高壓電機(jī)串聯(lián)三重化軟起動(dòng)方法的研究

章 穗， 周文強(qiáng)， 許正望, 蘇 威

(1 湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068；2 湖北工業(yè)大學(xué)太陽(yáng)能高效利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖北 武漢 430068；3 國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司鄂州供電公司， 湖北 鄂州 436007)

高壓電機(jī)串聯(lián)三重化軟起動(dòng)方法的研究

章 穗1,2， 周文強(qiáng)1,2， 許正望1,2, 蘇 威1，3

(1 湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068；2 湖北工業(yè)大學(xué)太陽(yáng)能高效利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖北 武漢 430068；3 國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司鄂州供電公司， 湖北 鄂州 436007)

在電機(jī)起動(dòng)過程中，為了使其電流更加接近于正弦波，降低諧波含量，減少對(duì)電網(wǎng)的污染，延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命，在開關(guān)變壓器軟起動(dòng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)反并聯(lián)結(jié)構(gòu)改為短路橋結(jié)構(gòu)，并引入多重化技術(shù)。分析表明，短路橋結(jié)構(gòu)較反并聯(lián)結(jié)構(gòu)具有同樣的起動(dòng)性能，而且更容易實(shí)現(xiàn)多重化，同時(shí)軟起動(dòng)器可以方便地與電網(wǎng)進(jìn)行隔離。通過仿真，比較了在兩種起動(dòng)方法下電流的總的諧波畸變率和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，結(jié)果表明，串聯(lián)三重化結(jié)構(gòu)除了可以解決高壓大容量電機(jī)起動(dòng)時(shí)開關(guān)管串聯(lián)均壓?jiǎn)栴}外，起動(dòng)過程中電流諧波含量較普通開關(guān)變壓器軟起動(dòng)有大幅度的改善，同時(shí)轉(zhuǎn)矩沖擊大為減少。

軟起動(dòng)； 串聯(lián)三重化； 總的諧波畸變率； 整流橋

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，各行各業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，作為工業(yè)主要?jiǎng)恿υ吹拇笮碗姍C(jī)的使用越來越普遍。對(duì)于高壓大容量的電機(jī)，若采取直接起動(dòng)的方式，會(huì)產(chǎn)生很大的起動(dòng)電流，一般可以達(dá)到電機(jī)額定電流的5～7倍，有的甚至可達(dá)到10倍以上，在電網(wǎng)上會(huì)產(chǎn)生很大的壓降，同時(shí)會(huì)影響同網(wǎng)其他設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至無法起動(dòng)電機(jī)[1]。全壓起動(dòng)時(shí)過大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)造成嚴(yán)重的機(jī)械沖擊，甚至損壞電機(jī)和拖動(dòng)設(shè)備。為了改善大型電機(jī)的起動(dòng)性能，通常采用軟起動(dòng)裝置。傳統(tǒng)的星-三角、變極等起動(dòng)方法在一定程度上可以限制起動(dòng)電流，但是其并非連續(xù)地對(duì)電機(jī)的定子電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，在電機(jī)的起動(dòng)過程中存在二次電流沖擊的問題，而基于開關(guān)變壓器的軟起動(dòng)技術(shù)避免了高壓情況下開關(guān)器件的串聯(lián)均壓?jiǎn)栴}，提高了系統(tǒng)的可靠性。雖然其起動(dòng)性能與變頻軟起動(dòng)相比還有待改進(jìn)，但是其成本遠(yuǎn)低于變頻軟起動(dòng)，可靠性也比變頻軟起動(dòng)高[2]。但是開關(guān)變壓器起動(dòng)電流諧波含量較高，對(duì)電網(wǎng)、電機(jī)都會(huì)產(chǎn)生較大的影響。

本文針對(duì)高壓大容量電機(jī)的軟起動(dòng)問題，將多重化技術(shù)引入到基于開關(guān)變壓器的電機(jī)軟起動(dòng)技術(shù)中，可以減少電機(jī)交流側(cè)輸入電流的諧波含量，從而降低電機(jī)的發(fā)熱、機(jī)械振動(dòng)而延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命，同時(shí)減少對(duì)電網(wǎng)造成的諧波污染。

1 工作原理

1.1 三相交流調(diào)壓工作原理

圖1是三相交流調(diào)壓電路中運(yùn)用最為廣泛的無中線星形調(diào)壓電路，采用電阻作為其負(fù)載。在電路中要形成通路，三相中至少要有兩相導(dǎo)通，故應(yīng)采用寬脈沖或雙脈沖觸發(fā)。晶閘管的觸發(fā)順序和三相橋式全控整流電路一樣為VT1～VT6，依次相差60°,三相的觸發(fā)脈沖依次相差120°,同一相的兩個(gè)反并聯(lián)晶閘管觸發(fā)脈沖相差180°，觸發(fā)角α的變化區(qū)間為0°～150°[3]。

在任一時(shí)刻，圖1中晶閘管的工作情況分三種：

1)當(dāng)0°≤α<60°，電路處于三個(gè)晶閘管和兩個(gè)晶閘管交替導(dǎo)通的狀態(tài)，每個(gè)晶閘管導(dǎo)通角為180°-α。

2)當(dāng)60°≤α<90°，任一時(shí)刻都是兩個(gè)晶閘管處于導(dǎo)通狀態(tài)，每個(gè)晶閘管的導(dǎo)通角為120°。

=

3)當(dāng)90°≤α<150°，電路處于無晶閘管導(dǎo)通與兩個(gè)晶閘管導(dǎo)通的交替狀態(tài)，每個(gè)晶閘管導(dǎo)通角為(300-2α)°。

UO=

圖 1 三相無中線星形交流調(diào)壓電路

1.2 開關(guān)變壓器軟起動(dòng)工作原理

如圖2所示，當(dāng)開關(guān)變壓器TK是理想變壓器時(shí)，u1為原邊電壓，u2為副邊電壓。原邊繞組與電機(jī)定子繞組相串聯(lián)，副邊繞組與一對(duì)反并聯(lián)的晶閘管相連。當(dāng)晶閘管處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，電源電壓全部加在TK的原邊繞組上，電機(jī)不能起動(dòng)。當(dāng)晶閘管導(dǎo)通時(shí)，由于晶閘管管壓降很小，u2也很小，則u1也很小，電源電壓加在定子繞組上，改變晶閘管的觸發(fā)角就可改變u1，從而改變加在電機(jī)定子繞組上的電壓[4]。使晶閘管的觸發(fā)角從小到大改變，則變壓器原邊繞組上的電壓從大到小變化，則加在電機(jī)定子繞組上的電壓從小到大變化，從而達(dá)到軟起動(dòng)的目的。由于變壓器的隔離作用，避免了晶閘管串聯(lián)均壓的問題，同時(shí)工作在開關(guān)狀態(tài)的變壓器產(chǎn)生的損耗很少，但它的電流諧波含量較大[5]。

2 軟起動(dòng)電路新結(jié)構(gòu)

目前常用的固態(tài)軟起動(dòng)器主電路結(jié)構(gòu)見圖1，其中VT1～VT6為6只晶閘管，兩兩以反并聯(lián)形式構(gòu)成交流調(diào)壓電路。分析圖1所示的主電路，可以對(duì)該電路進(jìn)行改進(jìn)從而獲得更好的性能。改變調(diào)壓器與電機(jī)的位置，得到圖3所示的電路，ABC為電網(wǎng)輸入的三相交流電，abc為輸入電機(jī)的三相交流電，O為電機(jī)定子星型連接的中性點(diǎn)，從圖中的ZL處可以看出，調(diào)壓器變成了一個(gè)三相整流橋電路，其特別之處在于它的直流輸出側(cè)被直接短接。

通過調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角可以改變晶閘管的導(dǎo)通時(shí)刻，控制電機(jī)定子電壓從而可以改變電機(jī)的起動(dòng)電流，通常在電機(jī)起動(dòng)過程中按照一定的函數(shù)關(guān)系改變晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通的時(shí)刻，改變電機(jī)定子電壓，從而達(dá)到軟起動(dòng)的目的[6]。

圖 2 普通開關(guān)變壓器軟起動(dòng)簡(jiǎn)圖

圖 3 調(diào)壓器與電機(jī)位置變換圖

從圖1很容易看出，電機(jī)的每相繞組與每對(duì)反并聯(lián)的晶閘管相互串聯(lián)，依據(jù)電路理論，串聯(lián)電路中各元件電壓與其在電路中所處的位置無關(guān)，改變它們兩者的位置并不會(huì)改變系統(tǒng)的工作性能，所以改變軟起動(dòng)器和電機(jī)的位置不會(huì)影響電機(jī)的起動(dòng)性能。而且電機(jī)與軟起動(dòng)器位置互換后，軟起動(dòng)器處于電機(jī)之后，可以更方便與電網(wǎng)進(jìn)行隔離，且“一拖多”實(shí)現(xiàn)起來要比原來方便很多，可直接運(yùn)用三相交流調(diào)壓的控制電路、控制方法[7]。

對(duì)于高壓大容量電機(jī)，可采用開關(guān)變壓器的方式降低對(duì)晶閘管的耐壓要求，同時(shí)避免器件串聯(lián)均壓?jiǎn)栴}，提高系統(tǒng)的可靠性[8]。但普通開關(guān)變壓器軟起動(dòng)器產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)的干擾較大，為減少干擾，可采用多重化技術(shù)。

通過一個(gè)多輸出的移相變壓器，輸出彼此錯(cuò)開一定角度的多組三相交流電，再通過多個(gè)整流橋相互串聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)多重化起動(dòng)高壓電機(jī)。以三重化為例，采用新結(jié)構(gòu)的高壓軟起動(dòng)器原理見圖4，圖中T為3×3移相變壓器，輸出三組三相交流電，它們之間幅值、頻率相等，相位依次相差20°。將變壓器高壓側(cè)與電機(jī)定子繞組串聯(lián)，低壓側(cè)的三組線圈分別與三組三相整流橋連接，最后將三組整流橋輸出直流側(cè)正負(fù)極性順極性連接在一起，通過移相變壓器的作用，達(dá)到三重化起動(dòng)高壓電機(jī)的目的，使電機(jī)的電流更趨近于正弦波，諧波含量更少，同時(shí)整流橋串聯(lián)可以提高器件的耐壓值，減少對(duì)器件電流容量的需求。

3 串聯(lián)三重化高壓電機(jī)軟起動(dòng)建模與仿真

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

在本仿真模型中，三相電源電壓設(shè)置為3464.10V，頻率設(shè)置為50Hz，三相之間相位互差120°，電機(jī)額定電壓為6kV，電機(jī)容量330kW，功率因數(shù)0.85，仿真算法采用ode23tb，仿真停止時(shí)間設(shè)置為6s[9]。由于需要電機(jī)定子側(cè)引出線接三相整流橋模塊，而SIMULINK模塊庫(kù)中并沒有定子有引出線的電機(jī)模型，所以使用了一個(gè)變比為1∶1的變壓器與一個(gè)普通電機(jī)模型模擬了該電機(jī)模型。由于SIMULINK模塊庫(kù)中也沒有3×3移相變壓器，所以采用三相變壓器12端口模塊將3×3移相變壓器模型進(jìn)行了轉(zhuǎn)換，達(dá)到輸出同樣的效果。圖5為串聯(lián)三重化軟起動(dòng)仿真模型。

圖 4 串聯(lián)三重化軟起動(dòng)簡(jiǎn)圖

圖 5 串聯(lián)三重化軟起動(dòng)器仿真模型

3.2 仿真結(jié)果及分析

分別對(duì)串聯(lián)三重化軟起動(dòng)模型和普通開關(guān)變壓器軟起動(dòng)模型帶電機(jī)空載起動(dòng)過程進(jìn)行仿真。為了研究多重化結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)起動(dòng)性能的影響，通過相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，將電機(jī)a相定子繞組的電流的最大值、軟起動(dòng)時(shí)間都設(shè)置成相同值，直接比較兩種軟起動(dòng)模型電機(jī)a相定子上電流的總的諧波畸變率(THD)以及起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

圖6、7、8的上半部分分別是普通開關(guān)變壓器軟起動(dòng)的電機(jī)a相定子電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩。圖6、7、8的下半部分分別是串聯(lián)三重化軟起動(dòng)的電機(jī)a相定子電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)矩。

圖 6 a相定子電流比較

圖 7 轉(zhuǎn)速比較

圖 8 轉(zhuǎn)矩比較

由圖6、7可知，兩種軟起動(dòng)電機(jī)a相定子最大電流的有效值均為167A，兩種軟起動(dòng)起動(dòng)時(shí)間均為3.3s,轉(zhuǎn)速曲線平滑，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速均為1500r/min。由圖8，普通開關(guān)變壓器軟起動(dòng)電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)范圍為-3600～5822N·m，而串聯(lián)三重化軟起動(dòng)電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)范圍為-900～2900N·m，提供轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比全壓直接起動(dòng)減小明顯，減小電機(jī)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩沖擊。由于三相交流異步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與定子電壓的平方成正比，因此當(dāng)定子電壓減小時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩會(huì)大幅減小，而電子軟起動(dòng)器是采用降壓起動(dòng)，降低電壓但并不降低頻率，所以利用電子軟起動(dòng)器起動(dòng)三相交流異步電機(jī)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩很小，因此它最適用于水泵、風(fēng)機(jī)類負(fù)起動(dòng)或空載起動(dòng)，不能用于重載起動(dòng)[10]。通過POWERGUI中的FFT模塊對(duì)兩種起動(dòng)方式電機(jī)的a相定子電流進(jìn)行分析。

圖 9 a相定子電流諧波分析比較

4 結(jié)束語(yǔ)

在交流調(diào)壓模塊中，推導(dǎo)了三相無中線星形連接的調(diào)壓電路在不同觸發(fā)角下電阻負(fù)載電壓有效值的數(shù)學(xué)表達(dá)式，同時(shí)短路橋結(jié)構(gòu)較反并聯(lián)結(jié)構(gòu)更容易實(shí)現(xiàn)多重化，針對(duì)普通開關(guān)變壓器軟起動(dòng)時(shí)電流諧波含量較大的問題，采用3×3移相變壓器替代普通的開關(guān)變壓器，同時(shí)三組整流橋輸出直流側(cè)正負(fù)極性順極性連接在一起，三重化起動(dòng)高壓電機(jī)，通過仿真比較串聯(lián)三重化軟起動(dòng)較普通開關(guān)變壓器軟起動(dòng)能大幅降低電機(jī)定子電流的諧波含量，從而減少對(duì)電網(wǎng)、電機(jī)的影響，同時(shí)減小了電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，減少對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩沖擊，改善電機(jī)的起動(dòng)性能。

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[責(zé)任編校： 張巖芳]

Method of High Voltage Motor Tandem Triple Soft Start

ZHANG Sui1,2，ZHOU Wenqiang1,2，XU Zhengwang1,2， SU Wei1,3

(1SchoolofElectricalandElectronicEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China; 2HubeiCollaborativeInnovationCenterforHighEfficiencyUtilizationofSolarEnergy,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China； 3StateGridHubeiElectricPowerCompanyEzhoupowersupplycompany，Ezhou436000，China)

In the motor starting process, in order to make the motor current closer to the sine wave, decrease harmonic content,reduce the pollution on the grid and extend the life of the motor, the traditional anti-parallel structure has been changed into short circuit bridge structure and the multi-technology has been introduced on the basis of soft starting structure of switch transformer. Analyses show that the short circuit bridge structure has the same starting characteristics compared with the anti-parallel structure, it is easier to achieve multiplex than anti-parallel structure by simulation, and the comparison of total harmonic distortion of the motor current between the two methods and start torque has been made. The results show that, this structure can solve the series voltage sharing problem in the starting process of high-voltage high-capacity motors; the motor current harmonic content of tandem triple short circuit bridge structure has greatly improved compared with ordinary switch transformer soft starter and the impact of torque has also been greatly reduced.

soft dtart; tandem triple; total harmonic distortion; rectifier

2016-05-24

湖北省自然科學(xué)基金(2014CFB581)，太陽(yáng)能高效利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心開放基金(HBSKFMS2014002)

章 穗(1958-)， 男， 湖北武漢人，湖北工業(yè)大學(xué)副教授 ,研究方向?yàn)殡娏鲃?dòng)

周文強(qiáng)(1991-)，男，湖北黃岡人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮?/p>

1003-4684(2017)02-0065-05

TM343

A