一种新型可旁路变频软启动器的切换控制方法

孟彦京，李 鸣，荣为青，高泽宇

(陕西科技大学，西安 710021)

0 引 言

异步电动机作为基本动力源在工业领域广泛应用，它具有结构简单、运行可靠、价格低廉和环境适应性强等诸多优点[1-2]。但因其起动电流大、起动转矩小，必须空载或轻载起动，给需要带载起动的应用带来不便[3-4]。目前常用的软启动器所依据的理论是电动机稳态数学模型的调压调速原理，在降低起动电流的同时也降低了起动转矩[5-6]。因此，具有高起动转矩的软起动设备的研发成为解决问题的关键[7]。

为了改善异步电动机的起动性能，在降低起动电流的情况下有效增加起动转矩，文献[8-9]提出了离散变频软起动的原理及控制方法，后经仿真和实验验证，该方法谐波含量较高且带载能力有限、转矩脉动大；文献[10-11]提出了一种基于六边形空间电压矢量的软起动控制方法，它在离散变频原理的基础上引入了空间电压矢量原理。该方法虽然在一定程度上降低了离散变频软起动的谐波、有效减小了谐波转矩，但由于其离散变频的基本特征没变，只能实现有级变频，故不能完全满足工业实际的需求。

变频器作为高性能的调速设备是电机软起动非常理想的选择，其一般采用矢量控制方法和直接转矩控制方法，使异步电动机起动系统具有优良的动态、静态性能，调速范围宽，平滑性好，节能效果显著。但是采用变频器作软启动器，在不需要调速的工控场合中存在着当电机起动完成后变频软启动器难以旁路退出的问题，造成大量不必要的能源浪费[12-13]。

基于上述分析，本文提出一种能够连续变频的新型可旁路变频软启动器。通过对传统交直交变频器主电路拓扑结构进行改进，实现变频软启器的旁路退出功能，使其在单台电机起动完成后还可以应用于其他电机的软起动或者调速生产中，如此实现一机多用，大幅度降低成本；而且其优越的性能也很好地解决了异步电动机的起动问题，使之既可以应用于电机变频调速领域又可以应用于软起动领域，打破软启动器与变频器的界限，具有较高的性价比。

1 可旁路变频软启动器的结构和工作原理

1.1 可旁路变频软启动器的系统组成

常用的交-直-交电压型变频器主回路结构如图1所示，左侧为二极管不可控整流桥，将三相交流电整流成电压恒定的直流电压；中间为大电容滤波，这是为了减小直流电压脉动而设置；右侧为逆变器，它由6个IGBT构成三相逆变桥，将直流电压变换为频率与电压均可调的交流输出[14]。

图1 传统交-直-交变频器主回路结构图

本文提出的一种新型可旁路变频软启动器控制系统整体结构如图2所示，主要包括三相整流桥、三相逆变桥、采样电路、控制电路与驱动电路。与图1相比，本结构在传统交直交变频器主电路拓扑结构的基础上进行了适当的改进：将目前通用型变频器直流母线并联的大容量电解电容替换成一个小电容C2，同时在母线端再并联一个串联带有续流二极管的功率开关管的小电容C1，电容均采用不超过几百微法的无极电容，取消了传统变频器主电路中的大容量电容器组件，降低了变频器的重量及成本；为了实现旁路，本结构在三相逆变桥的出线端以及电网和电机之间串联有旁路接触器开关K1,K2,K3,K4,K5,K6，控制器通过驱动电路控制所有的旁路接触器，形成新的交流-直流-交流拓扑结构。

图2 可旁路变频软启动器控制系统整体框图

1.2 可旁路变频软启动器的工作原理

1.2.1 直流母线电容的充放电控制原理

普通变频器直流回路电容的作用有两个：一是滤波，使直流电压近似为平直的水平线；二是吸收回馈能量，当带电机等感性负载时，电容的作用就是吸收掉电感续流时刻在直流母线上产生的尖峰电压。

本方案由于主电路结构的变化，使新型可旁路变频软启动器工作原理和直流母线电压波形相较于传统变频器发生较大的改变。在此种拓扑形式下，并联在直流母线的小电容滤波作用很小，因此，三相整流桥输出的电压波形由近似直流变为每一工频周期具有6个波头的脉动直流电压，如图3所示，使变频软启动器输出端与电网具有直接连接关系而为后续旁路切换提供条件。

图3 无滤波大电容时直流母线电压波形图

当变频软启动器所带负载为感性时会存在电感续流的状态。电路工作于能量回馈模式时，由于采用不可控整流，能量不能从直流侧回馈至电网，因此通过电容形成续流回路来储存电感中的能量。此时没有了大电容吸收能量，现有直接并联在母线的电容容值相对较小，其续流能力有限，不能完全吸收电机负载回馈到母线的全部能量，因此当续流电流流向直流母线时会产生泵升电压。若母线电压高于设定的阈值时，由控制器发出触发信号导通并联在母线上串联电容的功率开关管，使该并联支路上的电容接入电路吸收电机回馈的能量以消除泵升电压，起到缓冲无功能量的作用；当母线电压小于设定的阈值时，控制器发出信号关断功率开关管。这一结构解决了负载能量反馈到直流母线的问题，以实现无大容量电解电容变频软启动器的控制过程。

1.2.2 可旁路变频软启动器的运行原理

本文所述的是一种无大电解电容的新型可旁路变频软启动器，首先通过传统变频调速理论对电机进行连续变频的软起动控制，当电机起动完成达到工频时，采用相应的控制算法使电网的三相与电机的三相具有直接连接关系，通过控制器对电压电流进行检测以找到电流过零点这一最佳旁路时机来实现变频软启动器的旁路。

当这种新型可旁路变频软启动器工作在变频调速状态时，因为电源为脉动直流，所以其控制算法应该对直流电压变化的因素进行考虑，这个可以通过控制PWM的实时伏秒积进行补偿，也可以通过空间电压矢量的方法进行实时计算控制。变频控制策略与传统的变频器控制相同，可以采用恒压频比、磁链轨迹或直接转矩控制等，在此不再赘述，本文只讨论达到工频后的切换问题。

在电机成功起动并达到工频电网频率时，通过相位调节使三相逆变桥输出与电网电压同频同相位后增大调制比，使之工作在过调制状态，并转变为120°调制方波控制方式，使三相逆变桥工作于与电网同步的近似两相导通工作模式，不考虑高频调制段的输出，则方波段输出的电压可以近似为两相导通的供电模式，图4为调制方波触发信号时序图。

图4 调制方波触发信号时序图

通过控制输出频率和相位，使整流侧电压处于电网A，B相导通时，VT1，VT6的方波段对应如图4的t1到t2时间段，在电机端形成电压矢量UAB；同理，当整流侧电压处于电网A，C相导通时，VT1，VT2的方波段对应图4中的t3到t4时间段，在电机端形成电压矢量UAC。其情况以此类推，以此形成如图5所示的50 Hz的正六边形磁场，在120°调制方波的控制方式下使电机正常运行且定子端电压与电网一致时，通过检测电流过零点即可以进行变频软启动器的旁路切换动作。

图5 空间电压矢量六边形

2 变频软启动器的旁路切换控制过程

2.1 变频软启动器旁路时机选取条件

目前变频器存在起动电机负载后难以旁路而导致变频器不能充分利用，使设备成本较高等问题。本文研究的新型变频器拓扑结构在直流母线上保留了直接来自电网的6个波头脉动电压，使电网电压通过整流桥的二极管与逆变桥的IGBT直接作用到负载上，当电机起动完成，频率为工频时，调节相位并使电机以过调制的方法过渡在120°调制方波的控制方式下运行，此时欲将电动机切换到工频电网。

为了实现电机的软切换，尽可能减小电机抖动过程、保证电机运行平稳，实现其转速无扰动切换，且切换前后电机定转子电流无突变，同时减小IGBT的开关损耗，需要找到一个可旁路变频软启动器的最佳旁路时机。本文选择将电流过零点作为电机旁路切换的支点，在电流过零点附近闭合旁路接触器从而实现电机的软切换，将电机与电网直接相连使变频软启动器从主电路中旁路出去。在此分析中，假设接触器开关过程瞬间完成，不考虑开关延时与过渡过程对变频软启动器旁路切换控制的影响。

2.2 变频软启动器旁路切换控制

当电机达到工频时变频软启动器旁路切换的控制分析过程如图6所示。主回路的IGBT管V1与V4，IGBT管V3与V6及IGBT管V5与V2分别构成3组上下桥臂，6个IGBT管导通的顺序依次：V1，V2-V2，V3-V3，V4-V4，V5-V5，V6-V6，V1。

图6 三相电源波形图

首先以a点为零点，以α为触发角触发导通V1，V2，则U相，W相电流开始增加；然后以b点为零点，以α为触发角触发导通V2，V3，V相，W相电流也开始增加；接着以c点为零点，以α为触发角触发导通V3，V4，此过程中会出现U相电流处于过零点附近，所以此时闭合K4并断开K1从而使电机U相直接与电网A相相连，V相，A相电流开始增加，U相旁路后对应的V1，V4不再触发。继续以d点为零点，以α为触发角触发导通V5，W相，A相电流增加，接着以e点为零点，以α为触发角触发导通V5，V6，此过程中会出现V相电流处于过零点附近，此时闭合K5并断开K2从而使电机V相直接与电网B相相连，W相，B相电流开始增加，V相旁路后对应的V3，V6不再触发。继续以f点为零点，以α为触发角触发导通A，B相，A相，B相电流增加，接着以g点为零点，以α为触发角触发导通V2，此过程中会出现W相电流处于过零点附近，此时闭合K6并断开K3从而使电机W相直接与电网C相相连。

至此，变频软启动器完成旁路切换过程，从而实现软启动器在电机起动完成后可以自行退出的功能，解决了变频器应用于软启动器不能旁路的问题。

3 仿真结果与分析

针对上述分析方法，在MATLAB/Simulink中搭建模型，对整个系统进行仿真，仿真模型如图7所示，整体上由主回路和控制器两大部分组成：主回路部分包括三相交流电源模块、改进的交直交变频结构模块、旁路接触器模块和异步电动机模块；控制器部分包括:SPWM控制单元模块、相位调节控制单元模块、基于正弦供电的空间矢量控制单元模块与旁路控制单元模块。模型中电机参数：PN=22 kW，UN=380 V，fN=50 Hz。

图7 具有旁路功能的变频软启动器仿真图

仿真结果如图8所示，电机带21%负载，电机从零转速起动，在基于SPWM的恒压频比的控制方法下进行变频软起动，在0.7 s时变频调速过程结束并达到工频；电机起动完成后，于1.1 s开始采用相位调节的方法使逆变桥输出方式与电网同频同相位，并于1.4 s采用过调制的方法，逐渐增加三相调制波的幅值，从而使电机在120°调制方波控制的方式下运行,由仿真波形可知电机运行状况良好。在1.7 s时进行变频软启动器的旁路切换动作，由转速与转矩波形可知，其有微小波动，但属正常范围。

(a) 新型变频软启动器仿真波形局部图

(b) t=1.7 s时旁路切换动作的局部放大图

从整个过程观察，以上各个阶段的定子电流、转子转速与电磁转矩均在正常范围内波动，且旁路切换过程变化平稳，变频软启动器旁路退出之后定子电流波形变为标准的工频三相电流波形，说明此时无谐波影响，且转速基本无波动，对电机无冲击作用；在局部放大图中可以看到，旁路完成后，定子电流、转子转速以及电磁转矩的数值均在正常范围之内，仿真波形无畸变，证明在此种控制方式下可以成功实现变频软启动器的旁路退出且旁路效果良好。

4 结 语

针对变频器应用于软启动器切换到工频后难以实现旁路的不足，本文分析了一种新型可旁路变频软启动器的切换控制方法，通过分析及仿真可得以下结论：1)用两个容值较小的无极电容取代普通变频器直接并联的大容量电解电容，不仅有效降低了变频软启动器的成本与体积，而且在实现变频调速的同时解决了电机能量回馈问题；2)在电路中设计有旁路接触器开关，通过寻找合适的旁路时机和自然过渡到电网的切换策略，实现变频软启动器在控制电机连续变频软起动后的自旁路功能。实现了变频器与软启动器之间的连续平滑切换，淡化了软启动器与变频器的界限；3)通过系统仿真验证方案可行性，其应用于电机软起动可以很好地实现电机变频调速控制功能，电机起动性能良好，证明该新型可旁路变频软启动器具有良好的经济前景和较好的工业应用价值。

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