多相整流异步发电机定子侧故障时容错运行的研究开题报告.doc

青岛大学硕士研究生学位论文开题报告学校代码：11065编 号： 青 岛 大 学 硕士学位论文开题报告论文题目: 多相整流异步发电机定子侧故障时容错运行的研究 姓 名: 郑峰 专业名称: 电气工程 研究方向: 电机运行分析 指导教师: 吴新振 日期: 2017年12月31日2 青岛大学硕士研究生学位论文开题报告专 业电气工程论文起止日期2017.3 -2016.4课题来源纵向课题选题报告会日期2017.12.31论文题目多相整流异步发电机定子侧故障时容错运行的研究研究方向电机运行分析一、 选题的背景和意义近年来，我国的综合国力迅速增强、国际影响力日益提升，建设一支强大的、具有现代化装备的海军部队迫在眉睫。目前，制造以综合电力系统为动力平台的新型舰船1已成为海军部队国防建设现代化的当务之急。未来的舰船综合电力系统采用直流网络，发电模块是其主要模块之一2-4，高速运行和多相整流已成为舰船综合电力系统发电模块的两大特点。发电机的高运行速度能使原动机不经齿轮变速箱直接与发电机转轴相连，从而降低传动噪声、减小设备体积、提高传输效率。多相整流发电系统具有运行可靠性好、供电品质高、电磁兼容性好等多方面优势，其多种型号的发电系统已由我国独立研制生产且成功装备于舰船。近来，国内学者提出了鼠笼实心转子的多相整流异步发电机系统，能够更好得满足军事设备的高标准要求。随着国防建设的需要及科技水平的提高，对带整流负载多相异步发电机系统的研究将不断深入。由于一艘舰船上并列运行的发电机数量很少，在实际运行过程中，若某台发电机因故障而被整台切除必将对系统的供电量产生很大的影响，甚至造成供电系统瘫痪。因此，若某台发电机出现故障时仍能带故障运行且对系统设备及供电质量的影响均在允许范围内，则应允许该发电机容错运行，待舰船靠港后再对故障电机进行检修。这就要求对多相整流异步发电机系统在各种故障情况下的运行性能提前进行分析计算，为容错运行的可行性提供切实根据。多相整流异步发电机系统的故障类型主要包括：定子绕组故障、转子导条故障、系统中元器件故障，其中定子绕组故障和元器件故障属于定子侧故障的范畴。由于课题时间有限，本课题只对带整流负载多相异步发电机定子侧故障的容错运行进行研究，具有一定的军事意义和工程实践价值。定子侧故障的容错运行分析主要包括参数计算、变拓扑结构多相整流系统的仿真计算两大部分，其中，精确的参数计算是整个系统进行仿真计算的基础。故障情况下，多相整流异步发电机系统呈现非对称、非线性、变拓扑等特点，内部故障时电机参数的不对称性、故障运行时变拓扑模式的无规律性使得传统的相量法、坐标变换法不再适用，场路耦合法也因系统变拓扑结构的复杂性而难以进行计算，Simulink、Pspice等商业软件也无法对电机内部故障情况进行建模。本课题借鉴之前项目中带整流负载多相异步发电机系统正常运行情况的分析方法，拟用基于电路拓扑理论的回路电流法，将整个系统拆分为定子子系统和转子子系统分别进行分析，该分析方法的优点为：不受不对称电机参数限制、能够处理复杂多变的变拓扑电路，但内部故障时的参数计算以及故障运行时定转子结构的有效拆分是将该分析方法运用于容错运行分析的前提，该问题的解决对多相整流系统的容错运行分析具有重大意义。二、 国内外研究现状1. 国外研究现状上世纪中后期，已有国外科学家提出多相电机的概念并进行了大量理论研究工作，如：D.C. White率先研究了相数为任意自然数的多相电机；T.M. Jahns发现通过增加调速系统相数，当定子一相（或几相）开路或短路时，系统仍表现出比较良好的运行性能，证实了多相电机可靠性高的优点。这些研究成果都为后来多相电机的发展和应用奠定了基础。随着现代电力电子技术的不断向前发展，无功补偿技术在异步发电机系统中的应用逐渐成熟，解决了异步电机作为发电机时输出电压幅值和频率不稳定的问题，使得异步发电机结构简单、运行可靠、便于维护等优点得以显现。此外，在高速发电机领域，英美等发达国家也走在了国际的前列，如：2004年，麻省理工学院电子与电磁研究开发了5MW的高速异步发电机6；德克萨斯州立大学机械电子中心开发了3MW高速感应飞轮电机。电机领域的发展同时推动了船舶动力技术的变革，1985年，交流电力推进技术大量应用于民用船舶推进；1986年，美国提出“海上革命”计划，北约集团随之响应，全电力舰船技术的研究工作全面展开，并从此受到越来越多国家尤其是军方的重视。2. 国内研究现状多相整流异步发电机由我国学者率先提出3,5，国外的研究资料对此鲜有涉及，由于该技术主要应用于军事设备，国内的相关研究主要以海军工程大学为主，此外，南京航空航天大学开发了用作航空发电的双绕组异步发电机7,8。 新能源发电技术的兴起，使异步发电机成为近期的研究热点9-11，但民用异步发电机结构相对简单，相关研究方法12,13仅可作为参考，对带整流负载多相异步发电机系统14,15的运行分析无实质的借鉴作用。海军工程大学对多相整流异步发电机系统做了大量研究工作并取得了突破性进展，其研究内容涵盖发电机的稳态运行性能分析、暂态运行性能分析、稳定性运行分析并解决了样机试制过程中出现的诸多特殊问题16-18。此外，本课题所属国家自然科学基金的项目负责人吴新振教授在攻读博士学位期间以多相整流异步发电机系统为研究课题，研究内容涉及参数计算、运行性能分析、自激电容与无功补偿容量确定等，在研究中采用了多种具有新意的分析方法，取得了理想的研究成果19,20。电机的容错运行一直与电机采用多相绕组结构密切相关，但目前的研究重点放在多相电动机缺相时的容错运行方面，国内外目前已有不少文献讨论相关内容21-24，其中的分析思路可供参考，但分析方法不能直接用来分析多相整流异步发电机容错运行性能。三、 主要研究内容和研究方法 1. 研究的主要内容多相整流系统是由发电机、整流桥、平衡电抗器、电容器、负载等构成的复杂系统，图1为十二相异步发电机定子绕组与整流负载的连接图。十二相定子绕组由4个中点中性点相互独立、互差15电角度的Y接绕组构成，每个Y绕组出线端并接3个自激电容器，各Y绕组的出线端与4个整流桥相连接，各整流桥的直流侧经2个平衡电抗器并联给直流负载供电。图1 十二相异步发电机定子绕组与整流负载连接图本课题以带整流负载的十二相鼠笼式叠片转子异步发电机为研究对象，首先计算电机绕组参数，包括：电阻、激磁电感、槽漏感、谐波漏感、端部漏感；然后，以此为基础建模，对系统在定子侧故障情况下的运行性能进行分析计算，定子侧故障包括：定子绕组故障和元器件故障。3.1.1多相整流异步发电机定子绕组故障时的运行分析定子绕组相数增多使得异步发电机发生缺相故障的可能性增加，大容量发电机的长期运行也增加了定子绕组内部短路故障的机率，对定子绕组故障的运行性能进行分析计算是支持多相异步发电机容错性强的有力证据。3.1.2多相整流异步发电机系统中元器件故障时的运行分析多相整流系统中包含的元器件数量为普通三相整流系统的数倍，图1所示的十二相整流系统中就包含：24个整流二极管、12个自激电容器、2个平衡电抗器。系统中任何一个元器件故障都会对整个系统的运行性能产生影响，因此，需要针对不同元器件的故障情况进行分析，从而判断各故障情况下容错运行的可行性。2. 拟解决的关键问题3.2.1故障情况下电机参数的计算电机参数的精确计算是整个系统进行仿真计算的基础。异步电机的定子参数计算包括电机绕组的电阻、激磁电感和漏感。其中漏感又包括：槽漏感、谐波漏感和端部漏感。故障运行情况下，电机参数呈现不对称性，各电感参数均为mm的矩阵(m为电机的相数)，无法用以往考虑各相共同作用的等效电感参数来表示。因此，找到规范统一、应用方便、适用性强的参数计算方法是分析进行电机运行性能分析的前提。3.2.2故障情况下的气隙磁场分析多相整流异步发电机定子绕组、转子鼠笼绕组中的基波电流在电机气隙中产生磁场；与一般电机相比，同整流负载相连接的定子绕组中谐波电流含量较高，亦产生相应的气隙磁场，使得多相整流异步发电机气隙磁场的谐波含量比一般电机丰富。发电机正常运行时，电机中各电磁变量的对称性使得各相电流所产生的气隙磁场谐波分量相互抵消，气隙磁场以基波电流所产生气隙磁场的基波分量为主。但故障运行时，各相绕组出现不对称电流，加之电机参数的不对称性使得气隙磁场中谐波分量大大增加。掌握故障运行情况下气隙磁场的特点是对发电机系统进行有效拆分的依据，也是整个研究工作顺利进行的基础。3.2.3故障情况下发电机系统的拆分发电机定转子之间存在相对运动，且整流桥系统中各二极管的通断状态不断变化，致使整个系统因网络结构过于复杂而难以直接用电路的方法进行分析。以往正常运行分析中所采用的电路拓扑法是以对系统的有效拆分为前提，但在故障运行情况下，各电磁变量的不对称性以及气隙磁场呈现出的新特征使得之前的拆分方法不再适用，制定故障运行情况下的拆分原则是对整个系统的运行性能分析成功与否的关键。3. 研究方法3.3.1参数计算的方法分别从定子绕组、转子绕组的单一线圈出发计算电阻、漏感、激磁电感等参数。由于后续分析中将定子子系统与转子子系统分开计算，参数的时变性特征不再出现，因此定转子间的互感参数不用计算。最后，根据线圈与各相支路间的关联矩阵，求出各相绕组的电阻、自感及互感参数，为系统的建模分析建立基础。下面以定子绕组为例，对漏感参数的计算方法做简单介绍：(1) 槽漏感的计算方法本课题试验样机的定子绕组为双层绕组，其定子槽可分为三层：由槽口和槽楔部分组成的无流层、定子绕组上层有流层、定子绕组下层有流层，依次编号为1、2、3，如图2所示。槽漏感的计算采用数值的方法，先对定子槽各层进行分片处理26，设每片的宽度为bkm，高度为hkm。假设某有流层中通有电流，求出槽中各层各片中的磁链大小，然后再将各层中所有片磁链分别进行累加得到每层总磁链，从而求得各有流层间的漏感，进而计算出相应的槽漏感，最后结合故障情况下的关联矩阵得到实际的相间槽漏感。此方法的优点是：与套用现有槽比漏磁导解析公式的方法相比，该方法以数值计算为基础，不受定转子槽形及槽内各层绕组分布的限制，运用灵活。图2 定子槽结构(2) 谐波漏感的计算方法谐波漏感的计算采用从总电感中减去基波电感的方法27。首先将单一线圈的磁势进行傅里叶分解得到其基波磁势，通过引入Carter系数等效电机定、转子齿槽效应进而计算出单一线圈的气隙磁密及其基波分量，再根据两线圈的空间位置关系求出任意两线圈间的谐波漏感，最后通过引入故障情况下关联矩阵的方法得到实际的相间谐波漏感。此方法的优点是：与传统通过将各次谐波分量相叠加进而计算谐波漏感的计算方法相比，该方法的计算工作量小，通用性强。(3) 端部漏感的计算方法采用基于矢量磁位法的端部漏感计算方法28，该方法与谐波漏感的计算方法类似，首先从单一线圈出发计算任意两线圈间的端部漏感，再通过故障情况下的关联矩阵计算实际的相间端部漏感。图3为定子绕组端部结构。图3 定子绕组半椭圆形端部结构线圈间端部漏感的计算采用数值计算的方法，简要步骤如下：首先，确定第一个线圈与端部漏感计算有关的电流、第二个线圈矢量磁位的积分路径并进行分小段处理；其次，通过将第一个线圈所有小段电流在第二个线圈积分路径上任一小段中点的矢量磁位进行叠加，依次求出第一个线圈电流在第二个线圈积分路径中各点产生的矢量磁位；再将第二个线圈闭合积分路径中各点矢量磁位沿积分方向分量与对应小段的长度之积进行累加，得到第一个线圈电流在第二个线圈端部产生的总磁通，进而求出两线圈之间的端部漏感。此计算方法的优点是：不受端部形状的影响，可以方便计及绕组的双层分布及端部的喇叭口倾角，模型建立更合理、结果更准确；同时，计算矢量磁位时只需在沿线圈周边的一维空间上取点，与以往通过在中性面上取点求磁密的面积分获取磁通的方法相比，提高了计算速度，减小了计算误差。3.3.2系统的拆分及分析方法多相异步发电机定子绕组与整流负载系统本质上属于多回路、变拓扑结构的电路网络25，二极管不断改变的通断状态决定了网络的暂态运行特性。针对该网络的结构特点，可用基于电路拓扑理论的回路电流法对电路进行分析，根据基尔霍夫电压定律列写网络方程并解出回路电流，再返回求出网络中的各支路电压和支路电流，整流桥二极管上的电压和电流可作为二极管通断状态的判断依据。电机性能分析过程中所有方程都表示为矩阵形式的网络方程，通过矩阵运算进行求解。故障运行情况下，发电机失去了结构的对称性以及参数变量的规律性，多相整流系统呈现非对称、非线性、多变量、变拓扑的结构特征。鉴于发电机定转子间只有磁路耦合而无电路关联这个特点，可将整个系统拆分成两个子系统：一个是定子多相绕组与整流负载组成的变拓扑结构系统，另一个是鼠笼转子系统。在分析过程中，取某些量作为连接两个子系统的端口变量，以各端口变量分别在两个系统中相等作为分析计算过程结束的判断依据。(1)定子子系统对于由定子绕组与整流负载组成的定子子系统，其结构具有复杂性，研究工作围绕先解决主要矛盾再解决次要矛盾的总体思路，通过列写故障情况下以矩阵方程、假设变量并进行循环迭代运算等环节，最终完成分析计算任务。设负载大小及整流输出直流电压值为已知量，定子各相绕组中的感应电势幅值未知、频率相位已知。所抓的主要矛盾是假设功率绕组的感应电势最初仅含基波分量，则可写出幅值未知但频率与相位确定的各绕组电势表达式。考虑故障情况相比于正常情况时电路拓扑结构的不同特点，列写出反映支路与回路关系的关联矩阵，采用电路拓扑理论并结合回路电流法进行计算得到各绕组电流。然后，对各绕组电流进行傅立叶分解，得出电流基波分量与谐波分量，计算基波电流及主要次谐波电流在气隙中的磁势，重新假设功率绕组感应电势并写出表达式，这样就考虑了次要矛盾。上述过程重复进行直至迭代结束，由此得出定子子系统的计算结果。(2)转子子系统转子电路系统可以看作是由鼠笼绕组组成的多回路网络，同样通过电路拓扑法进行分析计算，其计算过程与定子子系统类似，不同之处在于转子子系统是恒拓扑结构，若是转子绕组出现故障，也要考虑故障情况下的拓扑结构与正常情况下拓扑结构的差异，本课题暂且不讨论 转子绕组故障的情况。转子子系统的迭代量是转差频率，根据定子绕组感应电势与转差频率就可以得到转子各绕组的感应电势，最终通过矩阵运算求出转子绕组电流。计算转子电流产生的磁势并与定子电流产生的磁势叠加得到气隙磁势，根据气隙磁势计算定子绕组感应电势，若感应电势与前述定子子系统中的感应电势不同，则要重新假设转差频率直到感应电势相等为止。上述过程以定子电势作为连接两个子系统的端口变量，使之在两个子系统中相等，以此为媒介把两个子系统合成大系统进行计算。根据求出的故障情况下定子绕组电流与转子绕组电流，就可以计算直流输出电压脉动系数、计算发电机各处损耗进而得到电机温升值，计算气隙磁密进而得到电磁力与电磁振动值，这些性能指标为判断故障情况下容错运行的可行性提供理论依据。4试验验证为说明系统拆分处理的合理性，验证电路拓扑法的正确性和准确程度，需要对计算结果进行实验验证,数据主要从改建的试验平台中获取。改建试验机组中需要模拟的故障状态包括定子多相功率绕组缺相故障、功率绕组内部短路故障以及定子多相整流系统中的自激电容器、平衡电抗器、整流二极管故障。四、课题进行计划本课题的研究工作主要分为四个阶段：第一阶段（2017年3月-2017年12月）：准备阶段。梳理多相整流异步发电机不同故障模式，建立各种故障模式下发电机数学模型，构想具体研究方案，同时设计出实验样机的鼠笼型转子。第二阶段（2017年1月-2017年9月）：研究的主要阶段。不断改进发电机故障模式下的数学模型，调整改善研究方案，编写分析计算程序并上机调试，研究工作主要在这阶段进行。此期间还要完成实验样机平台的改建任务。第三阶段（2017年10月-2017年12月）：实验验证及理论完善阶段。利用实验平台进行实验，根据实验数据验证分析方法的正确性和准确度，找出产生误差的原因，发现解决问题的方法，在此基础上使理论研究工作进一步完善。第四阶段（2016年1月-2016年4月）：结题阶段。整理好有关的材料，撰写硕士论文并进行修改完善，准备毕业答辩。参考文献：1 马伟明. 舰船动力发展的方向综合电力系统. 海军工程大学学报, 14(6), pp1-5, 2002.2 Clayton D H, Sudhoff S D, Grater G F. 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