郎福成，王琪

（1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006；2.國(guó)家電網(wǎng)公司高電壓強(qiáng)電流實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽(yáng)110006；3.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司,遼寧 撫順 113122）

0 引言

電動(dòng)機(jī)作為工業(yè)生產(chǎn)和人民生活中主要的電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的載體，電動(dòng)機(jī)電能消耗占我國(guó)電力消耗的重要比例，據(jù)設(shè)備工程監(jiān)理國(guó)際合作論壇數(shù)據(jù)顯示：電動(dòng)機(jī)消耗了中國(guó)工業(yè)行業(yè)當(dāng)中60%的電能。電動(dòng)機(jī)具有體積小、效率高、價(jià)格低廉、控制過(guò)程方便、輸出力矩大等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到鋼鐵、冶金、軍事、航空航天和醫(yī)療衛(wèi)生等關(guān)系到工業(yè)發(fā)展和人民生活的各個(gè)領(lǐng)域[1-2]。在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中，如果不施加任何措施在電動(dòng)機(jī)定子繞組兩端直接施加額定電壓起動(dòng)，起動(dòng)瞬間產(chǎn)生較大的沖擊電流，一般能夠達(dá)到額定工作電流的4-7倍，并且轉(zhuǎn)速?gòu)牧阊杆偕仙筋~定轉(zhuǎn)速，瞬時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩、電流對(duì)電動(dòng)機(jī)和負(fù)載都將造成較大損耗，同時(shí)也將嚴(yán)重污染電網(wǎng)質(zhì)量，影響其他用電設(shè)備的安全。

1 電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型

交流異步電動(dòng)機(jī)利用定子與轉(zhuǎn)子之間的電磁耦合實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換，為了對(duì)電動(dòng)機(jī)的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程進(jìn)行定量分析，需要對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行理想化假設(shè)：轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱（磁路在空間上完全對(duì)稱）、鐵芯導(dǎo)磁系數(shù)為常數(shù)（不考慮磁飽和、磁滯、渦流和肌膚效應(yīng)對(duì)導(dǎo)磁系數(shù)的影響）、三相繞組完全對(duì)稱（三個(gè)繞組空間分布電角度為互差120°）、定子與轉(zhuǎn)子表面光滑且產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)為正弦分布，得到電壓方程、電磁轉(zhuǎn)矩方程和運(yùn)動(dòng)方程，如下所示：

交流異步三相定子電壓方程表示為：

（1）式中，uA、uB、uC為電動(dòng)機(jī)A、B、C三相定子電壓，iA、iB、iC為電動(dòng)機(jī)A、B、C三相電流，ΨA、ΨB、ΨC為電動(dòng)機(jī)A、B、C三相繞組磁鏈，RS為定子各相繞組的電阻。

交流異步三相轉(zhuǎn)子繞組折算到定子側(cè)后的電壓方程為：

交流異步電磁轉(zhuǎn)矩方程表示為：

（3）式中，np為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)，θ為角位移。

交流異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)方程式：

（4）式中，TL為負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩；J為機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的電角速度。

2 晶閘管調(diào)壓原理

交流異步電動(dòng)機(jī)晶閘管調(diào)壓技術(shù)是將晶閘管接入交流電源與負(fù)載之間，通過(guò)改變負(fù)載的端電壓實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。晶閘管調(diào)壓主電路圖如圖1所示。斬波調(diào)壓和相位調(diào)壓是兩種常用的交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓技術(shù)。斬波調(diào)壓通過(guò)改變功率器件控制信號(hào)的占空比來(lái)改變電動(dòng)機(jī)繞組端電壓的有效值，斬波調(diào)壓過(guò)程功率器件的通斷頻率不能太低，否則將產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，每一次通電相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)重新啟起動(dòng)過(guò)程。在電源切斷時(shí)，電動(dòng)機(jī)氣隙磁場(chǎng)通過(guò)轉(zhuǎn)子的瞬態(tài)電流來(lái)維持，隨著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，氣隙磁場(chǎng)在定子繞組中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)頻率將有所變化，當(dāng)斷流時(shí)間間隔較長(zhǎng)時(shí)，這個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在定子中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)和重新接通時(shí)的電源電壓在相位上可能會(huì)有很大的差別，這樣就會(huì)出現(xiàn)較大的電流沖擊，可能危及晶閘管的安全。一般晶閘管的工作頻率不高，不能短時(shí)間內(nèi)重復(fù)動(dòng)作，并且晶閘管不能自關(guān)斷，若采用斬波技術(shù)則還需要附加斬波電路，這樣就帶來(lái)裝置復(fù)雜和價(jià)格上升的問(wèn)題。

圖1 晶閘管調(diào)壓主電路圖

相位調(diào)壓利用三對(duì)反并聯(lián)晶閘管組成三相三線交流調(diào)壓電路（如圖1所示）進(jìn)行調(diào)壓，電動(dòng)機(jī)的負(fù)載可以采用星型或角型的連接方式。控制門極脈沖信號(hào)的相位變化來(lái)控制端電壓的幅值，晶閘管的導(dǎo)通角度直接決定輸出電壓的幅值。晶閘管的導(dǎo)通角度與控制角反比變化，控制角度越小，輸出電壓越大。只需在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中通過(guò)控制晶閘管控制角的大小，就可使電動(dòng)機(jī)的端電壓和起動(dòng)電流根據(jù)工作要求設(shè)定的規(guī)律進(jìn)行變化。這樣，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方式和起動(dòng)電流均可任意調(diào)整和設(shè)置，從而電動(dòng)機(jī)可以獲得優(yōu)良的起動(dòng)過(guò)程[3]。因此，其實(shí)質(zhì)是降壓起動(dòng)，與傳統(tǒng)降壓起動(dòng)不同之處是無(wú)機(jī)械觸點(diǎn)，起動(dòng)電壓和起動(dòng)電流任意可調(diào)，可避免直接起動(dòng)時(shí)強(qiáng)烈的起動(dòng)電流沖擊。

圖2 晶閘管移相控制電壓波形

3 控制電路設(shè)計(jì)

在交流異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)裝置控制電路設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先要考慮的是控制效果和安全性能，同時(shí)也要考慮裝置的成本、器件散熱、安裝和后續(xù)維修方便性，盡最大可能實(shí)現(xiàn)性價(jià)比的最大化[4-6]。交流異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)性能主要的衡量指標(biāo)是起動(dòng)電流倍數(shù)和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與定子端電壓的平方成正比，啟動(dòng)電流與定子端電壓成正比，所以通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)定子端電壓就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)起動(dòng)特性的調(diào)節(jié)。在交流異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)裝置控制電路包括主電路、采集單元和控制單元三部分，電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。主電路為電動(dòng)機(jī)繞組供電線路，分為晶閘管組合旁路接觸器兩個(gè)回路（阻容吸收用于濾除電網(wǎng)中的雜質(zhì)），在啟動(dòng)的過(guò)程中電流經(jīng)過(guò)晶閘管組回路，正常工作過(guò)程中電流經(jīng)過(guò)旁路接觸器回路，控制單元發(fā)送指令通過(guò)轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)兩個(gè)回路之間的切換。采集單元用于采集晶閘管組的溫度信號(hào)、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)、主電路的電壓和電流信號(hào)，并經(jīng)過(guò)信號(hào)濾波和放大后發(fā)送給控制單元，同時(shí)采集單元的驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)的信號(hào)放大和隔離作用，接收控制單元單的動(dòng)作信號(hào)并進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，為晶閘管組的通斷狀態(tài)提供動(dòng)作信號(hào)?？刂茊卧械膯纹瑱C(jī)用于接收采集單元的信號(hào)，并進(jìn)行運(yùn)算和處理，得到晶閘管組溫度、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、主電路電壓和電流值，在顯示模塊、存儲(chǔ)模塊上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)，在設(shè)備故障情況下通過(guò)報(bào)警模塊進(jìn)行報(bào)警，利用通訊模塊與上位機(jī)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、動(dòng)作指令的通訊。

圖3 交流異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)裝置控制電路框圖

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電網(wǎng)中的諧波問(wèn)題日益嚴(yán)重，許多低功率因數(shù)的電力電子裝置給電網(wǎng)帶來(lái)額外負(fù)擔(dān)并影響供電質(zhì)量，因此，電力電子裝置的諧波污染已成為阻礙電力電子技術(shù)發(fā)展的重大障礙，諧波治理問(wèn)題已經(jīng)迫在眉睫。關(guān)于諧波污染的治理需要從法制和技術(shù)兩方面著手，從法制角度進(jìn)行限制，諧波在允許范圍內(nèi)方可入網(wǎng)，未達(dá)標(biāo)的必須采取治理措施，以防諧波擴(kuò)散。從技術(shù)角度對(duì)諧波治理一方面對(duì)產(chǎn)生諧波裝置本身進(jìn)行改進(jìn)，使其不產(chǎn)生諧波，另一方面在電力系統(tǒng)或諧波負(fù)載的交流側(cè)加裝濾波裝置，通過(guò)外加設(shè)備對(duì)電網(wǎng)實(shí)施諧波補(bǔ)償。晶閘管在移相調(diào)壓過(guò)程中輸出電壓波形已經(jīng)不是正弦波（不含有偶次諧波，奇次諧波主要以三次諧波為主），在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中容易附加損耗，也會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、發(fā)熱嚴(yán)重等其他問(wèn)題，同時(shí)也將影響其他用電設(shè)備正常工作和對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的質(zhì)量造成嚴(yán)重污染[9]。根據(jù)交流異步電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)裝置控制電路工作原理、諧波特點(diǎn)和預(yù)算成本角度綜合考慮，選用無(wú)源濾波技術(shù)進(jìn)行諧波治理。無(wú)源濾波技術(shù)采用電力電容器、電抗器和電阻器按功能要求適當(dāng)組合,在系統(tǒng)中為諧波提供并聯(lián)低阻通路,起到濾波作用。諧波的綜合治理工作勢(shì)在必行[10]。消除電力電子裝置諧波污染的工作，可稱之為電力電子技術(shù)應(yīng)用的“綠色工程”。

4 結(jié)論

在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域，軟啟動(dòng)技術(shù)以其價(jià)格低廉和性能優(yōu)越的優(yōu)勢(shì)一直都是該領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。利用單片機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程有效控制，具有平穩(wěn)起動(dòng)、沖擊電流小、節(jié)能環(huán)保等有點(diǎn)，在交流異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)技術(shù)中獲得廣泛應(yīng)用。

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