（电力电子与电力传动专业论文）电能质量扰动对异步电动机的影响与分析软件研究.pdf

华北电力人学硕士学位论文 摘要 由于各种原因，电能的质量并不是总能得到保障。在电网中异步电动机占交流 电动机的9 0 以上，占电网总负荷的6 0 以上。因此，研究不同电能质量情况下异 步电动机的运行特性及能耗影响显得尤为必要。 本文以电力系统中的典型负荷一一异步电动机作为研究对象，总结了电压偏差、 谐波、三相不平衡及电压暂降对异步发电机运行特性的影响；分析计算了不同电能 质量情况下异步电动机运行的效率，并对电压偏差情况下异步电动机的功率因数变 化进行了研究。在建立异步电动机模型的基础上，利用m a t l a b 仿真详细分析研 究了在电压偏差、谐波、三相不平衡、特别是电压暂降情况下异步电动机的运行特 性。最后，针对谐波抑制与功率因数补偿问题，设计开发了供用电系统谐波滤波与 无功功率补偿仿真软件，并进行了实例计算，验证了软件的有效性。 关键词：电能质量，异步电动机，仿真分析，软件开发 a b s t r a c t p o w e rq u a i l t yi sa l w a y sn o ti d e a li nt h ea c t u a ls y s t e mb e c a u s eo fk i n d so fr e a s o n s i nt h e p o w e rs y s t e m t h ea s y n c h r o n o u sm o t o r st a k eu pm o r et h a n9 0 i nt h ew h o l em o t o rl o a d s ，a n d o v e r6 0 i nt 1 1 ew h o l ee l e c t r i cp o w e rl o a d s s ot h er e s e a r c ho nt h ec h a r a c t e r i s t i ca n d e f f i c i e n c yo f a s y n c h r o n o u sm o t o r s i nd i f i e r e n tp o w e rq u a l i t ym o d e s i sv i t a la n de s s e n f i a l i n t h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ei n f l u e n c e so nt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h et y p i c a le l e c t r i cp o w e r l o a d s a s y n c h r o n o u sm o t o r su n d e rn o ni d e a lc o n d i t i o n ss u c h 鹊v o l t a g ed e v i a t i o n ，h a r m o n i c s ， t h r e ep h a s e su n b a l a n c e ，v o l t a g es a ge t c ，a r es u n 2 m a r i z e d 1 1 1 ee f f i c i e n c yo fa s y n c h r o n o u s m o t o r si sa n a l y z e du n d e rd i f i e r e n tn o ni d e a ls u p p l yc o n d i t i o n s ，a l o n gw i t ht h ep o w e rf a c t o ro f t h ea s y n c h r o n o u sm o t o r su n d e rv o l t a g ed e v i a t i o nb e i n gr e s e a r c h e d b u i l di nt h em a t l a b p o w e rs y s t e mb l o c kw i t h 也eb a s i ce l e c t r i cp o w e rc o m p o n e n t sa n dc o n t r o lc o m p o n e n t s ，t h e m o d e lo fa s y n c h r o n o u sm o t o r si su s e dt os i m u l a t et h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ea s y n c h r o n o u s m o t o ri nd i f f e r e n tm o d e s ，e s p e c i a l l yi nt h ev o l t a g es a gm o d e a tl a s t ，t h ed e s i g n e ds i m u l a t i o n s o f t w a r ew h i c hu s e dt od e s i g nf o rt h ep o w e rs y s t e mh a r m o n i cf i l t e r sa n d 溺rc o m p e n s a t o r s i si n t r o d u c e d b o t hc a s e so fc a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ed e s i g n e ds o f t w a r ei s u s e f u la n de r i e c t i v e j i ny a n ( p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rt r a n s m i s s i o n ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f x uy o n g h a i k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y ，a s y n c h r o n o u sm o t o r c o m p u t a t i o n a ls i m u l a t i o n s ， s o f t w a r ed e v e l o p m e n t 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文电能质量扰动对异步电动机的影 响与分析软件研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进 行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力 大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名i 镀日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 日期： 日期： 盥 华北电力大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着经济的发展和社会的进步，现代化工业生产广泛应用高科技设备，尤其是 计算机技术、微电子技术、数字控制技术等的应用，使敏感电力负荷所占的比重f i = ： 益增大，供给电能需要保持优质运行。同时电力负荷日趋复杂化和多样化，如变频 传动装置、开关电源、电弧炉、充电器、灯具镇流器等非线性负荷设备在生产、生 活中的大量使用，不同程度影响系统的电气运行环境。随着电力行业深化改革，发 电与配电体制分离、电能按质论价、电力网逐步实行商业化运营与市场价交易已经 是大势所趋。在电力市场条件下，用户与供电企业都在追求自己的最大利益，用户 会需要不同质量的电能，出现用电的个性化，供电企业为了争取更多的用户和售电 量，必须满足用户对电能质量的多样性要求。 电能质量问题的重要性日益突出，引起了广大电力工作者的重视。国际供电会 议组织( c i r e d ) 第1 6 届轮值主席c o n n e r o l t e 先生在c i r e dk l 2 0 0 2 大会的专题 发言中，把电能质量问题列为当前国际供电界关注的首要技术问题。近年来，电能 质量问题已提到了一些经济发达国家( 或地区) 电力公司的议事日程。巴西、澳大 利亚、马来西亚、新加坡及香港等电力公司与欧美发达国家一样，十分重视电能质 量，成立专门机构负责电能质量管理，做了大量工作，解决用户电能质量问题【l i 。 迄今为止，由于对电能质量的认识角度的不同，人们对电能质量的技术含义存 在着不同的认识。在供用电双方，甚至在电力研究者中关于电能质量的范畴、定义， 以及质量下降的起因等许多方面仍存在着分歧和争论，在使用的相关名词上并未完 全认同，对生产实际中的电能质量问题相互推委。站在不同角度看，关注或表征电 能质量问题会有不同的观点。从供电角度看，电能质量是指供应电力的参数符合标 准和供电可靠性的程度；从用电设备生产商的角度看，电能质量是指对设备所要求 的电能特性；从用户角度看，电能质量是指一切会引起用电设备异常运行、故障或 停电的供电电压、电流及频率的异常扰动。事实上，电能质量问题终究是由电力用 户的生产需求驱动的。因此，电能质量优劣，电力用户的衡量标准将占主导地位1 2 j 。 1 2 研究的背景及意义 1 2 1 电能质量的重要性 随着用电负荷日趋复杂化和多样化， 负荷造成供电网电能质量的恶化；同时， 大量具有非线性、冲击性和不平衡特征的 现代工商业大量使用计算机系统、机器人 华北电力大学硕士学位论文 和快速发展的高新技术产业对电能质量和供电可靠性要求却越来越高，据美国电力 科学研究院粗略估计，当今和电能质量相关的问题在美国每年造成的损失就达2 6 0 亿美元p j 。为了保护供用电双方的利益，必须将电能质量指标限制在一定的范围之 内。为此，国家技术监督局从1 9 9 0 年至2 0 0 0 年制定并颁布了六个电能质量标准。 由此可以看出电能质量的重要性，主要表现在以下几个方面： 1 现代用电设备对电能质量的要求比传统设备更高。许多新的电器和装置都带 有基于微处理机的控制器和功率电子器件，它们对各种电磁干扰都极为敏感【引。 2 电力用户已提高了对电能质量的认识，正在了解如供电间断、电压凹陷、电 路通断引起的暂态现象等实际问题。为满足高效生产流程的需要，维护用电设备的 正常运行，越来越多的用户向电力部门提出了高质量供电的要求，甚至通过签订供 电合同和质量协议的方式以获得保证。 3 电力网的各部分都是相互联系的，因此综合协调处理至关重要。任何一个局 部的故障或事件都有可能造成大面积的影响，甚至是重大损失。这迫使供电部门在 保证向用户提供优质电力的同时，还需极力避免因用户设备产生的电力干扰，维护 电网安全运行。因此电能质量已经成为一项系统工程问题。 4 电网电能质量的恶化造成严重的经济损失。例如，半导体制造业对于当今经 济社会是十分熏要的，一个芯片的生产过程需要较长的时间，但是一个持续8 0 毫秒 的电压暂降就会造成上百万美元的损失。对于与我们日常生活息息相关的塑料、化 工行业来说，他们使用大容量的电机及驱动装置，而且生产工艺过程需要连续不断 的运行，这时，一旦电能质量不能达到要求而使生产中断，就需要花费很长的时间 来重新启动，在这个过程中，数十万美元的损失就不知不觉的造成了。而电能质量 对于商业及数据处理中心的正常运行是至关重要的，一个短暂的电压暂降或电压中 断就会使他们丢失很多重要的数据，给国民经济带来无法估量的损失。所以，从根 本上看，由于电能质量对于经济的发展有着重要的作用，电能质量对于每行每业乃至 每个国家都是至关重要的1 5 - 7 1 。 1 2 2 国际电能质量标准 干扰性负荷会引起电能质量的恶化，为了保证电网和用电设备的安全经济运行， 各先进工业国家或国际组织都制定了相应的电能质量标准，供电负荷的干扰其实质 是电磁兼容( e m c ) 问题，即干扰发射器和干扰承受者能否在同一电磁环境下正常运 行，亦即他们是否兼容。协调的方法是制定出合理且配套的规定值。所谓合理，既 包括技术上可行，又包括经济上节约，以及各方面的认可。 1 9 8 9 年，欧洲共同体决定制定电能质量的全面标准。1 9 9 2 年7 月欧洲电工标 准化委员会( c e n e l e c ) 正式颁布公用配电系统供电特性文件 ( c e n e l e c c l c b t t f 6 8 6 ( s e c ) 1 5 ) ，作为欧洲共同市场对电能质量的统一标准， 2 华北电力大学硕士学位论文 并己为国际电工委员会( i e c ) 采用。 1 2 3 我国电能质量的标准 目前我国电能质量指标的评估一般考虑电压和频率的偏差、三相不平衡度、电 压波动和闪变、谐波等等。相关的国家电能质量标准包括： ( 1 ) g b t1 2 3 2 5 2 0 0 3 电能质量供电电压允许偏差 ( 2 ) g b1 2 3 2 6 2 0 0 0 电能质量电压波动和闪变 ( 3 ) g b t1 4 5 4 9 1 9 9 3 电能质量公用电网谐波 ( 4 ) o b t1 5 5 4 3 1 9 9 5 电能质量三相电压允许不平衡度 ( 5 ) g b t1 5 9 4 5 1 9 9 5 电能质量电力系统频率允许偏差 ( 6 ) g b t 1 8 4 8 1 2 0 0 1电能质量暂时过电压和瞬态过电压 1 2 4 电机在电力系统中的作用 电动机将电能转化为机械能，用来驱动各种用途的生产机械。在机械制造业、 冶余工业、煤炭工业、石油工业、轻工业、及其他各工矿企业中，广泛地应用各种 电动机。对一般工业发达国家及较大的发展中国家，电动机的用电量在各个国家的 总用电量中占有相当大的比重。美国自2 0 世纪7 0 年代第一次能源危机以来，就对 电动机用电情况进行了大量调查。据美能源部统计，其电动机用电量占工业用电量 的2 3 ，为其全部用电量的5 0 ，电动机所传递的能量消耗了其一次能源总量的2 0 7 6 。 欧盟1 9 9 2 年统计，该年欧盟的总用电量为1 7 0 0 0 亿千瓦时，而其中电动机的用电量 为7 1 9 0 亿千瓦时，占总用电量的4 2 。我国2 0 0 1 年实际发电量为1 4 6 5 0 亿千瓦时， 其中约有5 0 的电能由电动机转换成机械能【8 - 9 。 1 3 国内外研究现状 电动机对电能质量的要求是：( 1 ) 额定频率时，电压偏差小于5 ( 2 ) 在额定 电压时，频率偏差小于1 ；( 3 ) 电压正弦波形畸变率小于5 ( 3 ) 对三相电压平衡 度要求电压的负序分量与正序分量之比在长期运行时小于1 ，在短时运行时小于 1 5 ，对于零序电压分量不得超过正序电压分量的1 。 针对电能质量扰动对异步电动机影响的研究问题，国内外进行广泛的研究：文 献 1 0 涉及电动机与供电电源的相互作用引起电能质量扰动，有时会波及其它用 户。当电动机运行在电压偏差情况下时，文献 1 1 及 1 2 指出电压偏差对交流电动 机的转矩、转差率、转速、转矩的影响。文献 1 3 指出电动机因电压的长时间过低 而引起电机开关跳闸，给生产带来了不必要的损失。由于电网谐波的存在，使电动 机转矩产生脉动，起动和运行性能变坏，损耗增加，效率降低，温升增加，使用寿命 缩短，还会产生振动、噪声【1 4 。6 。文献 1 7 从电机的基本电磁关系出发，分析研究了 3 华北电力大学硕士学位论文 基波电磁转矩及谐波转矩的特点，提出了基波谐波的等效电路，给出了谐波电路中 参数的计算方法，导出了基波电磁转矩、稳定谐波电磁转矩及脉动谐波电磁转矩的 计算公式，从而给出了谐波对电机电磁转矩的影响。对于三相不平衡情况对异步电 动机的运行影响，文献【1 8 全面分析了引起三相不平衡的原因，讨论了三相不平衡 的相关标准、定义，着重指出了三相不平衡对感应电动机及电力电子换流器的影响， 并给出了电压偏差的相关治理措施。文献 1 9 对三相异步电动机在不对称电压状 态下的运行情况进行了定量分析，并给出了三相异步电动机的单相应急接线方法和 外加电压及电容器容量的经验选择方法。文献 2 0 借助三相对称分量原理，分析了 电动机定子三相电流的不对称度与三相电压不对称度之间的关系，结果证明了无论 从节约电能上，还是从提高三相异步电动机输出功率方面，提高三相电压的对称度 都是非常必要的。文献 2 1 测试了电压不平衢下电机的运行性能，指出了正序电压 对电机的影响以及负序电压对电机潜在的影响，同时指出电机的温升曲线不仅与电 压不平衡度因数有关，而且还与电机正序电压有关。对于电压暂降情况对异步电动 机的运行影响，文献 2 2 指出，电压敏感负荷发生的故障，8 0 是由于电压暂降和 电压短时中断造成的，而电机的故障恢复及电机突然加速会造成系统电压暂降。文 献 2 3 2 4 利用m a t l a b 软件建立异步电动机的仿真模型，通过实例对三相异步电动 机在电源电压对称和不对称两种情况下的瞬态过程进行仿真，并对结果进行分析。 文献 2 5 对非理想供电情况下的异步电动机运行特性进行仿真分析，对比其能耗 损失。 从电力系统谐波分析软件的研制工作来看，国外大体始于上个世纪八十年代左右， 而国内始于八十年代后期。国外在八十年代中后期就已经推出了商品化的电力系统谐波 计算软件包，九十年代后，国内对此类软件包已有初步应用，如北京供电局、中国电力 科学研究院使用的谐波分析软件包c h p ( c y m eh a r m o n i cp r o g r a m ) 。国内在电力系统 谐波滤波与无功补偿设计仿真软件的研制方面也进行了一些工作，但还未见真正商品化 的软件包，一些高等院校和科研单位根据自己的研究需要，开发了一些具有特定功能的 分析软件，并在个别电力部门及设计单位中得到一定程度的应用，总的来看，这些软件 功能与界面方面不够完善，还不能广泛推广应用。 1 4 本文主要工作 近年来随着科学技术的不断创新和国民经济的蓬勃发展，以及未来电力市场的 形成与推进，电力用户对电能质量的要求越来越高。由于各种原因，电能的质量并 不是总能得到保障。在电网中异步电动机占交流电动机的9 0 以上，占电网总负荷 的6 0 以上。因此，研究不同电能质量情况下异步电动机的运行特性及能耗影响显 得尤为必要。本文以电力系统中的典型负荷一一异步电动机作为研究对象，主要完 4 华北电力大学硕士学位论文 成以下内容： 1 总结阐述电能质量超标产生的危害及其治理措施。 2 分析不同电能质量对异步电动机运行特性产生的影响，计算研究在电压偏 差、谐波、三相不平衡情况下异步电动机的运行效率变化。 3 分析研究了电压偏差对异步电动机功率因数的影响。忽略因铁磁材料饱和等 因素影响，在电压偏差1 0 时，随着异步电动机转差率的下降，异步电动机的功率 因数随之降低；反之，转差率提高，则异步电动机的功率因数随之升高。 4 利用m a l t l a b 软件在s i m u l i n k 环境下建立异步电动机模型。 5 详细分析研究在电压偏差、谐波、三相不平衡，特别是在电压暂降情况下异 步电动机运行工况特性。 6 参与供电系统谐波滤波与无功功率补偿软件的研究开发，软件开发中本人负 责图形显示、软件加密、输出打印等工作。 华北电力大学硕士学位论文 第二章电能质量危害及治理措施 2 1 电压偏差超标的危害 电压偏差过大，会对电气设备和电力系统运行带来一系列的危害l l l 】： ( 1 ) 对照明设备的影响。电气设备都是按照额定电压下运行设计、制造的。照 明常用的白炽灯、荧光灯，其发光效率、光通量和使用寿命，均与电压有关。图2 1 的曲线表示白炽灯和荧光灯端电压变化时，其光通量、发光效率和寿命的变化。白 炽灯对电压变动很敏感，从图2 1 中可看到：当电压较额定电压降低5 时，白炽灯 的光通量减少1 8 ；当电压降低1 0 时，光通量减少3 0 ，使照度显著降低。当电 压比额定电压升高3 0 时，白炽灯的寿命减少3 0 ；当电压升高5 0 时，寿命减少 半，这将使自炽灯的损坏显著增加。 f ) 1 4 0 1 2 0 l o o 8 0 6 0 ( a ) 白炽灯( b ) 荧竞灯 图2 - 1 照明灯的电压特性 对于荧光灯而言，灯管的寿命与其通过的工作电流有关，电压增大、电流增加， 则寿命降低。反之，电压降低，由于灯丝预热温度过低，灯丝发射物质发生飞溅也 会使灯管寿命降低。 ( 2 ) 对电动机的影响。用户中大量使用的异步电动机，当其端电压改变时，电 动机的转矩、效率和电流都会发生变化。异步电动机的最大转矩( 功率) 与端电压 的平方成正比【”1 。如电动机在额定电压时的转矩为1 0 0 ，则在端电压为9 0 额定 电压时，它的转矩将为额定转矩的8 i ；如电压降低过多，电动机可能停止运转， 使由它带动的生产设备运行不正常。 ( 3 ) 对变压器、互感器的影响。当电压升高时，对变压器、互感器的影响主要 有两方面。一是励磁电流增加，铁芯温升增加。二是使绝缘很快老化。当电压降低 时，在传输同样功率条件下，绕组损耗增加。 6 兰黼 令 - 似u 9 瀣一 。，。_=，。_，rl鼢 华北电力大学硕士学位论文 ( 4 ) 对并联电容器的影响。电压降低使电容器无功功率输出大大降低。电压上 升虽然其无功功率提高，但绝缘寿命降低。 ( 5 ) 对家用电器的影响。电压降低使电视机色彩变坏、亮度变暗。电压偏移过 大时，使电子计算机和控制设备出现错误结果和误动等等。 ( 6 ) 对其他用电设备的影响。实际上电压的变化广泛地影响各种工业用电设备。 2 2 三相不平衡超标的危害 三相电压或电流不平衡会对电力系统和用户造成一系列的危害。主要包括有【2 6 】： ( 1 ) 引起旋转电机的附加发热和振动，危及安全运行和正常出力。 ( 2 ) 引起以负序分量为起动元件的多种保护发生误动作( 特别是当电网中同时 存在谐波时) ，对电网安全运行有严重威胁。 ( 3 ) 使半导体变流设备产生附加的谐波电流( 非特征谐波) ，而这种设备一般设 计上只允许2 的电压不平衡度。 ( 4 ) 变压器的三相负荷不平衡不仅使过负荷的一相线圈过热而缩短寿命，还会 由于磁路不平衡，大量漏磁通经箱壁、夹件等使其严重发热，造成附加损耗。 ( 5 ) 在低压配电线路中，会影响计算机正常工作，引起照明电灯寿命缩短( 电 压过高) 或照度不足( 电压过低) 以及电视机的损坏等。 ( 6 ) 引起电网损耗的增加。 ( 7 ) 对于通信系统，会增大干扰，影响正常通信质量。 2 3 谐波的危害 电网中电力系统谐波的大量出现，对公用电网是一种严重的污染，会导致用电 设备所处的电网环境恶化【2 ”。电力系统谐波在电网中的存在：会使旋转电机、变压 器、补偿电容器及架空线路、电缆产生附加热效应；对电网的运行会增加无功损耗， 严重时将导致系统共振；使一些机电设备产生机械振动；会导致继电器动作失误、 增加测量表计的测量误差；造成某些自动装置工作不正常，引起通讯干扰；使家用 电器工况变坏等u 。 ( 1 ) 对输电线路的影响：谐波电流一方面在输电线路上产生谐波电压降，另一 方面，增加了输电线路上的电流有效值从而引起附加输电损耗。使设备的温度过热， 网损增加，加速电缆绝缘老化，影响使用寿命。 ( 2 ) 对变压器的影响：变压器在高次谐波电压的作用下，将产生集肤效应和邻 近效应，增加了磁滞损耗、涡流损耗及绝缘的电场强度。电网中谐波电流的存在增 加了铜损，对于带非对称性负荷的变压器，如果负载电流中含有直流分量，会引起 变压器的磁路饱和，从而大大增加励磁电流的谐波分量。 7 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 对电力电容器的影响：由于电容器的容抗x = l 2 石归，与频率成反比，因 此在高次谐波电压作用下的容抗要比在基波电压作用下的容抗小得多，从而使谐波 电流的波形畸变更比谐波电压的波形畸变大得多，即便电压中谐波所占的比例不大， 也会产生显著的谐波电流。特别是在发生谐振的情况下，很小的谐波电压就可引起 很大的谐波电流，使电容器成倍地过负荷，导致电容器因过流而损坏。 ( 4 ) 对继电保护、自动装置的影响：电力谐波常会引起继电保护、自动装置的 拒动或误动，使其动作失去选择性，可靠性降低，容易造成系统事故，严重威胁电 力系统的安全运行。 ( 5 ) 对旋转电机的影响：谐波电压或电流会在电机的定子绕组、转子回路以及 定予和转子铁芯中引起附加损耗。这些附加损耗要比其本身的直流电阻所引起的损 耗大，电机会产生过热现象，并使电机效率降低。谐波电流还会增加电机的噪声， 产生脉冲转矩引起谐波振动。 ( 6 ) 对测量仪表的影响：测量仪表是在正弦波情况下进行校验的，如果供电的 波形发生畸变，仪表则容易产生误差，导致电气仪表计量不准确。 ( 7 ) 对计算机和通信设备的干扰：谐波一般通过电容耦合、电磁感应及电气传 导等三种途径影响通讯，特别是对载频低的信号受影响更大。变流器在换相期间注 入的脉冲电压所包含的谐波频率较高，可以高达1 m h z 以上，因而会引起电磁干扰。 它对计算机、通信线路、通信设备会产生很大影响。轻者产生噪声，降低通信质量： 重者导致信息丢失，使计算机和通信系统无法正常工作等。 2 4 电压暂降的危害 随着社会的发展和技术的进步，新技术产业不断出现，电力用户比以往任何时 候都更加关注电能质量问题，并特别关心电压幅值下降带来的危害。电压幅值下降 不是新问题，但电力电子设备和计算机对其非常敏感，使其成为最熏要的电能质量 问题之一。引起电压暂降的原因很多，但主要是雷击、短路故障和大型异步电动机 启动等。其它如开关操作、电容器组或变压器投切等也有可能引起电压暂降。 ( 1 ) 电压暂降的危害同电压中断样，对于同一级别的电压暂降，设备敏感度 越高，应用场合越重要，所带来的危害可能就越大【2 4 1 ，如半导体制造业、造纸、纤 维抽丝、板材加工、注塑压模生产线等。 ( 2 ) 电压暂降会引起敏感控制器不必要的动作( 引起跳闸) ；造成包括计算机 系统失灵、自动化控制装置停顿或误动、变频调速器停顿等； ( 3 ) 引起接触器停顿或低压保护启动，造成电动机、电梯等停顿； ( 4 ) 引起高温光源( 碘钨灯) 熄灭，造成公共活动场所失去照明。 因此，电压暂降会给工商业带来很大的经济损失，甚至会危害人身及社会安全。 华北电力大学硕士学位论文 文献 2 8 】中收集了国外一些电压暂降对特定设备的影响事例，其中包括对可编程控 制器、精密机械工具、调速电机、计算机等等，以及若干次电压暂降对一些大型敏 感工业用户的危害和造成的损失。文献【2 9 】从法国输配电系统获得的数据，说明由于 电压暂降造成高压和中压系统各种保护动作的统计分布情况。此外，电压暂降对一 些传统设备的工作也会带来危害，例如：造成欠压继电器误动、交流接触器和中间 继电器不能正常动作等。 2 5 电能质量治理措施 从市场经济的商品质量这个普遍意义讲，了解电能质量，改善电能质量是必不 可少的。改善电能质量的意义可简要概括为以下几点【3 0 】： ( 1 ) 是保证电力系统安全( 包括用户设备的用电安全) 、稳定、经济运行的必要条 件，是电网运行水平高低的重要标志，同时也是电力企业用电管理水平考核的蘑要 指标。 ( 2 ) 是提高国民经济总体效益、用电效益( 节能、降损) 和改善电气环境，以及工 业生产可持续发展的技术保证。 ( 3 ) 是面向电力市场、适应竞争机制强有力的手段。 ( 4 ) 通过建立和健全电能质量的全面管理，保障各行各业的正常用电秩序，为千 家万户提供安全可靠的电能。 电能质量治理措施是通过采取一系列的措施来提高最终供给用户的电能的电 压、频率及波形的水平。这些治理措旖包括，在电力系统稳定运行状态下，能够保 证用户得到符合标准的电力供应的各种措旌，这些措施依据具体目标的不同可以称 为控制、抑制、缓解和消除等。其核心是能够对所供应的电力进行控制、变换，为 拥护或负荷提供满足要求、质量合格、效能最佳的电力。 电能质量控制的内容与电能质量问题的性质密切相关，其控制方法可以分为传 统和现代两种，具体如下： 1 、传统电能质量问题中，电压偏差的控制是通过发电机励磁调节、变压器分 接头调整及无攻补偿等手段实现的；频率偏差的控制是通过发电机出力的调整、抽 水蓄能机组的调节实现；三相不平筏的控制通常包括供电回路的平衡化、负载分配 的平衡化以及平衡补偿措施。 2 、现代电能质量控制中，电流谐波的抑制可通过降低谐波源的谐波水平、将谐 波负载接入短路容量大的电源、安装滤波器等控制措施来实现；电压波动与闪变的 控制也可通过改变负载特性、增强供电能力及装设动态无功补偿器等方法进行；电 压暂降与短时中断则通过动态电压调节器、不间断电源等设备的安装。 谐波问题作为国内最主要的电能质量问题，它的治理措施应该得到足够的重视。 9 华北电力大学硕士学位论文 限制电力系统的谐波，一般在谐波源处采取治理措施最为有效【3 l 】。由于谐波源主要 为电流源，因此要根据谐波国家标准的规定，限制谐波源注入电网的谐波电流，把 电力系统的谐波电压抑制在允许范围之内，以确保电能质量何电力系统的安全、经 济运行。 污染的治理主要有以下几种方法【3 2 3 3 】： ( 1 ) 增加换流装置的相数。换流装置是供电系统的主要谐波源之一。理论分析表 明，换流装置在其交流侧与直流侧产生的特征谐波次数分别为p k 士l 和p k 即为整 流相数或脉动数，k 为正整数) 。当脉动数由p = 6 增加到p = 1 2 时，可以有效的消除 幅值较大的低频项，( 其特征谐波次数分别为1 2 k 士l 和1 2 k ) ，从而大大地降低了谐 波电流的有效值。 ( 2 ) 增装动态无功补偿装置，提高供电系统承受谐波的能力。在技术经济分析可 行的条件下，可以在谐波源处装设动态无功补偿装置：静止无功补偿装最f s v c s t a t i cv a tc o m p e n s a t o r ) 或更先进的静止同步补偿装置( s t a t c o ms t a t i cs y n c h r o n o u s c o m p e n s a t o r ) ，以获得补偿负荷快速变动的无功需求、改善功率因数、滤除系统谐 波、减少向系统注入谐波电流、稳定母线电压、降低三相电压不平衡度等，提高供 电系统承受谐波的能力。 ( 3 ) 加装滤波装置( 包括无源滤波和有源滤波装置) 。为了减少谐波对供电系统的 影响，最根本的思想是从产生谐波的源头抓起，设法在谐波源附近防止谐波电流的 产生，从而降低谐波电压。防止谐波电流危害的方法，一种是采用传统的无源滤波 方法( 由一组无源元件：电容器、电抗器和电阻器组成的调谐滤波装置) ，减轻谐波 对电气设备的危害。另一种方法是有源滤波方法。其原理是利用可关断电力电子器 件产生与负荷电流中的谐波分量大小相等，相位相反的电流来消除谐波。 目前，无源滤波补偿是实际应用最多、效果较好、价格较低的解决方案，它包 括三种基本形式：串联滤波、并联滤波和混合型滤波。其中串联滤波主要适用于三 次谐波的治理；并联滤波是一种综合装置，它可滤除多次谐波，同时提供系统的无 功功率，是应用最广泛的电源净化滤波装置。谐波抑制的另一个重要趋势是采用有 源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r 。a p f ) 。它是一种电力电子装置，其基本原理是从 补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相 反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都发生 变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影啊，因而受到广泛的重视。 有源电力滤波器经多年的使用发展后，产生了与l c 滤波器混合使用方式。其 基本思想是利用l c 滤波器来分担有源电力滤波器的部分补偿任务。由于l c 滤波 器比之有源电力滤波器有结构简单、易实现且成本低的优点，而有源电力滤波器则 有补偿性能好的优点，两者结合使用时，既可克服有源电力滤波器容量大、成本高 的缺点，又可使整个系统获得良好的性能。 l f 华北电力火学硕士学位论文 第三章不同电能质量情况下异步电动机运行分析 3 1 电压偏差对异步电动机运行影响 电压偏差对异步电动机的影响主要表现在当电动机的端电压变化时，异步电动 机的转矩、转速、有功损耗、无功损耗、定子电流、功率因数、转子电流等参数的 变化情况。下面将进行分别讨论。 3 1 1 电压偏差下异步电动机等效电路3 4 q 5 】 异步电机是由分别设在定、转子上一些具有电磁耦合关系的绕组所组成，借助 电磁感应作用把能量从定子传递到转子。为得到定、转子统一的等效电路，必须把 转子频率变化为定子频率，转子相数、有效匝数变换为定子的相数和有效匝数。为 此需要进行频率归算和绕组归算。经过归算，异步电动机的电压方程( 单相) 就变 成： q = 五( r ，+ 工) 一宣 皇：立f 墨+ 麒，1 5 e = 乓= 一厶z 1 。 1 1 七j ；= i m ( 3 1 ) 上式中：矾为定子绕组相电压；丘定子绕组中相电动势；豇归算后转子电动势； 曩+ 为定子一相绕组的漏阻抗；l 为励磁电流：z l 。为励磁绕组电抗。 根据公式( 3 一1 ) ，即可画出异步电动机的丁型等效电路及与其相对应的相量图。 如图3 1 及图3 2 所示。 1 c ( 二卜j r r 。、 j l d 。j 。 il 图3 1 异步电动机的丁型等效电路图3 2 异步电动机的向量图 从等效电路图和向量图可见，异步电动机的定子电流五总是滞后于电源电压 口，这主要是磁化电流和定、转子的漏抗所引起。维持气隙中的主磁场和定、转子 凡 r 11”性一j 华北电力大学硕士学位论文 的漏磁场都需要一定的无功功率，这些感性的无功功率都要从电源输入，所以定子 电流必然滞后于电源电压。磁化电流越大，定、转子漏抗越大，电机的功率因数就 越低。 这里应当注意，由等效电路算出的所有定子侧的量均为电机中的实际量，而算 出的转子侧的电动势、电流则是归算值而不是实际值。由于归算是在功率不变的情 况下进行的，所以用归算值算出的转子有功功率、损耗和转矩均与实际值相同。 由图3 1 ，可以计算得出定子和转子电流为： r j u 2 i 互i 互 3 1 4 乙+ 互。 矗；一j 善；墨 ( 3 3 ) z z m + z ：z 1 。m + e z ： i i i i = 一五纛。芝。壶 。， 一互 公式( 3 - 2 ) 至( 3 4 ) 中，z i 。= r 1 + 瞄。为定子的漏阻抗；乏为归算到定子侧转予 的等效龇互= 等+ 鳓6 为修正系数，吲+ 象 l + 未a 等效电路是分析和计算异步电动机性能的有力工具。在给定参数和电源电压的 情况下，若已知转差率s ，则电动机的转速、转矩、电流、损耗和功率等各个物理 量，均可用等效电路算出。 当三相异步电动机以转速聆稳定运行时，从电源输入的有功功率为只。 只= 3 u l l jc o s 卿 ( 3 - 5 ) 传输给电机转轴上的机械功率晶： 晶：3 i ；z 必彤 ( 3 6 ) 考虑到电动机在运行时，会产生轴承以及风阻等摩擦转矩，这也要损耗一部分 功率p 。另外定转子磁动势中含有谐波磁动势，还要产生一些附加损耗p 。 电动机输出功率只为： b = 圪一p m 一儿 ( 3 - 7 ) 3 1 2 电压偏差对异步电动机运行影响 1 对异步电动机转矩的影响 根据电机学基础理论，异步电动机的最大转矩为 华北电力大学硕士学位论文 瓦。：士广鼍垒芎 ( 3 埘 。“一百孑j j i ：；1 ：i ：j 丽 。3 6 式( 3 - 8 ) 中： 0 。一最大转矩，n m ； m 定子绕组相数； 厂电源频率，h z ； c 一系数； 甜定子绕组端电压，v ； p 电机极对数； r t 、x 1 一定子绕组的电阻、漏电抗，q ： 孙z 一转子绕组的电阻、漏电抗，q ； 由式( 3 - 8 ) 可见，在给定的电源频率及电动机参数下，异步电动机的最大转矩 和起动转矩同定子绕组端电压的平方成正比。异步电动机的端电压从额定电压降至 额定电压9 0 ，则其转矩降至额定值的8 1 ，可见，端电压的降低对于需要在额定 负荷下起动和运行的电动机的安全是十分不利的。同理端电压的升高对增加起动、 最大转矩的作用也是十分明显的。 2 电压偏差对异步电动机的转差率和转速影响 若转矩不变，电压下降会使转差率增大。异步电动机的转差率与机端电压的关系 可表示为： ? ：墨l 一 露鲁+ 。k 4 雁_ , b 2 2 - 1 s b + 4 b 2 + 砰 “ 6 砖+ 6 2 碍一砰 ( 3 - 9 ) ( 3 1 0 ) 式( 3 - 9 ) 与式( 3 - 1 0 ) 中： s 一异步电动机的实际转差率； 5 。一异步电动机的额定转差率； s 。一对应最大力矩的转差率； b 一比例系数，额定电压时咒。乙的值； 置一比例系数，实际电压与额定电压之比； t 一比例系数，实际力矩与额定力矩之比： 假设负荷力矩与转速无关，机端电压比额定电压降低1 0 时，对b = 2 、矗= 2 的电动机，带入公式( 3 9 ) 和式( 3 - - 1 0 ) 中计算，即将屯= o 9 、t = 1 代入 华北电力大学硕士学位论文 得吖s 。= 1 2 9 ，s = 2 6 ，转差率增大了0 6 ，转速相应减小0 6 。 3 电压偏差对异步电动机转子电流的影响： 一般来说，异步电动机端电压降低时，定子和转子电流都增大，励磁电流减少， 定子电流增大的程度不如转子电流，应按转予电流确定电动机的允许过负荷。转子 电流厶与电压的关系可表示为： i 、 1 2 n t ( 6 + 4 b 2 一i ) 拿霹+ 肥砖 2 _ l ( 3 一1 1 ) 式( 3 1 1 ) 中，l 、l 。一转子电流及转子额定电流，其他参数见( 3 1 0 ) 式中 说明。 假如电动机的转矩为恒定，并为额定值，取b = 2 ，t = 1 ，电压降至额定值9 0 时， 即毛，= o 9 ，转子电流超过额定值1 4 电压降至额定值的9 5 时，转子电流超过额定 值8 。但若考虑到电动机的负荷率不是百分之百，以及负荷转矩与转速成一次方 或高次方关系时，转子电流不会有这么大。异步电动机如果长期处于低电压运行， 会造成电动机绕组绝缘老化，甚至烧坏绕组，使电动机的使用寿命降低。当异步电 动机的端电压过高时，由于磁路饱和，励磁电流增加很快，也会使定、转子电流增 大，损坏绕组绝缘。 4 电压偏差对异步电动机有功损耗的影响 异步电动机的有功损耗与电机的 、，卅等参数有关，也与电动机的负荷率 有关。当负荷率较高时，端电压下降，引起电流增大，在定、转子绕组中的损耗加 大，因而电动机总的损耗增加；但当负荷率较低时，电压降低引起的激磁损耗下降 的因素超过了电流增大造成定、转子绕组损耗加大的因素，因而电动机总的损耗反 而降低。电动机端电压增大时的有功损耗也与负荷率有关，但与上述结果相反。引。 3 2 谐波对异步电动机性能的影响 3 2 1 谐波下异步电动机等效电路 异步电机的谐波等效电路是用来分析谐波损耗的一种非常好的方法36 1 。当不考 虑铁心磁饱和及非线性等因素的影响时，可利用叠加原理，把电源中的谐波分量看 成是一系列独立的电源，分别加到电机绕组上。由电机学可知，对于h 次谐波的电 压电流，考虑谐波磁场作用的异步电机等值电路如图3 3 所示。 华北电力大学硕士学位论文 耳奠j n竺竺n 篓趋 ! 下一。1 盎j ! u 1 h 扇h ： i r j 2m h 图3 3 中，h 为谐波次数，。为定子侧h 次谐波等效电阻；墨。为定子侧h 次 谐波等效漏抗；匕为转子侧h 次谐波等效电阻( 己归算到定予侧) ；z 。为转子侧基 波和h 次谐波等效漏抗( 已归算到定子侧) ； 。和h 次谐波励磁等效电阻；土为h 次谐波励磁等效电抗；u 。为h 次谐波输入电压；s 为定子h 次谐波电流所产生 的旋转磁场相对转子的转差率，其中s 为基波转差率。 = 矗( 1 一) 肛 ( 3 一1 2 ) 在电机的正常运行范围内，基波转差率置1 ，而一般需要考虑的电源谐波次 数h 5 。由式( 3 - - 1 2 ) 看出，对于高次谐波磁场，其转差率的变化不大，即乩z 1 【3 ”。 3 2 2 谐波对异步电动机转矩的影响 当异步电机的定子电压和电流都是标准的正弦波，不含谐波成分时，异步电机 可以运转平稳。但当电源输出电流中含有谐波成分，异步电机会产生附加转矩。 异步电机电磁转矩公式如下： r = 鲁= 堡兰竺每笺争簪邋= q 九t c 。s 仍 ( 3 一1 3 ) 1 z 刀 j i p 式( 3 1 3 ) 表明，电磁转矩的大小与主磁通唬及转子电流的有功分量i ：c o s 妒， 有关，如果电源输入的是理想正弦波，由于其频率稳定，又没有其它频率的谐波， 从而只会产生单一方向的转矩，但是如果电源的输出中存在谐波，那么情况就会发 生变化，各次谐波都会与气隙磁场作用产生不同方向、大小的转矩。谐波分量直接 与电源谐波有关，谐波电流会产生异步、同步以及脉动谐波转矩【3 引。 1 ) 异步谐波转矩。h 次谐波电流的基波空间磁势与转子中h 次谐波磁势的感应 电流相互作用的电磁转矩。异步附加转矩将使电机的总电磁转矩曲线略有减小，而 且在各谐波的同步速附近出现下凹，会给异步电机的起动造成困难。 2 ) 同步谐波转矩。这种同步谐波转矩叠加在基波磁场的异步谐波转矩上，使电 机的合成转矩在该转速下发生突变，产生“同步谷”现象。当转矩在该点突降值较 大时，这有可能使电机卡在该转速起动不起来，但同步谐波转矩是在特定转速下产 l5 华北电力大学硕士学位论文 生的，当电机的转速离开该点后，则产生同步转