異步電機軟起動與諧波抑制一體化控制

童 軍，吳偉東，王 悅，石 磊

(西安科技大學 電氣與控制工程學院，西安 710054)

0 引 言

隨著全國每年1/3的發(fā)電量均提供給異步電機，這一數(shù)據(jù)表明異步電機作為一個能量轉換裝置，受到了格外的重視[1]。目前異步電機存在的主要問題是起動沖擊電流大，起動導致大約5-8倍的大電流，有的甚至更高[2]。隨著科技的進步，衍生出很多新型軟起動設備[3]。對于一些低壓小容量電機，起動產(chǎn)生的電流沖擊影響可以忽略不計。對于大容量的異步電動機，直接起動的大電流，不僅造成電機損耗嚴重，還會影響電機使用期限。因此大容量異步電機必須采用軟起動裝置，以減少起動沖擊電流對電機本身及電網(wǎng)的損害。與電機直接起動相比較，軟起動器起動可以避免起動沖擊電流過大的缺點，使電機可以平滑起動。而且軟起動器具有體積小，結構簡單，價格低廉的優(yōu)點[4]。

目前，國內外研究的軟起動器主要是提高電動

機的起動性能，并未考慮軟起動器在工作過程中產(chǎn)生諧波的問題。由于異步電動機的非線性負載特性和軟起動主電路運行期間向電網(wǎng)注入大量諧波，嚴重時將導致電網(wǎng)電流和電壓波形嚴重失真，從而影響其他電力設備的運轉[5]。

1 一體化控制原理

異步電機軟起動與諧波抑制一體化控制原理結構圖如圖1所示。分為軟起動和有源濾波兩部分。軟起動系統(tǒng)由三相晶閘管調壓電路和控制器組成，限制電機起動電流，實現(xiàn)電機平滑起動。有源濾波部分主要將整個軟起動系統(tǒng)作為諧波源，并對其進行電流檢測,及諧波補償。軟起動與有源濾波相結合構成的一體化控制裝置，在改進電機的起動性能的同時改善了電網(wǎng)側的電能質量[5]。

圖1 一體化控制原理圖

1.1 軟起動設計原理及諧波分析

軟起動主電路如圖2所示，3組反并聯(lián)晶閘管組成相控三相交流調壓電路作為軟起動電路的主拓撲[6]。

圖2 電機軟起動主電路原理圖

對于帶感性負載的晶閘管調壓電路來說，某相中的電流電壓關系大體如圖3所示。

圖3 晶閘管電壓和電流波形

觸發(fā)角α，與續(xù)流角也即功率因數(shù)角φ，晶閘管導通角θ，三者之間滿足θ=π-α+φ。由上圖可知θ決定了晶閘管輸出電壓 的大小。即:

以A相負載為例，當φ和α都一定的情況下，電路是在兩相導通和三相導通之間有規(guī)律的變化。通過分析可分為兩種情況。α<60°+φ和α>60°+φ對A相電壓進行傅里葉級數(shù)計算,因為正負半周波形對稱,所以偶次諧波為0,通過傅里葉計算得到:

當α<60°+φ

諧波次數(shù)357…THD0.6%33.1%27.4%…

當α>60°+φ

諧波次數(shù)357…THD0.8%61.1%50.4%…

通過以上分析,目前的晶閘管軟起動控制器中產(chǎn)生的諧波以5次7次居多,而且隨著控制角的增大,諧波也隨之增大,必須安裝濾波裝置對其5次和7次諧波進行控制,以免對電網(wǎng)造成嚴重危害。

1.2 有源濾波器設計原理

針對軟起動控制器中5次和7次諧波采用并聯(lián)型有源濾波器，它是直接并聯(lián)到電網(wǎng)中[7]。結構圖如圖4所示。

圖4 有源濾波器結構圖

2 建模與仿真分析

2.1 仿真模型的建立

2.1.1 軟起動基于調壓電路作為主電路拓撲。本文在斜坡電壓起動時，將續(xù)流角作為閉環(huán)控制的反饋信號，在限流起動過程中實現(xiàn)閉環(huán)控制，如圖5所示。并通過閉環(huán)限流控制模塊來限制電流的大小，最終實現(xiàn)電機的平滑起動。

圖5 功率因數(shù)閉環(huán)控制模塊

2.1.2 有源濾波的電流檢測算法

(1)p-q法

圖6 p-q檢測方法原理圖

(2)

諧波電流iah、ibh、ich即可由式(3)變換求出：

(3)

(2)ip-iq法

圖7 ip-iq電流檢測法原理圖

(4)

經(jīng)過對比采用ip-iq算法進行諧波檢測，此方法能夠精確檢測出5次和7次諧波且實時性較好，延

時也小，且適應于電壓畸形的情況，能夠及時準確的檢測諧波[9]。

2.1.3 電流跟蹤控制

圖8 電流跟蹤控制原理圖

2.2 仿真實驗

利用Matlab/Simulik搭建整個系統(tǒng)的仿真，如圖9所示，仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真系統(tǒng)參數(shù)

圖9 仿真主電路模型

圖10 直接起動波形圖

從圖10中可以看出直接起動初始階段起動電流的峰值大約為130 A，約為額定電流的10倍，起動轉矩在-80-380 Nm波動，起動初期電流和轉矩波動較大，這種較大的波動，在起動時容易造成異步電機的劇烈震蕩。嚴重時會損害電機并導致電網(wǎng)電流波形失真。

圖11 斜坡電壓起動

圖11為采用斜坡電壓軟起動，斜坡電壓軟起動電流有效峰值為60 A，起動轉矩峰值70 Nm，起動時間增加，起動過程中電流沖擊相比較與直接起動得到明顯抑制，但電流仍然過大。約為額定電流的5倍。

圖12 一體化控制波形

圖12為帶有源濾波的斜坡電壓加限流軟啟仿真結果，從圖中電流波形可以看出電流波動幅度相比斜坡電壓起動波動幅度明顯減小，起動初始階段電流峰值為40 A左右，大約是額定電流的3倍左右?？梢钥闯鲕浧鹋c諧波抑制一體化控制，轉速上升過程較為平滑，轉矩也比較平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)沖擊轉矩，電機可以平穩(wěn)起動。

圖13 電網(wǎng)側電流和負載側電流波形局部放大圖比較

圖14 FFT分析

仿真模型中采用電機整個軟啟系統(tǒng)來做為有源濾波器的非線性負載，電網(wǎng)電流因為電機的起動而發(fā)生嚴重的畸變，如圖13(b)所示為負載側的電流波形，而APF的功能便是將影響電網(wǎng)電流畸變的諧波和無功分量濾除掉，圖13(a)則表示為通過APF濾除以后的電流波形，可以明顯看出電網(wǎng)電流變?yōu)榱斯饣恼也āD14(a)表示為沒有加有源濾波器電網(wǎng)側的FFT分析圖14(b)表示為加上一體化有源濾波裝置后對電網(wǎng)電流進行FFT分析得到的THD值，可以看出電網(wǎng)電流的總畸變率THD由原來的24.19%降到1.69%，可以很好地達到補償諧波的目的。

3 實 驗

前面詳細介紹了軟起與諧波抑制一體化控制并利用仿真軟件進行仿真，驗證了控制方法的可行性。本節(jié)通過實驗對軟起與諧波抑制一體化控制理論做進一步驗證。電機實驗參數(shù)與仿真參數(shù)一致。

圖15為軟起動與諧波抑制一體化控制裝置起動過程電流波形，剛開始起動電流達到40 A左右，最終電流穩(wěn)定在額定電流10 A左右。沒有出現(xiàn)沖擊電流，電機可以平穩(wěn)起動。

圖15 電機起動電流波形圖

圖16(a)、圖16(b)分別對a相負載側電流和電網(wǎng)側電流波形分析，可以看出電流波形基本接近標準正弦波，對諧波分量進行了很好的抑制，效果較為理想。實驗結果表明對起動器造成的諧波分量進行了很好的抑制，效果較為理想。證明了實驗樣機可以實現(xiàn)APF的功能并且平穩(wěn)的起動電機。

圖16 電流波形圖

4 結 語

本文提出了異步電機軟起動與諧波抑制一體化控制，通過仿真和實驗驗證結果表明該一體化控制裝置在限制起動電流，提高異步電機起動性能的同時，又減小整個起動系統(tǒng)造成的諧波，改進了電網(wǎng)的電能質量。將該技術應用到工程當中，可以解決由軟啟引起的諧波問題，電機起動不平滑，以及由于軟啟裝置和濾波器的分離而造成的成本過高的問題。