一種星接三相異步發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)單相運(yùn)行的設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于異步發(fā)電機(jī)的分析設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種星接三相異步發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)單相運(yùn)行的設(shè)計(jì)方法，針對(duì)星接三相異步發(fā)電機(jī)單相運(yùn)行模式，基于對(duì)稱分量法對(duì)異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行建模設(shè)計(jì)，根據(jù)異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的正序電量、負(fù)序電量的耦合關(guān)系，并由流控電壓源將耦合關(guān)系體現(xiàn)在復(fù)合序網(wǎng)中，簡(jiǎn)化得到發(fā)電機(jī)運(yùn)行的約束條件，其設(shè)計(jì)原理科學(xué)可靠，建模設(shè)計(jì)方法工藝簡(jiǎn)單，運(yùn)行靈便，應(yīng)用效果好，節(jié)能節(jié)電性強(qiáng)。
【專利說明】
一種星接三相異步發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)單相運(yùn)行的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
[0001] 本發(fā)明屬于異步發(fā)電機(jī)的分析設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種星接三相異步發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn) 單相運(yùn)行的設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 目前，工業(yè)中使用的三相異步發(fā)電機(jī)比三相同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維 修方便，不需要直流勵(lì)磁，既可作為發(fā)電裝置應(yīng)用于獨(dú)立電力系統(tǒng)中，也可并網(wǎng)運(yùn)行，現(xiàn)已 成為國(guó)內(nèi)外新能源發(fā)電領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。星接三相異步發(fā)電機(jī)在艦船、飛機(jī)、通訊平臺(tái)、鉆 井平臺(tái)等獨(dú)立電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，但在照明、空調(diào)等這些系統(tǒng)中常用單相負(fù)載，盡 管單相異步發(fā)電機(jī)可以直接發(fā)出單相電，但是單相異步發(fā)電機(jī)容量小、損耗大、效率低，難 以滿足實(shí)際運(yùn)行需求。而三相異步發(fā)電機(jī)技術(shù)成熟，可選用規(guī)格多且效率較高，因此，出對(duì) 星接三相異步發(fā)電機(jī)連接方式進(jìn)行改進(jìn)，使其向外直接輸出單相電能具有重要的現(xiàn)實(shí)意義 及廣泛的應(yīng)用前景。
[0003] 在現(xiàn)有技術(shù)中，為判斷發(fā)電機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行的可行性，需要分析異步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài) 運(yùn)行狀態(tài)，因而，根據(jù)異步發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，尋求一種星接三相異步發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)單相運(yùn) 行的設(shè)計(jì)方法至關(guān)重要。

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0004] 本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，提出一種星接三相異步發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)單相運(yùn) 行的設(shè)計(jì)方法，簡(jiǎn)化異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的分析過程，為異步發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行及電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 提供快速有效的技術(shù)支持，該方法針對(duì)星接三相異步發(fā)電機(jī)單相運(yùn)行模式，基于對(duì)稱分量 法對(duì)異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行建模設(shè)計(jì)，根據(jù)異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出發(fā)電機(jī)穩(wěn)定 運(yùn)行時(shí)的正序電量、負(fù)序電量的耦合關(guān)系，并由流控電壓源將耦合關(guān)系體現(xiàn)在復(fù)合序網(wǎng)中， 簡(jiǎn)化得到發(fā)電機(jī)運(yùn)行的約束條件。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的設(shè)計(jì)方法包括以下工藝步驟：
[0006] (1)先把星接三相異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)參數(shù)向定子側(cè)折算，再將定子側(cè)參數(shù)與轉(zhuǎn)子 側(cè)參數(shù)折算到基值頻率下，分別推導(dǎo)三相異步發(fā)電機(jī)正序等值電路和負(fù)序等值電路，發(fā)電 機(jī)繞組為星型接法而無(wú)零序電流通路，使零序電流和零序電壓為零；
[0007] (2)根據(jù)正序等值電路和負(fù)序等值電路分別得到正序阻抗和負(fù)序阻抗，其中，正序 電壓等于正序電流與正序阻抗之積，負(fù)序電壓等于負(fù)序電流與負(fù)序阻抗之積；
[0008] (3)通過對(duì)稱分量法分別用正序電壓、負(fù)序電壓表示三個(gè)相電壓，用正序電流、負(fù) 序電流表示三個(gè)相電流；
[0009] (4)將三個(gè)相電壓與正序電壓、負(fù)序電壓間的關(guān)系代入三個(gè)線電壓與三個(gè)相電壓 間的表達(dá)式中，實(shí)現(xiàn)用正序電壓、負(fù)序電壓表示三個(gè)線電壓；
[0010] (5)根據(jù)星接三相發(fā)電機(jī)的三個(gè)線電壓所組成回路電壓為零的約束條件，第三個(gè) 線電壓用其余兩個(gè)線電壓表示，得到的兩個(gè)線電壓與正序電壓、負(fù)序電壓之間的關(guān)系式并 寫成矩陣形式，再對(duì)矩陣做逆變換，實(shí)現(xiàn)用正序電壓、負(fù)序電壓表示兩個(gè)線電壓；
[0011] (6)從星接三相異步發(fā)電機(jī)定子側(cè)分別選擇包含上述線電壓的兩個(gè)獨(dú)立回路，回 路電流為相電流，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，寫出用矩陣表示的線電壓與相電流間的關(guān)系，根 據(jù)已經(jīng)得到的兩個(gè)線電壓與正序電壓、負(fù)序電壓的關(guān)系和兩個(gè)相電流與正序電流、負(fù)序電 流的關(guān)系，得到正序電壓、負(fù)序電壓與正序電流、負(fù)序電流之間的耦合關(guān)系；
[0012] (7)采用流控電壓源表征正序電量與負(fù)序電量的耦合，建立星接三相異步發(fā)電機(jī) 單相負(fù)載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的復(fù)合序網(wǎng)模型，通過簡(jiǎn)單的電路變換，進(jìn)行復(fù)合序網(wǎng)模型中負(fù)序電路 部分的化簡(jiǎn)與折算，最終將負(fù)序電路及受控源部分簡(jiǎn)化為一個(gè)與正序阻抗串聯(lián)的簡(jiǎn)單阻 抗，進(jìn)而得到簡(jiǎn)化正序等值電路；
[0013] (8)將簡(jiǎn)化正序等值電路的回路阻抗之和作為目標(biāo)函數(shù)，通過優(yōu)化得到優(yōu)化變量 定子電流頻率標(biāo)么值和正序激磁電抗；
[0014] (9)再根據(jù)正序激磁電抗查找三相異步發(fā)電機(jī)磁化曲線得到正序感應(yīng)電勢(shì)，再由 正序等值電路計(jì)算出正序電流，由正序電流與負(fù)序電流之間關(guān)系得到負(fù)序電流，進(jìn)而由序 電流得到星接三相異步發(fā)電機(jī)的相電流，由相電流與阻抗得到基值頻率下的負(fù)載電壓，并 通過頻率反折算得到相應(yīng)的負(fù)載實(shí)際電壓，
[0015] (10)通過上述分析得到三相異步發(fā)電機(jī)單相運(yùn)行時(shí)的電勢(shì)、電流、電壓等電量，實(shí) 現(xiàn)了星接三相異步發(fā)電機(jī)單相運(yùn)行模型的設(shè)計(jì)。
[0016] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其設(shè)計(jì)原理科學(xué)可靠，建模設(shè)計(jì)工藝方法簡(jiǎn)單，運(yùn)行靈 便，應(yīng)用效果好，節(jié)能節(jié)電性強(qiáng)。
【附圖說明】：
[0017] 圖1為本發(fā)明涉及的星接三相異步發(fā)電機(jī)單相運(yùn)行模型設(shè)計(jì)方法的流程框圖。
[0018] 圖2為本發(fā)明涉及的星接三相異步發(fā)電機(jī)單相運(yùn)行時(shí)的定子連接結(jié)構(gòu)原理示意 圖。
[0019] 圖3為本發(fā)明涉及的星接三相異步發(fā)電機(jī)基值頻率下正序等值電路結(jié)構(gòu)原理示意 圖。
[0020] 圖4為本發(fā)明涉及的星接三相異步發(fā)電機(jī)基值頻率下負(fù)序等值電路結(jié)構(gòu)原理示意 圖。
[0021] 圖5為本發(fā)明涉及的星接三相異步發(fā)電機(jī)基值頻率下復(fù)合序網(wǎng)模型示意圖。
[0022]圖6為本發(fā)明涉及的星接三相異步發(fā)電機(jī)基值頻率下簡(jiǎn)化正序電路結(jié)構(gòu)原理示意 圖。
【具體實(shí)施方式】：
[0023]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0024]實(shí)施例:先選擇常規(guī)的星接三相異步發(fā)電機(jī)，其額定功率Pn為2.2kW，額定電壓UN為 380V，額定電流In為5A，額定轉(zhuǎn)速nN為1500r/min，額定頻率(基值頻率)fN為50Hz，定子電阻 R s為2.80Ω，轉(zhuǎn)子電阻（折算值)Rr為3.20Ω，定子電抗ΧΑ3.44Ω，轉(zhuǎn)子電抗(折算值)Χ/為 3.44 Ω ;基值頻率下感應(yīng)電勢(shì)Ε⑴與正序激磁電抗)Wυ的關(guān)系表示為：
[0025]
[0026] 如圖2所示，電機(jī)定子b相和c相輸出端各串聯(lián)一個(gè)平衡電容Cbl，并在一起作為節(jié)點(diǎn) 2，a相繞組的輸出端作為節(jié)點(diǎn)1，為滿足星接三相異步發(fā)電機(jī)建壓條件，在節(jié)點(diǎn)1與節(jié)點(diǎn)2之 間接上建壓電容(-，單相負(fù)載也接在節(jié)點(diǎn)1與節(jié)點(diǎn)2之間；
[0027]先對(duì)星接三相異步發(fā)電機(jī)側(cè)通過對(duì)稱分量法進(jìn)行分析，由于星接三相異步發(fā)電機(jī) 中不含零序電流通路，零序電流與零序電壓均為〇,設(shè)a = d12()°為復(fù)數(shù)算子，將不對(duì)稱的a、b、 C三相電壓Ua、Ub、Uc用正序電壓U(l)、負(fù)序電壓U(2)表不為：
[0028] _ _ C」. [_
_
[0029] 相應(yīng)地，不對(duì)稱的a、b、c三相電流Ia、Ib、Ic用正序電流I⑴、負(fù)序電流I⑵表示為： [0030]
[0031]圖3與圖4分別為折算到基值頻率下的星接三相異步發(fā)電機(jī)的正序等值電路與負(fù) 序等值電路，其中各感抗值對(duì)應(yīng)于基值頻率；
[0032]根據(jù)正序等值電路圖3、負(fù)序等值電路圖4中正序阻抗Ζ?⑴、負(fù)序阻抗Ζ?⑵、負(fù)序激 磁電抗xm(2)、定子頻率標(biāo)幺值為f，同時(shí)考慮到正序、負(fù)序電壓的正方向與正序、負(fù)序電流的 正方向，下列關(guān)系成立
[0033]
[0034]
[0035]
[0036]
[0037]然后對(duì)負(fù)載側(cè)進(jìn)行分析建模，根據(jù)星接三相異步發(fā)電機(jī)線電壓Uab、Ubc、U ca與相電 壓Ua、Ub、Uc的關(guān)系得：
[0038]
[0039] 聯(lián)立相電壓與序電壓、線電壓與相電壓的關(guān)系式得到線電壓與序電壓的關(guān)系為：
[0040] ..ca」 L
」
[0041] 考慮到星接三相異步發(fā)電機(jī)中線電壓組成回路，三個(gè)線電壓之和為〇,根據(jù)線性相 關(guān)性消去第三個(gè)線電壓Uca，則有：
[0042]
[0043] 將上式逆變換得到由線電壓表示的序電壓：
[0044]
[0045] 對(duì)應(yīng)于星接三相異步發(fā)電機(jī)繞組與負(fù)載組成的兩個(gè)獨(dú)立回路，并用乂^與乂^分別 表示基值頻率下建壓電容容抗與平衡電容容抗，則線電壓與線電流之間關(guān)系滿足：
[0046]
[0047] 結(jié)合線電流與序電流的關(guān)系式可得線電壓與序電流之間的關(guān)系：
[0048]
[0049]最終可推導(dǎo)出正序電壓、負(fù)序電壓與正序電流、負(fù)序電流之間關(guān)系：
[0054]由上述推導(dǎo)過程得，正序電壓既與正序電流相關(guān)，也與負(fù)序電流相關(guān)，負(fù)序電壓既 與正序電壓相關(guān)，也與負(fù)序電流相關(guān)，表明正序電量與負(fù)序電量發(fā)生了耦合；
[0050]
[0051]
[0052]
[0053]
[0055] 本實(shí)施例采用流控電壓源處理正序電量與負(fù)序電量的耦合關(guān)系，建立星接三相異 步發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)單相負(fù)載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的復(fù)合序網(wǎng)模型如圖5所示，在圖5所示復(fù)合序網(wǎng)模型正 序回路中，設(shè)與正序阻抗Ζ?⑴串聯(lián)的阻抗為，則：
[0056]
[0057]對(duì)復(fù)合序網(wǎng)模型中負(fù)序回路列寫基爾霍夫電壓方程：
[0058] Z2ll(l)+Z22l(2)+Zz(2) 1(2) = 0
[0059 ]進(jìn)而得到正序、負(fù)序電流之間關(guān)系為：
[0060] LL
[0061] 推導(dǎo)得出阻抗
[0062]
[0063]再將復(fù)合序網(wǎng)模型簡(jiǎn)化為圖6所示的正序電路;在簡(jiǎn)化的正序電路圖6中，根據(jù)基 爾霍夫電壓定律，回路壓降為0,而正序電流不為0,則回路阻抗Z必為0,即：
[0064] Ζ = Ζθ+Ζ?(ι) = 0
[0065] 上式為星接三相異步發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)單相運(yùn)行所滿足的必要條件；
[0066] 本實(shí)施例采用優(yōu)化方法對(duì)回路阻抗為0的非線性方程進(jìn)行求解，定義目標(biāo)函數(shù)：
[0067] f(f,Xm(i))= |Ζ
[0068] 此目標(biāo)函數(shù)的最小值為0,通過二維尋優(yōu)可求取主與乂》⑴這兩個(gè)變量，在星接三相 異步發(fā)電機(jī)單相帶載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的分析過程中，?和x m⑴為^鍵變量，其為計(jì)算其他各電量的 前提；
[0069] 通過本實(shí)施例所給出的異步發(fā)電機(jī)磁化曲線分段函數(shù)，再由正序激磁電抗Xm⑴查 表得正序感應(yīng)電勢(shì)Ε(υ;
[0070] 設(shè)正序感應(yīng)電勢(shì)的相角為0,根據(jù)正序等值電路圖3中各電量關(guān)系得出正序電流：
[0071]
[0072] 由前面推導(dǎo)出的正序電流與負(fù)序電流之間關(guān)系求出負(fù)序電流：
[0073]

[0074]在正序電流和負(fù)序電流已知的情況下，由相電流與序電流之間關(guān)系得到各相電 流：
[0075]
[0076] 再根據(jù)歐姆定律，由各相電流與各相負(fù)載的乘積求得星接三相異步發(fā)電機(jī)基值頻 率下的輸出電壓，為求出實(shí)際電壓，需將所求基值頻率下的電壓乘以頻率標(biāo)么值?;
[0077] 最后給出星接三相異步發(fā)電機(jī)單相運(yùn)行的分析設(shè)計(jì)結(jié)果，并把計(jì)算值i實(shí)測(cè)值進(jìn) 行比較，以驗(yàn)證模型設(shè)計(jì)方法的正確性和準(zhǔn)確度；
[0078] 星接三相異步發(fā)電機(jī)所帶單相負(fù)載電阻Rl=100.0Q、基波電抗XL=125.7Q ;當(dāng)建 壓電容Cex = 35yF、平衡電容Cbi = 45yF時(shí)，由模型設(shè)計(jì)方法計(jì)算得負(fù)載電壓有效值為 241.0V，實(shí)測(cè)值為242.4V;當(dāng)建壓電容Cex=50yF、平衡電容Cbi = 80yF時(shí)，由模型設(shè)計(jì)方法計(jì) 算得負(fù)載電壓有效值為312.4V，實(shí)測(cè)值為315.7V;
[0079]結(jié)果表明模型正確、方法有效，能夠?qū)崿F(xiàn)星接三相異步發(fā)電機(jī)的單相運(yùn)行。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種星接三相異步發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)單相運(yùn)行的設(shè)計(jì)方法，其特征在于：該方法針對(duì)星接 三相異步發(fā)電機(jī)單相運(yùn)行模式，基于對(duì)稱分量法對(duì)異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行建模設(shè)計(jì)，根據(jù)異 步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的正序電量、負(fù)序電量的耦合關(guān)系，并 由流控電壓源將耦合關(guān)系體現(xiàn)在復(fù)合序網(wǎng)中，簡(jiǎn)化得到發(fā)電機(jī)運(yùn)行的約束條件，其具體工 藝過程包括以下步驟： (1) 先把星接三相異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)參數(shù)向定子側(cè)折算，再將定子側(cè)參數(shù)與轉(zhuǎn)子側(cè)參 數(shù)折算到基值頻率下，分別推導(dǎo)三相異步發(fā)電機(jī)正序等值電路和負(fù)序等值電路，發(fā)電機(jī)繞 組為星型接法而無(wú)零序電流通路，使零序電流和零序電壓為零； (2) 根據(jù)正序等值電路和負(fù)序等值電路分別得到正序阻抗和負(fù)序阻抗，其中，正序電壓 等于正序電流與正序阻抗之積，負(fù)序電壓等于負(fù)序電流與負(fù)序阻抗之積； (3) 通過對(duì)稱分量法分別用正序電壓、負(fù)序電壓表示三個(gè)相電壓，用正序電流、負(fù)序電 流表示三個(gè)相電流； (4) 將三個(gè)相電壓與正序電壓、負(fù)序電壓間的關(guān)系代入三個(gè)線電壓與三個(gè)相電壓間的 表達(dá)式中，實(shí)現(xiàn)用正序電壓、負(fù)序電壓表示三個(gè)線電壓； (5) 根據(jù)星接三相發(fā)電機(jī)的三個(gè)線電壓所組成回路電壓為零的約束條件，第三個(gè)線電 壓用其余兩個(gè)線電壓表示，得到的兩個(gè)線電壓與正序電壓、負(fù)序電壓之間的關(guān)系式并寫成 矩陣形式，再對(duì)矩陣做逆變換，實(shí)現(xiàn)用正序電壓、負(fù)序電壓表示兩個(gè)線電壓； (6) 從星接三相異步發(fā)電機(jī)定子側(cè)分別選擇包含上述線電壓的兩個(gè)獨(dú)立回路，回路電 流為相電流，根據(jù)基爾霍夫電壓定律，寫出用矩陣表示的線電壓與相電流間的關(guān)系，根據(jù)已 經(jīng)得到的兩個(gè)線電壓與正序電壓、負(fù)序電壓的關(guān)系和兩個(gè)相電流與正序電流、負(fù)序電流的 關(guān)系，得到正序電壓、負(fù)序電壓與正序電流、負(fù)序電流之間的耦合關(guān)系； (7) 采用流控電壓源表征正序電量與負(fù)序電量的耦合，建立星接三相異步發(fā)電機(jī)單相 負(fù)載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的復(fù)合序網(wǎng)模型，通過簡(jiǎn)單的電路變換，進(jìn)行復(fù)合序網(wǎng)模型中負(fù)序電路部分 的化簡(jiǎn)與折算，最終將負(fù)序電路及受控源部分簡(jiǎn)化為一個(gè)與正序阻抗串聯(lián)的簡(jiǎn)單阻抗，進(jìn) 而得到簡(jiǎn)化正序等值電路； (8) 將簡(jiǎn)化正序等值電路的回路阻抗之和作為目標(biāo)函數(shù)，通過優(yōu)化得到優(yōu)化變量定子 電流頻率標(biāo)么值和正序激磁電抗； (9) 再根據(jù)正序激磁電抗查找三相異步發(fā)電機(jī)磁化曲線得到正序感應(yīng)電勢(shì)，再由正序 等值電路得出正序電流，由正序電流與負(fù)序電流之間關(guān)系得到負(fù)序電流，進(jìn)而由序電流得 到星接三相異步發(fā)電機(jī)的相電流，由相電流與阻抗得到基值頻率下的負(fù)載電壓，并通過頻 率反折算得到相應(yīng)的負(fù)載實(shí)際電壓； (10) 通過上述分析得到三相異步發(fā)電機(jī)單相運(yùn)行時(shí)的電勢(shì)、電流、電壓等電量，實(shí)現(xiàn)了 星接三相異步發(fā)電機(jī)單相運(yùn)行模型的設(shè)計(jì)。
【文檔編號(hào)】H02P103/10GK105897092SQ201610273297
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年4月27日
【發(fā)明人】吳新振, 鄭曉欽, 李嘉, 張陽(yáng)
【申請(qǐng)人】青島大學(xué)