負載電流

負載電流是指電機拖動負載時實際檢測到的定子電流數值，此值隨著負載的大小而變化。

基本介紹

• 中文名：負載電流
• 外文名：load current
• 描述：定子電流數值
• 套用：電器設備
• 學科：物理

基本信息

負載電流是指電器設備正常完成工作任務時的電流。比如說，一輛電動車，掛空擋啟動，馬達轉起來了，此時流過馬達的是空載電流，當掛擋跑起來時的電流是負載電流；一般情況下，空載電流應該大大小於負載電流，否則這個電器設備的效率較低。

異步電動機空載運行時，定子三相繞組中通過的電流，稱為空載電流。絕大部分的空載電流用來產生旋轉磁場，稱為空載激磁電流，是空載電流的無功分量。還有很小一部分空載電流用於產生電動機空載運行時的各種功率損耗（如摩擦、通風和鐵芯損耗等），這一部分是空載電流的有功分量，因占的比例很小，可忽略不計。因此，空載電流可以認為都是無功電流。從這一觀點來看，它越小越好，這樣電動機的功率因數提高了，對電網供電是有好處的。如果空載電流大，因定子繞組的導線截面積是一定的，允許通過的電流是一定的，則允許流過導線的有功電流就只能減小，電動機所能帶動的負載就要減小，電動機出力降低，帶過大的負載時，繞組就容易發熱。但是，空載電流也不能過小，否則又要影響到電動機的其他性能。一般小型電動機的空載電流約為額定電流的30%~70%，大中型電動機的空載電流約為額定電流的20%~40%。具體到某台電動機的空載電流是多少，在電動機的銘牌或產品說明書上，一般不標註。可電工常需知道此數值是多少，以此數值來判斷電動機的性能好壞，能否使用。

計算

電纜額定載流量確定可按國際電工委員會制定的IEC60287標準進行，而國內外相關人員的大量研究成果可作為該標準的一個補充和完善。電纜由於接地故障(短路)在極短時間(幾s)內承受的短路電流可根據IEC-949(1988)及IEC-986(1989)的標準確定。實際運行中由於各種原因，確定電纜短期負載電流還未有成熟的標準，用嚴格的數學方法計算太複雜，其公式也不符合日常計算的要求。研究綜合了現有的簡單敷設情況下電纜短期負載電流I₂的計算方法，研究了其計算過程中的相關問題，並對複雜敷設下的I₂做了推廣和延伸，給出了電纜在現有常用敷設下I₂的計算方法和經驗公式，可供電力線路設計和運行部門參考，以滿足工程實際套用需要。

空氣中敷設電纜

由於空氣的熱容一般可忽略，而電纜本體可由一集中熱阻T_T和一集中熱容C_T來表示，空氣中敷設的電纜其I₂為

式中，T_T=T₁+(1+λ₁)T₄，C_T=C_Tc+k(C_Ti +C_Ts)，τ=T_TC_T，其中，T₁、T₄分別為絕緣層及電纜表面至周圍媒質熱阻，TΩ_cm；λ₁為護套與線芯損耗之比；C_Tc、C_Ti、C_Ts分別為線芯、絕緣層、護套熱容，J/cm³°C；k為常數，取0.5；t為電纜允許短期負載時間，s；τ為電纜等效時間常數，s；I₁為過負載前流過線芯電流，A；θ_c1、θ_c2分別為過負載前線芯及短期負載線芯允許溫度，°C；R₁、R₂分別為單位長度線芯在θ_c1、θ_c2下的電阻，Ω/cm。

直接埋地敷設電纜

確定敷設在土壤中的I₂時，可將電纜及其周圍媒質分成若干區域，每個區域的溫度用一指數曲線表示，電纜溫升等於各區溫升之和。通常下，電纜本體分為線芯和絕緣層的一半與電纜的剩餘部分2個區域。若電纜為管道中敷設，則第1區域為線芯和絕緣層，第2區域為電纜表面至管道外表面。以周圍土壤劃分方式為第3個區域簡要說明。

土壤第1區域的內徑等於電纜外徑D_e(對管道敷設為管道外徑)。電纜周圍T₄=(ρ_T4/2π)ln(4L/D_e)，式中ρ_T4為土壤熱阻係數，TΩ_cm；L為電纜敷設深度，mm。由此土壤第3個區域的外徑設定為電纜敷設深度的4倍，即D₃=4L。然後，將區間π(D₃²-D_e²)/4按體積比1∶4 ∶16同心圓分成3個區域，其它2個區域的外徑分別為

已知電纜結構參數及ρ_T4及熱容係數ρ_CT後，即可獲得相應區域的T₁～T₅，C₁～C₅及τ₁～τ₅，因此

為求最佳周圍土壤劃分區域個數，對110 kV、線芯截面積500 mm²的XLPE電纜，在單迴路等邊三角形直埋敷設條件下(ρ_T4=120 TΩ_cm，ρ_CT=2.52 J/cm³°C，電纜敷設深度分別為720、1500、3000 mm)，原I₂為400 A，取不同的允許短期負載t(36000，6000，600，60，6 s)在變化周圍土壤劃分的個數，獲得I₂結果見圖1。

圖1 短期I2隨周圍土壤劃分區域個數的變化

顯然，劃分區域越多，以指數曲線表示的電纜線芯溫度上升速度越快，因此，在同樣的短期負載允許線芯溫度下，相應的I2就越小。由圖1見，電纜敷設越深，短期負載允許時間越短，土壤劃分區域個數對I2的影響越小。將土壤分為 4個區域，計算得線芯溫升在較長時間能與實際情況較好吻合。因此，建議計算時將土壤分為 4個區。

研究結論

在綜合現有的簡單敷設方式，如空氣中敷設、直埋地敷設情況下電纜短期負載電流計算方法的基礎上，研究了其計算過程中的相關技術問題，如過負載前電纜非滿載運行其線芯溫度的確定，以及周圍土壤區域劃分個數的選擇，並探討了一些複雜敷設方式，如直埋並更換回填土、水泥槽中管道敷設下的短期負載電流計算問題。

本研究給出了電纜在現有常用敷設下短期負載電流的確定方法，以及工程上實際可用的經驗計算公式，可供電力線路設計和運行部門參考和套用。同時，相關的設計思想還可在其它敷設方式的電纜短期負載電流計算中進一步推廣和延伸。

策略研究

研究背景

三相電壓型PWM整流器可實現網側電流正弦化、單位功率因數運行、能量雙向傳輸，真正實現了“綠色電能變換”。在PWM整流器的套用中，負載變化一般較劇烈，傳統雙閉環PI控制雖能獲得理想的穩態性能，但因其在控制系統結構上固有不足及PI調節的滯後性，動態過程中直流電壓會出現較大的偏差，不利於系統高品質運行。

在雙閉環控制基礎上加入負載電流前饋控制是提高PWM整流器抗負載擾動動態性能的主要方法。這裡結合PWM整流器在兩相同步旋轉坐標系下的數學模型，給出了PWM整流器雙閉環PI控制系統結構圖，從控制角度分析了雙閉環PI控制在克服負載擾動方面的不足，具體設計了負載擾動前饋補償器。分析表明，理論上可達到對負載擾動完全補償的動態前饋補償器在實際系統中難以實現，為簡化問題，得到了靜態前饋補償器表達式，分析了負載電流前饋控制策略的補償機理及影響靜態前饋補償效果的因素。最後用實驗驗證了理論分析的正確性並提出了進一步提高PWM整流器抗負載擾動動態性能的方法。

PWM整流器負載電流前饋控制

為提高 PWM 整流器對負載電流擾動的克服能力，可在原有雙閉環控制系統結構基礎上加入負載電流前饋控制。設電流環閉環傳遞函式為 W_ci(s)，前饋補償器傳遞函式為G_f(s)，因前饋補償器的輸出作為電流環給定值的一部分，則加入負載電流前饋控制後，電壓環結構如圖2所示。

圖2 加入負載電流前饋控制的電壓環結構圖

在實際系統中，由於PWM整流器主電路中L，R等參數的非線性及時變特徵，難以精確確定W_ci(s)的表達式，且因W_ci(s)分母階次大於分子 階次。為簡化問題，考慮到PWM整流器電流環的回響速度快，同時因電流環採用了PI調節，電流回響無靜差，若忽略電流環調節延遲而近似認為電流環閉環傳遞函式W_ci(s)=1，則有

加入I_L靜態前饋控制後電壓環結構如圖3所示。結合圖3可知，因PWM整流器電流內環的回響速度比電壓外環快得多，加入I_L前饋控制後，當I_L變化時，經前饋作用，有功電流的給定值i_d*迅速改變，通過電流環的快速調節，id及I_dc迅速變化以補償I_L的變化，大大減小了I_L變化對U_dc的影響。按上式確定的前饋補償器極易實現，但由於僅實現了對負載擾動的靜態補償，在負載擾動很劇烈的場合，U_dc仍有較明顯的動態偏差，當C大小一定時，U_dc動態偏差的大小主要取決於電流環調節延遲大小。擾動前饋補償的引入並不影響原閉環系統的穩定性，而閉環控制的存在又降低了對負載電流檢測精度和前饋補償器精度的要求。

圖3 加入負載電流靜態前饋控制的電壓環結構圖

研究結論

結合三相電壓型PWM整流器在兩相同步旋轉d，q坐標系下數學模型，建立了PWM整流器雙閉環PI控制系統結構圖，設計了負載擾動前饋補償器。分析了動態前饋補償器在實現上存在的困難，得到了簡化後的靜態前饋補償器。實驗結果表明，負載電流的靜態前饋補償可顯著改善抗負載擾動動態性能。在負載劇烈變化或對PWM整流器抗負載擾動動態性能要求很高的場合，可通過以下方法在靜態前饋補償的基礎上進一步提高PWM整流器的抗負載擾動動態性能：①提高電流環調節的快速性，該方法可通過適當調整電流環PI調節器參數或適當減小PWM整流器交流側電感大小來實現；②估測電流環延遲的大小，在前饋補償器中適當加入能抑制高頻噪聲的負載電流的微分項以近似抵消電流環調節的延遲。