1 引言 

三相交流電動機從發明以來，經歷了100多年的歷程，在這漫長的歲月里，它為奠定與發展這項經典的傳動技術樹立了豐碑，。又由于其具有結構簡單、運行可靠、維護方便、價格低廉，而廣泛作用于電力拖動生產機械的動力，在機械、化工、紡織和石化等行業有大量的應用。然而，電動機的起動特性卻一直舉步維艱。這是因為電動機在恒壓下直接起動，其起動電流約為額定電流的4-7倍，其轉速要在很短時間內從零升至額定轉速，會在起動過程中產生沖擊，很容易使電力拖動對象的傳動機構等造成嚴重磨損甚至損壞。在起動瞬間大電流的沖擊下，將引起電網電壓降低，影響到電網內其它設備的正常運行。同時由于電壓降低，電動機本身起動也難以完成，造成電機堵轉，嚴重時，可能燒壞電動機。因而如何減少異步電動機起動瞬間的大電流的沖擊，是電動機運行中的首要問題。為此必須設法改善電動機的起動方法，使達到電動機的平滑無沖擊的起動，于是各種限流起動方法也就應運而生。 

2 傳統的起動方法 

2.1 定子串電抗器起動 
對于鼠籠式異步電機一般采用定子回路串電抗器分級起動，繞線式異步電機則采用轉子回路串電抗器起動。定子邊串電抗器起動，即增加定子邊電抗值，可理解為降低定子實際所加電壓，其目的是減少起動電流。此起動方式屬降壓起動，缺點是起動轉矩隨定子電壓的降低而成平方關系下降，外串電阻中有較大的功率損耗。又由于是分級起動，起動特性不平滑。 
2.2 星-三角起動 
起動時定子繞組星形連接，起動后三角形連接。在電動機繞組星形連接時，電動機電流僅為三角形連接的1/3，遺憾的是電動機的轉矩也同樣降低到三角形接線時的1/3，為了使電動機在額定轉速時達到它的額定轉矩，在經歷了預先設定的時間后，又從星形接線轉換到三角形接線，在轉換過程中會出現二次沖擊電流。 
2.3 自耦變壓器起動 
當電動機起動時，電動機的定子通過自耦變壓器接到三相電源上。當電機轉速升高到一定值時，自耦變壓器被切除，電動機定子直接接到電源上，電動機進入正常運行狀態。同直接起動時相比，當電壓降到W2/W1倍時，起動電流和起動轉矩降到(W2/W1)2倍(W2/W1為自耦變壓器的變比)。這種起動方式的優點是起動時定子電壓的大小可調。比起定子串電抗起動，當限定的起動電流相同時，起動轉矩損失較少。要使變壓器的容量和耐壓水平提高，將使得變壓器的體積增大，成本高，且不允許頻繁起動，同樣也不能帶重負載起動。 
.4 頻敏變阻器起動 
對于繞線式異步電機來說，如果僅僅是為了限制起動電流、增大起動轉矩，則一般采用轉子回路串頻敏變阻器起動方式。但此起動方式在頻繁起動下，易發生溫升，且結構復雜，不常用。 
由此可知上述幾種起動方式的共同特點是控制電路簡單，起動轉矩基本固定不可調，起動中都存在二次沖擊電流，對負載機械有沖擊轉矩，且受電網電壓波動的影響，一旦出現電網電壓下降，會造成電機堵轉，起動困難，且上述幾種起動方法，在停機時都是瞬間停機，遇到負載較重時會造成劇烈的機械沖擊。 

3 軟起動 

所謂軟起動是指裝置輸出電壓按一定規律上升，使被控電動機的電壓由零升到全電壓，轉速相應的由零平滑加速到額定轉速的過程。它是電力電子技術與自動化控制技術的綜合，是將強電和弱電結合起來的控制技術。在軟起動器中三相電源與被控電機之間串入三相反并聯晶閘管，采用反并聯接線的晶閘管接在電動機的每相，利用晶閘管移相控制原理，控制其內部晶閘管的導通角，電動機起動時，用調節6個晶閘管的不完全導通來控制電動機的供電電源。換言之，起動時只有三相正弦波形的一部分向電動機供電。 
軟起動的優點是起動特性曲線好，使晶閘管的導通角從零度開始，逐漸前移，電機的端電壓從零開始逐漸上升，直至達到額定電壓，起動電流從零線性上升至設定值，從而滿足起動轉矩的要求，保證起成功。表1為軟起動同傳統起動對照表。 #p#分頁標題#e#

4 重載起動方式(交-交變頻起動) 

4.1 交-交變頻工作原理 
盡管軟起動具有起動平滑，起動時間等參數可調的特性，具有傳統起動方法無法比擬的優越性，是傳統降壓起動器的理想換代產品。但可控硅調壓方式的軟起動器控制感應電動機，在減小電壓的同時，供電頻率仍為工頻，使得其功率因數低，無功功率增加，這決定了其只能應用于輕載場合，對于重載起動就勉為其難了。然而在很多場合下，不能保證負載為輕載起動，如球磨機、破碎機、空氣壓縮機、風機等，這就使得我們想在降低電壓的同時，能夠減小供電電壓頻率，即保持V/F不變，保證恒力矩起動，因而變頻器變頻起動無疑是最好的起動設備，但如果把變頻器僅作起動，不調速，資金浪費很大，特別是高壓大容量的通用變頻器價格就更為昂貴，且感應電動機的重載起動只是短時間的過程，故尋求一種感應電機的重載安全起動方法是很有必要的。縱上述幾種起動方式可得出采用交-交變頻器來實現重載起動。因為交-交變頻沒有中間直流環節，僅用一次變換就實現了變頻，所以效率較高，而且大功率交流電機調速系統所用的變頻器也主要是交-交變頻來完成的。

交-交變頻的工作原理是讓兩組交流電路按一定頻率交替工作，就可以給負載輸出該頻率的交流電。改變兩組變流電路的切換頻率，就可以改變輸出頻率;改變變流電路工作時的控制角α，就可以改變交流輸出電壓的幅值。 
如果讓α角不是固定值，在半個周期內讓正組變流電路P的α角按正弦規律從900逐漸減小到00，然后在逐漸增大到900。那么，正組整流電路在每個控制間隔內的平均輸出電壓按正弦規律從零逐漸增至最大，在逐漸減小到零。在另外半個周期內，對負組變流器N進行同樣的控制，就可以得到接近正弦波的輸出電壓。和可控硅整流電路(軟起動)一樣，交-交變頻電路也屬于電網換相。 
4.2 整流與逆變工作狀態 
假設負載的功率因數角為Φ，即輸出電流滯后輸出電壓Φ角。另外兩組交流電路在工作時無環流工作方式，即一組交流電路工作時，將另一組變流電路的脈沖封鎖。下圖給出了一個周期內負載電壓、電流波形。 
從圖3中可以看出，那組變流電路工作是由輸出電流的方向決定的，與輸出電壓極性無關。變流電路是工作在整流狀態還是逆變狀態，則是由輸出電壓方向和輸出電流方向的異同決定的。 
4.3 輸出正弦波電壓的調制方法 
使交-交變頻電路的輸出電壓波形為正弦波的調制方法有多種，這里介紹廣泛采用的余弦交點法。 
晶閘管變流電路的輸出電壓為 
(1) 
式中，Ud0為α=0時的理想空載整流電壓。對交-交變頻電路來說，每次控制時α角是不同的，式(1)中的U0表示每次控制間隔內輸出電壓的平均值。 
設要得到的正弦波輸出電壓為 
(2) 
則比較式(1)和式(2)可得(3) 
(3) 
式中γ稱為輸出電壓比， 
因此 (4) 
上式就是用余弦交點法求變流電路α角的基本公式。 
式(4)可以用模擬電路來實現，但線路復雜，且不易實現準確的控制，所以采用微機來實現上述運算。可把事先計算好的數據存入存儲器中，運行時按照所存的數據進行實時控制。為了用計算機實現實時控制，必須具備三相低頻信號、同步信號、零電流檢測三個基本條件。 
4.4 三相低頻信號的產生原理 
用計算機產生三相低頻信號，必須首先將要產生的低頻信號進行數字化。這不僅在幅值上數字化，在時間上也要數字化。在時間上，以一度為單位(分辨率已經足夠)，將低頻信號的一個周期分成360等份。根據需要的頻率求出低頻信號一度的時間，以次作為定時時間，這樣每隔一度，便輸出一次低頻信號的對應值，每360循環一次，構成低頻的周期。其它兩相輸出和上面一樣，只是輸出的對應數值不一樣，正好相差120、240度。這樣就構成了互差1200的低頻信號。由于準梯形波具有較高的基波幅值，因此這里采用它作為低頻參考信號，它是限幅的正弦波，當等于600時就已經到達了最大值。其目的是提高直流電壓的利用率。 #p#分頁標題#e#
下面以準梯形波為例來說明三相低頻信號實現的具體方法。 
a. 建立一個準梯形波波形的表格，表格的大小為360個數據，這些數據分別以1度為間隔的準梯形波波形數據。表格存放在表首地址為TABLE的內存中，第一個數據為1度時對應的波形數據，最后一個為360度對應的波形數據。表格的數據是按比例得到的。 
b. 設一計數指針COUN，初始化時，使COUN=0，并起動定時器。在定時時間到達之后，計數指針COUN增1，同時取出表中的數據(對應內存地址為TABLE+COUN)輸出。當計數指針COUN=360時，使COUN復位為0，便完成了本周期的數據輸出，為下一周期做準備。這樣周而復始不斷的取數輸出，就產生了低頻數字信號。 
c. 其它兩相低頻信號分別滯后120、240度的同樣波形，可以完全使用同樣的表格。 
d. 為了得到復值可變的低頻信號，在低頻數字信號輸出之前，應乘以調制系數，調制系數的范圍是0~1。 
e. 1度對應的時間是由所需輸出頻率決定的，將其轉換為定時時間常數后，存放于TIME的單元中，它就是控制交-交變頻器輸出頻率的變量。 
4.5 同步信號電路 
采用微機定時方式進行交-交變頻的移相控制時，需要給微機提供各晶閘管控制角起時定時時刻的方波信號，使移相控制裝置向晶閘管發出的觸發脈沖信號在電源電壓的每個周期內均能重復出現。因此，這一方波信號的頻率應與電源頻率相同。所以，一般將此方波信號稱為同步信號。此外，同步信號的另一作用是微機利用它的狀態來進行判相定管，決定是某相的上管或下管工作與否。 
取A相電壓經同步變壓器降壓后，進入RC移相電路形成滯后30度的正弦電壓，由三級管將正弦波形成方波，再經光電隔離、反相及輸出電路，在輸出端得到同步脈沖信號。 

4.6 零電流檢測電路 
不論是電壓型還是電流型控制的無環流交-交變頻器，正反組變流器的換向都必須處于零電流狀態，此時兩組變流器的觸發脈沖都被封鎖。因此，實際的零電流一定要準確可靠的檢測出來，這關系到換相的死區長短，以及換相的可靠性。 
檢測方法 檢測負載電流的方法常用的有兩種：LEM電流傳感器和檢測和晶閘管端電壓法。用LEM電流傳感器檢測負載電流，可將主電路與控制電路完全隔離，且檢測電路結構簡單。但由于換相等原因，負載電流含有豐富的電流諧波，給電流檢測、尤其是過零點檢測帶來了一定困難。LEM傳感器輸出信號經濾波、整形后，會產生偽過零點，使控制系統出現誤動作。由于晶閘管導通時其端電壓為管壓降，近似等于零，而阻斷時端電壓等于其所接交流電壓(電網線電壓或相電壓)。同時檢測變頻器主電路中每一相上的六個晶閘管，如有一管導通說明此相有電流。如六管全關斷則說明此相無電流，也就是電流過零點。這種方法直接檢測零電流，不需要對電流波形進行整形，其輸出信號完全對應著電流波形中的零電流，使檢測電路更加準確、可靠。圖4為零電流檢測電路。 

5 出現的問題及解決方法 

交-交變頻電路的輸出電壓是由若干段電網電壓拼接而成的。當輸出頻率升高時，輸出電壓一個周期內電網電壓的段數就減少，所含諧波分量就要增加。這種輸出電壓的波形畸變是限制輸出頻率提高的主要因數之一。所以最高輸出頻率不高于電網頻率的1/3-1/2。但由于我們主要用于起動，一旦速度達到了1/3全速，可以控制相應的晶閘管，使它們切換到軟起動，軟起動方式仍由本裝置實現。在軟起動的作用下完成起動結束。因為此時電壓相對較小，切換的過程中，不會有很大的沖擊電流。 
由于采用無環流控制方式，有換流死區，所以輸出波形有一點畸變。可以采用快速的，比較好的零電流檢測方法來減小死區時間。 

6 結束語 

傳統起動方式將逐漸被可控硅軟起動所取代，然而軟起動卻不能很好解決感應電機的重載起動，因而給出了一種實用的交-交變頻起動方式來解決這個問題。由于目前采用交-交變頻技術成本相對過高，同時由于國內的研究開發相對滯后，致使該技術還主要限于大型礦井的關鍵設備。但隨著這一技術相對成本的不斷降低，人們節能意識的不斷深入，該技術在礦井中的應用必將迎來一個全新的時期，同時在應用范圍上也將擴大，并有待開發和完善。#p#分頁標題#e#