（电力系统及其自动化专业论文）带整流负载异步发电机分析.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h ei n d u c t i o ng e n e r a t o rw i t har e c t i f i e rl o a dj sc h a r a c t e r i z e db yh a r da n ds i m p l e s t r u c t u r e ，h i g hr e l i a b i l i t y , l o wc o s t ，h i g hp o w e rd e n s i t y i tr e p r e s e n t st h ed e v e l o p m e n t t e n d e n c yo ft h ep o w e rg e n e r a t i o nb l o c ki nd cs u p p l yp o w e rs y s t e m i nv i e wo ft h e i n d u c t i o ng e n e r a t o rc a r r y i n gar e c t i f i e rb r i d g e ，t h eo v e r a l ls y s t e mb e c o m e sm u l t i l o o p ， n o n - - l i n e a r , v a r i a b l e - t o p o l o g y ；i ti so fg r e a td i f f i c u l t ya n dc o m p l e x i t yt oa n a l y s i si nl o o p c u r r e n td i r e c t l y t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to fj n d u c t i o ng e n e r a t o r si sm a t h e m a t i c a l l ym o d e l e d b yr e f e r r i n gt h es t a t o ra n dr o t o rv o l t a g ee q u a t i o nt ot h eb a s ef r e q u e n c yr e s p e c t i v e l y t h i s a r t i c l ei n t r o d u c e st h ep o w e rb a l a n c em e t h o d w i t ht h ei n d u c t i o ng e n e r a t o re q u i v a l e n t c i r c u i ta n dr e l a t i o n s h i pb e t w e e nd ca n da c ，w h i c hb u i l d st h ew h o l es y s t e m s m a t h e m a t i c a la n a l y s i sm o d e l u s i n gt h i sm o d e lt h ea n a l y s i sp r o c e s si sn o to n l ys i m p l e ， b u ta l s oa c c u r a c vt h i sm e t h o d sv a l i d i t yi sc o n f i r m e db yt h ee x p e r i m e n t t h ee x c i t e dc a p a c i t o r so ft h ei n d u c t i o ng e n e r a t o ri st h eb a s et ok e e pt h er e c t i f y s y s t e mo u t p u tv o l t a g ec o n s t a n t ，a n dt h ec a p a c i t o r sv a l u ei sk e yt ok e e pt h ed cv o l t a g e i n v a r i a b l e i no r d e rt od e t e r m i n et h ec a p a c i t o rv a l u e su n d e rt h ed i f f e r e n t1 0 a d sa n d m a i n t a i nt h ed cs i d ev o l t a g ec o n s t a n t ad i r e c ts e a r c hm e t h o dp r e s e n t e db yh o o k e j e e v e s a n dv a r i a b l ea l t e r n a t i n ga p p r o a c ha r eu t i l i z e dt os o l v ec o n s t r a i n e do p t i m i z a t i o np r o b l e m t h a to f i e r st h ea d v a n t a g e so v e rt h o s eo fn e w t o n r a p h s o n sm e t h o di os t a b i l i t ya n d f l e x i b i l i t y w i t ht h ec a l c u l a t e dc a p a c i t a n c e ，ag i v e nl o a dt e r m i n a lv o l t a g ei sb u i l du p i nt h ev i e wo ft h ep r o b l e mt h a tt o om a n yh a r m o n i c se x i s t si nt h ec i r c u i ti nt h e i n d u c t i o ng e n e r a t o rw i t har e c t i f i e rs y s t e m f f ta l g o r i t h mi su s e dt oc a l c u l a t et h ea c c u r r e n ta n dv o l t a g e sb a s ev a l u e sa n dh i g hh a r m o n i cv a l u ej no r d e l t od e t e r m i n et h e i n f l u e n c eo f t h ed cf i l t e ri n d u c t a n c e a n das i m p l er cw a v e - f i l t e r i n ga n a l y s i sm e t h o di s a l s op r e s e n t e db a s e do i lt h et r a d i t i o n a lt e c h n i q u eo fh a r m o n i ca n a l y s i si nt h i sp a p e r o n t h eb a s i so fi g n o r i n gm o r et h a nt h r e eh a r m o n i c ，t h ev o l t a g e c u r r e n tr e l a t i o n s h i pb e t w e e n d ca n da cs i d e sa n di t sh a r m o n i cc a l c u l a t i n gf o r m u l aa r eu t i l i z e dt oc o n s t r u c ta c o m p l e t em a t h e m a t i c a lm o d e lf o ra n a l y z i n gt h ed c a ch a r m o n i c a n dt h em o d e ic a n e f f e c t i v e l yd e t e r m i n et h ep a r a m e t e rs c o p eo f t h ea c s i d ef i l t e r k e y w o r d s ：i n d u c t i o ng e n e r a t o r ；r e c t i f i e rs y s t e m ；p o w e rb a l a n c e ； o p t i m i z a t i o nm e t h o d ；h a r m o n i c 学位论文独创性声明、学位论文失彭 产权权届声明 学位论文独创性声明、学位论文知识产权权属声明 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中依 法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上已 属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名： t - 谚孺 日期：嘲年多月2 。日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学 校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后 发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为青 岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密回。 f 请在以上方框内打“ ” ) 论文作者签名： 奄飞 日期：谰年弓月伽日 导师签名：袭哥叶彳融日期：为研年，月汩日 ( 本声明的版权归青岛大学所有，未经辟可，任何单位及任何个人不得擅自使用) 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的背景及意义 随着人类社会经济和科技不断发展，人们在享受经济和科技发展带来的成果同 时也遇到前所未有的众多问题，其中以环境危机、能源危机尤为突出，为了缓解能 源危机，满足日益增长的电能需求，人们把目光转向风能、太阳能、潮汐能等一次 可再生能源的利用上，但这些能量分布往往不均匀，且地理位置偏远，这对发电机 自身条件提出了新的要求，传统的同步发电机不仅价格昂贵，且电机自身结构复杂、 维护不便、对环境的要求高，这些缺点使得同步发电机无法满足要求，在这种情况 下，异步发电机的研究和应用引起了广泛的兴趣。 然而异步发电机自身没有无功励磁装置，需要从电网吸收滞后无功功率，这会 降低电网的电能品质，同时存在电压和频率难于调节的缺点，特别在原动机和负载 变化的条件下保持异步发电机端电压和频率的稳定变得很困难，异步发电机恒压恒 频输出相对是一个理想的过程，而且恒频输出也会造成原动机功率浪费，不能充分 利用风能、水能等变化的能量 随着电力电子逆变和整流技术的发展，出现了高压直流输电方式，其原理就是 将发电机输出电能经过整流桥后转变为直流电，然后直流部分可以直接储存利用或 者经过逆变转化为任意电压和频率要求的交流电，这样通过调节电机的转速或者无 功补偿来实现电机的输出电压稳定成为唯一需要考虑的因素，避免了电机频率变化 带来的负面影响，提高了异步发电机输出的电能品质。 1 2 国内外研究现状 电容白激式感应发电机的性能研究起始于1 9 3 5 年【1 l l ：2 l ，至今已有6 0 多年的历史。 其间的研究曾一度陷于中断，究其原因主要体现于两个方面，一方面异步发电机转 子为实心转子，没有励磁线圈，发电机的启动只能依靠转子的少量剩磁，试验证明 通常这些剩磁的激磁电压只有2 v 左右1 3 】，无法提供发电机高压启动时的定子无功励 磁，同时异步发电机正常运行的时候也要不断从电网吸收无功功率，此外异步发电 机还存在频率和电压随负载波动难于调节的缺点；另一方面同步发电机的较早出现 以及其诸多优点和迅速为世人普及的事实使得异步发电机的发展错过了许多发展机 会。 进入上世纪8 0 年代后，随着绿色革命的兴起以及人们环保意识的提高，可再生 能源的利用在全世界范围内受到越来越广泛的重视，与传统的同步发电机相比，异 步发电机的主要优点是其带有鼠笼转子的无刷结构，体积小，不需要直流源励磁， 维护费用低，暂态特性优越，更适合作为分布式独立电源。特j 5 i 是在一些偏远地区， 青岛大学硕士学位论文 那里蕴藏着丰富的风能、水能、潮汐、地热等可再生能源，由于这些地区一般工业、 农业落后，加上环境恶劣，建火电厂不仅造成能源的浪费，且会带来环境污染的严 重后果，异步发电机的诸多优点恰好扬长避短，很好的适应这样的环境要求，这使 得异步发电机的研究逐渐得到了重视和应用，目前，大量异步发电机研究方面的论 文屡屡发表在国内外相关的学术期刊上。 异步发电机的分析主要集中的两个领域，一个是异步发电机直接带负载的研究， 这其中主要包含了稳态和暂态两个方面的研究，稳态主要是利用异步发电机的等值 电路分析发电机负载变化与转速、机端电容、电机定子频率之问的关系卜s j ，暂态分 析主要是通过坐标交换列写电路状态方程求解1 9 。稳态分析侧重对异步发电机带不 同功率因数静态负载性研究，同时异步发电机带动念负载的性能也得到了研究， b h i ms i n 曲【i o 】等人提出了一种将动态负载等效为阻抗负载的方法，用来研究异步发 电机带电动机时的特性，而利用特征根法【”】以及长并励【6 】、短并励1 2 1 法分析异步发电 机带线形负载稳态、暂态特性则颇具新意。 除了上述提到的线性暂态与稳态负载外，异步发电机带电力电子器件等非线性 负载的性能也值得研究。目前该领域的研究主要通过控制p w m 整流、逆变装置， 实现电机负载变化时无功功率的动态补偿，保证电机输出电压频率稳定，文献o 7 j 详尽的给出各种p w m 控制策略以及控制模型，并在实践中得到应用。但异步发电 机直接带整流负载的分析研究相对较少，文献1 1 ”l 】给出了国内对于三相同步发电机 带整流负载的动态以及谐波分析方法，但没有提及异步发电机带整流负载问题，文 献【2 2 2 1 1 2 3 1 研究了带整流负载异步发电机作为高压直流电源的控制策略，但没有给出 整个系统的理论分析，过多的侧重了实际应用；海军工程大学马伟明等 2 4 - 2 8 l - 首创了 带整流负载双绕组十二和高速异步发电系统，其原理是在定子上附加一个励磁绕组 为定子绕组提供动态的无功补偿，维持定子电压恒定。 国外对于异步发电机带整流负载的研究虽早已展开 2 9 - 3 5 】，但理论分析较少，主 要侧重其分析仿真方法，其原理是在列写整个系统动态数学模型的基础上，利用计 算机仿真分析系统数学模型中参数的求取以及正确性的验证，其分析基本上有两种 方法，一种是利用s i m o n 、m a t l a b 直接求取电路动态方程的解，另一种是利用 e m t p 、s p i c e 和s a b e r 仿真软件对电路进行模拟仿真。通常，当仿真电力电子电 路时用面向电路为基础的模拟软件较为方便，而要仿真各种电机与控制系统时用求 解状态方程解更为方便。当电机与电力电子装置相结合并且必须用方程式求解来仿 真时，电力电子装置运行应该与电机的动态方程恰当结合，异步发电机和整流负载 应该在混合系统中应用动态方程来建模。为了利用方程式对整流器建模，p i l l a y 和 a k p i n a 一纠提出了一种变拓扑方法来对二极管桥式整流器建模，这种方法适用于转差 能量恢复型系统中：另一种称之为渐进模型法，它利用m a t l a b s i m u l i n k 对整流系 第一章绪论 统建模仿真分析，这种方法，只考虑二极管桥式整流器，但是被控的二极管模型却 没有被清晰的描述。f r a n s 提山了r l e ( 电阻，电感和e m f ) 即1 晶闸管模型，其参数 依赖于品闸管的通断运行状态。这种方法使得动态方程式更加复杂，因为六个品闸 管在动态方程中总会出现，但在每一步中电路的拓扑却没有改变。 1 2 1 异步发电机带线性负载稳态研究方法 异步发电机的稳态研究主要是利用异步发电的一相等值电路，然后针对等值电 路利用回路阻抗法或者节点导纳法列写电路方程，通过求解方程获得异步发电机的 各种待求参数，具体如下： 墨 bd 图i i 异步发电机稳态运行一相等值电路 图中各量均折算到定子侧，并将实际参数折算到额定频率下的标幺值。其中z 为 实际频率与额定频率o o l - l z ) 之比，丝为实际转速与额定转速之比，发电机通常带电 阻、电感静态负载或者带电动机等动态负载，图一为直接带电阻负载电路，由电路 可以得出两种主要的分析方法： ( 1 ) 回路阻抗法 l l z 。= 0n - ( o 回路阻抗方程 互= z 0 + 2 0 + 乙 ( 2 ) 节点导纳法 u i e 2 0 1 - ( 2 ) 回路导纳方程 ，：；匕+ k + 异步发电机稳态运行时，公式1 ( 1 ) 、l 啦) 中回路电流j 一和机端电压u - 不能为零， 那么只有使得回路阻抗或者节点导纳为零无论是回路导纳方程零还是节点导纳方 程为零，经过化简后都是一个含有实部和虚部的复数方程，这里取实部和虚部分别 为零，得到一个以激磁电抗置，、定子电流频率z 为变量的高阶非线性方程组。由 3 青岛大学硕十学位论文 于方程次数高达七阶，采用一般的微分降阶方法无法求取合理的方程解，常用的求 解方法有“n e w t o n r a p h s o n ”法和优化计算方法【4 “，“n e w t o n r a p h s o n 法虽然具有较 高的精度与较快收敛速度，但求解过程受初值选择限制，本文选择优化算法作为分 析方法，优化算法具有收敛速度快，计算精度高等优点，椎常适合求解高次方程。 1 2 2 异步发电机带线性负载暂态研究方法 异步发电机暂态研究主要为了确定异步发电机建压过程中电容值大小选取或电 机参数及负载变化时电路中的电压和电流交化情况，为了解异步发电机暂态过程中 各物理量变化情况并为电机的设计提供理论基础，相关的研究方法如下： ( 1 ) 特征值分析法 特征值主要足用来分析异步发电机在小扰动下的电机建压的临界问题，也可以 用来确定最小建压激磁电容值，在电机模型的线性化过程之后，基于模型的稳定性 的参考坐标系，系统方程式可以用矩阵的形式表现如下： p x = a x + b ul - ( 3 ) 其中 x 1 = 【虬叱各舭，j u = l c a ，0 0 0 0 i a 为状态方程矩阵，b 为激励系数矩阵 式i - ( 3 ) 中，l u l 为激励矩阵异步发电机自激建压前电压为零即u 为零矩阵，于 是可以得到线性微分方程的通解为 x = i c e “ 1 - ( 4 、 k 是由备状态量的初值所决定的常数矩阵，描述了系统的自由响应。根据矩 阵a 的特征方程 d e t ( a - z i ) = 0i - ( 5 ) 可以得到系统的特征值。 当特征报中的任何一个的实部大于零时，异步发电机将会自激建压，在异步发 电机空载建压的状态矩阵a 中，在保证电机参数不变的情况下，只有一个变量，即 自激电容c ，它可以人为的确定，它影响了系统特征根的分布，在异步发电机存在 剩磁的条件下。只有激磁电容满足一定的数值时，才能使系统的特征根中有一个实 部为正的，异步发电机能够自激建压。本论文选取的坐标系是定子静止坐标系，由 文献1 可知在此坐标系下，异步发电机定子上的电量是随时间变化的正弦量，因此 在异步发电机建压稳定后，应该能够维持正弦变化的电压，也就是系统处于等幅震 荡状态，这时系统应存在实部为零的特征根，而不能存在实部大于零的特征根，否 则系统将难以稳定。 第一章绪论 ( 2 ) 利用p a r k 变换转换为d q 轴等效电路 自激异步电机的电压方程可以写为： i d v 坷 h d r 。+ p l i c o l ， p m ( 研一国) 膨 c o l ， r 。+ p l 。 一研) 肘 p m p m o j m 见+ p l , ( 啡一缈) 其中下标j 和，分别表示定子和转子 激励电容器组的电压和电流的方程式可以写为： 6 0 m p m ( c o - 0 7 , ) 三， 足+ p l , 二期嘲 f 婶 ，耐 j 崎 l 耐 i - ( 6 ) l - ( 7 ) 合并以上两个方程式，可以很方便的将电机方程与参考坐标系相联系，当电机 起动后转子电压将等于零，上述方程将变为六个方程六个未知量，通过龙格库塔法 可以很快解出上方程中实时根， 1 2 3 异步发电机带整流负载外特性研究方法 异步发电机带非线性负载外特性分析主要用来研究异步发电机带整流负载后整 流桥直流侧交流侧电压电流的变化情况，交流侧的研究也包含了电机本身内部参数 的变化对直交侧的影响，通常为了稳定直流侧的电压。需要改变交流侧的激磁电容 或者电机转速，由于带整流桥后整个电路的运行要受非线性整流桥导通关断的约束， 无法直接得到整个电路系统的稳态等值电路，目前国内外的研究主要包含异步带可 控整流系统和不可控整流系统的分析研究，其研究方法主要有以下几种： ( 1 ) 电路分析法 电路分析法是分析异步发电机及整流系统的主要方法，其基本思路在于把电机 看成相互耦合的线圈绕组组成的电路，整流桥看作非线性系统元件，根据电机的电 磁平衡关系和整流负载的电势平衡关系分别列写状态方程，再由整流桥导通与关断 情况联立方程求解。列写状态方程时常用的坐标系统有由0 坐标系统，q 印坐标系 统和a b c 坐标系统。使用d q o 坐标系统便于列写感应电机自身的状态方程，电机的状 态方程包含转子和定子两部分，通过电机磁链方程二者联系到一起，其参数的计算 及测量较为方便，但考虑到发电机与整流桥的接口问题，求解时仍需要把砌0 坐标 系统的变量转换为a b c 坐标系统中的变量。使用a 猡| 0 坐标系统则需将由0 坐标系统 发电机状态方程和a b c 坐标系统中负载状态方程同时向卿坐标系统转换，涉及较 多的参数变化，分析过程较为复杂。若用a b c 坐标系统进行分析，就可直接列写发 电机和负载的状态方程，由于状态变量就是实际量，无需坐标进行坐标变换，通过 这些转换，结合a c - d c 侧电流电压的动态方程可以详尽的对异步发电机整流系统建 s 青岛大学硕士学位论文 模，结合定子与转子模型，所有动态方程用m a t l a b 软件均可以实时的公式化与仿 真。 ( 2 ) 回路电流法 基于电路拓扑理论的回路电流法是一种分析异步发电机带较为复杂负载电路的 有效方法，具体的思路是首先选择所有的独立回路并给出回路的正方向，根据回路 与支路是否关联以及相互问的正方向是否一致写出基本回路矩阵，然后将每个回路 中所包含的支路电感、电容、屯阻元件分另q 根据自身电压通过其电流大小利用向后 e u l e r 法数值公式处理为微分方程式，进而得到用于暂态分析的电阻、电感、电容元 件的瞬时等值电路，从而得到了元件上电压和电流的任意时刻关系方程，使得元件 具有时变性，最后利用基尔霍夫电压定律列写每个回路方程，这里包含整流桥的回 路要在选定的步长的情况下通过判断二极管通断情况决定每一步该回路是否瞬时存 在，利用m a t l a b 语言对回路矩阵方程电流电压求解，得到支路瞬时电流i 和支路 瞬时电压。 ( 3 ) 场路耦合法 场路耦合法是一种直接把电磁场方程与电路方程联立求解的分析方法，它与电 路分析法相比即有相同点又有不同点：相同之处都反映了电机和整流负载电势平衡 关系方程式；不同点在于电机磁链表达式，电路分析法中磁链一般写成电感与电流 相乘的形式，用电路中的电感参数反映电机的电磁关系：场路耦合分析法中的磁链 直接用磁通密度或者向量磁位等场量表示，而这些场量常常通过离散电磁场方程并 用有限元法获取。场路耦合法的一个特点是求解的各量与运行状况一一对应，若以 此求取参数，则反映了电路中实际运行的动态参数，与其它方法的静态参数不同， 利用场路耦合法特别适合求取电机内部参数，如果要与整流系统联结考虑，就要考 虑整流桥元件的开关和导通状态，结合电路中电压和电流平衡关系，列写整个电路 的状态方程，其中最重要的是对于整流桥工作状态的处理。常用的方法主要有开关 函数法、模式分类法、电路元件模型法和关联转换矩阵法，结合这些方法整个系统 就成为一个随着时间变化的动态方程，通过求解任意时刻的状态变量就可以得到瞬 时或者稳态情况下系统的运行情况。 ( 4 ) 利用工具软件仿真法 工具软件仿真法是一种方便简捷的分析方法，主要分为两类：一类是利用电路 系统的数学模型建模仿真，这类仿真一般借助m a t l a b 中的s i m u l i n k 是一个用来对 动态系统建模、仿真和分析的功能强大的软件包，也是一个将具体复杂系统数学模 型转化为直观图像结果的有效工具，用户可以直接利用库里已有的模块将数学公式 进行模块化组合，该方法思路清晰、简单、但要调用较多的模块，且连线复杂，易 造成连线差错，同时模块中也要避免分母为零的传递函数，不适用连续复杂的动态 仿真，为了扩大使用范围，s i m u l i n k 元件库中还提供了s - f u n c t i o n 模块编程构造， 6 第一章 绪论 利用该模块可以编写任意数学表达的仿真模型，不用考虑传递函数过零问题，且仿 真速度加快；另一类是面电路有向模拟分析法，主要是利用诸如p s i m 、e m t p ， s p i c e 、s a b e r 等电路仿真软件，这些软件能够直接将仿真电路中所有的元器件直 观的表示出来，无需考虑每个元件的数学函数，特别适用于仿真电力电子线路，电 路的电源一般要等效为恒压源或者恒流源，加之模拟仿真不涉及电路中的动态数学 程，故对于电机与整流系统的复杂电路且需要考虑电机参数变化的电路更侧重利用 m a t a b s i m u l i n k ，此外模拟仿真对于复杂的非线性系统也会出现较s - f u n c t i o n 和 s i m u l i n k 等编程仿真软件仿真缓慢的缺点，但随着模拟仿真软件的发展提高，这些 缺点将逐渐得到克服。 1 3 异步发电机带整流负载谐波分析 正弦电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上，其电流和电压分别为比例、 积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦波施加在非线性电路上时，电流 就会变为非正弦波，非正弦波电路在电路阻抗中产生压降，使电压波形也变为非正 弦波。异步发电机带整流负载后，整个电路就会变为非线性电路，异步发电机输出 的电压电流将发生畸变，整流桥直流的电压波形也将变为周期脉波，其大小取一个 周期内的平均值，谐波分析主要目的主要分析以下几个指标： 次谐波电压含有率，以h r 玑表示 ， h r = 导x 1 0 0 1 - ( 8 ) u l 式中以一第 次谐波电压的有效值 u 基波电压有效值 一次谐波电流含有率，以h r 表示n ， h r , , = 孚1 0 0 1 - ( 9 ) j i 式中l 一第泞次谐波电流的有效值 基波电流有效值 电压谐波总畸变率强哦和电流谐波总畸变率删p 分别定义为： ， t h d , , = 等i o o 1 - ( 1 0 ) u l ， r h d , = 等l o o l - ( 1 i ) l r = - _ 式中谐波电压含量定义为= 、窿u 。2 ，谐波电流如含量定义为 l 肛2 青岛大学硕士学位论文 l h = 匿 在实际整流电路中一般通过改变直流侧滤波电感或滤波电容大小，合理的选择 平波电抗或者滤波电容的大小对于提高直流侧和交流侧电能质量降低谐波有一定的 作用，此外利用先进的整流控制技术如p w m 、s p w m 、s v p w m 等可以大大降低电 路中谐波含量，提高系统中电能品质。 1 4 本文的主要研究内容 “带整流负载异步发电机分析”主要是对自激式三相异步发电机带整流桥后稳 态运行性能进行分析研究，它是带整流负载自激式三相异步发电机作为直流恒压发 电系统实际设计的前提与基础。本文着重对异步发电机带可控和不可控整流桥系统 后稳态运行分析。主要内容有： ( 1 ) 首先阐述了作为直流发电系统的核心部分异步发电机的发电机内部各参数 的计算以及激磁电容大小的选择，特别是电机磁化曲线和一相稳态等值电路的求取， 为后文的分析奠定了理论分析基础。 ( 2 ) 激磁电容和电机转速的选择对带整流负载异步发电机稳态运行时直流侧电 压恒定起着关键作用。为了更好的研究直流侧电压与交流侧激磁电容以及转速的关 系，本文利用电机的等值电路并结合优化算法对异步发电机的整流负载后空载运行 的情况做出了定量分析，为异步发电机带整流负载后稳压运行研究提供了理论前提。 ( 3 ) 异步发电机带不可控二极管式整流桥负载后稳态运行情况是本文的研究的 重点，恒速异步发电机带不可控整流桥后直流侧的电压大小变化取决于异步发电机 的激磁电容大小。本文提出了种基于发电机等值电路以及电路功率平衡原理，在 忽略整流桥有功功率损耗情况下，将带整流桥的非线性问题等效为线性电路分析， 大大降低了电路分析的复杂性，试验证明该方法是简洁可行的 ( 4 ) 异步发电机带可控整流桥负载的也是异步发电机带整流系统的研究重点，本 文中利用a b c 与q d o 坐标系统建立了感应电机的动态数学模型，结合整流电路的电 压和电流平衡原理，通过判定定子电流矢量初始角度确定整流桥中二极管的触发角 度，将直流侧和交流侧联系起来考虑，从而提供了一种分析异步发电机带可控整流 系统的暂态和稳态的分析模型。利用p s i m 仿真软件对可控整流系统建模仿真，确 定了整流参数变化与直流侧电压的幅值关系。 ( 5 ) 异步发电机带非线性整流桥后，受二极管导通关断的约束，直流侧、交流 侧都将产生大量的谐波，文中利用快速f o u d e r 变换定量给出了不可控整流系统条件 下直交侧基波、及各次谐波分量大小，分析了不同平波电感下或者不同滤波电容的 大小对谐波的影响，并提供了确定最佳滤波l c 电路的选择的有效方法。 l 第二章带整流负载异步发电机空载运行分析 第二章带整流负载异步发电机空载运行分析 2 1 概述 本节介绍了异步发电机带整流系统后空载运行特性，异步发电机空载运行时等 效于异步发电机空载情况，直流侧的电压大小完全取决于交流侧电机转速和激磁电 容大小，文中首先给出了等值电路的具体推导方法，然后通过空载实验和堵转实验 给出了电机参数的测定方法，优化算法的应用保证了计算结果快速精确。 2 2 空载时的稳定运行工作点 ( 1 ) 异步机的空载特性曲线 从异步发电机的建压过程可知，转子的磁通密度夙它由两部分叠加而成： b = b l + b 2 2 - 0 ) 其中，局为定子绕组内的激磁电流，卅所激发，其值与厶成正比；历是铁心在目的 作用下所出现的磁化场，尾在数值上远远大于且。它们与电流厶的关系可用图1 2 来表示。 由于电势蜀与磁通密度口成正比，因此，局由曲线的形状应与岳厶曲线棚似， 如图2 2 中的曲线所示，该曲线便是异步机的空载特性曲线。 图2 1 图2 2 ( 2 ) 电容器的容抗特性直线 在三相电路中，每相电容所受到的电压珥均应等于该相的容抗l 2 x f c 与流过 的电流厶之积，即 ， 以2 盖 2 - ( 2 ) o 此式表明，电容器上的电压u 应与电流厶成正比，从而可知它的伏安特性曲线 为以原点为起点的直线。此直线就是容抗特性直线，如图2 2 中的直线。 ( 3 ) 空载时的工作点 9 青岛大学硕十学位论文 从图2 2 中利用空载特性与容抗特性确定稳态工作点的特性曲线可以看出，激 磁电容的选取对空载工作点的影响很大。当电容值低于某一个数值即口 乜l 时，电 机不能自激，当口 i 历7l ，l o m o ，即等效电路的励磁支路开路。由于实验时，转速n = 0 ，机械损耗p ，= o ，定子全 部的输入功率p l l 都消耗的定、转子的电阻上，即 r t j x t t _ 一l 1 j r i i ir ： 够l i i l： 上j 圈2 5 堵转时的等效电路 兄= 玩( 墨+ 厦)2 - 0 9 ) 根据堵转实验测得的数据，可以算出短路阻抗i 磊i 、短路电阻厩和短路电抗凰。 即 青岛大学硕士学位论文 i z , i = 争 2 删 r 硼- + 砭2 嚣 2 以= x 。+ z = 刚2 一 2 - ( 2 2 ) 在定子电阻已知的条件下，即可求得惑与凰，对于蜀和局，在三相异步电 机巾可认为 置。z 。拿 2 ( 2 3 ) 再由空载实验时激磁阻抗的表达式即可求出异步发电机稳态分析时的所需各个参数 的大小。 2 4 3 异步发电机磁化曲线 本文用作仿真和实验的电机额定值为：额定功率2 2 k w ，定予y 接，额定电 压3 8 0v ，额定电流5 0a ，额定频率5 0h z ，2 对极，作电动机运行时的额定转速 1 4 2 0r p m 。电机参数为：r i = 2 8 q ，r 2 = 3 2 n ，l i = l 27 = o 0 1 0 9 h 。 同步速下的空载试验后，得到了样机激磁电抗与基频下的感应电势的对应关系 如下表 表2 1 激磁电抗与基频下感应电势的数值对应 利用上表中的数据结合曲线拟合的方法可以得到线性化后的电机磁化曲线的方 程为 争= 1 5 8 6 5 0 3 0 5 7 x ， 2 - ( 2 4 ) ，1 2 5 带整流负载异步发电机空载运行外特性 2 5 1 空载下不可控整流电流直流侧、交流侧电压对应关系为 设交流侧相电压有效值为u 2 ，则三相桥式全控整流电路的负载电压为线电压， 线电压有效值u ：。= 3 ，负载波形如图2 6 所示 1 4 第二章带整流负载异步发电机空载运行分析 甜d jl n泅 鹇酬 石 i 1 图2 6 全控整流电路的直流侧电压波形 把纵坐标选在整流电压的峰值处，则在删 - 等，铡( 驰) 区i 司，整 流桥直流侧负载电压表达式为： 群d 。姒) = 劢2 lc o s ( o r 饼 - 等，铡 z 稻， 由上式可得直流侧电压的平均值为 ：3 一茹“c o s c a t d r _ a t ；3 v r 2 u 2 l 2 - ( 2 6 ) 4 、 月 由上式可以看出当交流侧线电压的有效值确定，那么直流侧的电压也随之确定， 即直流侧电压平均值与交流侧线电压有效值存在一一对应关系，而直流侧空载情况 下交流侧的电压变化只决定电机的转速以及激磁电容的大小。 2 5 2 无功补偿稳压原理 自激异步发电机稳态运行时，必须有足够的无功以保证电压的建立和维持电压 的稳定。机端并接电容时所提供的无功功率为： q = m 2 砺c u 2 2 - ( 2 7 ) 式中q 表示无功容量，柳为相数此处为3 ， 为定子电流频率，c 为机端电 容，u 为端电压。 从式2 - ( 2 7 ) 可以看出，在保持输出电压稳定的基础上改变机端电容c 和定子电 流频率z 都能调节无功功率，即调节端电压的值。而定子频率的改变则可通过改变 发电机的转速实现，所以可通过改变端接电容和转予转速的方法实现自激异步发电 机的建立恒定的电压或稳压运行。 2 5 3 空载异步发电机回路阻抗方程推导 图2 7 是异步发电机空载稳态运行时折算到基值频率五下的一相等值电路，这 里认为基值频率定子电流产生的旋转磁场转速就等于恒定的转子转速，异步电机稳 态运行时，定子电流产生的旋转磁场转速要小于转子转速，相应盼定子频率石要小 青岛大学硕十学位论文 于基值频率。 图2 7 中，巨为定子频率彳时的相电势；q 为定子频率z 时的端电压；墨，五 分别为基值频率五下定子每相电阻和定子每相电抗；是置分别为基值频率五下 转子每相电阻和转子每相电抗折算值；j ，c 为基值频率石下端电容的容抗；石为定子 侧频率标么值；垦是转子转速的标么值；j ，埘为基值频率石下的激磁电抗。 “ z l j 重f j j 2 _ l r 。芷 甜 l 拶蔓2 l z 一玎l l 图2 t 异步发电机空载稳态运行一相等值电路 上图中，把a b ，伽和c d 分别视为独立的支路，由k v l 得 回路阻抗 ，乙= 0 这里 z ，= z 曲+ z 钟+ z 耐 上式中 乙= 。务 z 。= r i i l + y x z d = 二兰! 圣叁竺! 兰! j x m x 2 乙一| x 。n + j x 2 & 一j 眭2 + r 1 2 一( 2 8 ) 2 - ( 2 9 ) 异步发电机稳态运行的时候机端电压不能为零，那么要使节点导纳为零，必有 乙= 0 2 - ( 3 0 ) 稳态运行等值电路中的激磁电抗以是与感应电势相关的量，它们之间的关系可以表 示为 工。圳 2 - ( 3 1 ) 式中的感应电势鲁可以通过图2 7 求得 1 6 第- 章带整流负载异步发电机空载运行分析 釜= 小刭一 i 乙l 2 一( 3 2 ) 2 5 4 优化法计算整流负载空载情况下保持恒定端电压的转速和电容值关系 由等值电路的节点导纳方程可知，该方程是一个多变量的高次方程，传统的解 决方法是利用n e w t o n - r a p h s o n 法求解，这种方法涉及方程的求导问题，计算量大且 初值选取不当易使迭代过程发散，降低了计算精度。本文采用优化算法，优化算法 可以很好的解决有约束问题，这里在给定异步发电机的端电压条件下，计算空载建 立恒定端电压时机端电容和转速的对应关系，属于有约束的优化范畴，约束条件是 电机的给定电压求解有约束优化问题的一般步骤是先把有约束问题转化为无约束 问题，然后用无约束最优化的直接方法求解。 优化方法求解问题的关键是选取合适的优化目标函数，优化的目的是使目标函 数值达到最小，针对本文所分析的问题，选择节点导纳绝对值为目标函数，因为由 式2 一( 3 0 ) 可知阻抗方程为零是异步发电机稳定运行的必要条件。在给定端电压，转 子转速的条件下，将定子频率表幺值z 和激磁电容值c 作为优化对象，选择合适的 频率和电容初始值，使回路阻抗绝对值为零的优化收敛点所对应的机端电容值即为 给定转速下所求的对应电容值。由式2 - ( 3 0 ) 可知节点导纳方程中的变量有四个，机 端电容容抗j ，c 、定子频率标么值五和激磁电抗以，转子转速，在已知端电压，负 载，转子转速或端子电容的前提下可通过式2 - ( 3 1 ) 及2 - ( 3 2 ) 确定激磁电抗z ，的值， 此处把它作为已知量来考虑，即完成了从有约束到无约束的转换。于是优化目标函 数的数学模型可以表示为 ( 以，啊z ) = i z ，i - - r e z 。j 2 + i m z 。】2 2 - ( 3 3 ) 对于式2 - ( 3 3 ) ，采用变量轮换法进行优化计算，坐标轮换法基本步骤是从一个初 值而开始，先只改变一个变量，保持其他变量不便，进行一维寻优，得到一个好点葺， 再换一个变量做一维寻优的第二个好点南，对行个变量全部轮换一遍，完成一维迭 代，经过多次迭代直到i 以一蜀i s ( 规定精度) 停止得到一个最好点。其具体的算 法流程图如下 在优化时，首先由端电压计算激磁电抗k ，把机端电容容抗( 基值频率) 砝或 转子转速玎，定子频率标么值，；作为自由变量，设定一个精度，经过多次迭代得到 的最小点即为电机的稳定运行点，变量轮换法流程图如图2 8 所示： 1 7 青岛大学硕士学位论文 图2 8 变量轮换法的流程图 第二：章带祭流负载异步发电机空载运行分析 2 5 5 计算结果与实验结果 本文计算和实验所采用的实验室三相四极异步电机额定数据为：额定功率2 2 k w ，定子y 接，额定电压3 8 0 v ，额定电流5 a ，额定( 基值) 频率5 0h z ，额定转速 为1 5 0 0r p m 。由同步空载实验和堵转实验测得的一相等值电路参数为置= 2 8 0 0 n ， 五= 3 4 3 6 s 2 ，足= 3 2 0 0 f 2 ，五= 3 4 3 6 q 。 通过空载实验得到的异步发电机的磁化曲线分饱和和不饱和两部分来线性化表 示，近似考虑激磁电阻的作用，蜀和爿0 的关系表示为 以： 虢。，娜裂： z 邓。， 通过m a t l a b 编程计算不同转速下异步发电机空载恒压时的机端电容值就可以到 机端电容与转子转速的关系。 图2 9 空载下保持不同电压运行时的电容和转速的关系 图2 9 分别给出了异步发电机保持恒压1 7 6 v 、2 2 0 v 、2 6 4 v 空载情况下的电机 转速和机端电容的关系曲线，图中实线表示计算值，五角星代表实验值，可以看出， 实验值与计算值非常吻合，验证了计算方法的有效性和计算结果的准确性。图中横 坐标为电机的实际转速，纵坐标是转速对应的机端电容值，由图可知，维持恒压的 机端电容值随着转速的增加，在转速越低时机端电容的变化越剧烈，当转速小到一 定的数值时，无论电容值如何增加，都不能再把电压保持在要求电压。当转速较高 时，机端电容值变化非常小，趋向于一个值，说明建立理想的稳定电压机端电容也 存在一个临界值，小于此值，转速如何变化也不能建立所要求的电压值。 利用图2 9 就可以确定此实验室电机空载建压为1 7 6 v 、2 2 0 v 、2 6 4 v 不同转速 下的机端电容值和不同机端电容下的转速值。例如要建立2 2 0 v 的枫端电压，转速 盛 意1盲_蚪斟新|11叶 青岛大学硕士学t i ) = 论文 为1 2 0 0 r r a i n 时对应的机端电容值约为6 0 u f ，机端电容为1 0 0 u f 时对应的转速约为 8 0 0 f r a i n 。 2 6 结论 为了保证带整流负载异步发电机带负载后能够建立恒定电压，关键是确定转子 转速和机端电容变化时的对应关系，本文从异步发电机空载运行情况下的一等值电 路着手，推导了电路节点导纳方程，并将其作为优化对象，利用优化算法求出了不 同稳定电压下不同转速对应的电容值，并与实验值对比，证明方法的正确性，另外， 激磁电抗的饱和特性也是计算过程巾所要考虑的因素。 分析异步发电机恒压稳态运行过程相当于对两个联立方程和一个约束条件解三 个未知量，文中把它等价为有约