异步电动机采用电容起动可在不降低起动转矩的同时有效降低起动电流对电网的冲击,但起动电容量的选择是关键。容量不足,则起动电流降低不明显;容量选择过大则不仅增加投入,而且可能在起动末期使电机端部电压异常升高,造成诸多不良影响。本文在分析目前选择方法的不足后,提出两种新的选择方法,并通过MATLAB软件对多台样机进行计算,验证两种选择方法的可行性和效用。<br/>Asynchronous motor’s capacitor starting can effectively reduce the starting current impact on the power network without reduced starting torque, but the selection of starting capacity is the key. If capacitor capacity is short, the starting current reduction is not obvious. If it is too large, it not only increases the investment, but leads to abnormally high voltage at the motor side and causes a lot of adverse effects. After analyzing the shortcomings of current selection methods, this paper presented two new selection methods, and calculated some sample motors with the MATLAB software to prove the feasibility and usefulness of these methods.
许顺隆1,2,林洪贵1,2
1集美大学轮机工程学院,福建 厦门
2福建省船舶与海洋工程重点实验室,福建 厦门
Email: xu_shunlong@sina.com
收稿日期:2015年3月3日;录用日期:2015年3月20日;发布日期:2015年3月26日
异步电动机采用电容起动可在不降低起动转矩的同时有效降低起动电流对电网的冲击,但起动电容量的选择是关键。容量不足,则起动电流降低不明显;容量选择过大则不仅增加投入,而且可能在起动末期使电机端部电压异常升高,造成诸多不良影响。本文在分析目前选择方法的不足后,提出两种新的选择方法,并通过MATLAB软件对多台样机进行计算,验证两种选择方法的可行性和效用。
关键词 :异步电动机,电容起动,电容量选择方法
鼠笼式异步电动机起动时在其端部并联三相补偿电容,起动结束后将起动电容切除的方法称为电容起动。异步电动机采用电容起动可以在起动转矩不减小的情况下有效地降低电网提供的起动电流,不仅可减小起动时对电网的冲击,提高功率因数,减小能量损耗。而且对类似船舶电网的有限容量电网,还可减小发电机励磁调节的负担,提高电网的供电质量和运行的可靠性。
早在上世纪70年代,美国就采用电容起动方式起动大容量异步电动机获得成功[
虽然国内也有人对电容起动方式进行许多有益的尝试[
本文以异步电动机的电路参数及“T形等效电路”为依据,利用MATLAB软件对异步电动机的起动电流进行计算和分析,提出准确选择起动电容的两种新方法,并通过具体电机的参数,对这些方法进行较详细的分析。
按起动补偿率确定起动电容就是按异步电动机的起动容量确定补偿电容器的容量,比较流行的做法是按起动容量的50%和100%补偿。
虽然每台电动机的标称容量已知,但由于制造等方面的影响,具体电动机的参数存在差异,容量相同的电机其电路参数实际并不一样,因此起动性能也各不相同。对于不同系列或不同型号的电动机,即使按相同补偿率选择起动电容,在起动过程中它们的无功变化也将有很大的区别,对电网的影响也是不同的。因此按起动容量确定补偿电容器容量是不科学的,也是不准确的。
根据电机学的知识,异步电动机的起动性能可通过其电路参数反映出来[
式(1)中,
图1. 异步电动机“T形”等效电路
为了便于分析,利用阻抗与导纳的变换公式[
式(2)中
变换为导纳表示的等效电路后,异步电动机的起动电流可用有功分量
如果在异步电动机端部并联补偿电容,由于电容的容纳符号正好与感纳符号相反,总电纳数值将减小,起动电流的无功分量
问题是式(2)中,
某鼠笼式异步电动机的电路参数为:
所示的有功电流最大值处,起动电流将大于等于有功电流最大值。
因此,选择电容容量时可把着眼点放在这个最大值上。第一个方法是:以电导最大值(即有功电流最大值)时的转差率
第二个方法是:既然起动过程中,起动电流将大于等于有功电流最大值。而从图2所示的曲线看,起动瞬间起动电流最大,因此可考虑将起动瞬间的总起动电流控制在有功电流的最大值上。即,起动瞬间补偿电容和异步电动机的等效导纳并联后的总导纳,等于电动机电导最大值。
第二种方法实际计算计算比较复杂,首先要计算电导最大值
综上所述,本文提出的选择补偿电容容量的新方法有两个:1) 补偿电容容纳等于补偿前有功电流最大值时对应的感纳。2) 补偿后起动瞬间总相电流的有效值等于补偿前最大有功相电流值。下面分别利用MATLAB软件分析两种方法的起动电流。
第一种方法就是以电动机每相绕组的临界感纳值
根据前面介绍的方法,需要对每相绕组的电导求最大值。将电动机的电导对转差率s求导,并令所得导数为0,从而得到最大值时的转差率
但是异步电动机的等效电导的表达式比较复杂,在不借助于计算软件而靠人工直接对其求导并求对应的转差率
式(3)为简化计算公式,式(4)为近似计算公式。当然,利用简化或近似计算公式求得的
仍然以前面10 kW鼠笼式异步电动机为例,代入具体参数后通过MATLAB软件可求得
由计算结果和图2所示曲线可知:
1) 如果能够精确计算出临界转差率
2) 采用简化或近似计算公式求得的临界转差率
3) 采用简化或近似计算的电容,尤其是采用近似计算的电容,其补偿效果较差,因此需要进行修正。本例简化计算电容量的修正系数约为1.23,近似计算电容量的修正系数约为1.53。
第二种方法是使起动电流值等于有功电流的最大值。同样将电机的参数代入,在求得临界转差率
利用简化或近似临界转差率计算的每相补偿电容量分别为:260.5695 (pf)和279.3817 (pf)。利用MATLAB软件绘制的以方法2补偿后总起动电流变化曲线如图4所示。
由计算结果和图4所示曲线可知:
图3. 方法1补偿后的起动电流曲线
1) 采用精确计算的临界转差率,总起动电流将在44.7814~47.9953 (A)之间变化,起动瞬间,电源提供的总起动电流
2) 由于采用简化或近似计算公式求得的临界转差率
为了验证上述介绍的选择电容容量的两种新方法,另选择三台容量和频率都不同的鼠笼式异步电动机作为样机,电机主要参数如表1所示,采用方法1和方法2的计算结果如表2所示。
由表2计算结果可以得到如下的结论:
图4. 方法2补偿后的起动电流曲线
参数 | 样机1 | 样机2 | 样机3 | 样机4 |
---|---|---|---|---|
PN (kW) | 10 | 11 | 17 | 75 |
fN (Hz) | 50 | 100 | 50 | 50 |
UN (V) | 380 | 380 | 380 | 380 |
nN (rpm) | 1456 | 2940 | 1458 | 1480 |
cosφN | 0.86 | 0.87 | 0.83 | 0.86 |
r1 (Ω) | 1.375 | 0.985 | 0.54 | 0.088 |
x1 (Ω) | 2.43 | 2.991 | 2.7 | 0.404 |
rm (Ω) | 8.34 | 0 (忽略) | 8.7 | 2.75 |
xm (Ω) | 82.6 | 75.6 | 81 | 26 |
1.047 | 0.662 | 0.41 | 0.073 | |
4.4 | 2.168 | 2.3 | 0.77 |
表1. 鼠笼式异步电动机主要参数
项目 | 样机1 | 样机2 | 样机3 | 样机4 | ||
---|---|---|---|---|---|---|
补偿前 | 起动电流(A) | 93.85 | 122.98 | 181.36 | 566.03 | |
起动电流倍数 | 4.7072 | 5.9746 | 4.1080 | 3.0735 | ||
起动功率因数 | 0.3336 | 0.3009 | 0.2574 | 0.1369 | ||
方法1 | 起动电流(A) | s = 1时 | 47.111 | 61.177 | 90.442 | 273.11 |
最大值 | 47.785 | 61.827 | 91.475 | 276.85 | ||
最小值 | 45.677 | 60.208 | 89.934 | 273.11 | ||
差值 | 2.1083 | 1.6182 | 1.5407 | 3.7384 | ||
起动电流倍数 | 2.3628 | 2.9721 | 2.0486 | 1.4830 | ||
起动功率因数 | 0.6645 | 0.6049 | 0.5162 | 0.2836 | ||
补偿电容(pf) | 257.64 | 165.80 | 472.93 | 1445.1 | ||
简化补偿(pf) | 209.23 | 133.74 | 401.67 | 1345.1 | ||
简化修正系数 | 1.2314 | 1.2397 | 1.1774 | 1.0744 | ||
近似补偿(pf) | 168.26 | 156.76 | 316.59 | 1028.1 | ||
近似修正系数 | 1.5312 | 1.0576 | 1.4938 | 1.4056 | ||
方法2 | 起动电流(A) | s = 1时 | 47.784 | 61.827 | 91.465 | 276.70 |
最大值 | 47.995 | 62.021 | 91.733 | 277.60 | ||
最小值 | 44.781 | 59.395 | 88.743 | 270.60 | ||
差值 | 3.2139 | 1.6182 | 1.5407 | 7.0009 | ||
起动电流倍数 | 2.3966 | 3.0037 | 2.0718 | 1.5024 | ||
起动功率因数 | 0.6552 | 0.5986 | 0.5105 | 0.2800 | ||
补偿电容(pf) | 253.31 | 163.83 | 467.17 | 1427.0 | ||
简化补偿(pf) | 260.57 | 168.32 | 473.86 | 1430.6 | ||
简化修正系数 | 0.9721 | 0.9733 | 0.9859 | 0.9975 | ||
近似补偿(pf) | 279.38 | 164.18 | 501.08 | 1495.8 | ||
近似修正系数 | 0.9067 | 0.9979 | 0.9323 | 0.9540 |
表2. 采用方法1和方法2的计算结果
1) 采用本文提出的两种计算方法,都能够比较准确地计算出合适的补偿电容,使起动电流倍数下降到1.5~3.0之间,并使起动瞬间的功率因数提高1倍左右。
2) 不论采用方法1还是采用方法2计算的补偿电容,都能使异步电动机在整个起动过程中得到接近“恒容量负载”的状态。也就是说,整个起动过程中,起动电流基本不变。
3) 两种方法计算的补偿电容不会出现明显的欠补偿和过补偿。也就是说,在减小电机起动电流对电网冲击的同时,不会在起动结束后由于某种原因不能及时切除起动电容而引起电动机端部电压异常升高。
4) 两种计算方法都要求电机的等效电路参数尽量准确,尤其要求对临界转差率的计算准确。采用简化或近似方法计算的临界转差率,计算得到的补偿电容值与合适值之间存在误差,尤其是采用近似公式计算的临界转差率,误差比较大,需要乘以一个修正系数才能满足要求。因此,应用本文所提出的方法计算补偿电容值时,最好能够根据电动机等效导纳的表达式,求出最大导纳对应的转差率后再计算补偿电容值。
许顺隆,林洪贵, (2015) 异步电动机起动电容容量的选择 New Methods of Selecting Capacitor Capacity for Capacitor Starting of Asynchronous Motor. 电气工程,01,24-31. doi: 10.12677/JEE.2015.31004