高壓大功率電動(dòng)機(jī)自耦磁控軟起動(dòng)方法及其關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、高壓大功率電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于交通、港口、碼頭、鋼鐵、建材、石油、化工、冶金、煤礦等行業(yè)，是這些行業(yè)內(nèi)風(fēng)機(jī)、水泵、提升機(jī)、皮帶運(yùn)輸機(jī)、起重機(jī)、窯磨等大型設(shè)備拖動(dòng)的原動(dòng)機(jī)。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各行業(yè)領(lǐng)域使用的高壓電動(dòng)機(jī)容量越來(lái)越大，從幾百千瓦到幾萬(wàn)千瓦。目前，高壓大功率電動(dòng)機(jī)的數(shù)量在幾千萬(wàn)臺(tái)以上，并且逐年遞增。
　　 高壓大功率電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大電流對(duì)電網(wǎng)、電動(dòng)機(jī)及拖動(dòng)設(shè)備危害極大，易導(dǎo)致繼電保護(hù)誤動(dòng)作、自動(dòng)控制失靈等故障。使用

2、軟起動(dòng)裝置，可以避免電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)所造成的危害及影響。因此，電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)裝置工作時(shí)間雖短，但作用非常重要、不可或缺。
　　 近年來(lái)，電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)技術(shù)及裝置受到越來(lái)越多研究者的關(guān)注，并且有很多重要成果被報(bào)道。這些成果各具特色，不僅具有重要的理論意義，而且對(duì)軟起動(dòng)技術(shù)及裝置的實(shí)際應(yīng)用也具有指導(dǎo)作用。然而這些電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)技術(shù)及裝置的成果仍有一定的局限性:第一，目前所提出的大部分成果，應(yīng)用在高壓大功率電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的起動(dòng)電流雖然有

3、所減小，但對(duì)電網(wǎng)造成的影響仍然較大;第二，目前大部分成果僅關(guān)注電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中功率因數(shù)的變化，忽略起動(dòng)過(guò)程中無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償;第三，目前大部分成果僅考慮高壓大功率電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)時(shí)電流幅值限制，沒(méi)有考慮起動(dòng)過(guò)程中起動(dòng)電流與起動(dòng)時(shí)間的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制。
　　 基于以上考慮，有必要進(jìn)一步研究高壓大功率電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)方法及關(guān)鍵技術(shù)。在本論文中，從綜合的觀點(diǎn)考慮，針對(duì)不同的研究問(wèn)題，分別引入相應(yīng)的原理和技術(shù)，提出對(duì)應(yīng)的綜合設(shè)計(jì)方法和控制策略，進(jìn)

4、行深入的研究。本文主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　 (1)針對(duì)電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)限流問(wèn)題，提出了自耦磁控軟起動(dòng)方法，構(gòu)建了自耦磁控軟起動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及等效數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步減小了電動(dòng)機(jī)起動(dòng)從電網(wǎng)吸收的電流
　　 本文對(duì)國(guó)內(nèi)外高壓大功率電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)方法進(jìn)行分析與比較，總結(jié)各種方法的優(yōu)點(diǎn)與不足，立足于課題組多年的研究積累，結(jié)合自耦降壓與磁控調(diào)壓軟起動(dòng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提出了自耦磁控軟起動(dòng)方法，該方法具有自耦降壓與磁控調(diào)壓雙重特性，可進(jìn)一步降低電動(dòng)機(jī)起

5、動(dòng)時(shí)從電網(wǎng)吸收的電流。運(yùn)用電磁場(chǎng)理論、電工理論及電機(jī)學(xué)原理，構(gòu)建自耦磁控軟起動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立了自耦磁控軟起動(dòng)器等效數(shù)學(xué)模型，研究了自耦磁控軟起動(dòng)器限流機(jī)理。通過(guò)對(duì)直接起動(dòng)、自耦降壓起動(dòng)、自耦磁控起動(dòng)方法的MATLAB仿真及分析，驗(yàn)證了自耦磁控軟起動(dòng)方法具有良好的限流效果。
　　 (2)針對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中功率因數(shù)較低問(wèn)題，提出了軟起動(dòng)與無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償一體化方法。
　　 本文在研究電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中功率因數(shù)變化特性的基礎(chǔ)

6、上，分析了電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程中功率因數(shù)較低的原因。針對(duì)功率因數(shù)較低問(wèn)題，提出了軟起動(dòng)與無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償一體化方法，研究了軟起動(dòng)過(guò)程中無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方案及實(shí)現(xiàn)技術(shù)。構(gòu)建了自耦磁控軟起動(dòng)與無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、研究了無(wú)功功率補(bǔ)償量的計(jì)算方法及無(wú)功補(bǔ)償量最優(yōu)投切策略。通過(guò)MATLAB仿真，驗(yàn)證了在電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可有效提高軟起動(dòng)過(guò)程中的功率因數(shù)，降低電網(wǎng)壓降，減小電動(dòng)機(jī)起動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的影響。
　　 (3)針

7、對(duì)電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)過(guò)程中限流與起動(dòng)時(shí)間的協(xié)調(diào)控制問(wèn)題，提出了自耦磁控軟起動(dòng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃優(yōu)化控制策略。
　　 異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)非線性多變量時(shí)變系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)其數(shù)學(xué)模型的分析，闡述起動(dòng)過(guò)程中電流及轉(zhuǎn)矩振蕩原因。在軟起動(dòng)控制過(guò)程中，常規(guī)控制策略往往只關(guān)注限制起動(dòng)電流而忽略起動(dòng)時(shí)間，容易因起動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而引起熱故障，造成起動(dòng)失敗。本文在分析電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程狀態(tài)方程及電動(dòng)機(jī)理想起動(dòng)曲線的基礎(chǔ)上，針對(duì)起動(dòng)過(guò)程明顯的時(shí)序性，提出了基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法的

8、異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過(guò)程優(yōu)化控制策略，在滿足起動(dòng)電流限制的前提下實(shí)現(xiàn)了起動(dòng)時(shí)間最優(yōu)控制。通過(guò)對(duì)軟起動(dòng)斜坡控制、恒流控制及動(dòng)態(tài)規(guī)劃三種控制方式的MATLAB仿真比較，驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)規(guī)劃控制策略是可行的。
　　 (4)高壓大功率電動(dòng)機(jī)自耦磁控軟起動(dòng)器研制與試驗(yàn)
　　 本文在研究自耦磁控軟起動(dòng)方法理論及技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)高壓大功率自耦磁控軟起動(dòng)器的方案、結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并研制出21000kW/10kV高壓大功率軟起動(dòng)器，通過(guò)掛網(wǎng)試驗(yàn)