三相异步电动机的速度控制仿真方案研究

2020-01-05李志旭

科学技术创新 2020年23期

李志旭

（中船第七一0 研究所，湖北宜昌443000）

1 概述

电动机的正常稳定运行为我们的生产和生活中的诸多方面提供了重要保障。但是在使用中依然出现了大量的问题,我们通过采用短路速断和励磁控制的方式来对于电动机的速度进行了有效的控制,这样就避免了产生更加严重的系统风险,减少了系统的事故数量,同时我们也应该认识到对于电能质量的控制,已经成为了电动机的核心工作。正如1987 年东京发生的大停电事故,当时新型空调刚刚问世,在气温炎热的七月,空调的负荷异常高。正午过后,负荷的增加速度为400MW/min。系统随即崩溃,中断了8168MW 的负荷。我们应该认识到对电动机的稳定性保护,是我国电网目前的关键工作,并且其重要性会日益增加。与人们对于不同,电压稳定的研究还并不是十分深入和全面。我们定性地讨论可能会影响电压稳定性的因素, 进而通过使用simulink 中的simpowersystem 工具箱对电动机进行建模分析,通过直观的现象得到相关结论。

2 三相异步电动机的速度稳定控制分析

2.1 电动机电压的速度控制分析

电压稳定在不同的研究方向中的意义是不相同的。比如说我们在进行感应三相异步电动机的调试的时候, 电压的变化就极快,而在对于变压器的接头进行分析时,它的变化比较慢。为此,工程师们及研究人员曾讨论过合适的电压稳定性分析方法,并且在电压稳定属于静态现象还是动态现象这一问题上持有不同的观点。我们可以用速度控制分析的方法,来对电压的稳定性进行判断与分析, 电压稳定直接关系到了整个系统的耐受能力,因此我们应该对于基于数学模型来对其进行有效的分析,来使其能够满足于实际的需要, 同时我们应该加强对于功角稳定的研究,使其能够更好的服务于电压的控制方面,电压和功角稳定是有着极为重要的关系,我们应当采用,更加科学合理的三相异步电动机规划方案, 来让整个三相异步电动机的电能质量更加的可靠。如果发现在经受一定的扰动之后, 其能够回到平衡点,那么我们认为这一部分的电压是稳定的,我们要做的是让更多的线路处于这样的动态稳定状态。

2.2 电动机干扰的速度控制分析

三相异步电动机在发生一定的干扰与故障之后, 其恢复稳定的能力是有限的,因此,我们应当加强这部分能力的提升,如果发现严重的,失稳现象,就可能导致崩溃,因此在进行变压器接头时,保护接头负荷拥有绝佳的成效,将工程予以落实价值巨大,其就可以把过电压的发生概率降低。变压器、温控等保护是三相异步电动机保护的重要构成部分,尚未具备后续保护水准,倘若维护举措不匹配,桥臂极易引发损毁,进而致使跳闸出现的状况。同时,过电压还可能引发电机绝缘放电,借助于接触网来将牵变电所的相应设备予以损毁,则会有更为不堪的后果发生。过电压现象和诸如发电机自励磁不稳定不在上述定义的范围内。这是因为过电压通常只涉及一个装置本身的问题, 而并非三相异步电动机的问题。我们对于电压安全的理解是,其指的是电压能够在出现电路故障的情况下,保持相应的稳定,对于目标电压值留有一定的安全裕度。我们应该加强无功控制, 实现电压的稳定,在发电机进行长期的运作之后, 如果无法对于它的电流进行控制,在出现严重的扰动时,将可能引起大规模的故障,同时我们应该做好电机的电流限流工作, 使其能够保证电机的安全可靠运行,如果电流的限制出现问题,那么整个电机的运行将会出现严重的故障,这样就会导致电网出现崩溃的情况。电压稳定性和整个区域的电网电能使用情况有关, 我们应该加强对于功角稳定性的保护, 因为每部分电力都需要经过长期的运输才能经过运行,因此我们应当做好在变压器和线路两方面的稳定保护,如果三相异步电动机过大,无法做好线路的稳定保护,就可能发生电压的崩溃情况, 同时暂态速度和功角稳定是有着极为重要的关系,如果在负荷处发生故障,那么就可能导致功角失稳或者电压失稳等问题。由于大量使用并联电容器机组,虽然能够增加线路的功率传输极限,同样会给电力网络增加电压崩溃的风险。因为并联电容器组的无功输出与电压平方成正比, 故使系统在电压问题上边的更加脆弱。在电路出现故障之后应当采用自动闭锁的方式将通道关闭,同时做好预警的工作,利用其他的通道继续进行信息的采集, 但是励磁系统的故障问题及原因可能较多,因此应当利用自动检测装置来做好这项工作。

3 三相异步电动机的速度控制仿真分析

3.1 仿真软件

Matlab 电动机工具箱包含的模块有:Electrical Sources (电源库)、Elements (元件库)、PowerElectronics (电力电子元件库)、Machines(电机库)、Connectors(连接器库)、Measurements(测量仪器库)、Extra Library(附加元件库)、Demos(示例库)、Powergui(图形用户界面graphical user interface)等,为了研究电动机的特性,我们应该根据实际的情况来对其进行搭建, 通过这样的模块系统就可以进行理想化的分析,同时根据这样的仿真结果,我们就可以对实际的电网情况进行合理有效的分析, 使其能够更好的为我们而服务。利用MATLAB 对于电网系统可以进行建模, 主要建立供电模型、变电所模型、变压器模型等,把之前计算好的电网参数填入到相关的位置, 就可以利用Simulink 对其进行仿真,利用其自带的模型进行计算,其他模型采用实际的参数,这样就可以得到较为科学合理的结论。

3.2 仿真方案

由于本次研究的是电动机速度控制稳定性, 着重关注的是电压的变化,因此使用向量法最为适宜。顾名思义,向量法将电压和电流看做向量,只解关于电压电流的向量方程,相较于微分方程,来说,代数方程更为简单。因此向量法对于研究包含电动机,大型发电机的系统的暂态稳定性研究非常适合。Powergui:选取向量法(phasor simulition)，频率设置50HZ，在线路速度控制和电机初始化模块中,设置电动机的功率输出为300MW,对电机进行速度控制初始化。初始化后参数为:P=0.6325pu ;Q=0.3858pu;Torque=0.7332pu; Slip=0.108

从目前电力系统的设备运行情况来看，对于三相异步电动机仿真技术要求更高的安全系数，同时对三相异步电动机的性能进行提升，并且可以利用各种检测手段对三相异步电动机进行多种检测，使得远程检测系统能够更好的兼容检测设备和三相异步电动机。对三相异步电动机进行定期的安全性能检测，从而使得电力系统能够更好地运行，拥有更高的安全性能，对电力的输送提供良好的供应保障。在线检测技术是根据电力系统的实际运行情况，通过网络的传输，相关的技术人员对于电力系统的整体运行情况能够有一个大致的了解，从而使得电力系统能够在广泛的电力安全监测方面形成重要的规模，对于电力系统运行的设备的工作参数和标准值有一个清楚的了解。

3.3 仿真结论

利用示波器读取电动机节点的电压波动情况, 发现故障0.091s 后切除故障,bus3 的电压下降后会回升至故障前的状态,此时可以判断, 系统是暂态速度稳定的。继续增加故障切除时间,当故障切除时间为0.092s 时,母线三的电压响应曲线时在波动后下降的。综合上述两种情况,我们可以知道,对于该单负荷无穷大系统来说,电动机惯性系数设置为0.7 时,他的极限故障切除时间是0.091 秒。

改变发电机的惯性常数,H=0.8。此时仍然按照上述方法,连续增加故障切除时间。观察电动机机端电压是否暂态稳定。这时,对于同样在t=0.092s 切除故障,系统的暂态速度是稳定的。此时我们可以发现,对于暂态常数为0.8 的电动机,它已经相较于H=0.7 的电动机,系统暂态速度稳定性得到增强。为了严谨起见,我们继续增加故障切除时间。在H=0.8 时,当切除时间持续增加值0.103s 时系统的暂态速度发生失稳。

设置t=1s 时系统发生三相故障, 不断改变断路器的故障切除时间,利用示波器读取电动机节点的电压波动情况,发现故障0.091s 后切除故障,电压下降后会回升至故障前的状态,此时可以判断,系统是暂态速度稳定的。增大故障切除时间,利用示波器读取电动机节点的电压波动情况, 发现故障0.092s 后切除故障,bus3 的电压下降后会回升至故障前的状态,此时可以判断,系统是暂态速度稳定的。以此类推,继续增加故障切除时间,当故障切除时间为0.103s 时, 母线三的电压响应曲线时在波动后下降的。说明此时,该系统是暂态速度不稳定的。综合上述两种情况,我们可以知道,对于该单负荷无穷大系统来说,电动机惯性系数设置为0.8 时,他的极限故障切除时间是0.103 秒。

根据控制变量法的原理,我们比较了不同惯性常数时,相同故障切除时间的波形。显然,分别对于惯性常数H=0.7 和H=0.8的系统,在故障切除时间同为0.091s 的情况下,电压的稳定状况是不同的。对于H=0.7 的系统,故障切除时间一旦大于0.091s 的极限切除时间后,系统的暂态速度是不稳定的。然而对于H=0.8的系统,在故障切除时间在0.091s 时,仍然是稳定的。因此,惯性常数为0.8 的电动机比惯性常数0.7 的电动机更有利于维持系统的暂态速度稳定性。设置电动机惯性常数为H=0.7,设置故障为在线路50%处发生三相短路,通过不断改变故障切除时间,观察电动机端的电压波形情况,判断电动机的暂态速度稳定性。如图所示,发现故障0.091s 后切除故障,bus3 的电压下降后会回升至故障前的状态,此时可以判断,系统是暂态速度稳定的。继续增加故障切除时间,当故障切除时间为0.092s 时,母线三的电压响应曲线时在波动后下降的。说明此时,该系统是暂态速度不稳定的。综合上述两种情况,我们可以知道,对于该单负荷无穷大系统来说,电动机惯性系数设置为0.7 时,他的极限故障切除时间是0.091 秒。可以知道,故障切除时间较短时,电动机的暂态速度稳定性更高。