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大功率交流電機軟啟動應用分析
張家口變頻器   2009-05-20 03:16:45 作者:SystemMaster 來源:宏遠工控 文字大小:[][][]

1 前言

  大功率電機在電動機應用中的比例越來越大,其全壓啟動性能較差對電網的影響和電機本身的破壞也越來越大。最早人們采用定子串電阻、電抗器降壓啟動,自偶變壓器降壓啟動,星型-三角形降壓啟動等等。但隨著晶閘管技術的發展,新型的電子軟啟動-三相晶閘管調壓軟啟動器以其較優越的性能,占據大功率交流電機軟啟動的一席之地。

2 三相晶閘管調壓軟啟動原理

圖1 三相晶閘管調壓軟啟動電路結構圖

圖2 三相晶閘管調壓軟啟動系統結構圖

2.1 電路結構
   如圖1所示為三相晶閘管調壓電路原理圖,在每相電路串入一個雙相晶閘管,通過控制晶閘管的導通角,來改變電壓波形,使輸出到電機端的電壓有效值發生變化。
2.2 系統結構
   基于交流電機調速原理的斬波降壓技術,本系統采用西安宏宇電氣有限公司的RSC6M-1作為主控制板。可直接觸發1000A晶閘管。本系統設計功率為200KW。主要系統構件有:三相同步變壓器,三相星型連接的互感器,三相整流橋和RSC6M-1觸發控制板。如+圖2所示。
2.3 控制系統
   三相調壓軟啟動控制系統如圖3所示。

圖3 三相晶閘管調壓軟啟動系統

  圖中,K1、K2為軟啟動控制板內部繼電器,JB1為啟動按鈕,K3為停止按鈕,XD1為故障指示燈,XD2為啟動完成信號燈。當系統內部正常,故障燈XD1不亮時,K1吸合,允許啟動,按下JB1按鈕后,K3繼電器的電自鎖開始啟動。當啟動完成后,K2繼電器吸合,K4繼電器得電自鎖,并使交流接觸器KM吸合,將電機切換都電網電源上,同時啟動完成指示燈亮。
2.4 系統功能簡述
   本應用系統采用電流反饋閉環控制,可實現0~4倍額定電流范圍內的恒流啟動,同時可調節速度檔,使啟動時間在10~180秒范圍內分級可調。除自由停車外,還可以采用軟停車方式,停車時間10~180秒分級可調。
   在實際調試中,以1.5倍額定電流,10秒啟動時間,可發現啟動時間在0~7秒時,電機內發出巨大響聲,電機震動劇烈。諧波轉矩足以將電機轉動(因調試需要,電機連軸器被拆除,只固定一個螺絲)。在啟動至7秒左右,600伏/500安的快熔燒毀。
   在設定額定電流啟動,40秒啟動時間,可發現電機啟動0~10秒內依然有巨大響聲發出,電機震動劇烈。在10秒以后,電機只有較小的震動和響聲。最后完成啟動。

3 諧波分析

  晶閘管觸發角時,啟動輸出電壓較低,在啟動0~7秒范圍內,可作為諧波分析點。電壓波形如圖4示。

圖4 三相調壓觸發角電壓波形

  三相晶閘管調壓軟啟動只改變電源波形,不改變電源的頻率,只分析A相電源五次、七次諧波,即可推出其余兩相電源五次、七次諧波。因三次在空間互差,而時間上互差,故其合成磁場為零,不予考慮。如圖二所示A相電源波形,其函數表達式:(在本文以后提到的電壓單位均為伏特),在晶閘管觸發角 時 ,可求基波電壓系數:

可求得基波電壓函數表達式:

同理可得B、C兩相電壓函數表達式為:

五次諧波電壓分析:

可求得五次諧波電壓:

七次諧波電壓分析:

可求得七次諧波電壓:

 

  由上面分析可知,五次諧波電壓占基波電壓的43%,七次諧波電壓占基波電壓的22%。而五次諧波旋轉方向與基波相反,七次諧波旋轉方向與基波相同。可見,五次諧波的存在,導致氣隙磁場呈橢圓形狀。而七次諧波的存在,又使磁通軌跡幅值運行在一個區間內。這樣,啟動過程中,轉矩在一個區間內變化。最大值與最小值的差值隨導通角的增大而減小。可以推算,在晶閘管導通角越小,輸出電壓越低,諧波含量越大。而橢圓形磁場的存在,最小轉矩比負載轉矩還小,不能拖動負載,而最大轉矩又足以使電機轉動,致使在啟動時,電機發生抖動現象,電機時轉時停,方向不定。啟動起來后,依然有抖動現象。直至啟動完成。

4 仿真分析

  在觸發角時,忽略其它各次諧波,在只有基波,五次,七次諧波影響下的磁通軌跡如圖5所示。由圖可以看出定子磁通軌跡呈橢圓形,長軸近似為短軸的2倍,且存在較多無規律諧波。磁場軌跡仿真曲線與諧波含量的數學分析基本吻合。

圖5 觸發角時三相調壓軟啟動在定子磁通軌跡

5 總結

  三相晶閘管調壓軟啟動器是新型電子軟啟動器,具有電壓連續可調,沖擊電流小的特點。比起串電阻電抗器、自偶變壓器、星型-三角形降壓啟動,三相晶閘管調壓軟啟動器啟動電流小(且可根據需要設定啟動電流倍數)電壓可聯系平滑調節,可用于對轉矩要求較精密的場合。但是,通過上面分析可知,三相晶閘管調壓電子軟啟動器依然存在較大的諧波電壓,啟動過程存在抖動現象。因啟動轉矩正比于啟動電壓的平方,所以對三相晶閘管調壓電子軟啟動器,啟動轉矩小,不適于重載啟動。

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