电动机软起动离线仿真

摘要：阐明对电动机软起动过程作离线仿真的必要性，通过实例介绍作者在这类软件开发方面的最新成果，一种适用于按电流闭环控制电动机软起动过程的仿真软件（Mag）。 Abstruct: This paper explains the necessity of the offline simulation for the process of soft-starting A.C motor, introduces, by means of a practical example, the newly result of the authors in this field, that is, a simulation software（Mag）.Which is a useful and effective means for forecasting the soft-start process of A.C motor. 关键词：仿真 软件 软起动 交流电动机 Key words: Simulation software Soft-start A.C motor 引言 3年前，我们受湖北省追日电气公司委托，对液态软起动过程进行比较精确的预测，在经历了浩繁的计算和不经意的挫折后，我们提出了开发液态软起动仿真软件的创意。几经版本更迭，我们成功地推出了基于MATLAB语言的《液态软起动仿真软件》（Startliq）。 本文介绍的是我们的最新成果，它是一个适用于电流闭环控制软起动的仿真软件（Mag），开发Mag的直接目的是对天津市先导机电有限公司研制的磁控软起动作预测，对于磁饱和电抗器的设计作提示，对于磁控软起动装置用户作出有根据的承诺。具体地说， （1）、通过仿真弄清用户提出的设计任务是否可行，应该怎样选型，辅助确定设计参数等， （2）、使用户明白提出的技术要求必须是合理的，采用磁控软起动装置可以预期的效果。 Mag适用于任何形式的电流闭环控制软起动，包括市场上广为流行的国内、外生产的晶闸管软起动装置。Mag所使用的仍然是MATLAB语言，版本已更新为6.0。 在2002.1《自动化博览》上，发表了作者的《软起动装置的初级智能化》[1]（已收编《中国科技发展精典文库》第二辑，以下简称《智能化》）。 《智能化》把初级智能化定义为“按软起动次数逐次自我改进”。 软起动过程最优是“自我改进”的出发点和归宿。过程最优要求对于软起动过程的电流、电网电压、转速、相关器件的发热量等可测变量的时间曲线作出总体评价，即关于软起动过程质量，软起动外在条件，控制策略I*（t）适宜性的总体评价。过程最优要求建立起一个准则，使不同次的软起动过程具有可比性。比较由计算机完成。把从软起动过程中得到的测量数据以及一些无法直接测量的判断量化后输入到计算机，计算机根据既定的准则，对本次软起动过程品质相对于往次有否改进和改进幅度的作出鉴定。计算机通过I*（t）生成软件（I G）给出供下次软起动用的作为电流闭环基准的I*（t），自动完成‘自我改进’。 但是，对于大容量电动机而言，软起动的频繁度往往是很低的。例如，半年才起用一次。这种‘逐次自我改进’就可能太慢了。所以,计算机离线仿真软件就显得十分重要。借助于它，我们不必对大容量电动机进行风险大的、牵扯面广的、耗能大的实地软起动，就可以预测软起动过程，‘测量’可测量变量，‘鉴定’ 本次模拟的软起动过程的质量 ，生成新的I*（t），加速‘自我改进’的进程。因此，在《智能化》中，已经将‘离线仿真软件SPS’与I*（t）生成软件（I G）一起，并列为初级智能化‘至少要配备的4个软件’中的2个。 一、离线仿真的任务： 按照已知的电网、电动机、负载数学模型和选定的控制方式和软起动方式，捕获电动机软起动过程中的一切可得到的有用信息，将它们以时间曲线图或特征参数的形式表述出来。 电动机软起动离线仿真软件包括： 1、输入软件：将上述“模型”、“方式”以特征数或代码的方式通知计算机。 2、运算软件：根据输入（包括计算步长和仿真时间）按内置的数学模型，起动计算程序，获得并储存中间和最终结果。 3、输出软件：将计算结果表示为图形、特征参数，例如起动时间、电网最大压降、电动机电流和转速波形等。 二、电网-电动机的数学模型 电动机的数学模型有两种：基于状态方程的和基于集中参数等效电路的。 对于变频调速而言，多采用前者，对于软起动而言，我们采用后者。 基于电路的数学模型见图1。 图1电网-电动机一相的Г形等效电路图 四、电动机软起动离线仿真实例 今年5月4日，由天津市先导机电有限公司开发研制的磁控软起动装置在济源钢铁公司成功地将一台6KV，2000KW的风机电动机软起动成功。 实拍的结果表示在图2。 图2 实拍的时间曲线图 实拍时间曲线系用西门子公司直流电控装置6RA70拍摄的。电动机定子电流为700安，是用指针式仪表测量的。 按照命名为mag 的电动机软起动离线仿真的结果表示在图3、图4和图5。 输入数据摘要如下：电机额定线电压为(伏)：6000，电动机额定容量为(千瓦)：2000，电动机额定转速为(rpm)：2980，电动机堵转电流标幺值：6，电动机全压起动电磁转矩标幺值：0.8 ，电动机额定电压下最大转矩标幺值：2，转子飞轮惯量为(牛.米方=4g*J)：5000，仿真时间(秒)：50，14、恒流给定值(安)：700，电网感抗(欧)：0.44，电网电阻(欧)：0。 由仿真得到的部分曲线附录如下（电动机电流与转速的单位分别为安和rpm，转矩单位为牛顿米，时间单位为秒）： 图3 电动机电流与转速仿真曲线 图4 电动机电磁转矩与负载转矩仿真曲线 图5 电网电压与电网电压降仿真曲线 对比表明，实拍和仿真结果大体相符。 实拍结果，不含电动机转速，因为不具备转速传感器。仿真结果中不含励磁电流。 结束语 1、对于电动机起动计算，很多电工手册均提供有计算公式，例如[2]。但是，它们或者仅仅针对传统的起动方式（例如星三角、自耦变压器起动），或者是一些随意性大、精确性低的经验公式。比较准确的计算方法是‘图解法’[3]，一个软起动过程如果是20秒，每秒计算一次，如果步步计算都不出错的话，也要耗费大约整整一个上午的时间。现在，用mag软件计算。当计算步长为0.01秒时，全部运算的完成时间不超过10秒。 2、电动机软起动离线仿真的精度取决于数学模型的精度。在采用数学模型时，必然要做一些近似，例如把非线性的特性线性化，把非正弦波正弦化等等。这些近似必然会带来误差，如果带来的误差不超过20% ，就可以认为是合理的。 参考文献 1、高越农 软起动装置的初级智能化 自动化博览 2002.1 2、金代中 侯 锐 电工速查速算手册 （第四章第5节） 机械工业出版社2001.9 3、顾绳谷 电机及拖动基础 （下第92~94页） 机械工业出版社1981.1 Using Toolbox Path Cache. Type "help toolbox_path_cache" for more info. To get started, select "MATLAB Help" from the Help menu. >> MAG 1、电动机额定线电压为(伏):6000 2、电动机额定电流为(安):612 3、电动机额定容量为(千瓦):5500 4、电动机额定转速为(rpm):1485 5、电动机堵转电流与额定电流之比为(缺省为6):4.2 6、电动机全压起动时电磁转矩与额定值之比为(缺省为0.8):0.5 7、电动机额定电压下最大转矩与额定值之比为(缺省为2.2):1.5 8、电动机额定电压下空载定子电流为(安,缺省为0.2*I1e): 9、电动机额定电压下空载损耗为(千瓦,缺省为0.05*Pe): 10、电动机导条高度为(cm,0表示非深槽电机):8 11、电机允许堵转时间为(s):30 12、转子飞轮惯量为(牛.米方=4g*J):100000 13、仿真步数为:2000 14、仿真时间为(秒):50 15、电流给定值曲线转折时刻为(秒,不含起始时刻0秒和已知的结束时刻):0 16、恒流给定值为(安):612*2.5 17、负载特性转折点转速为(rpm,不含起点n=0和终点同步速):[50,100,200] 18、负载特性转折点转矩为(N.m,不含对应起点n=0的默认负载0,含终点同步速时转矩):[1000,1000,0,0] 19、额定转速时的风阻转矩为(N.m):5000 20、电网额定线电压为(伏):6300 21、电网阻抗为(欧):0.2 22、电网电阻为(欧):0 23、电抗器交流绕组电阻为(欧):0 24、给定电流与实际电流间惯性环节时间常数为(秒):0.5 25、电抗器交流绕组的空心电抗为(欧):0.1 要修改这些数据吗(y/n)?N 启动完成时间为(秒)： 46.4250 启动过程中电机能量消耗为(焦耳)： 5.6788e+007 启动过程电机能量消耗标么值为(%)： 49.2492 启动过程电抗器交流绕组能量消耗为(焦耳)： 0 >> plotni