六相交流脈沖發電機組起動建模及仿真

2015-03-04 05:26:36董海濤李桂芬

防爆電機 2015年4期

董海濤，李桂芬

(1 哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱150040;2 哈爾濱大電機研究所，黑龍江哈爾濱150040)

0 引言

由我公司設計、制造的300MVA 六相交流脈沖發電機，用來給核聚變裝置供電，由于其負載比較特殊，電機幾乎工作于短路狀態。發電機組采用繞線式感應電動機拖動進行起動及再加速，由繞線式異步電動機以較小的功率從電網汲取能量，并將電能逐步轉換為機組軸系的動能，當機械能存儲到一定程度，再根據需要由發電機以最大功率以電能的形式脈沖放出，機組轉速下降，再由電動機驅動到一定轉速，再脈沖放電，循環加速和脈沖放電［1］。因此，發電機組要頻繁起動及再加速，為改善電動機起動特性，繞線轉子感應電動機采用轉子回路串接液體可變電阻進行起動。

該脈沖發電機的拖動電機為一臺三相、8500kW的立軸繞線式異步電動機，采用轉子回路串接液體可變電阻進行起動。一方面，用戶要求機組由靜止起動到額定轉速的時間不大于15min，由0.7 倍額定轉速再加速到額定轉速所需時間不大于5min;另一方面，為設計轉子回路液體電阻的控制環節，需知道電機在整個起動動態過程中電阻值的變化情況。為此，必須對整個機組的起動過程進行建模及仿真計算。本文建立了脈沖發電機組的起動過程仿真模型，包括繞線轉子感應電機、液體電阻及其控制環節，并進行了仿真分析，獲得了機組起動電流、起動轉矩、起動轉速、起動時間及再加速時間的大小，同時獲得了滿足起動要求的液體電阻隨時間變化的動態曲線，為設計液體電阻控制環節及機組的運行模式提供了理論參考。

1 起動過程

六相交流脈沖發電機組由同軸連接的繞線式異步電動機起動并加速機組。脈沖發電機組達到額定轉速后等待指令進行脈沖放電，動能轉化為電能釋放出去，機組轉速下降，再由電動機拖動加速，重復釋能周期為10 ～15min，機組由0.7 倍額定轉速再加速到額定轉速。每年平均使用100 多天，通常每天起動次數1 次，每天約40 次再加速和脈沖放電。由于起動頻繁，為防止起動過程電動機定子電流的過大沖擊，并滿足對起動時間的要求，繞線式異步電動機采用轉子串接液體電阻進行起動，通過調節轉子回路的液體電阻大小，控制起動過程定子電流為恒定值，轉子電流也基本保持不變。

2 起動控制系統

液體電阻為可調節阻值的堿液，控制系統主要由定子電流測量單元、反饋控制單元、穩壓電源、PLC 控制保護柜、電極提升電機和變速箱等組成。定子電流測量單元由電流互感器和電流傳感器組成。定子電流有效值的設定值和電流傳感器測量的實際定子電流有效值進入反饋控制單元，通過比例積分調節，輸出控制信號控制電極提升電機的直流電源輸入，從而控制電極提升電機的轉速，進而改變滑差電極位置，通過調節液體電阻的阻值，達到實現定子電流控制的目的［2］。脈沖發電機組起動控制系統示意圖如圖1 所示。

圖1 脈沖發電機組的液體電阻及其控制系統示意圖

通過調節液體電阻阻值實現對定子電流的特殊反饋控制，特殊性主要表現在單方向和階段性控制。為了防止液體電阻阻值變化的運行電機頻繁的正反旋轉而燒壞，故設計了當定子電流實際值大于或等于給定值時，液體電阻阻值不變，當定子電流小于給定值時，液體電阻阻值調節。在液體電阻達到最小值時，斷開定子電流反饋控制回路，液體電阻保持最小值不變，機組緩慢升到最高速穩定下來［1］。

液體電阻控制系統的等效數學模型［1］為

式中，Isist(t)—實際定子電流有效值;Isref(t)—定子電流有效值給定;e(t)—偏差信號;u(t)—控制輸出信號;Kp—比例系數;Ti—積分時間常數;tn+與tn-—分別為e(t)第n 次由0 變正和第n 次由正過零的時刻;Rpi(t)—液體電阻調節量;K—控制輸出信號與液體電阻調節量的轉換系數;Rmax—液體電阻的最大值;Rmin—液體電阻的最小值;Rist(t)—液體電阻應當值。

3 仿真分析

3.1 仿真模型

根據機組的運行模式可知，脈沖發電機由繞線式異步電動機拖動起動并加速，該起動過程可將脈沖發電機等效為電動機軸系的集中剛性質量塊，起動過程中的機組等效為一個大轉動慣量的繞線式異步電動機起動過程。文獻［3］建立了繞線轉子異步電動機轉子回路串接頻敏變阻器的起動過程仿真模型;文獻［4］則針對高壓鼠籠轉子異步電動機起動過程進行了動態特性仿真分析。本文建立了轉子回路串接液體電阻起動的仿真模型，如圖2 所示。

圖2 六相交流脈沖發電機組起動過程仿真模型

圖中VS1 為電壓源，CB1 為開關，IM1 為繞線式異步電動機，R_ABC 為轉子中串入的液體電阻。根據式(6)采用邏輯控制編程模塊F_RA、F_RB和F_RC 及PI 調解器PI_RA、PI_RB 和PI_RC建立了液體電阻控制系統仿真模型。根據起動要求，給定信號ic 為定子額定電流有效值，im 為電動機實際定子電流有效值，ME1 為電動機轉子集中質量塊，ME2 為脈沖發電機轉子集中質量塊。另外，建模時還考慮了起動過程中通風損耗和軸承損耗引起的摩擦阻力矩，分別采用兩個函數模塊T_VENT 和T_BRING 實現。繞線轉子感應電機及其負載(六相交流脈沖發電機)基本參數如表1 所示。

表1 機組基本參數

3.2 仿真結果

起動時按照要求將定子電流給定值設置為額定有效值991.6A，對機組從靜止加速到同步轉速的過程進行了仿真計算，計算結果如圖3-圖8。分別為定子繞組電流、電磁轉矩、轉速、轉子繞組電流、轉子電壓及液體電阻阻值隨時間變化曲線。從計算結果看，整個起動過程定子電流被控制在額定值991.6A;電機從靜止加速到496r/min 所需時間為647s，電機從335r/min 再加速到496r/min所需時間為199s;加速過程中轉子電流及電磁轉矩保持不變;轉子電壓隨著轉速的不斷增加而逐漸減小;電機靜止時液體電阻阻值為0.628Ω，隨著機組逐漸加速阻值逐漸減小。

該脈沖發電機組目前正處于設計階段，不可能有實際起動錄波，但文獻［1］提供了一臺起動方式完全相同的80MVA 脈沖發電機組的起動過程錄波，從該錄波看，本文的分析結果是正確的，只是機組參數不同，計算結果數值大小不同。