廠用電投切過程中異步電動機特性分析

邊乘

摘 要：在大型火電廠中快切裝置應用十分普遍，在廠用電投切過程中異步電動機的變化直接影響投切的結(jié)果，所以廠用電投切過程中異步電動機特性分析是十分必要的。

關鍵詞：快切；異步電動機

在土耳其現(xiàn)場快切調(diào)試時，在一次切換試驗中快切裝置顯示切換成功，但6kV段上電動機過流保護動作負載停機，由此問題引出本論文分析內(nèi)容。

1 異步電動機在穩(wěn)定運行狀態(tài)下的基本特點

異步電動機在穩(wěn)態(tài)運行時，定子回路電壓方程為：

Um=Em+Im*Zm （1）

式中，Um為定子外加電壓相量；在忽略定子電阻時，Zm由電樞反應電抗Xar及定子繞組漏抗Xaσ構(gòu)成；Em為異步電動機電勢相量。

Em電勢相量由轉(zhuǎn)子電流iR所形成的旋轉(zhuǎn)磁鏈切割定子繞組產(chǎn)生，Em與Um同頻率。這些都與同步電動機相同。不同的是iR不是直流而是交流，它是由定子電流所感生。當異步電動機為理想電機結(jié)構(gòu)，即定子、轉(zhuǎn)子繞組三相對稱，相應的磁通沿氣隙為正弦分布時，iR亦為相量電流IR，其頻率小于fN，即滑差頻率，與電動機工作負載有關。在轉(zhuǎn)子繞組中的iR為三相對稱電流，即是異步電動機的勵磁電流，它所形成的旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子以ωs角速度正向旋轉(zhuǎn)，對定子則以角速度ωs+ωm=ωn旋轉(zhuǎn)，故感生的電勢Em為同步頻率。

另外，需著重說明的一點是，異步電動機電磁功率（即機械功率）輸出雖然仍可由功率角ArgEm/Um決定，但Em與異步電動機轉(zhuǎn)子位置無直接關系，異步電動機電磁（機械）功率輸出只與其滑差s有關，它由異步電動機M=f（s）力矩曲線確定。

2 異步電動機失壓后運行狀態(tài)的基本特點

異步電動機工作電源消失后就進入失壓狀態(tài)，若不計及并聯(lián)異步電動機的互饋作用，其定子電流為零，轉(zhuǎn)子繞組中失去由定子電流感應出的交流勵磁電流，但由于轉(zhuǎn)子繞組匝間有磁場，故當定子失壓后，轉(zhuǎn)子三相繞組產(chǎn)生瞬時電流，保持轉(zhuǎn)子三相繞組中電流不突變，此電流構(gòu)成定子失壓后異步電動機的勵磁電流，它按轉(zhuǎn)子回路時間常數(shù)衰減。異步電動機失壓后的殘余電壓（電勢），就是由這一衰減直流產(chǎn)生的。

異步電動機定子失壓后雖仍有殘壓電勢，但無外加電壓，不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，在電動機負載制動下，異步電動機轉(zhuǎn)速以較快速度下降，又進一步使殘壓減小。

需特別指出的是，因轉(zhuǎn)子中勵磁電流為衰減的直流，故異步電動機勵磁磁通以（1-s）ωn的角速度切割定子繞組，失壓前、后異步電動機電勢的頻率將由fN突然變?yōu)椋?-s）fN。由于異步電動機不斷減速，故相應上述s將由啟動時滑差s0逐步加大，殘壓頻率不斷下降。[1]

3 廠用電切換過程中異步電動機工作狀態(tài)

異步電動機切換成功后將重新進入穩(wěn)定運行狀態(tài)，在此情況下，其轉(zhuǎn)子勵磁電流又恢復為低頻交流在定子中感生同步電勢，由于可認為廠用機械負荷未變，異步電動機仍工作于失壓前原始滑差s0下。

圖1表明快切裝置動作全過程中異步電動機（等效異步電動機）轉(zhuǎn)子中電流的變化，圖中ia、ib、ic為轉(zhuǎn)子回路三相繞組中電流，I為ia、ib、ic在空間組成的電流相量，Δic為c相繞組中電流的非周期分量；電動機切入后只畫c相電流變化情況，a、b相電流類似；快切過程中滑差s不變。在0～t1之間，電流是頻率為s0fN的交流電流，在t1～t2之間為衰減直流，在t2瞬間異步電動機切換在備用電源上，立即產(chǎn)生交流勵磁電流，其頻率為s0′f，起始角與合閘瞬間備用電源電壓相角有關，因異步電動機失壓轉(zhuǎn)速會下降，故s0′>s0。因合閘瞬間定子有沖擊電流，故交流勵磁電流起始幅值較大。切入后的交流勵磁電壓頻率隨著異步電動機進入穩(wěn)定狀態(tài)，如機械負荷沒有變化，則逐步由s0′轉(zhuǎn)變?yōu)閟0。由于切換過程轉(zhuǎn)子繞組中勵磁由于切換過程轉(zhuǎn)子繞組中勵磁電流的變化（大小、相位和頻率）有自適應的性質(zhì)，這就改善了切換過程中的各種沖擊。

（1）切換過程中的力矩沖擊。異步電動機切入定子電壓后定子出現(xiàn)電流。定子電流與異步電動機電勢Em起作用即產(chǎn)生以電磁力矩Me表示的電磁功率Pe。如在備用電源切入時異步電動機所帶的機械負載力矩為Mm′，則異步電動機就出現(xiàn)力矩沖擊ΔM和功率沖擊ΔP。

與同步電動機不同的是，同步電動機并列時Me由功角δ決定，而異步電動機Me與轉(zhuǎn)子機械位置無直接關系，僅取決于滑差s。

圖2曲線1為異步電動機電磁力矩Me與滑差s的關系曲線，曲線2為電機機械負載力矩Mm與轉(zhuǎn)速即s的關系曲線，Mm=f（s）。在正常穩(wěn)定運行情況下，2根曲線交于0點，0點為穩(wěn)定運行點。對應0點的滑差sN約在2%～5%之間。失壓后，Me=0。機械負載因轉(zhuǎn)速下降，沿Me=f（s）曲線向s增大方向移動至0′點。如在0′點異步電動機切入電壓，建立了Mm，其工作點應為0"，于是出現(xiàn)正ΔM，使異步電動機加速s減小。如切換過程中，負荷結(jié)構(gòu)不變，則最終工作點回到0點。從圖2可見，Me=f（s）曲線一般在smax～0之間才是穩(wěn)定的。在正常情況下，異步電動機工作點在這一線段的中偏下部分，所以從力矩沖擊而言最大力矩沖擊一般在2p.u.以上。單純從力矩沖擊看，似乎切換時對s無要求，實際上，若s過大，則沖擊過程持續(xù)過長，特別是當合閘時s過大，合閘沖擊電流就會過大。[2]

（2）切換過程中定子電流變化。在定子電壓切入后，定子電流由2部分構(gòu)成：工頻分量Is與切入過程暫態(tài)分量。工頻分量易由異步電動機等值電流求出。當忽略異步電動機勵磁電流時，工頻分量電流可用下式表示：

式中Un為切入的系統(tǒng)電壓；x1、x2、r1、r2為定子和轉(zhuǎn)子繞組漏抗及電阻；s為滑差。

若切入時s不是很大，例如10%以內(nèi)，則Is不是很大。暫態(tài)分量電流由切入瞬間系統(tǒng)電壓相位而定，它由2個因素確定。

a.合閘瞬間由式（3）所確定的Is相角而確定的電流。這一電流與電力系統(tǒng)突然短路時非周期分量電流起始值類似。隨Is起始角而定，它與切入瞬間Us瞬時值相等，方向相反。b.在切入瞬間，勵磁磁通要拉入與外加電壓對應，在此情況下轉(zhuǎn)子回路電流要發(fā)生沖擊，這一電流也要定子電流變化支持，于是又出現(xiàn)定子電流沖擊。

上述2項電流構(gòu)成異步電動機切入時定子的暫態(tài)電流。從上面的分析可見，異步電動機切入時定子沖擊電流大小與以下條件有關：a.切入時滑差大小，它不僅影響式（3）中Is大小，而且影響其持續(xù)時間；b.切入瞬間EM與UM的角度差；c.切入前轉(zhuǎn)子殘余磁通的大小，它可由殘壓大小反映。

但是需注意，后2項影響所持續(xù)的時間由定子經(jīng)外接阻抗短路時轉(zhuǎn)子回路時間常數(shù)確定，在切入過程中，轉(zhuǎn)子回路時間常數(shù)較小，所影響的定子電流消失較快。

4 結(jié)論

使得過流動作是有多個原因的，但是切入瞬間EM與UM的角度差大和轉(zhuǎn)子殘壓小這倆個原因是快切前的判據(jù)，所以這兩個原因不能使過流保護動作。最終的原因就是段上負荷小，使得滑差變化太大，導致定子電流Is過大過流保護動作。

參考文獻

[1]火力發(fā)電職業(yè)技能培訓教材.電氣試驗[M].北京：中國電力出版社，2004.

[2]電氣試驗技能培訓教材[M].北京：中國電力出版社，2004.