基于Matlab的大型同步電動機(jī)起動方式優(yōu)化*

商 勇，王麗娟，楊 鑫

(1.中國石油蘭州石化公司，甘肅 蘭州 730060； 2.甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030)

基于Matlab的大型同步電動機(jī)起動方式優(yōu)化*

商 勇1，王麗娟2，楊 鑫1

(1.中國石油蘭州石化公司，甘肅 蘭州 730060； 2.甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030)

針對同步電動機(jī)的起動問題，分析了C1202二次壓縮機(jī)的自耦變壓器降壓起動原理，根據(jù)同步電動機(jī)的工作原理對同步電動機(jī)的起動特性進(jìn)行了分析，并對全壓異步起動方法進(jìn)行了仿真研究，得出了起動過程中電動機(jī)相電流、電磁轉(zhuǎn)矩等參數(shù)的變化曲線。利用Matlab/Simulink構(gòu)建了轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制同步電動機(jī)軟起動的數(shù)學(xué)模型，對同步電動機(jī)的起動過程進(jìn)行仿真試驗，并且分別對空載起動和負(fù)載起動過程進(jìn)行了分析。仿真結(jié)果驗證了轉(zhuǎn)速開環(huán)控制同步電動機(jī)軟起動的可行性。

同步電動機(jī)；軟起動；變頻器

1 前 言

蘭州石化公司是大型石油化工企業(yè)，公司內(nèi)擁有眾多的裝置，電動機(jī)的應(yīng)用也非常廣泛。在大乙烯裝置中，高壓聚乙烯裝置的C1202二次壓縮機(jī)是裝置中的最為重要的一部分，也是大型同步電機(jī)的代表。C1202二次壓縮機(jī)采用的是ABB公司的AMZ 2500SS30 LTE型號同步電機(jī)，其具體參數(shù)如下：質(zhì)量130 t、功率為18 000 kW、額定電壓為10 kV、額定電流為1 082 A、額定頻率為50 Hz、轉(zhuǎn)速為200 r/min、按照星形方式連接。冷空氣入口溫度最大40 ℃，冷卻溫度28 ℃。

C1202二次機(jī)的轉(zhuǎn)速只有200 r/min,低速的大型設(shè)備采用同步電動機(jī)時，這一優(yōu)點尤為突出。此外，同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速完全決定于電源頻率。頻率一定時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速也就一定，它不隨負(fù)載而變。這一特點在某些傳動系統(tǒng)，特別是多機(jī)同步傳動系統(tǒng)和精密調(diào)速穩(wěn)速系統(tǒng)中具有重要意義。同步電動機(jī)的運行穩(wěn)定性也比較高。同步電動機(jī)一般是在過勵狀態(tài)下運行，其過載能力比相應(yīng)的異步電動機(jī)大。

同步電機(jī)雖然有很多優(yōu)點，但它的最大缺點[1]是起動困難，不能直接起動。簡單的說，同步電動機(jī)不能自行起動，轉(zhuǎn)動慣量較大。在這一瞬間，由于定轉(zhuǎn)子磁極的相互作用傾向于使轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)，但由于轉(zhuǎn)子比較重轉(zhuǎn)動慣量大，轉(zhuǎn)子雖然受到磁極之間的相互磁力的作用而馬上轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子還來不及轉(zhuǎn)動，此時定轉(zhuǎn)子磁極之間的相互作用又傾向于使轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動。因此，轉(zhuǎn)子上的平均轉(zhuǎn)矩為零，轉(zhuǎn)子根本不能轉(zhuǎn)動，即同步電動機(jī)不能自行起動。

筆者以高壓聚乙烯C1202二次壓縮機(jī)為引入點，針對同步電動機(jī)進(jìn)行變頻軟起動控制進(jìn)行研究，提出改變變頻器輸出頻率的恒壓頻比控制同步電動機(jī)的軟起動方法及其控制策略。應(yīng)用Matlab Simlink建立開環(huán)恒壓頻比控制同步電動軟起動的控制模型，對控制策略進(jìn)行仿真驗證。

2 同步電動機(jī)常用起動方法

同步電動機(jī)因其自身工作特性不能自行起動，如表1所列，目前同步電動機(jī)常用的起動方法有：異步起動、半同步起動、同軸小電機(jī)起動、靜止變頻器SFC起動等。其中異步起動[2]包括全壓直接異步起動、電抗器降壓起動、變壓器降壓起動等起動方式。

表1 同步電動機(jī)常用起動方式優(yōu)劣性對比

3 高壓聚乙烯C1202二次壓縮機(jī)起動方式

高壓聚乙烯C1202二次壓縮機(jī)的起動方式為自耦變壓器降壓異步起動。具體起動方式如圖1所示。

圖1 C1202裝置自耦變壓器降壓起動方式電路原理簡化圖

對于C1202的自耦變壓器降壓起動方式，主變壓器的抽頭通常是從其低壓側(cè)三角形連接的繞組引出，起動電壓只有二次電壓的一半，通常稱為“半壓啟動”。它與全壓起動相比，起動電流減半，起動視在功率和起動力矩僅為全壓起動的l/4，所需加速時間為全壓起動的4倍。其缺點是：起動時間較長，切換過程沖擊電流較大；主變壓器結(jié)構(gòu)和繼電保護(hù)整定也比較復(fù)雜。

4 C1202在生產(chǎn)中遇到的問題

在C1202投入使用后，正常起動運行之后，問題不是很多，主要問題還是集中在起動的時候。

C1202的保護(hù)使用最多的是起動過電流保護(hù)， C1202二次壓縮機(jī)試車的時候，出現(xiàn)了因堵轉(zhuǎn)發(fā)生跳閘的情況，當(dāng)時定子電流上升到額定電流的2.1倍時，持續(xù)了4.5 s后跳閘保護(hù)。另一次是在C1202起動時，起動電流達(dá)到額定電流的1.63倍，持續(xù)10.2 s后跳閘。

實際上，C1202二次機(jī)由于過電流跳閘保護(hù)的情況常有發(fā)生，2012年大檢修期間，C1202大約每隔4天停車1次，而每停車3、4次就會由于起動電流問題導(dǎo)致過流保護(hù)而動作一次。對于這種情況發(fā)生后，工作人員只能將其復(fù)位重新起動，而C1202的起動次數(shù)也是有限制的，通常的冷態(tài)下連續(xù)起動3次，熱態(tài)下連續(xù)起動2次。所以起動電流大是C1202起動時候問題比較嚴(yán)重的一點。

下面將通過模擬結(jié)果分析靜止變頻器SFC的恒壓頻比起動方式是否可以對C1202的起動過程進(jìn)行優(yōu)化。

5 靜止變頻器SFC起動方式

在起動時，靜止變頻器 (SFC)系統(tǒng)[3]從高壓電力系統(tǒng)或從廠用電母線上取電。SFC將恒定的電壓和頻率電源變換成電壓和頻率可變的電源。可變的電源施加于發(fā)電機(jī)的定子線圈，使發(fā)電機(jī)在起動期間作為同步電動機(jī)。靜止變頻器SFC起動方式的結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示，虛線框內(nèi)就是SFC系統(tǒng)。

圖2 靜止變頻器SFC起動方式原理圖

由圖2可知，SFC系統(tǒng)由變壓器、DC電抗器、整流器、逆變器組成。SFC變壓器(SFC transformer)提供整流器的輸入電壓，一旦出現(xiàn)整流器的橋臂短路時，它的漏抗起限制短路電流的作用；整流器(converter)采用三相六脈波全控可控硅整流橋，將恒定的三相AC電壓變成可變的DC電壓。DC電抗器對直流電流進(jìn)行平波。逆變器也是采用三相六脈波全控可控硅整流橋，將整流器輸出的DC電壓轉(zhuǎn)變成變幅值和變頻率的AC電壓。這個可變的交流電源施加于發(fā)電機(jī)使發(fā)電機(jī)加速到指定的轉(zhuǎn)速。

SFC恒壓頻比起動方式是否比同步電動機(jī)異步起動方式更加優(yōu)化，下面將通過模擬結(jié)果進(jìn)行說明。

6 同步電機(jī)不同起動方式下的模擬分析[4]

通過在MATLAB中對同步電機(jī)的模擬分析可得到以下變化曲線，同步電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化及牽入同步過程如圖3所示。與此同時，同步電動機(jī)加上負(fù)載，電動機(jī)在負(fù)載狀態(tài)下穩(wěn)定運行。起動時同步電機(jī)定子電流的變化如圖4所示。

圖3 同步電動機(jī)異步起動轉(zhuǎn)速變化曲線

圖3中，由曲線可見在f=0.1 s時電動機(jī)依靠異步轉(zhuǎn)矩起動，轉(zhuǎn)速隨時間逐漸增加。當(dāng)t=0.9 s時，加上勵磁電壓，電動機(jī)牽入同步，達(dá)到同步轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行。

圖4 同步電動機(jī)異步起動定子相電流變化曲線

圖4中,電動機(jī)的額定電流IN為146.8 A，由圖可見采用全壓直接異步起動時，起動電流很大，約為額定電流的5～6倍，且起動電流波動較大。當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定時即t=1.2 s時，同步電機(jī)的定子端的相電流才接近額定值電流值，顯然在電動機(jī)剛起動時過大的起動電流會在電機(jī)的繞組中產(chǎn)生很高的熱量，在大功率電動機(jī)中是不允許的。

下面將對靜止變頻器SFC軟起動方法進(jìn)行模擬分析。通過在Matlab環(huán)境下對相同的模擬電機(jī)模型進(jìn)行空載起動和負(fù)載起動的仿真分析可以得到如下結(jié)果。

6.1 空載起動時仿真結(jié)果分析

通過模擬計算，可以得到如圖5所示曲線圖。

圖5 同步電機(jī)起動瞬間以及過程中相電流變化曲線

如圖5所示，同步電動機(jī)在起動瞬間電流變化曲線，與異步直接起動相比較，同步電機(jī)相電流基本穩(wěn)定在額定值附近變化，達(dá)到了限制電流的效果。因為在6～9 s時間里由負(fù)電磁轉(zhuǎn)矩的作用，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速下降引起了電流大小的脈動，從圖中可以觀察出在f=6.3 s時電流的幅值明顯增大，但在7.5 s時就恢復(fù)了額定值。

以上是在電動機(jī)空載的情況下分析起動過程中轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、相電流的變化曲線。從以上仿真試驗可以看出，同步電動機(jī)能夠成功起動，證明了頻率它控起動同步電動機(jī)的可行性。

6.2 負(fù)載起動時仿真結(jié)果分析

圖6 同步電機(jī)帶負(fù)載起動瞬間以及過程中相電流變化曲線圖

電動機(jī)在負(fù)載起動時，在剛起動0.5 s的時間里電動機(jī)的同步電磁轉(zhuǎn)矩沒有立即使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，只是引起轉(zhuǎn)子的振蕩。但當(dāng)功角達(dá)到2π后就相當(dāng)于在功角等于0的條件下開始牽入過程,如圖6所示。

由圖6可以看出，定子相電流值是在額定值的范圍內(nèi)，滿足軟起動的要求。電動機(jī)相電流值的變化比較平穩(wěn)，軟起動的效果比較理想。

通過以上空載起動和負(fù)載起動兩種情況的仿真研究得出起動過程中電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)相電壓、電機(jī)相電流、電磁轉(zhuǎn)矩的變化曲線，并與上面分析的異步起動同步電動機(jī)的方法進(jìn)行對比，證明恒壓頻比的起動方式基本上達(dá)到了軟起動的效果，而且與自控式變化起動相比這種起動方法有著硬件結(jié)構(gòu)簡單，控制方式靈活等優(yōu)點。

7 結(jié) 語

筆者以高壓聚乙烯裝置中C1202二次壓縮機(jī)為引入點，針對大功率同步電動機(jī)起動困難的問題提出了一種轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制的起動方式。利用電壓型高壓變頻器作為變頻的電源，通過控制頻率的起動方法對同步電動機(jī)的起動過程做了仿真研究，試驗結(jié)果表明達(dá)到了良好的軟起動效果。

簡要介紹大功率同步電動機(jī)常見的幾種起動方法以及這幾種方法的不同特點，說明了靜止變頻器軟起動相對于其他起動方式而言的優(yōu)越性。并利用Matlab對同步電機(jī)的異步直接起動進(jìn)行了仿真研究，觀察了全壓異步起動時相電流波形，給變頻軟起動方式提供了對比的依據(jù)，說明同步電機(jī)軟起動的優(yōu)越性。

[1] 張俊武，王 新，金宏彬，等．同步電動機(jī)變頻起動控制系統(tǒng)[J]．控制工程，2002，9(5)：92-94．

[2] 李志民，張遇杰．同步電動機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996．

[3] 佟純厚．現(xiàn)代交流調(diào)速．[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，1985．

[4] 徐立娟，楊利軍．大型同步電動機(jī)的靜止變頻起動裝置[J]．電氣開關(guān)，2004，(2)：30-32．

Starting Mode Optimization of Large Synchronous Motor Based on Matlab

SHANG Yong1, WANG Li-juan2, YANG Xin1

(1.CNPCLanzhouPetrochemicalCompany,LanzhouGansu730060,China；2.GansuProvinceTransportationPlanningSurveyandDesignInstituteCo.,Ltd,LanzhouGansu730030,China)

Although synchronous motors have many advantages，its biggest drawback is difficult to start. According to the startup problem of synchronous motor, the starting characteristics of synchronous motor is given in accordance with its work principle．The curve of motor phase current and electromagnetic torque during the start-up is obtained stemming from the simulation research on asynchronous motor starting methods．The synchronous motor starting simulation is processed based on the Matlab/Simulink after building the mathematic model of open-loop constant voltage frequency ratio soft-start control，which analyzes both no load start-up and load on start-up process．The simulation results show the feasibility of constant voltage frequency ratio soft-start control method.

synchronous motor；soft-start；frequency converter

2013-12-02

商 勇(1986-)，男，遼寧海城人，助理工程師，碩士，主要從事機(jī)械電氣方面的工作。

TH862

A

1007-4414(2014)01-0047-04