三相異步電動機的速度控制仿真方案研究

李志旭

（中船第七一0 研究所，湖北 宜昌443000）

1 概述

電動機的正常穩定運行為我們的生產和生活中的諸多方面提供了重要保障。但是在使用中依然出現了大量的問題,我們通過采用短路速斷和勵磁控制的方式來對于電動機的速度進行了有效的控制,這樣就避免了產生更加嚴重的系統風險,減少了系統的事故數量,同時我們也應該認識到對于電能質量的控制,已經成為了電動機的核心工作。正如1987 年東京發生的大停電事故,當時新型空調剛剛問世,在氣溫炎熱的七月,空調的負荷異常高。正午過后,負荷的增加速度為400MW/min。系統隨即崩潰,中斷了8168MW 的負荷。我們應該認識到對電動機的穩定性保護,是我國電網目前的關鍵工作,并且其重要性會日益增加。與人們對于不同,電壓穩定的研究還并不是十分深入和全面。我們定性地討論可能會影響電壓穩定性的因素, 進而通過使用simulink 中的simpowersystem 工具箱對電動機進行建模分析,通過直觀的現象得到相關結論。

2 三相異步電動機的速度穩定控制分析

2.1 電動機電壓的速度控制分析

電壓穩定在不同的研究方向中的意義是不相同的。比如說我們在進行感應三相異步電動機的調試的時候, 電壓的變化就極快,而在對于變壓器的接頭進行分析時,它的變化比較慢。為此,工程師們及研究人員曾討論過合適的電壓穩定性分析方法,并且在電壓穩定屬于靜態現象還是動態現象這一問題上持有不同的觀點。我們可以用速度控制分析的方法,來對電壓的穩定性進行判斷與分析, 電壓穩定直接關系到了整個系統的耐受能力,因此我們應該對于基于數學模型來對其進行有效的分析,來使其能夠滿足于實際的需要, 同時我們應該加強對于功角穩定的研究,使其能夠更好的服務于電壓的控制方面,電壓和功角穩定是有著極為重要的關系,我們應當采用,更加科學合理的三相異步電動機規劃方案, 來讓整個三相異步電動機的電能質量更加的可靠。如果發現在經受一定的擾動之后, 其能夠回到平衡點,那么我們認為這一部分的電壓是穩定的,我們要做的是讓更多的線路處于這樣的動態穩定狀態。

2.2 電動機干擾的速度控制分析

三相異步電動機在發生一定的干擾與故障之后, 其恢復穩定的能力是有限的,因此,我們應當加強這部分能力的提升,如果發現嚴重的,失穩現象,就可能導致崩潰,因此在進行變壓器接頭時,保護接頭負荷擁有絕佳的成效,將工程予以落實價值巨大,其就可以把過電壓的發生概率降低。變壓器、溫控等保護是三相異步電動機保護的重要構成部分,尚未具備后續保護水準,倘若維護舉措不匹配,橋臂極易引發損毀,進而致使跳閘出現的狀況。同時,過電壓還可能引發電機絕緣放電,借助于接觸網來將牽變電所的相應設備予以損毀,則會有更為不堪的后果發生。過電壓現象和諸如發電機自勵磁不穩定不在上述定義的范圍內。這是因為過電壓通常只涉及一個裝置本身的問題, 而并非三相異步電動機的問題。我們對于電壓安全的理解是,其指的是電壓能夠在出現電路故障的情況下,保持相應的穩定,對于目標電壓值留有一定的安全裕度。我們應該加強無功控制, 實現電壓的穩定,在發電機進行長期的運作之后, 如果無法對于它的電流進行控制,在出現嚴重的擾動時,將可能引起大規模的故障,同時我們應該做好電機的電流限流工作, 使其能夠保證電機的安全可靠運行,如果電流的限制出現問題,那么整個電機的運行將會出現嚴重的故障,這樣就會導致電網出現崩潰的情況。電壓穩定性和整個區域的電網電能使用情況有關, 我們應該加強對于功角穩定性的保護, 因為每部分電力都需要經過長期的運輸才能經過運行,因此我們應當做好在變壓器和線路兩方面的穩定保護,如果三相異步電動機過大,無法做好線路的穩定保護,就可能發生電壓的崩潰情況, 同時暫態速度和功角穩定是有著極為重要的關系,如果在負荷處發生故障,那么就可能導致功角失穩或者電壓失穩等問題。由于大量使用并聯電容器機組,雖然能夠增加線路的功率傳輸極限,同樣會給電力網絡增加電壓崩潰的風險。因為并聯電容器組的無功輸出與電壓平方成正比, 故使系統在電壓問題上邊的更加脆弱。在電路出現故障之后應當采用自動閉鎖的方式將通道關閉,同時做好預警的工作,利用其他的通道繼續進行信息的采集, 但是勵磁系統的故障問題及原因可能較多,因此應當利用自動檢測裝置來做好這項工作。

3 三相異步電動機的速度控制仿真分析

3.1 仿真軟件

Matlab 電動機工具箱包含的模塊有:Electrical Sources (電源庫)、Elements (元 件 庫)、PowerElectronics (電 力 電 子 元 件 庫)、Machines(電機庫)、Connectors(連接器庫)、Measurements(測量儀器庫)、Extra Library(附加元件庫)、Demos(示例庫)、Powergui(圖形用戶界面graphical user interface)等,為了研究電動機的特性,我們應該根據實際的情況來對其進行搭建, 通過這樣的模塊系統就可以進行理想化的分析,同時根據這樣的仿真結果,我們就可以對實際的電網情況進行合理有效的分析, 使其能夠更好的為我們而服務。利用MATLAB 對于電網系統可以進行建模, 主要建立供電模型、變電所模型、變壓器模型等,把之前計算好的電網參數填入到相關的位置, 就可以利用Simulink 對其進行仿真,利用其自帶的模型進行計算,其他模型采用實際的參數,這樣就可以得到較為科學合理的結論。

3.2 仿真方案

由于本次研究的是電動機速度控制穩定性, 著重關注的是電壓的變化,因此使用向量法最為適宜。顧名思義,向量法將電壓和電流看做向量,只解關于電壓電流的向量方程,相較于微分方程,來說,代數方程更為簡單。因此向量法對于研究包含電動機,大型發電機的系統的暫態穩定性研究非常適合。Powergui:選取向量法(phasor simulition)，頻率設置50HZ，在線路速度控制和電機初始化模塊中,設置電動機的功率輸出為300MW,對電機進行速度控制初始化。初始化后參數為:P=0.6325pu ;Q=0.3858pu;Torque=0.7332pu; Slip=0.108

從目前電力系統的設備運行情況來看，對于三相異步電動機仿真技術要求更高的安全系數，同時對三相異步電動機的性能進行提升，并且可以利用各種檢測手段對三相異步電動機進行多種檢測，使得遠程檢測系統能夠更好的兼容檢測設備和三相異步電動機。對三相異步電動機進行定期的安全性能檢測，從而使得電力系統能夠更好地運行，擁有更高的安全性能，對電力的輸送提供良好的供應保障。在線檢測技術是根據電力系統的實際運行情況，通過網絡的傳輸，相關的技術人員對于電力系統的整體運行情況能夠有一個大致的了解，從而使得電力系統能夠在廣泛的電力安全監測方面形成重要的規模，對于電力系統運行的設備的工作參數和標準值有一個清楚的了解。

3.3 仿真結論

利用示波器讀取電動機節點的電壓波動情況, 發現故障0.091s 后切除故障,bus3 的電壓下降后會回升至故障前的狀態,此時可以判斷, 系統是暫態速度穩定的。繼續增加故障切除時間,當故障切除時間為0.092s 時,母線三的電壓響應曲線時在波動后下降的。綜合上述兩種情況,我們可以知道,對于該單負荷無窮大系統來說,電動機慣性系數設置為0.7 時,他的極限故障切除時間是0.091 秒。

改變發電機的慣性常數,H=0.8。此時仍然按照上述方法,連續增加故障切除時間。觀察電動機機端電壓是否暫態穩定。這時,對于同樣在t=0.092s 切除故障,系統的暫態速度是穩定的。此時我們可以發現,對于暫態常數為0.8 的電動機,它已經相較于H=0.7 的電動機,系統暫態速度穩定性得到增強。為了嚴謹起見,我們繼續增加故障切除時間。在H=0.8 時,當切除時間持續增加值0.103s 時系統的暫態速度發生失穩。

設置t=1s 時系統發生三相故障, 不斷改變斷路器的故障切除時間,利用示波器讀取電動機節點的電壓波動情況,發現故障0.091s 后切除故障,電壓下降后會回升至故障前的狀態,此時可以判斷,系統是暫態速度穩定的。增大故障切除時間,利用示波器讀取電動機節點的電壓波動情況, 發現故障0.092s 后切除故障,bus3 的電壓下降后會回升至故障前的狀態,此時可以判斷,系統是暫態速度穩定的。以此類推,繼續增加故障切除時間,當故障切除時間為0.103s 時, 母線三的電壓響應曲線時在波動后下降的。說明此時,該系統是暫態速度不穩定的。綜合上述兩種情況,我們可以知道,對于該單負荷無窮大系統來說,電動機慣性系數設置為0.8 時,他的極限故障切除時間是0.103 秒。

根據控制變量法的原理,我們比較了不同慣性常數時,相同故障切除時間的波形。顯然,分別對于慣性常數H=0.7 和H=0.8的系統,在故障切除時間同為0.091s 的情況下,電壓的穩定狀況是不同的。對于H=0.7 的系統,故障切除時間一旦大于0.091s 的極限切除時間后,系統的暫態速度是不穩定的。然而對于H=0.8的系統,在故障切除時間在0.091s 時,仍然是穩定的。因此,慣性常數為0.8 的電動機比慣性常數0.7 的電動機更有利于維持系統的暫態速度穩定性。設置電動機慣性常數為H=0.7,設置故障為在線路50%處發生三相短路,通過不斷改變故障切除時間,觀察電動機端的電壓波形情況,判斷電動機的暫態速度穩定性。如圖所示,發現故障0.091s 后切除故障,bus3 的電壓下降后會回升至故障前的狀態,此時可以判斷,系統是暫態速度穩定的。繼續增加故障切除時間,當故障切除時間為0.092s 時,母線三的電壓響應曲線時在波動后下降的。說明此時,該系統是暫態速度不穩定的。綜合上述兩種情況,我們可以知道,對于該單負荷無窮大系統來說,電動機慣性系數設置為0.7 時,他的極限故障切除時間是0.091 秒。可以知道,故障切除時間較短時,電動機的暫態速度穩定性更高。

4 結論

同時，我們可以采用功角穩定的方式來對于電能質量的相關問題作出一些解釋,對電壓穩定的研究還在進行,我們需要使用更加先進的方法,來使得其能夠更好的受到我們的控制,為我們而服務。