高压大功率电动机自耦磁控软起动方法及其关键技术研究

摘要

高压大功率电动机广泛应用于交通、港口、码头、钢铁、建材、石油、化工、冶金、煤矿等行业，是这些行业内风机、水泵、提升机、皮带运输机、起重机、窑磨等大型设备拖动的原动机。随着国民经济的发展，各行业领域使用的高压电动机容量越来越大，从几百千瓦到几万千瓦。目前，高压大功率电动机的数量在几千万台以上，并且逐年递增。
　　 高压大功率电动机直接起动时产生的大电流对电网、电动机及拖动设备危害极大，易导致继电保护误动作、自动控制失灵等故障。使用软起动装置，可以避免电动机直接起动所造成的危害及影响。因此，电动机软起动装置工作时间虽短，但作用非常重要、不可或缺。
　　 近年来，电动机软起动技术及装置受到越来越多研究者的关注，并且有很多重要成果被报道。这些成果各具特色，不仅具有重要的理论意义，而且对软起动技术及装置的实际应用也具有指导作用。然而这些电动机软起动技术及装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，应用在高压大功率电动机软起动时，产生的起动电流虽然有所减小，但对电网造成的影响仍然较大;第二，目前大部分成果仅关注电动机起动过程中功率因数的变化，忽略起动过程中无功功率的动态补偿;第三，目前大部分成果仅考虑高压大功率电动机软起动时电流幅值限制，没有考虑起动过程中起动电流与起动时间的协调优化控制。
　　 基于以上考虑，有必要进一步研究高压大功率电动机软起动方法及关键技术。在本论文中，从综合的观点考虑，针对不同的研究问题，分别引入相应的原理和技术，提出对应的综合设计方法和控制策略，进行深入的研究。本文主要研究内容如下:
　　 (1)针对电动机软起动限流问题，提出了自耦磁控软起动方法，构建了自耦磁控软起动器拓扑结构及等效数学模型，进一步减小了电动机起动从电网吸收的电流
　　 本文对国内外高压大功率电动机软起动方法进行分析与比较，总结各种方法的优点与不足，立足于课题组多年的研究积累，结合自耦降压与磁控调压软起动技术优势，提出了自耦磁控软起动方法，该方法具有自耦降压与磁控调压双重特性，可进一步降低电动机起动时从电网吸收的电流。运用电磁场理论、电工理论及电机学原理，构建自耦磁控软起动器拓扑结构，建立了自耦磁控软起动器等效数学模型，研究了自耦磁控软起动器限流机理。通过对直接起动、自耦降压起动、自耦磁控起动方法的MATLAB仿真及分析，验证了自耦磁控软起动方法具有良好的限流效果。
　　 (2)针对电动机起动过程中功率因数较低问题，提出了软起动与无功功率动态补偿一体化方法。
　　 本文在研究电动机起动过程中功率因数变化特性的基础上，分析了电动机起动过程中功率因数较低的原因。针对功率因数较低问题，提出了软起动与无功功率动态补偿一体化方法，研究了软起动过程中无功功率动态补偿方案及实现技术。构建了自耦磁控软起动与无功功率动态补偿一体化拓扑结构、研究了无功功率补偿量的计算方法及无功补偿量最优投切策略。通过MATLAB仿真，验证了在电动机软起动过程中进行无功功率动态补偿，可有效提高软起动过程中的功率因数，降低电网压降，减小电动机起动对电网的影响。
　　 (3)针对电动机软起动过程中限流与起动时间的协调控制问题，提出了自耦磁控软起动动态规划优化控制策略。
　　 异步电动机起动系统是一个非线性多变量时变系统，通过对其数学模型的分析，阐述起动过程中电流及转矩振荡原因。在软起动控制过程中，常规控制策略往往只关注限制起动电流而忽略起动时间，容易因起动时间过长而引起热故障，造成起动失败。本文在分析电动机起动过程状态方程及电动机理想起动曲线的基础上，针对起动过程明显的时序性，提出了基于动态规划方法的异步电动机起动过程优化控制策略，在满足起动电流限制的前提下实现了起动时间最优控制。通过对软起动斜坡控制、恒流控制及动态规划三种控制方式的MATLAB仿真比较，验证了动态规划控制策略是可行的。
　　 (4)高压大功率电动机自耦磁控软起动器研制与试验
　　 本文在研究自耦磁控软起动方法理论及技术的基础上，对高压大功率自耦磁控软起动器的方案、结构及原理进行了设计，并研制出21000kW/10kV高压大功率软起动器，通过挂网试验及运行，验证了本文理论及技术研究的正确性。
　　 最后对全文进行归纳总结，并讨论将来进一步要做的工作。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 相关技术国内外研究现状

1．2．1 高压大功率电动机软起动方法

1．2．2 软起动方法比较分析

1．2．3 高压大功率电动机软起动常用控制方法分析

1．3 本文的主要研究内容

第2章 自耦磁控软起动器拓扑结构及限流机理研究

2．1 自耦磁控软起动器拓扑结构研究

2．1．1 自耦降压软起动器拓扑结构

2．1．2 磁控调压软起动器拓扑结构

2．1．3 自耦磁控软起动器拓扑结构

2．2 自耦磁控软起动器限流机理研究

2．2．1 自耦降压起动电流分析

2．2．2 磁控调压阻抗变换机理

2．3 限流软起动仿真分析

2．3．1 异步电动机参数辨识算法

2．3．2 异步电动机直接起动仿真

2．3．3 自耦降压起动仿真

2．3．4 自耦磁控软起动仿真

2．3．5 高压大功率电动机起动仿真

2．4 本章小结

第3章 电动机软起动过程动态无功补偿技术研究

3．1 电动机起动过程中的功率因数分析

3．2 电动机起动过程中的无功功率补偿方案

3．2．1 无功功率补偿原理

3．2．2 电动机起动过程中无功功率补偿方案确定

3．3 软起动过程无功功率补偿实现技术

3．3．1 软起动过程中无功功率补偿拓扑结构

3．3．2 软起动过程中无功功率补偿容量的确定方法

3．3．3 软起动过程中无功补偿最优投切方法

3．4 软起动过程中无功功率补偿效果仿真分析

3．5 本章小结

第4章 软起动过程优化控制策略研究

4．1 三相异步电动机起动过程的数学模型构建

4．1．1 三相异步电动机起动过程的动态方程建立

4．1．2 电动机起动过程中电流及转矩振荡特性分析

4．2 基于动态规划的异步电动机起动过程优化

4．2．1 电动机起动的理想特性

4．2．2 基于动态规划的软起动控制系统结构

4．2．3 电动机起动过程的优化策略

4．3 三种起动方式的软起动仿真效果比较

4．4 本章小结

第5章 高压大功率电动机软起动实现技术

5．1 自耦磁控软起动器整体结构设计

5．2 自耦磁控软起动器设计及实现

5．2．1 信号参数检测电路

5．2．2 阻抗变换器

5．2．3 控制器

5．2．4 人机交互单元

5．2．5 自耦磁控电抗器

5．3 控制系统软件设计

5．3．1 系统初始化功能模块

5．3．2 系统状态检测及控制参数设置

5．3．3 软起动控制算法模块

5．3．4 人机交互模块程序设计

5．4 自耦磁控软起动器挂网试验及运行

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 研究展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

攻读博士学位参加的科研项目和获得授权专利

附录A 装置照片