（电机与电器专业论文）大功率同步电机的软起动.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l f 页 _ i l _ _ _ l - i l l - _ - i i _ _ - _ _ - _ - l _ - _ _ l l l l _ i - l - _ l - l l _ _ _ _ i l l l li i a bs t r a c t s y n c h r o n o u sm o t o ri sp o p u l a ri nh i g h - p o w e re l e c t r i cd r i v eb e c a u s ei t s p o w e rf a c t o r i sa d j u s t a b l ea n do u t p u tt o r q u ei sn o ts e n s i t i v et ot h ep o w e rg r i d v o l t a g ef l u c t u a t i o n a l t h o u g hs y n c h r o n o u sm o t o r sh a v em a n ya d v a n t a g e s ，i t s b i g g e s td r a w b a c ki sd i f f i c u l t t o s t a r t l a r g ea n dm e d i u m s i z e dh i g h v o l t a g e s y n c h r o n o u sm o t o ru s e sa s y n c h r o n o u ss t a r t u pm e t h o d ，w h i c hc a u s e sag r e a t i m p u l s ec u r r e n ti nt h es y s t e m o nt h eo n eh a n d ，t h ei m p a c tc u r r e n ti sh a r m f u lf o r m o t o ri t s e l f ；o nt h eo t h e rh a n d ，i td r o p sv o l t a g eo fp o w e rg r i d s ，a c c o m p a n y i n g w i t hc a u s i n go t h e re q u i p m e n ti np o w e rg r i d st ow o r ka b n o r m a l l y i nr e c e n ty e a r s ， d u et ot h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y ，t h es o f t s t a r tt e c h n o l o g y o fs y n c h r o n o u sm o t o rh a st h er a p i dd e v e l o p m e n t a tp r e s e n t ，t h es o f t s t a r to f h i g h p o w e rs y n c h r o n o u sm o t o ri su s i n gs t a t i c f r e q u e n c y c o n v e r t e rm e t h o dm o s t l y i nt h i sm e t h o d ，t h ec o n t r o l s y s t e mi s c o m p l e xb e c a u s ei tu s e st h et h y r i s t o ra sp o w e rd e v i c e si ni n v e r s ec o n v e r t e r ，a n d t h et h y r i s t o r sa u t o m a t i c c u t t i n go f fh a v et or e l y o nt h eb a c k e m fo ft h e s y n c h r o n o u sm o t o r i ft h ei n v e r s ec o n v e r t e rf a i l si nc o m m u t a t i n g ，m o t o rs t a r t i n g f a i l s f o rt h et h y r i s t o rc a nn o tt u r no f fo ni t s o w n ，t h i sp a p e rp r e s e n t sa s y n c h r o n o u sm o t o rs t a r t u pm e t h o dw h i c hi sc a l l e dt h es p e e do p e n - l o o pc o n s t a n t p r o p o r t i o no fv o l t a g et of r e q u e n c yc o n t r o lm e t h o du s i n gi g b ti n v e r t e ra sp o w e r d e v i c e s f i r s t l y ，ad e t a i l e da n a l y s i so ft h es t a r t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fs y n c h r o n o u s m o t o ri sg i v e n ，i na c c o r d a n c ew i t hi t sw o r kp r i n c i p l e t h ec u r v eo fm o t o rp h a s e c u r r e n ta n de l e c t r o m a g n e t i ct o r q u ed u r i n gt h es t a r t - u pi so b t a i n e ds t e m m i n gf o r m t h es i m u l a t i o nr e s e a r c ho na s y n c h r o n o u sm o t o rs t a r t i n gm e t h o d s f o rt h ep r o b l e m t h a ta s y n c h r o n o u sm o t o rs t a r t i n gg e n e r a t e sag r e a tc u r r e n ti m p a c t ，t h i s p a p e r p r e s e n t ss p e e do p e n l o o pc o n s t a n tp r o p o r t i o no fv o l t a g et of r e q u e n c yc o n t r o l m e t h o d s e c o n d l y ，b a s e do nt h es t u d yo fo p e n l o o pc o n t r o ls y n c h r o n o u sm o t o r s o f ts t a r tp r i n c i p l e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns t a t o rr o t a t i n gm a g n e t i cf i e l ds p e e d a n dr o t o rs p e e di sd e d u c e du n d e rt h ec o n d i t i o nt h a ts y n c h r o n o u sm o t o rc a ns t a r t i t s e l fj u s t r e l y i n g o ns y n c h r o n o u se l e c t r o m a g n e t i c t o r q u e b yd o i n gp o w e r f r e q u e n c y a n d l o w f r e q u e n c ys t a r t - u p s i m u l a t i o no nt h es a m em o t o r ，t h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 c o n c l u s i o nt h a ts y n c h r o n o u sm o t o rc a ns t a r tl sp r o v e dt h a tt h es y n c h r o n o u s m o t o rc a ns t a r ti t s e l fj u s tr e l y i n go ns y n c h r o n o u se l e c t r o m a g n e t i ct o r q u eu n d e r t h el o w f r e q u e n c y a n dt h er u l es t a t o rv o l t a g ef r e q u e n c yc h a n g i n gw i t ht i m ei s c o n f i r m e dt h r o u g hc o m p u t i n gt h et i m er o t o rc o s to na c h i e v i n gc o r r e s p o n d i n g s y n c h r o n o u ss p e e d t h e n ，b a s e do nt h eu s eo fv o l t a g e t y p ea c d c a ci n v e r t e r a ss y n c h r o n o u sm o t o rv a r i a b l ef r e q u e n c yp o w e r ，t h ep a p e rd e s i g n sac o n s t a n t v o l t a g ef r e q u e n c yr a t i o s o f t s t a r tc o n t r o lm e t h o d ，w h i c hi sr e a l i z e dt h r o u g h c h a n g i n gt h ei n v e r t e ro u t p u tf r e q u e n c ya n dv o l t a g es t e pb ys t e pt om a k et h er o t o r s p e e dt of o l l o wt h es t a t o rr o t a t i n gm a g n e t i cf i e l ds p e e da n dt oi n c r e a s et or a t i n g v a l u e t h es y n c h r o n o u sm o t o rs t a r t i n gs i m u l a t i o ni sp r o c e s s e do nt h em a t l a b s i m u l i n ka f t e rb u i l d i n gt h em a t h e m a t i cm o d e lo fo p e n - l o o pc o n s t a n tv o l t a g e f r e q u e n c yr a t i os o f t s t a r tc o n t r o l ，w h i c ha n a l y z e sb o t hn o l o a ds t a r t u pa n dl o a d o ns t a r t u p p r o c e s s t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ef e a s i b i l i t yo fc o n s t a n t v o l t a g ef r e q u e n c yr a t i os o f t - s t a r tc o n t r o lm e t h o d t h i sa r t i c l ea l s og i v e sat h e o r e t i c a la n a l y s i so nc o n d i t i o n so fs y n c h r o n o u s m o t o rp a r a l l e li n p o w e rg r i d a f t e rs u c c e s s f u l s t a r t u p a n di n t r o d u c e st h e a p p r o p r i a t ep a r a l l e li np r o j e c t t h ep a r a l l e li np r o c e s ss i m u l a t i o no nm a t l a b s i m u l i n kf o rt h es y n c h r o n o u sm o t o rr e v e a l st h ec h a n g ec u r v e so ft h ep o w e r g r i di n s t a n t a n e o u sv o l t a g e ，s y n c h r o n o u sm o t o rp h a s ec u r r e n te t c a n dv e r i f i e st h e f e a s i b i l i t yo fp a r a l l e li np r o j e c t i nc o n c l u s i o n ，t h ed i s s e r t a t i o nc o n c l u d e st h ew h o l ew o r k ，a n a l y s e st h e f i n d i n g sa n da c h i e v e m e n t s ，a n db r i n g sf o r w a r df u r t h e rr e s e a r c ho nh i g h p o w e r s y n c h r o n o u sm o t o r k e y w o r d s ：s y n c h r o n o u sm o t o r ；s o f t s t a r t ；f r e q u e n c yc o n v e r t e r ；c o n s t a n t p r o p o r t i o no fv o l t a g et of r e q u e n c y 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本文工作的创新点是利用电压源型交直交高压变频器作为频率可调的电 源对大功率同步电动机进行开环恒压频比软起动控制，通过调节变频电源的 输出频率使同步电动机在同步电磁转矩作用下起动。 学位论文作者签名：焉蓐 日期：2 ，口了f 斗 西南交通大学曲南父遗大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：禹本1 日期：) ，吖i 午 跏 孝 名 签 瓴 师笋 荔 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 同步电动机以其可调的功率因数和输出转矩对电网电压波动不敏感等良 好的运行性能，在大功率电气传动领域独占螯头，是驱动大型风机、水泵、 压缩机、高炉鼓风机、短路实验机组的优选机型，更是抽水蓄能电站必不可 少的关键设备。同步电机不但本身具有良好的功率因数，还可以通过调节转 子励磁电流向电网馈送感性无功功率，从而有利于提高电网的功率因数。同 步电机在正常运行过程中，只要定子电源频率不变，其转速将不随负载的大 小而改变。如果同步电机的励磁电流不受电网电压的硬性影响，其转矩与电 网电压成正比。当电网电压下降到额定值的8 0 - 8 5 时，同步电机的励磁 系统一般能自行调节实行强励磁，以保证运行的稳定性l l 3 j 。 同步电机虽然有很多优点，但它的最大缺点是启动困难，不能直接启动。 目前的启动方法有异步启动法、辅助电机启动法和变频同步启动法1 4 j 。其中 异步起动包括全压直接异步起动、电抗器降压起动、变压器降压起动等起动 方式。对于大型同步电动机来讲，如果采用全压异步启动方法，在起动瞬间 产生较大的起动电流，从而产生明显的电压降，对电力系统的扰动十分严重， 因此一般是不允许的【5 1 。如果采用降压启动，不但需要很大的电抗器，而且 启动绕组发热严重，很难保证安全运行。如果用专门的启动电机，由于需要 同轴安装，使主机轴变长，在机械上受到限制。现在利用负载换向电动机的 原理，对大型同步电动机进行静止变频启动是应用较为广泛的软起动方式。 但是由于受到功率器件容量的限制，目前用的变频启动起动装置大都采用晶 闸管作为功率器件，即自控式变频起动装置【6 。】。由于晶闸管的关断不可控， 所以只能利用转子旋转形成的反电势对晶闸管进行关断，而在起动初期由于 转速低导致定子产生的反电势不足以关断逆变器的晶体管，需要采用电流断 续法进行换相，这就使得控制较复杂、技术要求较高、初期投资费用较大， 对于大多数中小工矿企业来说，还较难获得推广。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 近几年来，随着关键技术的突破以及需求的发展，早期的小功率、低频、 半控型器件发展到了现在的超大功率、高频、全控型器件。由于全控型器件 可以控制开通和关断，大大提高了开关控制的灵活性【引。本课题是在采用 i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 作为逆变器的功率器件的基础之上对 大功率同步电机进行开环的变频启动控制使电机同步起动，最后达到并网的 目的。本文利用逆变器产生一个变频的电源，采用恒压频比的控制方式逐级 的改变定子旋转磁场的转速，以利用定、转子磁场间的同步转矩实现电动机 的软起动【9 】。不需要原来的转子磁极位置传感器和定子的反电势来控制晶闸 管的开通和关断，降低了同步电动机起动控制系统的复杂性，相比较自控式 变频起动方式而言，开环变频软起动控制方式更为灵活、简单。研究开环式 变频软起动控制式对大功率同步电动机的起动有着深远的意义。 1 2 国内外研究现状 静止变频器起动同步电机从6 0 年代开始提出，但至7 0 年代的研究仅限 于起动原理分析，有的也给了实验结果。8 0 年代，着重于各种起动方式的比 较及起动过程和时间等的研究。随着电力电子器件质量的提高和价格的下降， 9 0 年代的研究进一步深入【】。静止变频器是应用在大容量同步电机起动的交 直交型变频启动器，其额定容量取决于负载对象，特别是要求的启动时间和 机组的阻力矩，以及机组转动部分的飞轮惯性。 国外的静止变频技术已经比较成熟。由于大容量变频器不仅设备容量大， 而且自身系统复杂、技术难度高，是现代电力电子技术和计算机自动控制技 术相结合的高度机电一体化的产物，所以目前只有发达国家中世界项尖的著 名公司，如a b b 、西门子、东芝、阿尔斯通等少数公司掌握核心生产技术， 并且全世界特大容量变频器生产的总数量也不过数以百计【l 。特别是德国西 门子公司的生产的自控式静止变频起动装置已经广泛的应用于各种大型同步 电机的起动。西门子公司针对这一启动方式，基于设计尽量简单、应用尽量 可靠的思想，对适于这种传动方式的同步电动机和变频装置进行了优化设计， 这就是h m o f l e x 、h m o d y n 系列高压电机和s i m o v e r ts 系列变频器【l 2 | 。 国外著名大公司的技术成熟的变频器，虽然技术性能好，但是价格昂贵，设 备费用估价在数百万美元以上。以全套引进a b b 标准型谱产品为例， m e g a d r i v e l c i b r1 a 0 6 0 6 6 0 4 n 4 5 2 或m e g a d r i v e l c i b r1 al212 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 - 3 0 2 n 4 5 2 ，变频器自身估价约2 5 0 万美元，而且还不包括与之相关联的辅助 设备。针对这种情况，发展我国自己的变频器及其控制技术已经变的刻不容 缓 13 1 。 随着我国工业化规模的不断扩大，大型动力设备的应用的急剧增加，国 产高压大容量电机曾一度供不应求。大型交流电机的广泛应用，引起人们对 其驱动调速问题的关注。作为高端的应用，变频器主要用于交流电机的调速 和有重载启动要求的场合。国内济南钢铁集团有限公司现有的3 座1 7 5 0 m 3 高 炉风机、2 套燃气一蒸汽联合循环发电的煤压机及2 座2 0 0 0 0 m 3 制氧机的空压 机的软起动均采用了s i m o v e r ts 系列自控变频启动装置。另外，国内对兆 瓦级以上的大容量变频器曾有过个别的尝试【l 引。天津电气传动研究所，曾经 仿制出上海宝钢4 8 m w 高炉鼓风机的启动变频器( 变频器容量为1 2 m w ) ； 在抽水蓄能电站中，曾研制了响洪甸抽水蓄能机组启动变频器( 变频器容量 为6 6 m w ) ，设备运行情况基本正常，但是在技术上与国外著名大公司的成 熟产品相比还存在差距i l 引。 近些年，随着自关断功率器件的大功率化，它控式变频启动大功率电动 机变为可能，但是因为其技术上还有难点，所以还未得到广泛的应用。交流 技术的应用，使软起动产品的技术性能得以不断的提升，也加快了我国软起 动产业的发展。随着现代变流技术和电力电子器件技术的发展，变流技术将 在各个领域得到更加广泛的应用。可以预见，完全运用变流技术的软起动产 品将逐渐占据主导地位，软起动行业的技术水平将更上一个台阶【1 6 瑙j 。 1 3 论文的内容和主要工作 本文主要针对同步电动机进行变频软起动控制进行研究，提出改变变频 器输出频率的恒压频比控制同步电动机的软起动方法及其控制策略。应用 m a t l a bs i m l i n k 建立开环恒压频比控制同步电动软起动的控制模型，对 控制策略进行仿真验证。研究了同步电动机起动后的并网问题，给出了基于 m a t l a bs i m l i n k 下同步电动机并网瞬间电网电压波动与电动机端电流等 参数的变化曲线，主要工作内容包括： 1 在详细分析了同步电动机工作原理的基础上对同步电动机的起动性能 进行了研究，介绍了几种常见的大功率同步电动机起动方法及其特点。并利 用m a t l a b 对同步电机的全压异步起动进行了仿真研究，观察了全压直接 异步起动时电机端电压、相电流等波形，为变频软起动方式提供了对比条件， 以此证明软起动方法的优越性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 2 基于变频软起动的原理，提出一种逐级改变变频器输出频率的开环恒 压频比起动控制同步电动机软起动方法。阐述了该起动方法的核心思想。 3 通过理论分析得出定子电压频率随时间变化的规律，对转速开环恒压 频控制同步电机软起动过程进行仿真研究，分别对空载起动和负载起动过程 进行了分析。 4 针对同步电动机起动后的并网问题进行了理论分析，并给出相应的并 网方案。对同步电动机并网过程进行了仿真试验，得出同期并网瞬间电网电 压、电动机相电流等参数的变化曲线，验证了并网控制方案的可行性。 5 对转速开环恒压频比控制的同步电动机软起动方式进行了总结，指出 控制方式的不足和需要改进之处，并对大功率同步电动机的变频软起动的前 景给出了意见。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章同步电动机起动性能分析 本章以同步电动机的等效电路和相量图为基础，对同步电动机的起动性 能进行分析，说明了同步电动机工频下不能自行起动的原因，并建立了同步 电机异步直接起动的数学模型，对异步起动过程进行了仿真研究。 2 1 同步电动机的工作原理 同步电动机因为它的功率因数可以调节，因而在要求转速恒定和需要改 善功率因数的电动机容量在数百千瓦级以上的设备中，常常优先选用三相同 步电动机，随着变频技术的日益成熟，同步电动机的起动和调速问题也得到 了较好的解决，从而进一步扩大了其应用范围【2 5 1 。 电动机是同步电机的另一种运行方式。同步电动机接恒频电网运行时， 转速不会随着负载变动而变动，而功率因数可以适当调节。因此，在需要改 变功率因数，但调速要求不高的场合，例如大型空气压缩机、粉碎机、离心 泵等，常常优先选用同步电动机【2 引。 2 1 1 同步电机的工作状态分析 同步电机和其他类型的电机一样，也遵循可逆原理，可按发电机方式运 行，也可按电动机方式运行。先分析同步电机从发电机过渡到电动机的过程。 一台在无限大电网上并联运行的隐极同步电机，从发电机过渡到电动机，其 物理状态和相量如图2 1 所示。同步电机气隙中同时存在着对应于电网电压 d 的电枢合成磁动势r 和对应于励磁电动势或的转子励磁磁动势，其中 磁动势疋由电枢电流，产生的电枢磁动势c 与励磁磁动势，。合成。r 的转 速由电网频率决定，是固定不变的。图中电枢反应电动势e = 应，式中x ， 为隐极机中电枢反应电抗【3 1 】。 在发电运行状态时，；超前足一个秒角，或者说，拖着疋一起旋转， 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 二者之间的电磁力矩乙对转子来说是阻力矩。转子在原动机带动下克服阻力 矩转动，将转子边的机械能转化为定子边的电能 图2 1 ( a ) 。减少原动机输 出给转子的机械功率，则0 角逐渐减少，不计空载损耗，当0 缩小到0 时， 电机处于理想空载状态，不向电网提供有功功率，也不从电网吸收有功功率 图2 i m ) 。 如果再撤去原动机，这就变成了空转的同步电动机，空载损耗全部由电 网输入的电功率供给。若进一步给转子加上机械负载，则转子开始减速，f ，。 将落后于足，或者说，兵拖着。一起旋转，二者之间的电磁力矩l 对转子 来说是动力矩，乙带动转子上的机械负载作机械功，将电网提供的电能转换 为转子边的机械能，电机进入电动机运行状态 图2 1 ( c ) 。 由以上分析可知，同步电机可以从发电机运行方式直接过渡为电动机运 行方式。产生这一个过程的本质在于转子旋转磁动势e 和合成旋转磁动势 瓦之间主从关系的改变。当，。超前足时，同步电机处于发电状态，功角 p 0 ，有功功率从电机流向电网；而当b 超前，门时，同步电机进入电动状 态，功角0 9 0 0 ，电功率p = m u i c o s 垆 0 ( m 为相数) ，表示电动机向电网输送负的有功功率。显然，这样表达很不方便。 如果规定电动机电流的正方向与发电机时的相反，舀为外施电压，? 为输入 电流，尺。为定子电阻，或为反电动势，则其等值电路如图2 - 2 ( a ) 所示。此时 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 9 角由滞后于电压移变为超前，且c p 9 0 0 ，于是电功率尸= m u c o s c p f i g l q 三， 这就很好地表达了电动机从电网吸取有功功率的实质。由此，电动机的相量 图变为如图2 - 2 ( b ) 所示。 ( a ) 等效电路图；( b ) 相量图 图2 2 隐极同步电动机的等效电路和相量图 根据图2 - 2 ( a ) 等效电路，很容易写出隐极同步电动机的电动势方程为 u = e o + i r 。+ j l y ， ( 2 - 1 ) 同理，对于凸极同步电动机，用电动机观点写出的电压平衡方程式为 u = e o + i r 。+ d x d + j l g x g ( 2 - 2 ) 式中：j j 为电枢电流j 直轴分量，j 。为电枢电流j 交轴分量，x j 为直轴 同步电抗，x 。为交轴同步电抗。 功角特性是指同步电动机在励磁电流不变的条件下，输出有功功率或电 磁功率改变时有什么特性。同步电动机负载变化，即机械负载转矩的变化会 引起电磁转矩的变化，但不会引起转速的变化。所以同步电动机的电磁功率 与相应的电磁转矩随负载而变化的情况不能用与转速的关系去表征，要用所 谓功角特性去描述。下面从电动势向量图去导出同步电动机的功角特性。 同步电动机多采用凸极转子结构，因此，以凸极电动机功角特性为例进 行研究。同绘制隐极式同步电动机相量图一样，可以画出凸极同步电动机的 相量图，如图2 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 掣 l - 一晶 lj i t x t ：一1 uv o f 五f 、 j 擞 l ，f 矗 一e ， 图2 3 凸极同步电动机的相量图 凸极同步电动机的功角特性公式可以从它的相量图中推导出来， 厶= r a e 局。u 曲口+ m 了u 2 譬1 一万1 ) s i n 2 占 ( 2 3 ) a d 二a o a d 相应的电磁转矩为 乙= 岳一髟e 。q u 。s i n s + m 瓦u 2 ( 万1 一瓦1 ) s i l l 2 p ( 2 - 4 ) 式中：q 。为同步角速度。 2 2 同步电动机的起动特性 通过对同步电动机原理与功角特性的分析，可知同步电动机在电源频率 恒定、使定子合成磁场转速恒定的条件下，其速度是不可调节的。电动机能 连续而稳定地运行，其所产生的电磁转矩的平均值必须不为零，按同步电动 机的机理，只是在同步运行时才有平均电磁转矩，否则只有脉动电磁转矩。 定子合成磁场磁极与转子有相对运动时，设转子转速q 一定，且q q 。两者 轴线问的夹角即功率角是时间的函数，可表示为： 口= ( q o n ) t + o o( 2 5 ) 式中：q 。为定子合成磁场磁极的同步角速度；q 为转子磁极的角速度， 设为定值；铱为两者轴线间的起始功率角。 电磁转矩的瞬时值的表达式应为： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 撕胁署s i n ( f 2 0 - q ) t + ”聊瓦u 2 i 1 一秒1 2 ( v 2 0 - q ”2 - 6 ) 而平均电磁转矩为： ， 乙= 【z e m ( t ) d t = 0 ( 2 7 ) 由上面的分析可知，当功角0 0 t 范围内，同步转矩为正，转子受到 正的转矩作用；当万 先后给发电机和电动机加励磁，操作较复杂。 需设置起动母线及开关设备，使接线及布置复杂。 为适应异步起动要求，被起动机组和它的阻尼绕组要有足够的热强 度和机械强度。 与同步起动不同的是没有起动同步阶段，当依次连续起动时，发电 机不需停机即可启动下一台机组，可缩短整个电站全部机组的起动 时间。 起动机组的容量要大于电动机容量的8 0 以上。 2 3 3 同轴小电机起动 通过装在电动发电机顶部的一台小容量绕线式感应电动机进行起动加 速，其同步转速比主机额定转速要高，即磁极数比主机少2 4 个。为了调节 转速，在小电机的绕线式转子回路中接入液体型可变电阻器，并有独立的循 环冷却系统供起动过程冷却。在起动过程中调节液体电阻器，使小电机保持 一定的出力转矩，当接近主机同步转速时，调节电阻器使之等速，并进行同 期并网，然后切断小电机电源回路，完成起动过程【4 0 1 。其特点为： 同轴小电机只能起动一台发电电动机，独立性强。 小电机电源取自电网，启动时对电网有一定影响，但其影响程度远 比异步起动小。 小电机的容量与主机的转动惯量、起动和加速的时间有关，通常采 用转轮室压水起动，小电机容量约为主机容量的5 8 。 小电机位于主机顶部，增加了主机高度，甚至成为确定主厂房高度 的决定因素，另外，对轴系振动也有一定影响，尤其是高速机组。 小电机起动电源如与厂用电合用电源变压器时，应考虑小电机起动 时对厂用母线电压波动的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 3 4 静止变频器s f c 起动 利用晶闸管变频装置产生从零到额定频率值的变频电源，同步的将机组 拖动起来。变频装置向电机定子输入频率逐渐上升的三相交流电。定于三相 电流产生的旋转磁场与已励磁的转子相互作用而产生加速转矩，使机组逐渐 升速至额定转速，满足同期条件时将机组并入电网，同时切除变频装置，完 成启动过程。其特点为： 、 变频装置是静止元件，维护工作量小，可靠性高，设备安装布置较 灵活。 工作效率高，机组运行时无附加损耗；机组起动过程对系统不会产 生冲击。 对电机结构无特殊要求，多台机组可共用一台装置，经济性好( 4 台 以下机组共用一套) 。 操作和控制调节较复杂，要采用适当的晶闸管触发方式和冷却方式。 变频装置容量约为机组容量的6 - - - 8 。 总上所述，根据同步电动机的工作特性选择不同的起动方式就显得尤其 重要，下面针对全压直接异步起动法进行了仿真研究。 2 4 同步电动机全压异步起动过程分析 针对同步电动机工频下不能自行起动的特性，现代同步电动机大多采用 异步起动法起动。用异步起动法起动同步电动机时，先把励磁绕组通过限流 电阻短接，然后把定子绕组接上三相交流电源，这样，靠起动绕组所产生的 异步转矩，电动机便能起动起来，逐渐加速，待转速上升到接近同步转速( 约 9 5 以。) 时，将励磁绕组换接在励磁电源上，使转子建立励磁磁场，这样依 靠定、转子磁场间相互作用所产生的同步转矩，再加上凸极效应所引起的磁 阻转矩，便可使转子转速到达同步转速，即所谓“牵入同步 ，而结束起动过 程。 由于同步电动机起动初期依靠极靴装置的起动绕组产生异步转矩起动， 可视作异步电动机起动，可以得出同步电动机异步起动时的简化等效电路， 如图2 4 所示。图中转子侧的量已折算到定子侧，x 。d 为定子绕组漏抗，x ；盯 为转子绕组漏抗折算值，r 。、x ，为定子励磁支路电阻及电抗，。为定子励 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 磁支路电流相量，为转子绕组电流折算值，为转子励磁绕组串联限流电 阻后的电阻折算值【4 。 图2 4 同步电机异步起动等效电路 电动机异步起动瞬间，转差率s = 1 ，此时转子的功率因数很低，电流很 大。由简化等效电路可以得到，电动机的转子电流 e = 再霉霖雨 q 培 由于起动时转子电流很大，励磁电流在起动过程中所占的比重很小，可 以忽略不计。因此同步电动机异步起动时的起动电流为 i s t 弘丽菰雨丽 2 - 9 ( r 】+ 尺：) 2 + ( x i 仃+ x ；口) 2 在起动瞬间s = 1 ，这样，起动时电动机阻抗显著减少，从而使起动电流 明显增大因此可以通过改变励磁绕组串联限流电阻的来限制i 盯的大小，所 以用异步起动法起动同步电动机时，先把励磁绕组通过一个限流电阻短接 【4 0 】 o 由异步起动时的功率平衡及转矩平衡关系，可得出同步电动机异步起动 时的起动转矩 13 u 2 r ： 瓦2 玄丙面万赢百丁( 2 - 1 0 ) q ( 冠+ ) 2 + ( x ，。+ x ：。) 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 式中q 为同步转速。由式( 2 1 0 ) 可见，在电机参数一定的情况下，起动 转矩仅和u 成平方关系，在降低初始起动电压，减少起动电流的同时，也降 低了起动转矩。由上述的分析可知，可以通过调节限流电阻r ：来调节异步起 动电流的大小，电磁转矩与定子端电压u 的平方成正比f 4 2 1 。 2 4 1 同步电机异步起动模型的建立 m a t l a b 是美国m a t h w o r k 公司出品的商业数学软件，用于算法开发、 数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。目 前，m a t l a b 被广泛应用于控制领域的仿真计算，s i m u l i n k 是m a t l a b 中 用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。电气系统模块库( p o w e r s y s t e mb l o c k l e t ) 以m a t l a b 下的s i m u l i n k 动态系统建模仿真软件作为运行 环境，涵盖了电路、电力电子、电机等电工学科常用的基本元件和系统的仿 真模型。本文在电气系统模块库的基础上，利用m a t l a b 对同步电动机全 压异步起动进行仿真研究【5 引。 当同步电动机做异步起动时，转子励磁绕组通过限流电阻短接，定子侧 投入交流电网，依靠定子旋转磁场和转子起动绕组内感应电流的相互作用产 生异步电磁转矩，电动机就会像普通异步电动机一样旋转起来，当转速达到 9 5 额定转速时，将励磁绕组换接在励磁电源上，使转子建立励磁磁场，这 样依靠定、转子磁场间的相互作用所产生的同步转矩，便可以使转子转速到 达同步转速，从而起动过程结束【4 引。 对上述的异步起动过程进行m a t l a b 仿真，选用一台视在功率 s = l l1 9 0 0 v a ，额定电压u 。= 7 6 2v ，额定频率厂= 5 0h z 的三相四极凸极 同步电动机为研究对象。电机的详细参数如下表2 1 所示。 表2 - 1 同步电机参数 x l d x dx lx i d r x qx ： r ，x ：矿x ： r 。 ( s )( s )( s )( s ) ( s )( s ) ( s )( s ) ( s ) ( s ) 0 0 0 1 1 40 0 1 3 70 0 2 2 40 2 3 30 0 1 l0 0 2 00 1 3 0 00 0 0 2 10 0 0 10 2 6 0 如图2 5 所示，用增益模块rs t a r t 和电动机的感应电流来替代同步电动机 的励磁电压，可以通过调节增益模块的大小来等效的改变限流电阻彤的大 小，从而实现同步电动机全压异步起动仿真试验5 0 5 2 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 区卜橱 f r o m v 曲om a o h i n t 图2 - 5同步电动机异步起动仿真模型 2 4 2 同步电机异步起动仿真结果分析 在f = o 1s 时，断路器闭合，电动机空载起动，当转子的转速上升到同步 转速( 约9 5 n n ) 时，r s 触发器动作，使增益模块l l s t a r t 与励磁电压端口断 开，励磁电压模块v fs o u r c e 模块接入同步电动机励磁端口y ，电动机牵入同 步。同步电动机转速变化及牵入同步过程如图2 6 所示。与此同时，同步电动 机加上负载，电动机在负载状态下稳定运行。起动时同步电机定子电流的变 化如图2 7 所示，电磁转矩变化如图2 8 ，电动机端电压的变化如图2 9 所示。 图2 ，6 中横坐标为时间轴，单位为s ，纵坐标为转速n ，单位为r m i n ，由曲线可 见在f = 0 1s 时电动机依靠异步转矩起动，转速随时间逐渐增加。当，= 0 9s 时，加上励磁电压，电动机牵入同步，达到同步转速稳定运行。 图2 7 中横坐标为时间轴，单位为s ，纵坐标为定子电流，单位为a ，电动 机的额定电流，为1 4 6 8 a ，由图可见采用全压直接异步起动时，起动电流很 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 、。 ：； ! 一 i -i ii - i-i 一。 7 i 。l ；_ _ 。- - 。_ 。- 。o - 。r 。一 ii- - il i- -i - 。- _ - - - - - o - - - - - 一- _ - - 一 ii -i ili - ii 。i7j： - - - - i - - - i t - - - - o - - - - i i i i ：i i - ! ! _i i，-i i -i- i l iilll i， l- i ，ii i 。 o - 。 _ - - - - - - - - - - 。i - - 一。一 ，iii- i-ii- ，i- j j - ii- iiil iiil 0 20 40 60 811 21 41 6 1 82 t ，s 图2 6 同步电动机异步起动转速变化曲线 图2 7 同步电动机异步起动定子相电流变化曲线 咖 伽 瑚 咖 咖 咖 枷 瑚 o 1 1 1 1 一ul，j】，u 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 e z ￥ a ) 卜 图2 8 同步电动机异步起动电磁转矩变化曲线 t s 图2 9 同步电动机异步起动端电压变化曲线 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 大，约为额定电流的5 - - - 6 倍，且起动电流波动较大。当电动机转速达到稳 定时即t = 1 2s 时，同步电机的定子端的相电流才接近额定值电流值，显然在 电动机刚起动时过大的起动电流会在电机的绕组中产生很高的热量，在大功 率电动机中是不允许的。 图2 8 中，横坐标为时间轴t ，单位为s ，纵坐标为转矩t e ，单位为n 木m ， 由图观察可见异步起动时，电磁转矩脉动非常大，对电机启动造成