基于固態電源轉換的異步電機軟起動研究

壽海明，劉云生，關 濤

基于固態電源轉換的異步電機軟起動研究

壽海明，劉云生，關 濤

（中國人民解放軍92942部隊，北京 100161）

本文介紹了高速固態電源轉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方法，通過仿真分析初步驗證了技術的可行性，實現了電源轉換控制和軟起動功能一體化。

固態電源轉換 晶閘管 異步電機 軟起動

0 引言

電源轉換裝置主要用于兩路供電電源轉換，在轉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。固態電源轉換裝置利用晶閘管電流過零自動關斷特性實現兩路電源的快速轉換，轉換時間可以控制在10 ms以內，為計算機、控制器等信息化設備雙路電源不間斷供電轉換提供了有效技術途徑[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，直接投入將產生較大的沖擊電流，轉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”時實施轉換，盡量減少轉換沖擊電流。

此外，利用固態電源轉換裝置晶閘管的控制特性，通過控制三相反并聯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

典型固態電源轉換裝置主電路單線圖如圖1所示。

圖1 典型固態電源轉換裝置主電路單線圖

圖2 固態轉換開關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

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（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（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

圖5 降壓比關系曲線圖

圖6 電動機負載時的電壓電流波形

對于異步電機起動時，根據式（6）可以計算得到：

其中，rrxx為電動機定轉子等效漏抗。

2 異步電機軟起動基本條件

根據異步電機的一般機械特性，有以下關系式：

其中，M為最大轉矩，M為起動轉矩，M為額定轉矩，I為起動電流，為轉差率，K為最大過載倍數。根據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，起動電流成正比減小；

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起動時各狀態變量M-n，I-n曲線如圖7所示。

對此，基于固態電源轉換裝置進行降壓起動時，必須滿足：

例如，對于轉矩特性為轉速平方負載，有：

3 算法案例

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

1）計算異步電機起動功率因數角

根據給定條件，可以計算得到：

2）計算臨界轉差率s和最大過載倍數K

負載轉矩特性為轉速平方關系，根據式（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，轉速大于0.5 pu以后，電機輸出電磁轉矩和負載轉矩差即加速轉矩較小，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角

5）計算最小初始觸發角

6）設置合適的觸發角控制策略

對該電機基于固態電源轉換裝置進行降壓起動，得到仿真結果如圖8所示。

圖8 異步電機降壓起動仿真結果

仿真結果顯示，通過基于固態電源轉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速升高減小觸發角，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

本文在分析固態電源轉換裝置主電路結構的基礎上，提出了基于固態電源轉換裝置的異步電機軟起動基本原理、算法和工程實現方法。并通過仿真分析初步驗證了技術的可行性，實現了電源轉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. 基于觸發角定時控制的異步電機軟起動控制器設計[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計與實現[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