基于控制模型的直流電機起動電阻優(yōu)化設計

基于控制模型的直流電機起動電阻優(yōu)化設計

Summary：燃煤電廠項目一直以來都是我國對外輸出中國制造的重要途經(jīng)之一，而中國制造的性價比和高質量等優(yōu)點也一直受到海外業(yè)主的肯定。由于直流電動機降速、高扭矩等特性，在海外燃煤電廠中得到了廣泛地應用。在工程實踐中，直流電動機的起動電阻需根據(jù)現(xiàn)場實際情況對初始建立的計算模型所得到的結果進行校正，以獲得與現(xiàn)場實際情況匹配的最優(yōu)起動參數(shù)，從而使電動機處于最優(yōu)起動工況下。本文主要針對某海外燃煤電廠密封油泵配套直流電動機在完成選型設計后，由于實際工程環(huán)境的對參數(shù)的影響再次進行設計調整，針對電動機起動電阻等參數(shù)，依據(jù)控制模型并結合實際環(huán)境影響因素進行計算和校正的過程做簡要分析論述。Keys：直流電動機、起動電阻、控制模型引言由于海外燃煤電廠項目的特殊性，部分設備的在國內設計中常規(guī)的參數(shù)設定并不能完全滿足海外工程現(xiàn)場的需求。在工程實施過程中，需要因地制宜地對設備原設計參數(shù)做出調整的場合屢見不鮮。直流電動機由于能處理起動大扭矩，調整轉速適應負載，并且能吸收負載的突變等特性，在燃煤電廠中使用的場景較多。而直流電動機的起動速度直接影響著所屬系統(tǒng)的安全性，通過建立模型對相應的參數(shù)進行計算，并根據(jù)現(xiàn)場實際運行中的影響因素進行校正，得到最優(yōu)的參數(shù)，對項目整體的質量及安全性提升有很大的幫助。1直流電動機的起動過程直流電動機是將直流電能轉換為機械能的電動機，因其良好的調速性能而在電力拖動中得到廣泛應用。在實際應用中，直流電動機常用的起動方法主要有：1）全電壓起動；2）電樞電路串變阻器起動；3）降壓起動。本文主要討論電樞電路串變阻器（電阻）起動方式。直流電機從投入電網(wǎng)開始，由靜止達到穩(wěn)定轉速的過程稱為起動過程。從直流電動機的基本方程式U=Ea＋IaRa看，起動瞬間，電機轉速n=0，反電動勢Ea=0。因此電樞電流Ia=(U-Ea)/Ra=U/Ra，由于Ra的數(shù)值一般很小，電樞電流將達到很大的數(shù)值，以致使電網(wǎng)電壓下降，電機電樞繞組發(fā)熱，并受到很大電磁力沖擊。因此要求起動時電流不超過允許范圍。但從電磁轉矩TM=CMΦIa來看，又要求起動電流大些，才能得到較大的起動轉矩。（其中CM為直流電機的轉矩常數(shù)，Φ為每極磁通）。由此可見，以上兩個方面的要求從某種程度上是矛盾的，因此在建立模型及計算過程中需充分考慮對直流電機的起動過程中的如下要求：

1）起動電流限制在允許范圍內；2）有足夠的起動轉矩；3）起動時間短，符合產(chǎn)品技術要求；4）起動設備簡單，經(jīng)濟可靠。2直流電機起動控制模型及初步計算本文以項目中密封油泵配套立式直流電動機作為研究對象進行計算，該電動機主要參數(shù)如下表1：主要參數(shù)額定值額定功率15KW額定電壓220VDC額定電流76A額定轉速1450r/min電樞電阻（Ra）0.0532Ω（在20℃）表1電動機參數(shù)表根據(jù)直流電動機起動特性，并假設每一級起動過程都按固定電阻起動過程模型計算，且假設起動級數(shù)為m=2，建立起動控制模型如圖1所示：圖1直流電機起動控制模型為便于進行快速工程計算，對計算中所需的部分可變條件進行明確，取合理數(shù)值代入計算中，對起動過程做如下簡化，可合理簡化的數(shù)據(jù)如下：1)初始計算時，不考慮電機勵磁回路及電樞繞組電感對起動過程的影響；2)假設允許的最大起動電流為6In；3)假設直流電機負載轉矩最終穩(wěn)定在Tz，其對應的電機電流為Iz為60A；經(jīng)以上簡化后，代入電動機額定參數(shù)，對應最大起動轉矩T1的起動電流為I1=6*In=456A，設起動轉矩為T2時的電流為I2。在下圖2直流電機機械特性圖中，以b、c兩點為例可推得：b點：I2=（U-Eb）/R2c點：I1=（U-Ec）/R1圖2直流電機機械特性圖由于直流電機的機械慣性（轉速不能突變）及電磁慣性（磁通不能突變）的特性影響可知Eb=Ea，進一步計算可得，起動電流比λ=I1/I2=R2/R1=R1/Ra。再由I1=6*In=456A，m=2，U=220VDC，Ra=0.0532Ω，In=76A，nn=1450r/min，可得：CeΦ＝(U－InRa)/nn=（220-76*0.0532）=0.1489CTΦ＝CeΦ*9.55=1.422R2=(U-Ea)/In=220/456=0.4824Ωλ=（R2/Ra）1/2=(0.4824/0.0532)1/2=3R1=λ*Ra=0.1596Ω代入R1及Ra可求得串聯(lián)電阻RΩ1和RΩ2的值如下：RΩ1=R1-Ra=0.4824-0.0532=0.4292ΩRΩ2=R2-Ra=0.1596-0.0532=0.1064Ω由以上條件可推得起動過程時間為：t1=(GD2R1ln(I1-Iz)/(I2-Iz))/375CTCeΦ2≈1.1st2=(GD2R2ln(I1-Iz)/(I2-Iz))/375CTCeΦ2=t1/λ=t1/3≈0.4s為簡化后續(xù)計算，按照t1=1.1s，t2=0.4s取整，由此可推得起動總時間t：t=t1+t2=1.5s。3根據(jù)在工程實際進行數(shù)據(jù)校正在海外現(xiàn)場工程實際執(zhí)行中，由于電動機本身的機構、整體電網(wǎng)穩(wěn)定性差等因素的影響，直流電動機的起動往往不能按照原本理想的計算模型得到的數(shù)據(jù)來運行。根據(jù)工程實際，現(xiàn)場施工環(huán)境和電動機自身結構對直流電機的起動影響因素主要有：1）220Vdc的電源在起動過程中的壓降；2）直流電動機勵磁回路的分流；3）電樞繞組電感；4）線路的壓降；5）回路接觸壓降。其中，影響最大的因素之一是電樞繞組的電感。這部分電感會降低電樞回路電流的上升速度，并降低最大起動電流幅值，在以上因素中對系統(tǒng)產(chǎn)生最大的影響。因此，主要考慮該因素對起動過程的影響對原數(shù)據(jù)進行校正。根據(jù)工程實際，可以通過適當調整串聯(lián)電阻RΩ1和RΩ2的幅值，達到系統(tǒng)的最大的起動電流，實現(xiàn)直流電機的快速起動的目的。直流電機由于電樞回路電感所產(chǎn)生的電磁時間常數(shù)為：Ta=La/Ra。當電機帶負載起動時，其過渡過程分為兩個階段：第一階段，電樞電流從零增加到Iz前，電機轉速為零，模型計算時主要包括由電樞電感所產(chǎn)生的電磁慣性。由公式U=Ia*Ra+La*dIa/dt可得：Ia=Isc（1－e(-t/Ta)）其中：Isc=U/Ra；第二階段，起動時間超過tz以后，直流電機開始加速，機械慣性（與轉動慣量參數(shù)相關）和電磁慣性同時作用，模型方程為：U=Ia*Ra+La*dIa/dt+Ea；T-Tz=GD2*dn/375*dt；化簡可得：方程解為：圖3起動過程電流、轉速曲線由上述計算所得的結果可推得電流及轉速曲線如圖3所示。將通過起動控制模型初次計算出來的串聯(lián)起動電阻及起動時間，代入到考慮直流電機電樞電感影響的校正模型中去，以此來校驗初次計算的數(shù)據(jù)并根據(jù)計算結果來調整相對應的串聯(lián)起動電阻及起動時間。具體的計算原則為：在保持起動時間不做調整的基礎上，校驗一級和二級起動電阻。校驗計算方程式為：U=Ia*Ra+La*dIa/dt+EaT-Tz=GD2*dn/375*dt先代入一級起動電阻及一級起動時間的值，求出起動電流曲線，再通過固定一級起動時間不變，考慮起動過程中的影響因素，結合上述校驗計算方程式，采用工程試驗的方式運用插值法多次取值計算，最終確定最優(yōu)值，再根據(jù)一級起動完成后的直流電機狀態(tài)，通過與之前同樣的多次取值并插值計算獲得最優(yōu)值的計算方法，推得實際工程應用的二級起動電阻值。經(jīng)過以上計算優(yōu)化校正后的起動參數(shù)為：1）一級起動電阻：0.405Ω，起動時間：1.1s；2）二級起動電阻：0.152Ω，起動時間：0.4s。與未校正前得到的數(shù)據(jù)比較如下表2：起動電阻級數(shù)模型計算阻值（Ω）優(yōu)化后阻值（Ω）起動時間（s）一級0.42920.4051.1二級0.10640.1520.4表2校正前后起動電阻對比表從上表中可以看出，通過直流電動機起動控制模型計算得到的起動電阻與保持起動時間不變的前提下，按照工程實際優(yōu)化后的起動電阻差值并不大，對整個直流電動機的起動電阻只需做較小的調整，即可獲得滿足實際工程現(xiàn)場需求并且起動效率較大提高的直流電動機起動工況。通過以上基于直流電機起動控制模型的初步簡化模型計算和后續(xù)按照工程實際影響因素進行校正的結果可知，基本的計算思路是，以理想電機模型及附加上假定條件的直流電機起動過程為前提，計算得到各級起動時間及起動電阻，再在此計算結果的基礎上，主要考慮直流電動機起動過程中電機本身電樞電感對起動環(huán)境的影響，進一步對之前得到的起動數(shù)據(jù)進行修正計算，校正的方式采取了保持原計算得到的直流電動機起動時間不變，通過多次采用代入優(yōu)化參數(shù)試算并通過插入法調整起動電阻獲得最優(yōu)值的方法，來修正并滿足工程實際情況的直流電動機起動配置參數(shù)。4結束語本文結合工程實際環(huán)境，考慮相關因素對直流電動機起動過程的影響，通過基于直流電機起動控制模型的計算分析，得到適應于工程實際情況的最優(yōu)起動電阻設置值，對直流電動機這一燃煤電廠重要輔助設備的應用和推廣，起到了一定的幫助和促進作用，同時對海外燃煤電廠直流電動機的設計選型計算有一定的借鑒意義。參考資料

[1]張井崗,曾建潮,孫志毅.直流電