基于绝缘寿命及冲击电流谐波的感应电机电源最佳投切角度研究

李东辉

（辽宁省电力有限公司葫芦岛供电公司，辽宁葫芦岛125000）



基于绝缘寿命及冲击电流谐波的感应电机电源最佳投切角度研究

李东辉

（辽宁省电力有限公司葫芦岛供电公司，辽宁葫芦岛125000）

通过采用绕组发热对绝缘寿命影响及冲击电流谐波对电机本身及附近电气设备影响两种不同分析思想对感应电机电源转换最佳投切角进行分析，研究如何选择最佳的投切角度以降低异步电机在电源投切过程中产生的冲击电流。

电机电源；投切角度

引言

根据工作实践经验的积累和实践情况分析，主要研究确定投切角度的传统方法是对异步电机进行建模，分析不同投切角度下冲击电流峰值的大小得到最佳投切角。但该种方法对单相电机较为适用，如果所研究对象是三相异步电机，由于各相冲击电流的幅值和相位不同，因此很难判断该投切角度下所产生的冲击电流对电机影响最小。本文通过建立三相异步电机的数学模型，进而得到异步电机在横转速条件下投切电源时的三相冲击电流及其对应电流谐波的总失真THD。最后从冲击电流对绝缘寿命影响及冲击电流谐波总失真THD对电机本身及周围电气设备影响两个方面分别给出了感应电机最佳投切角度。

1　电机模型的建立

为了保证负载工作的连续性，要求在转速未下降到负载不能正常工作之前将电机投切到备用电源。因此为了分析方便，假设电机在投切到备用电源过程中转速始终保持同步转速wr不变。同时，考虑到异步电动机是一个及其复杂的系统，其中涉及到力、电、磁之间的转换，因此三相异步电动机的数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统。为了使问题简化，在建立异步电动机数学模型时做如下假设；1）气隙磁通密度在空间按正弦分布，忽略磁场的高次谐波；2）忽略铁心损耗及铜耗；3）不考虑频率和温度变化对绕组电阻的影响；4）不计转子绕组积流效应与异步电动机结构方面带来的非线性问题；5）断电后及投切过程中异步电机始终保持同步速wr，因此在此过程中电磁转矩方程可忽略。

2　冲击电流热效应对绝缘寿命影响分析

冲击电流热效应产生的主要影响表现在其对绕组绝缘造成的绝缘损耗。虽然在横转速条件下进行投切，其单次投切产生的的冲击电流热效应不足以破坏电机绕组绝缘，但如果考虑其绝缘损耗的长期累积作用，累积的绝缘损耗也会使其绝缘寿命受到影响。

2.1谐波对电机本身及电气设备影响角度分析

在感应电机投切过程中，如果投切不当，在产生较大冲击电流的同时会产生很严重的谐波干扰，对用电设备及电机本身造成影响。谐波对用电设备及电机影响主要表现在如下几个方面：1）谐波增加电动机的附加损耗，降低效率，使电动机发热增加；2）使电动机产生脉动力矩、机械振动、噪声及谐波过电压；3）容易导致继电保护和自动装置误动作，并会使电力测量不准确；4）对弱电系统造成干扰；

2.2综合考虑两种因素作用下的投切角度选择

从上述分析可以看出，对于单独考虑冲击电流热效应对绕组绝缘影响或谐波影响时，电源的最佳投切角度有所差别。但考虑到异步电机同步速投切产生的冲击电流过渡过程较短，而且不属于频繁投切，因此冲击电流产生的绝缘损耗对电机的影响相比谐波的影响低。当必须考虑两种情况共同作用下投切角度的选择时，可根据两种情况的重要程度，采取权系数的方法确定投切角。

式中：α为考虑两种情况作用下的投切角；ω1，ω2分别为两种情况所对应的权系数，视条件而定，其中ω1+ω2=1；f1，f2分别为发热产生的绝缘损耗及谐波THD归一化后对应的函数。

由（1）式可以很容易知道，当忽略谐波影响而主要考虑发热对绕组绝缘产生的作用时，可取ω1=1，ω2=0。而当忽略绝缘损耗而只考虑谐波影响时，可取ω1=0，ω2=1。而当ω1，ω2在（0，1）之间选择时，其决定的最佳投切角介于f1，f2所确定的最佳投切角之间，其具体值视两种情况影响的强弱也即是ω1，ω2两个权值的大小而定。

3　结论

本文通过采用绕组发热对绝缘寿命影响及冲击电流谐波对电机本身及附近电气设备影响两种不同分析思想对感应电机电源转换最佳投切角进行分析，通过分析可以得到如下结论：1）采用绕组发热对绕组绝缘损害的分析思想，可以得出当投切角在45°、105°、165°附近选择时，可使绕组发热对绕组绝缘损害程度降低；2）采用谐波电流对电机及其他电气设备影响的分析思想，可以得出当投切角选择在0°、60°、120°、180°附近时，各相谐波及总谐波THD可将为最低，对电机及其他电气设备影响降低。3）当用户所关注的侧重点不同时，可设计控制器采取不同的投切方式。如用户关注谐波对电机本身及周围敏感电气设备的影响时，可以采用谐波投切模式，即在0°、60°、120°、180°附近投切；如用户关注发热对绝缘影响时，可采用发热投切模式，即在45°、105°、165°附近投切。如用户即关心发热对电气绝缘寿命的影响，又要兼顾谐波影响，用户可通过对电机工作环境及周围电气设备对谐波的敏感程度的对比，选择较为适合的投切角度。

（编辑：王璐）

Optimal Switching Angle for Induction Motor Power based on Insulation Life and Impact Current Harmonic

Li Donghui
（Huludao Power Supply Company，Liaoning Electric Power Supply Co.，Ltd.，Huludao Liaoning 125000）

Byadopting the effect of windingheat on insulation life and the effect ofimpact current harmonic on motor itselfand electrical equipment，this paper analyzes optimum switching angle conversion ofinduction motor power，studies howto choose the best switchingangle to reduce inrush current of asynchronous motors produced in the process ofpower switching.

motor power；switching angle

TM711

A

2095-0748（2015）22-0039-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2015.22.16

2015-10-20

李东辉（1977—），男，辽宁葫芦岛人，本科，工程师，研究方向：电机电源最佳投切角度研究。