大容量異步電動機啟動特性仿真分析研究

萬玉晶，邱立偉，陳景榮，王利來，李 順，劉 念

（1.中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300；2.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065）

大容量異步電動機啟動特性仿真分析研究

萬玉晶1，邱立偉1，陳景榮1，王利來2，李 順2，劉 念2

（1.中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300；2.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065）

針對大容量異步電動機啟動頻繁的問題，建立大容量異步電動機在直接啟動、轉(zhuǎn)子串電阻啟動以及軟啟動3種模式下的控制數(shù)學(xué)模型。利用Matlab/Simulink仿真異步電動機啟動特性，對大容量異步電動機啟動控制進行仿真分析，為電力系統(tǒng)的電機節(jié)能控制以及大容量異步電動機啟動方式的選擇提供理論依據(jù)。

大容量異步電動機；數(shù)學(xué)模型；啟動特性；仿真分析

0 引 言

近年來大型廠用電動機起停頻繁，其啟動過程對一些電氣設(shè)備的安全運行造成很大隱患。由于異步電動機啟動時，啟動電流能達到額定電流的4～7倍，定子繞組端部結(jié)構(gòu)將承受很大的沖擊力，如果引線（小跳線）的機械強度不夠，可能造成扭彎曲或機械拉傷。同時，轉(zhuǎn)子籠條承受著電磁力、離心力和熱應(yīng)力，端部籠條出鐵心到短路環(huán)范圍內(nèi)，特別是籠條與短路環(huán)接觸的根部承受著很高的應(yīng)力，容易發(fā)生脫焊或斷裂事故[1]。

隨著電力工業(yè)的不斷發(fā)展，異步電動機的容量越來越大，大容量以及特大容量電動機陸續(xù)投入使用。電動機的容量越大，啟動所帶來的沖擊也越大，安全引患將會愈發(fā)突出[2-3]。大容量異步電動機的啟動特性關(guān)系到整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，因此，研究其啟動特性對保證電網(wǎng)的穩(wěn)定以及大容量電動機的安全運行十分必要[4]。

國內(nèi)外對異步電動機的啟動特性也有很多研究。文獻[2]分析了小容量三相異步電動機的直接啟動特性；文獻[3]分析了小容量三相異步電動機的軟啟動特性；文獻[4]對啟動特性仿真模型建立進行了分析。但是對大容量異步電動機的啟動特性分析較少，本文針對大容量異步電機的啟動特性進行仿真分析，并對幾種啟動方式進行對比，為電力系統(tǒng)的電機節(jié)能控制以及大容量異步電動機啟動方式的選擇提供合理的科學(xué)依據(jù)。

1 三相異步電動機數(shù)學(xué)模型

異步電機的數(shù)學(xué)模型是一個高階、非線性和強耦合的多變量系統(tǒng)[5]。在研究異步電機的多變量數(shù)學(xué)模型時，常作如下假設(shè)：

1）三相繞組在空間對稱互差120°，磁勢在空間按正弦分布。

2）忽略鐵芯損耗。

3）不考慮磁路飽和，即認為各繞組間互感和自感都是線性的。

4）不考慮溫度和頻率變化對電機參數(shù)的影響。

異步電動機的數(shù)學(xué)模型主要由電壓方程、磁鏈方程和轉(zhuǎn)矩方程組成，通過坐標(biāo)變換和旋轉(zhuǎn)變換將異步電動機三相靜止坐標(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，只要在這兩個坐標(biāo)系下的合成磁勢相等，坐標(biāo)變換就是有效的。經(jīng)過變換后的數(shù)學(xué)模型為

電壓方程

式中：usd、usq——d軸和q軸電壓；

Rs——電機定子電阻；

isd、isq——d軸和q軸定子電流；

φsd——磁通。

磁鏈方程

式中：Ls——自感抗；

Lm——互感抗。

轉(zhuǎn)矩方程

式中：Te——電磁轉(zhuǎn)矩；

np——轉(zhuǎn)速。

旋轉(zhuǎn)變換是用旋轉(zhuǎn)的繞組代替原來靜止的定子繞組，并使等效的轉(zhuǎn)子繞組與等效的定子繞組重合，且保持嚴(yán)格同步，等效后定、轉(zhuǎn)子繞組間不存在相對運動。

通過對三相異步電機進行頻率折算，可以得到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時異步電機的平衡方程式組。

式中：U1——定子繞組相電壓；

E1——定子繞組側(cè)相電動勢；

I1——定子繞組相電流；

Z1——定子一相繞組的漏阻抗；

s——轉(zhuǎn)差率；

I0——控制勵磁電流。

對于容量＞100 kW的異步電機，可以得到異步電機簡化等效電路模型，如圖1所示。

圖1 大容量異步電動機簡化模型

由于異步電動機的轉(zhuǎn)子、定子漏阻抗比較小，啟動瞬間的啟動電流很大。由簡化電路圖可知，通過控制電壓U1可以有效控制啟動電流，這就是直接啟動和軟啟動的區(qū)別。

2 異步電動機的啟動方式

根據(jù)不同工況，異步電動可有多種啟動方法，比較常見的有直接啟動和降壓啟動[6]。隨著我國電子技術(shù)的不斷發(fā)展，軟啟動被廣泛應(yīng)用，特別是針對大容量異步電動機，降壓啟動法逐漸被軟啟動所取代。常見的軟啟動方式有晶閘管軟啟動、磁飽和軟啟動和磁控軟啟動等[7]。本文基于大容量異步電動機啟動的特性對比，主要針對直接啟動、壓降啟動和晶閘管軟啟動3種方式進行了分析。

2.1 直接啟動

直接啟動是最簡單直接的啟動方式，啟動時通過開關(guān)或接觸器將電機直接接到電網(wǎng)上。此方法在小型電動機上應(yīng)用最為廣泛；具有起動設(shè)備簡單，起動速度上升快，起動轉(zhuǎn)矩比采用降壓起動時大等優(yōu)點。在負載和電網(wǎng)兩方面都允許直接起動的情況下，鼠籠式異步電動機以直接起動為宜。但是，針對本文所提的大容量異步電動機，直接啟動的缺點更為突出。直接啟動時產(chǎn)生的過大啟動電流，不僅對外側(cè)電網(wǎng)中的其他用電設(shè)備造成影響，而且會使電機繞組過熱，加速電機絕緣老化，同時產(chǎn)生的巨大電磁力對電機機身也會造成破壞性影響。

2.2 轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻啟動

繞線式異步電動機的轉(zhuǎn)子串聯(lián)合適的電阻不但可以減小啟動電流，還可以增大啟動轉(zhuǎn)矩，也是比較適合大容量異步電機的啟動方式。容量較大的一般采用分級啟動的方法以保證啟動過程中都有較大的啟動轉(zhuǎn)矩和較小的啟動電流。

2.3 晶閘管軟啟動

晶閘管軟啟動在電路上與直接啟動有明顯不同，它在電源與被控電機之間串接一個由晶閘管組成的軟啟動器。啟動過程中通過控制晶閘管的導(dǎo)通角來控制輸入電機的電壓變化，直到啟動結(jié)束。

晶閘管軟啟動可以有效限制啟動沖擊電流，大大減小啟動過程對電網(wǎng)造成的壓降，從而減小了沖擊電流對電機自身的影響，延長電機使用壽命[8]。

針對大容量異步電動機，軟啟動有著明顯的優(yōu)勢，將大大減小啟動沖擊電流。當(dāng)大容量電動機重載啟動時，軟啟動是非常不錯的選擇[9-10]。下面將通過仿真對比分析，給出大容量異步電動機直接啟動和軟啟動的啟動特性曲線。

3 大容量三相異步電動機啟動特性仿真分析

針對大容量異步電動機，對它在不同啟動方法下的啟動特性進行仿真研究。利用Simulink自帶的異步電動機模型，搭建直接啟動、轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻啟動和軟啟動的3種仿真模型[11-12]，并進行仿真分析。

3.1 大容量三相異步電機直接啟動特性仿真

直接啟動電路非常簡單，沒有任何調(diào)節(jié)措施。在仿真時，將仿真時間設(shè)置為10s，并測量異步發(fā)電機的定子和轉(zhuǎn)子電流以及轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的相關(guān)參數(shù)。

圖2 直接啟動轉(zhuǎn)子電流特性

圖3 直接啟動轉(zhuǎn)速特性

圖4 直接啟動轉(zhuǎn)矩特性

由圖2、圖3和圖4可知，大容量異步電動機直接啟動時，有啟動時間短、轉(zhuǎn)速上升速度快、輸出轉(zhuǎn)矩大的優(yōu)點；但是，轉(zhuǎn)子啟動電流比較大，達到了額定電流的4～7倍甚至更高，轉(zhuǎn)速達到穩(wěn)定之前有個短暫的波動過程，直接啟動時的沖擊電流電機本身以及電力系統(tǒng)的沖擊不可忽視。隨著異步電機容量的進一步增大，其沖擊電流也會增大，如圖5所示。

3.2 轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻啟動特性仿真

轉(zhuǎn)子串聯(lián)啟動的特點是異步電動機啟動時在電動機轉(zhuǎn)子側(cè)串聯(lián)接入合適的電阻，以減小啟動電流和增大啟動轉(zhuǎn)矩。

仿真時，仿真時間設(shè)置為10s。經(jīng)過0.1s將轉(zhuǎn)子側(cè)電阻短接。并測量異步發(fā)電機的定子和轉(zhuǎn)子電流以及轉(zhuǎn)速相關(guān)參數(shù)。仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。

從仿真圖中可以看出，經(jīng)0.1 s將電阻短接后，電機轉(zhuǎn)子電流有略微的波動，電機將在波動的電磁轉(zhuǎn)矩Te的作用下，逐漸加速到額定轉(zhuǎn)速，通過與直接啟動的啟動電流比較，可以清楚地看到啟動電流的波動明顯減少。

圖5 不同容量異步電機直接啟動電流特性

圖6 轉(zhuǎn)子串電阻啟動電流

圖7 轉(zhuǎn)子串電阻啟動轉(zhuǎn)矩特性

3.3 大容量異步電動機軟啟動特性仿真分析

晶閘管軟啟動方式相對于直接啟動，在電路上有明顯不同。它是在電源與異步電動機之間，加入了晶閘管控制電路，通過控制晶閘管的觸發(fā)角來改變輸出電壓，晶閘管軟啟動仿真模型利用Matlab進行搭建。

仿真時，將仿真時間設(shè)置為10s，為了較好觀測啟動電流特性，設(shè)置仿真啟動時間為2s。并測量異步發(fā)電機的定子和轉(zhuǎn)子電流以及轉(zhuǎn)速相關(guān)參數(shù)。仿真結(jié)果表明：軟啟動時，啟動電流和轉(zhuǎn)速特性有明顯改善。啟動電流特性和轉(zhuǎn)速特性如圖8和圖9所示。

圖8 軟啟動轉(zhuǎn)子電流特性

圖9 軟啟動轉(zhuǎn)速特性

由圖8和圖9可知，大容量異步電動機軟啟動時，啟動時間較長，轉(zhuǎn)速上升速度較為平緩；但是，轉(zhuǎn)子啟動沖擊電流大大得到改善，啟動過程中啟動電流能夠平穩(wěn)上升，電動機能夠平穩(wěn)啟動。大容量異步電動機啟動過程對電網(wǎng)和電機自身的沖擊得到明顯改善，保證了大容量電動機的安全運行。

經(jīng)過對直接啟動、轉(zhuǎn)子串電阻啟動和軟啟動的仿真可以看出，3種啟動方式之間各有特點。

1）大型電動機直接啟動時，啟動沖擊電流很大，并且隨著電機容量的不斷增大，沖擊電流越來越大，震蕩時間加長。

2）轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻啟動的啟動特性與直接啟動特性差別不大，但是能夠減小啟動電流和增大啟動轉(zhuǎn)矩。

3）軟啟動可以很好地控制大容量電動機啟動時的電流，有效降低啟動時引起的電網(wǎng)壓降。

4 結(jié)束語

本文針對異步電動機容量配置需求越來越大的趨勢，對大容量電機啟動特性進行分析，以此做出啟動時對電網(wǎng)以及電機自身的危害評估。通過對大容量異步電動機直接啟動、轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻和軟啟動3種啟動方式分別進行仿真分析，對大容量異步電動機的啟動特性有了較為全面的了解，給大容量電動機啟動方式的選擇提供了科學(xué)依據(jù)。

1）直接啟動方式簡單，但是當(dāng)電動機容量較大時會產(chǎn)生較大的啟動沖擊電流，比較適合小容量電動機的啟動。

2）轉(zhuǎn)子串電阻啟動通過在轉(zhuǎn)子串加入適當(dāng)電阻可以減小啟動電流和增大啟動轉(zhuǎn)矩。比較適合于大容量電動機輕載狀態(tài)的啟動。

3）軟啟動的啟動時間較長，轉(zhuǎn)速平緩上升，啟動沖擊電流大大減小，比較適合于大容量異步電動機重負荷時的啟動。

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Simulation analysis of starting characteristic for large capacity asynchronous motor

WAN Yu-jing1，QIU Li-wei1，CHEN Jing-rong1，WANG Li-lai2，LI Shun2，LIU Nian2
（1.CNNC Nuclear Operation Management Co.，Ltd.，Haiyan 314300，China；2.School of Electrical Engineering and Information，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

For the problem about the starting characteristics of large capacity asynchronous motor，the mathematical control models of the large capacity asynchronous motor are presented for the direct starting，the rotor resistance starting and the soft starting.The starting control characteristics of the large capacity asynchronous motor are analyized by Matlab/Simulink software.Based on the mathematical model analysis and the simulation analysis for the large capacity asynchronous motor，the results can provid an effective scientific evidence for the saving-energy and the starting mode selection of asynchronous motors.

asynchronousmotoroflarge capacity；mathematicalmodel；starting characteristic；simulation analysis

TM343+.2；TK018；TP391.9；TP274

：A

：1674-5124（2014)06-0132-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.06.034

2014-02-17；

：2014-05-05

萬玉晶（1983-），男，工程師，主要從事繼電保護檢修及管理工作。