基于斩波方式的三相交流异步电动机

。基于以上原因选用六管交流斩波器 电路更为可靠。 三相交流斩波调压电路的功率因数完全取决于负载，而与功率元件IGBT斩波过程几乎没有关系， 而传统软起动的功率因数不仅和负载有关，还与触发角有关，所以IGBT斩波式软起动的功率因数大大 提高。 ? ? ? ? ? ? (a)三相反串联交流斩波调压主电路 ro)三相三管交流斩波调压主路 图2 交流斩波调压主电路 2 软起动的仿真模型〔’〕 MATLAB是Mathworks公司开发的一种计算软件，其中模拟仿真工具箱Simulink提供了许多标 准控制系统仿真模型，并且是基于结构图的。仿真时系统结构和所有参数都可以在线修改。软起动器的 仿真模型主要运用MATLAB/Simulink电气系统库Powerlib中的元件。利用它建立的斩控式的三相异 步电动机软起动器的仿真模型如图3 (a)所示，仿真模型由4部分组成:三相交流电源、斩波电路模块 (chopper),PWM脉冲生成模块、电机及其状态显示。 2.1 三相交流电源和斩波电路 三相交流电源提供50 Hz平衡三相交流电压。 斩波电路模块是一个子系统，完成交流斩波，是由Simulink库中的Nonlinear子库中的3个Switch 组成，等效于IGBT功率管和二极管反并联[[21。 2.2 PWM脉冲生成模块 PWM脉冲生成模块也是一个子系统，产生触发功率管的脉冲序列，如图3(b)所示.主要工作原理是 三角波与斜线进行比较，然后产生一系列占空比随时间增加的PWM脉冲，也就是功率管的开通时间逐 渐增加，斩波后电压有效值随时间增加，从而达到软起动的目的。 (a)软起动器的总体仿真模型 (b) PWM子模块 图3 软起动器的总体仿真模型 在图3(b)中有两个未知参数汤和k，这两个参数的设定很重要，有必要详细阐述一下。PWM脉冲 421 《冶金自动化》2004年增刊 生成模块中的A和k的设定如下[3] 汤为初始斩波比(也就是1.1中所说的占空比),k为斩波比增加的斜率，如果起动采用电压斜坡起 动方式，则由1.1可得 汤=u./u} (1) k=(1一汤)/tq (2) 式中，uetart为软起动初始电压;u。为定子相电压(额定电压);t。为起动时间。 PWM子模块是斩波能否成功的关键，也就是肠和k的设定是很重要的，求出场和k必须先求出 u，和tq , u6t.1和t。的求法如下。 软起动器在整个起动过程中，起动力矩Mb应大于Me(电机的额定转矩)的15%，这样，才会驱动软 起动器自然、平稳地加速，而且电机也不会产生不必要的温升。由于转矩与加在电机端电压的平方成正 比，改变电机端电压，即改变了启动转矩。通过软启动器提供的起动初始力矩MbO，可以计算出所需启动 的初始电压值。 uetsrt =ue沂丽奋习瞬万/刀瓦目 (3) 式中,MF;。为负载初始力矩;Mo为电机在额定电压下起动的初始力矩 ，「、 1 tQ=Gjtj ! ,,,, an; Uvib切 刀 =ivia, kn)-IVIFL扭 ) J 0 1Vlb (4) 式中，J为电机和负载的转动惯量;Md; (n)为电机转矩,MF,(n)为负载转矩，Md; (n)和MFZ(n)都是转速n 的函数，只要电机转矩和负载转矩随转速n的变化曲线给定，就可以求出起动时间。 综上所述，如果电机参数和负载转矩随转速n的变化已知，ustat和t。就可求出，则汤和k就可知，这 样PWM脉冲生成子模块才可以在软起动仿真模型中起作用。 2.3 三相交流异步电机模块和测，模块 三相交流异步电机模块直接采用电机模块库中的三相交流异步电机模块，电机的参数为:f=50 Hz,Ue=220 V,Pe=3X746 W,R,=0.435 CI,R,'=0.816 SZ,LB=L,'=2.0X10-3 H,Lm二69. 31 X 10-3 H,J=0.089 kg·m2。 三相交流异步电机模块输出的是矢量，由异步电动机测量模块分解为标量输出，可直接送人SIMU- LINK模块，作为反馈和测量信号。 3 仿真结果 利用上述仿真模型可得到图4(a)中的仿真波形，图4(b)是初始触发角为1200的传统型用晶闸管调 压软起动的电流和转矩波形;图4(c)是汤=0. 4,k=1. 5时的定子电流和转矩波形。从图4(a)中可以看 出直接起动时起动电流大，起动转矩高，故起动时间短;图4(b)传统软起动电流和图4(c)基于PWM斩 波式软起动起动电流是随时间逐渐增加，而起动转矩比直接起动要低的多，故起动时间随之加长。从4 (b)和4(c)可以看出，传统软起动的电流和转矩起动瞬间冲击很大，起动过程中脉动比较大，所以谐波成 分大，畸变率高;而斩波式软起动的起动电流和起动转矩脉动小，很平稳地上升。 另外，软起动器的起动转矩小，如果起动大负载，可以模仿变频器的思路在调压的同时调频，采用一 种离散分频法[[4]，这样，能够提高起动转矩。 4 结论 从图4的仿真波形中可以看出SPWM斩波式软起动电流波形比直接起动的电流明显减小，而斩波 式软起动的转矩因为电压的降低而大幅度的降低，这样使得起动时间变长。与传统软起动输出电流谐波 总畸变率减小。 两种软起动不同之处为:(1)传统软起动采用相控方式，而本文给出的软起动是采用斩波方式;(2)通 过谐波分析(即对斩波后的电压进行傅立叶级数展开)可知电压中不含低次谐波，只含和开关周期T有 关的高次谐波，而这些高次谐波用很小的滤波器就能很好的滤除，而传统软起动低次谐波占很大的比例， 而低次谐波不容易被滤除。所以这种斩波式软起动是一种有效的软起动方法，而且大有应用前景。 422 ((冶金自动化》2004年增刊 l姗{{陋 ? ? ? ? ? ?， ? ? ???????????????? ? ? ? ? ? ? ? ? 150 100 so 0 一0 -100恤朴朴 4l髓一???? 0 0.2 0.4 0.6 0.8 0 0.2 0.4 0.6 0.8 ? ? ? ? ? . { : 鹏呼一 ? ? ? ??? ? ?? ??? ? ? ? 0 0.2 0.4 0.6 时间ds 0.8 0 0.2 0.4 0.6 0.8 (a)直接起动时的定子电流和转矩 时间d8 ro)传统起动的电和转矩波形 时间d8 (c)SPWM斩波式软起动电流和转矩波形 圈4 电机三种起动方式的电流和转矩波形 〔参 考 文 献〕 [1]吴天明，谢小竹，彭 彬，等.MATLAB电力系统与分析〔M].北京:国防工业出版社，2004. [2」沈艳该. MATLAB在电力电子学仿真中的应用〔J].无锡轻工大学学报，2001,20(l):92-94. [3」陈和权.电机软启动器启动时间的计算〔J].工矿自动化，2002,(2):42-43. [4] Antonio Ginart, Rosana Esteller. High starting torque for AC SCR controller[J]. IEEE Tansactions on Energy Conver- sion,1999,14(3):553一559. 〔编抖:魏 方〕 423