基于Paladin DesignBase的同步電機異步起動仿真分析

薄宏巖

（中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯017209）

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基于Paladin DesignBase的同步電機異步起動仿真分析

薄宏巖

（中國神華煤制油化工有限公司鄂爾多斯煤制油分公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯017209）

摘要：電力系統(tǒng)的無功平衡及機組起動方案，一般在設計階段采用計算或軟件模擬仿真的方法來確定。利用電力系統(tǒng)設計仿真分析軟件對工廠電力系統(tǒng)進行建模，對系統(tǒng)進行潮流分析，對同步電動機異步起動進行暫態(tài)分析，并對無功功率源布置進一步優(yōu)化。另外，因大機組起動本身需要大的無功功率和有功功率，且對所在系統(tǒng)及運行機組具有較大影響，故在設計階段需要進行具體分析并制定相應解決方案。

關(guān)鍵詞：同步電動機；異步起動；有功功率；無功功率；仿真分析

1　引言

同步電動機與異步電動機相比較，最大的特點是可以通過調(diào)節(jié)勵磁電流，改變自身和系統(tǒng)的功率因數(shù)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性［1］。而系統(tǒng)中無功潮流的流動將在線路和變壓器等相關(guān)輸變電設備上造成有功損耗，無功功率源優(yōu)化配置可以提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性運行［2］。從式（1）可以看出，在有功功率一定的情況下，線路傳輸?shù)挠泄?、無功功率越多，線路傳輸設備的有功損耗就越大，所以應盡量減少系統(tǒng)無功功率的傳輸，設計一般選取就地補償?shù)霓k法。但如果無功過補償，多余的無功功率就會傳輸?shù)叫枰獰o功的電氣設備、線路上，同樣會造成并增加新的有功損耗。

式中：Ploss為線路有功損耗；P為有功功率；Q為無功功率；U為系統(tǒng)電壓；R為傳輸電阻。

電力系統(tǒng)無功功率源發(fā)出的無功功率等于無功負荷消耗的無功功率以及在系統(tǒng)傳輸過程中消耗的無功功率，系統(tǒng)的無功功率是平衡的。當電動機起動需要大量的無功功率時，系統(tǒng)會從各處借用大量的無功功率過來，電機起動結(jié)束之后再還給系統(tǒng)建立新的無功平衡。

異步電動機起動電流很大，而起動轉(zhuǎn)矩并不大。由異步電動機等效電路轉(zhuǎn)子電阻R2／S可看出，當電動機剛開始起動時轉(zhuǎn)差率S≈1，轉(zhuǎn)子電阻較小，電機等效電阻小，電動機轉(zhuǎn)子、定子的起動電流很大。起動電流包括暫態(tài)分量和穩(wěn)態(tài)分量，暫態(tài)分量很快衰減為0，我們看到的是按指數(shù)規(guī)律衰減的穩(wěn)態(tài)分量［3］。由式（2）可知，當S≈1時轉(zhuǎn)子漏抗遠大于轉(zhuǎn)子電阻，功率因數(shù)角θ≈90°，有功分量I2cosθ很小，說明無功穩(wěn)態(tài)分量很大［3］。

式中：Mem—異步機電磁轉(zhuǎn)矩；Cm—常數(shù)；Φm—磁通量；I2—轉(zhuǎn)子電流；cosθ—轉(zhuǎn)子功率因數(shù)。

同步電動機在異步起動時，勵磁回路串接起動電阻（是勵磁繞組電阻的10倍）閉合，與定子氣隙磁場作用將產(chǎn)生很大的附加轉(zhuǎn)矩（單軸轉(zhuǎn)矩），在略大于半速時產(chǎn)生較大的負轉(zhuǎn)矩，電動機的起動合成轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)較大的下凹［3］。

本文利用電力系統(tǒng)設計仿真分析軟件Paladin DesignBase5．0對工廠電氣系統(tǒng)建立模型，對照同步電動機異步起動錄波特性曲線，通過潮流分析論述無功功率源的合理設計，以期優(yōu)化電氣系統(tǒng)經(jīng)濟運行方案；對同步電動機異步起動進行暫態(tài)分析，分析起動機組與運行機組的有功和無功功率變化的特性。

2　無刷勵磁同步電機異步起動投勵錄波分析

如圖1所示是同步電動機異步起動到投勵運行的錄波曲線，電動機額定功率Pn＝4500kW，額定電壓6kV，額定電流494A。電動機采用帶有軟起動的控制器，初始電壓設定為額定電壓的40%，最大電流限制為額定電流的300%，機組負荷在37%左右。從錄波曲線可以看出，電動機異步起動開始到投勵結(jié)束前時間約有20s左右，經(jīng)過靜態(tài)投勵和旋轉(zhuǎn)勵磁投勵，起動總時間共計約32s左右。

圖1　同步電動機異步起動錄波曲線

表1是同步電動機異步起動到投勵的同步運行監(jiān)測數(shù)據(jù)。機組起動三相母線電壓U下降11%左右；電動機三相定子電流I升高到額定電流的300%；起動期間電機需要的無功功率Q快速升高，最高達15．75MVar；有功功率P則緩慢升高，在異步起動結(jié)束前達到最大值1．665MW。異步起動結(jié)束到投勵同步運行期間，有功功率P基本穩(wěn)定，無功功率Q由吸收無功變?yōu)橄蛳到y(tǒng)送出無功轉(zhuǎn)換，電動機定子電流則進一步降低。圖1中標尺B1測出的是電機起動過程中的電量數(shù)據(jù)，B2測出的是旋轉(zhuǎn)勵磁投勵瞬間的電量數(shù)據(jù)，B3測出的是同步穩(wěn)定運行時的電量數(shù)據(jù)。

表1　同步電動機異步起動到投勵同步運行監(jiān)測數(shù)據(jù)

3　對電氣系統(tǒng)建模潮流分析

根據(jù)上述機組起動的錄波曲線，通過軟件建立雙電源單母線分段電氣系統(tǒng)模型，仿真分析同步機組異步起動的功率變化特性和機組起動過程中對所在母線的電壓及其他運行機組的功率等的影響。

3．1電氣系統(tǒng)數(shù)據(jù)

圖2是用軟件建立的工廠電氣系統(tǒng)模型圖。上側(cè)電源系統(tǒng)是總變35kV母線，最大短路電流17kA，用電源網(wǎng)絡建模模擬，變壓器20MVA、35／6kV，初期設計是6B1段母線帶有1臺4500kW、2臺2800 kW同步機組，6B2段母線帶有2臺4500kW、1臺2800kW同步機組。為平衡消化母線無功功率，后改造增加了MH1、MH2為2000 kW異步機負荷。正常工藝工況是電動機K-203、K-102同步機組分別帶有1臺熱備用，其它機組都處于運行狀態(tài)。

3．2異步機沒運行電氣系統(tǒng)潮流分析

圖2中顯示出了潮流數(shù)據(jù)。表2中數(shù)據(jù)只有同步電動機運行的潮流分析監(jiān)測電量數(shù)據(jù)，異步機處于停機狀態(tài)。同步電動機向系統(tǒng)輸出無功功率，電源側(cè)、母線側(cè)功率因數(shù)都比較高，但由于母線上沒有感性負荷平衡容性無功功率，結(jié)果是無功功率回送到上側(cè)總變35kV母線上，然后無功功率經(jīng)過總變側(cè)母線再下網(wǎng)到其它變電站建立無功平衡，并且占用35T變壓器的容量，增加了變壓器和線路的有功損耗。另外，由于系統(tǒng)無功功率過高，造成系統(tǒng)電壓偏高至6．52kV。通過潮流數(shù)據(jù)分析可以看出，該工廠電氣一次系統(tǒng)設計不是理想的有功無功負荷布置方式。

圖2　工廠電氣系統(tǒng)軟件模型圖

表2　同步電動機運行系統(tǒng)潮流分析電量監(jiān)測數(shù)據(jù)表

3．3異步機投入運行電氣系統(tǒng)潮流分析

從表3潮流分析數(shù)據(jù)可以看出，6B1段母線新增異步機組建立有功無功平衡，系統(tǒng)提供0．28MVar無功功率；6B2段母線新增異步機組有功無功平衡后，結(jié)果還是要向系統(tǒng)回送無功功率到上側(cè)總變35kV母線上，同樣占用35T變壓器的容量，變壓器和線路的有功損耗增加。從上述分析結(jié)果可以看出，最好在設計階段合理布置無功功率源，才能達到優(yōu)化的經(jīng)濟運行效果。

表3　異步機投入運行系統(tǒng)潮流分析電量監(jiān)測數(shù)據(jù)表

4　同步機異步起動暫態(tài)分析

假設同步電動機勵磁沒有投入，只模擬K-102C電機異步起動，分析對系統(tǒng)的影響。K-102C起動參數(shù)設定同樣負荷在37%左右，模擬軟起動器起動電流限制在機組的300%額定電流。運行同步機組勵磁控制方式選用的是固定電壓控制。

4．1 6B2段母線電壓變化

圖3所示是K-102C機起動過程中6B2段母線電壓及機端電壓變化的過程曲線圖，在2s時刻起動前母線電壓是6．47kV，在10s時刻標尺測出母線最低電壓為5．876 kV，母線電壓降低9．12%。機端電壓為5．809 kV，電動機電壓是原電壓的89．84%，滿足電動機廠家要求的最低起動電壓。22s之后起動結(jié)束，6B2段母線電壓恢復到6．39 kV。

圖3　K-102C機起動過程低壓變化

4．2電機起動電流及功率因數(shù)變化

圖4所示是起動機組K-102C起動電流和速度變化的曲線，上側(cè)是起動電流限制在300%時的變化過程曲線，在2s-22s時間內(nèi)2B母線下降、電動機起動電流增大，下部曲線是電動機轉(zhuǎn)速從0到異步額定轉(zhuǎn)速的變化過程曲線。圖5所示是電動機起動過程功率因數(shù)和視在功率的變化曲線，下側(cè)曲線是電機功率因數(shù)變化過程，上側(cè)曲線是視在功率變化過程。起動開始轉(zhuǎn)差率S≈1時，功率因數(shù)開始從0．18逐步提升，但視在功率很快提升，說明有功分量較小，無功分量很大。到22s時刻轉(zhuǎn)差率S≈0．05時功率因數(shù)提升到最大0．89，說明電動機起動結(jié)束后無功分量較小而有功分量達到最大值。

圖4　電流和速度曲線

圖5　功率因數(shù)和視在功率曲線

4．3系統(tǒng)6B2段有功功率P的變化

圖6所示是6B2系統(tǒng)有功功率變化曲線，在T＝2s時刻機組起動之前，35T2主變壓器和運行的同步機組K-203B饋線6201、K-102A饋線6202及異步機組MH2饋線6204，從電源網(wǎng)絡獲得的有功功率基本穩(wěn)定。從2s時刻K-102C開始起動到22s左右結(jié)束，起動過程20s左右。圖中20s時刻是標尺測出的6組曲線數(shù)據(jù)，從上至下第2條是K-102C機組從電網(wǎng)吸收有功功率P的變化過程，功率從0開始增加，到22s時刻P達到最大值10．3MW，與圖5功率因數(shù)的變化曲線基本相同。機組完成異步起動過程之后，有功功率P基本穩(wěn)定。受機組起動的影響，主變壓器35T2從系統(tǒng)吸收有功功率P最大可達18．5 MW，其隨機組起動有功功率P的變化而變化，直到機組起動結(jié)束后系統(tǒng)有功功率進入新的穩(wěn)態(tài)值。

圖6　6B2系統(tǒng)有功功率變化曲線

4．4運行機組有功功率變化

圖7　運行機組有功功率變化曲線

以運行同步機組K-102A饋線6202和異步機組MH2饋線6204為例，圖7中上部曲線為K-102A饋線6202功率曲線。通過移動標尺可發(fā)現(xiàn)，在起動過程中由于系統(tǒng)電壓的降低，K-102A有功功率與起動前相比降低0．25%左右；而異步電動機組MH2有所不同，起動過程中有功功率降低較少。在2s時刻受起動機組瞬間擾動影響，同步機組K-102A有功功率出現(xiàn)先下降再上升的脈動衰減變化；MH2有功功率先脈沖式降低之后再恢復穩(wěn)定。圖8所示是2s時刻曲線放大圖，受機組起動結(jié)束22s瞬間擾動影響，K-102A有功功率出現(xiàn)先上升再下降的脈動衰減變化；MH2有功功率先脈沖式增加然后恢復至穩(wěn)定值。同步電動機與異步機P的變化受系統(tǒng)電壓降的影響，瞬間P變化趨勢不同主要由是否有受勵磁系統(tǒng)的影響決定。

圖8　2s時刻有功功率變化曲線放大圖

4．5系統(tǒng)6B2段無功功率Q的變化

圖9所示是6B2系統(tǒng)無功功率變化曲線，2s前運行的同步機組K-203B、K-102A向系統(tǒng)發(fā)出的無功功率Q為負值，異步機組MH2吸收的無功功率Q為正值，在6B2母線無功功率平衡后，多余的無功功率通過35T2主變壓器向系統(tǒng)送出，看圖中2s時刻之前底部第2條曲線，流過35T2的無功功率Q為負值。在20s標尺從上至下第2條曲線是K-102C起動過程無功功率的變化曲線，起動開始立刻吸收大量無功功率，通過移動標尺測得從系統(tǒng)吸收的無功最大值達到13．8MVar，電動機先從系統(tǒng)吸收大量的無功功率建立磁場，無功分量很大，然后隨著轉(zhuǎn)速的提升逐步將電能進行有功功率轉(zhuǎn)換，有功分量逐步增加，電能轉(zhuǎn)換為機械能。

4．6運行機組無功功率變化

圖9　6B2系統(tǒng)無功功率變化曲線

K-102C在起動過程中，分析運行機組K-102A 和MH2無功功率的變化特性，圖10中下部曲線6202為K-102A的變化特性。起動過程中K-102A 向6B2母線送出的無功功率與起動前-1．35 MVar相比降低最多至-0．75 MVar，而MH2吸收的無功功率有較小的降低。由圖11看出，在2s時刻受起動機組瞬間擾動影響，K-102A送出的無功功率出現(xiàn)先增加再減小的脈沖變化，而MH2吸收的無功功率則出現(xiàn)先脈沖式降低再恢復至穩(wěn)定。受機組起動結(jié)束22s時刻瞬間擾動影響，兩臺運行機組22s時刻與之前2s時刻無功曲線變化相比出現(xiàn)相反的變化趨勢。同步電動機與異步機Q的變化受系統(tǒng)電壓的影響，機組起動瞬間電壓降低被借用較多的無功功率，起動結(jié)束后電壓提升歸還無功功率，然后建立新的無功平衡。無功功率Q的變化趨勢還與同步機和異步機控制方式的不同有關(guān)。

圖10　運行機組無功功率變化曲線

圖11　2s時刻無功功率變化曲線放大圖

4．7運行機組功率因數(shù)變化

圖12所示是運行機組K-102A及MH2功率因數(shù)的變化曲線，在機組起動過程中，上部運行機組K-102A功率因數(shù)提高了，而機組MH2功率因數(shù)波動性降低。圖13所示是2s時刻曲線放大圖，受起動機組在2s時刻擾動影響，機組K-102A功率因數(shù)脈沖式降低，然后提高到比原值略高并穩(wěn)定下來。而在2s時刻，機組MH2功率因數(shù)則脈沖式升高再下降恢復。在22s起動結(jié)束時刻功率因數(shù)有相反的變化。上述有功無功功率波形變化曲線及擾動特性與功率因數(shù)變化特性相符合。

圖12　運行機組功率因數(shù)變化曲線

圖13　2s時刻功率因數(shù)變化曲線放大圖

5　結(jié)束語

結(jié)合無刷勵磁同步機組異步起動到投勵運行錄波曲線，利用軟件Paladin DesignBase對工廠電氣系統(tǒng)建立模型，進行系統(tǒng)潮流分析和同步機異步起動的暫態(tài)分析，得出了以下結(jié)論。

（1）在電力系統(tǒng)網(wǎng)絡構(gòu)架設計中，要充分考慮有功無功功率的平衡，對無功功率源要合理布置，要減少損耗，要優(yōu)化電氣系統(tǒng)經(jīng)濟運行方案。

（2）同步電動機起動電流很大，需要系統(tǒng)提供較多的有功功率和無功功率，最直接的影響是系統(tǒng)電壓降低，要通過計算或者仿真分析，設計出合理的起動方案才能保證電動機可靠起動。

（3）在大機組起動過程中，對所在系統(tǒng)運行機組的影響要進行分析并采取相應措施，重點要考慮電壓下降對低電壓保護和過電流保護的影響以及對同步電動機失步和勵磁系統(tǒng)的影響等。

參考文獻：

［1］電機工程手冊（第二版）［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2002．

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Research on asynchronous starting of synchronous motor based on Paladin DesignBase

BO Hong-yan
（Ordos Coal-derived Oil Branch，China Shenhua Coal-derived Oil Chemical Co．，Ltd．，Ordos 017209，China）

Abstract：The balance of reactive power and the unit starting scheme are generally confirmed by the way of the calculating or the software simulation in the design stage of the electrical system．The model-building，the Tidalcurrent analysis and the transient analysis for the synchronous -motor asynchronous starting of the industrial electrical system are presented by the design and simulation software．It is found that the reactive power source arrangement needs to be optimized further．Since the starting of the large machine unit needs a great deal of active power and reactive power and it effects the system and the running units，the design stage requires analysis and making relevant solutions．

Key words：synchronous motor；asynchronous starting；active power；reactive power；simulation analysis

中圖分類號：TM341

文獻標識碼：A

文章編號：1005—7277（2016）02—0022—06

作者簡介：

薄宏巖（1964-），男，副高職稱，主要從事石油化工、煤制油化工電力系統(tǒng)設計及電氣設備運行與維護管理工作。

收稿日期：2016-01-04