郎福成，王琪

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；2.國家電網(wǎng)公司高電壓強電流實驗室，遼寧 沈陽110006；3.煤科集團沈陽研究院有限公司,遼寧 撫順 113122）

0 引言

電動機作為工業(yè)生產(chǎn)和人民生活中主要的電能轉(zhuǎn)換為機械能的載體，電動機電能消耗占我國電力消耗的重要比例，據(jù)設(shè)備工程監(jiān)理國際合作論壇數(shù)據(jù)顯示：電動機消耗了中國工業(yè)行業(yè)當(dāng)中60%的電能。電動機具有體積小、效率高、價格低廉、控制過程方便、輸出力矩大等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到鋼鐵、冶金、軍事、航空航天和醫(yī)療衛(wèi)生等關(guān)系到工業(yè)發(fā)展和人民生活的各個領(lǐng)域[1-2]。在電動機起動過程中，如果不施加任何措施在電動機定子繞組兩端直接施加額定電壓起動，起動瞬間產(chǎn)生較大的沖擊電流，一般能夠達到額定工作電流的4-7倍，并且轉(zhuǎn)速從零迅速上升到額定轉(zhuǎn)速，瞬時輸出轉(zhuǎn)矩、電流對電動機和負載都將造成較大損耗，同時也將嚴重污染電網(wǎng)質(zhì)量，影響其他用電設(shè)備的安全。

1 電動機數(shù)學(xué)模型

交流異步電動機利用定子與轉(zhuǎn)子之間的電磁耦合實現(xiàn)電能與機械能之間的轉(zhuǎn)換，為了對電動機的能量轉(zhuǎn)化過程進行定量分析，需要對電動機進行理想化假設(shè)：轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)完全對稱（磁路在空間上完全對稱）、鐵芯導(dǎo)磁系數(shù)為常數(shù)（不考慮磁飽和、磁滯、渦流和肌膚效應(yīng)對導(dǎo)磁系數(shù)的影響）、三相繞組完全對稱（三個繞組空間分布電角度為互差120°）、定子與轉(zhuǎn)子表面光滑且產(chǎn)生的磁動勢為正弦分布，得到電壓方程、電磁轉(zhuǎn)矩方程和運動方程，如下所示：

交流異步三相定子電壓方程表示為：

（1）式中，uA、uB、uC為電動機A、B、C三相定子電壓，iA、iB、iC為電動機A、B、C三相電流，ΨA、ΨB、ΨC為電動機A、B、C三相繞組磁鏈，RS為定子各相繞組的電阻。

交流異步三相轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)后的電壓方程為：

交流異步電磁轉(zhuǎn)矩方程表示為：

（3）式中，np為電動機的極對數(shù)，θ為角位移。

交流異步電動機運動方程式：

（4）式中，TL為負載阻轉(zhuǎn)矩；J為機組的轉(zhuǎn)動慣量；為電動機轉(zhuǎn)子的電角速度。

2 晶閘管調(diào)壓原理

交流異步電動機晶閘管調(diào)壓技術(shù)是將晶閘管接入交流電源與負載之間，通過改變負載的端電壓實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。晶閘管調(diào)壓主電路圖如圖1所示。斬波調(diào)壓和相位調(diào)壓是兩種常用的交流異步電動機調(diào)壓技術(shù)。斬波調(diào)壓通過改變功率器件控制信號的占空比來改變電動機繞組端電壓的有效值，斬波調(diào)壓過程功率器件的通斷頻率不能太低，否則將產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩波動，每一次通電相當(dāng)于電動機重新啟起動過程。在電源切斷時，電動機氣隙磁場通過轉(zhuǎn)子的瞬態(tài)電流來維持，隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，氣隙磁場在定子繞組中感應(yīng)的電動勢頻率將有所變化，當(dāng)斷流時間間隔較長時，這個旋轉(zhuǎn)磁場在定子中感應(yīng)的電動勢和重新接通時的電源電壓在相位上可能會有很大的差別，這樣就會出現(xiàn)較大的電流沖擊，可能危及晶閘管的安全。一般晶閘管的工作頻率不高，不能短時間內(nèi)重復(fù)動作，并且晶閘管不能自關(guān)斷，若采用斬波技術(shù)則還需要附加斬波電路，這樣就帶來裝置復(fù)雜和價格上升的問題。

圖1 晶閘管調(diào)壓主電路圖

相位調(diào)壓利用三對反并聯(lián)晶閘管組成三相三線交流調(diào)壓電路（如圖1所示）進行調(diào)壓，電動機的負載可以采用星型或角型的連接方式?？刂崎T極脈沖信號的相位變化來控制端電壓的幅值，晶閘管的導(dǎo)通角度直接決定輸出電壓的幅值。晶閘管的導(dǎo)通角度與控制角反比變化，控制角度越小，輸出電壓越大。只需在電動機起動過程中通過控制晶閘管控制角的大小，就可使電動機的端電壓和起動電流根據(jù)工作要求設(shè)定的規(guī)律進行變化。這樣，電動機的起動方式和起動電流均可任意調(diào)整和設(shè)置，從而電動機可以獲得優(yōu)良的起動過程[3]。因此，其實質(zhì)是降壓起動，與傳統(tǒng)降壓起動不同之處是無機械觸點，起動電壓和起動電流任意可調(diào)，可避免直接起動時強烈的起動電流沖擊。

圖2 晶閘管移相控制電壓波形

3 控制電路設(shè)計

在交流異步電動機軟起動裝置控制電路設(shè)計過程中，首先要考慮的是控制效果和安全性能，同時也要考慮裝置的成本、器件散熱、安裝和后續(xù)維修方便性，盡最大可能實現(xiàn)性價比的最大化[4-6]。交流異步電動機起動性能主要的衡量指標是起動電流倍數(shù)和起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，起動轉(zhuǎn)矩與定子端電壓的平方成正比，啟動電流與定子端電壓成正比，所以通過控制電動機定子端電壓就可以實現(xiàn)對起動特性的調(diào)節(jié)。在交流異步電動機軟起動裝置控制電路包括主電路、采集單元和控制單元三部分，電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。主電路為電動機繞組供電線路，分為晶閘管組合旁路接觸器兩個回路（阻容吸收用于濾除電網(wǎng)中的雜質(zhì)），在啟動的過程中電流經(jīng)過晶閘管組回路，正常工作過程中電流經(jīng)過旁路接觸器回路，控制單元發(fā)送指令通過轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)兩個回路之間的切換。采集單元用于采集晶閘管組的溫度信號、電動機的轉(zhuǎn)速信號、主電路的電壓和電流信號，并經(jīng)過信號濾波和放大后發(fā)送給控制單元，同時采集單元的驅(qū)動模塊實現(xiàn)的信號放大和隔離作用，接收控制單元單的動作信號并進行信號轉(zhuǎn)換，為晶閘管組的通斷狀態(tài)提供動作信號?？刂茊卧械膯纹瑱C用于接收采集單元的信號，并進行運算和處理，得到晶閘管組溫度、電動機轉(zhuǎn)速、主電路電壓和電流值，在顯示模塊、存儲模塊上實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和存儲，在設(shè)備故障情況下通過報警模塊進行報警，利用通訊模塊與上位機之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)、動作指令的通訊。

圖3 交流異步電動機軟起動裝置控制電路框圖

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電網(wǎng)中的諧波問題日益嚴重，許多低功率因數(shù)的電力電子裝置給電網(wǎng)帶來額外負擔(dān)并影響供電質(zhì)量，因此，電力電子裝置的諧波污染已成為阻礙電力電子技術(shù)發(fā)展的重大障礙，諧波治理問題已經(jīng)迫在眉睫。關(guān)于諧波污染的治理需要從法制和技術(shù)兩方面著手，從法制角度進行限制，諧波在允許范圍內(nèi)方可入網(wǎng)，未達標的必須采取治理措施，以防諧波擴散。從技術(shù)角度對諧波治理一方面對產(chǎn)生諧波裝置本身進行改進，使其不產(chǎn)生諧波，另一方面在電力系統(tǒng)或諧波負載的交流側(cè)加裝濾波裝置，通過外加設(shè)備對電網(wǎng)實施諧波補償。晶閘管在移相調(diào)壓過程中輸出電壓波形已經(jīng)不是正弦波（不含有偶次諧波，奇次諧波主要以三次諧波為主），在電動機起動過程中容易附加損耗，也會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動、發(fā)熱嚴重等其他問題，同時也將影響其他用電設(shè)備正常工作和對整個電網(wǎng)的質(zhì)量造成嚴重污染[9]。根據(jù)交流異步電動機軟起動裝置控制電路工作原理、諧波特點和預(yù)算成本角度綜合考慮，選用無源濾波技術(shù)進行諧波治理。無源濾波技術(shù)采用電力電容器、電抗器和電阻器按功能要求適當(dāng)組合,在系統(tǒng)中為諧波提供并聯(lián)低阻通路,起到濾波作用。諧波的綜合治理工作勢在必行[10]。消除電力電子裝置諧波污染的工作，可稱之為電力電子技術(shù)應(yīng)用的“綠色工程”。

4 結(jié)論

在電動機起動控制技術(shù)領(lǐng)域，軟啟動技術(shù)以其價格低廉和性能優(yōu)越的優(yōu)勢一直都是該領(lǐng)域的一個研究熱點。利用單片機控制技術(shù)實現(xiàn)對交流異步電動機起動過程有效控制，具有平穩(wěn)起動、沖擊電流小、節(jié)能環(huán)保等有點，在交流異步電動機起動技術(shù)中獲得廣泛應(yīng)用。

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