基于絕緣壽命及沖擊電流諧波的感應電機電源最佳投切角度研究

李東輝

（遼寧省電力有限公司葫蘆島供電公司，遼寧葫蘆島125000）

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基于絕緣壽命及沖擊電流諧波的感應電機電源最佳投切角度研究

李東輝

（遼寧省電力有限公司葫蘆島供電公司，遼寧葫蘆島125000）

通過采用繞組發熱對絕緣壽命影響及沖擊電流諧波對電機本身及附近電氣設備影響兩種不同分析思想對感應電機電源轉換最佳投切角進行分析，研究如何選擇最佳的投切角度以降低異步電機在電源投切過程中產生的沖擊電流。

電機電源；投切角度

引言

根據工作實踐經驗的積累和實踐情況分析，主要研究確定投切角度的傳統方法是對異步電機進行建模，分析不同投切角度下沖擊電流峰值的大小得到最佳投切角。但該種方法對單相電機較為適用，如果所研究對象是三相異步電機，由于各相沖擊電流的幅值和相位不同，因此很難判斷該投切角度下所產生的沖擊電流對電機影響最小。本文通過建立三相異步電機的數學模型，進而得到異步電機在橫轉速條件下投切電源時的三相沖擊電流及其對應電流諧波的總失真THD。最后從沖擊電流對絕緣壽命影響及沖擊電流諧波總失真THD對電機本身及周圍電氣設備影響兩個方面分別給出了感應電機最佳投切角度。

1　電機模型的建立

為了保證負載工作的連續性，要求在轉速未下降到負載不能正常工作之前將電機投切到備用電源。因此為了分析方便，假設電機在投切到備用電源過程中轉速始終保持同步轉速wr不變。同時，考慮到異步電動機是一個及其復雜的系統，其中涉及到力、電、磁之間的轉換，因此三相異步電動機的數學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統。為了使問題簡化，在建立異步電動機數學模型時做如下假設；1）氣隙磁通密度在空間按正弦分布，忽略磁場的高次諧波；2）忽略鐵心損耗及銅耗；3）不考慮頻率和溫度變化對繞組電阻的影響；4）不計轉子繞組積流效應與異步電動機結構方面帶來的非線性問題；5）斷電后及投切過程中異步電機始終保持同步速wr，因此在此過程中電磁轉矩方程可忽略。

2　沖擊電流熱效應對絕緣壽命影響分析

沖擊電流熱效應產生的主要影響表現在其對繞組絕緣造成的絕緣損耗。雖然在橫轉速條件下進行投切，其單次投切產生的的沖擊電流熱效應不足以破壞電機繞組絕緣，但如果考慮其絕緣損耗的長期累積作用，累積的絕緣損耗也會使其絕緣壽命受到影響。

2.1諧波對電機本身及電氣設備影響角度分析

在感應電機投切過程中，如果投切不當，在產生較大沖擊電流的同時會產生很嚴重的諧波干擾，對用電設備及電機本身造成影響。諧波對用電設備及電機影響主要表現在如下幾個方面：1）諧波增加電動機的附加損耗，降低效率，使電動機發熱增加；2）使電動機產生脈動力矩、機械振動、噪聲及諧波過電壓；3）容易導致繼電保護和自動裝置誤動作，并會使電力測量不準確；4）對弱電系統造成干擾；

2.2綜合考慮兩種因素作用下的投切角度選擇

從上述分析可以看出，對于單獨考慮沖擊電流熱效應對繞組絕緣影響或諧波影響時，電源的最佳投切角度有所差別。但考慮到異步電機同步速投切產生的沖擊電流過渡過程較短，而且不屬于頻繁投切，因此沖擊電流產生的絕緣損耗對電機的影響相比諧波的影響低。當必須考慮兩種情況共同作用下投切角度的選擇時，可根據兩種情況的重要程度，采取權系數的方法確定投切角。

式中：α為考慮兩種情況作用下的投切角；ω1，ω2分別為兩種情況所對應的權系數，視條件而定，其中ω1+ω2=1；f1，f2分別為發熱產生的絕緣損耗及諧波THD歸一化后對應的函數。

由（1）式可以很容易知道，當忽略諧波影響而主要考慮發熱對繞組絕緣產生的作用時，可取ω1=1，ω2=0。而當忽略絕緣損耗而只考慮諧波影響時，可取ω1=0，ω2=1。而當ω1，ω2在（0，1）之間選擇時，其決定的最佳投切角介于f1，f2所確定的最佳投切角之間，其具體值視兩種情況影響的強弱也即是ω1，ω2兩個權值的大小而定。

3　結論

本文通過采用繞組發熱對絕緣壽命影響及沖擊電流諧波對電機本身及附近電氣設備影響兩種不同分析思想對感應電機電源轉換最佳投切角進行分析，通過分析可以得到如下結論：1）采用繞組發熱對繞組絕緣損害的分析思想，可以得出當投切角在45°、105°、165°附近選擇時，可使繞組發熱對繞組絕緣損害程度降低；2）采用諧波電流對電機及其他電氣設備影響的分析思想，可以得出當投切角選擇在0°、60°、120°、180°附近時，各相諧波及總諧波THD可將為最低，對電機及其他電氣設備影響降低。3）當用戶所關注的側重點不同時，可設計控制器采取不同的投切方式。如用戶關注諧波對電機本身及周圍敏感電氣設備的影響時，可以采用諧波投切模式，即在0°、60°、120°、180°附近投切；如用戶關注發熱對絕緣影響時，可采用發熱投切模式，即在45°、105°、165°附近投切。如用戶即關心發熱對電氣絕緣壽命的影響，又要兼顧諧波影響，用戶可通過對電機工作環境及周圍電氣設備對諧波的敏感程度的對比，選擇較為適合的投切角度。

（編輯：王璐）

Optimal Switching Angle for Induction Motor Power based on Insulation Life and Impact Current Harmonic

Li Donghui
（Huludao Power Supply Company，Liaoning Electric Power Supply Co.，Ltd.，Huludao Liaoning 125000）

Byadopting the effect of windingheat on insulation life and the effect ofimpact current harmonic on motor itselfand electrical equipment，this paper analyzes optimum switching angle conversion ofinduction motor power，studies howto choose the best switchingangle to reduce inrush current of asynchronous motors produced in the process ofpower switching.

motor power；switching angle

TM711

A

2095-0748（2015）22-0039-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2015.22.16

2015-10-20

李東輝（1977—），男，遼寧葫蘆島人，本科，工程師，研究方向：電機電源最佳投切角度研究。