壽海明，劉云生，關(guān) 濤

基于固態(tài)電源轉(zhuǎn)換的異步電機軟起動研究

壽海明，劉云生，關(guān) 濤

（中國人民解放軍92942部隊，北京 100161）

本文介紹了高速固態(tài)電源轉(zhuǎn)換裝置的基本原理及算法，提出了異步電機軟起動基本條件，以一臺100 HP異步電機軟起動過程為例描述了軟起動實現(xiàn)方法，通過仿真分析初步驗證了技術(shù)的可行性，實現(xiàn)了電源轉(zhuǎn)換控制和軟起動功能一體化。

固態(tài)電源轉(zhuǎn)換 晶閘管 異步電機 軟起動

0 引言

電源轉(zhuǎn)換裝置主要用于兩路供電電源轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換電源期間間斷或不間斷地向負載供電。作為重要負荷的可靠供電裝置，電源轉(zhuǎn)換裝置已在民用建筑和船舶電氣等工程中得到了廣泛的應用。固態(tài)電源轉(zhuǎn)換裝置利用晶閘管電流過零自動關(guān)斷特性實現(xiàn)兩路電源的快速轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間可以控制在10 ms以內(nèi)，為計算機、控制器等信息化設(shè)備雙路電源不間斷供電轉(zhuǎn)換提供了有效技術(shù)途徑[1, 2]。但對于電動機負載，由于電動機斷電后，主用電源、備用電源、電動機殘壓存在相位差，直接投入將產(chǎn)生較大的沖擊電流，轉(zhuǎn)換過程中需要實時檢測各端電壓相位，通過控制電動機殘壓相位和備用電源相位“準同步”時實施轉(zhuǎn)換，盡量減少轉(zhuǎn)換沖擊電流。

此外，利用固態(tài)電源轉(zhuǎn)換裝置晶閘管的控制特性，通過控制三相反并聯(lián)晶閘管導通順序和導通角，也可以對異步電機起動時的輸入端電壓有效值進行控制，從而減小異步電機起動沖擊電流，達到降壓起動的目的[3, 4]。

1 基本原理及算法

典型固態(tài)電源轉(zhuǎn)換裝置主電路單線圖如圖1所示。

圖1 典型固態(tài)電源轉(zhuǎn)換裝置主電路單線圖

圖2 固態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)起動電動機時主電路拓撲

表1 電阻負載時晶閘管12種導通狀態(tài)

圖4 電動機負載起動時電壓電流波形圖

圖4中電壓波形藍綠線重疊部分為過渡工作模式狀態(tài)（對應Mode6-1、Mode1-2、Mode2-3、Mode3-4、Mode4-5、Mode5-6），此時有晶閘管處于3管導通，uuu與電源電壓一致；藍綠線不重疊部分為正常模式狀態(tài)（對應Mode1、Mode2、Mode3、Mode4、Mode5、Mode6），此時晶閘管處于2管導通，uuu分別為對應電源線電壓的一半或零。

表2 電動機負載時晶閘管12種導通狀態(tài)

圖5 降壓比關(guān)系曲線圖

圖6 電動機負載時的電壓電流波形

對于異步電機起動時，根據(jù)式（6）可以計算得到：

其中，rrxx為電動機定轉(zhuǎn)子等效漏抗。

2 異步電機軟起動基本條件

根據(jù)異步電機的一般機械特性，有以下關(guān)系式：

其中，M為最大轉(zhuǎn)矩，M為起動轉(zhuǎn)矩，M為額定轉(zhuǎn)矩，I為起動電流，為轉(zhuǎn)差率，K為最大過載倍數(shù)。根據(jù)異步電機的機械特性，可以得到以下特征：

1）異步電機起動電流與端電壓成正比，采用降壓起動方式，起動電流成正比減??；

圖7 異步電機起動時M-n，I-n曲線

采用降壓起動時，異步電機在電壓分別為1.0，0.5，0.25 pu起動時各狀態(tài)變量M-n，I-n曲線如圖7所示。

對此，基于固態(tài)電源轉(zhuǎn)換裝置進行降壓起動時，必須滿足：

例如，對于轉(zhuǎn)矩特性為轉(zhuǎn)速平方負載，有：

3 算法案例

以一臺100 HP異步電機軟起動過程為例，異步電機參數(shù)為：功率=75 kW，線電壓=400 V，頻率=50 Hz，額定轉(zhuǎn)速=1484 rpm，定子內(nèi)阻r1=0.01665 pu，定子漏抗x1=0.04933 pu，轉(zhuǎn)子內(nèi)阻（折算到定子側(cè)）2=0.009804pu，轉(zhuǎn)子漏抗（折算到定子側(cè)）2=0.04933pu，主電抗x=2.224，慣性時間常數(shù)=0.2056 s，摩擦系數(shù)=0.01288 pu，極對數(shù)=2；負載轉(zhuǎn)矩特性為轉(zhuǎn)速平方。

1）計算異步電機起動功率因數(shù)角

根據(jù)給定條件，可以計算得到：

2）計算臨界轉(zhuǎn)差率s和最大過載倍數(shù)K

負載轉(zhuǎn)矩特性為轉(zhuǎn)速平方關(guān)系，根據(jù)式（16）可以計算得到：

按異步電機降壓起動特點，降壓后電機起動電壓和電流最小值應不小于全壓起動時的0.42倍，此時起動轉(zhuǎn)矩為全壓時的0.175倍。

此外，計算的最小允許壓降比還應電機起動能力進行校核。如圖7所示，當K=0.5時，轉(zhuǎn)速大于0.5 pu以后，電機輸出電磁轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩差即加速轉(zhuǎn)矩較小，電機起動時間大幅度延長。因此，需要在許可的條件下，適當增大起動電壓，確保電機快速順利起動。

圖7 異步電機不同降壓比負載特性曲線

4）計算初始時刻最大允許觸發(fā)角

5）計算最小初始觸發(fā)角

6）設(shè)置合適的觸發(fā)角控制策略

對該電機基于固態(tài)電源轉(zhuǎn)換裝置進行降壓起動，得到仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 異步電機降壓起動仿真結(jié)果

仿真結(jié)果顯示，通過基于固態(tài)電源轉(zhuǎn)換裝置進行降壓起動，可以降低異步電機起動電流，相應的電機起動時間較長；較傳統(tǒng)的定子串電抗或Y-△起動，這種起動方式電壓控制更為靈活，可以在起動過程中隨著轉(zhuǎn)速升高減小觸發(fā)角，逐步提升電動機端電壓，提升起動能力，減少起動時間。

4 小結(jié)

本文在分析固態(tài)電源轉(zhuǎn)換裝置主電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了基于固態(tài)電源轉(zhuǎn)換裝置的異步電機軟起動基本原理、算法和工程實現(xiàn)方法。并通過仿真分析初步驗證了技術(shù)的可行性，實現(xiàn)了電源轉(zhuǎn)換控制和軟起動功能一體化，可以為工程推廣應用提供參考。

[1] Reed G. F, Takeda M, and Iyoda I.，Improved power quality solutionsusing advanced solid-state switching and static compensation technologies, Conference Proceedings of PES Winter Meeting, IEEE-PES, 1999, 1132-1137.

[2] Mokhtari H, Dewan S B and Iravani R. Analysis of a statictransfer switch with respect to transfer time. IEEE Transactions on Powr Delivery, 2002, 17(01): 190-199.

[3] 林健, 周延鎖, 魯文其等. 基于觸發(fā)角定時控制的異步電機軟起動控制器設(shè)計[J]. 電機與控制應用, 2018, 45(3).

[4] 李峰, 王貴鋒等. 大功率異步電動機新型軟起動裝置的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 電氣傳動自動化, 2015, 37(04).

Soft starting research on asynchronous motor based on solid-state transfer switches

Shou Haiming, Liu Yunsheng, Guan Tao

(PLA Unit of 92942, Beijing 100161, China)

TM343

A

1003-4862（2022）04-0017-05

2021-09-22

壽海明（1979-），男，工程師。研究方向：主要從事船舶電氣工程研究。E-mail: 13545041920@163.com