引 言
21 世纪是科技飞速发展的时代，人类的生产和生活也因科技的发展发生了翻天覆地的变化，其中异步电动机的发展为推动工业现代化做出了积极的贡献。目前，三相异步电动机在社会生产和生活中的应用已经越来越广泛，并逐渐深入到各个领域和行业，尤其是在机械工程等领域中有着极其广泛的应用。三相异步电机虽然应用广泛，但其起动问题一直都是人们所研究的热点。传统的异步电动机软起动方式是通过降低端电压来达到减小起动电流的目的，这种方法虽然解决了电动机直接起动时电流过大、传统减压不平滑等问题，但由《电机学》中的知识可知，电动机输出转矩与端电压的平方成正比，因此，在降低端电压的同时电动机的起动转矩也会大大降低。20 世纪 80 年代，随着科学技术的不断发展，电力电子技术如雨后春笋般发展起来，并逐渐应用到各行各业中来，尤其是近年来在异步电机软启动方面应用的越来越广泛。因此，本文在原有的离散变频原理基础上，应用现代电子技术对调压电路、保护电路等进行了进一步研究，提出了一种改进的异步电动机分级离散变频软起动方式。
作为一种新型的电动机启动方式，离散变频软起动器采用分级离散变频软启动方式，主调压电路采用 3 组反向并联的晶闸管，也就是主电路结构延续了传统电子式软起动器中的应用，与之不同的是，其在保证预算成本不增长的前提下，通过改变传统软起动器的晶闸管触发策略，基本达到跟变频器一致的功能，有效地实现了对离散变频软起动器应用范围的扩大，使其在某些需要重载起动或满载起动的场合更为适用，为在各个行业中离散变频软起动器的应用分布。
分级离散变频原理
对起动过程中的定子端电压幅值和频率进行控制，使其同时发生变化，即同时降低电压和频率，从而相应的提高电动机的起动转矩，这就是离散变频软起动。而在频率降低的过程中，没有经过整流和逆变，只能分级将电压频率提升至工频，变换过程不连续。用离散变频的方法所形成的分频电压的频率是工频的整数分之一，即 50Hz /n，其中 n 为正整数。
通过有选择的触发晶闸管，达到工频电压的正半波导通或负半波部分导通或全部导通的目的，然后对三相电源的正弦量按照要求斩波，从而形成新的某一频率的电压波形，这就是离散变频。，晶闸管导通用阴影部分表示，晶闸管关断用空白部分表示，由图 1 可以看出，工频电压在每两个周期内仅有一个正半波和一个负半波导通，即新产生的电压波形的周期无工频电压周期的两倍，频率则为其二分之一，也就是产生一个25 Hz 的电压波形。每一个分频电压都有一个触发策略相对应，若要形成一套完整的异步电机离散变频软起动的方法，可把各分频电压连续起来，并依次进行触发。离散变频软起动并不只是简单的对上下半波导通，还有实现增大起动转矩，减小起动电流的目的。在起动过程中，还需对三相电源的以下各情况进行分析: 分频相序、初相角组合、分频次序、触发角的选取以及高次谐波的影响等。
分频电压最优相位角组合
由于分频以后的电压中会含有不对称分量，而不对称分量中又包含了正序、负序和零序，因此电动机要想获得正向或反向最大转矩，我们必须将其中的正序分量和负序分量都做极端化处理，使得他们其中一个值最大化，另外一个值最小化，处理方法通常是采用对称分量法，通过选取最优的相位角来获得最大转矩。对称分量法是在叠加原理的基础上发展而来的，应用对称分量法可以将一组三相不对称的分量分解成 3 组独立且对称的分量，即正序、负序和零序分量。其中正序和负序分量各相大小相等，相位角互差 120°，零序分量各相大小相等，方向相同。若有一组 r 分频的三相不对称电压，设其有效值为 UNA、UNB、UNC，初相位为 0°、－ α°、－ β°，角频率为 ω。
离散频段的选取
离散变频的目的是通过降低机端电压和电源频率，以此来提高电动机起动转矩。单从原理上分析，可以实现对工频电压的任意整数次分频，且频率越小起动转矩越大，但在实际中，电动机都有极限频率，当频率小于该极限值时，电动机则无法正常起动，因此不能无限地降低电源频率。离散变频在该方式下起动时，电动机先从最低分频 10 分频起动，起动一段时间后，通过改变晶闸管的触发策略，切换到下一分频起动，如此循环往复直至工频。为了保证频率切换时的平稳性，每个频率运行的时间应该为该频率运行周期的整数倍。在各个频率起动时，需要维持压频比恒定，而且各个分频的起动时间对电机的正常运行也很关键，正序分量对提高电动机的转速有利，起动时间稍长，负序分量和不对称分量对电动机不利，起动时间稍短。
分级离散变频软启动仿真
前面我们对离散变频软起动的各项参数进行了理论分析，本部分将在理论分析的基础上，利用MATLAB / SIMULINK 工具箱，对三相异步电机的利用上述模型对电路进行仿真，图 5 为电机直接起动时的仿真波形。由以上仿真结果可以看出，电动机在直接起动时，定子电流可以瞬间达到100 A，约为额定电流的 10 倍，而定子电流最大有效值约为 62 A。在 0 ～ 1 s 内，电动机转速快速上升，最终大约稳定在 700 r /min，而电动机的转矩脉动较大，波动范围为 0 ～ 800 N·m，电动机的起动过程约在 0. 9 s 时结束，之后进入稳定运行状态。
综上所述，离散变频软起动可以有效地降低电动机的起动电流，大幅提高起动转矩，通过仿真验证了离散变频理论在提高电动机起动转矩方面正确性和优越性。但同时也可看到其仍有不足之处，如离散变频后的电压和电流为离散的非正弦量，因而会包含大量的谐波分量; 其次，在离散变频起动过程中，电动机的起动电流和转矩波动较大，起动过程并不平稳，这是以后继续研究和改进的重点。
结论
本文在原有的离散变频原理基础上，通过分析其原理及分频电压最优相位角组合、离散频段的选取等，对调压主电路和保护电路进行了进一步研究，提出了一种改进的异步电机分级离散变频软起动方式。利用 MATLAB 仿真软件搭建离散变频软起动模型，并将仿真结果与几种传统的软起动仿真结果作对比，验证了分级离散变频软起动不仅能有效的减小起动电流，还能提高起动转矩。最后通过实验，验证了本文理论分析与仿真的正确性。
