异步电动机分频起动方式的研究

尹利君+庞家园

摘要：三相异步电机的电动机启动方式有很多，使用最多的是软起动系统，但由于起动转矩很小在重负荷场合比如煤矿中的传送机，矿井起重机，球磨机还有粉碎机等，往往无法启动，所以电子式软起动系统往往只在空载或者轻载工况使用。介绍了一种在软起动器的基础上的起动方法，能够有较小的起动电流和高转矩使电动器平滑起动，其优点有控制方式简单，成本较低等。使用到MATLAB7.6.0/SIMULINK，把传统电子式软起动器与分级变频方法的软起动器进行建模和仿真，二者结果相比较后，证明采用了分级变频方法的软起动器的优势。

关键词：软起动；起动转矩；晶闸管；分级变频；仿真；MATLAB/SIMULINK

中图分类号：TP217 文献标识码：A

0引言

现如今，在技术程度不太高的工业生产中所用到的软起动设备依旧运用降压起动的方式进行，但如果重载起动时采用降压起动，电磁转矩不够，也就不可能实现重载起动。本篇介绍了在三相异步电机中利用交—交变频技术的软起动器的工作原理，能够完成相对其它起动方式，较高的起动转矩和较小起动电流情况下的平滑起动。最后利用仿真软件将其实际运行的效果和传统的电子式软起动器相比较。

1异步电动机传统起动方式

三相异步电机的起动方式分为直接起动、星—三角起动、自耦变压器起动，近几年电子式软起动电力电子器件发展十分迅速，三相异步电机直接起动就是直接把异步电机接入它的额定电压情况下进行起动，这种方式最容易理解，操作方便，起动速度很快，同样因为这些便利，也会存在诸多的缺点。最严重的一个缺点就是起动电流非常大，如果不是频繁起动的电机，这个问题不是很严重，但是对于一些需要频繁起动的，短时大电流的频繁出现，会导致电机内部发热超出正常值引起绝缘材料过热，时间久了就会绝缘老化，发生短路甚至更严重的后果。接下来就是直接起动的转矩很大，转矩大就会影响到电机自身的结构是否牢固，长时间在直接起动情况下，电机避免不了零件的松散，严重的可能会导致结构产生损坏，不能进行正常运行，还可能将与电机相连的传动设备造成损坏。最后是异步电机直接起动和供电变压器间的关系，变压器的容量是根据负载的多少进行配置，异步电机直接起动的时候电流会很大，如果当变压器的功率不变，分配给异步电机的电压就会多，变压器自身输出电压就会下降，如果电机容量不大，变压器的容量相对很大，影响相对较小，但是异步电机的容量与变压器容量相差不多时，就会有很大影响。负载太重，变压器输出电压不够，电机起动转矩下降太多，电机也就无法正常起动；电机直接起动时就会对电网有一定冲击，一些电气设备会受到影响。综上分析，使用直接起动，应该具有结构牢靠，不频繁起动，相对于变压器容量较小的电机。降压起动方法最常见的就是星—三角起动。如果电机运行时定子绕组用的是三角形接法，就可以使用。

2异步电动机分频起动原理

分级变频控制基本原理是在电机起动的过程中，在电压幅值从初始值上升的同时，将电源电压的频率从较小的频率逐级上升，从而使电磁转矩保持较高的值[2]。分级变频软起动的主回路装置和传统电子式软起动一样。通过控制晶闸管的导通，调节电压的频率和大小。

异步电机进行降频运行，通常使用v/f成比例的方式，要有充裕的低频转矩，这样可以适量增高，使电机能够在高起动转矩下起动[3]。因为运行时电压，电流是间断的，所以转矩是脉动的，转矩的实际值就要略低于计算值，当然起动转矩要比以往的降压软起动高。只有完成了没有问题的触发控制，进而完成分级交一交变频，所以不得不对相序识别检测。

3.仿真过程

本文仿真采用三相交流380V电源，所选仿真电机为4极鼠笼式异步电动机，所示，电源与电机之间采用星型无中线连接[6]。

电机直接起动的simulink仿真模型如图3，主要由power模块、三相电源、电机、电机测量模块、示波器构成，电机参数测量模块能够对电机的起动电流、起动转矩、起动转速完成检测[7]。

分级变频调压软起动器的仿真模型主要由三相电源模块、控制器模块、晶闸管组模块、电机模型模块和测量显示模块组成。斜坡电压软起动模型、限流软起动模型与之结构类似，只是在控制器模块中的触发角控制模块

脉冲发生器和反馈信号上有所不同。三相电源模块采用SimPowerSystems库中的交流电压源模块，参数设置电压幅值均为380V，频率50Hz，相位角则为A相0°，B相-120，C相120°。电源中性点接地。三个电压测量模块Va，Vb，Vc分别检测A，B，C相的相电压，检测结果送到控制器模块作为电压同步检测信号。

控制器模块（pulse）其中有主脉冲发生模块、子频率脉冲合成模块、各级频率切换控制模块、触发角控制模块和过电流中断保护。

4.仿真结果

通过仿真结果的比较，不难看出利用分级交一交变频方法起动，能够完成平滑升频，有效的减小了起动电流，并且提高了起动时的转矩，减小起动时的冲击，能够完成重载下起动。与传统软起动器相比较，仅在结构上改变了触发脉冲的产生顺序和控制方法，并没有多余的成本开销，在性能上要比传统降压软起动器远远领先，能够完成类似变频器的软起动性能[8～10]。

参考文献

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[2]裴佳敏.工业自动化控制技术发展的新趋势探讨[J].硅谷，2014（13）：3-4

[3]陈玉宝.PLC在工业自动化控制领域中的应用[J].数字技术与应用，2014（07）：25-27

[4]崔雪亮.PLC在工业自动化控制中的应用分析[J].电子技术与软件工程，2014（14）：262

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[6]李亮，杜利东，赵湛，等.数字气压传感器的一种高效标定和补偿方法[J].传感器与微系统，2014（11）：44-47

[7]李玉平，何常德，張娟婷，等.电容式MEMS超声传感器设计与分析[J].传感器与微系统，2014（11）：73-75

[8]马小亮.大功率交一交变频调速及矢量控制技术.北京：机械工业出版社，2003.

[9]诸祖同.交流变频调速技术.北京科技大学：冶金工业出版社，1993.

[10]林宏杰，赵长宝，尤晓华.一种用单片机的交一交变频器.微小型计算机开发与应用，1998（6）

第一作者：尹利君（1994年-），性别男，2016年毕业于天津理工大学中环信息学院电气工程专业，获学士学位。

第二作者：庞家园（1987年-），性别女，2010年于河北工业大学获得学士学位，2013年于河北工业大学获得硕士学位，现为天津理工大学中环信息学院讲师