黄丽丽
国电长源荆州热电有限公司
【摘要】交流异步电机结构简单、运行可靠、环境适应性强和拖动性能好，因而获得广泛应用。在额定电压空载起动（直接起动）时电流通常为额定电流4－7倍，部分国产电机甚至达到8－12倍。过大的冲击电流影响电机的使用寿命和电网的安全。采用常规软起动器能够降低电机的起动电流，但是起动转矩会降的很低，不能实现重载起动。采用分级变频起动能够实现起动电流小、大转矩起动。本文通过对分级交交变频进行建模与仿真，验证这种结论。
分级交交变频的基本原理是通过一定的控制策略让电源某些完整正半波或负半波通过，从而实现变压变频的目的。由于频率不是连续可调的，所以称为分级交交变频。
在分级变频软起动中，频率不是由低到高连续可调的，而是按照整数倍分频来调节的。通过Matlab进行对7、4、3、2分频进行单独仿真，待验证其输出波形正确后再进行分级交交变频，从而保证其真确性。
【关键词】交流电机 变频 分级 仿真
分级交交变频的基本原理是通过一定的控制策略让电源某些完整正半波或负半波通过，从而实现变压变频的目的，由于频率不是连续可调的，所以称为分级交交变频。
要将三相正弦交流电进行1/r分频，可以利用传统软启动器的硬件结构，通过控制三相晶闸管的触发顺序控制交流电的通断，将1/r周期的交流电合并为一个周期，其正半周时只让正向半波导通，负半周时则让反向半波导通。以电机获得最大转矩为目的的，而分频后三相电压总共有组合，什么样的组合能够产生转矩最大，这就是研究的核心问题。
一、控制策略研究
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以2分频为例，分频后总共有64种电压组合。假定为220V，采用MATLAB中的M文件编程，求出不同电压时的正、负序分量，即得出电压正、负序分量值U+、U-。
根据查阅的资料有三点结论：
1）所有产生正转矩的相位组合中，A、B、C相位为0/-60/-210、0/-150/-300、0/-150/-210时，平均转矩最大且曲线变化基本相同；
2）在所有电压组合中A、B、C相位为0/-150/-300时电流波动范围最小、最小值最小、最大值最小的、稳态值也最小，即电流值最小。
3）所以在电机起动过程中，采用适当分级变频控制，能够做到起动电流很小、起动转矩很大。这一点对电机具有重大的现实意义。
同理可以分析3分频。从2分频、3分频理论和仿真资料分析可以得知：采用分级变频控制能够实现小电流同时大转矩起动，从仿真上看是成立的，这一规律在分级变频中具有普遍性，也是一个有用的结论。
综上所述，当不平衡分频时，电流最小时转矩能够达到最大值，2分频
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二、系统建模与仿真
触发脉冲模块也是一个子系统，它包含7分频、4分频、3分频、2分频和工频五个产生触发脉冲的子系统，每个子系统有相应的使能端。
（一） 七分频触发脉冲
7分频触发脉冲子系统如图1所示。其中sin(100/7*pi*t)模块是一个正弦模块，负责产生与电源A相分频基波电压同相位的电压参考信号；Palstance是个常值模块，代表7分频基波信号的角速度；它们的输出送入到一个积分模块，积分模块上跳沿清零有效，没过一个正弦周期清零一次，于是它的输出是一个周期性变化的角度值；Alph模块也是个常值模块，为每个工频半波导通的触发角，控制电机端电压；积分和比例模块的输出送入到Fcn模块，有该模块产生触发脉冲，函数Fcn的表达式为：
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式（2）确定了A相正向晶闸管的触发脉冲，由触发脉冲序列可知，电源其余各相的正反晶闸管触发脉冲和A相相比只是在时间上有一定的延迟，通过延迟环节可以得到。
七分频的、、、、的延迟时间分别为0.07s、0.0467s、0.1167s、0.0933s、0.0233s。
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三、频段切换
电源的频率依次从f/7→f/4→f/3→f/2→f逐步增加，各级分频的触发策略也已确定。每一级分频作用多长时间合适？各级分频之间如何衔接？在大量的仿真中发现：某一级频率作用时间是本级分频电压周期和下一级分频电压周期的公倍数，这样电源电压在触发策略下才能从同步从零点开始触发，电压才能无缝衔接。
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仿真区间[0,2.5]秒，其中[0，0.56]秒7分频单独作用，[0.56，1.68]秒4分频单独作用，[1.68，2.04]秒3分频单独作用，[2.04，2.28]秒2分频单独作用，[2.28，2.5]秒完整正弦波单独作用。
四、仿真结果
分级变频问题已经解决，将输出的A、B、C三相电源与电机连接。使电机在额定负载、空载状态下进行仿真。
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从图5和图6可见：在相同控制策略下采用分级变频方法在带额定负载、空载时起动，都能顺利起动，转矩在整个起动过程中都一直存在比较大的范围内在正、负之间波动。