主冷卻劑泵變頻啟動(dòng)的建模與仿真

劉現(xiàn)星，陳保同，劉翠英，劉志宏

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

主冷卻劑泵變頻啟動(dòng)的建模與仿真

劉現(xiàn)星，陳保同，劉翠英，劉志宏

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

主冷卻劑泵在全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，電機(jī)會(huì)產(chǎn)生很大的啟動(dòng)電流，而變頻啟動(dòng)方式可以有效降低主冷卻劑泵電機(jī)啟動(dòng)電流。本文建立了主冷卻劑泵電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩、電流數(shù)學(xué)模型，對(duì)主冷卻劑泵的啟動(dòng)特性進(jìn)行了研究。仿真結(jié)果表明，變頻啟動(dòng)有效降低了主冷卻泵電機(jī)的啟動(dòng)電流峰值，啟動(dòng)電流的峰值隨著變頻時(shí)間的增加而減小。

主冷卻劑泵;變頻啟動(dòng);建模與仿真

0 引言

核動(dòng)力裝置主冷卻劑泵(下簡(jiǎn)稱主泵)全壓?jiǎn)?dòng)時(shí)，主泵電機(jī)會(huì)產(chǎn)生很大的啟動(dòng)電流。為使主泵很快達(dá)到額定轉(zhuǎn)速而正常工作，要求主泵電動(dòng)機(jī)具有足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，但又不希望啟動(dòng)電流太大，以免使電動(dòng)機(jī)本身受到過大電磁力的沖擊。而采用變頻的方式啟動(dòng)主泵，可以有效降低主泵電機(jī)高速繞組啟動(dòng)時(shí)過大的啟動(dòng)電流對(duì)主泵電機(jī)的沖擊，延長(zhǎng)主泵電機(jī)的使用壽命。

本文建立了主泵電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩、啟動(dòng)電流數(shù)學(xué)模型，在建立的核動(dòng)力裝置仿真平臺(tái)上對(duì)主泵的變頻啟動(dòng)特性進(jìn)行了仿真研究。

1 變頻方式

變頻是通過改變供電電源的頻率f1，進(jìn)而調(diào)節(jié)異步電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n1，從而使電動(dòng)機(jī)獲得平滑的速度變化。

由異步電動(dòng)機(jī)定子電勢(shì)方程式［1］

可以看出，在降低電源頻率f1進(jìn)行調(diào)速時(shí)，若電源電壓保持額定值不變，則主磁通Φ1增加，電動(dòng)機(jī)磁路將進(jìn)入飽和區(qū)域，從而導(dǎo)致空載電流I0和鐵心損耗的急劇增大，電動(dòng)機(jī)溫升過高，這是不允許的。為此變頻時(shí)，為保持主磁通Φ1不變，必須同時(shí)調(diào)節(jié)電源電壓，使U1/f1為常數(shù)［1－2］，以期獲得良好的調(diào)速性能。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 電磁轉(zhuǎn)矩

異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式如下［3］:

參考轉(zhuǎn)速下的電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為:

式中:τE，ref為參考轉(zhuǎn)速下的電磁轉(zhuǎn)矩，N·m;P為極對(duì)數(shù);m1為定子繞組的相數(shù);U1為外施加電壓，V;r1為定子電阻，Ω;r2'為轉(zhuǎn)子的折算電阻(經(jīng)繞組和頻率折算)，Ω;σ1為校正系數(shù);X1為定子漏抗;X2'為轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)的折算漏抗(經(jīng)繞組和頻率折算);f1為轉(zhuǎn)子電流的頻率(外施頻率)，Hz;s為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差率，無量綱。

轉(zhuǎn)差率的表達(dá)式為:

設(shè)變頻時(shí)，外加電壓、頻率和轉(zhuǎn)差率分別用U，f和s表示，對(duì)于特定繞組X1，X2'∝f，于是電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式變?yōu)?

對(duì)于容量較大的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，σ1≈1，假設(shè)變頻時(shí)保持U/f為常數(shù)，即U1/f1=U/f，則式(5)可變?yōu)?

代入轉(zhuǎn)差率表達(dá)式(3)，得:

2.2 啟動(dòng)電流

根據(jù)較準(zhǔn)確的Γ型等效電路可求得主泵電機(jī)電流表達(dá)式［3］:

取σ1=1，則主泵電機(jī)變頻啟動(dòng)時(shí)電流表達(dá)式為:

3 仿真結(jié)果及分析

分別在主泵全壓?jiǎn)?dòng)、變頻時(shí)間分別為2，3，4和5 s情況下，對(duì)主泵電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和電流進(jìn)行了仿真計(jì)算。在計(jì)算中假設(shè)頻率隨時(shí)間線性增加，變頻時(shí)間結(jié)束時(shí)頻率增加到50 Hz。圖1和圖2給出了電磁轉(zhuǎn)矩和電流的計(jì)算結(jié)果，比值的基準(zhǔn)值分別為穩(wěn)定運(yùn)行后的電磁轉(zhuǎn)矩值和電流值。

由圖1可以看出，較短的變頻時(shí)間可以使主泵電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩較快地增加，相比全壓?jiǎn)?dòng)，這樣可以使主泵更快地進(jìn)入正常工作狀態(tài);隨著變頻時(shí)間的增加，電磁轉(zhuǎn)矩增加的速度減慢，且變頻時(shí)間越長(zhǎng)，主泵達(dá)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行所需要的時(shí)間也就越長(zhǎng)。

圖1 電磁轉(zhuǎn)矩比Fig.1 Electromagnetic torque ratio

圖2 電流比Fig.2 Current ratio

由圖2可以看出，全壓?jiǎn)?dòng)會(huì)產(chǎn)生持續(xù)一段時(shí)間的啟動(dòng)高電流;采用變頻方式啟動(dòng)，不僅可以降低最大啟動(dòng)電流，而且還可以縮短主泵電機(jī)在較高啟動(dòng)電流運(yùn)行的時(shí)間;啟動(dòng)電流的峰值隨著變頻時(shí)間的增加而逐漸減小，當(dāng)變頻時(shí)間超過5 s后，啟動(dòng)電流的峰值基本保持不變。

4 結(jié)語

基于理論推導(dǎo)，本文建立了主泵電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩、電流數(shù)學(xué)模型，在建立的核動(dòng)力裝置仿真平臺(tái)上對(duì)主泵的啟動(dòng)特性進(jìn)行了仿真研究。計(jì)算結(jié)果表明，主泵電機(jī)較長(zhǎng)時(shí)間的變頻啟動(dòng)可以有效地降低啟動(dòng)時(shí)的電流峰值，但變頻時(shí)間越長(zhǎng)，主泵達(dá)到額定轉(zhuǎn)速所需要的時(shí)間也越長(zhǎng)，且變頻時(shí)間超過一定值后，對(duì)啟動(dòng)電流的消峰作用也不明顯。因此，為了能更迅速地使主泵啟動(dòng)，變頻時(shí)間也不應(yīng)太長(zhǎng)。

［1］張勇.電機(jī)拖動(dòng)與控制［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001.115－124.

［2］何巨蘭.電機(jī)與電器控制［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.75－78.

［3］許實(shí)章.電機(jī)學(xué)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1996.254.

Modeling and simulation of frequency conversion start-up of main coolant pump

LIU Xian-xing，CHEN Bao-tong，LIU Cui-ying，LIU Zhi-hong
(Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China)

Frequency conversion can be used to dramatically reduce the big current shock that arises from the full voltage start-up of electromotor.The paper introduces the main coolant pump's models of electromagnetic torque and current.Using these models，the process of main coolant pump's start-up is investigated.Simulation result indicates that the start-up current peak of main coolant pump can be effectively reduced by ways of frequency conversion，and the current peak reduces as the frequency conversion time increases.

main coolant pump;frequency conversion start-up;modeling and simulation

TM343，TL33

A

1672－7649(2012)04－0061－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.04.013

2011－06－23;

2012－01－13

劉現(xiàn)星(1982－)，男，工程師，主要研究方向?yàn)閯?dòng)力裝置仿真。