傳統(tǒng)軟啟動器一般是在工頻50 Hz下，采取斜坡升壓或限流啟動等方式來抑制電機的啟動電流［1-2］，有效地減小了電流沖擊對電機、電網(wǎng)的危害。但這種啟動方式同時還降低了電機啟動轉矩，無法用于要求重載啟動的負載［3］。針對以上問題，筆者采用電壓空間矢量原理，在不改變傳統(tǒng)軟啟動器硬件結構的基礎上，通過改變晶閘管觸發(fā)策略，在改變電壓幅值同時改變電壓頻率，實現(xiàn)電機高轉距小電流啟動［4-6］。

1 原理分析

1.1 高啟動轉矩原理

電機電磁轉矩Te表達式為：

式中：m為相數(shù)；p為極對數(shù)；f為電源頻率；U為定子電壓；r1為定子繞組電阻；r2′為轉子繞組電阻；x1σ為定子繞組漏電抗；x2σ′為轉子繞組漏電抗；s為轉差率。

由式（1）可得到電機的機械特性曲線，如圖1所示。

圖1是電機定子繞組輸入端采用不同控制策略的對比曲線。曲線1表示電機以降低頻率并保持壓頻比不變的調壓變頻方式啟動；曲線2表示電機以頻率不變而降低啟動電壓的調壓方式啟動。圖中曲線與橫坐標的交點表示電機轉速為0時的電磁轉矩，即電機的啟動轉矩。啟動轉矩的大小反映了電機帶載啟動能力的強弱?？梢钥闯?，曲線1的啟動轉矩是曲線2的5倍，即電機按照電壓空間矢量原理變頻啟動的帶載能力明顯提高。在定子電壓下降的同時，減小電機輸入電源頻率，將會減少電動機轉矩的損失，就可以解決傳統(tǒng)軟啟動器的啟動轉矩小的問題。

1.2 空間矢量策略的實現(xiàn)

利用空間矢量原理實現(xiàn)調壓變頻的控制策略是將啟動過程分為若干階段，每個階段的頻率不同；各階段的頻率由低向高，最后達到工頻。

在每個不同頻率段，通過控制晶閘管的導通順序和導通角，同時觸發(fā)兩相定子繞組上的電壓，形成如圖2所示電壓波形圖，其中陰影部分為有效觸發(fā)電壓。

采用圖2中陰影部分電壓信號，同時觸發(fā)兩相定子繞組上的電壓并按照AC→BC→BA→CA→CB→AB→AC的順序依次觸發(fā)電壓矢量，建立圖3所示的磁鏈軌跡，用六邊形磁鏈軌跡去近似圓形磁鏈軌跡。

將原來在一個工頻周期內完成觸發(fā)的電壓矢量，調整到在n個周期內完成觸發(fā)運行，從而將電源頻率從工頻變?yōu)楣ゎl的n分頻。電壓空間矢量控制策略能使頻率變?yōu)楣ゎl頻率50 Hz的1／n，即50 Hz的n分頻。

啟動過程中，電機輸入電壓頻率分級變化。分頻頻率的選擇應采用三相對稱的頻率。文獻［7］中推導出對稱頻率為50 Hz的（3k+1）分頻，即4分頻、7分頻等。相鄰頻率切換時應避免頻率變化過大。在本控制策略中，4分頻切換至工頻頻率過程中加入不對稱的3分頻，2分頻作為過渡頻率，這樣可以減小電壓突變引起的轉矩脈動，減小對電機及其負載造成危害。

頻率切換過程中，為保持磁通不變，采用恒壓頻比控制（220 V- 50 Hz），切換過程的機械特性曲線如圖4所示。

圖4中，垂直于橫軸的直線為電機負載曲線；曲線1是電機在31 V- 7.14 Hz下運行的機械特性曲線；曲線2是電機在55 V- 12.5 Hz下運行的機械特性曲線；曲線a是電機在31 V- 12.5 Hz下運行的機械特性曲線。

在電機啟動過程中，為了使曲線1平穩(wěn)切換至曲線2，采用先變頻后調壓的方式進行相鄰頻率間的切換。首先，保持電壓有效值不變，提高頻率至目標頻率，電機機械特性曲線如曲線a所示。其次，逐漸增加電壓，使得電機從曲線a按照一簇漸變的調壓機械特性曲線（a、b、…、n）逐步達到曲線2，從而完成相鄰頻率的切換。

利用空間矢量原理實現(xiàn)了在調節(jié)電機輸入電壓的同時，改變電源頻率，在降低啟動電流的同時，獲得高啟動轉矩。

2 控制系統(tǒng)結構

基于電壓空間矢量的軟啟動器控制系統(tǒng)主要包括：電源電路、電流檢測電路、電壓缺相和相序檢測電路、晶閘管觸發(fā)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STM32，如圖5所示。

該控制系統(tǒng)以STM32作為主控MCU（Microcontroller Unit），接收來自電壓缺相和相序檢測電路、電流檢測電路的信號，根據(jù)鍵盤電路的輸入指示計算并輸出晶閘管門極脈沖的觸發(fā)脈沖。

3 工作流程

基于電壓空間矢量的高轉矩軟啟動器采用有級變頻的方式，即f／n1→f／n2→f／ni→…→f／nk→f的順序進行分頻啟動。其中k是分頻級數(shù)，f／ni是當前頻率值。

首先，由電壓缺相和相序檢測電路檢測輸入三相電源是否缺相，相序是否正確；用戶可以通過鍵盤電路輸入設置分頻級數(shù)k；根據(jù)電壓空間矢量控制策略按照頻率由低向高的順序在各個分頻區(qū)間內制定三相觸發(fā)順序，STM32計算三相晶閘管的觸發(fā)角；最后晶閘管觸發(fā)脈沖形成和脈沖功放電路按照計算結果輸出脈沖信號控制晶閘管觸發(fā)角，實現(xiàn)對電機啟動過程的調壓變頻控制，達到提高啟動轉矩，抑制啟動電流的目的。工作流程如圖6所示。

4 建模及仿真

本試驗對22 k W電機進行仿真分析。軟啟動系統(tǒng)仿真模型如圖7所示。由晶閘管導通角模塊將給定的導通角發(fā)送給脈沖觸發(fā)器模塊，按照電壓空間矢量原理產(chǎn)生脈沖信號控制晶閘管模塊中的6個晶閘管的觸發(fā)角，以控制加在定子繞組兩端的電壓。由測試模塊對電機的轉矩、轉速等數(shù)據(jù)進行測試。

電機按照分級變頻啟動方式啟動，頻率分為5個等級，7.14、12.5、16.7、25和50 Hz。啟動過程定子相電壓波形如圖8所示。

軟啟動器在0－0.5 s仿真區(qū)間由7分頻單獨作用，0.5－1 s由4分頻單獨作用，1－1.25 s由3分頻單獨作用，1.25－1.36 s由2分頻單獨作用，1.36 s后切換至工頻啟動，啟動過程結束。

電機在初始電壓頻率7.14 Hz下運行時啟動轉矩的大小是電機能否帶載正常起動的關鍵。電機在該頻率下運行的電磁轉矩和電機轉速波形圖如圖9所示。

傳統(tǒng)軟啟動方式是以斜坡升壓方式啟動，其電磁轉矩和電機轉速波形圖如圖10所示。

對比圖9和圖10可以得知：電壓空間矢量軟啟動相較于傳統(tǒng)軟啟動，前者啟動轉矩約是后者的10倍，帶載能力明顯提高。

5 現(xiàn)場試驗

試驗環(huán)境為22 k W異步電機，380 V- 50 Hz三相交流電源，軟啟動器，磁粉制動器（用于模擬負載）。測試工具為DT3351鉗形電流表、示波器及萬用表。測得電機在7分頻運行時的定子電壓波形如圖11所示。

試驗測得電機采用不同控制策略時帶載情況如表1所示。

表1 試驗數(shù)據(jù)

試驗表明電壓空間矢量原理的軟啟動相比于傳統(tǒng)軟啟動，在不改變硬件結構的基礎上其帶載能力提高了30%，可以實現(xiàn)電機高轉矩平穩(wěn)啟動。

6 結束語

基于電壓空間矢量的軟啟動研究，根據(jù)電壓空間矢量原理，運用分級變頻軟啟動方式，實現(xiàn)了電機啟動轉矩的提高。以STM32為主控器件搭建了軟啟動器的控制系統(tǒng)。以22 k W電機模型為對象，利用Matlab軟件對其在各分頻頻率段運行時的電機轉速和電磁轉矩進行仿真，與傳統(tǒng)軟啟動啟動過程電機轉速、電磁轉矩仿真波形圖對比；以22 k W電機為試驗對象，采用不同控制策略時，對電機帶載能力進行測試。仿真結果和試驗結果都證明了采用電壓空間矢量原理的軟啟動器，比之傳統(tǒng)軟啟動器，有效地提高了電機啟動轉矩，能夠用于需要重載啟動的場合，擁有更廣闊的應用前景。

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Study of High Torque Softs Tarter Based on Voltage Spaee Veetor

MENG Yanjing，JIANG Chao，CHEN Jun，LI Yibo
（Shaanxi University of Science and Technology，Xi'an 710021，Shaanxi，China）

voltage space vector；discrete frequency；soft starter；starting torque

TM343

A

1673-6524（2015）04-0034-05

2015- 03- 20；

2015- 05- 18

孟彥京（1956－），男，教授，博士，主要從事電力電子與電力技術方向研究。E-mail：419771692＠qq.com

蔣超（1990－），男，碩士研究生，主要從事控制理論與控制工程、電力電子方向研究。E-mail：419771692＠qq.com

Abstraet：In accordance with the principle of voltage space vector，through regulating the amplitude and frequency of the input voltage，the appropriate voltage vector is to be obtained so as to improve the starting torque.A presentation is made of the voltage vector triggering method under different frequencies and the voltage vector switching method for the adjacent frequency of the motor in terms of stable starting.Matlab，a kind of simulation software，is used to model and simulate and STM32 is used to build the control system of the soft starter in field motor starting test.Compared statistically with the traditional soft starting results as well as simulation results，the test results show that soft starting control strategy based on the voltage space vector is advantageous to improving the starting torque of the motor.