大容量異步電動機啟動特性的仿真分析?

張 雷

（中國船舶研究設計中心 武漢 430000）

大容量異步電動機啟動特性的仿真分析?

張 雷

（中國船舶研究設計中心 武漢 430000）

船舶電力系統中70%～80%負載是鼠籠式異步電動機，大容量異步電動機直接啟動時對船舶電力系統會造成較大的壓降影響。通過對大功率異步電動機直接啟動對船舶電力系統供電品質的影響的仿真分析，為大功率異步電動機的啟動方式提供科學依據。

船舶電力系統；鼠籠式異步電動機；供電品質

1 引言

船舶電力系統中70%～80%的負載為電動機負載，電動機直接啟動時啟動電流一般能達到額定電流的4～7倍［1］，若假定其定子端電壓保持不變，其起動時所需要發電機提供的功率就將為其額定功率的4～7倍，（部分國產電動機的啟動電流經過實際測量高達8～12倍），因此實際的發電機能直接起動的電動機負荷往往比發電機的額定容量要小得多。根據經驗公式，若發電機的額定容量為P，則能直接起動的電動機的容量為但考慮到實際起動時會造成電壓的跌落，為保證電壓的暫態性能指標要求，這里發電機能直接起動的電動機容量往往還要低于此值［4～5］。

為了保證船舶電力系統的供電品質，在船舶電力系統的總體設計中從開始便需對實際運行中可能出現的不穩定工作狀態予以足夠的重視，并進行必要的分析與估算。通過對大功率異步電動機直接啟動對船舶電力系統供電品質的影響分析，為大功率異步電動機的啟動方式提供科學依據，從而有效地指導船舶電力系統的總體設計。

2 三相異步電動機的數學模型

異步電動機的數學模型是一個高階、非線性和強耦合的多變量系統，在研究異步電動機的多變量數學模型時，常做出以下假設［6～9］：

1）忽略空間諧波，三相繞組對稱，產生的磁動勢沿氣隙按正弦規律分布；

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。

異步電動機的數學模型主要由電壓方程、磁鏈方程和轉矩方程組成。對定子坐標系αβ和轉子坐標系α’β’同時進行變換，把它們變換到同一個旋轉正交坐標系dq上，dq相對于定子的旋轉角速度為ω1，如圖1所示。

圖1 轉換坐標

通過坐標變換和旋轉變換將異步電動機三相靜止坐標系下的數學模型轉換為d、q旋轉坐標系的簡單模型，經過變換后的數學模型如下：

電壓方程：

轉矩方程：通過在三相異步電動機進行頻率折算，可以得到轉子旋轉時異步電動機的平衡方程式組

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、為等效后轉子繞組相電流和相電動勢；s為轉差率；、為等效后轉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，可以簡化得到異步電機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模型

由于異步電動機的轉子、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別。

3 三相異步電動機數學模型的仿真與驗證

異步電動機的數學模型可以設定為轉速控制和轉矩控制兩種方式［10～11］，考慮異步電動機的啟動過程，需將其設定為轉矩控制方式，同時在電動機啟動前控制電機轉速為0。

以下以30kW恒轉矩負載特性的異步電動機為例來說明所建立的電動機模型的正確性。

30kW恒轉矩負載特性的異步電動機參數如下表1所示。

表1 30kW異步電動機參數

仿真工況設定為：380V的三相理想電壓源直接帶30kW的異步電動機，整個仿真時間為10s，3.0s后電動機定子通電，開始啟動，電動機的負載機械特性為恒轉矩負載，并給定此負載轉矩為額定轉矩，使得電動機啟動后直接達到額定運行狀態，仿真波形如圖3～圖5所示［12］。

從上述仿真結果可以看出，3.0s前電動機定子未通電，轉速為0，3.0s后電動機開始啟動，轉速由0上升，此時啟動電流很大，達到額定電流的7.5倍，當電動機電磁轉矩與負載轉矩相等時轉速達到恒定，由于仿真中給定的負載轉矩為額定負載轉矩，轉速最終穩定在0.984，為額定轉速。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穩定運行狀態為額定運行狀態。即通過將給定的運行參數直接或間接（通過簡單計算）后輸入電動機數學模型中，若給定的負載轉矩為額定轉矩，則電動機可以在額定點穩定運行，因此此電動機數學模型是正確的。

圖3 電動機定子電流波形

圖4 電動機轉速波形

圖5 電動機轉矩曲線

4 大功率異步電動機直接啟動對電力系統影響的仿真分析

大功率異步電動機啟動對380V用電設備所獲得電能品質不超過《鋼制船入級規范2015》規定要求［13］：電壓穩態指標為額定值+6%～-10%；瞬態允差16%，恢復時間2s，最大偏離不超過20%；頻率穩態允差±3%，瞬態允差±4%，恢復時間2s。

現以某型船為例，該船有前、后兩個電站，前電站為2臺6300V、2MW的柴油發電機組，后電站為2臺6300V、4MW的汽輪發電機組。直接啟動該船最大的異步電動機負載（額定電壓6300V，額定功率600kW），分析異步電機直接啟動對船舶電力系統的電力品質的影響。

根據相關標準和資料進行推導，電機起動時的發電機暫態電壓最小值為

根據式（5）計算不同發電機組合和帶載率下直接啟動電機時發電機瞬態電壓最小值，結果見表2。

表2 不同情況下發電機瞬態電壓最小值

Matlab中搭建的一臺汽輪機組與一臺柴油發電機組并聯運行的仿真模型如下圖6所示。

圖6 1TG+1DG并聯運行電動機直接啟動時仿真模型圖

系統在帶載60%的情況下直接啟動600kW異步電動機，得到系統電壓、啟動電流和電動機轉速的仿真波形如圖7～圖9所示。

從圖7～圖9可以看到：電機啟動后系統電壓開始下降，0.12s后達到最低值91.8%，與式（5）計算的瞬態最小電壓值基本一致；在自動電壓調整器的作用下，供電系統電壓在0.6s穩定到正常運行范圍96.8%；當電動機啟動成功后，系統電壓有短時升高，最高到100.3%，0.3s后進入最終穩定值。

將仿真中啟動前的負載率調整至80%，直接啟動600kW異步電動機，得到系統電壓如圖10所示。

圖7 電機直接起動的系統電壓仿真波（1TG+1DG 60%帶載率）

圖8 電機直接起動的啟動電流仿真波形（1TG+1DG 60%帶載率）

圖9 電機直接起動的電動機轉速仿真波形（1TG+1DG 60%帶載率）

圖10 電機直接起動的系統電壓仿真波形（1TG+1DG 70%帶載率）

仿真2臺汽輪機組和2臺柴發機組并網，帶載量為60%，直接啟動600kW異步電動機，系統電壓波形如下圖11所示：

圖11 電機直接起動的系統電壓仿真波形（2TG+2DG 70%帶載率）

對比以上結果仿真，可以發現電壓降與啟動前系統在網機組總容量有關，啟動前機組負載率影響不大。

現在以分析1臺汽輪機組和1臺柴發機組并聯為例，帶載60%的情況下電動機直接啟動過程，分析電能質量是否超過《鋼制船入級規范2015》要求。

1）穩態指標

計算中壓發電機到380V用電設備的各項壓降：（1）發電機下垂特性3%（189V）及電壓波動率0.5%（32V）；

（2）保守計算500m中壓線路壓降19V；

（3）假設中壓變壓器電壓調整率為4.6%（290V）；

（4）《鋼制船入級規范2015》規定低壓配電板至負載線路電壓降不大于額定電壓的6%（24V）。

以上最嚴苛的壓降條件折算為中壓側，全部壓降為908V，為額定電壓的14.41%。

遠端380V用電設備的允許的最低穩態電壓380×90%=342V，按變比折算到中壓側為85.5%?？梢娊浫娏ο到y嚴苛條件的全部壓降后，遠端負載剛好可以滿足界面標準。而中壓電動機直接啟動的穩態電壓，應維持在發電機下垂特性及電壓波動率范圍內，即96.5%～100.5%內。表2中可以看到，電動機啟動過程中壓系統的穩態電壓是在這一范圍內的。

2）瞬態指標

由圖7中可以看出，電動機直接啟動造成的電壓瞬態下降并不超過16%，恢復時間也小于2s。還需考核該壓降是否造成380V用電設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遠大于漏磁阻抗；（2）一次側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；可近似認為中壓側瞬態電壓按照變比傳遞至低壓側。

要滿足遠端380V用電設備的最大偏離不超過20%，即最低不低于304V，那么計及全電力系統穩態壓降908V后，中壓發電機暫態電壓壓降不應大于604V，即發電機暫態電壓最小值不宜低于90.41%。根據表2的計算結果，為了不使遠端負荷受瞬時低電壓影響，供電系統應確保有2臺或2臺以上機組在網。

5 結語

本文針對異步電動機容量配置需求越來越大的趨勢，對大容量異步電動機啟動特性進行了分析，以此做出啟動時對船舶電力系統電力品質的危害評估。通過對大容量異步電動機直接啟動進行了仿真分析，對大容量異步電動機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依據，從而有效支撐了船舶電力系統的總體設計。

1）大容量異步電動機直接啟動造成的系統電壓降與啟動前系統在網機組總容量有關，與啟動前機組負載率關系不大；

2）以600kW異步電動機為例，直接啟動時需兩臺及以上的機組在網才能保證中低壓側的電力品質；

3）供電系統要求中壓電動機直接啟動前需向供電系統發出重載問詢，電站監控裝置收到重載請求后，檢查當前系統有大于一臺機組在網，且電機啟動后不觸發增機條件，否則先進行增機。

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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:船舶電力系統總體設計。