AP1000主泵电机起动特性分析计算

宋敏慧,杨华峰,李桂芬,张春莉,李金香

(1．哈尔滨大电机研究所，黑龙江哈尔滨　150040；2.哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨　150040)

AP1000主泵电机起动特性分析计算

宋敏慧1,杨华峰2,李桂芬2,张春莉2,李金香2

(1．哈尔滨大电机研究所，黑龙江哈尔滨150040；2.哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150040)

摘要：通过对AP1000主泵电机起动特性进行仿真分析,详细阐述了AP1000主泵电机起动仿真模型原理和计算方法，并计算出此电机临界起动条件和转速曲线。该分析计算为建立AP1000主泵电机的状态方程提供了仿真模型和计算方法，为相关技术人员提供了借鉴。

关键词：AP1000主泵电机;起动特性;屏蔽结构

0引言

目前我国正在执行发改委制定的2005～2020年核电发展规划。总投资约4 500亿,2020年核电发电量约占全国总量的3%[1]。与常规机组相比，核电机组的安全稳定运行更为重要。AP1000主泵电机作为核电机组的重要组成部分，其良好的起动性能是整个机组安全稳定运行的基本保证。起动特性是异步电机的主要性能指标之一，AP1000主泵电机由于其特殊的结构，与同等容量的常规电机相比，其电磁参数也有所不同。

1基本数据

计算中涉及到的机组相关数据见表1。

表1　电动机主要数据

2数学模型及研究方法

2.1仿真模型

利用仿真软件SIMSEN进行分析计算。其系统模型如图1所示。图中，VS1为无穷大母线；TEXT为负载转矩函数模块；TFR为水摩耗函数模块；STATORR2为定子电阻函数模块；STATORX2为定子电抗函数模块；CB1为开关；IM1为感应电动机；ME1为转子质量块；OUT为输出结果模块。

TEXT为负载转矩，TFR为水摩耗，函数模块满足以下条件。

由以上函数关系可以得出函数曲线，下面为TEXT模块和TFR模块下的函数曲线上选取的点，X为转速，Y为转矩。

TEXT模块

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

图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模块

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

根据文献，忽略电机铁心饱和、磁滞、涡流和集肤效应的情况下，假定气隙均匀、磁势正弦分布，可得同步恒速坐标系(dc-qc-0)下异步电机基本方程[2]，如下：

(1)

(2)

式中：下标s、r为代表定子转子各量；下标、dc、qc为代表dc,qc,0坐标系下的各量；xss为定子自电感；Xrr为转子自电感；Xm为定转子之间互感；rs为定子电阻；Rr为转子电阻；p为微分算符d/dt；s为转差率，s=1-ω，ω为转子角速度。

将式(1)改写成状态方程

(3)

转动系运动方程为

(4)

式中：Mo为电磁转矩，它的计算公式为

Mo=Xm(iqcsIdcr-idcsIqcr)

(5)

式中：Mm为负载转矩；H为惯性常数。

3计算结果

本次起动主要分以下几个阶段计算的。起动总时间为1 min。第一阶段0～315 r/min，用2～3 s，4～5 Hz/s进行快速起动；第二阶段315 r/min-90%额定转速，用1 Hz/s进行起动；第三阶段90%额定转速-额定转速，4～5 Hz/s快速达到额定转速。

因此为了满足上述三个要求，仿真时间分为五个阶段0～3 s，3～46.41 s，46.41～48.81 s，48.81～49.745 s，49.745～60 s，压频比为80，横轴为时间，纵轴为转速标幺值。压频比为80时起动成功时转速随时间变化曲线如图2。图3为起动失败时转速随时间变化曲线。

图2　起动成功时转速变化曲线

压频比为75时的仿真结果

图3　起动失败时转速变化曲线

4结论分析

AP1000主泵电机的起动方式若采用变频起动，异步电机的变频起动具有一定的难度性。一般电机都采用全压起动，翻阅大量的资料和多次模型调试才成功变频起动了AP1000屏蔽异步电机，只给出临界起动成功和失败的压频比时的转速曲线。在计算过程中详细给出负载转矩模块和水摩耗函数模块的计算方法和仿真参考点。该起动过程也考虑了堵转时的定子电阻和电抗以及转子电阻和电抗，使仿真过程更接近实际。经过计算可得出以下结论：

1)变频起动在计算中是一种非常复杂有难度的起动方式，理论计算中可以看出他的起动时间远远长于其他方式的起动时间；

2)电机必须在压频比80或者80以上才能实现三个阶段的起动成功；

3)压频比低于80，在第三阶段转速就下降了，说明第三个阶段的对于压频比为75时所加的负载过大起动失败；

4)本论文中的异步电机变频起动发法对于同步发电机也有一定的参考价值。

参考文献

[1]汤蕴璆，史乃.电机学[M].机械工业出版社，2006.

[2]高景德，张麟征，黄立培.异步电机起动过程研究[J].电工技术杂志，1984(1):1-4.

作者简介：

宋敏慧，1984年生，女，2007年毕业于哈尔滨理工大学电机专业，工程师，现任于哈尔滨电机厂有限责任公司，大电机研究所电机室，从事电磁研究工作。