基于固态电源转换的异步电机软起动研究

寿海明，刘云生，关 涛

基于固态电源转换的异步电机软起动研究

寿海明，刘云生，关 涛

（中国人民解放军92942部队，北京 100161）

本文介绍了高速固态电源转换装置的基本原理及算法，提出了异步电机软起动基本条件，以一台100 HP异步电机软起动过程为例描述了软起动实现方法，通过仿真分析初步验证了技术的可行性，实现了电源转换控制和软起动功能一体化。

固态电源转换 晶闸管 异步电机 软起动

0 引言

电源转换装置主要用于两路供电电源转换，在转换电源期间间断或不间断地向负载供电。作为重要负荷的可靠供电装置，电源转换装置已在民用建筑和船舶电气等工程中得到了广泛的应用。固态电源转换装置利用晶闸管电流过零自动关断特性实现两路电源的快速转换，转换时间可以控制在10 ms以内，为计算机、控制器等信息化设备双路电源不间断供电转换提供了有效技术途径[1, 2]。但对于电动机负载，由于电动机断电后，主用电源、备用电源、电动机残压存在相位差，直接投入将产生较大的冲击电流，转换过程中需要实时检测各端电压相位，通过控制电动机残压相位和备用电源相位“准同步”时实施转换，尽量减少转换冲击电流。

此外，利用固态电源转换装置晶闸管的控制特性，通过控制三相反并联晶闸管导通顺序和导通角，也可以对异步电机起动时的输入端电压有效值进行控制，从而减小异步电机起动冲击电流，达到降压起动的目的[3, 4]。

1 基本原理及算法

典型固态电源转换装置主电路单线图如图1所示。

图1 典型固态电源转换装置主电路单线图

图2 固态转换开关起动电动机时主电路拓扑

表1 电阻负载时晶闸管12种导通状态

图4 电动机负载起动时电压电流波形图

图4中电压波形蓝绿线重叠部分为过渡工作模式状态（对应Mode6-1、Mode1-2、Mode2-3、Mode3-4、Mode4-5、Mode5-6），此时有晶闸管处于3管导通，uuu与电源电压一致；蓝绿线不重叠部分为正常模式状态（对应Mode1、Mode2、Mode3、Mode4、Mode5、Mode6），此时晶闸管处于2管导通，uuu分别为对应电源线电压的一半或零。

表2 电动机负载时晶闸管12种导通状态

图5 降压比关系曲线图

图6 电动机负载时的电压电流波形

对于异步电机起动时，根据式（6）可以计算得到：

其中，rrxx为电动机定转子等效漏抗。

2 异步电机软起动基本条件

根据异步电机的一般机械特性，有以下关系式：

其中，M为最大转矩，M为起动转矩，M为额定转矩，I为起动电流，为转差率，K为最大过载倍数。根据异步电机的机械特性，可以得到以下特征：

1）异步电机起动电流与端电压成正比，采用降压起动方式，起动电流成正比减小；

图7 异步电机起动时M-n，I-n曲线

采用降压起动时，异步电机在电压分别为1.0，0.5，0.25 pu起动时各状态变量M-n，I-n曲线如图7所示。

对此，基于固态电源转换装置进行降压起动时，必须满足：

例如，对于转矩特性为转速平方负载，有：

3 算法案例

以一台100 HP异步电机软起动过程为例，异步电机参数为：功率=75 kW，线电压=400 V，频率=50 Hz，额定转速=1484 rpm，定子内阻r1=0.01665 pu，定子漏抗x1=0.04933 pu，转子内阻（折算到定子侧）2=0.009804pu，转子漏抗（折算到定子侧）2=0.04933pu，主电抗x=2.224，惯性时间常数=0.2056 s，摩擦系数=0.01288 pu，极对数=2；负载转矩特性为转速平方。

1）计算异步电机起动功率因数角

根据给定条件，可以计算得到：

2）计算临界转差率s和最大过载倍数K

负载转矩特性为转速平方关系，根据式（16）可以计算得到：

按异步电机降压起动特点，降压后电机起动电压和电流最小值应不小于全压起动时的0.42倍，此时起动转矩为全压时的0.175倍。

此外，计算的最小允许压降比还应电机起动能力进行校核。如图7所示，当K=0.5时，转速大于0.5 pu以后，电机输出电磁转矩和负载转矩差即加速转矩较小，电机起动时间大幅度延长。因此，需要在许可的条件下，适当增大起动电压，确保电机快速顺利起动。

图7 异步电机不同降压比负载特性曲线

4）计算初始时刻最大允许触发角

5）计算最小初始触发角

6）设置合适的触发角控制策略

对该电机基于固态电源转换装置进行降压起动，得到仿真结果如图8所示。

图8 异步电机降压起动仿真结果

仿真结果显示，通过基于固态电源转换装置进行降压起动，可以降低异步电机起动电流，相应的电机起动时间较长；较传统的定子串电抗或Y-△起动，这种起动方式电压控制更为灵活，可以在起动过程中随着转速升高减小触发角，逐步提升电动机端电压，提升起动能力，减少起动时间。

4 小结

本文在分析固态电源转换装置主电路结构的基础上，提出了基于固态电源转换装置的异步电机软起动基本原理、算法和工程实现方法。并通过仿真分析初步验证了技术的可行性，实现了电源转换控制和软起动功能一体化，可以为工程推广应用提供参考。

[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, 周延锁, 鲁文其等. 基于触发角定时控制的异步电机软起动控制器设计[J]. 电机与控制应用, 2018, 45(3).

[4] 李峰, 王贵锋等. 大功率异步电动机新型软起动装置的设计与实现[J]. 电气传动自动化, 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

寿海明（1979-），男，工程师。研究方向：主要从事船舶电气工程研究。E-mail: 13545041920@163.com