摘要：感应电动机是电力系统中最常见的动态负荷类型，其负荷特性对电力系统运行有着重要影响。当前随着变频器在工业界的广泛应用，带变频器的感应电动机负荷特性与传统感应电动机负荷存在很大的不同。通过建立带PWM变频器感应电动机的数学模型，研究其有功功率P和无功功率Q在稳态低电压及故障动态时的变化情况，分析了计及变频器的感应电动机负荷特性，并与传统感应电动机负荷进行比较。
关键词：变频器；感应电动机；负荷；分析
1 导言
电力系统负荷模型是影响电力系统稳定分析和系统动态稳定控制设计的关键因素之一。在系统运行规划中，采用不精确的负荷模型可能会得到过于乐观的稳定运行条件，导致实际系统发生灾难性事故。正因为负荷建模的重要性，在过去三十多年里已有很多电力工作者致力于如何得到精确的负荷模型。负荷模型对系统电压稳定和暂态稳定特性及稳定控制的重要影响更是激发了人们对负荷建模的兴趣。尽管投入了大量的研究工作并且取得了一定成果，但是负荷建模仍然是大型电力系统仿真中最难解决的问题之一。这主要由两方面的因素决定。首先是电力系统负荷建模的技术因素。电力系统负荷种类多样且主要分布在电压等级比较低的配电网络中，要对配电网络中各个端节点负荷都进行详细建模是不切合实际的。因此，期望将大量独立负荷元件及复杂配电网络的综合影响尽可能等值到少数几个负荷模型上，以表征原负荷系统的响应特性。其次是负荷建模必需的原始数据的获取。负荷需求包括负荷的大小和结构两方面，所以负荷的变化不仅体现在负荷功率大小的变化上，而且还表现在因环境温度条件及用电模式引起的负荷组成结构的变化上。因此，这就给负荷建模带来了高度的不确定性。
2 常用感应电动机负荷模型
随着我国制造业的快速发展，感应电动机被广泛应用于冶金、机械制造、矿山等行业，设备的设计与应用逐渐向大型化发展。系统短路时，大容量感应电动机向短路点提供短路电流的现象越来越受到关注。根据不同的应用领域和分析计算目的，电力工作者已经提出了多种感应电动机模型。比较详细的模型是五阶电磁暂态模型，其中考虑了定子绕组、转子绕组的电磁暂态特性，以及转子的机械暂态特性。其中R1、L1、LMD、L23D、L2D、R2D、L3D、R3D分别表示定子电阻、定子电抗、激磁电抗、转子两绕组电抗、转子两绕组电阻、转子三绕组电抗、转子三绕组电阻。
3 计及感应电动机负荷静特性的小干扰电压稳定分析
通过分析可以看出感应电动机负荷采用不同参数时的小干扰稳定临界电压也不同。基于潮流模型的小干扰电压稳定通常忽略感应电动机负荷参数变化对其静特性的影响,只是将其简单的看作恒功率特性,从而将输电系统功率传输极限时的系统运行状态作为小干扰电压稳定的极限状态。采用不同参数时,感应电动机负荷静特性曲线分别。在初始功率相同的情况下,感应电动机负荷特性曲线与发输电系统特性曲线有稳定的平衡交点,系统是小干扰电压稳定的感应电动机负荷特性曲线与发输电系统特性曲线有稳定的平衡交点,但该平衡交点处的电压是感应电动机负荷小干扰稳定临界电压,系统小干扰电压临界稳定感应电动机负荷特性曲线与发输电系统特性曲线没有稳定的平衡交点,系统是小干扰电压不稳定的。
4 感应电动机负荷的特性分析
一是同步运行点A(0,0)。电动机在该点的转子转速为同步速，所以滑差s等于0；由于气隙磁场与转子绕组无相对切割，所以该点的电磁转矩Tem也等于0。
二是额定运行点B(Tn,sn)。B为电动机额定运行状态，Tn为额定电磁转矩，sn为额定运行滑差。
三是临界运行点C(Temmax,sc)。Temmax为电动机的最大电磁转矩，sc为临界滑差。当转子滑差s大于临界滑差sc时，电动机进入不稳定运行状态，最终会停运或堵转。
四是堵转运行点D(Tst,1)。对应于电动机转子转速s=1，该点对应的转矩Tst即为三相异步电动机的堵转转矩(或自启动转矩)。
为使电动机能适应在短时间内适当过载而不致堵转，额定转矩不宜太靠近最大转矩。定义最大电磁转矩Temmax与额定转矩Tn的比值为电动机的最大转矩倍数，它反映了电动机的过载能力，是感应电动机非常重要的一个性能指标，用km表示，即
当端电压大于零点五五时，感应电动机有稳定运行点，在稳定点处，其有功功率和无功功率基本保持不变，此时可以将感应电动机负荷近似看成恒定功率负荷，当端电压小于零点五五时，感应电动机发生堵转，电压特性曲线出现跃变，此时其有功功率基本为零，无功功率突然增大，然后逐渐减小。加了变频器之后，应该考虑其低压跳闸。变频器低电压主要是指中间直流回路的低电压，一般能引起中间直流回路的低电压的原因来自两个方面,来自电源输入侧的低电压、来自负载侧的低电压。
加变频器之后，测量感应电动机在各个电压下的有功功率、无功功率变化。研究发现在正常的运行范围内，感应电动机的有功功率随着电压的减小逐渐增大，无功功率随着电压的下降减少。在电压降到零点八左右时，变频器由于低电压保护，将自动断开，保护电路。当线路发生短路故障时，传统感应电动机功率浮动较大。加上变频器之后，功率波动相对较小。
7 结论
通过对传统感应电动机的负荷特性进行了分析，感应电动机负荷随着电压的降低，有功功率基本保持恒定，无功功率略有降低，当在电压低于一定程度时，感应电动机将会堵转，有功功率快速衰减为零，无功功率快速增长。安装变频器后，由于变频器的低压保护作用，在电压低到感应电动机堵转电压之前，变频器将会停止工作，自动切除电动机负荷，其负荷电压特性表现有很大不同。带变频器的感应电动机负荷存在低压脱扣问题，对系统保持电压稳定有利，而采用计及变频器的感应电动机负荷模型可以更为准确地模拟电网的实际运行。
参考文献
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论文作者:彭荣涛
论文发表刊物:《电力设备》2016年第24期
论文发表时间:2017/1/16
标签：电动机论文; 负荷论文; 感应论文; 电压论文; 功率论文; 变频器论文; 转矩论文; 《电力设备》2016年第24期论文;