某三相電動機雙電源轉換裝置及控制方法

（上海船舶設備研究所，上海200031）

張艷軍，何 必，許飛明

0 引言

在重要電動機拖動控制系統中，用電負荷常配置2個電源，即主用電源和備用電源。基于某種原因，如果主用電源故障，需要快速切換至備用電源并維持供電，修復后再切換到主用電源，以保證負載不停電運行，提高供電的可靠性。因此需要雙電源快速轉換裝置來實現這一功能。

感應電動機在發生故障后或特定的運行控制方式下，短時間斷電后再重新投入電源，往往會帶來較大的電流與轉矩的沖擊[1-4]。根據斷電時間和負載條件的不同，重投入所產生的過渡過程也不同，分為以下3種情況：1）若斷電時間極短，電動機定子殘壓的大小和相位與電源電壓相差不大，則再投入基本沒有沖擊電流；2）如果斷電時間較長且轉速已大幅度下降時投入電源，無論有無殘壓的影響，電動機都需要經歷一個涌流持續數秒的機電動態過程，才能恢復到正常工作狀態；3）對于轉動慣量較大的情況，電動機反電勢可能與備電相位相反，如果將三相電源同時投入的話，會產生較大的瞬態沖擊電流，可達直接啟動電流的2倍，對電機傷害較大。

近年來，學者們針對雙電源轉換裝置的拓撲結構及控制方法展開了研究[5-8]。雙電源轉換開關分為自動轉換開關（Atuo Transfer Switch，ATS）和靜態轉換開關（Static Transfer Switch，STS）。ATS為機械轉換開關，轉換時間長，STS為電子轉換開關，轉換時間可控制在10 ms以內。為減小電流和轉矩的沖擊，限制切換沖擊電流在直接啟動電流以內，學者們提出了分相投入控制策略[9]。根據電機參數計算得出兩相最佳晶閘管觸發角和第三相最佳晶閘管觸發角，可以抑制沖擊電流，但嚴重依賴電機的本體參數，推廣應用多有不便，且轉換時間達到100 ms，轉換時間過長，不能應用在對轉換時間要求高的場合。

本文提出了一種三相電動機雙電源轉換裝置，配置常規的兩組由固態開關組成的切換單元外，還配置換相單元，根據三相電動機的反電動勢與備電電源的相位差的大小進行換相，換相后的相位差不大于60°，切換時電壓差不大于額定電壓，確保切換沖擊電流不大于三相交流異步電機直接啟動電流，不會對電機造成傷害。

1 系統結構

一種三相電動機雙電源轉換裝置見圖1，包括輸入第一切換單元、第二切換單元、換相單元、機械轉換開關和控制單元。

圖1 系統結構框圖

第一切換單元和第二切換單元作為電源切換的執行核心單元，各由3只固態開關構成。固態開關主要由反并聯的晶閘管和隔離驅動組成，可以在驅動信號為高電平時瞬時開通，在驅動信號為低電平時，電流過零關斷，具有較高的耐電壓和短時耐電流能力。

換相單元一端連接第一切換單元、第二切換單元，一端連接機械轉換開關。換相單元由9只固態開關構成，3只固態開關作為一組，分別與第一切換單元和第二切換單元的公共輸出A、B、C三相連接，每組的輸出端連接在一起，分別與機械轉換開關的S0觸點A、B、C相接。通過控制9只固態開關的導通和關斷，可以在切換時使備用電源和三相交流異步電機反電動勢相位差最小，控制在60°以內，抑制切換沖擊電流。

機械轉換開關SO觸點端連接換相單元的輸出端，S1觸點端連接三相交流電源1（主用電源），S2觸點端連接三相交流電源2（備用電源），輸出端連接三相電動機。機械轉換開關為三位置轉換開關，分為S0、S1、S2位置，不同的位置，不同的觸點與輸出端相通，其余位置的觸點不導通。自動工作模式下，機械轉換開關處于S0位，S0觸點導通，將換相單元的輸出與負載相接。當第一切換單元或第二切換單元發生故障，切換到應急模式，可以將機械轉換開關旋至S1位置，S1觸點導通，三相交流電源1（主用電源）通過機械開關為三相交流異步電機供電。同樣，可以將機械轉換開關旋至S2位置，S2觸點導通，三相交流電源2（備用電源）通過機械開關為三相交流異步電機供電。機械轉換開關的作用為在應急模式下為負載供電，提高了裝置供電的連續性。

控制單元作為控制方法載體，控制固態開關的開通和關斷，是實現快速切換的“大腦”，具有重要的作用。控制單元由控制板、自動/應急工作模式選擇開關、人機交互終端組成。

控制板接收自動/應急工作模式選擇開關的控制信息，檢測主電電壓電流、備電電壓電流和負載電壓電流，經過控制方法，產生相應的驅動信號，控制第一切換單元、第二切換單元和調相單元的固態開關的開通和關斷，實現切換功能。

自動/應急工作模式選擇開關設置在裝置面板上，分為自動工作模式和應急工作模式兩種模式，可以人為選擇裝置運行模式。正常情況下選擇自動工作模式，發生故障時的應急情況下，選擇應急工作模式。

人機交互終端將控制板采集的相關運行信息、故障信息、供電信息等通過CAN通信進行顯示，直觀顯示裝置的運行狀態、故障情況和供電情況。

2 三相電動機雙電源轉換沖擊電流產生的機理分析

三相電動機主電斷電后，轉速由于轉動慣量的存在，不會立即降為0。轉子旋轉切割磁力線，在輸入端產生感應電動勢，形成“殘壓”。殘壓的幅值和頻率大小隨轉速的降低而降低。殘壓的公式為

式中：e為殘壓；E為殘壓幅值；ωe為殘壓角速度，與轉速相關；φe為殘壓相位。

投入的備電電壓與三相電動機殘壓之間的電壓差定義為沖擊電壓Δu，則

式中：u2=U2sin(ω2t+φ2)；Δu為沖擊電壓；ΔU為沖擊電壓幅值；ω為沖擊電壓角速度；θ為沖擊電壓相位。殘壓、備電電壓和沖擊電壓的向量圖見圖2。

圖2 沖擊電壓向量圖

沖擊電壓在電機內阻抗上產生沖擊電流，在電機內阻抗一定的情況下，沖擊電壓決定了沖擊電流的大小。沖擊電壓越小，沖擊電流就越小。備電電壓相位與殘壓相位相等時，沖擊電壓最小，小于額定電壓，產生的沖擊電流小于直接啟動電流。備電電壓相位與殘壓相位反向時，沖擊電壓最大，可達到2倍額定電壓，產生2倍直接啟動電流，可能會損壞電動機。因此，控制切換時的沖擊電壓是抑制沖擊電流的有效措施。

3 雙電源轉換控制方法

本控制方法采用基于供電狀態控制法，闡述了應急模式和自動模式下雙電源轉換控制方法，見圖3。

圖3 控制框圖

1）判斷裝置工作模式，若為應急模式，關閉第一切換單元、第二切換單元和換相單元的固態開關，人工通過機械開關進行為負載供電。若將機械轉換開關旋至S1位置，S1觸點導通，三相交流電源1（主用電源）通過機械開關為三相交流異步電機供電。同樣，可以將機械轉換開關旋至S2位置，S2觸點導通，三相交流電源2（備用電源）通過機械開關為三相交流異步電機供電。若為自動模式，執行步驟2。

2）判斷裝置現在為何種供電狀態，是主電供電狀態、備電供電狀態或主備均不供電狀態。若為主電供電狀態，執行步驟3；若為備電供電狀態，執行步驟4；若為主備均不供電狀態，執行步驟5。

3）主電供電狀態下，判斷主電是否斷電。若檢測到主電斷電，關閉第一切換單元的固態開關（SSR1～SSR3），根據備電與負載反電動勢相位差根據調相方法開通相應的調相單元的固態開關，進行調相，然后開通第二切換單元的固態開關（SSR4～SSR6），切換到備電供電狀態，執行步驟4。

所述的調相方法遵循“相位差最小原則”和“相序不變原則”。通過調相后，備電與負載反電動勢相位差最小，A4、B4、C4相位依次超前120°，相序保持不變。

式中：Δθ為備用電源與殘壓相位差；φ2為備用電源相位。

當-180°≤Δθ＜-60°時，SSR9、SSR10，SSR14開通，其余調相單元的固態開關關閉；調相后，A4=C3、B4=A3、C4=B3，A4、B4、C4與A5、B5、C5的相位差在±60°以內。

當-60°≤Δθ＜60°時，SSR7、SSR11，SSR15開通，其余調相單元的固態開關關閉；調相后，A4=A3, B4=B3, C4=C3，A4、B4、C4與A5、B5、C5的相位差在±60°以內。

當60°Δθ＜180°時，SSR8、SSR12，SSR13開通，其余調相單元的固態開關關閉；調相后，A4=B3、B4=C3、C4=A3，A4、B4、C4與A5、B5、C5的相位差在±60°以內。

經過調相后，轉換時相位差在±60°以內，轉換時沖擊電壓不大于額定電壓，轉換沖擊電流不大于直接啟動電流，對電機不造成永久傷害。

4）備電供電狀態下，判斷主電是否恢復。若檢測到主電恢復到95%主電電壓，等待主備電相位差在9°以內后關閉第二切換單元的固態開關，待第二切換單元電流過零關斷后開啟第一切換單元的固態開關，切換到主電供電狀態，執行步驟3。

5）主備均不供電狀態下，首先判斷主電是否正常。若主電正常，開通第一切換單元的固態開關關閉第二切換單元的固態開關，切換到主電供電狀態，執行步驟3；若主電斷電，備電正常，開通第二切換單元的固態開關關閉第一切換單元的固態開關，切換到備電供電狀態，執行步驟4；若主備電均斷電，切換到主備電均不供電狀態，執行步驟5。

4 仿真驗證

為驗證三相電動機雙電源轉換裝置轉換效果，采用PSIM仿真軟件進行仿真驗證。三相異步電動機參數為：4極，RS=2.98 Ω，LS=6.17 mH，Rr=1.9 Ω，Lr=12.11 mH，Lr=271 mH。主備電均為三相380 V、50 Hz交流電，主備電之間的相位差可調。

圖4為三相異步電動機直接啟動的電壓及電流波形，可以看出電機直接啟動電流峰值為44 A。

圖4 三相電動機直接啟動電流、電壓波形

圖5為主備電相位相差180°時主備電切換波形，其中主備電相位相差180°，經過調相后，主備電相位相差60°。切換沖擊電流為38 A，小于直接啟動電流峰值。

圖5 主備電相位相差180°時主備電切換波形

仿真試驗結果表明，主備電相位差越接近0°或120°，轉換沖擊越小，符合以上理論分析。

5 試驗驗證

為了進一步驗證以上控制方法的正確性，研制了1臺10 kVA的三相電動機雙電源轉換裝置試驗樣機，進行了轉換試驗。主用電源為三相市電，備用電源為75 kVA三相交流電源，頻率及相位可調。負載為2.2 kW三相電動機。

圖6為主電斷電，自動轉換到備電的試驗波形。圖6(a)為主備電相位差0°時轉換波形，由于主備電相位一致，切換過程中幾乎無沖擊電流，切換前后三相電動機的AB線電壓相位不變。圖6(b)為主備電相位差180°時轉換波形，切換沖擊電流峰值為45 A，不大于三相電動機直接啟動電流峰值。切換前后三相電動機的AB線電壓相位相差60°左右，是換相單元換相的結果，將主備電180°的相位差調整到60°的相位差。試驗結果顯示切換時間小于7 ms，切換中沖擊電流小于三相電動機直接啟動電流峰值，驗證了三相電動機雙電源轉換裝置控制方法的有效性。

圖6 主備電切換試驗波形

6 結論

本文提出了一種三相電動機雙電源轉換裝置，采用換相單元，將沖擊電壓相位控制在±60°以內，確保轉換沖擊電流不大于電動機直接啟動電流。研制了一臺10 kW試驗樣機，試驗結果驗證了雙電源轉換裝置轉換的快速性和抑制沖擊電流的有效性。本三相電動機雙電源轉換裝置適用于可以直接啟動的小功率三相電動機，具有較好的應用前景。