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1、具有动态无功补偿功能的大功率异步电动机全压启动方法研究摘要：对于大功率感应电机启动过程中的各种问题，以及传统启动方法的缺点。本文提出了具有动态无功补偿功能的大功率感应电动机的全压启动方法，介绍了其原理，着重研究了全动态无功补偿全压启动控制策略，建立了 Matlab / Simulink 仿真模型模拟软件进行仿真实例，仿真结果表明，本文提出的方法可以使高功率感应电动机在高转矩和低启动电流下起动快速平稳，起动性能比起传统的启动方式。1 介绍当大功率异步电动机直接以全电压启动时，定子切割转子的旋转磁场具有同步转速。因此，它将产生很大的感应电流。由于电枢效应，定子电流的负载重量也大大增加（空载启动电流
2、可以达到额定电流的 47 倍，频带达到 810 倍以上）。结果，电压下降很多，电机起动很困难，影响同一电网其他电气设备的正常运行。传统上通常使用降压启动和软起动来启动大功率感应电动机。降低电压启动会降低异步电动机的启动电流，在较大程度上也会降低启动转矩。因此，电机的启动时间变长，绕组的热量和功率损耗增加，抵消了电网的经济运行。今天，软启动是大功率异步电动机的主要方法。除了上述缺点外，还会产生大量的谐波，造成电网谐波污染。因此，寻找更合理的启动计划是至关重要的。当大功率感应电动机正常工作时，需要从电网吸收大量的无功功率，这是非常沉重的负担，通常我们可以采用点固定并联电容器随机补偿无功功率提高功率
3、因数。通过它起补偿作用，并联补偿电容的容量小，以避免由感应电动机和并联电容器引起的自激振荡的过电压和过电流，从而导致较少的补偿系统。本文介绍了动态无功补偿的全压启动方法。当电机启动时，该方法可以跟踪和补偿电机消耗的无功功率，从而能够在确保高启动转矩的前提下降低启动电流并缩短启动时间; 当电机运行正常时，也可以满足电机正常无功功率需求，降低线路损耗，提高电网功率因数，有利于电网经济运行。本文以电力系统块集（PSB）为基础，利用 Matlab / Simulink 建立了动态无功补偿的感应电动机全压启动系统的仿真模型，并进行了仿真验证。2 大功率异步感应电动机的传统启动方法和问题通常有两种传统的启
4、动方式：全电压启动和降压启动。A.全电压直接启动方法在这种方法中，电动机定子绕组直接接入电源，在额定电压下启动。它允许电机产生高启动扭矩，提供短加速时间，需要简单的设备，易于操作和维护，并具有最低的设备成本。它也是最简单，最经济，最可靠的启动方法1。全电压启动方法的缺点是启动电流很高。也就是说，启动电流通常可以是电机额定负载电流的四到七倍。对于大功率异步感应电动机，对电网将产生很大的影响。如果大功率电机处于弱电系统，则突然的高启动电流会导致配电系统总线上的电压明显下降。这样会降低供电质量，严重影响同一电网其他电气设备的工作，特别是那些对电压波动敏感的设备，甚至威胁整个电网的安全稳定运行。B.降
5、压启动方法根据启动电流随施加电压的比例大致变化的关系。降低电压起动方法通过降低电动机的端子电压来降低启动电流，从而降低电网的电压降。该方法的特点是启动电流低，总线电压波动小，启动时间短，启动时间更长，绕组温升上升，启动设备复杂等优点。考虑到启动电流和施加电压之间的关系，感应电动机产生的转矩大致上与电压的平方成正比。也就是说起动转矩比电压下降更快，所以在这种方法中，C.软启动方法在软启动状态下，电机的驱动电压逐渐增加，以实现平稳启动。根据电机启动时间的实际需要，灵活选择起动转矩和启动电流。3 全压启动动态无功补偿理论大功率异步电动机的起步问题非常复杂。当异步电动机起动时，电动机对电动机的要求和电
6、机的负载总是矛盾的。一方面，为了降低浪涌电流，起动电流应小，而启动电流过小则启动负载不足;另一方面，为了增加起动转矩和降低启动时间，起动电流应大，因此转子部件和定子线圈的机械应力和热应力将下降，而电网不能承受太大的电流。在本文中，提出了一种具有动态无功补偿的全压启动方法，解决了大功率异步电动机的起动问题。证明是一种可靠而经济的方法，不仅可以提供高起动转矩，而且可以将启动电流限制在允许水平，因此电机可以开机，稳定，无冲击。核心思想是在启动过程中实现电机的跟踪无功补偿，以降低无功功率不足（或降低线路无功电流）功率和电压损耗，从而提高功率因数和电压质量。该方法将确保电机可以快速启动，起动转矩高，起动
7、电流低。其实质是动态补偿电机的感应无功功率，从而相应地降低配电网的浪涌电流。其结构原理如图 1 所示。控制器的检查单元将对总线电压和电流进行抽样测试，并计算无功功率的瞬时值; 根据预先制定的切换策略和当前无功功率不足，开关逻辑控制单元将确定哪些电容器应该接通并制定开关逻辑代码; 根据逻辑代码，开关实现单元将触发相应电容器的三相晶闸管导通，在零转换过程4时，实现补偿电容器组的精确切换，系统无功功率的动态补偿需求将会实现。 该方法的意义在于，从电网获得的起动电流将显着降低; 电网母线的电压降将相应减少，使电机起动电压更加平稳。它将加快启动速度，减少功率损耗和电机绕组发热。图 1 全压起动系统，动态
8、无功补偿该方法特别适用于启动并联多电机。具有补偿装置启动容量小，设备利用率高的优势。与现场无功补偿相比，设备简化，补偿能力共享，补偿装置利用率高，投资减少。例如，如果启动电流是额定电流的六倍，四个电机可以减少 60的无功补偿能力。4 系统中的数学模型A.异步机的数学模型电机是一种非线性，多变量，强耦合系统，其瞬态过程包含运动和变化，它必须由一组非线性微分方程描述。为了消除静态相位坐标系中电感矩阵的时变因子，我们应该简化分析模型。应用坐标变换理论，可以得到正交坐标系中的电压 - 电流方程 dC- qC- 0 如电磁转矩方程为转子运动方程为方程 （1）， （2）和 （3）由坐标系中具有恒定转矩负载
9、的异步电动机的瞬态分析数学模型组成 dC- qC。B.动态无功补偿控制策略典型的动态无功补偿装置包括晶闸管开关电容器（TSC），晶闸管控制反应器（TCR）和两种（TSC + TCR）的混合。TCR 器件会引起谐波，尽管 TSC 器件不能连续补偿，但不产生谐波。在电机启动过程中，无功电流变化很大，不需要连续补偿，只要电容器组的分割满足电压波动不超过相关规则的要求即可。动态无功补偿装置由电容器组，反并联晶闸管和控制器组成6。控制器由测试单元，开关逻辑编码单元和门触发单元组成。应用闭环控制模式，工作流程如图 2所示开始检查 Q L逻辑信号编码开关电容器组延时 0 . 0 2 sQ s 1 / 2 Q
10、 c 0 结束N OY E S图 2 无功补偿控制器工作流程图1）测试单元测试电网和负载的电气参数，主要包括电压和电流的相位采样和 RMS 测量，瞬时无功功率的计算等。2）开关逻辑编码单元根据来自测试单元的负载的无功功率信号和开关策略，二进制编码触发信号，从而获得一组控制晶闸管开关的逻辑信号。电容器组的开关策略如 Tab。1 。3）门触发单元本文采用零转换过程的条件，即当动态电压和电流的非周期分量接近零时，触发相应的晶闸管导通。4）切换执行单元包括四组 SCR。SCR 组的当前容量根据 1：2：4：8 的比例分配，对应于四个电容器组的容量。其额定电压设计为电源电压 RMS 的四倍，其额定电流为
11、串联电容器的 2.5 倍。5）补偿电容器电容器分为 4 组，额定补偿容量按照 1：2：4：8 的比例分配，补偿从 0 到 15 级。6的电抗器组与每组电容器串联，降低冲击电流，避免谐波共振，滤波第五和高次谐波等。切换策略如表 1。表 1TSC 电容器组切换策略开关系列 TSC4 TSC3 TSC2 TSC10 0 0 0 01 0 0 0 12 0 0 1 03 0 0 1 14 0 1 0 05 0 1 0 16 0 1 1 07 0 1 1 18 1 0 0 09 1 0 0 110 1 0 1 011 1 0 1 112 1 1 0 013 1 1 0 114 1 1 1 015 1 1
12、 1 15 模拟分析A.具有动态无功补偿的全压启动系统的 matlab 仿真模型根据 3.1 节和 3.2 节的建模原理，并在 Matlab / Simulink 中应用电力系统模块（PSB），建立了动态无功补偿全压启动系统的数学模型7 。其 Matlab 仿真模型如图 1 所示。图 3 全电压起动系统动态无功补偿仿真模型B.电力灌溉排水系统示例模拟分析由于异步电动机是电力排灌站的关键设备，我们选择电力灌溉排水系统进行模拟分析。Y4001-4 电机的额定参数为电排灌站结构如图 1 所示。 1 ; 由 1600kVA，35 / 0.4kV 变压器，Yyn0 连接提供。配电变压器与排灌站 0.4k
13、V 母线之间的传输距离为 500 米。选择的线是TMY50 5 米米 2，其直径为 250mm，其单位阻抗为 z0= 0.067 + 0.2 （米 /米）。本文分别采用直流起动和全电压动态无功补偿模拟单个 160kw，0.4kV 大功率异步电动机的启动瞬态过程，并通过图 1 所示的仿真波形分析启动特性。 4 和图 5。图 4：160kW 感应电动机直接启动的仿真波形1）全电压直接启动异步电动机直接启动，其仿真波形如图 4 所示。2）动态无功补偿（DVC）全压启动异步电动机以无功补偿的全压启动，其仿真波形如图 5 所示。图 5 具有 DVC 全压启动功能的 160kW 感应电机仿真波形表二不同启
14、动方法的启动性能比较起始方法启动属性 直接启动 DVC 全电压启动总线电压（V）275 310总线电压（pu）0.84 0.95启动瞬态电流（Amps）2840 900开始时间 1.55 0.8模拟电动机的额定电流为 325.7A，标称电流的峰值为 460.5A。从标签。3 我们发现，对于 DVC 全电压启动方式，总线电压上升到 0.95pu，启动瞬态电流降至900Amps，仅为标称电流峰值的 1.95 倍，与直接启动的 6.16 倍相比，开始时间缩短到 0.8 秒，几乎是直接起动时间的一半，峰值扭矩也相应提高。表三不同启动方式的功率角特性比较起始方法启动属性 直接启动 DVC 全电压启动相角
15、（度） 77 39功率因数（pu ）0.225 0.777无功功率（kVar）1170 280从表 3 我们发现相位角从 77 度下降到 39 度，功率因数上升到 0.77，因为在启动瞬态过程中无功功率降至 280kVar。对于软启动，大电压降导致电机启动时间的大幅度延长，这将导致功率损耗大，绕组发热严重，同时缩短了电机的使用寿命。6 结论本文提出了一种具有动态无功补偿的全压启动方法。它可以根据负载从启动过程到正常工作状态一直消耗电感无功功率。可以减少启动电流和启动时间，减少电机的机械和热冲击，延长电机的使用寿命。对于电网，可以减少线路损耗，提高功率因数，增加电气设备的输出; 对于补偿装置，可以提高利用率，减少投资。对整个电力系统的安全，稳定，质量和经济意义重大。
