分级交一交变频高转矩软起动器的原理和实现
1 引言
交流异步电动机以其构造简单、极高的运行可靠性、极强的环境适应能力和优异的拖动性能而在国民经济的各个领域获得了广泛的应用，但其致命缺点是起动冲击大，会对电网及设备造成不利影响。为了解决起动问题，人们长期以来采用了多种方法:有星/三角转换起动，自耦变压器降压起动，饱和电抗器和开关变压器降压起动，以及水电阻降压起动等方法。到上世纪70年代，开始采用晶闸管移相触发降压软起动，即目前市售的电子式软起动器，图1为软起动器的控制框图[3]。
图1 软起动器的控制框图
到目前为止，所有的软起动设备都是采用降低起动电压的方法来起动交流异步电动机的，由于电动机的电磁转矩与其定子绕组所加电压的平方成正比，当定子电压降低时，其电磁转矩会降低很多，所以只适合空载或轻载起动的电机，一般起动转矩应小于额定转矩的50%左右。对于需重载的电机，如球磨机、粉碎机、起重机等，则并不适用。另外由于普通软起动器降压而不降频，在起动过程中由于大的转差率的存在，不可避免地会出现大的起动电流，因而大大地限制了软起动器的使用范围。
上世纪80年代发展起来的变频调速技术，除可控制电机调速运行外，也完美地解决了异步电机的软起动问题。但由于其价格昂贵，对于不需要调速，仅仅为了解决起动问题的设备，使用变频器实现软起动，是非常不经济的，也是一般的工业企业所无法承受的。
为了提高电子式软起动器的起动转矩，降低起动电流，采用了分级交一交变频的方法，利用原软起动器的硬件结构，通过巧妙地控制三相晶闸管的触发顺序，在改变电压的同时也改变交流电的频率，实现了高转矩的V/f控制软起动。频率分级提升:由f/13→f/7→f/4→f/3→f/2→f(50Hz)→并网运行。实现了真正的平滑升频软起动，并且提高了起动转矩，减小了起动电流，更适合于需重载起动的负载。
2 正弦波分频的奥秘
要将三相正弦交流电进行交一交变频，只能实现1/n分频，如f/2、f/3……f/n。方法是通过晶闸管控制交流电的通断，将n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。图2为25Hz和10Hz时的一相电压波形图[2]。
图2 产生单相25Hz和10Hz电压波形图（黑色区域对应的晶闸管导通）
由于频率降低了，周期增大了。原来50Hz正弦波半个周期的时间为10ms，相位角为180°，在分频后的新的频率(周期)中，原半周期的相位角仅为180°/n。如二分频时为90°，三分频时为60°，五分频时为36°。附表为1~20分频时相应的波形参数。
原正弦波各相过零点在新的频率中的相位角分别为:
二分频:负相序平衡
A相 0° 90° 180° 270° 360°
B相 60° 150° 240° 330° 60°
C相 -60° 30° 120° 210° 300°
三分频:不平衡
A相 0° 60° 120° 180° 240° 300° 360°
B相 40° 100° 160° 220° 280° 340° 40°
C相 -40° 20° 80° 140° 200° 260° 320°
四分频:正相序平衡
A相 0° 45° 90° 135° 180° 225° 270° 315° 360°
B相 30° 75° 120° 165° 210° 255° 300° 345° 30°
C相 -30° 15° 60° 105° 150° 195°240° 285° 330°
五分频:负相序平衡
A相 0° 36° 72° 108° 144° 180° 216° 252° 288° 324° 360°
B相 24° 60° 96° 132° 168° 204° 240° 276° 312° 348° 24°
C相 -24° 12° 48° 84° 120° 156° 192° 228° 264° 300° 336°
注:△为可选的负相序分频，☆为可选的正相序分频。
从以上可以看出，有趣的是:分频后的波形随着分频次数呈周期性的变化:
1、4、7、10、13、16、19……分频，正相序平衡;
2、4、8、11、14、17、20……分频，负相序平衡;
3、6、9、12、15、18……分频时相位和幅值均不平衡。
另外，对于正、负相序平衡的分频中，奇数次分频时不仅能做到相位和幅值的平衡，其波形在时间轴上也是平衡的，而偶数次分频则其波形在时间轴上不平衡。图3为四分频和五分频时的波形图，清楚地显示了这一点。
图3 四分频和五分频时的一相电压波形图
所以在选择分频台阶时应尽量选择相位，幅值及时间轴上波形均平衡的分频次数，这在低频段容易实现，如正相序平衡的13分频(3.846Hz)和7分频(7.14Hz)，以及反相序平衡的11分频(4.54Hz)和5分频(10Hz)。但在高频段，由于处于关键频段，则不可避免地要采用不能完全平衡的分频，如4分频(12.5Hz)，或完全不平衡的分频，如3分频(16.67Hz)和正相序2分频(25Hz)就无法避免。这时只能在所有的相位组合中，选出产生正转矩最大的一组来实现分频。二分频共有43=64种相位组合。其中0°、60°、210°组和0°、150°、210°组的正转矩阵最大，波形见图4，电压矢量见图6。
图4 二分频（25Hz）三相电压波形图
（黑色区域对应的晶闸管导通）
图5 三分频（16.67Hz）三相电压波形图
(黑色区域对应的晶闸管导通)
三分频时共有63=216种相位组合。其中0°、100°、260°组和0°、160°、260°组的正转矩最大，其三相电压波形见图5，电压矢量见图7。
3 分频台阶的选择和转矩的控制
3.1 频级选择
根据上述正弦波分频的特点，经综合考虑，在低频段尽量选择正相序平衡的奇数次分频，整个软起动过程分为六级完成:f/13→f/7→f/4→f/3→f/2→50Hz(钭坡升压)。
图6 二分频电压矢量图
图7 三分频电压矢量图
软停车时可按相反的顺序进行。而f/11、f/5、f/2可作为反相低速运行或电磁制动的频率使用，但不能完成反向软起动过程，因为其相序相反，最后不能从f/2过渡到50Hz正相序运行，否则将是比正相序分频更为理想的软起动分频等级。
3.2 转矩控制
交流异步电机在降频运行时，既要考虑有足够的低频转矩，又不能使电机过励磁，引起振动与发热，一般应按V/f成比例的原则来控制，适当提高其低频转矩，让电机以高起动转矩顺利起动，故作如下安排:
f/13—半周期中有2个波头导通，200%额定转矩;
f/7—半周期中有2个波头导通，200%额定转矩;
f/4—半周期中有1个波头导通，100%额定转矩;
f/3—半周期中有1个波头导通，100%额定转矩;
f/2—半周期中有1个波头导通，100%额定转矩;
由于电压、电流不连续，因而转矩是脉动的，考虑到这个因素，实际转矩要小于上述的值，但已比降压软起动提高很多了。
若采用过大的V/f比，则会增加电机的振动与发热，实无此必要。
4 相序识别和触发控制
4.1 相序识别
要对三相正弦电源实现分级交一交变频，首先必须进行相序检测，才能实现正确的触发控制。为了简化电路结构，采用了三相相序和缺相检测的专用IC芯片TC783A，其电路框图见图8。
图8 三相相序和缺相检测电路TC783A逻辑框图
三相电压信号A、B、C经分压电阻网络分别进入电路1、2、3脚，通过对正弦波进行施密特检测了解信号的存在并送入缺相检测电路检测后输出指示。当三相正弦输入正常时，对应A、B、C输入1、2、3脚的输出端12、11、10脚输出为低电平;当某一相没有输入信号时，对应的输出脚上将有高电平。根据缺相检测的结果，在不缺相的情况下相序指示电路将输出相序信号，9脚输出高电平指示正相序，8脚输出高电平则指示反相序。在缺相状态下，8脚、9脚都输出低电平。
4.2 触发控制
基本的三相触发脉冲序列由相位控制电路TC787DS产生，TC787DS是采用先进的IC工艺设计制作的单片集成电路，可产生三相六拍调制脉冲信号，可供三相全控整流、调压的触发脉冲使用，具有功耗小，功能强，输入阻抗高，抗干扰性能好，移相范围宽，外接元件少等优点。其电路框图见图9。
图9 三相触发控制电路TC787DS逻辑框图
TC787DS产生的触发脉冲列经门电路与CPU发出的调制方波信号及分频/工频控制信号组合后, 就能产生交一交分频所需要的触发脉冲控制序列, 见图10、图11所示。
4.3 控制CPU
软起动器采用了16位单片机80C196KC作为控制 CPU，利用其三路PWM输出产生三相调制方波，控制三相六只晶闸管的触发顺序，完成分级交一交变频及移相调压控制功能。同时完成人机联系的键盘和LED显示管理的功能，以及电机在起动和运行过程中的缺相、短路、过流、过载、过热等保护功能。
图10 触发信号组合原理框图
图11 CPU产品的三相调制方波
新型的软起动器保留了传统电子式软起动器的所有功能，具有限流起动，双钭坡电压起动，分级交一交变频高转矩起动三种方式，可由用户根据拖动负载的要求通过键盘进行设定。新型的智能化软起动器具有起动电流小，起动转矩大，起动平滑，运行稳定，控制功能强的特点。
5 实验结果
由于分级交一交变频属于单相半波控制, 由图4、图5的电压波形可以看出，定子电压是不连续的，所以定子电流也是不连续的，转矩也是不连续的、是脉动的。因此电机在运行时会有振动和噪声(低频)，不像变频软起动那样只有调制脉冲的高频噪声，这是有区别的。所以采用分级交一交变频时，电机不宜在低频状态下长期运行，否则电机将产生振动和发热。
用一台15kW的4极电机进行试验。在起动过程中，6级频率依次自动切换，每级持续时间为5~10s，可视拖动负载的需要而定。每次频率切换时，由于同步转速突然增加，使转差率增加，因而电流增大;随着转速的上升，转差率减小，电流也随之减小。由于每个台阶频率增加有限，因而因转差率增大而引起的电流增加是有限的，比起直接起动及降压软起动来，是不可同日而语的。图12为分级变频软起动时的电流、转矩和转速曲线。
图12 分级变频软起动时的电流、转矩和转速曲线
图13 三种起动方式的电磁转矩比较
从图12可以看出，定子电流曲线分为6段，在每一段中，当频率刚刚切换时，由于同步转速突然增大，转差率增大，所以电流立即增大。之后随着转速的增加，转差率逐渐减小，电流也随之减小，最终达到与该段频率相应的稳态。转矩是脉动的，而转速却上升得很平稳。
图13为三种起动方式的起动转矩比较。其中传统软起动的电磁转矩最小，低速时，分级变频起动比软起动的电磁转矩大很多，中速时也比软起动时大。因此，采用分级变频可以明显提高起动转矩。
图14为直接起动，传统软起动和分级变频起动方式的定子电流比较，图中直接起动的电流很大，软起动次之，分级变频起动的电流较小。
图14 三种起动方式的定子电流比较
6 结束语
采用分级交一交变频方法的软起动器，实现了真正的平滑升频软起动，减小了起动冲击和起动电流，提高了起动转矩，可使电机在满负载下平滑起动。由于保留了传统电子式软起动器的硬件结构，只是改变了晶闸管触发脉冲的产生顺序和控制方法，因而不会增加成本支出;而在起动性能上却可大大优于传统的降压软起动器，可实现近似于变频器的软起动性能。因而不能不说是对电子式软起动器的一次革命性的突破，从而可大大扩展电子式软起动器的使用范围和市场份额。
采用分级交一交变频方法的软起动器还可以方便地实现短时低速运行和低速反转制动功能，以便实现准确停车。尤其是对于泵类负载，可以完美地实现如同变频器一样的软停车控制功能，以消除水锤冲击。
参考文献
[1] Antonio Ginart, Rosana Esteller. High starting torgue for AC SCR Controller, IEEE Transactions on Energy Conversion. 1999，14(3).
[2] 佘致延等，基于MATLAB/SIMULINK动态仿真模型的高转矩软起动器研究,电气传动自动化,2003.25(3).
[3] 徐甫荣等，交流异步电动机软起动及优化节能控制技术研究，电源技术应用，2001(10).
作者简介
徐甫荣(1946-) 男 教授级高工 1970年毕业于西安交通大学电机工程系发电厂电力网及电力系统专业。现在国家电力公司热工研究院，主要从事火电厂热工自动化及交直流调速拖动技术的研究工作。
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