i i 聲明尸明 本人鄭重聲明：此處所提交的碩士學(xué)位論文獨(dú)立電力系統(tǒng)異步電動(dòng)機(jī)仿真與保護(hù) 研究，是本人在華北電力大學(xué)攻讀碩士學(xué)位期間，在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取 得的研究成果。據(jù)本人所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他 人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得華北電力大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位 或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作 了明確的說明并表示了謝意。 學(xué)位論文作者簽名：趔菇日期2 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解華北電力大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保管、 并向有關(guān)部門送交學(xué)位論文的原件與復(fù)印件；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印或其它復(fù)制手 段復(fù)制并保存學(xué)位論文；學(xué)?？稍试S學(xué)位論文被查閱或借閱；學(xué)?？梢詫W(xué)術(shù)交流為 目的，復(fù)制贈(zèng)送和交換學(xué)位論文；同意學(xué)?？梢杂貌煌绞皆诓煌襟w上發(fā)表、傳播 學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容。 ( 涉密的學(xué)位論文在解密后遵守此規(guī)定) 作者簽名：型磕 e l 期：絲5 ：! 墨! 三f 導(dǎo)師簽名：班 日 期：捌絲：竺 一 一 - p k 尊 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要 摘要 隨著世界范圍內(nèi)的能源緊張，大力開發(fā)海上油氣資源已經(jīng)成為我國未來能源發(fā) 展的必然趨勢。異步電動(dòng)機(jī)作為生產(chǎn)中的主要?jiǎng)恿ν蟿?dòng)設(shè)備在海洋石油平臺(tái)系統(tǒng)中 占有重要的地位。因此對(duì)海上石油平臺(tái)獨(dú)立電力系統(tǒng)中異步電動(dòng)機(jī)仿真和保護(hù)進(jìn)行 研究具有重要意義。本文首先對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究，推導(dǎo)出一種同 時(shí)考慮鐵損與磁飽和的異步電動(dòng)機(jī)模型，并應(yīng)用m a t l a b 中搭建的獨(dú)立電力系統(tǒng) 仿真模型對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的常見故障進(jìn)行了仿真研究?；谇懊娴墓收戏抡嬉约皩?duì)異 步電動(dòng)機(jī)保護(hù)的研究，提出了海洋石油平臺(tái)獨(dú)立電力系統(tǒng)中異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)的綜合 配置方案。最后通過對(duì)獨(dú)立電力系統(tǒng)中異步電動(dòng)機(jī)相間短路故障的仿真研究，提出 了加裝功率方向元件的定時(shí)限過電流保護(hù)的配置方案。 關(guān)鍵詞：獨(dú)立電力系統(tǒng)，異步電動(dòng)機(jī)，仿真，保護(hù) a b s t r a c t w i t ht h es h o r t a g eo fe n e r g ya r o u n dt h ew o r l d ，i ti sa l li n e v i t a b l et r e n di nc h i n a s f u t u r ee n e r g yd e v e l o p m e n tt h a tg r e a te f f o r t sw i l lb em a d et oe x p l o i to f f s h o r eo i la n dg a s r e s o u r c e s a st h em a i np o w e rd r i v ee q u i p m e n t ，i n d u c t i o nm o t o rp l a y sa ni m p o r t a n tr o l e i nt h eo f f s h o r eo i lp l a t f o r ms y s t e m s oi ti sm e a n i n g f u lt os t u d yo ns i m u l a t i o na n d p r o t e c t i o no fi n d u c t i o nm o t o ro nt h eo f f s h o r eo i lp l a t f o r mi n d e p e n d e n tp o w e rs y s t e m f i r s t l y , t h ep a p e rs t u d i e st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fi n d u c t i o nm o t o r , p r o p o s e sam o d e l o fi n d u c t i o nm o t o rw i t ht h ec o n s i d e r a t i o no fi r o nl o s sa n dm a g n e t i cs a t u r a t i o n t h e nt h e p a p e rs t u d i e st h e s i m u l a t i o no fc o m m o nf a u l to fi n d u c t i o nm o t o rd e p e n do nt h e i n d e p e n d e n tp o w e rs y s t e ms i m u l a t i o nm o d e lw h i c hi se s t a b l i s h e di nm a t l a b s e c o n d l y , b a s eo nt h es t u d yo nf a u l ts i m u l a t i o na n dp r o t e c t i o no fi n d u c t i o nm o t o r ，t h ep a p e r p r o p o s e sas c h e m eo fc o m p r e h e n s i v ep r o t e c t i o nc o n f i g u r a t i o no fi n d u c t i o nm o t o ro nt h e o f f s h o r eo i lp l a t f o r mi n d e p e n d e n tp o w e rs y s t e m f i n a l l y , w i t ht h es t u d yo ns i m u l a t i o no f i n t e r p h a s es h o r tc i r c u i tf a u l to fi n d u c t i o nm o t o ro ni n d e p e n d e n tp o w e rs y s t e m ，t h ep a p e r p r o p o s e sas c h e m eo ft i m eo v e r c u r r e n tp r o t e c t i o nw h i c hh a sp o w e rd i r e c t i o n a le l e m e n t z h a n gz h o n g - w e i ( p o w e rs y s t e ma n d i t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f j i a oy a n - j u n k e y w o r d s ：i n d e p e n d e n tp o w e rs y s t e m ，i n d u c t i o nm o t o r , s i m u l a t i o n ， p r o t e c t i o n 一 4 - 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文目錄 目錄 中文摘要 英文摘要 第一章緒論1 1 1 引言j 1 ，1 2 異步電動(dòng)機(jī)建模仿真研究現(xiàn)狀2 1 3 異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)的現(xiàn)狀2 1 4 本文的主要工作：4 第二章異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的研究5 2 1 常用的異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型5 2 1 i 靜止坐標(biāo)系下異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型5 2 1 2 d 、q 坐標(biāo)系下異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型7 2 1 3 任意轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的通用坐標(biāo)系下異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型8 2 2 同時(shí)考慮鐵損與磁飽和的異步電動(dòng)機(jī)模型9 2 2 1 數(shù)學(xué)模型的建立9 2 2 2 仿真實(shí)驗(yàn)1 3 2 3 本章小結(jié)1 5 第三章獨(dú)立電力系統(tǒng)中異步電動(dòng)機(jī)故障仿真研究1 6 3 1 異步電動(dòng)機(jī)常見故障類型的劃分1 6 3 2 獨(dú)立電力系統(tǒng)中異步電動(dòng)機(jī)的故障仿真1 7 3 2 1 相間短路故障1 7 3 2 2 堵轉(zhuǎn)故障1 8 3 2 3 過載故障1 9 3 2 4 接地故障2 l 3 2 5 斷相故障2 2 3 2 6 不平衡故障2 3 3 3 本章小結(jié)2 5 第四章獨(dú)立電力系統(tǒng)中異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)配置研究2 6 4 1 異步電動(dòng)機(jī)故障原因及保護(hù)分類2 6 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文目錄 4 2 獨(dú)立電力系統(tǒng)綜合保護(hù)配置方案2 7 4 3 保護(hù)原理及其配置方案2 8 4 3 1 縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)2 8 4 3 2 定向接地保護(hù)：3 0 4 3 3 負(fù)序過電流保護(hù)3 1 4 3 4 堵轉(zhuǎn)保護(hù)一3 1 4 3 5 過熱保護(hù)3 2 4 3 6 低電壓保護(hù)3 5 4 4 本章小結(jié)3 5 第五章獨(dú)立電力系統(tǒng)中異步電動(dòng)機(jī)定時(shí)限過電流保護(hù)配置研究3 7 5 1 獨(dú)立電力系統(tǒng)中異步電動(dòng)機(jī)相間短路故障特性3 7 5 1 1 三相短路故障特性分析：3 7 5 1 2 兩相短路故障特性分析3 9 5 2 定時(shí)限過電流保護(hù)工作原理；4 0 5 3 定時(shí)限過電流保護(hù)的整定計(jì)算4 2 5 3 1 功率方向元件4 2 5 3 2 動(dòng)作值整定4 2 5 3 3 動(dòng)作時(shí)間整定4 3 5 4 本章小結(jié)4 4 第六章總結(jié)4 5 參考文獻(xiàn)4 7 致謝5 0 在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文和參加科研情況5 1 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1 引言 第一章緒論 石油天然氣是不可再生的資源，作為世界上最主要的能源和戰(zhàn)備物資，二十世 紀(jì)以來，一直在各國政治、經(jīng)濟(jì)、軍事生活中占據(jù)重要地位。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展， 特別是作為支柱產(chǎn)業(yè)的石油化工和汽車工業(yè)的快速發(fā)展，石油和天然氣供應(yīng)不足的 矛盾日益突出。我國從1 9 9 3 年開始，原油供應(yīng)量滿足不了市場需求，因而從石油出 口國變?yōu)槭瓦M(jìn)口國。2 0 0 5 年我國的原油進(jìn)口量已達(dá)到9 0 0 0 萬噸，石油天然氣已成 為我國的稀缺能源。中央在“十一五 規(guī)劃中明確指出要繼續(xù)加強(qiáng)石油天然氣資源 的勘探和開采力度，保證后備儲(chǔ)量【l 五j 。 鑒于陸上資源的日漸枯竭，資源開發(fā)向海洋、尤其是深海進(jìn)軍已成必然趨勢。世 界海洋石油資源總量占全球石油資源總量的3 4 。據(jù)統(tǒng)計(jì)全球海洋石油蘊(yùn)藏量約 1 0 0 0 多億噸，其中已探明儲(chǔ)量約8 0 億噸。目前全球已有5 0 多個(gè)國家在進(jìn)行深海勘 探。近1 0 多年來，世界海洋石油和天然氣產(chǎn)量穩(wěn)步上升，2 0 0 8 年海洋石油產(chǎn)量達(dá) 到2 0 5 7 億噸，約占世界石油總產(chǎn)量的3 6 3 。未來1 0 年將是深海油氣勘探的活躍 期。我國擁有漫長的海岸線，海洋油氣資源十分豐富。按第三次石油資源評(píng)價(jià)初步 結(jié)果，目前全國石油資源量為1 0 7 2 7 億噸，已探明儲(chǔ)量2 2 5 6 億噸，探明率在3 9 左右，其中海洋石油資源量為2 4 6 億噸，占總量的2 2 9 ；天然氣資源量為5 4 5 4 萬億立方米，其中海洋為1 5 7 9 萬億立方米，占2 9 0 。未來我國海洋油氣勘探開 發(fā)將繼續(xù)較快增長，投資不斷增加，海上油氣產(chǎn)量持續(xù)增長，勘探開采作業(yè)海域范 圍和水深不斷擴(kuò)大1 3 叫。 海上石油平臺(tái)電力系統(tǒng)作為海洋油氣資源開采作業(yè)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分， 在海上油氣資源的勘探和開采過程中發(fā)揮著重要作用。它為整個(gè)海上石油開采系統(tǒng) 提供能量和動(dòng)力，即海洋石油平臺(tái)上的各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)和日常運(yùn)行所需的電力。海洋 石油平臺(tái)上的各種電氣設(shè)備構(gòu)成了一種小型獨(dú)立電力系統(tǒng)。與常規(guī)電力系統(tǒng)相比， 海洋平臺(tái)電力系統(tǒng)有其自身特點(diǎn)。具體表現(xiàn)在：系統(tǒng)規(guī)模小，網(wǎng)絡(luò)為樹狀網(wǎng)絡(luò)，電 壓等級(jí)較低，變頻設(shè)備多，個(gè)別負(fù)荷的變化對(duì)系統(tǒng)影響大，輸電線路用電纜的電阻 不可忽略等等。異步電動(dòng)機(jī)是海洋石油平臺(tái)獨(dú)立電力系統(tǒng)中的主要負(fù)荷，也是為各 個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)提供動(dòng)力的主要拖動(dòng)設(shè)備。海洋石油平臺(tái)獨(dú)立電力系統(tǒng)的特點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)中 異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行造成不同程度的影響，使異步電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)許多不同于陸地上的運(yùn) 行狀況與故障特征，從而對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的保護(hù)配置提出了新的要求。 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 2 異步電動(dòng)機(jī)建模仿真研究現(xiàn)狀 對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的保護(hù)配置進(jìn)行研究，不可能在實(shí)際生產(chǎn)中的設(shè)備上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)， 這就要求我們搭建與實(shí)際工況相似的試驗(yàn)平臺(tái)。構(gòu)造由真實(shí)設(shè)備組成的物理試驗(yàn)平 臺(tái)進(jìn)行分析研究，不但周期長、投資大，而且不宜于分析整個(gè)系統(tǒng)的各種性能。采 用建模仿真的方法可以用較小的投資，在較短的時(shí)間內(nèi)得到與實(shí)際工況十分接近的 結(jié)果。數(shù)學(xué)模型是人們對(duì)客觀對(duì)象或過程特性的一種表示形式，也是進(jìn)行分析和控 制的主要手段。從某種意義上說，只要構(gòu)建足夠精確的數(shù)學(xué)模型，建模仿真完全可 以同真實(shí)系統(tǒng)相媲美【5 l 。 構(gòu)建異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的難點(diǎn)就在于其電壓方程中含有一些隨轉(zhuǎn)子位置角 變化的時(shí)變電感，從而使方程成為變系數(shù)方程。需要采用變量變換的方法來減少方 程的復(fù)雜程度，降低求解的難度。為了解決這個(gè)問題，在上個(gè)世紀(jì)學(xué)者們提出了很 多變量變換的方法。從最早的將定子變量變換到固定于轉(zhuǎn)子的參考系上和將轉(zhuǎn)子變 量交換到固定于定子參考系上；到將定、轉(zhuǎn)子的變量同時(shí)變換到隨旋轉(zhuǎn)磁場同步旋 轉(zhuǎn)的參考系上；再到將定、轉(zhuǎn)予變量同時(shí)變換到任意旋轉(zhuǎn)速度下的參考系上，從而 消除了時(shí)變電感。 近些年來，國內(nèi)外的學(xué)者在異步電動(dòng)機(jī)建模仿真方面又做了大量的工作，取得 了定的成果。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種建模仿真軟件( 如e m t p 、e m t d c 、 m a t l a b ) 的功能逐漸完善、強(qiáng)大，使得建模仿真具有了模塊化、可重載、可封裝、 面向結(jié)構(gòu)圖編程及可視化等特點(diǎn)，大大提高了建模仿真的效率和可靠性，也使建模 仿真變得直觀便利f 6 】。這些仿真軟件的強(qiáng)大功能為學(xué)者們對(duì)異步電動(dòng)機(jī)模型以及其 它模型的研究提供了很好的平臺(tái)，學(xué)者們搭建出了基于各種仿真軟件的異步電動(dòng)機(jī) 模型。但是目前普遍使用的異步電動(dòng)機(jī)模型存在著這樣或那樣的不足，有的模型過 于簡單，不能準(zhǔn)確地反映異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)過程；有的模型過于復(fù)雜，使用起 來太不方便。因此對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的建模仿真作進(jìn)一步的研究是十分有意義的。 1 3 異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)的現(xiàn)狀 三相交流異步電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，動(dòng)力拖動(dòng)負(fù)載占電網(wǎng) 中總負(fù)載的6 0 ，而動(dòng)力拖動(dòng)負(fù)載中三相交流異步電動(dòng)機(jī)占絕大部分【7 j 。因此，為 了保證異步電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行和電力系統(tǒng)的安全，作好異步電動(dòng)機(jī)的保護(hù)是十分重 要的。 異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行環(huán)境一般比較惡劣，長期處在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的工作狀 態(tài)之下，且異步電動(dòng)機(jī)的種類型號(hào)繁多，再加上由于內(nèi)部電磁關(guān)系復(fù)雜造成各種故 障特征分散、模糊、交叉或重疊，給故障分析和仿真帶來了很大的難度。近些年來， 異步電動(dòng)機(jī)的故障仿真與保護(hù)配置一直是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。這一課題主要 2 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 包括兩個(gè)方面：一方面是力求在保護(hù)理論上取得突破性進(jìn)展，由定性分析向定量分 析發(fā)展，加大對(duì)內(nèi)部故障的分析研究等等；另一方面是保護(hù)裝置的發(fā)展，由電磁型、 電子型向微機(jī)型發(fā)展，由單一功能的保護(hù)向智能型綜合保護(hù)發(fā)展等等。 我國的異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)主要有一下幾種方式： ( 1 ) 傳統(tǒng)的電磁式保護(hù)方式 目前電網(wǎng)中仍有一部分異步電動(dòng)機(jī)采用電磁繼電器構(gòu)成的保護(hù)。電磁式保護(hù)是 以故障前后電流量的變化為判據(jù)的，但是這類保護(hù)往往要通過犧牲靈敏度來保證可 靠性。為了使保護(hù)在異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)可靠不動(dòng)作，保護(hù)的定值都要躲過異步電動(dòng) 機(jī)的啟動(dòng)電流來整定，使得定值比異步電動(dòng)機(jī)的額定電流大許多倍，從而降低了保 護(hù)對(duì)匝間短路、堵轉(zhuǎn)、斷條等故障的靈敏度。 ( 2 ) 熱繼電器為主的組合保護(hù)方式 熱繼電器為主的組合保護(hù)方式由熔斷器、接觸器和熱繼電器組成，一般在中小 型異步電動(dòng)機(jī)中采用【8 1 。它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉。缺點(diǎn)是保護(hù)的靈敏度比 較低，時(shí)滯較長，可能造成異步電動(dòng)機(jī)缺相運(yùn)行擴(kuò)大事故范圍。 ( 3 ) 溫度保護(hù) 溫度保護(hù)是利用安裝在異步電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的溫度傳感器來實(shí)時(shí)測量繞組溫度反映 過負(fù)荷故障的。當(dāng)繞組溫度超過整定溫度時(shí)，繼電器動(dòng)作切斷異步電動(dòng)機(jī)的供電電 路。由于溫度傳感器安裝在異步電動(dòng)機(jī)內(nèi)部，因此維護(hù)和檢修都十分不方便。 ( 4 ) 電子式保護(hù) 電子式保護(hù)經(jīng)歷了由晶體管到集成電路兩個(gè)階段，它的工作原理是通過檢測電 流的大小以及是否缺相來反映各種故障。但是電子式保護(hù)對(duì)于故障初期不出現(xiàn)過流 現(xiàn)象的局部故障缺乏保護(hù)能力，等到故障范圍擴(kuò)大，出現(xiàn)過流現(xiàn)象時(shí)為時(shí)已晚。 ( 5 ) 微機(jī)保護(hù) 由于電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，微機(jī)型繼電保護(hù)新原理、新裝置不斷出現(xiàn)， 把繼電保護(hù)技術(shù)帶到了一個(gè)全新的境界。微機(jī)保護(hù)對(duì)比與其他保護(hù)有著性能優(yōu)良、 可靠性高、靈活性強(qiáng)和易獲得附加保護(hù)功能等優(yōu)點(diǎn)。過去由于成本過高，一般只在 少數(shù)重要異步電動(dòng)機(jī)上配備。近年來隨著單片機(jī)和各種電子元器件的價(jià)格逐漸下 降，微機(jī)保護(hù)正在逐步取代其它保護(hù)裝置，廣泛地應(yīng)用于異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)。微機(jī)保 護(hù)的發(fā)展趨勢將是高速化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、自適應(yīng)以及保護(hù)、測量、控制、數(shù)據(jù) 通信一體化1 w 。 由于海上石油平臺(tái)獨(dú)立電力系統(tǒng)的自動(dòng)化程度越來越高，微機(jī)保護(hù)廣泛的應(yīng)用 于異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)成為必然趨勢?，F(xiàn)代海上石油平臺(tái)獨(dú)立電力系統(tǒng)中異步電動(dòng)機(jī)保 護(hù)主要包括參數(shù)監(jiān)測、邏輯判斷、不正常狀態(tài)的預(yù)警報(bào)警以及緊急保護(hù)的動(dòng)作四部 分。保護(hù)裝置的優(yōu)劣，不能只看硬件性能的高低，更應(yīng)注重保護(hù)整體配置方案的合 理性及其技術(shù)性能。合理的繼電保護(hù)配置方案，可以使異步電動(dòng)機(jī)中各種保護(hù)有機(jī) 3 i | | 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 的結(jié)合在一起，協(xié)調(diào)正確的發(fā)揮作用，從而提高異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的安全性、可靠性， 降低事故損失。因此這一課題的研究對(duì)海上石油平臺(tái)獨(dú)立電力系統(tǒng)中異步電動(dòng)機(jī)的 安全可靠運(yùn)行具有重要意義。 1 4 本文的主要工作 本文通過對(duì)海洋石油平臺(tái)獨(dú)立電力系統(tǒng)中異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀況的研究，建立了 一種同時(shí)考慮鐵損與磁飽和的異步電動(dòng)機(jī)模型，并應(yīng)用m a t l a b 仿真軟件進(jìn)行故 障仿真分析，最后根據(jù)仿真分析的結(jié)果提出了可行的保護(hù)配置方案。其主要章節(jié)內(nèi) 容為： 第一章：綜述了該課題領(lǐng)域內(nèi)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，指出了現(xiàn)狀中的不足之處與 未來的發(fā)展趨勢。明確了研究該課題的理論意義與實(shí)際價(jià)值。 第二章：在現(xiàn)有異步電動(dòng)機(jī)模型的基礎(chǔ)上深入研究，建立了一種同時(shí)考慮鐵損 與磁飽和的異步電動(dòng)機(jī)模型，并在m a t l a b 中做異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程的動(dòng)態(tài)仿真， 驗(yàn)證了模型的正確性。 第三章：基于在第二章中建立的異步電動(dòng)機(jī)模型，搭建起一個(gè)小型獨(dú)立電力系 統(tǒng)的仿真模型，并在m a t l a b 中進(jìn)行異步電動(dòng)機(jī)各種故障的動(dòng)態(tài)仿真，分析仿真 結(jié)果。 第四章：基于對(duì)前面仿真以及目前國內(nèi)異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)配置的研究，提出了海 洋石油平臺(tái)獨(dú)立電力系統(tǒng)中異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)的綜合配置，并詳細(xì)介紹了各種保護(hù)的 具體配置。 第五章：通過對(duì)海洋石油平臺(tái)獨(dú)立電力系統(tǒng)中異步電動(dòng)機(jī)相間短路故障特性的 分析，研究出一種加裝功率方向元件的定時(shí)限過電流保護(hù)，并對(duì)其工作原理以及具 體配置進(jìn)行了詳細(xì)說明。 第六章：總結(jié)全文并對(duì)后續(xù)工作做進(jìn)一步的展望。 4 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的研究 2 1 常用的異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型 建立異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型就是在一定合理必要的假設(shè)基礎(chǔ)上，利用電磁學(xué)和 力學(xué)的基本定律來建立模型外部的輸入、輸出和模型內(nèi)部的電磁、機(jī)電關(guān)系間的數(shù) 學(xué)方程式，也就是電動(dòng)機(jī)的電壓方程和轉(zhuǎn)矩方程，統(tǒng)稱為異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程。 工程中大多用模型來代替實(shí)際電動(dòng)機(jī)進(jìn)行研究和分析，因此建立異步電動(dòng)機(jī)的模型 是一件非常重要的工作。 異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部的各個(gè)物理量( 電壓，電流，定、轉(zhuǎn)子間互感， 電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速等) 是隨時(shí)間變化的，所以異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程是以微分方程的 形式表示的，其中的各物理量都是瞬時(shí)值。異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階 次、非線性和強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，分析起來十分復(fù)雜。在建立異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué) 模型時(shí)為了方便分析，通常假設(shè)異步電動(dòng)機(jī)為“理想電機(jī) 。所謂“理想電機(jī) 就 是對(duì)異步屯動(dòng)機(jī)做以下假設(shè)l l o j ： ( 1 ) 電機(jī)的磁路為線性磁路，鐵芯中的磁滯和渦流損耗忽略不計(jì)。 ( 2 ) 氣隙磁場在空間中正弦分布，磁場中的高次諧波忽略不計(jì)。 ( 3 ) 假設(shè)定、轉(zhuǎn)子表面光滑，用卡氏系數(shù)來表示齒、槽的影響。 ( 4 ) 對(duì)于三相交流異步電動(dòng)機(jī)，假設(shè)定子繞組三相對(duì)稱。 ( 5 ) 直軸氣隙和交軸氣隙可以不相等，但氣隙的比磁導(dǎo)可以用平均比磁導(dǎo)加上 二次諧波比磁導(dǎo)來表示。 在建立異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，由于建模方法、變量選擇、觀察特性的角度 不同，同一異步電動(dòng)機(jī)導(dǎo)出的運(yùn)動(dòng)方程可能具有不同的形式，特別是當(dāng)所選用的參 考坐標(biāo)系不同時(shí)。常用的參考坐標(biāo)系有靜止坐標(biāo)系，與轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系， 以及空間以任意轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的通用坐標(biāo)系三種。以下分別對(duì)在這三種參考坐標(biāo)系下異 步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究。 2 1 1 靜止坐標(biāo)系下異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 靜止坐標(biāo)系實(shí)際上是指定、轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系分別固定于定、轉(zhuǎn)子自身上的坐標(biāo)系。 其中最典型是a b c 坐標(biāo)系，它是建立三相繞組磁鏈方程和電壓方程的三相自然坐 標(biāo)系。此外還有a l l 0 坐標(biāo)系，1 2 0 。坐標(biāo)系和空間向量坐標(biāo)系。前兩者是實(shí)數(shù)坐標(biāo) 系，后兩者是復(fù)數(shù)坐標(biāo)系。 5 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 c 圖2 - 1 理想三相異步電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子示意圖 圖2 - 1 為理想三相異步電動(dòng)機(jī)的定、轉(zhuǎn)子示意圖，其中a ，b ，c 表示定子繞組， a ，b ，c 表示轉(zhuǎn)子繞組，定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組之間的夾角為電角0 ，轉(zhuǎn)子繞組以機(jī)械 角速度q 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。由圖可推出靜止坐標(biāo)系下異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。 電壓方程： 瞄】4 【孑】臣】+ 尸瞄餾z 盯】臣】 c 2 一1 ) 式中：u 。，u 。一定、轉(zhuǎn)子繞組端電壓列矩陣3 ： r 。，r ，一定、轉(zhuǎn)子繞組電阻矩陣，且只有對(duì)角線上元素非0 ； i ；，i ，一定、轉(zhuǎn)子電流列矩陣； 卜時(shí)間的微分算子，p = d d t ； k ，k 一定、轉(zhuǎn)子繞組的自感矩陣；當(dāng)無零序電流時(shí)二者均為對(duì)角線矩陣； m ”，m ，廠定、轉(zhuǎn)子繞組的互感矩陣。 電磁轉(zhuǎn)矩方程： 乙_ 坼毒等 ( 2 _ 2 ) 式中：t c 一電磁轉(zhuǎn)矩； n p 一極對(duì)數(shù)； w m 轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度： 卜電角度。 轉(zhuǎn)矩方程： t 一瓦一壽等+ 魯w ， 3 ) 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 式中：t l _ 負(fù)載轉(zhuǎn)矩； 卜一機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； w 廣轉(zhuǎn)子的電氣角速度； r o 一機(jī)組的阻尼系數(shù)。 式( 2 - 1 ) 至( 2 3 ) 就構(gòu)成了靜止參考系下異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。由公式可 見，由于靜止參考系下異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型是完全按照異步電動(dòng)機(jī)的物理模型建 立的，因此公式中的變量與物理模型中的變量一一對(duì)應(yīng)，使得該數(shù)學(xué)模型通俗易懂。 但是同時(shí)造成了模型的復(fù)雜程度較高，互感是時(shí)變的，求解起來困難等缺點(diǎn)。 2 1 2d 、q 坐標(biāo)系下異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 在靜止坐標(biāo)系下，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，定、轉(zhuǎn)子繞組間的互感是時(shí)變的，所以定、 轉(zhuǎn)子的電壓方程就成為含有時(shí)變系數(shù)的微分方程。為了消除磁鏈和電壓方程中的時(shí) 變系數(shù)，最常采用的方案就是通過d 、q 變換把轉(zhuǎn)子量變換到定子坐標(biāo)系上，d 、q 變換就是在靜止坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)子的各個(gè)變量都乘以一個(gè)變換矩陣。 d ：。q 變換的變換矩陣：一c 血o s ；：1 。 電壓方程： h 正 “跑 “耐 u r q r s + p l s 0 p m m 0 0 r s + p l s 0 p m m p m mm m p or ，+ p l ，l r p o mm p o p m m- l r p or r + p l r t s d l 耐 l r q ( 2 - 4 ) 式中：u s d ，u 明，n r d ，u r q - 一定、轉(zhuǎn)子繞組的d ，q 軸電壓； i s d ，i 5 q ，婦，i r 定、轉(zhuǎn)子繞組的d ，q 軸電流； m ，定、轉(zhuǎn)子繞組間的互感矩陣，為常數(shù)陣。 如果考慮定、轉(zhuǎn)子的零序分量，則可以加上一下獨(dú)立的零序電壓方程： 針r r 二s o 5 ， 電磁轉(zhuǎn)矩方程： 疋。；3n p m 臃( 魍f 耐一f 硪f 川) ( 2 6 ) 轉(zhuǎn)矩方程同式c 2 - ：3 ) 。 經(jīng)過d 、q 變換得到的異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型中，定子和轉(zhuǎn)子的自感矩陣保持原來 蘭j ! 皇壟奎蘭堡圭堂垡笙塞 ： 的常數(shù)陣不變，而互感矩陣由原來的時(shí)變矩陣變?yōu)榱顺?shù)陣，從而大大降低了方程 的復(fù)雜程度。當(dāng)設(shè)轉(zhuǎn)子角速度0 為常數(shù)且不計(jì)磁飽和時(shí)，電壓方程成為線性常系數(shù) 微分方程，可用拉氏變換求解。 2 1 3 任意轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的通用坐標(biāo)系下異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 首先建立起一個(gè)以任意轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的通用坐標(biāo)系。設(shè)定子坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸為；量、 s b ；轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系的軸線為r i 、f b ；r i 軸與靜止的s 。軸成o 角；通用坐標(biāo)系有兩根相互 垂直的軸線x 和y ；x 軸與靜止的s i 軸成電角度o k ；坐標(biāo)軸的空間旋轉(zhuǎn)角速度為 w k = d o k d t ，如圖2 - 2 所示： r a s i 圖2 - 2 角速度為肌的通用坐標(biāo)系 由圖2 - 2 我們可以推導(dǎo)出在任意轉(zhuǎn)速的通用坐標(biāo)系中，用空間向量表示的異步 電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程。 電壓方程： 弘業(yè)。足k + 9 + 帆婦睹一r k + 0 + 肌k + 如) “歧= r r i r k + 瞄+ j 仉一渺政= r r i r # + 瞄+ j ( 一坼肌脅l s k + k ) ( 2 7 ) 式中：u s k ，u f i 【一定、轉(zhuǎn)子的空間電壓向量。 i , k ，i f k _ 一定、轉(zhuǎn)子的空間電流向量； v s k ，、i ，i 。_ 定、轉(zhuǎn)子的空間磁鏈向量。 電磁轉(zhuǎn)矩方程： 乙一吾p 億s k + m m i r 量) k a 2 n p m 肌k k ( 2 8 ) 轉(zhuǎn)矩方程同式( 2 - 3 ) 。 選用任意轉(zhuǎn)速的通用坐標(biāo)系下用空間向量表示異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型在某些情 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 況下具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，例如應(yīng)用在研究電機(jī)的矢量控制上。另外，采用任意轉(zhuǎn)速的 通用坐標(biāo)系省去了矩陣變換和運(yùn)算的麻煩，令w k 等于o 或w ，就可以分別得到靜止 坐標(biāo)系下和轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下的電壓、磁鏈方程，轉(zhuǎn)化起來十分方便。 2 2 同時(shí)考慮鐵損與磁飽和的異步電動(dòng)機(jī)模型 2 2 1 數(shù)學(xué)模型的建立 異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)高階次、非線性和強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)，分析 起來十分復(fù)雜【1 1 l 。前面介紹的異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型都是在忽略鐵損以及主磁路飽和 等條件下建立起來的簡化的線性模型。但是鐵損，磁飽和，集膚效應(yīng)等非線性因素 在異步電動(dòng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行中是確實(shí)存在的，它們使得一些參數(shù)不斷變化，造成線性 模型的準(zhǔn)確度降低。鐵損對(duì)異步電動(dòng)機(jī)效率以及異步電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)等方面的研究 產(chǎn)生很大影響，磁飽和現(xiàn)象對(duì)異步電動(dòng)機(jī)暫態(tài)過程的研究產(chǎn)生很大影響。因此，忽 略它們將會(huì)使仿真結(jié)果與真實(shí)情況產(chǎn)生很大誤差。 鐵損與異步電動(dòng)機(jī)的鐵心結(jié)構(gòu)，電壓頻率，磁通密度等諸多因素有關(guān)，很難精 確計(jì)算。若要在異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)模型中考慮鐵損，可以按照異步電動(dòng)機(jī)物理模型的 思想，根據(jù)鐵損產(chǎn)生的機(jī)理，把異步電動(dòng)機(jī)的鐵損用一個(gè)等效的純電阻繞組的損耗 來表示1 1 2 1 3 l 。如圖2 3 所示。 圖2 _ 3 三相交流異步電動(dòng)機(jī)物理模型 由圖2 3 可見，由于鐵損主要產(chǎn)生于定子繞組的鐵心中，因此這里在定子側(cè)用 一個(gè)等效的純電阻繞組r ，。來表示鐵損，且當(dāng)選擇在d q o 坐標(biāo)系下建立異步電動(dòng)機(jī)的 數(shù)學(xué)模型時(shí)只需要相應(yīng)的增加d 、q 軸各一個(gè)等效鐵損繞組的電壓方程，推導(dǎo)出的 電壓和磁鏈方程如下。 電壓方程： 9 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 磁鏈方程： u 噍s i r 毒缸+ p 叩t j i u 譬，ir 童i 筘+ p 妒驢 u 曲| r j 靜七p 叩1 l r + w r l ，毒秘一w ，l r i 礦 u 粵r 譬b 0 + p 妒曩r w r l 肼屯一嵋工，i 打( 2 - 9 ) 0 一r 托i 覷p 矽加一w ，刪 0 一心k + p 妒明+ w l 妒函，l 妒凼譬玩缸+ 妒西，l 曩玩如+ 厶仫+ 訪+ 訊) 妒筘= l i s i 筘+ 妒胛墨匕i 筘+ 厶o 儼+ i 黿r + 屯& ) 妒辦葛三跏玨+ 妒西，l - - l t r i d r + m q 凼+ f 辦+ f d f e )( 2 1 0 ) 妒礦警厶0 + 妒弘- l l r i q r + 厶k + 0 + 鐮) 式中：u d i ，u q 5 ，u d 。，u q 廣定、轉(zhuǎn)子d 、q 軸電壓； r 1 ，r 2 ，驢定、轉(zhuǎn)子繞組以及等效鐵損繞組的電阻； i d s ，j q s ，i d r ，i q 廣定、轉(zhuǎn)子d 、q 軸電流； i d f e ，i q f c 一等效鐵損繞組d 、q 軸電流； i rd s ，v q 。，vd r ，v q 廣定、轉(zhuǎn)子d 、q 軸磁鏈； 1 l r d m ，1 i ，q 礦- d 、q 軸主磁鏈； w 。一轉(zhuǎn)子的電氣角速度： w l 一電機(jī)同步角速度： 卜定、轉(zhuǎn)子繞組間的互感：。 k ，k 一定、轉(zhuǎn)子繞組自感； l i 。，l t 廣定、轉(zhuǎn)子繞組漏感。 相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩方程和電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方程為： = 虬爭陟辦l i 穢+ o ) 一妒q ，心+ ) 】 h 一壽警+ q 1 。 在異步電動(dòng)機(jī)的線性數(shù)學(xué)模型中，通常不考慮主磁路飽和現(xiàn)象，即認(rèn)為l m 是固 定不變的，e m 與l m 成線性關(guān)系?？紤]三相交流異步電動(dòng)機(jī)主磁路飽和的數(shù)學(xué)模型 稱為瞬態(tài)飽和模型，它與線性模型、準(zhǔn)飽和模型的不同在于對(duì)勵(lì)磁電感l(wèi) m 的計(jì)算 方式不一樣。如圖2 4 所示。 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 v o ) ( 瞬態(tài)飽和) i oi m 圖2 - 4 電機(jī)磁化曲線 圖2 4 就是電機(jī)的磁化曲線；由圖我們可以分別推出線性模型、準(zhǔn)飽和模型和 瞬態(tài)飽和模型中求取l m 的方法。線性模型中l(wèi) m 為恒定不變的常數(shù)。準(zhǔn)飽和模型也 僅僅是將工作點(diǎn)的勵(lì)磁電感穩(wěn)態(tài)飽和值代入線性化模型中并保持不變，l m = t g a o 。瞬 態(tài)飽和模型中則用一組變斜率的切線來代替l m ，即l m = t g a t ，因此l m 是一個(gè)時(shí)變系 數(shù)。顯然瞬態(tài)飽和模型中l(wèi) m 的計(jì)算方法與磁化曲線最貼合，瞬態(tài)飽和模型也更接 近異步電動(dòng)機(jī)的真實(shí)物理模型【1 舢1 引。 在搭建仿真模型，進(jìn)行仿真計(jì)算以前，首先對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的磁化曲線進(jìn)行多項(xiàng) 式擬合的處理，使其近似為一條平滑的曲線，以便進(jìn)行仿真計(jì)算時(shí)實(shí)時(shí)的求取勵(lì)磁 電感k 。采用下面的多項(xiàng)式擬合磁化曲線并計(jì)算各個(gè)電感參數(shù)。需要說明的是：多 項(xiàng)式擬合得到的磁化曲線方程的階數(shù)越高就越精確，在實(shí)際中一般擬合到5 階方程。 互l - - ma 5 磊+ 口4 i 暖+ 口3 最+ 口2 最+ 口m + 口o k 。卑 ， ( 2 砌) 厶= k + k = b + k 式中：e m 一勵(lì)磁電勢： i m 一勵(lì)磁電流； w 一異步電動(dòng)機(jī)角頻率。 多項(xiàng)式擬合在m a t l a b 中采用p o l y f i t 函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，具體命令如下： e m = 【，】； i m = 【，】；輸入磁化曲線中的數(shù)據(jù) p = p o l y f i t ( i m ，e m ，5 ) ；調(diào)用p o l y f i t 函數(shù) 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 a 5 = ，a 4 = ，1 1 3 = ，1 1 2 - ，a l - ，a o = 輸出結(jié)果 這里選取一組真實(shí)異步電動(dòng)機(jī)的磁化曲線數(shù)據(jù)來說明對(duì)磁化曲線進(jìn)行多項(xiàng)式 擬合的必要性，磁化曲線數(shù)據(jù)如表2 - 1 所示。 表2 - 1 異步電動(dòng)機(jī)磁化曲線數(shù)據(jù)表 e 1 i me li me li me li m 0 oo 01 2 41 1 l2 1 12 5 02 6 15 8 3 2 4 3 0 2 31 3 4 1 2 4 2 ，紀(jì)2 8 92 7 06 8 7 4 1 4o 3 91 4 51 3 32 3 13 3 02 7 98 2 1 6 1 80 5 4 1 6 01 5 12 3 63 5 92 8 28 9 0 8 1 60 6 81 7 31 6 62 4 44 2 32 8 69 7 4 9 9 60 鵑1 9 32 0 12 5 04 6 72 9 31 1 5 1 1 61 0 42 0 12 1 62 5 65 3 13 2 42 0 0 在m a t i _ 舳中進(jìn)行多項(xiàng)式擬合得到5 階的磁化曲線方程為：e m = 0 0 5 2 i 5 - 0 2 5 3 2 i 4 + 4 5 4 5 3 i 3 3 8 1 4 2 i 2 + 1 5 8 2 0 5 2 i 9 0 2 9 6 。進(jìn)而在m a t l a b 中生成的多項(xiàng)式擬合前、 后的磁化曲線如圖2 5 所示。 1 圖2 - 5 多項(xiàng)式擬合前、后磁化曲線對(duì)比圖 由圖2 5 可見，多項(xiàng)式擬合前的磁化曲線是由各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)連成的線段組成的不 光滑曲線，如果應(yīng)用到仿真計(jì)算中肯定會(huì)造成很大的誤差。經(jīng)過多項(xiàng)式擬合后的磁 化曲線成為了一條光滑的曲線，它比擬合前的磁化曲線更接近真實(shí)的趨勢，應(yīng)用到 仿真計(jì)算中可以大大提高仿真的精確度，因此進(jìn)行多項(xiàng)式擬合是十分必要的。式 ( 2 9 ) 至( 2 1 2 ) 就構(gòu)成了同時(shí)考慮鐵損與主磁路飽和的三相交流異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng) 態(tài)數(shù)學(xué)模型。根據(jù)該模型就可以搭建其仿真模型并進(jìn)行仿真研究。 1 2 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2 2 仿真實(shí)驗(yàn) 這里我們采用m a t l a b 仿真軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，m a t l a b 語言是目前國際上流行 的一種仿真工具語言，它具有強(qiáng)大的矩陣分析和運(yùn)算功能。建模仿真可視化功能 s i m u l i n k 是m a t l a b 五大通用功能之一，它是基于m a t l a b 語言環(huán)境下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài) 系統(tǒng)建模、仿真的一個(gè)集成環(huán)境，具有模塊化、可重載、圖形化編程、可視化及可 封裝等特點(diǎn)，可大大提高系統(tǒng)仿真的效率和可靠性。s i m u l i n k 提供了豐富的模型庫 供系統(tǒng)仿真使用，另外用戶也可根據(jù)自己的需要開發(fā)所需的模型，并通過封裝擴(kuò)充 現(xiàn)有的模型庫【1 9 l 。本文采用m a t l a b 7 0 s i m u l i n k 中提供的功能模塊建立仿真模型。 該方法的優(yōu)點(diǎn)是仿真模型中的子模塊與數(shù)學(xué)模型中的方程式相對(duì)應(yīng)，使仿真模型直 觀易懂，且易于修改參數(shù)。易于實(shí)現(xiàn)添加干擾項(xiàng)的仿真，如電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子回路串 阻抗分級(jí)起動(dòng)和調(diào)速、電機(jī)的電氣制動(dòng)以及電機(jī)在運(yùn)行過程中定、轉(zhuǎn)子電路發(fā)生故 障等。缺點(diǎn)是模型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜且不可避免的出現(xiàn)代數(shù)環(huán)，使仿真速度略微變慢。 整個(gè)仿真模型由定子繞組d 、q 軸電流模塊、轉(zhuǎn)子繞組d 、q 軸電流模塊、鐵損 等效繞組d 、q 軸電流模塊、勵(lì)磁電感l(wèi) m 模塊、電磁轉(zhuǎn)矩t c 與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速w ，模塊這 8 個(gè)模塊組成。其中鐵損等效繞組d 、q 軸電流模塊與勵(lì)磁電感l(wèi) m 模塊是線性仿真 模型中沒有的。將該模型做進(jìn)一步的封裝處理，并實(shí)現(xiàn)信息量與電量之間的轉(zhuǎn)換， 配合派克變換模塊以及p o w e r s y s t e m 模塊中的電氣元件搭建完整的仿真模型，來進(jìn) 行三相交流異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)啟動(dòng)過程的仿真研究，從而證明該模型的正確性。 試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置：三相四極交流異步電動(dòng)機(jī)，2 2 k w ，3 8 0 v ，2 0 a ，1 4 3 0 r r a i n ， r 。= 3 3 5 q ，r r = 2 2 7 q ，r f e = 1 0 2 0 q ，l 。= 0 0 1 1 9 7 h ，l 。= o 0 1 5 2 h ，j = 0 0 2 0 6 4 k g m 2 ， r n = 0 0 4 4 3 6 n m s r a d ，t l = 0 0 8 6 1 7 w n m ，磁化曲線數(shù)據(jù)如表2 1 。仿真得到的參數(shù)曲 線如下圖所示： t i m e ( s ) 圖2 - 6 定子a 相電流特性曲線 1 3 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 t i m e ( s ) 圖2 - 7 電磁轉(zhuǎn)矩特性曲線 之o o o 。6 o 4a ：6 o j 1 t i m e ( s ) 圖2 - 8 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速特性曲線 由圖2 6 至2 8 的仿真結(jié)果可以看出，所得到的各個(gè)參數(shù)曲線與異步電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài) 啟動(dòng)的各個(gè)參數(shù)趨勢一致，特別是當(dāng)0 6 s 時(shí)給異步電動(dòng)機(jī)突加負(fù)載轉(zhuǎn)矩后仿真實(shí)驗(yàn) 的結(jié)果也與預(yù)期的結(jié)果吻和，這些都證明了該模型的正確性。另外該模型與傳統(tǒng)的 線性模型相比有很大改進(jìn)。首先，該模型考慮了鐵損對(duì)異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行的影響， 因?yàn)殍F損是實(shí)際存在的，特別是在中小型異步電動(dòng)機(jī)中鐵損對(duì)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行的影 響非常明顯，而線性模型中完全忽略鐵損顯然是不精確的。其次，該模型通過對(duì)具 體電動(dòng)機(jī)磁化曲線進(jìn)行擬合得到隨電壓變化的定、轉(zhuǎn)子間互感代入到方程之中，這 樣就比線性模型中用固定不變的定、轉(zhuǎn)子互感進(jìn)行計(jì)算精確許多。綜合以上兩點(diǎn)， 我們可以認(rèn)定該非線性數(shù)學(xué)模型比傳統(tǒng)線性數(shù)學(xué)模型更加精確，更加接近實(shí)際情 況，更能正確的描述異步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行、故障等等各種不同狀態(tài)的參數(shù)變化。 1 4 咖 枷 獅 咖 咖 姍 枷 薹言 o 1 1 一cejl 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 3 本章小結(jié) 本章首先研究總結(jié)了在靜止坐標(biāo)系、與轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系以及空 間以任意轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的通用坐標(biāo)系三種坐標(biāo)系下異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并闡述了它 們各自的優(yōu)缺點(diǎn)。進(jìn)而推導(dǎo)出一種基于與轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下同時(shí)考慮鐵 損與主磁路飽和的三相交流異步電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。最后在m a t l a b s i m u l i n k 中搭建了對(duì)應(yīng)的仿真模型，結(jié)合坐標(biāo)變換及電氣元件模塊進(jìn)行了實(shí)例的仿真實(shí)驗(yàn)， 驗(yàn)證了該模型的正確性。同時(shí)由于該模型考慮了鐵損與主磁路飽和兩個(gè)非線性因 素，使模型與實(shí)際情況更加接近，且模型易于添加時(shí)變干擾項(xiàng)，使得模型更具有實(shí) 用性。本章通過對(duì)異步電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型的深入研究，建立起了實(shí)用的仿真模型，為 后面章節(jié)中進(jìn)行異步電動(dòng)機(jī)故障仿真及保護(hù)配置方案的研究打下了基礎(chǔ)。 1 5 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 第三章獨(dú)立電力系統(tǒng)中異步電動(dòng)機(jī)故障仿真研究 3 1 異步電動(dòng)機(jī)常見故障類型的劃分 異步電動(dòng)機(jī)的常見故障主要分為對(duì)稱故障與不對(duì)稱故障兩大類。 對(duì)稱故障主要包括：三相短路、堵轉(zhuǎn)、過載、啟動(dòng)時(shí)間過長等。這類故障主要 表現(xiàn)為流過電動(dòng)機(jī)的電流幅值的顯著變化，一般不會(huì)出現(xiàn)負(fù)序和零序分量。這類故 障會(huì)給電動(dòng)機(jī)帶來很大損傷，甚至燒毀電動(dòng)機(jī)。這是由流過電動(dòng)機(jī)的電流激增所引 起的熱效應(yīng)和產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力所造成的。對(duì)于這類故障一般通過檢測電流的大小并 取一定的延時(shí)來判斷是否發(fā)生故障。當(dāng)發(fā)生對(duì)稱故障時(shí)流過電動(dòng)機(jī)的三相電流仍然 是對(duì)稱的，并且同時(shí)出現(xiàn)過電流，過電流的大小由故障的位置與程度決定。 不對(duì)稱故障又可分為接地故障與非接地故障。接地故障包括單相接地故障與兩 相接地故障。在我國，異步電動(dòng)機(jī)一般采用中性點(diǎn)不接地的運(yùn)行方式，當(dāng)異步電動(dòng) 機(jī)正常運(yùn)行或者發(fā)生非接地故障時(shí)，流過電動(dòng)機(jī)的電流是沒有零序分量的。因此出 現(xiàn)零序分量是接地故障的主要故障特征和診斷依據(jù)。非接地故障包括斷相、相間短 路、不平衡運(yùn)行等。這類故障一般不會(huì)出現(xiàn)零序電流，但會(huì)出現(xiàn)負(fù)序電流。因此出 現(xiàn)負(fù)序分量是非接地故障的主要故障特征和診斷依據(jù)。由于不對(duì)稱故障一般不會(huì)產(chǎn) 生電流幅值的激增，因此它給電動(dòng)機(jī)帶來的危害不是使電動(dòng)機(jī)過熱，而是由于負(fù)序、 零序電流的存在給電動(dòng)機(jī)運(yùn)行造成的隱患。這就要求我們在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)檢測方 面做更大的努力 2 0 - 2 4 l 。， 表3 1 【2 5 j 列出了異步電動(dòng)機(jī)的常見故障及其特征。其中單相故障設(shè)a 相為故障 相，兩相故障設(shè)b 、c 相為故障相。i n 為異步電動(dòng)機(jī)的額定電流，i o 為故障發(fā)生前的 電流幅值，ei = i 。+ i b + i c 。 表3 - 1 異步電動(dòng)機(jī)故障及其特征統(tǒng)計(jì)表 故障類型過電流負(fù)序電流零序電流 三相短路 ( 8 - - - , 1 0 ) i n無無 對(duì)稱故 堵轉(zhuǎn)( 5 8 ) i n無無 障 過載 ( 1 , - - , 5 ) i n無無 單相接地取決于故障位置有i 3 兩相接地取決于故障位置 有i 3 不對(duì)稱 相間短路取決于故障位置取決于故障位置無 故障 斷相石1 0 i n 以 無 逆相無1 0無 不平衡無有無 1 6 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 2 獨(dú)立電力系統(tǒng)中異步電動(dòng)機(jī)的故障仿真 這里我們采用m t a l a b 7 o s i m u l i n k s i m p o w e r 來搭建獨(dú)立電力系統(tǒng)中異步電動(dòng) 機(jī)的故障仿真模型。其中異步電動(dòng)機(jī)模塊采用上一章中自主搭建的模塊，其他模塊 采用s i m p o w e r 中自帶的模塊。仿真系統(tǒng)示意圖如圖3 - 1 所示，仿真系統(tǒng)由并聯(lián)運(yùn)行 的2 臺(tái)同步發(fā)電機(jī)以及3 臺(tái)異步電動(dòng)機(jī)組成。假設(shè)m 2 為故障電