異步電機的暫態分析及其應用
張麟征(澳門大學科技學院)
摘要
異步電動機廣泛應用於澳門，因此異步電機的暫態行爲應該給予重視。本文分析了異步電機的暫態轉矩~轉速曲線，它與穩態的轉矩一轉速曲線相差甚爲明顯。此外，本文討論了異步電動機的重合閘過程、異步電動機的起動或切換過程、以及風力異步發電機的並聯電網的暫態過程。本文還指出了某些學術論文出現的錯誤。
Transient Analysis of Induction Machines and Its Application
Zhang Linzheng(Faculty of Science and Technology,University of Macau)
Abstract
Induction motors are widely used in Macau, so the transient behavior of induction motors should be paid attention to. In this paper, the torque-speed curves in transients have been analysed which are obviously different from those curves in steady-state.In addition, reclosing process of induction motors, starting or switching over induction motors and transients of parallel operation for wind- power induction generators are alsodiscussed. Some mistakes appearing in several academic theses are pointed out too.
An~;alise de Transientes em Máquinas de Indução e Suads Aokucações
Zhang Linzheng
Sumário
Os motores de indução são amplamente usados em Macau e,por esse facto, o seu comportamento transiente merece especial atenção. Neste artigo, foram analisadas as curvas bináriovelocidade para transientes que são obviamentes diferentes das do regime permanente ( steady-state ). Adicionalmente, são discutidos os processos de religação, arranque ou reconfiguração de motores de indução, assim como os transientes associados à operação em paralelo de geradores eólicos de indução. São igualmente apontados alguns erros detectados em várias teses académicas.
一、前言
在澳門的工商業系統及家用電器中廣泛使用電動機，它們幾乎均屬於異步電機，因此分析異步電機的行爲特性就具有重要的實用價値。行爲特性分爲穩態(靜態)及暫態(動態)兩個範疇，而一般電機學敎程中介紹的基本方程及等値電路均屬於穩態範疇，與暫態下的基本方程及等値電路相差甚遠。隨着異步電機的單機或機群的容量愈來愈大，它們的暫態過程對電網及拖動設備本身將帶來重大影響，因此異步電機的暫態行爲及分析應該引起足夠的重視。本文着重討論暫態情况下的轉矩~轉速特性曲線及定轉子電流，經過分析，建議在確定電機靜態過載能力時採用穩態M ~S曲線，而在進行電力拖動的動態計算時(例如起動過程)，應採用暫態M~S曲線。異步電機運行時由於線路臨時故障而跳閘，故障消除後能否直接重新投入，重投入過程亦屬於一種機電暫態過程，不能採用穩態等値電路來分析計算。重投入的主要問題是異步電動機能否承受相應的衝擊電流和電磁力矩。經過對異步電機重合閘的過渡過程分析計算後，認爲由於重合閘前，轉子電流未必衰減到零，因此當轉子電流引起的定子殘壓與合閘電壓相位相反時，會產生比直接起動時要大得多的衝擊電流，這將對繞組端部產生破壞作用；因此除非另有措施，否則對大型異步電動機是不容許重合閘的。常用的Y/△起動方法，從暫態顴點來分析，可能產生比直接起動時還要大的尖峰電流，儘管衰減得非常快，從而減小了對電網的衝擊時間，但對電動機本身將產生更大的電磁力，對繞組端部帶來不利的影響。異步電機作爲發電機運行時的接入過程亦屬於暫態過程，採用軟投入的措施亦是必要的。本文最後對國內外某些論文出現的誤用穩態方法去分析暫態問題提出校正。希望引起這個領域中的專家和科硏工作者的關注和共同的探討。
二、異步電機的轉矩~轉速特性分析
異步電動機的M=f(s)曲線爲廣大電氣工程人員所熟悉並經常應用，可是在《電機學》課程中分析討論的僅僅是穩態情况下的M=f(s)曲線，它僅適用於分析計算異步電動機(或發電機)的靜態過載能力以及其它一些屬於穩態範疇的運行行爲，而實際上更多的是暫態過程，如異步電動機的起動過程，異步電動機的重合閘過程、異步電動機的調速過程、異步電動機帶衝擊載荷的過程等；暫態情况下的M=f(s)曲線與穩態情况下的曲線相差甚大，在某些情况下最大力矩可相差30%~40%，並且暫態M=f(s)曲線在高轉差率區域及同步速度附近有明顯的振蕩現象。
我們對某台2000kW異步電機的空載起動過程進行了計算(見圖1)，圖(a)中實線是按穩態運行時計算的M=f(s)曲線；虛線是按起動過程計算的M=f(s)曲線。圖(b)是相應的電流隨轉差率而變化的曲線。
比較兩種曲線可以看出，在低速段ω<0.3ωs，起動過程中無論是轉矩還是電流，都包含很強的脈振分量，但就其平均分量來說，暫態特性與穩態特性是接近的(圖1中ω<0.2ωs的一段，由於脈振分量很大而未畫出)。在中速段0.3ωs<ω<0.8ωs，按動態過程與按穩態過程求得的轉矩、電流隨轉速而變化的規律是相當接近的，甚至無法區分圖中這兩種工况下的曲線。但是到了臨界轉差Sk附近，可以明顯看到，起動過程求得的轉矩M要小於穩態過程的轉矩値，尤其是最大轉矩的差異尤爲明顯。產生差異的主要原因詳見文獻〔3〕。
圖2示出一台2000kW異步電機的計算結果，它在起動到穩定工作時，轉矩和轉速圍繞平衡點產生搖擺。可以看出，電機起動過程的最高轉速已超過同步轉速，s=－0.024，圍繞平衡點要經歷多次搖擺，這一過程在按穩態運行考慮的特性曲線上是反映不出來的。造成這一差異的原因可以簡單解釋爲：由於起動過程總要伴隨電磁過渡過程，雖然異步電機轉子沒有勵磁電源，但在動態過程中，當轉子轉速達到同步轉速附近時，轉子電流並不立刻衰減到零，轉子電流的緩慢衰減會產生與同步電動機牽入同步相類似的機電振蕩現象，這並不違背電機的基本電磁關係。
當然，電機起動過程所能達到的最高轉速與許多因素有關，當轉動慣量增大或負載增加時，則起動過程所能達到的最高轉速將要低一些，且搖擺過程也會較快結束。
由圖3可見，隨着負載的增加，最大力矩也隨之增加，隨着轉動慣量增加，最大力矩也增加。當轉動慣量足夠大時，計算出的動態M=f(s)曲線已和穩態M=f(s)曲線接近。這在物理槪念上不難理解∶由於轉動慣量增加，起動過程變長，因而接近各段的穩態過程。
由於電機製造廠提供的最大力矩是按穩態運行工况求得的，因此，在起動過程中測得的最大力矩將小於製造廠提供的數據。鑒於靜態M=f(s)曲線與暫態的曲線有區別，建議在確定電機靜態過載能力時採用穩態M=f(s)曲線，而在進行電力拖動的精確動態計算時建議採用暫態M=f(s)曲線，而不要採用誤差大的傳統的Claus公式。
關於這項硏究，作者曾在原聯邦德國亞琛工業大學(RWTH Aachen)作過交流，並在模擬計算機上取得相同結果。
三、異步電機重投入暫態過程分析
在實際工作中，供電系統發生暫時性故障時，引起異步電動機跳閘，如能在故障淸除後將電動機很快重投入，將減少停電造成的生產損失。
異步電動機重投入過程屬於一種機電暫態過程，不能採用穩態等値電路來分析計算。重投入的主要問題是異步電動機能否承受相應的衝擊電流和電磁力矩。
重投入的過渡過程分成切斷電源時的過渡過程和重合閘的過渡過程兩部分。異步電動機切斷電源時，一種可能是斷路器觸頭斷開時，三相電流同時變爲零値。但是往往由於電弧或其他原因，三相電流不能同時變爲零値。相應地，在分析方法上也有兩種不同的處理辦法。一種方法認爲，當三相斷路器觸頭分開時，各相電流同時變爲零値。另一種方法認爲，三相電流不是同時變爲零値，以A相電流過零時斷開三相斷路器爲例，此時可認爲A相電流立刻變爲零値，而B相和C相仍有電流，直至B或C相電流通過自己的零値時，才使這兩相的電流同時變爲零値。後一種方法比較複雜，前一種方法比較簡單，兩者的偏差在1%以內。但是當採用前一種方法時，必須根據轉子回路的磁鏈守恆原則求出新的轉子電流起始値，方可得到正確的計算結果。
變極調速電動機的切換繞組過程又是相當於異步電機重合閘過程的一個實例，切換繞組時會產生較大的衝擊尖峰電流，當電動機容量較大時，會對繞組端部產生破壞性影響，必須採取限制措施。(見文獻〔1、2〕)
由於重合閘前，轉子電流未必衰減到零，因此轉子電流引起的定子殘壓可能與合閘電壓相位相反，產生較直接起動時還大得多的衝擊電流，對繞組端部產生破壞作用，因此除非採取特別措施(參閱文獻〔1、2〕)，否則大型異步電動機是不容許重合閘的。
四、異步電機起動和切換繞組時的暫態過程
爲了減少起動電流，常用Y/△起動及延邊三角形起動，但是按照暫態理論當從Y換接成△時，相當於上述的重合閘過程，會產生比直接起動時還大得多的尖峰電流，祇是該電流衰減得比直接起動時的快得多(理論分析見文獻〔4〕，實測結果如圖4所示)，因此僅從減少對電網衝擊時間的角度來看Y/△起動法仍是有益的，但是由於電流峰値更大，對電動機本身將產生更大的電磁力，尤其對繞組端部會帶來更不利的影響，所以大中型異步電機不宜採用此種起動方法(見文獻〔4、5〕)。
五、異步發電機並網和切換繞組時的暫態過程
當缺乏小型同步發電機時，將異步電動機作爲發電機運行也是一種權宜之計，此外，異步發電機常常作爲風力發電機運行。
風力異步發電機當達到同步轉速(s=0)接入電網時，也是一個暫態過程，其合閘電流並不像穩態等値電路算得的空載電流Io，而是具有像直接起動那樣的尖峰電流，祇是衰減很快(實測結果如圖5所示)，這將對風輪機升速齒輪系統產生破壞性的衝擊，因此從國外引進的風力發電機均採用可控硅調壓系統進行軟接入。
我國東南沿海某地區，每年能達到額定風速12m/s僅佔10%的時間，90%的時間風速爲7~8m/s，因此採用國外的單速風力發電機將得不到高效率的運行效果，必須採用變極的雙速風力發電機；這樣，當切換繞組時也相當於異步電機重合閘過程，會產生很大的衝擊尖峰電流，也必須採用軟接入系統。但是應該指出，不能沿用單速發電機的軟接入系統，因爲兩種工况是不相同的，考慮到雙速發電機切換時的殘壓問題是設計相應軟接入系統的關鍵問題。
六、異步電機暫態分析的重要性
綜上所述，異步電機的暫態特性與穩態下的相應特性相差甚爲明顯，但在目前大學本科電機學敎科書中，介紹的異步電機分析方法和特性曲線均屬於穩態範疇，以致於有些大學畢業生還不知道異步電機的暫態過程，或誤用穩態槪念去分析處理暫態問題。
例如，1991年9月我有幸參加了在武漢召開的國際電機學術會議，一位伊朗的博士提出一篇論文“異步電機的起動、短路、切除、重合閘”，整個分析都是採用穩態槪念，我指出了他的錯誤；類似這樣有原則性錯誤的論文，不應刊登在國際學術會議論文集中(參閱文獻〔6〕)。
在同上的國際電機學術會議上，有位學者提出的“諧波起動異步電動機”，也具有類似的問題値得商榷。當從諧波繞組切換到基波繞組時，用暫態理論分析，可知有很大的衝擊峰値電流，儘管對電網衝擊作用的時間很短，但對電機本身特別是對繞組端部將產生較大的機械衝擊，所以這種諧波起動異步電動機的優越性如何是値得討論的，尤其當電機容量加大時。
異步電機的暫態分析還有許多問題値得硏究，1993年我指導澳門大學科技學院四年級學生做畢業設計，對異步電動機的內部故障進行了分析硏究，取得了一定成果，所寫論文登在國際電機學術論文集中，並被邀請在會上作報告(參閱文獻〔7〕)。但是我們對內部故障的分析僅限於穩態範疇，下一步的目標將是異步電機內部故障的暫態過程硏究。
七、結束語
異步電動機的暫態特性與穩態特性有明顯區別，而異步電動機的起動過程、重投入過程、風力異步發電機的並聯電網過程、變極調速電動機的切換過程等，均屬於暫態分析的範疇。作者從暫態角度對常用的幾種起動方法，如Y/△起動法、延邊三角形起動法、電抗器起動法、自耦變壓器起動法等作出了新的評價(詳見文獻〔4〕〔5〕)。
作者曾對異步電機暫態理論進行過數年硏究，深感其重要性，這是由於異步電動機使用極爲廣泛，單機容量日益增大，而且往往以異步電機群的方式運行(如軋鋼廠的滾道電動機群往往含有數百台異步電動機)，因此異步電機的過渡過程對電網和電動機本身以及控制系統均有顯著影響，應引起該領域的設計工程師、運行工程師、敎師、科硏工作者等密切關注，來共同作探討。
參考文獻
(1)高景德，張麟征《電機過渡過程的基本理論及分析方法》上、下冊，科學出版社，1991。
(2)高景德、張麟征、黃立培“異步電動機的重合閘過程及抑制衝擊電流的措施”，《中國電機學術論文集》1983.
(3)高景德、張麟征、黃立培“異步電動機起動特性的硏究”，《電工技術雜誌》No.1，1984。
(4)張麟征、張炳達“異步電動機降壓起動的換接衝擊電流的計算”，《北京電機工程學報》No.3，1988。
(5)張麟征、張炳達“減少異步電動機起動衝擊電流的措施以及對常用的幾種起動方法的重新評價”，《北京電機工程學報》N0.3，1988.
(6)Zhang Linzheng, “Transient Theory of Induction Machines and Its Uses in Some Aspects”,《Proceedings of the International Conference on Electric Machines》1995.
(7)Zhang Linzhend,Chok Seng Cheng, Cheang Tong Fong,“Internal Faults of Three-phase Induction Motors”，《Proceedings of the International Conference on Electric Machines》1995.
