六相交流脈沖發(fā)電機組起動建模及仿真

董海濤，李桂芬

(1 哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150040;2 哈爾濱大電機研究所，黑龍江哈爾濱150040)

0 引言

由我公司設(shè)計、制造的300MVA 六相交流脈沖發(fā)電機，用來給核聚變裝置供電，由于其負載比較特殊，電機幾乎工作于短路狀態(tài)。發(fā)電機組采用繞線式感應(yīng)電動機拖動進行起動及再加速，由繞線式異步電動機以較小的功率從電網(wǎng)汲取能量，并將電能逐步轉(zhuǎn)換為機組軸系的動能，當(dāng)機械能存儲到一定程度，再根據(jù)需要由發(fā)電機以最大功率以電能的形式脈沖放出，機組轉(zhuǎn)速下降，再由電動機驅(qū)動到一定轉(zhuǎn)速，再脈沖放電，循環(huán)加速和脈沖放電［1］。因此，發(fā)電機組要頻繁起動及再加速，為改善電動機起動特性，繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動機采用轉(zhuǎn)子回路串接液體可變電阻進行起動。

該脈沖發(fā)電機的拖動電機為一臺三相、8500kW的立軸繞線式異步電動機，采用轉(zhuǎn)子回路串接液體可變電阻進行起動。一方面，用戶要求機組由靜止起動到額定轉(zhuǎn)速的時間不大于15min，由0.7 倍額定轉(zhuǎn)速再加速到額定轉(zhuǎn)速所需時間不大于5min;另一方面，為設(shè)計轉(zhuǎn)子回路液體電阻的控制環(huán)節(jié)，需知道電機在整個起動動態(tài)過程中電阻值的變化情況。為此，必須對整個機組的起動過程進行建模及仿真計算。本文建立了脈沖發(fā)電機組的起動過程仿真模型，包括繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機、液體電阻及其控制環(huán)節(jié)，并進行了仿真分析，獲得了機組起動電流、起動轉(zhuǎn)矩、起動轉(zhuǎn)速、起動時間及再加速時間的大小，同時獲得了滿足起動要求的液體電阻隨時間變化的動態(tài)曲線，為設(shè)計液體電阻控制環(huán)節(jié)及機組的運行模式提供了理論參考。

1 起動過程

六相交流脈沖發(fā)電機組由同軸連接的繞線式異步電動機起動并加速機組。脈沖發(fā)電機組達到額定轉(zhuǎn)速后等待指令進行脈沖放電，動能轉(zhuǎn)化為電能釋放出去，機組轉(zhuǎn)速下降，再由電動機拖動加速，重復(fù)釋能周期為10 ～15min，機組由0.7 倍額定轉(zhuǎn)速再加速到額定轉(zhuǎn)速。每年平均使用100 多天，通常每天起動次數(shù)1 次，每天約40 次再加速和脈沖放電。由于起動頻繁，為防止起動過程電動機定子電流的過大沖擊，并滿足對起動時間的要求，繞線式異步電動機采用轉(zhuǎn)子串接液體電阻進行起動，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子回路的液體電阻大小，控制起動過程定子電流為恒定值，轉(zhuǎn)子電流也基本保持不變。

2 起動控制系統(tǒng)

液體電阻為可調(diào)節(jié)阻值的堿液，控制系統(tǒng)主要由定子電流測量單元、反饋控制單元、穩(wěn)壓電源、PLC 控制保護柜、電極提升電機和變速箱等組成。定子電流測量單元由電流互感器和電流傳感器組成。定子電流有效值的設(shè)定值和電流傳感器測量的實際定子電流有效值進入反饋控制單元，通過比例積分調(diào)節(jié)，輸出控制信號控制電極提升電機的直流電源輸入，從而控制電極提升電機的轉(zhuǎn)速，進而改變滑差電極位置，通過調(diào)節(jié)液體電阻的阻值，達到實現(xiàn)定子電流控制的目的［2］。脈沖發(fā)電機組起動控制系統(tǒng)示意圖如圖1 所示。

圖1 脈沖發(fā)電機組的液體電阻及其控制系統(tǒng)示意圖

通過調(diào)節(jié)液體電阻阻值實現(xiàn)對定子電流的特殊反饋控制，特殊性主要表現(xiàn)在單方向和階段性控制。為了防止液體電阻阻值變化的運行電機頻繁的正反旋轉(zhuǎn)而燒壞，故設(shè)計了當(dāng)定子電流實際值大于或等于給定值時，液體電阻阻值不變，當(dāng)定子電流小于給定值時，液體電阻阻值調(diào)節(jié)。在液體電阻達到最小值時，斷開定子電流反饋控制回路，液體電阻保持最小值不變，機組緩慢升到最高速穩(wěn)定下來［1］。

液體電阻控制系統(tǒng)的等效數(shù)學(xué)模型［1］為

式中，Isist(t)—實際定子電流有效值;Isref(t)—定子電流有效值給定;e(t)—偏差信號;u(t)—控制輸出信號;Kp—比例系數(shù);Ti—積分時間常數(shù);tn+與tn-—分別為e(t)第n 次由0 變正和第n 次由正過零的時刻;Rpi(t)—液體電阻調(diào)節(jié)量;K—控制輸出信號與液體電阻調(diào)節(jié)量的轉(zhuǎn)換系數(shù);Rmax—液體電阻的最大值;Rmin—液體電阻的最小值;Rist(t)—液體電阻應(yīng)當(dāng)值。

3 仿真分析

3.1 仿真模型

根據(jù)機組的運行模式可知，脈沖發(fā)電機由繞線式異步電動機拖動起動并加速，該起動過程可將脈沖發(fā)電機等效為電動機軸系的集中剛性質(zhì)量塊，起動過程中的機組等效為一個大轉(zhuǎn)動慣量的繞線式異步電動機起動過程。文獻［3］建立了繞線轉(zhuǎn)子異步電動機轉(zhuǎn)子回路串接頻敏變阻器的起動過程仿真模型;文獻［4］則針對高壓鼠籠轉(zhuǎn)子異步電動機起動過程進行了動態(tài)特性仿真分析。本文建立了轉(zhuǎn)子回路串接液體電阻起動的仿真模型，如圖2 所示。

圖2 六相交流脈沖發(fā)電機組起動過程仿真模型

圖中VS1 為電壓源，CB1 為開關(guān)，IM1 為繞線式異步電動機，R_ABC 為轉(zhuǎn)子中串入的液體電阻。根據(jù)式(6)采用邏輯控制編程模塊F_RA、F_RB和F_RC 及PI 調(diào)解器PI_RA、PI_RB 和PI_RC建立了液體電阻控制系統(tǒng)仿真模型。根據(jù)起動要求，給定信號ic 為定子額定電流有效值，im 為電動機實際定子電流有效值，ME1 為電動機轉(zhuǎn)子集中質(zhì)量塊，ME2 為脈沖發(fā)電機轉(zhuǎn)子集中質(zhì)量塊。另外，建模時還考慮了起動過程中通風(fēng)損耗和軸承損耗引起的摩擦阻力矩，分別采用兩個函數(shù)模塊T_VENT 和T_BRING 實現(xiàn)。繞線轉(zhuǎn)子感應(yīng)電機及其負載(六相交流脈沖發(fā)電機)基本參數(shù)如表1 所示。

表1 機組基本參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果

起動時按照要求將定子電流給定值設(shè)置為額定有效值991.6A，對機組從靜止加速到同步轉(zhuǎn)速的過程進行了仿真計算，計算結(jié)果如圖3-圖8。分別為定子繞組電流、電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)子繞組電流、轉(zhuǎn)子電壓及液體電阻阻值隨時間變化曲線。從計算結(jié)果看，整個起動過程定子電流被控制在額定值991.6A;電機從靜止加速到496r/min 所需時間為647s，電機從335r/min 再加速到496r/min所需時間為199s;加速過程中轉(zhuǎn)子電流及電磁轉(zhuǎn)矩保持不變;轉(zhuǎn)子電壓隨著轉(zhuǎn)速的不斷增加而逐漸減小;電機靜止時液體電阻阻值為0.628Ω，隨著機組逐漸加速阻值逐漸減小。

該脈沖發(fā)電機組目前正處于設(shè)計階段，不可能有實際起動錄波，但文獻［1］提供了一臺起動方式完全相同的80MVA 脈沖發(fā)電機組的起動過程錄波，從該錄波看，本文的分析結(jié)果是正確的，只是機組參數(shù)不同，計算結(jié)果數(shù)值大小不同。

圖3 定子繞組電流隨時間變化曲線

圖4 電磁轉(zhuǎn)矩隨時間變化曲線

圖5 起動轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線

圖6 轉(zhuǎn)子繞組電流隨時間變化曲線

圖7 轉(zhuǎn)子電壓隨時間變化曲線

圖8 液體電阻阻值隨時間變化曲線

4 結(jié)語

對一臺六相交流脈沖發(fā)電機組起動過程進行分析研究，并在Simsen 軟件下建立了起動過程的仿真模型，通過仿真分析獲得了機組起動過程主要物理量隨時間的變化趨勢。從文獻［1］提供的一臺80MVA 脈沖發(fā)電機組的起動錄波看，本文的分析結(jié)果正確。由仿真結(jié)果獲得了以下重要結(jié)論。

(1)機組由靜止加速到496r/min 所需時間為647s;

(2)機組由335r/min 再加速到496r/min 所需時間為199s;

(3)起動過程液體電阻阻值的變化:電機靜止時阻值為0.628Ω，隨著機組逐漸加速阻值逐漸減小(見圖8);

以上結(jié)論可知，本文所設(shè)計的機組滿足用戶對起動性能的要求，并為液體電阻的控制環(huán)節(jié)及機組運行模式的設(shè)計提供了理論參考。

［1］ 彭建飛，宣偉民，王海兵.HL-2A 裝置大功率電動飛輪脈沖發(fā)電機組起動過程分析和建模. 中國核科學(xué)技術(shù)進展報告(第二卷)，2011.10.

［2］ 游天雪，黃昭榮，李志建. 基于PLC 的滑差調(diào)節(jié)器的控制［J］.電氣傳動，2005.

［3］ 李桂芬，孫玉田. 繞線轉(zhuǎn)子異步電動機的起動過程的數(shù)值仿真.大電機技術(shù)，2006.9.

［4］ 李金香，畢純輝.大型高壓異步電動機的瞬態(tài)運行方式分析［J］.大電機技術(shù)，2003.

［5］ 楊萬青，陳興衛(wèi).電機實用設(shè)計技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2014.