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大功率交流电机软启动应用分析
张家口变频器   2009-05-20 03:16:45 作者:SystemMaster 来源:宏远工控 文字大小:[][][]

1 前言

  大功率电机在电动机应用中的比例越来越大,其全压启动性能较差对电网的影响和电机本身的破坏也越来越大。最早人们采用定子串电阻、电抗器降压启动,自偶变压器降压启动,星型-三角形降压启动等等。但随着晶闸管技术的发展,新型的电子软启动-三相晶闸管调压软启动器以其较优越的性能,占据大功率交流电机软启动的一席之地。

2 三相晶闸管调压软启动原理

图1 三相晶闸管调压软启动电路结构图

图2 三相晶闸管调压软启动系统结构图

2.1 电路结构
   如图1所示为三相晶闸管调压电路原理图,在每相电路串入一个双相晶闸管,通过控制晶闸管的导通角,来改变电压波形,使输出到电机端的电压有效值发生变化。
2.2 系统结构
   基于交流电机调速原理的斩波降压技术,本系统采用西安宏宇电气有限公司的RSC6M-1作为主控制板。可直接触发1000A晶闸管。本系统设计功率为200KW。主要系统构件有:三相同步变压器,三相星型连接的互感器,三相整流桥和RSC6M-1触发控制板。如+图2所示。
2.3 控制系统
   三相调压软启动控制系统如图3所示。

图3 三相晶闸管调压软启动系统

  图中,K1、K2为软启动控制板内部继电器,JB1为启动按钮,K3为停止按钮,XD1为故障指示灯,XD2为启动完成信号灯。当系统内部正常,故障灯XD1不亮时,K1吸合,允许启动,按下JB1按钮后,K3继电器的电自锁开始启动。当启动完成后,K2继电器吸合,K4继电器得电自锁,并使交流接触器KM吸合,将电机切换都电网电源上,同时启动完成指示灯亮。
2.4 系统功能简述
   本应用系统采用电流反馈闭环控制,可实现0~4倍额定电流范围内的恒流启动,同时可调节速度档,使启动时间在10~180秒范围内分级可调。除自由停车外,还可以采用软停车方式,停车时间10~180秒分级可调。
   在实际调试中,以1.5倍额定电流,10秒启动时间,可发现启动时间在0~7秒时,电机内发出巨大响声,电机震动剧烈。谐波转矩足以将电机转动(因调试需要,电机连轴器被拆除,只固定一个螺丝)。在启动至7秒左右,600伏/500安的快熔烧毁。
   在设定额定电流启动,40秒启动时间,可发现电机启动0~10秒内依然有巨大响声发出,电机震动剧烈。在10秒以后,电机只有较小的震动和响声。最后完成启动。

3 谐波分析

  晶闸管触发角时,启动输出电压较低,在启动0~7秒范围内,可作为谐波分析点。电压波形如图4示。

图4 三相调压触发角电压波形

  三相晶闸管调压软启动只改变电源波形,不改变电源的频率,只分析A相电源五次、七次谐波,即可推出其余两相电源五次、七次谐波。因三次在空间互差,而时间上互差,故其合成磁场为零,不予考虑。如图二所示A相电源波形,其函数表达式:(在本文以后提到的电压单位均为伏特),在晶闸管触发角 时 ,可求基波电压系数:

可求得基波电压函数表达式:

同理可得B、C两相电压函数表达式为:

五次谐波电压分析:

可求得五次谐波电压:

七次谐波电压分析:

可求得七次谐波电压:

 

  由上面分析可知,五次谐波电压占基波电压的43%,七次谐波电压占基波电压的22%。而五次谐波旋转方向与基波相反,七次谐波旋转方向与基波相同。可见,五次谐波的存在,导致气隙磁场呈椭圆形状。而七次谐波的存在,又使磁通轨迹幅值运行在一个区间内。这样,启动过程中,转矩在一个区间内变化。最大值与最小值的差值随导通角的增大而减小。可以推算,在晶闸管导通角越小,输出电压越低,谐波含量越大。而椭圆形磁场的存在,最小转矩比负载转矩还小,不能拖动负载,而最大转矩又足以使电机转动,致使在启动时,电机发生抖动现象,电机时转时停,方向不定。启动起来后,依然有抖动现象。直至启动完成。

4 仿真分析

  在触发角时,忽略其它各次谐波,在只有基波,五次,七次谐波影响下的磁通轨迹如图5所示。由图可以看出定子磁通轨迹呈椭圆形,长轴近似为短轴的2倍,且存在较多无规律谐波。磁场轨迹仿真曲线与谐波含量的数学分析基本吻合。

图5 触发角时三相调压软启动在定子磁通轨迹

5 总结

  三相晶闸管调压软启动器是新型电子软启动器,具有电压连续可调,冲击电流小的特点。比起串电阻电抗器、自偶变压器、星型-三角形降压启动,三相晶闸管调压软启动器启动电流小(且可根据需要设定启动电流倍数)电压可联系平滑调节,可用于对转矩要求较精密的场合。但是,通过上面分析可知,三相晶闸管调压电子软启动器依然存在较大的谐波电压,启动过程存在抖动现象。因启动转矩正比于启动电压的平方,所以对三相晶闸管调压电子软启动器,启动转矩小,不适于重载启动。

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