宋敏慧,楊華峰,李桂芬,張春莉,李金香

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

AP1000主泵電機起動特性分析計算

宋敏慧1,楊華峰2,李桂芬2,張春莉2,李金香2

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

摘要：通過對AP1000主泵電機起動特性進行仿真分析,詳細闡述了AP1000主泵電機起動仿真模型原理和計算方法，并計算出此電機臨界起動條件和轉(zhuǎn)速曲線。該分析計算為建立AP1000主泵電機的狀態(tài)方程提供了仿真模型和計算方法，為相關技術人員提供了借鑒。

關鍵詞：AP1000主泵電機;起動特性;屏蔽結(jié)構

0引言

目前我國正在執(zhí)行發(fā)改委制定的2005～2020年核電發(fā)展規(guī)劃。總投資約4 500億,2020年核電發(fā)電量約占全國總量的3%[1]。與常規(guī)機組相比，核電機組的安全穩(wěn)定運行更為重要。AP1000主泵電機作為核電機組的重要組成部分，其良好的起動性能是整個機組安全穩(wěn)定運行的基本保證。起動特性是異步電機的主要性能指標之一，AP1000主泵電機由于其特殊的結(jié)構，與同等容量的常規(guī)電機相比，其電磁參數(shù)也有所不同。

1基本數(shù)據(jù)

計算中涉及到的機組相關數(shù)據(jù)見表1。

表1　電動機主要數(shù)據(jù)

2數(shù)學模型及研究方法

2.1仿真模型

利用仿真軟件SIMSEN進行分析計算。其系統(tǒng)模型如圖1所示。圖中，VS1為無窮大母線；TEXT為負載轉(zhuǎn)矩函數(shù)模塊；TFR為水摩耗函數(shù)模塊；STATORR2為定子電阻函數(shù)模塊；STATORX2為定子電抗函數(shù)模塊；CB1為開關；IM1為感應電動機；ME1為轉(zhuǎn)子質(zhì)量塊；OUT為輸出結(jié)果模塊。

TEXT為負載轉(zhuǎn)矩，TFR為水摩耗，函數(shù)模塊滿足以下條件。

由以上函數(shù)關系可以得出函數(shù)曲線，下面為TEXT模塊和TFR模塊下的函數(shù)曲線上選取的點，X為轉(zhuǎn)速，Y為轉(zhuǎn)矩。

TEXT模塊

x1[r/min] :0y1[Nm]:0

x2[r/min] :9.357 1y2[Nm]:-92

x3[r/min] :18.714 3y3[Nm]:-368

x4[r/min] :28.071 4y4[Nm]:-827

圖1　仿真模型

x5[r/min] :37.428 5y5[Nm]:-1 471

x6[r/min] :46.785 6y6[Nm]:-2 298

x7[r/min] :56.142 8y7[Nm]:-3 309

x8[r/min] :65.499 9y8[Nm]:-4 504

x9[r/min] :74.857y9[Nm]:-5 883

x10[r/min]:84.214 2y10[Nm]:-7 445

TFR模塊

x1 [r/min] :0y1 [Nm] : 0

x2 [r/min] :18.714 3y2 [Nm] : -30.8

x3 [r/min] :37.428 5y3 [Nm] : -105.1

x4 [r/min] :56.142 8y4 [Nm] : -215.4

x5 [r/min] :74.857 0y5 [Nm] : -358.5

x6 [r/min] :93.571 3y6 [Nm] : -532.1

x7 [r/min] :112.285 5y7 [Nm] : -734.7

x8 [r/min] :130.999 8y8 [Nm] : -965.2

x9 [r/min]:149.714 1y9[Nm] : -1 222.6

x10[r/min] :168.428 3y10[Nm]: -1 505.9

x11[r/min] :187.142 6y11[Nm]: -1 814.7

2.2研究方法

根據(jù)文獻，忽略電機鐵心飽和、磁滯、渦流和集膚效應的情況下，假定氣隙均勻、磁勢正弦分布，可得同步恒速坐標系(dc-qc-0)下異步電機基本方程[2]，如下：

(1)

(2)

式中：下標s、r為代表定子轉(zhuǎn)子各量；下標、dc、qc為代表dc,qc,0坐標系下的各量；xss為定子自電感；Xrr為轉(zhuǎn)子自電感；Xm為定轉(zhuǎn)子之間互感；rs為定子電阻；Rr為轉(zhuǎn)子電阻；p為微分算符d/dt；s為轉(zhuǎn)差率，s=1-ω，ω為轉(zhuǎn)子角速度。

將式(1)改寫成狀態(tài)方程

(3)

轉(zhuǎn)動系運動方程為

(4)

式中：Mo為電磁轉(zhuǎn)矩，它的計算公式為

Mo=Xm(iqcsIdcr-idcsIqcr)

(5)

式中：Mm為負載轉(zhuǎn)矩；H為慣性常數(shù)。

3計算結(jié)果

本次起動主要分以下幾個階段計算的。起動總時間為1 min。第一階段0～315 r/min，用2～3 s，4～5 Hz/s進行快速起動；第二階段315 r/min-90%額定轉(zhuǎn)速，用1 Hz/s進行起動；第三階段90%額定轉(zhuǎn)速-額定轉(zhuǎn)速，4～5 Hz/s快速達到額定轉(zhuǎn)速。

因此為了滿足上述三個要求，仿真時間分為五個階段0～3 s，3～46.41 s，46.41～48.81 s，48.81～49.745 s，49.745～60 s，壓頻比為80，橫軸為時間，縱軸為轉(zhuǎn)速標幺值。壓頻比為80時起動成功時轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線如圖2。圖3為起動失敗時轉(zhuǎn)速隨時間變化曲線。

圖2　起動成功時轉(zhuǎn)速變化曲線

壓頻比為75時的仿真結(jié)果

圖3　起動失敗時轉(zhuǎn)速變化曲線

4結(jié)論分析

AP1000主泵電機的起動方式若采用變頻起動，異步電機的變頻起動具有一定的難度性。一般電機都采用全壓起動，翻閱大量的資料和多次模型調(diào)試才成功變頻起動了AP1000屏蔽異步電機，只給出臨界起動成功和失敗的壓頻比時的轉(zhuǎn)速曲線。在計算過程中詳細給出負載轉(zhuǎn)矩模塊和水摩耗函數(shù)模塊的計算方法和仿真參考點。該起動過程也考慮了堵轉(zhuǎn)時的定子電阻和電抗以及轉(zhuǎn)子電阻和電抗，使仿真過程更接近實際。經(jīng)過計算可得出以下結(jié)論：

1)變頻起動在計算中是一種非常復雜有難度的起動方式，理論計算中可以看出他的起動時間遠遠長于其他方式的起動時間；

2)電機必須在壓頻比80或者80以上才能實現(xiàn)三個階段的起動成功；

3)壓頻比低于80，在第三階段轉(zhuǎn)速就下降了，說明第三個階段的對于壓頻比為75時所加的負載過大起動失?。?/p>

4)本論文中的異步電機變頻起動發(fā)法對于同步發(fā)電機也有一定的參考價值。

參考文獻

[1]湯蘊璆，史乃.電機學[M].機械工業(yè)出版社，2006.

[2]高景德，張麟征，黃立培.異步電機起動過程研究[J].電工技術雜志，1984(1):1-4.

作者簡介：

宋敏慧，1984年生，女，2007年畢業(yè)于哈爾濱理工大學電機專業(yè)，工程師，現(xiàn)任于哈爾濱電機廠有限責任公司，大電機研究所電機室，從事電磁研究工作。