高压电机串联三重化软起动方法的研究

章 穗， 周文强， 许正望, 苏 威

(1 湖北工业大学电气与电子工程学院， 湖北 武汉 430068；2 湖北工业大学太阳能高效利用湖北省协同创新中心， 湖北 武汉 430068；3 国网湖北省电力公司鄂州供电公司， 湖北 鄂州 436007)

高压电机串联三重化软起动方法的研究

章 穗1,2， 周文强1,2， 许正望1,2, 苏 威1，3

(1 湖北工业大学电气与电子工程学院， 湖北 武汉 430068；2 湖北工业大学太阳能高效利用湖北省协同创新中心， 湖北 武汉 430068；3 国网湖北省电力公司鄂州供电公司， 湖北 鄂州 436007)

在电机起动过程中，为了使其电流更加接近于正弦波，降低谐波含量，减少对电网的污染，延长电机的使用寿命，在开关变压器软起动结构的基础上，将传统反并联结构改为短路桥结构，并引入多重化技术。分析表明，短路桥结构较反并联结构具有同样的起动性能，而且更容易实现多重化，同时软起动器可以方便地与电网进行隔离。通过仿真，比较了在两种起动方法下电流的总的谐波畸变率和起动转矩，结果表明，串联三重化结构除了可以解决高压大容量电机起动时开关管串联均压问题外，起动过程中电流谐波含量较普通开关变压器软起动有大幅度的改善，同时转矩冲击大为减少。

软起动； 串联三重化； 总的谐波畸变率； 整流桥

随着国民经济的不断发展，各行各业生产规模的不断扩大，作为工业主要动力源的大型电机的使用越来越普遍。对于高压大容量的电机，若采取直接起动的方式，会产生很大的起动电流，一般可以达到电机额定电流的5～7倍，有的甚至可达到10倍以上，在电网上会产生很大的压降，同时会影响同网其他设备的正常运行，甚至无法起动电机[1]。全压起动时过大的起动转矩会造成严重的机械冲击，甚至损坏电机和拖动设备。为了改善大型电机的起动性能，通常采用软起动装置。传统的星-三角、变极等起动方法在一定程度上可以限制起动电流，但是其并非连续地对电机的定子电压进行调节，在电机的起动过程中存在二次电流冲击的问题，而基于开关变压器的软起动技术避免了高压情况下开关器件的串联均压问题，提高了系统的可靠性。虽然其起动性能与变频软起动相比还有待改进，但是其成本远低于变频软起动，可靠性也比变频软起动高[2]。但是开关变压器起动电流谐波含量较高，对电网、电机都会产生较大的影响。

本文针对高压大容量电机的软起动问题，将多重化技术引入到基于开关变压器的电机软起动技术中，可以减少电机交流侧输入电流的谐波含量，从而降低电机的发热、机械振动而延长电机的使用寿命，同时减少对电网造成的谐波污染。

1 工作原理

1.1 三相交流调压工作原理

图1是三相交流调压电路中运用最为广泛的无中线星形调压电路，采用电阻作为其负载。在电路中要形成通路，三相中至少要有两相导通，故应采用宽脉冲或双脉冲触发。晶闸管的触发顺序和三相桥式全控整流电路一样为VT1～VT6，依次相差60°,三相的触发脉冲依次相差120°,同一相的两个反并联晶闸管触发脉冲相差180°，触发角α的变化区间为0°～150°[3]。

在任一时刻，图1中晶闸管的工作情况分三种：

1)当0°≤α<60°，电路处于三个晶闸管和两个晶闸管交替导通的状态，每个晶闸管导通角为180°-α。

2)当60°≤α<90°，任一时刻都是两个晶闸管处于导通状态，每个晶闸管的导通角为120°。

=

3)当90°≤α<150°，电路处于无晶闸管导通与两个晶闸管导通的交替状态，每个晶闸管导通角为(300-2α)°。

UO=

图 1 三相无中线星形交流调压电路

1.2 开关变压器软起动工作原理

如图2所示，当开关变压器TK是理想变压器时，u1为原边电压，u2为副边电压。原边绕组与电机定子绕组相串联，副边绕组与一对反并联的晶闸管相连。当晶闸管处于截止状态时，电源电压全部加在TK的原边绕组上，电机不能起动。当晶闸管导通时，由于晶闸管管压降很小，u2也很小，则u1也很小，电源电压加在定子绕组上，改变晶闸管的触发角就可改变u1，从而改变加在电机定子绕组上的电压[4]。使晶闸管的触发角从小到大改变，则变压器原边绕组上的电压从大到小变化，则加在电机定子绕组上的电压从小到大变化，从而达到软起动的目的。由于变压器的隔离作用，避免了晶闸管串联均压的问题，同时工作在开关状态的变压器产生的损耗很少，但它的电流谐波含量较大[5]。

2 软起动电路新结构

目前常用的固态软起动器主电路结构见图1，其中VT1～VT6为6只晶闸管，两两以反并联形式构成交流调压电路。分析图1所示的主电路，可以对该电路进行改进从而获得更好的性能。改变调压器与电机的位置，得到图3所示的电路，ABC为电网输入的三相交流电，abc为输入电机的三相交流电，O为电机定子星型连接的中性点，从图中的ZL处可以看出，调压器变成了一个三相整流桥电路，其特别之处在于它的直流输出侧被直接短接。

通过调节晶闸管的触发角可以改变晶闸管的导通时刻，控制电机定子电压从而可以改变电机的起动电流，通常在电机起动过程中按照一定的函数关系改变晶闸管触发导通的时刻，改变电机定子电压，从而达到软起动的目的[6]。

图 2 普通开关变压器软起动简图

图 3 调压器与电机位置变换图

从图1很容易看出，电机的每相绕组与每对反并联的晶闸管相互串联，依据电路理论，串联电路中各元件电压与其在电路中所处的位置无关，改变它们两者的位置并不会改变系统的工作性能，所以改变软起动器和电机的位置不会影响电机的起动性能。而且电机与软起动器位置互换后，软起动器处于电机之后，可以更方便与电网进行隔离，且“一拖多”实现起来要比原来方便很多，可直接运用三相交流调压的控制电路、控制方法[7]。

对于高压大容量电机，可采用开关变压器的方式降低对晶闸管的耐压要求，同时避免器件串联均压问题，提高系统的可靠性[8]。但普通开关变压器软起动器产生的谐波对电网的干扰较大，为减少干扰，可采用多重化技术。

通过一个多输出的移相变压器，输出彼此错开一定角度的多组三相交流电，再通过多个整流桥相互串联，可以实现多重化起动高压电机。以三重化为例，采用新结构的高压软起动器原理见图4，图中T为3×3移相变压器，输出三组三相交流电，它们之间幅值、频率相等，相位依次相差20°。将变压器高压侧与电机定子绕组串联，低压侧的三组线圈分别与三组三相整流桥连接，最后将三组整流桥输出直流侧正负极性顺极性连接在一起，通过移相变压器的作用，达到三重化起动高压电机的目的，使电机的电流更趋近于正弦波，谐波含量更少，同时整流桥串联可以提高器件的耐压值，减少对器件电流容量的需求。

3 串联三重化高压电机软起动建模与仿真

3.1 仿真参数设置

在本仿真模型中，三相电源电压设置为3464.10V，频率设置为50Hz，三相之间相位互差120°，电机额定电压为6kV，电机容量330kW，功率因数0.85，仿真算法采用ode23tb，仿真停止时间设置为6s[9]。由于需要电机定子侧引出线接三相整流桥模块，而SIMULINK模块库中并没有定子有引出线的电机模型，所以使用了一个变比为1∶1的变压器与一个普通电机模型模拟了该电机模型。由于SIMULINK模块库中也没有3×3移相变压器，所以采用三相变压器12端口模块将3×3移相变压器模型进行了转换，达到输出同样的效果。图5为串联三重化软起动仿真模型。

图 4 串联三重化软起动简图

图 5 串联三重化软起动器仿真模型

3.2 仿真结果及分析

分别对串联三重化软起动模型和普通开关变压器软起动模型带电机空载起动过程进行仿真。为了研究多重化结构对电机起动性能的影响，通过相关参数的设置，将电机a相定子绕组的电流的最大值、软起动时间都设置成相同值，直接比较两种软起动模型电机a相定子上电流的总的谐波畸变率(THD)以及起动转矩。

图6、7、8的上半部分分别是普通开关变压器软起动的电机a相定子电流、电机转速、电机电磁转矩。图6、7、8的下半部分分别是串联三重化软起动的电机a相定子电流、电机转速、电机转矩。

图 6 a相定子电流比较

图 7 转速比较

图 8 转矩比较

由图6、7可知，两种软起动电机a相定子最大电流的有效值均为167A，两种软起动起动时间均为3.3s,转速曲线平滑，稳定转速均为1500r/min。由图8，普通开关变压器软起动电机的起动转矩脉动范围为-3600～5822N·m，而串联三重化软起动电机的起动转矩脉动范围为-900～2900N·m，提供转矩及转矩脉动比全压直接起动减小明显，减小电机起动时的转矩冲击。由于三相交流异步电机的电磁转矩与定子电压的平方成正比，因此当定子电压减小时，电磁转矩会大幅减小，而电子软起动器是采用降压起动，降低电压但并不降低频率，所以利用电子软起动器起动三相交流异步电机时，电磁转矩很小，因此它最适用于水泵、风机类负起动或空载起动，不能用于重载起动[10]。通过POWERGUI中的FFT模块对两种起动方式电机的a相定子电流进行分析。

图 9 a相定子电流谐波分析比较

4 结束语

在交流调压模块中，推导了三相无中线星形连接的调压电路在不同触发角下电阻负载电压有效值的数学表达式，同时短路桥结构较反并联结构更容易实现多重化，针对普通开关变压器软起动时电流谐波含量较大的问题，采用3×3移相变压器替代普通的开关变压器，同时三组整流桥输出直流侧正负极性顺极性连接在一起，三重化起动高压电机，通过仿真比较串联三重化软起动较普通开关变压器软起动能大幅降低电机定子电流的谐波含量，从而减少对电网、电机的影响，同时减小了电机起动转矩，减少对电机的转矩冲击，改善电机的起动性能。

[1] 宁国云,袁佑新,黄声华,等.大型电机软启动装置性能分析与比较[J].电气传动，2011,41(8):52- 27.

[2] 王乐三.基于开关变压器的软起动技术研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学电气学院,2014.

[3] 王兆安,刘进军.电力电子技术[M],第5版.北京:机械工业出版社,2009:146-147.

[4] 周广钰.开关变压器式软起动装置在泵站工程中的应用[J].自动化技术与应用,2015(8):70-72.

[5] 王宏华.高压大功率异步电机软起动技术综述[J].机械制造与自动化,2014(5):1-5.

[6] 黄鹤.异步电机软起动新技术的研究[D]. 武汉：湖北工业大学,2013.

[7]Xu,Zhengwang,Wang,Hui.Anoveltypeofsolid-statesoft-starter[C]//2012internationalconferenceonmeasurement,instrumentationandautomation[A],ICMIA2012.Germany:Clausthal-Zellerfeld, 2012:738-741.

[8] 王涌.一种大功率异步电机起动方案[J].电气技术,2014(5):94-97.

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[10] 佘致廷,刘志星,董璞. 基于SIMLINK动态仿真模型的高转矩软起动器研究[J].电气传动自动，2003(3):14-17.

[责任编校： 张岩芳]

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

湖北省自然科学基金(2014CFB581)，太阳能高效利用湖北省协同创新中心开放基金(HBSKFMS2014002)

章 穗(1958-)， 男， 湖北武汉人，湖北工业大学副教授 ,研究方向为电力传动

周文强(1991-)，男，湖北黄冈人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为电力电子

1003-4684(2017)02-0065-05

TM343

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