一种星接三相异步发电机实现单相运行的设计方法
【专利摘要】本发明属于异步发电机的分析设计技术领域，涉及一种星接三相异步发电机实现单相运行的设计方法，针对星接三相异步发电机单相运行模式，基于对称分量法对异步发电机系统进行建模设计，根据异步发电机系统的电路结构，设计出发电机稳定运行时的正序电量、负序电量的耦合关系，并由流控电压源将耦合关系体现在复合序网中，简化得到发电机运行的约束条件，其设计原理科学可靠，建模设计方法工艺简单，运行灵便，应用效果好，节能节电性强。
【专利说明】
一种星接三相异步发电机实现单相运行的设计方法
技术领域：
[0001] 本发明属于异步发电机的分析设计技术领域，涉及一种星接三相异步发电机实现 单相运行的设计方法。
【背景技术】：
[0002] 目前，工业中使用的三相异步发电机比三相同步发电机的结构简单、运行可靠、维 修方便，不需要直流励磁，既可作为发电装置应用于独立电力系统中，也可并网运行，现已 成为国内外新能源发电领域的研究热点。星接三相异步发电机在舰船、飞机、通讯平台、钻 井平台等独立电力系统中得到了广泛应用，但在照明、空调等这些系统中常用单相负载，尽 管单相异步发电机可以直接发出单相电，但是单相异步发电机容量小、损耗大、效率低，难 以满足实际运行需求。而三相异步发电机技术成熟，可选用规格多且效率较高，因此，出对 星接三相异步发电机连接方式进行改进，使其向外直接输出单相电能具有重要的现实意义 及广泛的应用前景。
[0003] 在现有技术中，为判断发电机带负载运行的可行性，需要分析异步发电机的稳态 运行状态，因而，根据异步发电机稳定运行状态，寻求一种星接三相异步发电机实现单相运 行的设计方法至关重要。
【发明内容】
：
[0004] 本发明旨在克服现有技术存在的缺点，提出一种星接三相异步发电机实现单相运 行的设计方法，简化异步发电机系统的分析过程，为异步发电机稳态运行及电机系统设计 提供快速有效的技术支持，该方法针对星接三相异步发电机单相运行模式，基于对称分量 法对异步发电机系统进行建模设计，根据异步发电机系统的电路结构，设计出发电机稳定 运行时的正序电量、负序电量的耦合关系，并由流控电压源将耦合关系体现在复合序网中， 简化得到发电机运行的约束条件。
[0005] 为实现上述目的，本发明所采用的设计方法包括以下工艺步骤：
[0006] (1)先把星接三相异步发电机转子侧参数向定子侧折算，再将定子侧参数与转子 侧参数折算到基值频率下，分别推导三相异步发电机正序等值电路和负序等值电路，发电 机绕组为星型接法而无零序电流通路，使零序电流和零序电压为零；
[0007] (2)根据正序等值电路和负序等值电路分别得到正序阻抗和负序阻抗，其中，正序 电压等于正序电流与正序阻抗之积，负序电压等于负序电流与负序阻抗之积；
[0008] (3)通过对称分量法分别用正序电压、负序电压表示三个相电压，用正序电流、负 序电流表示三个相电流；
[0009] (4)将三个相电压与正序电压、负序电压间的关系代入三个线电压与三个相电压 间的表达式中，实现用正序电压、负序电压表示三个线电压；
[0010] (5)根据星接三相发电机的三个线电压所组成回路电压为零的约束条件，第三个 线电压用其余两个线电压表示，得到的两个线电压与正序电压、负序电压之间的关系式并 写成矩阵形式，再对矩阵做逆变换，实现用正序电压、负序电压表示两个线电压；
[0011] (6)从星接三相异步发电机定子侧分别选择包含上述线电压的两个独立回路，回 路电流为相电流，根据基尔霍夫电压定律，写出用矩阵表示的线电压与相电流间的关系，根 据已经得到的两个线电压与正序电压、负序电压的关系和两个相电流与正序电流、负序电 流的关系，得到正序电压、负序电压与正序电流、负序电流之间的耦合关系；
[0012] (7)采用流控电压源表征正序电量与负序电量的耦合，建立星接三相异步发电机 单相负载稳态运行的复合序网模型，通过简单的电路变换，进行复合序网模型中负序电路 部分的化简与折算，最终将负序电路及受控源部分简化为一个与正序阻抗串联的简单阻 抗，进而得到简化正序等值电路；
[0013] (8)将简化正序等值电路的回路阻抗之和作为目标函数，通过优化得到优化变量 定子电流频率标么值和正序激磁电抗；
[0014] (9)再根据正序激磁电抗查找三相异步发电机磁化曲线得到正序感应电势，再由 正序等值电路计算出正序电流，由正序电流与负序电流之间关系得到负序电流，进而由序 电流得到星接三相异步发电机的相电流，由相电流与阻抗得到基值频率下的负载电压，并 通过频率反折算得到相应的负载实际电压，
[0015] (10)通过上述分析得到三相异步发电机单相运行时的电势、电流、电压等电量，实 现了星接三相异步发电机单相运行模型的设计。
[0016] 本发明与现有技术相比，其设计原理科学可靠，建模设计工艺方法简单，运行灵 便，应用效果好，节能节电性强。
【附图说明】：
[0017] 图1为本发明涉及的星接三相异步发电机单相运行模型设计方法的流程框图。
[0018] 图2为本发明涉及的星接三相异步发电机单相运行时的定子连接结构原理示意 图。
[0019] 图3为本发明涉及的星接三相异步发电机基值频率下正序等值电路结构原理示意 图。
[0020] 图4为本发明涉及的星接三相异步发电机基值频率下负序等值电路结构原理示意 图。
[0021] 图5为本发明涉及的星接三相异步发电机基值频率下复合序网模型示意图。
[0022]图6为本发明涉及的星接三相异步发电机基值频率下简化正序电路结构原理示意 图。
【具体实施方式】：
[0023]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
[0024]实施例:先选择常规的星接三相异步发电机，其额定功率Pn为2.2kW，额定电压UN为 380V，额定电流In为5A，额定转速nN为1500r/min，额定频率(基值频率)fN为50Hz，定子电阻 R s为2.80Ω，转子电阻（折算值)Rr为3.20Ω，定子电抗ΧΑ3.44Ω，转子电抗(折算值)Χ/为 3.44 Ω ;基值频率下感应电势Ε⑴与正序激磁电抗)Wυ的关系表示为：
[0025]
[0026] 如图2所示，电机定子b相和c相输出端各串联一个平衡电容Cbl，并在一起作为节点 2，a相绕组的输出端作为节点1，为满足星接三相异步发电机建压条件，在节点1与节点2之 间接上建压电容(-，单相负载也接在节点1与节点2之间；
[0027]先对星接三相异步发电机侧通过对称分量法进行分析，由于星接三相异步发电机 中不含零序电流通路，零序电流与零序电压均为〇,设a = d12()°为复数算子，将不对称的a、b、 C三相电压Ua、Ub、Uc用正序电压U(l)、负序电压U(2)表不为：
[0028] _ _ C」. [_
_
[0029] 相应地，不对称的a、b、c三相电流Ia、Ib、Ic用正序电流I⑴、负序电流I⑵表示为： [0030]
[0031]图3与图4分别为折算到基值频率下的星接三相异步发电机的正序等值电路与负 序等值电路，其中各感抗值对应于基值频率；
[0032]根据正序等值电路图3、负序等值电路图4中正序阻抗Ζ?⑴、负序阻抗Ζ?⑵、负序激 磁电抗xm(2)、定子频率标幺值为f，同时考虑到正序、负序电压的正方向与正序、负序电流的 正方向，下列关系成立
[0033]
[0034]
[0035]
[0036]
[0037]然后对负载侧进行分析建模，根据星接三相异步发电机线电压Uab、Ubc、U ca与相电 压Ua、Ub、Uc的关系得：
[0038]
[0039] 联立相电压与序电压、线电压与相电压的关系式得到线电压与序电压的关系为：
[0040] ..ca」 L
」
[0041] 考虑到星接三相异步发电机中线电压组成回路，三个线电压之和为〇,根据线性相 关性消去第三个线电压Uca，则有：
[0042]
[0043] 将上式逆变换得到由线电压表示的序电压：
[0044]
[0045] 对应于星接三相异步发电机绕组与负载组成的两个独立回路，并用乂^与乂^分别 表示基值频率下建压电容容抗与平衡电容容抗，则线电压与线电流之间关系满足：
[0046]
[0047] 结合线电流与序电流的关系式可得线电压与序电流之间的关系：
[0048]
[0049]最终可推导出正序电压、负序电压与正序电流、负序电流之间关系：
[0054]由上述推导过程得，正序电压既与正序电流相关，也与负序电流相关，负序电压既 与正序电压相关，也与负序电流相关，表明正序电量与负序电量发生了耦合；
[0050]
[0051]
[0052]
[0053]
[0055] 本实施例采用流控电压源处理正序电量与负序电量的耦合关系，建立星接三相异 步发电机实现单相负载稳态运行时的复合序网模型如图5所示，在图5所示复合序网模型正 序回路中，设与正序阻抗Ζ?⑴串联的阻抗为，则：
[0056]
[0057]对复合序网模型中负序回路列写基尔霍夫电压方程：
[0058] Z2ll(l)+Z22l(2)+Zz(2) 1(2) = 0
[0059 ]进而得到正序、负序电流之间关系为：
[0060] LL
[0061] 推导得出阻抗
[0062]
[0063]再将复合序网模型简化为图6所示的正序电路;在简化的正序电路图6中，根据基 尔霍夫电压定律，回路压降为0,而正序电流不为0,则回路阻抗Z必为0,即：
[0064] Ζ = Ζθ+Ζ?(ι) = 0
[0065] 上式为星接三相异步发电机实现单相运行所满足的必要条件；
[0066] 本实施例采用优化方法对回路阻抗为0的非线性方程进行求解，定义目标函数：
[0067] f(f,Xm(i))= |Ζ
[0068] 此目标函数的最小值为0,通过二维寻优可求取主与乂》⑴这两个变量，在星接三相 异步发电机单相带载稳态运行的分析过程中，?和x m⑴为^键变量，其为计算其他各电量的 前提；
[0069] 通过本实施例所给出的异步发电机磁化曲线分段函数，再由正序激磁电抗Xm⑴查 表得正序感应电势Ε(υ;
[0070] 设正序感应电势的相角为0,根据正序等值电路图3中各电量关系得出正序电流：
[0071]
[0072] 由前面推导出的正序电流与负序电流之间关系求出负序电流：
[0073]
[0074]在正序电流和负序电流已知的情况下，由相电流与序电流之间关系得到各相电 流：
[0075]
[0076] 再根据欧姆定律，由各相电流与各相负载的乘积求得星接三相异步发电机基值频 率下的输出电压，为求出实际电压，需将所求基值频率下的电压乘以频率标么值?;
[0077] 最后给出星接三相异步发电机单相运行的分析设计结果，并把计算值i实测值进 行比较，以验证模型设计方法的正确性和准确度；
[0078] 星接三相异步发电机所带单相负载电阻Rl=100.0Q、基波电抗XL=125.7Q ;当建 压电容Cex = 35yF、平衡电容Cbi = 45yF时，由模型设计方法计算得负载电压有效值为 241.0V，实测值为242.4V;当建压电容Cex=50yF、平衡电容Cbi = 80yF时，由模型设计方法计 算得负载电压有效值为312.4V，实测值为315.7V;
[0079]结果表明模型正确、方法有效，能够实现星接三相异步发电机的单相运行。
【主权项】
1. 一种星接三相异步发电机实现单相运行的设计方法，其特征在于：该方法针对星接 三相异步发电机单相运行模式，基于对称分量法对异步发电机系统进行建模设计，根据异 步发电机系统的电路结构，设计出发电机稳定运行时的正序电量、负序电量的耦合关系，并 由流控电压源将耦合关系体现在复合序网中，简化得到发电机运行的约束条件，其具体工 艺过程包括以下步骤： (1) 先把星接三相异步发电机转子侧参数向定子侧折算，再将定子侧参数与转子侧参 数折算到基值频率下，分别推导三相异步发电机正序等值电路和负序等值电路，发电机绕 组为星型接法而无零序电流通路，使零序电流和零序电压为零； (2) 根据正序等值电路和负序等值电路分别得到正序阻抗和负序阻抗，其中，正序电压 等于正序电流与正序阻抗之积，负序电压等于负序电流与负序阻抗之积； (3) 通过对称分量法分别用正序电压、负序电压表示三个相电压，用正序电流、负序电 流表示三个相电流； (4) 将三个相电压与正序电压、负序电压间的关系代入三个线电压与三个相电压间的 表达式中，实现用正序电压、负序电压表示三个线电压； (5) 根据星接三相发电机的三个线电压所组成回路电压为零的约束条件，第三个线电 压用其余两个线电压表示，得到的两个线电压与正序电压、负序电压之间的关系式并写成 矩阵形式，再对矩阵做逆变换，实现用正序电压、负序电压表示两个线电压； (6) 从星接三相异步发电机定子侧分别选择包含上述线电压的两个独立回路，回路电 流为相电流，根据基尔霍夫电压定律，写出用矩阵表示的线电压与相电流间的关系，根据已 经得到的两个线电压与正序电压、负序电压的关系和两个相电流与正序电流、负序电流的 关系，得到正序电压、负序电压与正序电流、负序电流之间的耦合关系； (7) 采用流控电压源表征正序电量与负序电量的耦合，建立星接三相异步发电机单相 负载稳态运行的复合序网模型，通过简单的电路变换，进行复合序网模型中负序电路部分 的化简与折算，最终将负序电路及受控源部分简化为一个与正序阻抗串联的简单阻抗，进 而得到简化正序等值电路； (8) 将简化正序等值电路的回路阻抗之和作为目标函数，通过优化得到优化变量定子 电流频率标么值和正序激磁电抗； (9) 再根据正序激磁电抗查找三相异步发电机磁化曲线得到正序感应电势，再由正序 等值电路得出正序电流，由正序电流与负序电流之间关系得到负序电流，进而由序电流得 到星接三相异步发电机的相电流，由相电流与阻抗得到基值频率下的负载电压，并通过频 率反折算得到相应的负载实际电压； (10) 通过上述分析得到三相异步发电机单相运行时的电势、电流、电压等电量，实现了 星接三相异步发电机单相运行模型的设计。
【文档编号】H02P103/10GK105897092SQ201610273297
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】吴新振, 郑晓钦, 李嘉, 张阳
【申请人】青岛大学