基于絕緣壽命及沖擊電流諧波的感應(yīng)電機(jī)電源最佳投切角度研究

李東輝

（遼寧省電力有限公司葫蘆島供電公司，遼寧葫蘆島125000）

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基于絕緣壽命及沖擊電流諧波的感應(yīng)電機(jī)電源最佳投切角度研究

李東輝

（遼寧省電力有限公司葫蘆島供電公司，遼寧葫蘆島125000）

通過采用繞組發(fā)熱對(duì)絕緣壽命影響及沖擊電流諧波對(duì)電機(jī)本身及附近電氣設(shè)備影響兩種不同分析思想對(duì)感應(yīng)電機(jī)電源轉(zhuǎn)換最佳投切角進(jìn)行分析，研究如何選擇最佳的投切角度以降低異步電機(jī)在電源投切過程中產(chǎn)生的沖擊電流。

電機(jī)電源；投切角度

引言

根據(jù)工作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累和實(shí)踐情況分析，主要研究確定投切角度的傳統(tǒng)方法是對(duì)異步電機(jī)進(jìn)行建模，分析不同投切角度下沖擊電流峰值的大小得到最佳投切角。但該種方法對(duì)單相電機(jī)較為適用，如果所研究對(duì)象是三相異步電機(jī)，由于各相沖擊電流的幅值和相位不同，因此很難判斷該投切角度下所產(chǎn)生的沖擊電流對(duì)電機(jī)影響最小。本文通過建立三相異步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而得到異步電機(jī)在橫轉(zhuǎn)速條件下投切電源時(shí)的三相沖擊電流及其對(duì)應(yīng)電流諧波的總失真THD。最后從沖擊電流對(duì)絕緣壽命影響及沖擊電流諧波總失真THD對(duì)電機(jī)本身及周圍電氣設(shè)備影響兩個(gè)方面分別給出了感應(yīng)電機(jī)最佳投切角度。

1　電機(jī)模型的建立

為了保證負(fù)載工作的連續(xù)性，要求在轉(zhuǎn)速未下降到負(fù)載不能正常工作之前將電機(jī)投切到備用電源。因此為了分析方便，假設(shè)電機(jī)在投切到備用電源過程中轉(zhuǎn)速始終保持同步轉(zhuǎn)速wr不變。同時(shí)，考慮到異步電動(dòng)機(jī)是一個(gè)及其復(fù)雜的系統(tǒng)，其中涉及到力、電、磁之間的轉(zhuǎn)換，因此三相異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。為了使問題簡(jiǎn)化，在建立異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型時(shí)做如下假設(shè)；1）氣隙磁通密度在空間按正弦分布，忽略磁場(chǎng)的高次諧波；2）忽略鐵心損耗及銅耗；3）不考慮頻率和溫度變化對(duì)繞組電阻的影響；4）不計(jì)轉(zhuǎn)子繞組積流效應(yīng)與異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)方面帶來的非線性問題；5）斷電后及投切過程中異步電機(jī)始終保持同步速wr，因此在此過程中電磁轉(zhuǎn)矩方程可忽略。

2　沖擊電流熱效應(yīng)對(duì)絕緣壽命影響分析

沖擊電流熱效應(yīng)產(chǎn)生的主要影響表現(xiàn)在其對(duì)繞組絕緣造成的絕緣損耗。雖然在橫轉(zhuǎn)速條件下進(jìn)行投切，其單次投切產(chǎn)生的的沖擊電流熱效應(yīng)不足以破壞電機(jī)繞組絕緣，但如果考慮其絕緣損耗的長(zhǎng)期累積作用，累積的絕緣損耗也會(huì)使其絕緣壽命受到影響。

2.1諧波對(duì)電機(jī)本身及電氣設(shè)備影響角度分析

在感應(yīng)電機(jī)投切過程中，如果投切不當(dāng)，在產(chǎn)生較大沖擊電流的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生很嚴(yán)重的諧波干擾，對(duì)用電設(shè)備及電機(jī)本身造成影響。諧波對(duì)用電設(shè)備及電機(jī)影響主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：1）諧波增加電動(dòng)機(jī)的附加損耗，降低效率，使電動(dòng)機(jī)發(fā)熱增加；2）使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生脈動(dòng)力矩、機(jī)械振動(dòng)、噪聲及諧波過電壓；3）容易導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，并會(huì)使電力測(cè)量不準(zhǔn)確；4）對(duì)弱電系統(tǒng)造成干擾；

2.2綜合考慮兩種因素作用下的投切角度選擇

從上述分析可以看出，對(duì)于單獨(dú)考慮沖擊電流熱效應(yīng)對(duì)繞組絕緣影響或諧波影響時(shí)，電源的最佳投切角度有所差別。但考慮到異步電機(jī)同步速投切產(chǎn)生的沖擊電流過渡過程較短，而且不屬于頻繁投切，因此沖擊電流產(chǎn)生的絕緣損耗對(duì)電機(jī)的影響相比諧波的影響低。當(dāng)必須考慮兩種情況共同作用下投切角度的選擇時(shí)，可根據(jù)兩種情況的重要程度，采取權(quán)系數(shù)的方法確定投切角。

式中：α為考慮兩種情況作用下的投切角；ω1，ω2分別為兩種情況所對(duì)應(yīng)的權(quán)系數(shù)，視條件而定，其中ω1+ω2=1；f1，f2分別為發(fā)熱產(chǎn)生的絕緣損耗及諧波THD歸一化后對(duì)應(yīng)的函數(shù)。

由（1）式可以很容易知道，當(dāng)忽略諧波影響而主要考慮發(fā)熱對(duì)繞組絕緣產(chǎn)生的作用時(shí)，可取ω1=1，ω2=0。而當(dāng)忽略絕緣損耗而只考慮諧波影響時(shí)，可取ω1=0，ω2=1。而當(dāng)ω1，ω2在（0，1）之間選擇時(shí)，其決定的最佳投切角介于f1，f2所確定的最佳投切角之間，其具體值視兩種情況影響的強(qiáng)弱也即是ω1，ω2兩個(gè)權(quán)值的大小而定。

3　結(jié)論

本文通過采用繞組發(fā)熱對(duì)絕緣壽命影響及沖擊電流諧波對(duì)電機(jī)本身及附近電氣設(shè)備影響兩種不同分析思想對(duì)感應(yīng)電機(jī)電源轉(zhuǎn)換最佳投切角進(jìn)行分析，通過分析可以得到如下結(jié)論：1）采用繞組發(fā)熱對(duì)繞組絕緣損害的分析思想，可以得出當(dāng)投切角在45°、105°、165°附近選擇時(shí)，可使繞組發(fā)熱對(duì)繞組絕緣損害程度降低；2）采用諧波電流對(duì)電機(jī)及其他電氣設(shè)備影響的分析思想，可以得出當(dāng)投切角選擇在0°、60°、120°、180°附近時(shí)，各相諧波及總諧波THD可將為最低，對(duì)電機(jī)及其他電氣設(shè)備影響降低。3）當(dāng)用戶所關(guān)注的側(cè)重點(diǎn)不同時(shí)，可設(shè)計(jì)控制器采取不同的投切方式。如用戶關(guān)注諧波對(duì)電機(jī)本身及周圍敏感電氣設(shè)備的影響時(shí)，可以采用諧波投切模式，即在0°、60°、120°、180°附近投切；如用戶關(guān)注發(fā)熱對(duì)絕緣影響時(shí)，可采用發(fā)熱投切模式，即在45°、105°、165°附近投切。如用戶即關(guān)心發(fā)熱對(duì)電氣絕緣壽命的影響，又要兼顧諧波影響，用戶可通過對(duì)電機(jī)工作環(huán)境及周圍電氣設(shè)備對(duì)諧波的敏感程度的對(duì)比，選擇較為適合的投切角度。

（編輯：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

李東輝（1977—），男，遼寧葫蘆島人，本科，工程師，研究方向：電機(jī)電源最佳投切角度研究。