感應(yīng)電動機(jī)繞組與晶閘管角內(nèi)接方式的軟起動過渡過程分析及其控制

徐廣源，彭 濤

（國家電網(wǎng)銅陵供電公司，安徽 銅陵　244000）

感應(yīng)電動機(jī)繞組與晶閘管角內(nèi)接方式的軟起動過渡過程分析及其控制

徐廣源，彭 濤

（國家電網(wǎng)銅陵供電公司，安徽 銅陵244000）

摘要：該文分析了三相交流調(diào)壓電路在晶閘管與繞組內(nèi)部角接電路結(jié)構(gòu)下的系統(tǒng)工作狀態(tài)，建立了各種工作狀態(tài)對應(yīng)的電機(jī)數(shù)學(xué)模型，總結(jié)了角內(nèi)接模式與傳統(tǒng)的星接和角外接模式的軟起動過渡過程之間的異同點(diǎn)，并針對角內(nèi)接模式進(jìn)行了軟起動控制試驗(yàn).

關(guān)鍵詞：感應(yīng)電動機(jī)；軟起動；角內(nèi)接

三相感應(yīng)電動機(jī)在全壓起動時(shí)會產(chǎn)生很大的沖擊電流，一般為額定電流的4-7倍，特別是對于大中型電動機(jī)來說，起動過程的沖擊電流容易使得電網(wǎng)電壓大幅下降，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)中其它負(fù)載的正常工作.對于小型電動機(jī)來說，有的場合需要頻繁啟、停電動機(jī)，這樣頻繁起動和停機(jī)產(chǎn)生的沖擊電流使得電機(jī)的繞組因過熱而加速絕緣老化，縮短電動機(jī)的使用壽命.隨著電力電子技術(shù)和控制理論的快速發(fā)展，異步電動機(jī)的軟起動控制方法研究取得了長足的進(jìn)步，并且已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的效果，其中應(yīng)用較為普遍的是基于晶閘管交流調(diào)壓電路的軟起動方式.雖然，變頻器軟起動器能獲得比較理想的起動性能，但是對于一些無需調(diào)速的電動機(jī)來說并不適用，而且其成本較高，從而限制了它的推廣.

圖1　繞組和晶閘管星型接法

圖2　繞組和晶閘管角外接

圖3　繞組和晶閘管角內(nèi)接

一直以來，人們研究和應(yīng)用比較普遍的是將雙向晶閘管或一對反并聯(lián)晶閘管在電源側(cè)外接串聯(lián)于電動機(jī)繞組上的調(diào)壓電路，分別如圖1和圖2所示，包含繞組內(nèi)部星型接法和電機(jī)繞組內(nèi)部角接兩種方式.而對于如圖3所示的電路，將晶閘管直接與電機(jī)每相繞組串聯(lián)后再角型接法，稱之為角內(nèi)接方式，很少有人對其軟起動的控制方法和軟起動過程進(jìn)行過研究［1］.本文正是針對這種角內(nèi)接的調(diào)壓電路，就其軟起動過程中的各種工作狀態(tài)和特點(diǎn)進(jìn)行分析，并且結(jié)合各種軟起動控制方法對其軟起動的具體控制進(jìn)行研究和試驗(yàn).

1　角內(nèi)接軟起動控制系統(tǒng)原理分析

對于如圖3所示的角內(nèi)接軟起動電路，為了便于分析，我們假定：

（1）電源為三相對稱的正弦電壓源，電源的內(nèi)阻抗為零；

（2）6個(gè)晶閘管具有相同的特性，對稱觸發(fā)，關(guān)斷狀態(tài)時(shí)其阻抗為無窮大，導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)其阻抗為零；

（3）電機(jī)的參數(shù)全部為常數(shù)，忽略磁飽和；

（4）穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速為常數(shù)；

（5）異步電機(jī)為理想電機(jī)，其定轉(zhuǎn)子繞組在空間產(chǎn)生正弦分布的磁動勢，轉(zhuǎn)子繞組星接.

1.1角內(nèi)接軟起動控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)

對于電機(jī)繞組星接的方式，如圖1所示，只存在5種工作狀態(tài)［2］：

①三相電源同時(shí)導(dǎo)通，定子電流ia，ib，ic的瞬時(shí)值同時(shí)都不等于零；

②a相的電源關(guān)斷，ia的瞬時(shí)值為零；

③b相的電源關(guān)斷，ib的瞬時(shí)值為零；

④c相的電源關(guān)斷，ic的瞬時(shí)值為零；

⑤三相電源同時(shí)關(guān)斷，ia=ib=ic=0，由于這兩種接法必須至少兩相同時(shí)導(dǎo)通時(shí)才能形成回路，故任意兩相電源關(guān)斷時(shí)與三相電源同時(shí)關(guān)斷的結(jié)果一致.

但是，對于角內(nèi)接的連接方式而言，由于三相繞組與晶閘管一一串聯(lián)形成角內(nèi)接，其中任意一相晶閘管導(dǎo)通都可以與電源形成回路，在線路中產(chǎn)生電流.所以相對于前面所述的兩種方式而言，其工作狀態(tài)又增加了3種：

⑥a和b相同時(shí)關(guān)斷，ia=ib=0；

⑦a和c相同時(shí)關(guān)斷，ia=ic=0；

⑧b和c相同時(shí)關(guān)斷，ib=ic=0。

圖4　導(dǎo)通角決定的相電流波形

對于三相角內(nèi)接電機(jī)，只存在有晶閘管導(dǎo)通角決定的三種運(yùn)行情況：

（1）導(dǎo)通角：0＜θ＜60o，如圖4（a）所示，這種情況下，異步電機(jī)定子繞組或者只有一相導(dǎo)通電源，或者三相同時(shí)關(guān)斷，其線電流是斷續(xù)的；

（2）導(dǎo)通角：60o＜θ＜120o，如圖4（b）所示，這種情況下，異步電機(jī)定子繞組或者兩相同時(shí)，或者只有一相單獨(dú)導(dǎo)通電源，其線電流是連續(xù)的；

（3）導(dǎo)通角：120o＜θ＜180o，如圖4（c）所示，這種情況下，異步電機(jī)定子繞組或者三相或者兩相同時(shí)導(dǎo)通電源，其線電流是連續(xù)的.

對于角外接方式來說，情況又不一樣，由于三相繞組互相角接，晶閘管接在繞組外部，當(dāng)線電流中有兩相電流流過時(shí)，定子三相繞組中都有相電流流過，對于線電流來說，其具有與星接模式時(shí)相同的工作狀態(tài)，對于相電流來說，只存在三相電流同時(shí)不為零和同時(shí)為零這兩種狀態(tài).

圖5　異步電機(jī)α、β、0軸等效電路

1.2角內(nèi)接模式下電機(jī)模型

在圖1所示的電路中，傳統(tǒng)的電機(jī)模型采用相電壓作為輸入量，三相線電流之和接近于零，故在線電流中不存在零序電流.然而，對于角內(nèi)接的模式，其數(shù)學(xué)模型采用線電壓作為輸入量，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，三相繞組中的每相電流均是獨(dú)立的，三相相電流之和不時(shí)刻為零，即在某些狀態(tài)時(shí)三相相電流中存在零軸電流分量，但是由于繞組的對稱性，零軸分量并不在線電流中出現(xiàn)［1］.圖5為電機(jī)繞組和晶閘管角內(nèi)接的情況下以α、β、0坐標(biāo)系為參考的等效電路，假定α軸與a向繞組軸線重合，β軸在空間上超前α軸弧度，圖5（c）是0軸分量的等效電路，其定、轉(zhuǎn)子等效電路之間并無耦合關(guān)系.定轉(zhuǎn)子各量的矩陣方程如下：

異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為：

其中，Uαs、Uβs、U0s和iαs、iβs、i0s分別為α、β、0軸的電壓和電流，i`αr、i`βr為折算到α、β軸后的轉(zhuǎn)子相電流，Lls為定子漏電感，L`lr為折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子漏電感，Lm為定轉(zhuǎn)子互感，且 Lss=Lm+Lls，L`rr=Lm+L`lr，ωr為轉(zhuǎn)子的電角速度，p為微分算子。

（1）式可以簡化為：

因?yàn)楫惒诫姍C(jī)轉(zhuǎn)子一般均短接，所以一般均有Uαr=Uβr=0，由于零軸電流所產(chǎn)生的氣隙合成磁場為零，僅產(chǎn)生與電樞繞組交鏈的漏磁場，因而不參與電磁功率的轉(zhuǎn)換，所以角內(nèi)接時(shí)每相繞組中流動的零序電流并不產(chǎn)生任何電磁轉(zhuǎn)矩［3］，如式（2）所示。對于2.1中所述的八種工作狀態(tài)，根據(jù)晶閘管的觸發(fā)和關(guān)斷狀態(tài)的約束條件，以及電壓電源和Uαs、Uβs之間的關(guān)系，即可計(jì)算角異步電機(jī)繞組與晶閘管串聯(lián)角內(nèi)接方式的軟起動過渡過程［2］.

1.3系統(tǒng)狀態(tài)方程分析

在角內(nèi)接模式下，對于狀態(tài)①，由于三相繞組電流瞬時(shí)值都不等于零，系統(tǒng)狀態(tài)方程此時(shí)與式（1）相同，此時(shí)由于電源和繞組的對稱，相電流和線電流中均沒有零軸分量產(chǎn)生.

對于狀態(tài)②，a相電源關(guān)斷，a相定子電流的瞬時(shí)值為零，a相晶閘管進(jìn)入阻斷狀態(tài)，此時(shí)的電路結(jié)構(gòu)可以簡單等效為圖（6）所示的電路.根據(jù)電路基本原理分析可知，定子相電流ia=0，ib和ic幅值相等，相位相差120o，故零軸電流.由于采取的α、β、0坐標(biāo)系，α軸與a相繞組軸線重合，故有：ia=iαs+i0s=0。此時(shí)定子a相的電壓是定子α軸和0軸電壓之和，即Ua=Uαs+U0s=p（Lmi`α r-Lssi0）s.不計(jì)零軸分量時(shí)，對應(yīng)于狀態(tài)②的定轉(zhuǎn)子各量矩陣方程為：

其中

對于狀態(tài)⑤，由于導(dǎo)通角很小，所以出現(xiàn)了三相繞組的電流同時(shí)為零的情況.這段時(shí)間內(nèi)，由于電流在短路的轉(zhuǎn)子繞組中繼續(xù)流動，所以通過互感作用，還會在定子繞組中出現(xiàn)感應(yīng)電壓，由式（1）得：iα s=iβs=0，Uα s=pLmi`αr，Uβs=pLmi`β r［2］.此時(shí)相電流中沒有零軸分量。對應(yīng)于狀態(tài)⑤的定轉(zhuǎn)子各量矩陣方程為：

其中

圖6　角內(nèi)接在狀態(tài)②時(shí)的等效電路

對于狀態(tài)⑧，b相和c相的定子電流同時(shí)為零，故此時(shí)iβs=0，Uβs=pLmi`β r，此時(shí)相電流中有零軸分量，i0s=is/3.對應(yīng)于狀態(tài)⑧的定轉(zhuǎn)子各量的矩陣方程為：

其中

由于狀態(tài)③④與狀態(tài)②相似，狀態(tài)⑥⑦與狀態(tài)⑧相似，其狀態(tài)對應(yīng)的定轉(zhuǎn)子各量矩陣方程可以通過類似的方法分析出來.通過分析，發(fā)現(xiàn)在軟起動過程中由于電源出現(xiàn)不對稱的情況導(dǎo)致電機(jī)的定轉(zhuǎn)子各量矩陣方程中的電感矩陣發(fā)生變化.對于星接模式來說，對應(yīng)的五種工作狀態(tài)中都不會在相電流中出現(xiàn)零軸分量.對于角外接模式來說，由于線電流流過兩相電流時(shí)，三相繞組相當(dāng)于一相繞組與另外兩相串聯(lián)的繞組并聯(lián)，顯然三相相電流之和不為零，故在相電流中出現(xiàn)零軸分量.對于角內(nèi)接模式來說，根據(jù)前面的分析可知在狀態(tài)②③④和⑥⑦⑧時(shí)在相電流中都會出現(xiàn)零軸分量.有了不對稱情況下的電機(jī)模型，就能夠推導(dǎo)出一系列軟起動初始觸發(fā)角，有效地抑制由于初始角度選擇不當(dāng)造成的基頻電磁轉(zhuǎn)矩的振蕩.

2　應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果及分析

對于圖1和圖2所示的應(yīng)用較為廣泛的晶閘管調(diào)壓電路，人們對其軟起動控制方式的研究很多，也取得了許多顯著的成果.實(shí)際軟起動控制中應(yīng)用較多的控制方法有：電壓斜坡控制、限流控制、轉(zhuǎn)矩控制和功率因數(shù)角控制等方法［4］［5］［6］.對于圖3所示的角內(nèi)接軟起動控制電路結(jié)構(gòu)，人們在實(shí)際中研究和應(yīng)用的比較少.由于這幾種電路結(jié)構(gòu)和工作原理的相近性，使得它們的控制原理和方法存在著較大的通用性，只是在一些細(xì)節(jié)方面存在著一定的差異.下面就異步電動機(jī)晶閘管與電機(jī)繞組角內(nèi)接的方式進(jìn)行軟起動控制試驗(yàn).

圖7　全壓起動沖擊電流實(shí)測波形

對額定功率2.2KW三相異步電動機(jī)，在空載的情況下，就晶閘管與繞組角內(nèi)接方式進(jìn)行了限流軟起動和功率因數(shù)角閉環(huán)軟起動控制方法的試驗(yàn).

圖8　全壓起動實(shí)測轉(zhuǎn)速波形

2.1全壓起動

如圖7和圖8所示，分別為2.2KW電機(jī)在空載情況下角接全壓起動時(shí)測量的實(shí)際相電流和轉(zhuǎn)速波形.該電機(jī)額定電流為 4.8A，額定轉(zhuǎn)速為1450r/min.全壓起動時(shí)其相電流峰值最大值達(dá)到35A，約為額定電流峰值的5.2倍，如圖7所示.起動過程中由于定子瞬態(tài)直流分量的影響，其轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)了大幅的基頻振蕩［7］.

2.2限流軟起動

如圖9和圖10所示，分別為2.2kw電機(jī)在空載情況下限流軟起動時(shí)的相電流和轉(zhuǎn)速波形，其限流值為2In，大小約為10A左右.這種方法能夠有效地控制起動電流，但是起動時(shí)間比較長，且起動過程中容易產(chǎn)生電流和轉(zhuǎn)矩的振蕩［8］.

圖9　限流軟起動實(shí)測電流波形

圖10　限流軟起動實(shí)測轉(zhuǎn)速波形

2.3功率因數(shù)角閉環(huán)軟起動

如圖11和圖12所示，為2.2KW電機(jī)在空載情況下的功率因數(shù)角閉環(huán)軟起動電流和轉(zhuǎn)矩波形.試驗(yàn)中通過相位檢測電路實(shí)時(shí)檢測相電壓和相電流的相位差—可檢測功率因數(shù)角，由于電機(jī)繞組端電壓是觸發(fā)角α和可檢測功率因數(shù)角φ的函數(shù)，即U=f（α，φ），單片機(jī)根據(jù)實(shí)時(shí)檢測的φ角和給定的α角即可計(jì)算得出維持相鄰兩個(gè)周期的電機(jī)繞組電壓呈規(guī)律性變化的觸發(fā)角調(diào)整量α，這種方法有效的避免了由于起動過程中電流和轉(zhuǎn)矩的振蕩［6］.

圖11　功率因數(shù)角閉環(huán)軟起動實(shí)測電流波形

圖12　功率因數(shù)角閉環(huán)軟起動實(shí)測轉(zhuǎn)速波形

3　結(jié)論

本文重點(diǎn)分析了異步電機(jī)繞組與晶閘管角內(nèi)接電路結(jié)構(gòu)下的系統(tǒng)工作狀態(tài)，對系統(tǒng)處于各種工作狀態(tài)時(shí)的電機(jī)模型進(jìn)行了研究，并且針對角內(nèi)接電路進(jìn)行了軟起動控制試驗(yàn)，得到了良好的試驗(yàn)效果，得出如下結(jié)論：

（1）角內(nèi)接模式的系統(tǒng)工作狀態(tài)與星接和角外接模式相比更加復(fù)雜，多了三種狀態(tài)，即存在三相的單相繞組中流過電流的三種狀態(tài)；

（2）星接模式和角外接模式下，繞組的線電流中均不存在零軸分量，而在角內(nèi)接模式下，對應(yīng)于狀態(tài)②③④和⑥⑦⑧，相電流中存在零軸分量；

（3）由于角內(nèi)接模式電路結(jié)構(gòu)的特殊性，使得其控制器件流過的電流是相電流，比角外接模式承受的線電流小，因此晶閘管的器件選擇空間更大.

綜上所述，由于異步電機(jī)繞組和晶閘管角內(nèi)接的交流調(diào)壓電路結(jié)構(gòu)本身的工作特點(diǎn)，使得在軟起動控制和調(diào)壓控制時(shí)電路結(jié)構(gòu)和控制方法設(shè)計(jì)更加豐富.

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責(zé)任編輯：張隆輝

中圖分類號：TM 346

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-2094（2015）02-0148-05

收稿日期:2014-12-15

作者簡介：徐廣源（1981-），男，安徽池州人，國家電網(wǎng)銅陵供電公司工各程師，碩士.彭濤（1980-），男，安徽安慶人，國家電網(wǎng)銅陵供電公司工各程師，碩士.