三相異步電動機的速度控制仿真方案研究

李志旭

（中船第七一0 研究所，湖北 宜昌443000）

1 概述

電動機的正常穩(wěn)定運行為我們的生產(chǎn)和生活中的諸多方面提供了重要保障。但是在使用中依然出現(xiàn)了大量的問題,我們通過采用短路速斷和勵磁控制的方式來對于電動機的速度進行了有效的控制,這樣就避免了產(chǎn)生更加嚴(yán)重的系統(tǒng)風(fēng)險,減少了系統(tǒng)的事故數(shù)量,同時我們也應(yīng)該認(rèn)識到對于電能質(zhì)量的控制,已經(jīng)成為了電動機的核心工作。正如1987 年東京發(fā)生的大停電事故,當(dāng)時新型空調(diào)剛剛問世,在氣溫炎熱的七月,空調(diào)的負(fù)荷異常高。正午過后,負(fù)荷的增加速度為400MW/min。系統(tǒng)隨即崩潰,中斷了8168MW 的負(fù)荷。我們應(yīng)該認(rèn)識到對電動機的穩(wěn)定性保護,是我國電網(wǎng)目前的關(guān)鍵工作,并且其重要性會日益增加。與人們對于不同,電壓穩(wěn)定的研究還并不是十分深入和全面。我們定性地討論可能會影響電壓穩(wěn)定性的因素, 進而通過使用simulink 中的simpowersystem 工具箱對電動機進行建模分析,通過直觀的現(xiàn)象得到相關(guān)結(jié)論。

2 三相異步電動機的速度穩(wěn)定控制分析

2.1 電動機電壓的速度控制分析

電壓穩(wěn)定在不同的研究方向中的意義是不相同的。比如說我們在進行感應(yīng)三相異步電動機的調(diào)試的時候, 電壓的變化就極快,而在對于變壓器的接頭進行分析時,它的變化比較慢。為此,工程師們及研究人員曾討論過合適的電壓穩(wěn)定性分析方法,并且在電壓穩(wěn)定屬于靜態(tài)現(xiàn)象還是動態(tài)現(xiàn)象這一問題上持有不同的觀點。我們可以用速度控制分析的方法,來對電壓的穩(wěn)定性進行判斷與分析, 電壓穩(wěn)定直接關(guān)系到了整個系統(tǒng)的耐受能力,因此我們應(yīng)該對于基于數(shù)學(xué)模型來對其進行有效的分析,來使其能夠滿足于實際的需要, 同時我們應(yīng)該加強對于功角穩(wěn)定的研究,使其能夠更好的服務(wù)于電壓的控制方面,電壓和功角穩(wěn)定是有著極為重要的關(guān)系,我們應(yīng)當(dāng)采用,更加科學(xué)合理的三相異步電動機規(guī)劃方案, 來讓整個三相異步電動機的電能質(zhì)量更加的可靠。如果發(fā)現(xiàn)在經(jīng)受一定的擾動之后, 其能夠回到平衡點,那么我們認(rèn)為這一部分的電壓是穩(wěn)定的,我們要做的是讓更多的線路處于這樣的動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 電動機干擾的速度控制分析

三相異步電動機在發(fā)生一定的干擾與故障之后, 其恢復(fù)穩(wěn)定的能力是有限的,因此,我們應(yīng)當(dāng)加強這部分能力的提升,如果發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的,失穩(wěn)現(xiàn)象,就可能導(dǎo)致崩潰,因此在進行變壓器接頭時,保護接頭負(fù)荷擁有絕佳的成效,將工程予以落實價值巨大,其就可以把過電壓的發(fā)生概率降低。變壓器、溫控等保護是三相異步電動機保護的重要構(gòu)成部分,尚未具備后續(xù)保護水準(zhǔn),倘若維護舉措不匹配,橋臂極易引發(fā)損毀,進而致使跳閘出現(xiàn)的狀況。同時,過電壓還可能引發(fā)電機絕緣放電,借助于接觸網(wǎng)來將牽變電所的相應(yīng)設(shè)備予以損毀,則會有更為不堪的后果發(fā)生。過電壓現(xiàn)象和諸如發(fā)電機自勵磁不穩(wěn)定不在上述定義的范圍內(nèi)。這是因為過電壓通常只涉及一個裝置本身的問題, 而并非三相異步電動機的問題。我們對于電壓安全的理解是,其指的是電壓能夠在出現(xiàn)電路故障的情況下,保持相應(yīng)的穩(wěn)定,對于目標(biāo)電壓值留有一定的安全裕度。我們應(yīng)該加強無功控制, 實現(xiàn)電壓的穩(wěn)定,在發(fā)電機進行長期的運作之后, 如果無法對于它的電流進行控制,在出現(xiàn)嚴(yán)重的擾動時,將可能引起大規(guī)模的故障,同時我們應(yīng)該做好電機的電流限流工作, 使其能夠保證電機的安全可靠運行,如果電流的限制出現(xiàn)問題,那么整個電機的運行將會出現(xiàn)嚴(yán)重的故障,這樣就會導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)崩潰的情況。電壓穩(wěn)定性和整個區(qū)域的電網(wǎng)電能使用情況有關(guān), 我們應(yīng)該加強對于功角穩(wěn)定性的保護, 因為每部分電力都需要經(jīng)過長期的運輸才能經(jīng)過運行,因此我們應(yīng)當(dāng)做好在變壓器和線路兩方面的穩(wěn)定保護,如果三相異步電動機過大,無法做好線路的穩(wěn)定保護,就可能發(fā)生電壓的崩潰情況, 同時暫態(tài)速度和功角穩(wěn)定是有著極為重要的關(guān)系,如果在負(fù)荷處發(fā)生故障,那么就可能導(dǎo)致功角失穩(wěn)或者電壓失穩(wěn)等問題。由于大量使用并聯(lián)電容器機組,雖然能夠增加線路的功率傳輸極限,同樣會給電力網(wǎng)絡(luò)增加電壓崩潰的風(fēng)險。因為并聯(lián)電容器組的無功輸出與電壓平方成正比, 故使系統(tǒng)在電壓問題上邊的更加脆弱。在電路出現(xiàn)故障之后應(yīng)當(dāng)采用自動閉鎖的方式將通道關(guān)閉,同時做好預(yù)警的工作,利用其他的通道繼續(xù)進行信息的采集, 但是勵磁系統(tǒng)的故障問題及原因可能較多,因此應(yīng)當(dāng)利用自動檢測裝置來做好這項工作。

3 三相異步電動機的速度控制仿真分析

3.1 仿真軟件

Matlab 電動機工具箱包含的模塊有:Electrical Sources (電源庫)、Elements (元 件 庫)、PowerElectronics (電 力 電 子 元 件 庫)、Machines(電機庫)、Connectors(連接器庫)、Measurements(測量儀器庫)、Extra Library(附加元件庫)、Demos(示例庫)、Powergui(圖形用戶界面graphical user interface)等,為了研究電動機的特性,我們應(yīng)該根據(jù)實際的情況來對其進行搭建, 通過這樣的模塊系統(tǒng)就可以進行理想化的分析,同時根據(jù)這樣的仿真結(jié)果,我們就可以對實際的電網(wǎng)情況進行合理有效的分析, 使其能夠更好的為我們而服務(wù)。利用MATLAB 對于電網(wǎng)系統(tǒng)可以進行建模, 主要建立供電模型、變電所模型、變壓器模型等,把之前計算好的電網(wǎng)參數(shù)填入到相關(guān)的位置, 就可以利用Simulink 對其進行仿真,利用其自帶的模型進行計算,其他模型采用實際的參數(shù),這樣就可以得到較為科學(xué)合理的結(jié)論。

3.2 仿真方案

由于本次研究的是電動機速度控制穩(wěn)定性, 著重關(guān)注的是電壓的變化,因此使用向量法最為適宜。顧名思義,向量法將電壓和電流看做向量,只解關(guān)于電壓電流的向量方程,相較于微分方程,來說,代數(shù)方程更為簡單。因此向量法對于研究包含電動機,大型發(fā)電機的系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性研究非常適合。Powergui:選取向量法(phasor simulition)，頻率設(shè)置50HZ，在線路速度控制和電機初始化模塊中,設(shè)置電動機的功率輸出為300MW,對電機進行速度控制初始化。初始化后參數(shù)為:P=0.6325pu ;Q=0.3858pu;Torque=0.7332pu; Slip=0.108

從目前電力系統(tǒng)的設(shè)備運行情況來看，對于三相異步電動機仿真技術(shù)要求更高的安全系數(shù)，同時對三相異步電動機的性能進行提升，并且可以利用各種檢測手段對三相異步電動機進行多種檢測，使得遠(yuǎn)程檢測系統(tǒng)能夠更好的兼容檢測設(shè)備和三相異步電動機。對三相異步電動機進行定期的安全性能檢測，從而使得電力系統(tǒng)能夠更好地運行，擁有更高的安全性能，對電力的輸送提供良好的供應(yīng)保障。在線檢測技術(shù)是根據(jù)電力系統(tǒng)的實際運行情況，通過網(wǎng)絡(luò)的傳輸，相關(guān)的技術(shù)人員對于電力系統(tǒng)的整體運行情況能夠有一個大致的了解，從而使得電力系統(tǒng)能夠在廣泛的電力安全監(jiān)測方面形成重要的規(guī)模，對于電力系統(tǒng)運行的設(shè)備的工作參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)值有一個清楚的了解。

3.3 仿真結(jié)論

利用示波器讀取電動機節(jié)點的電壓波動情況, 發(fā)現(xiàn)故障0.091s 后切除故障,bus3 的電壓下降后會回升至故障前的狀態(tài),此時可以判斷, 系統(tǒng)是暫態(tài)速度穩(wěn)定的。繼續(xù)增加故障切除時間,當(dāng)故障切除時間為0.092s 時,母線三的電壓響應(yīng)曲線時在波動后下降的。綜合上述兩種情況,我們可以知道,對于該單負(fù)荷無窮大系統(tǒng)來說,電動機慣性系數(shù)設(shè)置為0.7 時,他的極限故障切除時間是0.091 秒。

改變發(fā)電機的慣性常數(shù),H=0.8。此時仍然按照上述方法,連續(xù)增加故障切除時間。觀察電動機機端電壓是否暫態(tài)穩(wěn)定。這時,對于同樣在t=0.092s 切除故障,系統(tǒng)的暫態(tài)速度是穩(wěn)定的。此時我們可以發(fā)現(xiàn),對于暫態(tài)常數(shù)為0.8 的電動機,它已經(jīng)相較于H=0.7 的電動機,系統(tǒng)暫態(tài)速度穩(wěn)定性得到增強。為了嚴(yán)謹(jǐn)起見,我們繼續(xù)增加故障切除時間。在H=0.8 時,當(dāng)切除時間持續(xù)增加值0.103s 時系統(tǒng)的暫態(tài)速度發(fā)生失穩(wěn)。

設(shè)置t=1s 時系統(tǒng)發(fā)生三相故障, 不斷改變斷路器的故障切除時間,利用示波器讀取電動機節(jié)點的電壓波動情況,發(fā)現(xiàn)故障0.091s 后切除故障,電壓下降后會回升至故障前的狀態(tài),此時可以判斷,系統(tǒng)是暫態(tài)速度穩(wěn)定的。增大故障切除時間,利用示波器讀取電動機節(jié)點的電壓波動情況, 發(fā)現(xiàn)故障0.092s 后切除故障,bus3 的電壓下降后會回升至故障前的狀態(tài),此時可以判斷,系統(tǒng)是暫態(tài)速度穩(wěn)定的。以此類推,繼續(xù)增加故障切除時間,當(dāng)故障切除時間為0.103s 時, 母線三的電壓響應(yīng)曲線時在波動后下降的。說明此時,該系統(tǒng)是暫態(tài)速度不穩(wěn)定的。綜合上述兩種情況,我們可以知道,對于該單負(fù)荷無窮大系統(tǒng)來說,電動機慣性系數(shù)設(shè)置為0.8 時,他的極限故障切除時間是0.103 秒。

根據(jù)控制變量法的原理,我們比較了不同慣性常數(shù)時,相同故障切除時間的波形。顯然,分別對于慣性常數(shù)H=0.7 和H=0.8的系統(tǒng),在故障切除時間同為0.091s 的情況下,電壓的穩(wěn)定狀況是不同的。對于H=0.7 的系統(tǒng),故障切除時間一旦大于0.091s 的極限切除時間后,系統(tǒng)的暫態(tài)速度是不穩(wěn)定的。然而對于H=0.8的系統(tǒng),在故障切除時間在0.091s 時,仍然是穩(wěn)定的。因此,慣性常數(shù)為0.8 的電動機比慣性常數(shù)0.7 的電動機更有利于維持系統(tǒng)的暫態(tài)速度穩(wěn)定性。設(shè)置電動機慣性常數(shù)為H=0.7,設(shè)置故障為在線路50%處發(fā)生三相短路,通過不斷改變故障切除時間,觀察電動機端的電壓波形情況,判斷電動機的暫態(tài)速度穩(wěn)定性。如圖所示,發(fā)現(xiàn)故障0.091s 后切除故障,bus3 的電壓下降后會回升至故障前的狀態(tài),此時可以判斷,系統(tǒng)是暫態(tài)速度穩(wěn)定的。繼續(xù)增加故障切除時間,當(dāng)故障切除時間為0.092s 時,母線三的電壓響應(yīng)曲線時在波動后下降的。說明此時,該系統(tǒng)是暫態(tài)速度不穩(wěn)定的。綜合上述兩種情況,我們可以知道,對于該單負(fù)荷無窮大系統(tǒng)來說,電動機慣性系數(shù)設(shè)置為0.7 時,他的極限故障切除時間是0.091 秒。可以知道,故障切除時間較短時,電動機的暫態(tài)速度穩(wěn)定性更高。

4 結(jié)論

同時，我們可以采用功角穩(wěn)定的方式來對于電能質(zhì)量的相關(guān)問題作出一些解釋,對電壓穩(wěn)定的研究還在進行,我們需要使用更加先進的方法,來使得其能夠更好的受到我們的控制,為我們而服務(wù)。