王立名

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

0 引言

大中型三相異步電動(dòng)機(jī)在化工、電力、冶金等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，通常被用來(lái)驅(qū)動(dòng)水泵、風(fēng)機(jī)等重要的生產(chǎn)輔機(jī)，容量在不斷的增大，它們能否可靠運(yùn)行影響著整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。在實(shí)際工作中，供電系統(tǒng)發(fā)生暫時(shí)性故障或其他故障問(wèn)題，使電動(dòng)機(jī)供電電源電壓短時(shí)低落，從而引起線路保護(hù)裝置短時(shí)跳閘，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)斷電是常見(jiàn)的現(xiàn)象。而這種故障往往是暫時(shí)性的，如能在短時(shí)間內(nèi)將電動(dòng)機(jī)快速恢復(fù)供電，停電造成的生產(chǎn)損失即可減少很多。因此對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)失去電源后快速恢復(fù)供電的研究意義非凡。

1 三相異步電動(dòng)機(jī)斷電重合閘瞬態(tài)過(guò)程分析

三相異步電動(dòng)機(jī)的恢復(fù)供電過(guò)程主要經(jīng)歷兩個(gè)階段。第一階段:由于電源故障引起的電動(dòng)機(jī)斷電后的過(guò)渡過(guò)程;第二階段:重合閘后電動(dòng)機(jī)恢復(fù)至正常運(yùn)行的過(guò)渡過(guò)程。

第一階段電機(jī)供電線路跳閘，電動(dòng)機(jī)定子電流很快衰減到零，由于磁鏈?zhǔn)睾?，轉(zhuǎn)子繞組會(huì)產(chǎn)生出一定大小的電流來(lái)維持?jǐn)嚯娝查g磁鏈不突變，而定子完全與供電線路斷開(kāi)后，轉(zhuǎn)子電流開(kāi)始隨著時(shí)間推移而逐漸衰減，這個(gè)直流電流產(chǎn)生的磁鏈相對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子靜止，相對(duì)電機(jī)定子以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以定子繞組中會(huì)感生出一定大小的電壓，即電機(jī)失電殘余電壓。

第二階段電機(jī)恢復(fù)供電瞬態(tài)過(guò)程是相當(dāng)復(fù)雜的，其中包括電磁、機(jī)械以及熱方面的瞬態(tài)過(guò)程。由于電動(dòng)機(jī)失電殘余電壓的存在，再投入的電源電壓與定子失電殘余電壓的大小、相位、頻率都不相同，這樣加在電機(jī)定子端部的電壓大小可能會(huì)大大超過(guò)額定電壓，引起的沖擊電流有時(shí)會(huì)超過(guò)其額定電流的10 倍以上。同時(shí)再投入時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流也不能為零，引起的電磁轉(zhuǎn)矩也和起動(dòng)過(guò)程有很大區(qū)別。這一瞬態(tài)過(guò)程的沖擊電流很大，電磁轉(zhuǎn)矩變化劇烈，會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的振蕩，帶來(lái)較大的危害。

斷電重合閘帶來(lái)的危害主要包括幾個(gè)方面:

(1)大的沖擊電流會(huì)引起供電母線電壓下降，嚴(yán)重影響同一供電母線正常運(yùn)行的其它電氣設(shè)備;

(2)大的沖擊電流以及母線電壓的下降，可能會(huì)危及電力線路保護(hù)裝置工作的可靠性，使繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作，保護(hù)解體跳閘使電機(jī)電源恢復(fù)失敗，引起系統(tǒng)設(shè)備再次失電;

(3)較大的瞬態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩，會(huì)對(duì)電機(jī)端部線圈、電機(jī)轉(zhuǎn)軸及負(fù)載產(chǎn)生危害;

(4)較大的瞬態(tài)電流，會(huì)使電機(jī)發(fā)熱，對(duì)電機(jī)絕緣損傷，甚至造成絕緣的永久破壞。

當(dāng)電機(jī)容量較大時(shí)，上述問(wèn)題更為嚴(yán)重，過(guò)大的沖擊電流將使電機(jī)本身受到過(guò)大的電磁力的沖擊，轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生劇烈震動(dòng)，發(fā)出巨大聲響，也對(duì)電機(jī)負(fù)載、機(jī)械設(shè)備等的使用壽命有很大影響，造成安全隱患。

2 三相異步電動(dòng)機(jī)模型的建立

2.1 三相異步電動(dòng)機(jī)的物理模型

三相異步電機(jī)定子三相繞組分別用A、B、C表示;轉(zhuǎn)子三相繞組分別用a、b、c 表示;定子A 相繞組軸線與轉(zhuǎn)子a 相繞組軸線的夾角為θ(電角度);轉(zhuǎn)子以機(jī)械角速度Ω 旋轉(zhuǎn)見(jiàn)圖1。

圖1 三相異步電動(dòng)機(jī)示意圖

2.2 三相異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型

2.2.1 假定

為便于分析，作如下簡(jiǎn)化假設(shè)，假設(shè)電機(jī)為“理想電機(jī)”。理想電機(jī)的基本假設(shè)如下

(1)電機(jī)的磁路為線性，鐵心中的磁滯和渦流損耗忽略不計(jì);

(2)氣隙磁場(chǎng)在空間為正弦分布，磁場(chǎng)的高次諧波忽略不計(jì);

(3)定、轉(zhuǎn)子表面設(shè)為光滑，齒、槽的影響用卡式系數(shù)來(lái)計(jì)及;

(4)對(duì)于三相交流電機(jī)，定子繞組為對(duì)稱(chēng)三相繞組;

(5)忽略鐵心損耗，忽略磁路飽和的影響;(6)不考慮溫度變化對(duì)繞組電阻的影響。2.2.2 數(shù)學(xué)模型

在理想電機(jī)的假定下，正方向采用電動(dòng)機(jī)慣例。根據(jù)動(dòng)態(tài)耦合電路法，可以列出在相坐標(biāo)系(即ABC 坐標(biāo)系)中三相異步電動(dòng)機(jī)的電壓方程為

式中，L1、L2—定子各相繞組的自感和轉(zhuǎn)子各相繞組的自感(折算值);-M1、-M2—定子三相繞組間的互感(折算值);Msr、Mrs—轉(zhuǎn)子對(duì)定子和定子對(duì)轉(zhuǎn)子的互感矩陣。

2.3 三相異步電動(dòng)機(jī)的仿真模型

為某用戶(hù)設(shè)計(jì)的YZYKS710-2 3000kW 10kV電機(jī)，該電機(jī)拖動(dòng)泵負(fù)載，已知起動(dòng)時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線(kN·m-rpm)如圖2 所示。

圖2 起動(dòng)時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速曲線

根據(jù)三相異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用Ansoft 軟件模塊建立仿真分析模型如圖3 所示。

圖3 三相異步電動(dòng)機(jī)仿真模型

3 斷電重合閘仿真分析

3.1 斷電重合閘時(shí)間0.2s 的仿真分析

電機(jī)正常運(yùn)行，在0.8s 時(shí)發(fā)生斷電故障，經(jīng)0.2s 后重合閘，此過(guò)程中電機(jī)定子電流、轉(zhuǎn)矩曲線如圖4、圖5 所示。0.8s 時(shí)刻斷電，斷電后在0.8100s出現(xiàn)電流峰值為-4155.1234A，電流倍數(shù)為10.0365。在1.0s 時(shí)重合閘，電流峰值出現(xiàn)在1.0095s 處，為5393.0791A，電流倍數(shù)為13.0268。0.8s 時(shí)刻斷電，斷電后在0.8055s 出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩峰值為-76.6301kN·m，轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為7.97。在1.0s 時(shí)重 合 閘，轉(zhuǎn) 矩 峰 值 出 現(xiàn) 在 1.1060s 處，為33.0063kN·m，轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為3.433。

圖4 斷電重合閘定子電流曲線

圖5 斷電重合閘轉(zhuǎn)矩曲線

3.2 斷電重合閘時(shí)間0.5s 的仿真分析

電機(jī)正常運(yùn)行，在0.8s 時(shí)發(fā)生斷電故障，經(jīng)0.5s后重合閘，此過(guò)程中電機(jī)定子電流、轉(zhuǎn)矩曲線如圖6、圖7 所示。0.8s 時(shí)刻斷電，斷電后在0.8095s出現(xiàn)電流峰值為-4146.4813A，電流倍數(shù)為10.0157。在1.3s 時(shí)重合閘，電流峰值出現(xiàn)在1.3095s處，為4837.9376A，電流倍數(shù)為11.6858。0.8s 時(shí)刻斷電，斷電后在0.8060s 出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩峰值為-76.3923kN·m，轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為7.95。在1.3s 時(shí)重合閘，轉(zhuǎn)矩峰值出現(xiàn)在1.3270s處，為46.2889kN·m，轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為4.81。

圖6 斷電重合閘定子電流曲線

圖7 斷電重合閘轉(zhuǎn)矩曲線

3.3 斷電重合閘時(shí)間1.0s 的仿真分析

電機(jī)正常運(yùn)行，在0.8s 時(shí)發(fā)生斷電故障，經(jīng)1.0s后重合閘，此過(guò)程中電機(jī)定子電流、轉(zhuǎn)矩曲線如圖8、圖9 所示。0.8s 時(shí)刻斷電，斷電后在0.8100s出現(xiàn)電流峰值為-4154.6506A，電流倍數(shù)為10.0354。在1.8s 時(shí)重合閘，電流峰值出現(xiàn)在1.8090s處，為5096.4662A，電流倍數(shù)為12.31。0.8s 時(shí)刻斷電，斷電后在0.8055s 出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩峰值為-76.5544kN·m，轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為7.96。在1.8s 時(shí)重合閘，轉(zhuǎn)矩峰值出現(xiàn)在1.8465s 處，為44.4881kN·m，轉(zhuǎn)矩倍數(shù)為4.63。

圖8 斷電重合閘定子電流曲線

圖9 斷電重合閘轉(zhuǎn)矩曲線

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)在不同時(shí)刻斷電重合閘進(jìn)行仿真研究可以看出:斷電重合閘將使電機(jī)定子電流劇增，電流最大波動(dòng)值為電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的13 倍左右，電流的巨大變化將使電機(jī)繞組溫度升高、絕緣下降，嚴(yán)重時(shí)繞組損壞、變形。過(guò)大的沖擊電流將使電機(jī)本身受到過(guò)大的電磁力的沖擊，使電機(jī)變形，而且波及轉(zhuǎn)軸、機(jī)座、地腳螺栓等結(jié)構(gòu)件。而且在斷電重合閘過(guò)程中轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)也較大，最大波動(dòng)值也接近于額定值的10 倍，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生劇烈震動(dòng)，發(fā)出巨大聲響，也對(duì)電機(jī)負(fù)載、機(jī)械設(shè)備等的使用壽命有很大影響，造成安全隱患。因此應(yīng)加強(qiáng)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少斷電故障的發(fā)生，以保障電機(jī)能長(zhǎng)期安全可靠運(yùn)行。

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