雙繞組發(fā)電機(jī)交流側(cè)負(fù)載對(duì)直流側(cè)突然短路電流的影響分析

孫俊忠, 王輝波, 周智勇

(海軍潛艇學(xué)院 動(dòng)力系，山東 青島 266000)

雙繞組發(fā)電機(jī)交流側(cè)負(fù)載對(duì)直流側(cè)突然短路電流的影響分析

孫俊忠, 王輝波, 周智勇

(海軍潛艇學(xué)院 動(dòng)力系，山東 青島 266000)

通過(guò)對(duì)物理概念和矢量圖的深入分析，研究了3/12相雙繞組發(fā)電機(jī)交流側(cè)負(fù)載大小和功率因數(shù)對(duì)直流側(cè)突然短路電流的影響，簡(jiǎn)化了短路電流的計(jì)算公式，明確了直流側(cè)最大短路電流的計(jì)算條件。通過(guò)實(shí)機(jī)試驗(yàn)，檢驗(yàn)了理論分析的準(zhǔn)確性。

雙繞組發(fā)電機(jī)； 直流側(cè)突然短路； 功率因數(shù)； 交流側(cè)負(fù)載

0 引 言

3/12相雙繞組交直流發(fā)電機(jī)(簡(jiǎn)稱雙繞組發(fā)電機(jī))的定子上布置有兩套繞組：一套提供三相交流電，稱之為交流繞組(交流側(cè))；另一套是12相四Y移15°繞組，經(jīng)橋式整流后輸出直流電，稱之為直流繞組或整流繞組(直流側(cè))[1-2]。交流側(cè)帶負(fù)載時(shí)直流側(cè)突然短路是雙繞組發(fā)電機(jī)最常見(jiàn)的短路故障之一。這種突然短路的情況受交流側(cè)負(fù)載的影響較大。文獻(xiàn)[1]用解析法分析了交流側(cè)帶負(fù)載時(shí)直流側(cè)突然短路的短路電流，但對(duì)交流負(fù)載的影響沒(méi)有深入研究,而且得到的整流繞組短路電流的計(jì)算公式很復(fù)雜，沒(méi)有進(jìn)行簡(jiǎn)化。本文在文獻(xiàn)[1]的基礎(chǔ)上，采用理論分析和試驗(yàn)檢驗(yàn)的方法，全面研究了交流負(fù)載對(duì)直流側(cè)短路電流的影響，有效簡(jiǎn)化了短路電流的計(jì)算公式，給出了直流側(cè)最大短路電流的計(jì)算條件，解決了工程應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。因?yàn)殡p繞組發(fā)電機(jī)的交流電壓主調(diào)、直流電壓浮動(dòng)，所以在分析交流側(cè)負(fù)載對(duì)直流側(cè)短路電流的影響時(shí)，保持交流電壓不變，改變交流側(cè)負(fù)載電流或功率因數(shù)的大小，即在保持交流電壓和交流側(cè)負(fù)載功率因數(shù)不變的情況下，分析交流側(cè)負(fù)載大小對(duì)短路電流的影響；在保持交流電壓和交流側(cè)負(fù)載電流不變的情況下，分析交流功率因數(shù)大小對(duì)短路電流的影響。

本文采用的假定條件與文獻(xiàn)[1]相同，即假定短路前交流側(cè)帶負(fù)載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，直流側(cè)為空載，短路發(fā)生在直流側(cè)出線端，不考慮線路阻抗的影響，并認(rèn)為短路前后轉(zhuǎn)速和勵(lì)磁均保持不變[1]。主要符號(hào)的意義如下：

Ua是整流繞組4Y等效并折算到交流繞組的相電壓；UA是交流繞組的相電壓；δa、δA分別表示整流繞組電壓Ua和交流繞組電壓UA與EA夾角；EδA,Eδy分別為交流繞組和整流繞組單Y繞組的氣隙電勢(shì)；xlA是交流繞組自漏電抗，xlmAa是等效整流繞組與交流繞組間互漏電抗 ，ΔxlA1=xlA-xlmAa；rA為交流繞組的電阻；k是交流繞組與整流繞組單Y有效匝數(shù)比；IA為交流繞組電流。xdM、xqM分別是交流繞組和等效整流繞組d、q軸同步互電抗。這些參數(shù)的詳細(xì)推導(dǎo)請(qǐng)參見(jiàn)文獻(xiàn)[2]。

1 交流側(cè)負(fù)載大小對(duì)短路電流的影響

雙繞組發(fā)電機(jī)的運(yùn)行矢量圖如圖1所示[1]。交流側(cè)負(fù)載大小對(duì)短路電流的影響涉及兩個(gè)方面，在保持交流電壓不變的情況下，一方面，若負(fù)載電流增大，則電樞反應(yīng)增加，繞組漏阻抗的壓降也增加，這時(shí)必須增加勵(lì)磁電流以抵消增加的電樞反應(yīng)和補(bǔ)償增加的繞組漏阻抗壓降(電樞磁勢(shì)和繞組漏阻抗壓降都與負(fù)載電流成正比)，從而使氣隙磁場(chǎng)及其在整流繞組(4Y等效并折算到交流繞組的整流繞組[3])感應(yīng)的氣隙電勢(shì)增大，這一因素使整流繞組電壓Ua增大；另一方面，交流繞組與整流繞組之間還存在漏磁場(chǎng)耦合作用，交流繞組電流在整流繞組中產(chǎn)生互漏抗壓降，這個(gè)因素使整流繞組電壓減小。

圖1 雙繞組發(fā)電機(jī)運(yùn)行矢量圖

上述兩種作用因素可通過(guò)式(1)進(jìn)一步說(shuō)明，由矢量圖1可得

(1)

式(1)體現(xiàn)了上述兩種因素的作用，通常xlA>xlmAa，第一因素起主要作用，因此交流繞組電流增加使整流繞組電壓Ua增大。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]，整流繞組交流側(cè)a1相短路電流的表達(dá)式為

(2)

這個(gè)運(yùn)算式比較復(fù)雜，為了在工程上便于應(yīng)用，需對(duì)此進(jìn)行簡(jiǎn)化。

(3)

整流繞組其他各相的短路電流根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]可以很方便地得到。

該近似式的準(zhǔn)確性通過(guò)后面的試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)。

整流繞組電壓Ua增大，整流繞組交流側(cè)短路電流也增大，根據(jù)文獻(xiàn)[4]，相應(yīng)的直流側(cè)最大短路電流為idcmax=3.831ia1max，直流側(cè)短路的最大電流也增大(主要關(guān)心的是突然短路后直流側(cè)的最大電流及其到達(dá)時(shí)刻)。

下面通過(guò)試驗(yàn)和計(jì)算對(duì)上面的分析進(jìn)行檢驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)M樣機(jī)的參數(shù)如下：xlA=0.017 94、rA=0.033 33、xAd=0.612 48、xAq=0.612 48;xlmAy1=0.005 913、xlmAy2=0.005 913、xlmAy3=0.007 804、xlmAy4=0.007 804;xly=0.021 91、ry=0.011 15、xlm1=-1.598×10-4、xlm2=-6.006 5×10-3;xlfd=0.025 06、xlfq=0.068 97、xlkd=0.017 37、xlkq=0.017 37;rfd=0.004 092、rfq=0.006 255、rkd=0.014 1、rkq=0.014 1;k=2.136 3。在UAB=100 V、cosφ=0.8不同交流側(cè)負(fù)載電流時(shí)，直流側(cè)短路電流最大值計(jì)算結(jié)果及試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。計(jì)算1表示按照式(2)計(jì)算的結(jié)果，計(jì)算2表示按照近似式(3)計(jì)算的結(jié)果。

表1 直流側(cè)短路電流最大值及試驗(yàn)結(jié)果

由表1可見(jiàn)，近似式與非近似式計(jì)算結(jié)果相差較小，兩者與試驗(yàn)所得結(jié)果的誤差均不超過(guò)10%，在工程允許范圍內(nèi)。計(jì)算和試驗(yàn)所得到達(dá)最大電流的時(shí)刻,均在7 ms附近，基本不受負(fù)載大小的影響。在同一交流電壓和一定功率因數(shù)下，隨著交流負(fù)載的增大，直流側(cè)短路電流最大值增大，試驗(yàn)和計(jì)算表明：模擬樣機(jī)交流負(fù)載10 A比交流空載時(shí)的直流側(cè)最大短路電流增大約16%。因此，在分析雙繞組發(fā)電機(jī)交流側(cè)帶負(fù)載直流側(cè)突然短路的電流時(shí)，必須考慮交流側(cè)負(fù)載的大小，直流側(cè)最大短路電流應(yīng)該是交流側(cè)負(fù)載最大時(shí)的短路電流。這對(duì)于雙繞組發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和電力系統(tǒng)的保護(hù)有重要意義。

2 交流側(cè)負(fù)載功率因數(shù)對(duì)短路電流的影響

在交流電壓和交流側(cè)負(fù)載電流大小保持不變的條件下，分析交流側(cè)負(fù)載功率因數(shù)對(duì)短路電流的影響。由于交流側(cè)負(fù)載的額定功率因數(shù)是0.8，而且交流側(cè)負(fù)載一般都在額定功率因數(shù)附近變化，所以本文僅研究額定功率因數(shù)附近的變化影響。由于功率因數(shù)改變后，電樞反應(yīng)、繞組漏阻抗壓降均會(huì)有所變化，如矢量圖1所示。為保持交流電壓不變，必須相應(yīng)地改變勵(lì)磁電流。由于負(fù)載電流保持不變，使得交流繞組磁勢(shì)和漏阻抗壓降的大小不變，僅是相角有所變化(但在額定功率因數(shù)附近)，這對(duì)整流繞組交流側(cè)短路前電壓影響不大，所以對(duì)短路電流影響不大。

下面通過(guò)試驗(yàn)和計(jì)算對(duì)上面的分析進(jìn)行檢驗(yàn)。模擬樣機(jī)在UAB=100 V、IA=10 A時(shí)，計(jì)算帶不同功率因數(shù)(額定功率因數(shù)附近)的交流側(cè)負(fù)載時(shí)直流側(cè)的短路電流最大值，計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。計(jì)算1表示按照式(2)計(jì)算的結(jié)果，計(jì)算2表示按照近似式(3)計(jì)算的結(jié)果。

表2 帶不同功率因數(shù)的交流側(cè)負(fù)載時(shí)直流側(cè)的短路電流最大值及試驗(yàn)結(jié)果

由表2可見(jiàn)，近似式與非近似式計(jì)算結(jié)果相差較小，兩者與試驗(yàn)所得結(jié)果的誤差均不超過(guò)10%，在工程允許范圍內(nèi)。計(jì)算和試驗(yàn)所得到達(dá)最大電流的時(shí)刻,均在7 ms附近，基本不受負(fù)載功率因數(shù)的影響。在同一交流電壓和負(fù)載電流的情況下，隨著功率因數(shù)的變化(額定功率因數(shù)附近)，直流側(cè)短路電流最大值變化不大，試驗(yàn)和計(jì)算表明：功率因數(shù)0.6～0.9變化范圍內(nèi)，直流側(cè)短路電流最大值與額定功率因數(shù)時(shí)的最大值最大相差約2%，所以功率因數(shù)在額定功率因數(shù)附近的變化對(duì)直流側(cè)短路電流的影響很小，可以近似忽略不計(jì)。對(duì)于偏離額定功率因數(shù)較大的情況，可以應(yīng)用文獻(xiàn)[4]建立的電路仿真模型進(jìn)行研究。

3 結(jié) 語(yǔ)

雙繞組發(fā)電機(jī)交流側(cè)負(fù)載對(duì)直流側(cè)突然短路電流的影響概括如下：在同一交流電壓和一定功率因數(shù)下，隨著交流側(cè)負(fù)載的增大，直流側(cè)短路電流最大值增大；在同一交流電壓和負(fù)載電流的情況下，交流側(cè)負(fù)載在額定功率因數(shù)附近的變化對(duì)直流側(cè)短路電流最大值影響很小，可以忽略不計(jì)；交流側(cè)負(fù)載對(duì)直流側(cè)短路電流到達(dá)最大值的時(shí)刻基本沒(méi)影響。因此，在分析雙繞組發(fā)電機(jī)交流側(cè)帶負(fù)載直流側(cè)突然短路的電流時(shí)，必須考慮交流負(fù)載的大小，直流側(cè)最大短路電流應(yīng)該是交流負(fù)載最大時(shí)的短路電流。本文得出的整流繞組短路電流近似計(jì)算式不僅簡(jiǎn)明，而且準(zhǔn)確性符合工程要求。本文通過(guò)理論分析和試驗(yàn)檢驗(yàn)證明了上述結(jié)論的正確性。

[1] 孫俊忠，劉愛(ài)華.雙繞組發(fā)電機(jī)交流側(cè)帶負(fù)載直流側(cè)突然短路流側(cè)突然短路的分析[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，38(1)： 44-49.

[2] 孫俊忠，馬偉明，吳旭升,等.3/12相雙繞組發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23(1)： 93-96.

[3] 馬偉明，胡安，袁立軍.十二相同步發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)直[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，1999,19(3)： 3l-36.

[4] 孫俊忠，姜海龍.3/12相雙繞組交直流發(fā)電機(jī)的電路模型[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2006，33(2)： 12-16.

Effect of Original AC Side Load on DC Side Sudden Short Circuit Current of Double Winding Generator

SUNJunzhong,WANGHuibo,ZHOUZhiyong

(Department of Power Engineering, Naval Submarine Academy, Qingdao 266000, China)

The effect of an original AC load on the DC side sudden short circuit current of double winding generator was studied by analyzing the physical conception and phasor diagram, the formula for calculating the short circuit current was simplified, the condition for calculating the maximum value of DC side short circuit current was given. The correctness of the theoretical analysis was verified by experiments.

double winding generator; DC side sudden short circuit; power factor; AC side load

孫俊忠(1965—)，男，博士研究生，教授，研究方向?yàn)殡姍C(jī)過(guò)渡過(guò)程分析與電機(jī)設(shè)計(jì)。 王輝波(1982—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)榇半娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化。 周智勇(1972—)，男，博士研究生，研究方向?yàn)榇半姍C(jī)及其控制。

TM 41

A

1673-6540(2017)04- 0112- 04

2016 -09 -19