三相異步電動機斷電重合閘瞬態分析

王立名

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

0 引言

大中型三相異步電動機在化工、電力、冶金等領域得到了廣泛應用，通常被用來驅動水泵、風機等重要的生產輔機，容量在不斷的增大，它們能否可靠運行影響著整個生產過程。在實際工作中，供電系統發生暫時性故障或其他故障問題，使電動機供電電源電壓短時低落，從而引起線路保護裝置短時跳閘，導致電動機斷電是常見的現象。而這種故障往往是暫時性的，如能在短時間內將電動機快速恢復供電，停電造成的生產損失即可減少很多。因此對三相異步電動機失去電源后快速恢復供電的研究意義非凡。

1 三相異步電動機斷電重合閘瞬態過程分析

三相異步電動機的恢復供電過程主要經歷兩個階段。第一階段:由于電源故障引起的電動機斷電后的過渡過程;第二階段:重合閘后電動機恢復至正常運行的過渡過程。

第一階段電機供電線路跳閘，電動機定子電流很快衰減到零，由于磁鏈守恒，轉子繞組會產生出一定大小的電流來維持斷電瞬間磁鏈不突變，而定子完全與供電線路斷開后，轉子電流開始隨著時間推移而逐漸衰減，這個直流電流產生的磁鏈相對電機轉子靜止，相對電機定子以轉子轉速相對運動，所以定子繞組中會感生出一定大小的電壓，即電機失電殘余電壓。

第二階段電機恢復供電瞬態過程是相當復雜的，其中包括電磁、機械以及熱方面的瞬態過程。由于電動機失電殘余電壓的存在，再投入的電源電壓與定子失電殘余電壓的大小、相位、頻率都不相同，這樣加在電機定子端部的電壓大小可能會大大超過額定電壓，引起的沖擊電流有時會超過其額定電流的10 倍以上。同時再投入時電機轉子電流也不能為零，引起的電磁轉矩也和起動過程有很大區別。這一瞬態過程的沖擊電流很大，電磁轉矩變化劇烈，會發生強烈的振蕩，帶來較大的危害。

斷電重合閘帶來的危害主要包括幾個方面:

(1)大的沖擊電流會引起供電母線電壓下降，嚴重影響同一供電母線正常運行的其它電氣設備;

(2)大的沖擊電流以及母線電壓的下降，可能會危及電力線路保護裝置工作的可靠性，使繼電保護裝置誤動作，保護解體跳閘使電機電源恢復失敗，引起系統設備再次失電;

(3)較大的瞬態電磁轉矩，會對電機端部線圈、電機轉軸及負載產生危害;

(4)較大的瞬態電流，會使電機發熱，對電機絕緣損傷，甚至造成絕緣的永久破壞。

當電機容量較大時，上述問題更為嚴重，過大的沖擊電流將使電機本身受到過大的電磁力的沖擊，轉矩的波動會使電機產生劇烈震動，發出巨大聲響，也對電機負載、機械設備等的使用壽命有很大影響，造成安全隱患。

2 三相異步電動機模型的建立

2.1 三相異步電動機的物理模型

三相異步電機定子三相繞組分別用A、B、C表示;轉子三相繞組分別用a、b、c 表示;定子A 相繞組軸線與轉子a 相繞組軸線的夾角為θ(電角度);轉子以機械角速度Ω 旋轉見圖1。

圖1 三相異步電動機示意圖

2.2 三相異步電動機的數學模型

2.2.1 假定

為便于分析，作如下簡化假設，假設電機為“理想電機”。理想電機的基本假設如下

(1)電機的磁路為線性，鐵心中的磁滯和渦流損耗忽略不計;

(2)氣隙磁場在空間為正弦分布，磁場的高次諧波忽略不計;

(3)定、轉子表面設為光滑，齒、槽的影響用卡式系數來計及;

(4)對于三相交流電機，定子繞組為對稱三相繞組;

(5)忽略鐵心損耗，忽略磁路飽和的影響;(6)不考慮溫度變化對繞組電阻的影響。2.2.2 數學模型

在理想電機的假定下，正方向采用電動機慣例。根據動態耦合電路法，可以列出在相坐標系(即ABC 坐標系)中三相異步電動機的電壓方程為

式中，L1、L2—定子各相繞組的自感和轉子各相繞組的自感(折算值);-M1、-M2—定子三相繞組間的互感(折算值);Msr、Mrs—轉子對定子和定子對轉子的互感矩陣。

2.3 三相異步電動機的仿真模型

為某用戶設計的YZYKS710-2 3000kW 10kV電機，該電機拖動泵負載，已知起動時負載轉矩-轉速曲線(kN·m-rpm)如圖2 所示。

圖2 起動時負載轉矩-轉速曲線

根據三相異步電動機的數學模型，運用Ansoft 軟件模塊建立仿真分析模型如圖3 所示。

圖3 三相異步電動機仿真模型

3 斷電重合閘仿真分析

3.1 斷電重合閘時間0.2s 的仿真分析

電機正常運行，在0.8s 時發生斷電故障，經0.2s 后重合閘，此過程中電機定子電流、轉矩曲線如圖4、圖5 所示。0.8s 時刻斷電，斷電后在0.8100s出現電流峰值為-4155.1234A，電流倍數為10.0365。在1.0s 時重合閘，電流峰值出現在1.0095s 處，為5393.0791A，電流倍數為13.0268。0.8s 時刻斷電，斷電后在0.8055s 出現轉矩峰值為-76.6301kN·m，轉矩倍數為7.97。在1.0s 時重 合 閘，轉 矩 峰 值 出 現 在 1.1060s 處，為33.0063kN·m，轉矩倍數為3.433。

圖4 斷電重合閘定子電流曲線

圖5 斷電重合閘轉矩曲線

3.2 斷電重合閘時間0.5s 的仿真分析

電機正常運行，在0.8s 時發生斷電故障，經0.5s后重合閘，此過程中電機定子電流、轉矩曲線如圖6、圖7 所示。0.8s 時刻斷電，斷電后在0.8095s出現電流峰值為-4146.4813A，電流倍數為10.0157。在1.3s 時重合閘，電流峰值出現在1.3095s處，為4837.9376A，電流倍數為11.6858。0.8s 時刻斷電，斷電后在0.8060s 出現轉矩峰值為-76.3923kN·m，轉矩倍數為7.95。在1.3s 時重合閘，轉矩峰值出現在1.3270s處，為46.2889kN·m，轉矩倍數為4.81。

圖6 斷電重合閘定子電流曲線

圖7 斷電重合閘轉矩曲線

3.3 斷電重合閘時間1.0s 的仿真分析

電機正常運行，在0.8s 時發生斷電故障，經1.0s后重合閘，此過程中電機定子電流、轉矩曲線如圖8、圖9 所示。0.8s 時刻斷電，斷電后在0.8100s出現電流峰值為-4154.6506A，電流倍數為10.0354。在1.8s 時重合閘，電流峰值出現在1.8090s處，為5096.4662A，電流倍數為12.31。0.8s 時刻斷電，斷電后在0.8055s 出現轉矩峰值為-76.5544kN·m，轉矩倍數為7.96。在1.8s 時重合閘，轉矩峰值出現在1.8465s 處，為44.4881kN·m，轉矩倍數為4.63。

圖8 斷電重合閘定子電流曲線

圖9 斷電重合閘轉矩曲線

4 結語

通過對三相異步電動機在不同時刻斷電重合閘進行仿真研究可以看出:斷電重合閘將使電機定子電流劇增，電流最大波動值為電機額定運行時的13 倍左右，電流的巨大變化將使電機繞組溫度升高、絕緣下降，嚴重時繞組損壞、變形。過大的沖擊電流將使電機本身受到過大的電磁力的沖擊，使電機變形，而且波及轉軸、機座、地腳螺栓等結構件。而且在斷電重合閘過程中轉矩的波動也較大，最大波動值也接近于額定值的10 倍，轉矩波動會使電機產生劇烈震動，發出巨大聲響，也對電機負載、機械設備等的使用壽命有很大影響，造成安全隱患。因此應加強電力系統的穩定性，減少斷電故障的發生，以保障電機能長期安全可靠運行。

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