（云南电力技术有限责任公司 云南昆明 650217）
摘要：根据大容量同步电动机动态稳定性影响因素进行分析，结合水力因素和机械因素，考虑在各种电网/泵站运行方式组合下，各种故障模式（故障类型、故障地点、故障切除时间、重合闸时间等），对泵站电动机的动态特性如功角、频率、电压等的影响，利用MatLab/Simulink软件建立数学模型。
关键词：同步电动机、动态特性、MatLab/Simulink、数学模型
1 引言
大容量同步电动机与异步电动机相比具有效率高、功率因数可调、体积小、转速恒定等许多不可比拟的优点，国内大型泵站如南水北调东线工程主电机均采用同步电动机[1]。但国内已建大型泵站，起动时常发生起动振动、抬机、不能牵人同步、起动时断路器炸裂等事故，影响泵站正常运行，如国内最早建成投运的改造前的原江都一、二站需利用涨潮条件才能进行起动，南水北调淮安三站大型贯流泵站时有起动困难等[2]。
故而必须对大容量同步电动机动态稳定性影响因素进行分析，结合水力因素和机械因素，考虑在各种电网/泵站运行方式组合下，各种故障模式（故障类型、故障地点、故障切除时间、重合闸时间等），对泵站电动机群的动态特性如功角、频率、电压等的影响，利用MatLab/Simulink软件建立数学模型，开展大容量同步电动机动态特性仿真研究。
2 大容量同步电动机动态稳定性影响因素分析
对大容量同步电动机来说，动态稳定性影响因素主要有水力因素和机械因素。水力因素主要是大容量同步电动机在运行过程中，由非定常内部流场、流体空化等水力原因诱发的水压力脉动载荷；而机械因素主要是机械部件加工、安装不当诱发的动载荷。结构响应主要是大容量同步电动机在动载荷作用下产生的结构振动(即位移、速度、加速度)、噪声、结构应力等。大容量同步电动机结构研究主要是指结构参数识别，即大容量同步电动机结构模态分析。
2.1 水力因素
作用于大容量同步电动机的水力因素主要是泵内非定常流场产生的压力脉动。压力脉动是大容量同步电动机机组运行中经常出现的一种固有不稳定现象，是机组产生振动、噪声的主要根源，对压力脉动与振动、噪声的关系进行探究。利用PIV技术测得蜗壳内部流场的速度分布、压力分布变化及流体对叶轮的作用力，说明变流量下蜗舌间隙变化对蜗壳内部流动的波动、水力振动、噪声的影响，说明产生噪声的主要原因是因为在蜗舌分水区叶轮出口流动的非均匀性与蜗舌干涉的影响。各工况下叶片通过频率是压力脉动和流动噪声的主频，这是由叶轮与蜗壳的动静干涉引起的；而流动噪声在轴频二倍频(44.8Hz)和224.8Hz处也有明显峰值，这是由叶轮叶片数和蜗壳壳体振动引起的。
2.2 机械因素
借助CFD技术，可模拟动静部件干扰与流体的相互作用，采用RANS方法模拟离心泵内部非定常流动，分析叶轮与隔舌间的动静干扰引起的动态特性，采用的数学模型能捕捉到蜗壳壁面处叶片通过频率压力脉动。
当诱导轮转速在某一范围内，诱导轮内部全流道压力脉动对叶片产生谐振，引发叶片裂纹，当运行转速超出这个谐振区域，流体压力脉动频率中与叶片固有频率接近的信号随之消失。对无短叶片、长短叶片和短短叶片三种叶轮的单级离心泵，采用非定常CFD方法数值模拟分析了设计工况点的整机全三维流场，研究发现，长短叶片结构的叶轮蜗壳出口压力波动小且该结构形式可以减小二次流流场影响，但是长叶片数目减少造成进口压力波动幅度较大；短叶片几何尺寸的不同影响进出口压力波动形式和幅度的不同。对双吸离心泵隔舌区和叶片区压力脉动进行三维非定常湍流数值模拟，在设计工况和大流量工况下，叶片通过频率在脉动频率中占主导地位，而在小流量工况下，低于一倍叶片通过频率的脉动占主导地位，叶片区压力脉动频率以叶轮转频为主，压力脉动幅值随着流量偏离设计工况的程度变化。
3 数学模型的建立
同步电动机的多变量动态数学模型能比较准确地描述其动态特性。同步电动机定子有空间互差120°的 、 、 三相组绕组转子有励磁绕组 和笼形阻尼条 ，将 等效成相互垂直的 、 二相绕阻,如图1所示图中画出了各绕组的轴线方向即三相坐标轴 、 、 和两相坐标轴 、 、 轴与 轴方向相同,为了简单各绕组均省略不画。电机的微分方程动态数学模型括号电压方程,磁链方程,电磁转矩方程和运行方程。
电压方程：
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4 结论
根据大容量同步电动的的实际物理构建立其多变量动态数学模型，再利用坐标旋转变换原理将其简化为在两相旋转坐标系的简化数学模型,再进行其动态特性 仿真方法研究，然后由此设计在MatLab/Simulink上的可视化仿真模型,克服传统微分方程模型太抽象和求解复杂困难的缺点，有助于后期开展大容量同步电动机动态特性仿真研究。
参考文献：
[1]潘湘高.大功率同步电动机的建模与仿真方法研究[J].计算机仿真,2013,30(3):231-234. DOI:10.3969/j.issn.1006-9348.2013.03.056.
[2]葛强,段小汇,徐良良, 等.南水北调大型泵站同步电动机起动动态特性试验研究[J].大电机技术,2006,(5):1-5. DOI:10.3969/j.issn.1000-3983.2006.05.001.
论文作者:顾跃
论文发表刊物:《电力设备》2019年第23期
论文发表时间:2020/5/6