童 軍，吳偉東，王 悅，石 磊

(西安科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)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(jī)，這一數(shù)據(jù)表明異步電機(jī)作為一個(gè)能量轉(zhuǎn)換裝置，受到了格外的重視[1]。目前異步電機(jī)存在的主要問題是起動(dòng)沖擊電流大，起動(dòng)導(dǎo)致大約5-8倍的大電流，有的甚至更高[2]。隨著科技的進(jìn)步，衍生出很多新型軟起動(dòng)設(shè)備[3]。對于一些低壓小容量電機(jī)，起動(dòng)產(chǎn)生的電流沖擊影響可以忽略不計(jì)。對于大容量的異步電動(dòng)機(jī)，直接起動(dòng)的大電流，不僅造成電機(jī)損耗嚴(yán)重，還會(huì)影響電機(jī)使用期限。因此大容量異步電機(jī)必須采用軟起動(dòng)裝置，以減少起動(dòng)沖擊電流對電機(jī)本身及電網(wǎng)的損害。與電機(jī)直接起動(dòng)相比較，軟起動(dòng)器起動(dòng)可以避免起動(dòng)沖擊電流過大的缺點(diǎn)，使電機(jī)可以平滑起動(dòng)。而且軟起動(dòng)器具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)[4]。

目前，國內(nèi)外研究的軟起動(dòng)器主要是提高電動(dòng)

機(jī)的起動(dòng)性能，并未考慮軟起動(dòng)器在工作過程中產(chǎn)生諧波的問題。由于異步電動(dòng)機(jī)的非線性負(fù)載特性和軟起動(dòng)主電路運(yùn)行期間向電網(wǎng)注入大量諧波，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致電網(wǎng)電流和電壓波形嚴(yán)重失真，從而影響其他電力設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)[5]。

1 一體化控制原理

異步電機(jī)軟起動(dòng)與諧波抑制一體化控制原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。分為軟起動(dòng)和有源濾波兩部分。軟起動(dòng)系統(tǒng)由三相晶閘管調(diào)壓電路和控制器組成，限制電機(jī)起動(dòng)電流，實(shí)現(xiàn)電機(jī)平滑起動(dòng)。有源濾波部分主要將整個(gè)軟起動(dòng)系統(tǒng)作為諧波源，并對其進(jìn)行電流檢測,及諧波補(bǔ)償。軟起動(dòng)與有源濾波相結(jié)合構(gòu)成的一體化控制裝置，在改進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)性能的同時(shí)改善了電網(wǎng)側(cè)的電能質(zhì)量[5]。

圖1 一體化控制原理圖

1.1 軟起動(dòng)設(shè)計(jì)原理及諧波分析

軟起動(dòng)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(diào)壓電路作為軟起動(dòng)電路的主拓?fù)鋄6]。

圖2 電機(jī)軟起動(dòng)主電路原理圖

對于帶感性負(fù)載的晶閘管調(diào)壓電路來說，某相中的電流電壓關(guān)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(dǎo)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(fù)載為例，當(dāng)φ和α都一定的情況下，電路是在兩相導(dǎo)通和三相導(dǎo)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(jìn)行傅里葉級數(shù)計(jì)算,因?yàn)檎?fù)半周波形對稱,所以偶次諧波為0,通過傅里葉計(jì)算得到:

當(dāng)α<60°+φ

諧波次數(shù)357…THD0.6%33.1%27.4%…

當(dāng)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(dòng)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(jìn)行控制,以免對電網(wǎng)造成嚴(yán)重危害。

1.2 有源濾波器設(shè)計(jì)原理

針對軟起動(dòng)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(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 有源濾波器結(jié)構(gòu)圖

2 建模與仿真分析

2.1 仿真模型的建立

2.1.1 軟起動(dòng)基于調(diào)壓電路作為主電路拓?fù)?。本文在斜坡電壓起?dòng)時(shí)，將續(xù)流角作為閉環(huán)控制的反饋信號，在限流起動(dòng)過程中實(shí)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(shí)現(xiàn)電機(jī)的平滑起動(dòng)。

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(jìn)行諧波檢測，此方法能夠精確檢測出5次和7次諧波且實(shí)時(shí)性較好，延

時(shí)也小，且適應(yīng)于電壓畸形的情況，能夠及時(shí)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)

利用Matlab/Simulik搭建整個(gè)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(dòng)波形圖

從圖10中可以看出直接起動(dòng)初始階段起動(dòng)電流的峰值大約為130 A，約為額定電流的10倍，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩在-80-380 Nm波動(dòng)，起動(dòng)初期電流和轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，這種較大的波動(dòng)，在起動(dòng)時(shí)容易造成異步電機(jī)的劇烈震蕩。嚴(yán)重時(shí)會(huì)損害電機(jī)并導(dǎo)致電網(wǎng)電流波形失真。

圖11 斜坡電壓起動(dòng)

圖11為采用斜坡電壓軟起動(dòng)，斜坡電壓軟起動(dòng)電流有效峰值為60 A，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩峰值70 Nm，起動(dòng)時(shí)間增加，起動(dòng)過程中電流沖擊相比較與直接起動(dòng)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(jié)果，從圖中電流波形可以看出電流波動(dòng)幅度相比斜坡電壓起動(dòng)波動(dòng)幅度明顯減小，起動(dòng)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(zhuǎn)速上升過程較為平滑，轉(zhuǎn)矩也比較平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)沖擊轉(zhuǎn)矩，電機(jī)可以平穩(wěn)起動(dòng)。

圖13 電網(wǎng)側(cè)電流和負(fù)載側(cè)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(jī)整個(gè)軟啟系統(tǒng)來做為有源濾波器的非線性負(fù)載，電網(wǎng)電流因?yàn)殡姍C(jī)的起動(dòng)而發(fā)生嚴(yán)重的畸變，如圖13(b)所示為負(fù)載側(cè)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(cè)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(jìn)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(dá)到補(bǔ)償諧波的目的。

3 實(shí) 驗(yàn)

前面詳細(xì)介紹了軟起與諧波抑制一體化控制并利用仿真軟件進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了控制方法的可行性。本節(jié)通過實(shí)驗(yàn)對軟起與諧波抑制一體化控制理論做進(jìn)一步驗(yàn)證。電機(jī)實(shí)驗(yàn)參數(shù)與仿真參數(shù)一致。

圖15為軟起動(dòng)與諧波抑制一體化控制裝置起動(dòng)過程電流波形，剛開始起動(dòng)電流達(dá)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(jī)可以平穩(wěn)起動(dòng)。

圖15 電機(jī)起動(dòng)電流波形圖

圖16(a)、圖16(b)分別對a相負(fù)載側(cè)電流和電網(wǎng)側(cè)電流波形分析，可以看出電流波形基本接近標(biāo)準(zhǔn)正弦波，對諧波分量進(jìn)行了很好的抑制，效果較為理想。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明對起動(dòng)器造成的諧波分量進(jìn)行了很好的抑制，效果較為理想。證明了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)可以實(shí)現(xiàn)APF的功能并且平穩(wěn)的起動(dòng)電機(jī)。

圖16 電流波形圖

4 結(jié) 語

本文提出了異步電機(jī)軟起動(dòng)與諧波抑制一體化控制，通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明該一體化控制裝置在限制起動(dòng)電流，提高異步電機(jī)起動(dòng)性能的同時(shí)，又減小整個(gè)起動(dòng)系統(tǒng)造成的諧波，改進(jìn)了電網(wǎng)的電能質(zhì)量。將該技術(shù)應(yīng)用到工程當(dāng)中，可以解決由軟啟引起的諧波問題，電機(jī)起動(dòng)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。