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        大容量異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)特性的仿真分析?

        2017-11-28 01:58:14
        艦船電子工程 2017年10期
        關(guān)鍵詞:數(shù)學(xué)模型三相定子

        張 雷

        (中國(guó)船舶研究設(shè)計(jì)中心 武漢 430000)

        大容量異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)特性的仿真分析?

        張 雷

        (中國(guó)船舶研究設(shè)計(jì)中心 武漢 430000)

        船舶電力系統(tǒng)中70%~80%負(fù)載是鼠籠式異步電動(dòng)機(jī),大容量異步電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)對(duì)船舶電力系統(tǒng)會(huì)造成較大的壓降影響。通過(guò)對(duì)大功率異步電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)對(duì)船舶電力系統(tǒng)供電品質(zhì)的影響的仿真分析,為大功率異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方式提供科學(xué)依據(jù)。

        船舶電力系統(tǒng);鼠籠式異步電動(dòng)機(jī);供電品質(zhì)

        1 引言

        船舶電力系統(tǒng)中70%~80%的負(fù)載為電動(dòng)機(jī)負(fù)載,電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流一般能達(dá)到額定電流的4~7倍[1],若假定其定子端電壓保持不變,其起動(dòng)時(shí)所需要發(fā)電機(jī)提供的功率就將為其額定功率的4~7倍,(部分國(guó)產(chǎn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量高達(dá)8~12倍),因此實(shí)際的發(fā)電機(jī)能直接起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)負(fù)荷往往比發(fā)電機(jī)的額定容量要小得多。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式,若發(fā)電機(jī)的額定容量為P,則能直接起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)的容量為但考慮到實(shí)際起動(dòng)時(shí)會(huì)造成電壓的跌落,為保證電壓的暫態(tài)性能指標(biāo)要求,這里發(fā)電機(jī)能直接起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)容量往往還要低于此值[4~5]。

        為了保證船舶電力系統(tǒng)的供電品質(zhì),在船舶電力系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)中從開(kāi)始便需對(duì)實(shí)際運(yùn)行中可能出現(xiàn)的不穩(wěn)定工作狀態(tài)予以足夠的重視,并進(jìn)行必要的分析與估算。通過(guò)對(duì)大功率異步電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)對(duì)船舶電力系統(tǒng)供電品質(zhì)的影響分析,為大功率異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方式提供科學(xué)依據(jù),從而有效地指導(dǎo)船舶電力系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。

        2 三相異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型

        異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階、非線性和強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng),在研究異步電動(dòng)機(jī)的多變量數(shù)學(xué)模型時(shí),常做出以下假設(shè)[6~9]:

        1)忽略空間諧波,三相繞組對(duì)稱,產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)沿氣隙按正弦規(guī)律分布;

        2)忽略磁路飽和,各繞組的自感和互感都是恒定的;

        3)忽略鐵心損耗;

        4)不考慮頻率變化和溫度變化對(duì)繞組電阻的影響。

        異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型主要由電壓方程、磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程組成。對(duì)定子坐標(biāo)系αβ和轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系α’β’同時(shí)進(jìn)行變換,把它們變換到同一個(gè)旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系dq上,dq相對(duì)于定子的旋轉(zhuǎn)角速度為ω1,如圖1所示。

        圖1 轉(zhuǎn)換坐標(biāo)

        通過(guò)坐標(biāo)變換和旋轉(zhuǎn)變換將異步電動(dòng)機(jī)三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為d、q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的簡(jiǎn)單模型,經(jīng)過(guò)變換后的數(shù)學(xué)模型如下:

        電壓方程:

        轉(zhuǎn)矩方程:通過(guò)在三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行頻率折算,可以得到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)異步電動(dòng)機(jī)的平衡方程式組

        式中:U1為定子繞組相電壓;E1為定子繞組側(cè)相電動(dòng)勢(shì);I1為定子繞組相電流;Z1為定子一相繞組的漏阻抗、為等效后轉(zhuǎn)子繞組相電流和相電動(dòng)勢(shì);s為轉(zhuǎn)差率;、為等效后轉(zhuǎn)子繞組電阻和漏電抗;I0為控制勵(lì)磁電流。

        對(duì)于容量大于100kW的異步電機(jī),可以簡(jiǎn)化得到異步電機(jī)簡(jiǎn)化的等效電路模型,如圖2所示:

        圖2 簡(jiǎn)化后的異步電動(dòng)機(jī)模型

        由于異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子、定子漏阻抗比較小,啟動(dòng)瞬間的啟動(dòng)電流很大。通過(guò)簡(jiǎn)化電路可知,通過(guò)控制電壓U1可以有效地控制啟動(dòng)電流,這是直接啟動(dòng)與軟啟動(dòng)的區(qū)別。

        3 三相異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的仿真與驗(yàn)證

        異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型可以設(shè)定為轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)矩控制兩種方式[10~11],考慮異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程,需將其設(shè)定為轉(zhuǎn)矩控制方式,同時(shí)在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前控制電機(jī)轉(zhuǎn)速為0。

        以下以30kW恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性的異步電動(dòng)機(jī)為例來(lái)說(shuō)明所建立的電動(dòng)機(jī)模型的正確性。

        30kW恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性的異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)如下表1所示。

        表1 30kW異步電動(dòng)機(jī)參數(shù)

        仿真工況設(shè)定為:380V的三相理想電壓源直接帶30kW的異步電動(dòng)機(jī),整個(gè)仿真時(shí)間為10s,3.0s后電動(dòng)機(jī)定子通電,開(kāi)始啟動(dòng),電動(dòng)機(jī)的負(fù)載機(jī)械特性為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載,并給定此負(fù)載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩,使得電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后直接達(dá)到額定運(yùn)行狀態(tài),仿真波形如圖3~圖5所示[12]。

        從上述仿真結(jié)果可以看出,3.0s前電動(dòng)機(jī)定子未通電,轉(zhuǎn)速為0,3.0s后電動(dòng)機(jī)開(kāi)始啟動(dòng),轉(zhuǎn)速由0上升,此時(shí)啟動(dòng)電流很大,達(dá)到額定電流的7.5倍,當(dāng)電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等時(shí)轉(zhuǎn)速達(dá)到恒定,由于仿真中給定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)速最終穩(wěn)定在0.984,為額定轉(zhuǎn)速。啟動(dòng)過(guò)程需要8.5s,啟動(dòng)完成后定子電流為56A,即為給定的額定電流,因此此仿真所確定的電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)為額定運(yùn)行狀態(tài)。即通過(guò)將給定的運(yùn)行參數(shù)直接或間接(通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算)后輸入電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型中,若給定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩,則電動(dòng)機(jī)可以在額定點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行,因此此電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型是正確的。

        圖3 電動(dòng)機(jī)定子電流波形

        圖4 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波形

        圖5 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線

        4 大功率異步電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)對(duì)電力系統(tǒng)影響的仿真分析

        大功率異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)對(duì)380V用電設(shè)備所獲得電能品質(zhì)不超過(guò)《鋼制船入級(jí)規(guī)范2015》規(guī)定要求[13]:電壓穩(wěn)態(tài)指標(biāo)為額定值+6%~-10%;瞬態(tài)允差16%,恢復(fù)時(shí)間2s,最大偏離不超過(guò)20%;頻率穩(wěn)態(tài)允差±3%,瞬態(tài)允差±4%,恢復(fù)時(shí)間2s。

        現(xiàn)以某型船為例,該船有前、后兩個(gè)電站,前電站為2臺(tái)6300V、2MW的柴油發(fā)電機(jī)組,后電站為2臺(tái)6300V、4MW的汽輪發(fā)電機(jī)組。直接啟動(dòng)該船最大的異步電動(dòng)機(jī)負(fù)載(額定電壓6300V,額定功率600kW),分析異步電機(jī)直接啟動(dòng)對(duì)船舶電力系統(tǒng)的電力品質(zhì)的影響。

        根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和資料進(jìn)行推導(dǎo),電機(jī)起動(dòng)時(shí)的發(fā)電機(jī)暫態(tài)電壓最小值為

        根據(jù)式(5)計(jì)算不同發(fā)電機(jī)組合和帶載率下直接啟動(dòng)電機(jī)時(shí)發(fā)電機(jī)瞬態(tài)電壓最小值,結(jié)果見(jiàn)表2。

        表2 不同情況下發(fā)電機(jī)瞬態(tài)電壓最小值

        Matlab中搭建的一臺(tái)汽輪機(jī)組與一臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的仿真模型如下圖6所示。

        圖6 1TG+1DG并聯(lián)運(yùn)行電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)仿真模型圖

        系統(tǒng)在帶載60%的情況下直接啟動(dòng)600kW異步電動(dòng)機(jī),得到系統(tǒng)電壓、啟動(dòng)電流和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的仿真波形如圖7~圖9所示。

        從圖7~圖9可以看到:電機(jī)啟動(dòng)后系統(tǒng)電壓開(kāi)始下降,0.12s后達(dá)到最低值91.8%,與式(5)計(jì)算的瞬態(tài)最小電壓值基本一致;在自動(dòng)電壓調(diào)整器的作用下,供電系統(tǒng)電壓在0.6s穩(wěn)定到正常運(yùn)行范圍96.8%;當(dāng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)成功后,系統(tǒng)電壓有短時(shí)升高,最高到100.3%,0.3s后進(jìn)入最終穩(wěn)定值。

        將仿真中啟動(dòng)前的負(fù)載率調(diào)整至80%,直接啟動(dòng)600kW異步電動(dòng)機(jī),得到系統(tǒng)電壓如圖10所示。

        圖7 電機(jī)直接起動(dòng)的系統(tǒng)電壓仿真波(1TG+1DG 60%帶載率)

        圖8 電機(jī)直接起動(dòng)的啟動(dòng)電流仿真波形(1TG+1DG 60%帶載率)

        圖9 電機(jī)直接起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速仿真波形(1TG+1DG 60%帶載率)

        圖10 電機(jī)直接起動(dòng)的系統(tǒng)電壓仿真波形(1TG+1DG 70%帶載率)

        仿真2臺(tái)汽輪機(jī)組和2臺(tái)柴發(fā)機(jī)組并網(wǎng),帶載量為60%,直接啟動(dòng)600kW異步電動(dòng)機(jī),系統(tǒng)電壓波形如下圖11所示:

        圖11 電機(jī)直接起動(dòng)的系統(tǒng)電壓仿真波形(2TG+2DG 70%帶載率)

        對(duì)比以上結(jié)果仿真,可以發(fā)現(xiàn)電壓降與啟動(dòng)前系統(tǒng)在網(wǎng)機(jī)組總?cè)萘坑嘘P(guān),啟動(dòng)前機(jī)組負(fù)載率影響不大。

        現(xiàn)在以分析1臺(tái)汽輪機(jī)組和1臺(tái)柴發(fā)機(jī)組并聯(lián)為例,帶載60%的情況下電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)過(guò)程,分析電能質(zhì)量是否超過(guò)《鋼制船入級(jí)規(guī)范2015》要求。

        1)穩(wěn)態(tài)指標(biāo)

        計(jì)算中壓發(fā)電機(jī)到380V用電設(shè)備的各項(xiàng)壓降:(1)發(fā)電機(jī)下垂特性3%(189V)及電壓波動(dòng)率0.5%(32V);

        (2)保守計(jì)算500m中壓線路壓降19V;

        (3)假設(shè)中壓變壓器電壓調(diào)整率為4.6%(290V);

        (4)《鋼制船入級(jí)規(guī)范2015》規(guī)定低壓配電板至負(fù)載線路電壓降不大于額定電壓的6%(24V)。

        以上最嚴(yán)苛的壓降條件折算為中壓側(cè),全部壓降為908V,為額定電壓的14.41%。

        遠(yuǎn)端380V用電設(shè)備的允許的最低穩(wěn)態(tài)電壓380×90%=342V,按變比折算到中壓側(cè)為85.5%。可見(jiàn)經(jīng)全電力系統(tǒng)嚴(yán)苛條件的全部壓降后,遠(yuǎn)端負(fù)載剛好可以滿足界面標(biāo)準(zhǔn)。而中壓電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)的穩(wěn)態(tài)電壓,應(yīng)維持在發(fā)電機(jī)下垂特性及電壓波動(dòng)率范圍內(nèi),即96.5%~100.5%內(nèi)。表2中可以看到,電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中壓系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)電壓是在這一范圍內(nèi)的。

        2)瞬態(tài)指標(biāo)

        由圖7中可以看出,電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)造成的電壓瞬態(tài)下降并不超過(guò)16%,恢復(fù)時(shí)間也小于2s。還需考核該壓降是否造成380V用電設(shè)備所獲電壓低于要求。

        考慮(1)變壓器T型等效電路中勵(lì)磁阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于漏磁阻抗;(2)一次側(cè)電壓降低時(shí)勵(lì)磁阻抗的變化對(duì)變壓器電磁傳感的影響并不大;可近似認(rèn)為中壓側(cè)瞬態(tài)電壓按照變比傳遞至低壓側(cè)。

        要滿足遠(yuǎn)端380V用電設(shè)備的最大偏離不超過(guò)20%,即最低不低于304V,那么計(jì)及全電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)壓降908V后,中壓發(fā)電機(jī)暫態(tài)電壓壓降不應(yīng)大于604V,即發(fā)電機(jī)暫態(tài)電壓最小值不宜低于90.41%。根據(jù)表2的計(jì)算結(jié)果,為了不使遠(yuǎn)端負(fù)荷受瞬時(shí)低電壓影響,供電系統(tǒng)應(yīng)確保有2臺(tái)或2臺(tái)以上機(jī)組在網(wǎng)。

        5 結(jié)語(yǔ)

        本文針對(duì)異步電動(dòng)機(jī)容量配置需求越來(lái)越大的趨勢(shì),對(duì)大容量異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)特性進(jìn)行了分析,以此做出啟動(dòng)時(shí)對(duì)船舶電力系統(tǒng)電力品質(zhì)的危害評(píng)估。通過(guò)對(duì)大容量異步電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)進(jìn)行了仿真分析,對(duì)大容量異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)特性有了較為全面的了解,給大容量電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式的選擇提供了科學(xué)依據(jù),從而有效支撐了船舶電力系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。

        1)大容量異步電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)造成的系統(tǒng)電壓降與啟動(dòng)前系統(tǒng)在網(wǎng)機(jī)組總?cè)萘坑嘘P(guān),與啟動(dòng)前機(jī)組負(fù)載率關(guān)系不大;

        2)以600kW異步電動(dòng)機(jī)為例,直接啟動(dòng)時(shí)需兩臺(tái)及以上的機(jī)組在網(wǎng)才能保證中低壓側(cè)的電力品質(zhì);

        3)供電系統(tǒng)要求中壓電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)前需向供電系統(tǒng)發(fā)出重載問(wèn)詢,電站監(jiān)控裝置收到重載請(qǐng)求后,檢查當(dāng)前系統(tǒng)有大于一臺(tái)機(jī)組在網(wǎng),且電機(jī)啟動(dòng)后不觸發(fā)增機(jī)條件,否則先進(jìn)行增機(jī)。

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        Simulation Analysis of Starting Characteristic for Large Capacity Asynchronous Motor

        ZHANG Lei
        (China Ship Research and Design Center,Wuhan 430000)

        The squirrel-cage asynchronous motor occupies 70%~80%load of the ship power system.When the large capacity asynchronous motor started,which will cause a large voltage drop in the ship power system.Through the simulation and analysis of the influence of the large capacity asynchronous motor on the power quality of the ship power system,the scientific basis of the starting mode of the large capacity asynchronous motor is provided.

        ship power system,squirrel-cage asynchronous motor,power quality

        TM314

        10.3969∕j.issn.1672-9730.2017.10.016

        Class NumberTM314

        2017年4月9日,

        2017年5月27日

        張雷,男,工程師,研究方向:船舶電力系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。

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