主冷却剂泵变频启动的建模与仿真

刘现星，陈保同，刘翠英，刘志宏

(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064)

主冷却剂泵变频启动的建模与仿真

刘现星，陈保同，刘翠英，刘志宏

(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064)

主冷却剂泵在全压启动时，电机会产生很大的启动电流，而变频启动方式可以有效降低主冷却剂泵电机启动电流。本文建立了主冷却剂泵电机电磁转矩、电流数学模型，对主冷却剂泵的启动特性进行了研究。仿真结果表明，变频启动有效降低了主冷却泵电机的启动电流峰值，启动电流的峰值随着变频时间的增加而减小。

主冷却剂泵;变频启动;建模与仿真

0 引言

核动力装置主冷却剂泵(下简称主泵)全压启动时，主泵电机会产生很大的启动电流。为使主泵很快达到额定转速而正常工作，要求主泵电动机具有足够大的启动转矩，但又不希望启动电流太大，以免使电动机本身受到过大电磁力的冲击。而采用变频的方式启动主泵，可以有效降低主泵电机高速绕组启动时过大的启动电流对主泵电机的冲击，延长主泵电机的使用寿命。

本文建立了主泵电机电磁转矩、启动电流数学模型，在建立的核动力装置仿真平台上对主泵的变频启动特性进行了仿真研究。

1 变频方式

变频是通过改变供电电源的频率f1，进而调节异步电动机的同步转速n1，从而使电动机获得平滑的速度变化。

由异步电动机定子电势方程式［1］

可以看出，在降低电源频率f1进行调速时，若电源电压保持额定值不变，则主磁通Φ1增加，电动机磁路将进入饱和区域，从而导致空载电流I0和铁心损耗的急剧增大，电动机温升过高，这是不允许的。为此变频时，为保持主磁通Φ1不变，必须同时调节电源电压，使U1/f1为常数［1－2］，以期获得良好的调速性能。

2 数学模型

2.1 电磁转矩

异步电动机的电磁转矩表达式如下［3］:

参考转速下的电磁转矩表达式为:

式中:τE，ref为参考转速下的电磁转矩，N·m;P为极对数;m1为定子绕组的相数;U1为外施加电压，V;r1为定子电阻，Ω;r2'为转子的折算电阻(经绕组和频率折算)，Ω;σ1为校正系数;X1为定子漏抗;X2'为转子不动时的折算漏抗(经绕组和频率折算);f1为转子电流的频率(外施频率)，Hz;s为转子的转差率，无量纲。

转差率的表达式为:

设变频时，外加电压、频率和转差率分别用U，f和s表示，对于特定绕组X1，X2'∝f，于是电磁转矩表达式变为:

对于容量较大的感应电动机，σ1≈1，假设变频时保持U/f为常数，即U1/f1=U/f，则式(5)可变为:

代入转差率表达式(3)，得:

2.2 启动电流

根据较准确的Γ型等效电路可求得主泵电机电流表达式［3］:

取σ1=1，则主泵电机变频启动时电流表达式为:

3 仿真结果及分析

分别在主泵全压启动、变频时间分别为2，3，4和5 s情况下，对主泵电机电磁转矩和电流进行了仿真计算。在计算中假设频率随时间线性增加，变频时间结束时频率增加到50 Hz。图1和图2给出了电磁转矩和电流的计算结果，比值的基准值分别为稳定运行后的电磁转矩值和电流值。

由图1可以看出，较短的变频时间可以使主泵电机电磁转矩较快地增加，相比全压启动，这样可以使主泵更快地进入正常工作状态;随着变频时间的增加，电磁转矩增加的速度减慢，且变频时间越长，主泵达到稳态运行所需要的时间也就越长。

图1 电磁转矩比Fig.1 Electromagnetic torque ratio

图2 电流比Fig.2 Current ratio

由图2可以看出，全压启动会产生持续一段时间的启动高电流;采用变频方式启动，不仅可以降低最大启动电流，而且还可以缩短主泵电机在较高启动电流运行的时间;启动电流的峰值随着变频时间的增加而逐渐减小，当变频时间超过5 s后，启动电流的峰值基本保持不变。

4 结语

基于理论推导，本文建立了主泵电机电磁转矩、电流数学模型，在建立的核动力装置仿真平台上对主泵的启动特性进行了仿真研究。计算结果表明，主泵电机较长时间的变频启动可以有效地降低启动时的电流峰值，但变频时间越长，主泵达到额定转速所需要的时间也越长，且变频时间超过一定值后，对启动电流的消峰作用也不明显。因此，为了能更迅速地使主泵启动，变频时间也不应太长。

［1］张勇.电机拖动与控制［M］.北京:机械工业出版社，2001.115－124.

［2］何巨兰.电机与电器控制［M］.北京:机械工业出版社，2003.75－78.

［3］许实章.电机学［M］.北京:机械工业出版社，1996.254.

Modeling and simulation of frequency conversion start-up of main coolant pump

LIU Xian-xing，CHEN Bao-tong，LIU Cui-ying，LIU Zhi-hong
(Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China)

Frequency conversion can be used to dramatically reduce the big current shock that arises from the full voltage start-up of electromotor.The paper introduces the main coolant pump's models of electromagnetic torque and current.Using these models，the process of main coolant pump's start-up is investigated.Simulation result indicates that the start-up current peak of main coolant pump can be effectively reduced by ways of frequency conversion，and the current peak reduces as the frequency conversion time increases.

main coolant pump;frequency conversion start-up;modeling and simulation

TM343，TL33

A

1672－7649(2012)04－0061－03

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.04.013

2011－06－23;

2012－01－13

刘现星(1982－)，男，工程师，主要研究方向为动力装置仿真。