電氣設備短路對艦艇電站暫態(tài)穩(wěn)定性的影響

王云華　薛士龍

摘 要： 對艦艇電站在電氣設備短路下的暫態(tài)穩(wěn)定性分析，實現(xiàn)艦艇電站電氣設備的短路故障分析和診斷，構建艦艇電站電氣設備平面線圈磁場分布下的等效電路模型。采取磁共振模式進行電氣設備短路下的輸出功率與效率的計算，通過對艦艇電站系統(tǒng)輸出效率的差異性特征分析，實現(xiàn)對電氣設備短路條件下的艦艇電站暫態(tài)穩(wěn)定性測試和分析，通過測試電站輸出的電壓增益、電流增益、功率因數(shù)、效率等參量實現(xiàn)對艦艇電站的帶載能力評估。測試結果表明，對艦艇電站暫態(tài)穩(wěn)定性進行測試，通過所提方法進行穩(wěn)定性調節(jié)和電機優(yōu)化設計控制，能使得電壓增益穩(wěn)定和輸出功率穩(wěn)定在較高的水平，電機效率和負載較高，提高了艦艇電站電氣設備系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

關鍵詞： 電氣設備； 短路； 艦艇電站； 暫態(tài)穩(wěn)定性

中圖分類號： TN948?34； TM461 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）10?0111?03

Abstract： The transient stability of the naval ship power station in the case of electrical equipment short circuit is analyzed to realize the short circuit fault analysis and diagnosis of electrical equipments of naval ship power station. The equivalent circuit model of electrical equipments in naval ship power station under the planar coil magnetic field distribution was constructed. The magnetic resonance mode is used to calculate the output power and efficiency of electrical equipments in the case of short circuit. The difference characteristics of the system output efficiency of the naval ship power station is analyzed to test and analyze the transient stability of the naval ship power station in the case of electrical equipment short circuit. The loading capacity of the naval ship power station is evaluated by means of test of the voltage gain， current gain， power gain， efficiency and other parameters output by the power station. The transient stability of the naval ship power station was tested. The test results show that the method makes the voltage gain， output power， motor efficiency and load stabilized in the high level by adjusting the stability and performing the motor optimization design and control to improve the stability of the electrical equipments of naval ship power station.

Keywords： electrical equipment； short circuit； naval ship power station； transient stability

0 引 言

艦船綜合電力系統(tǒng)是從艦船電力推進系統(tǒng)的基礎上發(fā)展而來。艦船推進電機采用交流電機、永磁電機和超導電機，艦艇電站系統(tǒng)采用柴油機、燃氣輪機等通過電機發(fā)電，將高速的原動機的旋轉機械式能量通過發(fā)電機組來產(chǎn)生電能，供艦艇的動力推進和日常生活工作用電。艦艇的電氣系統(tǒng)是一個大型的電站發(fā)電和電能傳輸系統(tǒng)，艦艇電站發(fā)電機組的布置復雜，常年工作在高溫、高濕和腐蝕性環(huán)境中，大大縮短了艦船的電站設備的使用壽命和系統(tǒng)可靠性[1?2]。需要對艦船電站的電氣設備進行有效的維護，避免電氣設備短路，提高艦艇電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文對電氣設備短路下艦艇電站暫態(tài)穩(wěn)定性的影響進行分析，實現(xiàn)對艦艇電站電氣設備短路故障的輸出特征分析和故障診斷，提高艦艇電站電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 艦艇電機輸出功率與效率的計算

在構建艦艇電站電氣設備平面線圈磁場分布下的等效電路模型的基礎上，采取磁共振模式進行電氣設備短路下的輸出功率與效率的計算[3]。本文中艦艇電站采用的是感應電機。感應電機的暫態(tài)穩(wěn)定性分析的約束參數(shù)主要包括：艦船綜合電力供電的極對數(shù)[P]，變電系統(tǒng)的極弧系數(shù)[β]，儲能系統(tǒng)磁極厚度[lm]，推進電機轉子/定子的高耦合系數(shù)[ly]，諧振工作點繞組厚度[lw]、配電系統(tǒng)的輸出功率[lg]，轉子半徑[rr]，電流密度[Jcu]，電磁轉矩[ls]、定/轉子軸向長度（通常用細長比[λ=dbls]表示，其中[db=2（rr+lg））。]定義電機系統(tǒng)的繞組截面積為：[Aw=πl(wèi)w（2rr+2lg+lw）]。為了保證得到穩(wěn)定和干擾較小的電壓，電源芯片選用TPS767HD301進行艦艇電機輸出電壓的濾波，電機的功率輸出要求包括額定電磁轉矩[Tem]和額定旋轉角速度[ωr]，TPS767HD301輸出為3.3 V和1.6 V，得到電機的輸出電壓方程為：

計算出艦艇電機的電壓輸出電路中[R1]和[R2]的值分別為11 kΩ和30 kΩ，在電氣設備短路情況下，電氣設備的材料特性決定的參數(shù)如槽滿率[kf]，永磁體剩余磁密[Br]將會對艦艇電站的暫態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，此時通過LT1587產(chǎn)生3.3 V的電壓進行定/轉子鐵芯B?H曲線調節(jié)，在片外時鐘頻率調制下，電氣設備的磁密[Bkneesy]需要事先確定，時鐘電路主要使用無源晶振與有源晶振兩種方式，得到不同模式下電氣設備短路條件下的輸出電壓的計算方程為：

2 電氣設備短路條件下艦艇電站暫態(tài)穩(wěn)定性分析

2.1 艦艇電站的暫態(tài)穩(wěn)定性條件

通過對艦艇電站系統(tǒng)輸出效率的差異性特征分析，實現(xiàn)對電氣設備短路條件下的艦艇電站暫態(tài)穩(wěn)定性測試和分析，在艦艇的電氣設備短路下，結合上述對電機控制系統(tǒng)的分析，得到電氣設備短路的暫態(tài)穩(wěn)定性條件描述為：

通過分析模型計算結果和暫態(tài)穩(wěn)定性條件下的輸出參量的時域變化圖，實現(xiàn)對艦艇電站的帶載能力評估和電氣設備短路對艦艇電站的暫態(tài)穩(wěn)定性影響分析。

3 實驗結果分析

在某大型艦艇綜合電力實驗室中搭建艦艇電機和綜合電力系統(tǒng)模型，進行艦艇電站的供電穩(wěn)定性分析試驗，利用S函數(shù)編寫電機控制模塊，利用Matlab Simulink進行程序封裝，實驗中選擇的參數(shù)為[Np=Ns=20]，[f=20.5 kHz] ，[Cp=Cs=0.57 μF]， 艦艇感應發(fā)電機的線圈距離變化范圍為500～1 000 m，艦艇電氣設備進行電能傳輸?shù)母髟?shù)值描述見表1。

分析上述結果可知，由于受到電氣系統(tǒng)中設備電路短路的影響，導致偏芯偏移，在偏芯100 mm時，通過本文方法進行穩(wěn)定性調節(jié)和電機優(yōu)化設計控制，能使得電壓增益穩(wěn)定在5.8%，輸出功率增益保持95%左右，電機效率較高，電站的暫態(tài)穩(wěn)定性對電氣短路具有很好的適應性，確保了艦艇電站的穩(wěn)定性工作。

4 結 語

為了提高對艦艇電站在電氣設備短路下的暫態(tài)穩(wěn)定性，進行電機優(yōu)化設計和控制分析，構建艦艇電站電氣設備平面線圈磁場分布下的等效電路模型，采取磁共振模式進行電氣設備短路下的輸出功率與效率的計算，通過對艦艇電站系統(tǒng)輸出效率的差異性特征分析，實現(xiàn)對電氣設備短路條件下的艦艇電站暫態(tài)穩(wěn)定性測試和分析。通過測試電站輸出的電壓增益、電流增益、功率因數(shù)、效率等參量實現(xiàn)對艦艇電站的帶載能力評估。實驗分析結果表明，通過對艦艇電站暫態(tài)穩(wěn)定性測試，提高了艦艇電站的輸出增益和效率，改善了艦艇電站電氣設備系統(tǒng)的穩(wěn)定性工況。

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