三相异步电动机软启动过程中振荡问题研究

三相异步电机直接启动时会产生较大的冲 击电流，一方面对电网造成冲击，另一方面对拖 动设备和电机本身造成损伤。据此，国内外学者 对电机软启动技术进行了大量研究，并提出很多 比较实用有效的方法。主要包括：磁控降压软启 动、液阻式降压软启动、自耦变压器降压软启动、 晶闸管软启动和变频器软启动等。其中晶闸管 软启动具有结构简单、价格便宜、控制灵活及应 用十分广泛等优点，被认为是较好的电机软启动 方法。传统的晶闸管软启动器在启动过程中存 在电流和转矩振荡，在轻载时尤为明显，严重时 会引起转速振荡，因此，很多学者着力研究如何 改进晶闸管软启动器。指出电机软启 动过程中的振荡是由启动过程中的续流角在低 速时造成的，但是未考虑同步转速附近的振荡 原因以及改进措施。是把软启动过程中的振荡归结于续流角在同步 转速附近发生了突变，但未考虑启动过程中的 振荡原因与改进措施。虽然分析了 振荡的原因，但是其续流角闭环控制的策略仅 仅是反馈一个固定的角度，从仿真结果来看，在 同步转速附近仍然发生了较大的振荡。在能量观点下分析了影响电磁转矩振荡的 原因，得出了影响电磁振荡的原因在于电压赋 值、频率和电机参数，但未给出相应的解决办 法。本文在广泛调研基础上，分别讨论了电机 不同阶段产生振荡的不同原因，并给出相应的 解决办法。

三相交流调压器系统模型
1.1 基于晶闸管的三相交流调压器 基于晶闸管的三相交流调压电路可根据三 相连接形式的不同分成4种结构：星形连接、支路 控制三角形连接、线路控制三角形连接和中点控 制三角形连接 。星形连接又分为三相无中线 和三相有中线2种情况。通过对比分析，星形连 接的三相有中线工作时，3的整数倍次谐波全部 流过零线；支路控制三角形连接由线电压供电， 但启动过程中需要控制定子电流；线路控制三角 形连接含有大量3的整数倍次谐波，使绕组电流 增大；中点控制三角形连接负载上有偶次谐波， 偶次谐波会产生制动转矩，使电动机定子电流增 大，转矩减小。这几种方案对于电机启动都不可 行 。

基于晶闸管的三相交流调压器仿真模型
基于 Matlab/Simulink 搭建三相交流调压器 仿真模型三相交流调压器仿真模型主要由三相交流 电压源模块、6 脉冲发生器模块（synchronized 6-pulse generator）、电阻负载（load）、晶闸管子系 统模块、示波器（scope）等部分构成。
电流、转矩和转速的振荡，特别是启动初期和 同步转速附近振荡现象较为明显，为了找出造成 电机振荡的内在原因，下文采用控制变量法，分别 讨论晶闸管的触发角、负载和转动惯量对于电机 振荡的影响，以寻找使电机发生振荡的实质原因。

触发角对振荡的影响
可以看出，启动电流、转 矩和转速都发生了明显的振荡，而且在同步转速 附近还发生了续流角的突变。由分析可以得出， 在电动机轻载启动时，由于续流角在同步转速时 发生的突变，导致定子两端电压发生振荡，进而 引起电流、电磁转矩和转速振荡。
当负 载转矩变为 68 N·m，电机启动过程中仅在启动 初期有些许振荡，在同步转速的附近几乎消失， 因此在负载转矩变大的时候，电动机的电流、转 矩和转速振荡会变小。

振荡现象原因分析及解决方案
启动过程中转速和续流角的关系 功率因数角的定义是电压相量和电流相量 初相角的差值，晶闸管的续流角为负载相电压超 前所对应的负载电流的相位角，这2个变量反应 了相同的电压、电流变化过程，因此在实际应用 中可以把晶闸管续流角和功率因数角等效。根 据三相异步电机稳态等效电路，可得到异步电机 电磁转矩 Te 和等效阻抗Z的表达式分别
1）启动初期。
假设电机启动时的触发角为 α0 ，对应的初始电压为U0 ，电机的机械特性曲线 如的曲线 1 所示，此时电机的电磁转矩大 于负载转矩，所以电机在电磁转矩的作用下开始 加速。根据图9的曲线1所示，电机在启动初期， 电机的续流角随着转速的增加而减小，根据式 （4）可以得到晶闸管的导通角 θ 也在不断减小， 电机的端电压就会从 U0 下降到 U1 ，相应的电机 特性曲线将会从图8中的曲线1切换到曲线2，此 时电机的电磁转矩小于负载转矩，转速会下降。 转速下降又会带动续流角 φ 的回升增大，相应的 导通角 θ 也会增大，电机的特性曲线又会从 中的曲线 1 切换到曲线 2，电机又开始加速。综 上，在启动初期，由于续流角的变化，引起了启动 初期电流、转矩和转速的振荡。
2）启动末期。
假设电动机启动时负载较轻， 启动末期电动机的转速 n 会超过同步转速 n1 ，转 差率将小于0，续流角 φ 突然增大，并超过触发角 α ，根据式（5），电动机定子相电压将增大，根据式 （6），Te ∝1/s ，由于 s＜0，电磁转矩将小于零，转 速降低，续流角减小，之后当转速小于同步转速 n1，s又将大于0，在正的电磁转矩作用下，转速将 重新增大，之后又超过同步转速 n1，如此循环往 复，导致电磁转矩发生震荡，进而引起定子电流 震荡。如果转动惯量常数较大或者负载转矩较 重，角速度随时间的变化率dω/dt就很小，即转子 转速变化得很慢，电动机启动时很难超过同步转 速，因此续流角 φ 不会随着触发角发生大幅度变 化，电动机的定子端电压就不会产生震荡，也不 易引起同步转速附近的电流、转矩和转速振荡。

结论
针对三相异步电机在传统软启动过程中发 生的电流、转矩和转速振荡问题，从触发角、转动 惯量和负载对电动机启动过程中的影响进行不 同探究，发现电动机软启动时不同时期的振荡均 是由于续流角的变化引起的。在启动初期由于 转速的提高，续流角减小而引起振荡；在同步转 速附近由于转速超过同步转速，续流角发生突变 而引起振荡。基于此，提出了一种基于关断角闭 环控制的软启动方式，并进行了仿真和实验验 证，结果表明：该方法不仅可以抑制启动初期电 流、转矩和转速的振荡，还可以有效抑制同步转 速附近电流、转矩和转速的振荡。