廠用電投切過(guò)程中異步電動(dòng)機(jī)特性分析

邊乘

摘 要：在大型火電廠中快切裝置應(yīng)用十分普遍，在廠用電投切過(guò)程中異步電動(dòng)機(jī)的變化直接影響投切的結(jié)果，所以廠用電投切過(guò)程中異步電動(dòng)機(jī)特性分析是十分必要的。

關(guān)鍵詞：快切；異步電動(dòng)機(jī)

在土耳其現(xiàn)場(chǎng)快切調(diào)試時(shí)，在一次切換試驗(yàn)中快切裝置顯示切換成功，但6kV段上電動(dòng)機(jī)過(guò)流保護(hù)動(dòng)作負(fù)載停機(jī)，由此問(wèn)題引出本論文分析內(nèi)容。

1 異步電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的基本特點(diǎn)

異步電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，定子回路電壓方程為：

Um=Em+Im*Zm （1）

式中，Um為定子外加電壓相量；在忽略定子電阻時(shí)，Zm由電樞反應(yīng)電抗Xar及定子繞組漏抗Xaσ構(gòu)成；Em為異步電動(dòng)機(jī)電勢(shì)相量。

Em電勢(shì)相量由轉(zhuǎn)子電流iR所形成的旋轉(zhuǎn)磁鏈切割定子繞組產(chǎn)生，Em與Um同頻率。這些都與同步電動(dòng)機(jī)相同。不同的是iR不是直流而是交流，它是由定子電流所感生。當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)為理想電機(jī)結(jié)構(gòu)，即定子、轉(zhuǎn)子繞組三相對(duì)稱，相應(yīng)的磁通沿氣隙為正弦分布時(shí)，iR亦為相量電流IR，其頻率小于fN，即滑差頻率，與電動(dòng)機(jī)工作負(fù)載有關(guān)。在轉(zhuǎn)子繞組中的iR為三相對(duì)稱電流，即是異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流，它所形成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子以ωs角速度正向旋轉(zhuǎn)，對(duì)定子則以角速度ωs+ωm=ωn旋轉(zhuǎn)，故感生的電勢(shì)Em為同步頻率。

另外，需著重說(shuō)明的一點(diǎn)是，異步電動(dòng)機(jī)電磁功率（即機(jī)械功率）輸出雖然仍可由功率角ArgEm/Um決定，但Em與異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置無(wú)直接關(guān)系，異步電動(dòng)機(jī)電磁（機(jī)械）功率輸出只與其滑差s有關(guān)，它由異步電動(dòng)機(jī)M=f（s）力矩曲線確定。

2 異步電動(dòng)機(jī)失壓后運(yùn)行狀態(tài)的基本特點(diǎn)

異步電動(dòng)機(jī)工作電源消失后就進(jìn)入失壓狀態(tài)，若不計(jì)及并聯(lián)異步電動(dòng)機(jī)的互饋?zhàn)饔?，其定子電流為零，轉(zhuǎn)子繞組中失去由定子電流感應(yīng)出的交流勵(lì)磁電流，但由于轉(zhuǎn)子繞組匝間有磁場(chǎng)，故當(dāng)定子失壓后，轉(zhuǎn)子三相繞組產(chǎn)生瞬時(shí)電流，保持轉(zhuǎn)子三相繞組中電流不突變，此電流構(gòu)成定子失壓后異步電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流，它按轉(zhuǎn)子回路時(shí)間常數(shù)衰減。異步電動(dòng)機(jī)失壓后的殘余電壓（電勢(shì)），就是由這一衰減直流產(chǎn)生的。

異步電動(dòng)機(jī)定子失壓后雖仍有殘壓電勢(shì)，但無(wú)外加電壓，不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，在電動(dòng)機(jī)負(fù)載制動(dòng)下，異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速以較快速度下降，又進(jìn)一步使殘壓減小。

需特別指出的是，因轉(zhuǎn)子中勵(lì)磁電流為衰減的直流，故異步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁磁通以（1-s）ωn的角速度切割定子繞組，失壓前、后異步電動(dòng)機(jī)電勢(shì)的頻率將由fN突然變?yōu)椋?-s）fN。由于異步電動(dòng)機(jī)不斷減速，故相應(yīng)上述s將由啟動(dòng)時(shí)滑差s0逐步加大，殘壓頻率不斷下降。[1]

3 廠用電切換過(guò)程中異步電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)

異步電動(dòng)機(jī)切換成功后將重新進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，在此情況下，其轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流又恢復(fù)為低頻交流在定子中感生同步電勢(shì)，由于可認(rèn)為廠用機(jī)械負(fù)荷未變，異步電動(dòng)機(jī)仍工作于失壓前原始滑差s0下。

圖1表明快切裝置動(dòng)作全過(guò)程中異步電動(dòng)機(jī)（等效異步電動(dòng)機(jī)）轉(zhuǎn)子中電流的變化，圖中ia、ib、ic為轉(zhuǎn)子回路三相繞組中電流，I為ia、ib、ic在空間組成的電流相量，Δic為c相繞組中電流的非周期分量；電動(dòng)機(jī)切入后只畫(huà)c相電流變化情況，a、b相電流類似；快切過(guò)程中滑差s不變。在0～t1之間，電流是頻率為s0fN的交流電流，在t1～t2之間為衰減直流，在t2瞬間異步電動(dòng)機(jī)切換在備用電源上，立即產(chǎn)生交流勵(lì)磁電流，其頻率為s0′f，起始角與合閘瞬間備用電源電壓相角有關(guān)，因異步電動(dòng)機(jī)失壓轉(zhuǎn)速會(huì)下降，故s0′>s0。因合閘瞬間定子有沖擊電流，故交流勵(lì)磁電流起始幅值較大。切入后的交流勵(lì)磁電壓頻率隨著異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，如機(jī)械負(fù)荷沒(méi)有變化，則逐步由s0′轉(zhuǎn)變?yōu)閟0。由于切換過(guò)程轉(zhuǎn)子繞組中勵(lì)磁由于切換過(guò)程轉(zhuǎn)子繞組中勵(lì)磁電流的變化（大小、相位和頻率）有自適應(yīng)的性質(zhì)，這就改善了切換過(guò)程中的各種沖擊。

（1）切換過(guò)程中的力矩沖擊。異步電動(dòng)機(jī)切入定子電壓后定子出現(xiàn)電流。定子電流與異步電動(dòng)機(jī)電勢(shì)Em起作用即產(chǎn)生以電磁力矩Me表示的電磁功率Pe。如在備用電源切入時(shí)異步電動(dòng)機(jī)所帶的機(jī)械負(fù)載力矩為Mm′，則異步電動(dòng)機(jī)就出現(xiàn)力矩沖擊ΔM和功率沖擊ΔP。

與同步電動(dòng)機(jī)不同的是，同步電動(dòng)機(jī)并列時(shí)Me由功角δ決定，而異步電動(dòng)機(jī)Me與轉(zhuǎn)子機(jī)械位置無(wú)直接關(guān)系，僅取決于滑差s。

圖2曲線1為異步電動(dòng)機(jī)電磁力矩Me與滑差s的關(guān)系曲線，曲線2為電機(jī)機(jī)械負(fù)載力矩Mm與轉(zhuǎn)速即s的關(guān)系曲線，Mm=f（s）。在正常穩(wěn)定運(yùn)行情況下，2根曲線交于0點(diǎn)，0點(diǎn)為穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)。對(duì)應(yīng)0點(diǎn)的滑差sN約在2%～5%之間。失壓后，Me=0。機(jī)械負(fù)載因轉(zhuǎn)速下降，沿Me=f（s）曲線向s增大方向移動(dòng)至0′點(diǎn)。如在0′點(diǎn)異步電動(dòng)機(jī)切入電壓，建立了Mm，其工作點(diǎn)應(yīng)為0"，于是出現(xiàn)正ΔM，使異步電動(dòng)機(jī)加速s減小。如切換過(guò)程中，負(fù)荷結(jié)構(gòu)不變，則最終工作點(diǎn)回到0點(diǎn)。從圖2可見(jiàn)，Me=f（s）曲線一般在smax～0之間才是穩(wěn)定的。在正常情況下，異步電動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)在這一線段的中偏下部分，所以從力矩沖擊而言最大力矩沖擊一般在2p.u.以上。單純從力矩沖擊看，似乎切換時(shí)對(duì)s無(wú)要求，實(shí)際上，若s過(guò)大，則沖擊過(guò)程持續(xù)過(guò)長(zhǎng)，特別是當(dāng)合閘時(shí)s過(guò)大，合閘沖擊電流就會(huì)過(guò)大。[2]

（2）切換過(guò)程中定子電流變化。在定子電壓切入后，定子電流由2部分構(gòu)成：工頻分量Is與切入過(guò)程暫態(tài)分量。工頻分量易由異步電動(dòng)機(jī)等值電流求出。當(dāng)忽略異步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流時(shí)，工頻分量電流可用下式表示：

式中Un為切入的系統(tǒng)電壓；x1、x2、r1、r2為定子和轉(zhuǎn)子繞組漏抗及電阻；s為滑差。

若切入時(shí)s不是很大，例如10%以內(nèi)，則Is不是很大。暫態(tài)分量電流由切入瞬間系統(tǒng)電壓相位而定，它由2個(gè)因素確定。

a.合閘瞬間由式（3）所確定的Is相角而確定的電流。這一電流與電力系統(tǒng)突然短路時(shí)非周期分量電流起始值類似。隨Is起始角而定，它與切入瞬間Us瞬時(shí)值相等，方向相反。b.在切入瞬間，勵(lì)磁磁通要拉入與外加電壓對(duì)應(yīng)，在此情況下轉(zhuǎn)子回路電流要發(fā)生沖擊，這一電流也要定子電流變化支持，于是又出現(xiàn)定子電流沖擊。

上述2項(xiàng)電流構(gòu)成異步電動(dòng)機(jī)切入時(shí)定子的暫態(tài)電流。從上面的分析可見(jiàn)，異步電動(dòng)機(jī)切入時(shí)定子沖擊電流大小與以下條件有關(guān)：a.切入時(shí)滑差大小，它不僅影響式（3）中Is大小，而且影響其持續(xù)時(shí)間；b.切入瞬間EM與UM的角度差；c.切入前轉(zhuǎn)子殘余磁通的大小，它可由殘壓大小反映。

但是需注意，后2項(xiàng)影響所持續(xù)的時(shí)間由定子經(jīng)外接阻抗短路時(shí)轉(zhuǎn)子回路時(shí)間常數(shù)確定，在切入過(guò)程中，轉(zhuǎn)子回路時(shí)間常數(shù)較小，所影響的定子電流消失較快。

4 結(jié)論

使得過(guò)流動(dòng)作是有多個(gè)原因的，但是切入瞬間EM與UM的角度差大和轉(zhuǎn)子殘壓小這倆個(gè)原因是快切前的判據(jù)，所以這兩個(gè)原因不能使過(guò)流保護(hù)動(dòng)作。最終的原因就是段上負(fù)荷小，使得滑差變化太大，導(dǎo)致定子電流Is過(guò)大過(guò)流保護(hù)動(dòng)作。

參考文獻(xiàn)

[1]火力發(fā)電職業(yè)技能培訓(xùn)教材.電氣試驗(yàn)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2004.

[2]電氣試驗(yàn)技能培訓(xùn)教材[M].北京：中國(guó)電力出版社，2004.