大容量異步電動機(jī)啟動特性的仿真分析?

張 雷

（中國船舶研究設(shè)計(jì)中心 武漢 430000）

大容量異步電動機(jī)啟動特性的仿真分析?

張 雷

（中國船舶研究設(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機(jī)，大容量異步電動機(jī)直接啟動時對船舶電力系統(tǒng)會造成較大的壓降影響。通過對大功率異步電動機(jī)直接啟動對船舶電力系統(tǒng)供電品質(zhì)的影響的仿真分析，為大功率異步電動機(jī)的啟動方式提供科學(xué)依據(jù)。

船舶電力系統(tǒng)；鼠籠式異步電動機(jī)；供電品質(zhì)

1 引言

船舶電力系統(tǒng)中70%～80%的負(fù)載為電動機(jī)負(fù)載，電動機(jī)直接啟動時啟動電流一般能達(dá)到額定電流的4～7倍［1］，若假定其定子端電壓保持不變，其起動時所需要發(fā)電機(jī)提供的功率就將為其額定功率的4～7倍，（部分國產(chǎn)電動機(jī)的啟動電流經(jīng)過實(shí)際測量高達(dá)8～12倍），因此實(shí)際的發(fā)電機(jī)能直接起動的電動機(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，則能直接起動的電動機(jī)的容量為但考慮到實(shí)際起動時會造成電壓的跌落，為保證電壓的暫態(tài)性能指標(biāo)要求，這里發(fā)電機(jī)能直接起動的電動機(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)中從開始便需對實(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。通過對大功率異步電動機(jī)直接啟動對船舶電力系統(tǒng)供電品質(zhì)的影響分析，為大功率異步電動機(jī)的啟動方式提供科學(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 三相異步電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型

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

1）忽略空間諧波，三相繞組對稱，產(chǎn)生的磁動勢沿氣隙按正弦規(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繞組電阻的影響。

異步電動機(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。對定子坐標(biāo)系αβ和轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系α’β’同時進(jìn)行變換，把它們變換到同一個旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系dq上，dq相對于定子的旋轉(zhuǎn)角速度為ω1，如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)換坐標(biāo)

通過坐標(biāo)變換和旋轉(zhuǎn)變換將異步電動機(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)系的簡單模型，經(jīng)過變換后的數(shù)學(xué)模型如下：

電壓方程：

轉(zhuǎn)矩方程：通過在三相異步電動機(jī)進(jìn)行頻率折算，可以得到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時異步電動機(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)相電動勢；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勢；s為轉(zhuǎn)差率；、為等效后轉(zhuǎn)子繞組電阻和漏電抗；I0為控制勵磁電流。

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

圖2 簡化后的異步電動機(jī)模型

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

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

異步電動機(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］，考慮異步電動機(jī)的啟動過程，需將其設(shè)定為轉(zhuǎn)矩控制方式，同時在電動機(jī)啟動前控制電機(jī)轉(zhuǎn)速為0。

以下以30kW恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性的異步電動機(jī)為例來說明所建立的電動機(jī)模型的正確性。

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

表1 30kW異步電動機(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的異步電動機(jī)，整個仿真時間為10s，3.0s后電動機(jī)定子通電，開始啟動，電動機(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，使得電動機(jī)啟動后直接達(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前電動機(jī)定子未通電，轉(zhuǎn)速為0，3.0s后電動機(jī)開始啟動，轉(zhuǎn)速由0上升，此時啟動電流很大，達(dá)到額定電流的7.5倍，當(dāng)電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等時轉(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。啟動過程需要8.5s，啟動完成后定子電流為56A，即為給定的額定電流，因此此仿真所確定的電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)為額定運(yùn)行狀態(tài)。即通過將給定的運(yùn)行參數(shù)直接或間接（通過簡單計(jì)算）后輸入電動機(jī)數(shù)學(xué)模型中，若給定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩，則電動機(jī)可以在額定點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行，因此此電動機(jī)數(shù)學(xué)模型是正確的。

圖3 電動機(jī)定子電流波形

圖4 電動機(jī)轉(zhuǎn)速波形

圖5 電動機(jī)轉(zhuǎn)矩曲線

4 大功率異步電動機(jī)直接啟動對電力系統(tǒng)影響的仿真分析

大功率異步電動機(jī)啟動對380V用電設(shè)備所獲得電能品質(zhì)不超過《鋼制船入級規(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)時間2s，最大偏離不超過20%；頻率穩(wěn)態(tài)允差±3%，瞬態(tài)允差±4%，恢復(fù)時間2s。

現(xiàn)以某型船為例，該船有前、后兩個電站，前電站為2臺6300V、2MW的柴油發(fā)電機(jī)組，后電站為2臺6300V、4MW的汽輪發(fā)電機(jī)組。直接啟動該船最大的異步電動機(jī)負(fù)載（額定電壓6300V，額定功率600kW），分析異步電機(jī)直接啟動對船舶電力系統(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)起動時的發(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電機(jī)時發(fā)電機(jī)瞬態(tài)電壓最小值，結(jié)果見表2。

表2 不同情況下發(fā)電機(jī)瞬態(tài)電壓最小值

Matlab中搭建的一臺汽輪機(jī)組與一臺柴油發(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)行電動機(jī)直接啟動時仿真模型圖

系統(tǒng)在帶載60%的情況下直接啟動600kW異步電動機(jī)，得到系統(tǒng)電壓、啟動電流和電動機(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)啟動后系統(tǒng)電壓開始下降，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)電動機(jī)啟動成功后，系統(tǒng)電壓有短時升高，最高到100.3%，0.3s后進(jìn)入最終穩(wěn)定值。

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

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

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

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

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

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

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

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

現(xiàn)在以分析1臺汽輪機(jī)組和1臺柴發(fā)機(jī)組并聯(lián)為例，帶載60%的情況下電動機(jī)直接啟動過程，分析電能質(zhì)量是否超過《鋼制船入級規(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%?？梢娊?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)。而中壓電動機(jī)直接啟動的穩(wěn)態(tài)電壓，應(yīng)維持在發(fā)電機(jī)下垂特性及電壓波動率范圍內(nèi)，即96.5%～100.5%內(nèi)。表2中可以看到，電動機(jī)啟動過程中壓系統(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，電動機(jī)直接啟動造成的電壓瞬態(tài)下降并不超過16%，恢復(fù)時間也小于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型等效電路中勵磁阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于漏磁阻抗；（2）一次側(cè)電壓降低時勵磁阻抗的變化對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)荷受瞬時低電壓影響，供電系統(tǒng)應(yīng)確保有2臺或2臺以上機(jī)組在網(wǎng)。

5 結(jié)語

本文針對異步電動機(jī)容量配置需求越來越大的趨勢，對大容量異步電動機(jī)啟動特性進(jìn)行了分析，以此做出啟動時對船舶電力系統(tǒng)電力品質(zhì)的危害評估。通過對大容量異步電動機(jī)直接啟動進(jìn)行了仿真分析，對大容量異步電動機(jī)啟動特性有了較為全面的了解，給大容量電動機(jī)啟動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）大容量異步電動機(jī)直接啟動造成的系統(tǒng)電壓降與啟動前系統(tǒng)在網(wǎng)機(jī)組總?cè)萘坑嘘P(guān)，與啟動前機(jī)組負(fù)載率關(guān)系不大；

2）以600kW異步電動機(jī)為例，直接啟動時需兩臺及以上的機(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)要求中壓電動機(jī)直接啟動前需向供電系統(tǒng)發(fā)出重載問詢，電站監(jiān)控裝置收到重載請求后，檢查當(dāng)前系統(tǒng)有大于一臺機(jī)組在網(wǎng)，且電機(jī)啟動后不觸發(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)。