三相异步发电机不对称运行的研究.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流三相异步发电机不对称运行的研究.精品文档.青岛大学硕士学位论文三相异步发电机不对称运行的研究姓名：魏雪敏申请学位级别：硕士专业：电力系统及其自动化指导教师：吴新振20110528是一个值得研究的实际问题。本文分析了自激异步发电机三种情况下的非对称稳态运行，这对解决实际问题，保证电机的安全稳定运行具有很好的指导意义。针对角接异步发电机单电容空载建压这种非对称稳态运行问题，以对称分量法为基础，并根据饱和程度不同分别处理正、负序等值电路中的激磁电抗，推导稳态运行的回路阻抗方程并用优化法求解，进而得到三相空载稳态相电压。通过理论计算与实验验证表明，单个自激电容也能实现空载建压，空载电压随自激电容的增加而增大，但上升的幅度逐渐减小，且自激电容所在相的电压最大。以问亩丝谕绲戎档缏肺;。治隽薡接三相异步发电机带单相负载稳态运行时的情况，计算结果表明异步发电机带纯电阻负载时，负载电压随平衡电容值的增大而大幅增加，随自激电容值的增大而减小。带阻感性负载时，负载电压随平衡电容值的增加而上升，随自激电容的增加先增大，达到最大值后，又开始迅速减小。通过比较并联电容补偿、短并励电容补偿和长并励电容补偿对负载电压的影响可以得到，并联电容补偿和长并励电容补偿并不能达到理想的补偿效果，对负载有分压、分流的作用。短并励电容对纯电阻负载电压也有分压作用，而短并励电容为阻感性负载提供了容性电流，补偿了电路的无功损耗，因此能改善负载的电压特性，提高电机的带负载能力。关键词：异步发电机；不对称运行；二端口网络法，等效电路模型瑄瑃猚甋幄騦 甌猚甌琣琤第一章引言选题的背景和意义一次能源进行发电受到了相当重视，在可再生能源转换为电能的过程中，异步电机作为发电机使用也越来越广泛。在远离电网的偏远地区，发展独立的电力系统网络，利用丰富的风力、地热、潮汐、沼气等新能源发电，可以解决边远地区的供电问题，减少发电成本。同时，能源危机和环境污染的加剧，迫切需要经济环保的新能源来代替传统的煤电，所以发展新能源对于世界各国都具有十分重要的现实意义。在可再生能源转换为电能的过程中，异步发电机以其结构简单、运行可靠、维修方便，这使得适合于新能源发电的异步发电机成为了各国学者的研究热点。异步发电机既可以并网运行，缓解用电高峰时的电力紧张，提高供电可靠性，又能作为独立的发电单元使用在船舶、飞机等移动装置上。需要指出的是，某些大型舰船的交流电源的主发电机就是异步发电机，因此，对该类异步发电机进行研究还具有重要的社会由于单相负载，不对称三相负载，变压器绕组的阻抗不相等，三相输电线路的串联阻抗不尽相同等种种因素使得实际的电力分配系统存在一定程度的不对称性。同时，自激异步发电机的自激电容，在生产过程中存在一定的精度误差，以及使用过程中的老化和故障，使得三相自激电容也不完全对称。因此，三相异步发电机的不对称运行是一个值得研究的实际问题。目前，国内外学者对异步发电机的研究主要集中在三相对称运行以及单相负载不对称运行，而对带三相不对称负载的研究较少。三相对称是不对称的特例，所以研究不对称运行更具有普遍意义。研究现状图星形接法三相异步发电机单相运行连接图第一章引言图单相等值电路臠青岛大学硕士学位论文图角接异步发电机带三相负载连接图在分析过程中所采用的数值求解方法主要有两种：数值法是针对电机的回路阻抗方程，通过一定的化简消元变形，消元后的方程求解，计算速度快，计算精度也较高。国内对异步发电机的研究虽然起步较晚，但已取得了较大进展，近年来国内已第一章引言本文主要内容和研究方法稳态运行分析。主要内容包括：验与理论的对比验证。第二章异步电机的发电条件及参数测定第二章异步电机的发电条件及参数测定概述电机连接图异步发电机单独运行时，若要实现自激发电，要求转子的转速必须要略大于同载均采用星形接法。原动机图星接三相异步发电机带载连接图异步电机发电条件当异步电机作为发电机运行时，其定子绕组端电压由零上升到一个稳定电压值异步发电机成功建立电压有三个必要条件：图异步发电机建压过程电机空载曲线不饱和部分相切的直线。由图可得到空载电压与空载电流的关系国。自激电容的斜率临界电容的斜率第二章异步电机的发电条件及参数测定容必须大于临界电容值，并且每一个自激电容值都对应着一个稳定工作点【】。击。的相位与剩磁通哦的相位相反。在这种情况下，磁通击，与击。叠加后相互削弱，由此可见，外接感性负载的异步发电机也不能实现自激建压，因此，外接负载是异步发电机建压的必需条件。电机参数测定与磁化曲线在进行电机分析和计算时，电机参数决定电机的运行性能、经济性能以及工作特性，因此求取电机参数至关重要。获得电机参数通常有以下几种方法：莸缁褂玫牟牧侠嘈图捌涑叽缃峁梗眉扑惴椒玫健。由于计算时受各种因素影响，数据较多，计算比较复杂且不易算准，这种方法在电机电磁设计阶段完成。实验分为短路实验与开路实验，其中短路试验又称作堵转实验，开路实验又叫子电阻勇缈刮濉W勇缈罐汀诺缱鑂肼和激磁电抗。这里的各个参数均为折算到定子侧的数值。以通过电机的堵转实验得到。堵转实验是指把三相异步电机葡咝的转子绕组短，所以近似的认为等值为吹缁氖淙牍适琹七基本全部都消耗的定、转子的电阻上，这里有图电机堵转等值电路电机各个参数可以通过堵转实验测的数据算出，具体计算过程如下阱等第二章异步电机的发电条件及参数测定图同步速下的空载电路图尺等利用万用表、堵转实验及同步速下的空载实验测得异步发电机的稳态参数为：青岛大学硕士学位论文小结第三章角接异步发电机单电容空载建压分析第三章角接异步发电机单电容空载建压分析概述压，用单个电容建压的分析较少，本章针对此类问题进行了进一步的研究。下文针对角形接法的三相异步发电机用单个电容建压的空载稳态运行情况进行的激磁电抗，求出稳态运行时的回路阻抗，令回路阻抗为零作为电机稳态运行的条单电容空载建压分析过程图角形接法三相异步发电机单电容空载连接图使用对称分量法需满足电路线性，但异步发电机空载建压时的磁化曲线具有饱青岛大学硕士学位论文式中：、毛、丘为定子各相电流；厶、厶为不对称相电流的正、负序电流分量。根据图中吼、吨的正方向和厶、厶的正方向，有第三章角接异步发电机单电容空载建压分析根据图所示的电机连接图有根据式、，把式左、右两边表示为，口、厶的表达式并对其进行变换化厶面丽乙吲厶 一口一口一单电容空载建压运行时电机的输入阻抗乃与基值频率下自激建压电容容抗匕所以三相空载相电压的关键。优化方法求解二维变量空载相电压的计算求解式可得出频率标幺值上和激磁电抗翰。再根据正序气隙感应电势扇。第三章角接异步发电机单电容空载建压分析计算结果与实验结果对比表不同自激电容值下的三相空载相电压小结稳态相电压。青岛大学硕士学位论文第四章异步发电机不对称稳态运行的二端口网络法第四章异步发电机不对称稳态运行的二端口网络法本章提出了分析三相自激异步发电机稳态运行的一种新的方法二端口分析法。把电机理论与电路理论相结合，推导了异步发电机稳态运行的二端口等效电路模型，将电机侧的正、负序等值电路与负载侧的二端口网络相结合，建立了自激异步发电机的稳态等值电路。它不仅适用于三相对称异步发电机稳态运行的研究，而且也适用于带单相负载以及三相不对称负载的异步发电机的分析，并且在分析不对称异步发电机方面，比以往的方法更简单，求解速度快，计算精度也较高，具有很强的通用性和实用性。青岛大学硕士学位论文黼图对称分量的合成对称分量法是一种线性变换的数学方法【】，它把三相不对称电流分成三套对称第四章异步发电机不对称稳态运行的二端口网络法电流系统；零序电流系统用海裕琲幢硎尽杂谡虻缌鱦汉蚸喜，口，向量逆时针旋转。口唬乘以一个向量会使这个向量三相电流可以用以下公式表示：琏瑟麓盖根据克莱姆法则口，当行列式时，式中的三个新变量有唯一的解。即厶由此可见，若已知不对称电流蹋穑筛菔就可以求出对称分相不对称电流蹋瑃，这就是它们之间的变换对应关系。图为定子为星形接法的三相异步发电机带三相负载的连接图。图星接异步发电机带三相负载连接图这里设、叱为定子三相线电压，、分别为对应于么、三相的负载。图异步发电机三相负载连接方式刚量言 第四章异步发电机不对称稳态运行的二端口网络法郵阱唬籡也蟀停轢镅阅玗迹彳厶厶瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛瘛馢唬。垦远綸既篯图负载端的二端口网络模型墨图电机正负序等值电路为了简化自激异步发电机的分析，这里做以下假设：图所示的等值电路中各个参数均已折算到基值频率下，其详细推导过程由于电机内部产生的正序气隙电势远大于负序气隙电势，这里只考虑电磁饱和对正序等值电路的影响，即正序等值电路中的激磁电抗会随气隙电势的变不考虑集肤效应引起的转子电阻和转子漏抗的变化，尽管正、负序旋转磁场第四章异步发电机不对称稳态运行的二端口网络法在转子中感应的频率不一样，在这里做近似相等来处理，即在正、负等值电路中采用相同的转子参数，并忽略定子铁心漏抗和谐波效应【】。图8盒虻戎档缏罚渲小雘为负序激磁电抗。正负序等值电路的区别在图组合后的等效电路模型借助于该电路进行电机运行性能及外特性的分析和计算，它不仅适用于三相异步发电机对称稳态运行的研究，而且也适用于异步电机带单相负载以及三相不对称负载的分析，并且在分析不对称异步发电机运行的问题上，比以往其它的方法更为简单，求解速度更快，计算精度也较高，具有很强的通用性和实用性，为下面章节的展开奠定基础。第五章基于二端口法的异步发电机单相稳态运行分析第五章基于二端口法的异步发电机单相稳态运行分析概述发电机单相运行分析过程图是星形接法三相异步发电机带单相负载运行时的定子联接图。图星形接法三相异步发电机单相运行联接图定容量的电容厶。对于平衡电容。和建压电容已，如果采用合适的电容组合，既可以建立所需大小的空载电压，又能在带负载运行时具有很高的效率和功率因数。对于异步发电机三相不对称运行，不能像对称运行状态下采用某一相的等值电弘一薪蔎粤·乙母貉乞縕乙缶厶一宣嚎因为厶需为纯虚数，所以上式是关于频率标幺值上的一元方程，通过工具箱中的计算命令便可求出由式、可得，当瘩、确定后，图等效电路中的正、负序电压，正、负序电流变量都可以求出，进而得到单相负载电压，这里就不再赘述。表纯电阻负载和阻感负载时的负载电压，瓼产图不同自激电容下负载电压与平衡电容值的关系青岛大学硕士学位论文容为心、心和心，实线为仿真值，而相应的实验值用“矿表示。电压的影响很大，平衡电容值由虾增加到，产时计算与实验误差达到最大，误差为，但仍在工程允许的误差范围之内，充分说明二端口分析法的第五章基于二端口法的异步发电机单相稳态运行分析图不同平衡电容下负载电压与白激电容的关系激电容为心、心和心的情况下，负载电压随平衡电容的变化情况。言青岛大学硕士学位论文图不同自激电容下负载电压与平衡电容值的关系当自激异步发电机带电阻值为绺兄滴且转子转速为痬的阻感负载运行时，负载电压随自激电容的变化情况如图所示，其中的、直鸲杂胶獾缛軬，为心、心和心。在平衡电容一定的情况下，比较图中不同自激电容下负载电压的计算值与实验值，说明文中方法的有效性和假设条件的合理性。压电容值的增加先增大，达到最大值后，又开始迅速减小。所以，单纯增加自激电青岛大学硕士学位论文电容补偿对负载电压的影响的探讨图并联电容补偿连接图第五章基于二端口法的异步发电机单相稳态运行分析纠图短并励电容补偿连接图图纯电阻负载电压与短并励电容的关系通过对比异步发电机连接短并励电容前后负载电压发现，当短并励电容值从图阻感负载电压与短并励电容的关系并励电容后反而使负载电压降低，没有达到预期的补偿效果。小结青岛大学硕士学位论文三相不对称分析过程图星接异步发电机带三相不对称负载连接图为定子三相线电压，同时也是负载端三相线电压。、为三相自激电容，弘一毒赤再，事从端口往右看，正序电压矽。可以写为优化方法求解过程所以厶需为纯虚数。：璀。乙各上式是关于频率标幺值上的一元方程，通过工具箱中的命令便可求出二鱼必互墨墨裟翟裟至舢；第六章基于二端口法的异步发电机三相不对称运行分析表相同自激电容、不同电阻负载下的电压电流。、！笮撸；表相同自激电容、不同阻感负载下的电压、电流圣竖姿坠互墨墨小结青岛大学硕士学位论文本文针对异步发动机不对称稳态运行的电机特性，从角接异步发电机单电容空载建压，异步发电机带单相负载以及带三相不对称负载三个方面展开，研究了这三种情况下的电机运行特性，同时分析了电容组合对异步发电机带单相负载稳态运行时机端电压的影响，初步探讨了电容补偿对三相不对称负载电压的稳压作用。主要得到以下结论：参考文献甋甐狦琓 琇甊琄瓻甌 猘瓹瓵 瓾瓵，孙云鹏，单相异步电动机及其应用铣傻缌鞣治龇椒，机械工业出版社，气工程系，郝宽胜，吴新振基于暂态模型的异步发电机稳压电容计算中国电机工程学报，系，徐卫青带整流负载异步发电机分析【硕士学位论文】，青岛：青岛大学电气工程系，吴新振，郝宽胜，兰勇以特征值为判据的异步发电机自激建压过程分析中国电机工程吴新振，杨乐梅，王毓顺，等自激异步发电机单相空载建压电容的计算中国电机工程吴新振，张智晟，杨乐梅，等异步发电机自激建压临界值的计算电网技术，：王龙鹏自激异步发电机带载能力的研究【硕士学位论文】，青岛：青岛大学电气工程系，猘甈·，琹：甅狦甃甋猻猘 琇琇 瓵 甃瓽琹 琈史仪凯异步电机发电原理及其应用西安，西北工业大学出版社，青岛大学硕士学位论文龚世缨，徐红春，文生平等电容自励异步发电机稳态特性计算及分析中小型电机，郝宽胜，吴新振，兰勇自励异步发电机负载对端电压和频率的影响电机与控制应用，琒琹甋琂甌傅玉，马伟明，王东，等新型定子双绕组自激异步发电机的电压调节中国电机工程学刘陵顺，胡育文，黄文新变速运行的定子双绕组感应发电机控制绕组无功容量的优化分苑国锋，柴建云，李永东变速恒频风力发电机组励磁变频器的研究中国电机工程学报，刘其辉，贺益康，张建华交流励磁变速恒频风力发电机的运行控制及建模仿真中国电青岛大学硕士学位论文个人简历、攻读学位期间的研究成果甆甌甈，甋年荣“获青岛大学青啤英才奖学金电机参数为了验证理论分析的正确性，本文的计算结果都进行了相应的实验验证，本课题的实验主要用到以下实验设备：实验机组同轴。在实验中直流发电机用作电动机，拖动异步电动机工作在发电机运行模式下，便携式数字录波仪是由中国电力科学研究院开发的一种可以实现波形录制、跟踪和分析的高精度便携式数字录波装置。该装置共有八个通道，四个电压通道和四个电流通道，可以同时对八组数据进行录波，并可将数据导出，利用软件对数据进行更深入的分析，本课题主要是利用其进行记录异步发电机三相不对称运行时的电压、电流波形。电容器设备电容器分为容量可调型和容量固定型两种。下面左图为可调式电容器箱，右图负载设备