第３９卷第３期 ２０１６年６月 电子器件 Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｖ０１．３９ Ｎｏ．３ Ｊｕｎｅ ２０１６ Ｔｈｅ Ｓｏｆｔ Ｓｔａｒｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＤＳＰ ＸＵＸｉｎｑｉ ，ＧＵＯ Ｇｅ （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００５４，Ｃｈｉｎａ ２．ＳｈａａｎｘｉＡｎｋａｎｇＨｙｄｒｏｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ，ＡｎｋａｎｇＳｈａａｎｘｉ ７２５０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｔｏｒｑｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｉｓ ｉｎｖｅｒｓｅｌｙ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｔｏ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｒｆｅｑｕｅｎｃｙ，ｗｉｔｈｏｕｔ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｓｏｆｔ ｓｔａｒｔ ｓｙｓｔｅｍ ＯＮ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ ｃａｎ ｂｅ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｔｏ ｂｅ ｔｕｒｎｅｄ ｏｎ ａｎｄ ｏｆｆ，ｔｈｕｓ ｓｏｍｅ ｈａｌｆ－ｗａｖｅ ｒｆｅｑｕｅｎｃｙ ｉｓ ｇｕｉｄｅｄ ｏｒ ｎｏｔ．Ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｓｔａｔｏｒ ｉｓ ｄｉｓｃｒｅｔｅ，ＳＯ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ｆｔｈｅ ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｗａｖｅ ｃｈａｎｇｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｔｏｒｑｕｅ ｉｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｑｕｅｎｃｙ．ｆ Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ＤＳＰ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ，ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄｅｖｉｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｖａｒｉａｂｌｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｏｆｔ ｓｔａｒｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｖａｒｉａｂｌｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｏｆｔ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｈｅａｖｙ ｌｏａｄ ｓｔａｒｔｉｎｇ ｉｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄｅｖｉｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｈｅａｖｙ—ｌｏａｄ ｓｔａｒｔ；Ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ—ｃｏｎｔｒｏｌ；Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ；Ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ；ＤＳＰ ＥＥＡＣＣ：８３１０Ｅ ｄｏｉ：１０．３９６９０．ｉｓｓｎ．１００５－９４９０．２０１６．０３．０４１ 基于ＤＳＰ的异步电动机离散变频软起动系统 许昕琪ｐ，郭 歌 （１．西安科技大学电气与控制工程学院，西安７１００５４；２．陕西安康水力发电厂，陕西安康７２５０００） 摘 要：针对电机的输出电磁转矩跟供电电源频率成反比，在不改变传统软起动系统主电路结构的基础上，通过有选择地控 制晶闸管的导通和关断，使得一些工频半波导通或是不导通，对加在电机定子端的电压实现离散变频，使得基波频率发生变 化，通过降低电压频率使得输出起动转矩增大。利用ＤＳＰ高速数据处理能力，设计制作了离散变频软起动控制系统的实验装 置，通过仿真试验和实验数据结果，验证了离散变频软起动在重载起动情况下的可行性和实用性。 关键词：重载软起动；离散变频；晶闸管；异步电动机；ＤＳＰ 中图分类号：ＴＭ９２１．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００５—９４９０（２０１６）０３－０７１４－０５ 异步电动机全压起动产生过大的瞬间起动电 导通和关断，选择性的控制工频半波的导通和截 止，因为基波频率只能是工频的整数分之一，所以 称此种方式为离散变频 。 供电电源的频率为５０ Ｈｚ，对此频率进行１／ｎ分 频，ｎ为整数，所以经过分频后，可以成为２分频，３ 分频，４分频……等等，其分频子频率分别对应工频 流，可能导致电网电压降低或是导致电机无法正常 起动，甚至是烧毁电机…。 离散频率控制方法（即分级变频），即是利用软 起动器原有的主回路结构，通过选择性的触发控制 工频电源的半波通过或截止来实现离散变频幢 。离 散变频起动实现类似于变频器的起动效果，这样既 ５０ Ｈｚ的ｌｌｎ。工频供电电源经过２分频、３分频、４ 分频后得到的子频率波形图如图１所示（阴影部分 有效的降低了电机的起动电流，又能提供较高的起 动转矩，适用于重载起动…。 表示在该工频半波控制晶闸管开通，黑色曲线为分 频子频率的基波波形）。由分频原理可知：经过选 择性的控制工频供电电源的半周波的导通或关断， １离散变频的原理分析 １．１离散变频的基本原理 离散变频就是通过调节三相反并联晶闸管的 使得子频率基波频率发生改变，可是它的谐波频率 是原三相工频供电电源的频率。 项目来源：基于多粒度知识发现的人群复杂行为模式分析即预测模型研究项目（６１４０２３６０） 收稿日期：２０１５—０７—２１ 修改日期：２０１５－０８－１５ 第３期 许昕琪，郭歌：基于ＤＳＰ的异步电动机离散变频软起动系统 ７１５ １．２离散变频的相位分析 对于同一波形，由于选择的半波不同，离散变 频后得到的新波形的基波相位也有可能不同 ］。根 据正弦信号的特点，每个工频周期由两个半波组 成，有２个零点，那么ｒ分频后新频率下波形的零相 位点数ｎ￣＝２ｒ。 同理，可以得到其它频率下的不同分频波形和 基波初相位，并可以计算出每一分频下所对应的基 波个数，这些波形互差相等的 ， ，是通过在原始 工频信号相邻的两个零点之间平移得到的。 （ａ）二分频波形图 （ｂ）三分频波形图 （ｃ）四分频波形图 （ｄ）五分频波形图 图１各分频电压波形图 ０，＝３６０ ／ｎ ：１８０。／ｎ。 （１） 设原工频信号的初始相位角为００，则新频率下 波形的相位角 ，为： ，＝０ ｋＯ ＝０，１，２，…，１７， ） （２） 这样对原本对称的三相电压，经过每相离散变 频后，得到新频率下的三相组合由于初始角组合的 不同就有可能不对称，还有可能相序发生了变化…。 表１给出了２分频的组合情况，这里将Ａ相的 初始相位角固定在０。进行分析，可以看到２分频时 没有正序对称的组合。表２给出了３分频的组合 情况。 表１ ｒ＝２时Ｂ、Ｃ相的初始相位（ａ，－－－Ｏ。） １．３对称相序的分析 三相感应电动机的转速及其旋转方向取决于它 的电磁转矩大小和方向。三相工频供电电源的相序 是正序对称的，电机的电磁转矩为正向，对应电机正 转。所以，为了提高电机的起动转矩，首先要先确定 哪些分频频率有正序对称的相位角组合，哪些分频频 率没有对称的相位角组合，对于没有正序对称的组 合，则要找出其正序分量最大且负序分量小的组合。 下面对分频次数与基波相序的关系进行分析 ］。 假设三相交流供电电源是对称的，供电频率ｆｏ＝ ５０ Ｈｚ，角频率为Ｗ。，周期为死，Ａ、Ｂ、ｃ三相供电电 源的电压分别为ｌｔａ．，Ｕ 、 ，则 ：Ｕｏ ｓｉｎ（ｗ。ｔ） ＝ ｎ（ｗｏｔ－ 仃） （３） ：Ｕｏ ｓｉｎ（Ｗｏｔ－号仃） Ａ相初始相位角为０度，Ｂ相和Ｃ相在整个时 域内的相位角分别为： Ｗｈｏ 譬＋２ｋＴｒ （４） Ｗｅ０ ＝竿＋２ｋｃｒ （５） 其中，ｋ为整数。 设变频后新频率Ｗ （ｒｗ ＝ 。）下Ｂ相电压的相位 角为ＯＬ ， 是式（４）过零点中的一个角度，所以当 ：ＯｌＢ时必有 ： ｓｉｎ（ｗ，ｔ—ＯｔＢ）＝０ （６） Ｂ相电压的相位角： ＋２ｋＴｒ Ｂ＝ ＿｝一 （７） 若要产生的分频频率的相序与供电电源相序 相同，即正序对称，则 ２￣ｒ＋２ｋＴｒ。： ＝ 一： ＝ （８） 可解得： ｒ＝３ｋ＋ｌ（ ：１，２，３，…） （９） 分频数为４，７，１０，ｌ３…时，可以获得正序对称 的分频频率。 同时，要产生的分频频率的相序是负序对称 的，可求得： ｒ＝３ｋ－１（ ：１，２，３，…） （１０） 分频数为２，５，８，１１…时，可以获得负序对称的 分频频率 。 对于其它分频数，如３，６，９， １２…，则找 不到对称的相位角组合。 ７１６ 电 子 器件 第３９卷 １．４最佳分频组合及频率等级的选取 离散变换后的三相相位角有正序对称、负序对 称、不对称的情况。为了获得最大的正向电磁转矩， 找到最优的分频频率相位角组合。这里我们采用了 对称分量法将不对称的相序分解为正序对称分量， 负序对称分量，和零序分量。例如对２分频的各种 组合进行对称分量法进行分析，求得２５ Ｈｚ下的最佳 分频方式，即，（０。，一６０。，一２１０。），（０。，一１５０。，一２１０。） 和（０。，一１５０。，一３００。）使得正序分量最大 。 由前面的分析可知，从５０ Ｈｚ工频电源向下离 散分频，所以应该尽可能的选择正序对称的分频频 率，而对于不对称的分频频率来说，应该本着提高 起动转矩和起动平滑性的原则来获得可以产生最 大正序分量的相位角组合 。当分频频率较高时， 各个分频频率间的跨度比较大，如果直接切换，会 产生较大的转矩振荡，例如从４分频直接切换到工 频，就是相当于直接从ｌ２．５ Ｈｚ跨越到了５０ Ｈｚ，这 样就会产生转矩突跳，严重时甚至可以导致起动失 败，损坏电机。所以离散分频频率中的３分频和２ 分频还要保留，这样才能保证起动的平滑性。 １．５频率切换和转速检测 在离散变频软起动系统中，关键是要进行各频段 的切换，而频段切换是根据电机转子转速作为判断依 据的。因此，电机起动时要实时地检测电机转速，过 早或过晚的切换都会造成电机运转的不稳定ｎ］。 离散变频软起动具体过程为：电机从最低离散频 段开始起动，当达到该频段频率额定转速的９０％Ｓ￣， 切换到下一个离散频段，随后，当电机达到该频段频 率额定转速的９０％时再切换到下一频段，按这种方 式使电机逐渐从低频段切换到高频段，然后转换到工 频段。异步电动机在正常运行时突然失去电源电压 后，转子电流在定子绕组中产生感应电压。该感应电 压不会立即减ｄ，Ｎ零，而是保持一段时间，此电压称 为失电残余电压，简称残压 。由于残压中包含了转 速的信息，因此可利用残压来获得电机转速。 经分析，残压表达式为 ］： 一 ＭＡ＝ ’Ｉ，ｒｃ１Ｉ。ｅ 。ｆ厂Ｗ ＋＿— １‘Ｃ１ＯＳ（Ｗ ＋００＋Ａ＋咖）（１１） ， Ｒ、ｕｒ依次滞后／／，４ １２０。。 式中：咖：ａｒｃｔａｎ（－Ｔ￣ｗ ）。即其相位角设为 。＝ 加 ｔ＋００＋Ａ＋（ｆ＇。 由残压解析式（９）可知，残压幅值是由转子转速 和转子电流共同决定；残压频率由转子转速决定。 针对恒转矩负载，其在断电后的转子转速按 Ｗ ＝ ｍ＋ｋｔ线性下降的，将Ｗ，＝ ＋ｋｔ代人到相位 角的咖 的表达式中可得： ０＝ ＋Ｗｒ０ｔ＋００＋Ａ＋ （１２） 并让咖 的表达式对时间 求导可得： ０ ２ｋｔ＋ ｒ０ （１３） 由于 ＝ａｒｃｔａｎ（一Ｔｒｗ，）求导后对整体导数的结 果影响不大，故将此部分忽略。 也可以表示为 ０，－Ｂｔ＋Ａ 式中：Ｂ：２ｋ、Ａ＝ ｍ由此可得，相位角的导数咖。 是随时间线性变化的，且其线性变化律Ｂ＝２ｋ（ｋ为 转子转速的线性变化率），因此，若可求得Ａ、Ｂ，就可 得知 ＝Ｗ ＋ｋｔ的具体表达式，进而可适时的估算 转子转速。 在电动机的定子端采同步采样其三相失电残 压，将等间隔采样来的 组数据经Ｃｌａｒｋ变换，即 （： ｉ１ … （ 、 分别为定子静止坐标系的横轴、纵轴分量）， ＂－１／２＝ ￣Ｊ。 ２ｕ 、 合成的空间矢量的相位角为 ：ａｒｃｔａｎ ， 将所求得的 作为目标函数，然后对这组数据运用 最小二乘法进行线性拟合，可求得系数Ａ和 的估 计值 ］。 ２系统的总体结构 电动机离散变频软起动控制系统的结构框图 如图２所示，附以外围检测电路、脉冲触发电路等 完成电动机的离散变频软起动控制ｎ 。 图２系统的结构框图 下面分别具体介绍关键部分的设计： （１）续流角检测 晶闸管的电流过零点与同步 电 子 器件 第３９卷 文献： 刘磊．基于离散变频的电机软起动及节能控制器研究及实现 ［Ｄ］．天津：天津大学，２０１１． 李冬辉，马跃贤，王波．离散变频软起动转速检测的新方法及 其应用［Ｊ］．电气传动，２００７，３７（１１）：１４—１７ 王波．基于ＤＳＰ的电动机离散变频软起动综合应用系统研究 ［Ｄ］．天津：天津大学，２００７． 周玲玲，苏彦民，常瑞．异步电动机变频软起动器的研究与实 现［Ｊ］．机床电器，２００４（３）：５～７． 王毅．基于ＤＳＰ的三相异步电动机软起动控制器［Ｊ］．中小电 机，２００Ｉ，２８（６）：３４－３６． 刘庆利．三相异步电动机离散变频软起动的研究［Ｄ］．天津： 天津大学，２００５． 王玉峰，马广程，王常虹．晶闸管控制感应电机起动过程中振 许昕琪（１９８９一），女，汉族，江苏无锡人， 助理工程师，硕士学位，现工作于西安 科技大学，研究方向为微电子、电力电 子方向，ｘｕｘｑ０２０８＠１６３．ｔｏｍ； 荡现象研究［Ｊ］．中国电机工程学报，２００２，６（３）：８６—９０． ［８］高吉增，杨玉磊，崔学深．感应电动机失电残压的研究及其对 重合过程的影响［Ｊ］．电力系统保护与控制，２００９，３７（４）：４５—４８． ［９］胡晓东，郭歌．基于失电残压的异步电动机转速估算方法研究 ［Ｊ］．微电机，２０１５，４８（４）：３０—３３． ［１Ｏ］王兆安，黄俊．电力电子技术［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２０００． ［１１］兰志杰，张昌凡，陈颖，等．基于分级变频的重载软起动系统 ［Ｊ］．电机与控制应用，２００７，３４（３）：５０－５３． ［１２］王栋，刘利．一种基于单片机的相序检测及电机缺相保护方法 ［Ｊ］．电机与控制应用，２００６，３３（９）：５０－５２． ［１３］Ｈｕ Ｈｏｎｇｍｉｎｇ，Ｍａｏ Ｃｈｅｎｇｘｉｏｎｇ，Ｌｕ Ｊｉｍｉｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｔｈｅ Ｔｏｒｑｕｅ Ｏｓ－ ｃｉｌｌａｔｉｏｎ Ｓｔｕｄｙ ｉｎ ｔｈｅ Ｍｏｔｏｒ Ｓｏｆｔ Ｓｔａｒｔｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｗｉｔｈ Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｅｔｈｏｄ［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ １ １ ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａ－ ｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｍａｃｈｉｎｅｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ．ＩＣＥＭＳ ２００８：１６８６－】６９０． 郭歌（１９８８一），男，汉族，陕西周至人， 助理工程师，硕士学位，现工作于陕西 安康水力发电厂，研究方向为电力电子 与电力传动，ｇｕｏｇｅ００３６＠１６３．ｃｏｒｎ。
