高壓電機串聯三重化軟起動方法的研究

章 穗， 周文強， 許正望, 蘇 威

(1 湖北工業大學電氣與電子工程學院， 湖北 武漢 430068；2 湖北工業大學太陽能高效利用湖北省協同創新中心， 湖北 武漢 430068；3 國網湖北省電力公司鄂州供電公司， 湖北 鄂州 436007)

高壓電機串聯三重化軟起動方法的研究

章 穗1,2， 周文強1,2， 許正望1,2, 蘇 威1，3

(1 湖北工業大學電氣與電子工程學院， 湖北 武漢 430068；2 湖北工業大學太陽能高效利用湖北省協同創新中心， 湖北 武漢 430068；3 國網湖北省電力公司鄂州供電公司， 湖北 鄂州 436007)

在電機起動過程中，為了使其電流更加接近于正弦波，降低諧波含量，減少對電網的污染，延長電機的使用壽命，在開關變壓器軟起動結構的基礎上，將傳統反并聯結構改為短路橋結構，并引入多重化技術。分析表明，短路橋結構較反并聯結構具有同樣的起動性能，而且更容易實現多重化，同時軟起動器可以方便地與電網進行隔離。通過仿真，比較了在兩種起動方法下電流的總的諧波畸變率和起動轉矩，結果表明，串聯三重化結構除了可以解決高壓大容量電機起動時開關管串聯均壓問題外，起動過程中電流諧波含量較普通開關變壓器軟起動有大幅度的改善，同時轉矩沖擊大為減少。

軟起動； 串聯三重化； 總的諧波畸變率； 整流橋

隨著國民經濟的不斷發展，各行各業生產規模的不斷擴大，作為工業主要動力源的大型電機的使用越來越普遍。對于高壓大容量的電機，若采取直接起動的方式，會產生很大的起動電流，一般可以達到電機額定電流的5～7倍，有的甚至可達到10倍以上，在電網上會產生很大的壓降，同時會影響同網其他設備的正常運行，甚至無法起動電機[1]。全壓起動時過大的起動轉矩會造成嚴重的機械沖擊，甚至損壞電機和拖動設備。為了改善大型電機的起動性能，通常采用軟起動裝置。傳統的星-三角、變極等起動方法在一定程度上可以限制起動電流，但是其并非連續地對電機的定子電壓進行調節，在電機的起動過程中存在二次電流沖擊的問題，而基于開關變壓器的軟起動技術避免了高壓情況下開關器件的串聯均壓問題，提高了系統的可靠性。雖然其起動性能與變頻軟起動相比還有待改進，但是其成本遠低于變頻軟起動，可靠性也比變頻軟起動高[2]。但是開關變壓器起動電流諧波含量較高，對電網、電機都會產生較大的影響。

本文針對高壓大容量電機的軟起動問題，將多重化技術引入到基于開關變壓器的電機軟起動技術中，可以減少電機交流側輸入電流的諧波含量，從而降低電機的發熱、機械振動而延長電機的使用壽命，同時減少對電網造成的諧波污染。

1 工作原理

1.1 三相交流調壓工作原理

圖1是三相交流調壓電路中運用最為廣泛的無中線星形調壓電路，采用電阻作為其負載。在電路中要形成通路，三相中至少要有兩相導通，故應采用寬脈沖或雙脈沖觸發。晶閘管的觸發順序和三相橋式全控整流電路一樣為VT1～VT6，依次相差60°,三相的觸發脈沖依次相差120°,同一相的兩個反并聯晶閘管觸發脈沖相差180°，觸發角α的變化區間為0°～150°[3]。

在任一時刻，圖1中晶閘管的工作情況分三種：

1)當0°≤α<60°，電路處于三個晶閘管和兩個晶閘管交替導通的狀態，每個晶閘管導通角為180°-α。

2)當60°≤α<90°，任一時刻都是兩個晶閘管處于導通狀態，每個晶閘管的導通角為120°。

=

3)當90°≤α<150°，電路處于無晶閘管導通與兩個晶閘管導通的交替狀態，每個晶閘管導通角為(300-2α)°。

UO=

圖 1 三相無中線星形交流調壓電路

1.2 開關變壓器軟起動工作原理

如圖2所示，當開關變壓器TK是理想變壓器時，u1為原邊電壓，u2為副邊電壓。原邊繞組與電機定子繞組相串聯，副邊繞組與一對反并聯的晶閘管相連。當晶閘管處于截止狀態時，電源電壓全部加在TK的原邊繞組上，電機不能起動。當晶閘管導通時，由于晶閘管管壓降很小，u2也很小，則u1也很小，電源電壓加在定子繞組上，改變晶閘管的觸發角就可改變u1，從而改變加在電機定子繞組上的電壓[4]。使晶閘管的觸發角從小到大改變，則變壓器原邊繞組上的電壓從大到小變化，則加在電機定子繞組上的電壓從小到大變化，從而達到軟起動的目的。由于變壓器的隔離作用，避免了晶閘管串聯均壓的問題，同時工作在開關狀態的變壓器產生的損耗很少，但它的電流諧波含量較大[5]。

2 軟起動電路新結構

目前常用的固態軟起動器主電路結構見圖1，其中VT1～VT6為6只晶閘管，兩兩以反并聯形式構成交流調壓電路。分析圖1所示的主電路，可以對該電路進行改進從而獲得更好的性能。改變調壓器與電機的位置，得到圖3所示的電路，ABC為電網輸入的三相交流電，abc為輸入電機的三相交流電，O為電機定子星型連接的中性點，從圖中的ZL處可以看出，調壓器變成了一個三相整流橋電路，其特別之處在于它的直流輸出側被直接短接。

通過調節晶閘管的觸發角可以改變晶閘管的導通時刻，控制電機定子電壓從而可以改變電機的起動電流，通常在電機起動過程中按照一定的函數關系改變晶閘管觸發導通的時刻，改變電機定子電壓，從而達到軟起動的目的[6]。

圖 2 普通開關變壓器軟起動簡圖

圖 3 調壓器與電機位置變換圖

從圖1很容易看出，電機的每相繞組與每對反并聯的晶閘管相互串聯，依據電路理論，串聯電路中各元件電壓與其在電路中所處的位置無關，改變它們兩者的位置并不會改變系統的工作性能，所以改變軟起動器和電機的位置不會影響電機的起動性能。而且電機與軟起動器位置互換后，軟起動器處于電機之后，可以更方便與電網進行隔離，且“一拖多”實現起來要比原來方便很多，可直接運用三相交流調壓的控制電路、控制方法[7]。

對于高壓大容量電機，可采用開關變壓器的方式降低對晶閘管的耐壓要求，同時避免器件串聯均壓問題，提高系統的可靠性[8]。但普通開關變壓器軟起動器產生的諧波對電網的干擾較大，為減少干擾，可采用多重化技術。

通過一個多輸出的移相變壓器，輸出彼此錯開一定角度的多組三相交流電，再通過多個整流橋相互串聯，可以實現多重化起動高壓電機。以三重化為例，采用新結構的高壓軟起動器原理見圖4，圖中T為3×3移相變壓器，輸出三組三相交流電，它們之間幅值、頻率相等，相位依次相差20°。將變壓器高壓側與電機定子繞組串聯，低壓側的三組線圈分別與三組三相整流橋連接，最后將三組整流橋輸出直流側正負極性順極性連接在一起，通過移相變壓器的作用，達到三重化起動高壓電機的目的，使電機的電流更趨近于正弦波，諧波含量更少，同時整流橋串聯可以提高器件的耐壓值，減少對器件電流容量的需求。

3 串聯三重化高壓電機軟起動建模與仿真

3.1 仿真參數設置

在本仿真模型中，三相電源電壓設置為3464.10V，頻率設置為50Hz，三相之間相位互差120°，電機額定電壓為6kV，電機容量330kW，功率因數0.85，仿真算法采用ode23tb，仿真停止時間設置為6s[9]。由于需要電機定子側引出線接三相整流橋模塊，而SIMULINK模塊庫中并沒有定子有引出線的電機模型，所以使用了一個變比為1∶1的變壓器與一個普通電機模型模擬了該電機模型。由于SIMULINK模塊庫中也沒有3×3移相變壓器，所以采用三相變壓器12端口模塊將3×3移相變壓器模型進行了轉換，達到輸出同樣的效果。圖5為串聯三重化軟起動仿真模型。

圖 4 串聯三重化軟起動簡圖

圖 5 串聯三重化軟起動器仿真模型

3.2 仿真結果及分析

分別對串聯三重化軟起動模型和普通開關變壓器軟起動模型帶電機空載起動過程進行仿真。為了研究多重化結構對電機起動性能的影響，通過相關參數的設置，將電機a相定子繞組的電流的最大值、軟起動時間都設置成相同值，直接比較兩種軟起動模型電機a相定子上電流的總的諧波畸變率(THD)以及起動轉矩。

圖6、7、8的上半部分分別是普通開關變壓器軟起動的電機a相定子電流、電機轉速、電機電磁轉矩。圖6、7、8的下半部分分別是串聯三重化軟起動的電機a相定子電流、電機轉速、電機轉矩。

圖 6 a相定子電流比較

圖 7 轉速比較

圖 8 轉矩比較

由圖6、7可知，兩種軟起動電機a相定子最大電流的有效值均為167A，兩種軟起動起動時間均為3.3s,轉速曲線平滑，穩定轉速均為1500r/min。由圖8，普通開關變壓器軟起動電機的起動轉矩脈動范圍為-3600～5822N·m，而串聯三重化軟起動電機的起動轉矩脈動范圍為-900～2900N·m，提供轉矩及轉矩脈動比全壓直接起動減小明顯，減小電機起動時的轉矩沖擊。由于三相交流異步電機的電磁轉矩與定子電壓的平方成正比，因此當定子電壓減小時，電磁轉矩會大幅減小，而電子軟起動器是采用降壓起動，降低電壓但并不降低頻率，所以利用電子軟起動器起動三相交流異步電機時，電磁轉矩很小，因此它最適用于水泵、風機類負起動或空載起動，不能用于重載起動[10]。通過POWERGUI中的FFT模塊對兩種起動方式電機的a相定子電流進行分析。

圖 9 a相定子電流諧波分析比較

4 結束語

在交流調壓模塊中，推導了三相無中線星形連接的調壓電路在不同觸發角下電阻負載電壓有效值的數學表達式，同時短路橋結構較反并聯結構更容易實現多重化，針對普通開關變壓器軟起動時電流諧波含量較大的問題，采用3×3移相變壓器替代普通的開關變壓器，同時三組整流橋輸出直流側正負極性順極性連接在一起，三重化起動高壓電機，通過仿真比較串聯三重化軟起動較普通開關變壓器軟起動能大幅降低電機定子電流的諧波含量，從而減少對電網、電機的影響，同時減小了電機起動轉矩，減少對電機的轉矩沖擊，改善電機的起動性能。

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[責任編校： 張巖芳]

Method of High Voltage Motor Tandem Triple Soft Start

ZHANG Sui1,2，ZHOU Wenqiang1,2，XU Zhengwang1,2， SU Wei1,3

(1SchoolofElectricalandElectronicEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China; 2HubeiCollaborativeInnovationCenterforHighEfficiencyUtilizationofSolarEnergy,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China； 3StateGridHubeiElectricPowerCompanyEzhoupowersupplycompany，Ezhou436000，China)

In the motor starting process, in order to make the motor current closer to the sine wave, decrease harmonic content,reduce the pollution on the grid and extend the life of the motor, the traditional anti-parallel structure has been changed into short circuit bridge structure and the multi-technology has been introduced on the basis of soft starting structure of switch transformer. Analyses show that the short circuit bridge structure has the same starting characteristics compared with the anti-parallel structure, it is easier to achieve multiplex than anti-parallel structure by simulation, and the comparison of total harmonic distortion of the motor current between the two methods and start torque has been made. The results show that, this structure can solve the series voltage sharing problem in the starting process of high-voltage high-capacity motors; the motor current harmonic content of tandem triple short circuit bridge structure has greatly improved compared with ordinary switch transformer soft starter and the impact of torque has also been greatly reduced.

soft dtart; tandem triple; total harmonic distortion; rectifier

2016-05-24

湖北省自然科學基金(2014CFB581)，太陽能高效利用湖北省協同創新中心開放基金(HBSKFMS2014002)

章 穗(1958-)， 男， 湖北武漢人，湖北工業大學副教授 ,研究方向為電力傳動

周文強(1991-)，男，湖北黃岡人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為電力電子

1003-4684(2017)02-0065-05

TM343

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