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电网电压不平衡会对异步电动机的运行造成不良影响,因此研究三相电网电压不平衡时复数电压不平衡度(CVUF)的相角因素对异步电动机运行性能的影响。首先分析了三相绕组电压幅值、相位和CVUF间的关系,基于此,以1台5.5 kW Y132S-4异步电动机为例,在正序电压380 V、CVUF幅值恒定以及75%负载条件下,分析了CVUF相角因素对异步电机的定子电流、损耗、转矩性能的影响。结果表明:异步电机定子三相电流均随CVUF相角呈正弦规律变化,为避免带载能力下降过多及绕组过热,异步电机应避免运行在定子电流最大值处;CVUF相角对各项损耗、起动性能及稳态转矩脉动分量影响较小。最后计算了不同电压平衡条件下的异步电机三相定子电流和内部各项损耗,结果与实测结果基本一致,证明了理论分析的正确性。
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0
引言
电压不平衡是电力系统中一种普遍的电能质量
偏差现象
,
包含幅值与相角不平衡因素
,
且主要由电
网中三相负荷分布不均造成
。
异步电机运行在此状
态下会产生损耗增加
、
温升过高
、
寿命缩短及输出转
矩减小等不良影响
[
13
]
。
为了探索电压不平衡条件下
异步电机安全运行及节能控制策略
,
有必要针 对电
压不平衡时相角因素对异步电机定子三 相电流
、
各
项损耗及转矩性能的影响进行研究
。
已有大量文献对三相电压不平衡对异步电机运
行性能及损耗 的影响开展了相关研究
。
文献
[
4
]
指出
复数电 压 不 平 衡 度
CVUF
(
Complex Voltage Un
balance Factor
)
同时包含幅值和相角不平衡因素
,
分
析 了
CVUF
相角对异步 电机 运行 性 能的 影 响
,
最终
提 出 在 分 析 异 步 电 机 不平 衡 运 行 问 题 时 必 须 考 虑
CVUF
相角对其的影响
;
文献
[
5
]
建立了三相感应电
动机瞬态模型
,
使用四阶龙 格库塔 方法计算了不同
CVUF
时感应 电 动 机 的 起 动 过 程
,
研究了
CVUF
与
最大转矩
、
起动时间
、
稳态三相电流 不平衡因数
、
转
速及其波动
、
转矩波动的关 系
;
文献
[
6
]
指出美国 电
气制造 商 协 会
(
NEMA
)
与国际 电 工 委 员 会
(
IEC
)
对
电压不平 衡度
(
VUF
)
的定义 均不 是 最精确 的
,
基于
这些定义对电机运行性能的 分析也是不准确的
,
因
此有必 要 制定一个更精确的
VUF
定义
;
文献
[
7
]
对
电压不平衡条件下异步电机的损耗
、
温升
、
噪声
、
振
动
、
转矩脉动
、
转差率
、
轴电压
、
轴电流和加速转矩进
行了分析
,
并指出电压不平衡导致转子损耗增加
,
且
定子电 流 不 平 衡 会 引 起 定 子 各 相 绕 组 温 度 分 布 不
均
,
同时造成加速转矩减小及
2
倍频的转矩脉动
;
文
献
[
8
]
使用对称分量法及
MATLAB
仿真得到如下结
论
:
综合
IEC
中
VUF
定义与电压不平衡情况可以精
确地评估电压不平衡对异步电机总铜耗
、
输入功率
、
功率因数及总输出转矩的影 响程度
,
但同时也 要考
虑
CVUF
相角对三相绕组最大电流及降额因数的影
响
,
并定义了一种区分电压不平衡状况的过欠系数
,
它有助 于 对 电 压 不 平 衡 条 件 下 异 步 电 机 的 运 行 性
能进行更为准确的 评估
。
综上
,
已有研究 在参考的
VUF
评估标准 上存 在 一定 分 歧
[
6
]
,
或并 没有考 虑电
机实际运行时三相绕组电压矢量和为
0
[
9
]
,
或没有同
时考虑
VUF
与正序电压
(
或平均电 压
)
[
5
]
,
且大部分
文献中所采用的传统磁路分析方法与等值电路理论
由于无法计及饱和及谐波等因素而存在较大误差
。
针对以上问题
,
本文利用对称分量法计算并分别
表 示 出 电 机 绕 组 三 相 电 压 幅 值
、
两 相 电 压 相 位 与
CVUF
幅值及相角的关系
,
并针对一台
5.5 kW Y132S-4
异步电机
,
建立了基于时步有限元的损耗计算模型
,
分析了
CVUF
相角对定 子三相电流
、
各项损耗 及 转
矩性能的影响
。
需要说明的是
,
由于电压不平衡情况
较为复杂
,
包括
CVUF
幅值
k
v
(
负序电压和正序电压
幅值之比
)、
CVUF
相角
θ
v
、
正序电压及负载率
4
个影
响因素
,
且经试验 测 得上 述 电机 在
k
v
= 0.05
及
75 %
负载下运行时最大单相电流 已超过额定电流
,
故文
中仅针对
75 %
负载
、
k
v
≤0.05
[
10
]
及正序电压为
380 V
摘要
:
CVUF
CVUF
1
5.5 kW Y132S-4
380 V
CVUF
75%
CVUF
CVUF
CVUF
关键词
:
中图分类号
:
TM 301.4
文献标识码
:
A DOI
:
10.3969 j.i ss n.10066047.2014.09 .008
电网电压三相不平衡时 CVUF 相角因素对异步电机
运行性能影响
1
1
1
1
1
2
1
102206
2
100192
收稿日期
:
2013
;
修回日期
:
201 07 24
基金项目
:
51307050
Project supported by the National Natural Science Foundation
of China
51307050
and the Fundamental Rese arch Funds for
the Central Universities
电 力 自 动 化 设 备
34 9
Sept. 14
第
34
卷第
9
期
14
年
9
月
电 力 自 动 化 设 备
、
U
U
k
∠θ
U
U
a
U
a U
U
U
aU
a
U
a
姨
°
U
U
U
k
θ
θ
U
°
°
、
三相绕组电压幅值与
间的关系
U
k
°≤θ
≤°
≤ U
≤
U
U
U
θ
U
U
k
三相绕组电压相位与
间的关系
U
°
U
θ
k
θ
θ
θ
k
θ
θ
k
θ
°
θ
k
θ
°
θ
k
k
θ
θ
θ
θ
k
U
θ
k
θ
k
~
θ
k
k
θ
∠°
U
∠°
U
∠°
U
∠°
△
U′
P
I
n
p
U
/ V
U
/ V
U / V
k
°≤θ
≤°
鄄
k
°≤θ
≤°
U
/ V
U
U
U
θ
/
°
k
θ
θ
°
θ
3°
θ
6°
θ
10°
θ
/
°
θ
/
°
k
k
k
k
k
k
4
k
5
θ
(
k
)
θ
k
(
θ
)
θ
k
θ
θ
k
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