串联自激同步发机的稳态和瞬态行为(翻译).docVIP

串联自激同步发电机的稳态和瞬态行为 摘要：串联同步电机（SCSG）是一种通过激磁电容把定子绕组和转子绕组串联起来的感应式电机。这种电机同步运转产生频率为额定频率一半的正弦电压。这篇论文介绍了关于该电机稳态和暂态的理论与实验研究，源于同步旋转结构，我们采用了d-q模型。并计算出用于在某特定速度产生自励磁的最小电容值。 关键词：参数化电机、感应式电机、自励磁、同步发电机、广义电机理论 符号清单： C 激磁电容，uF Cmin 自励磁所需最小电容，uF ia，ib，ic a，b，c三相的各相瞬时电流，A iar，ibr，icr a，b，c三相的各相瞬时转子电流，A ias，ibs，ics a，b，c三相的各相瞬时定子电流，A id，iq d，q轴上各自的瞬时电流，A idr，ids d轴的转子电流分量和定子电流分量，A iqr，iqs q轴的转子电流分量和定子电流分量，A Id，Iq d，q轴上各自的稳态电流，A im 最大励磁电流，A IL，Ia 稳态负载电流和电枢相电流，A K 定转子变比 ls，lr 定子和转子的各相漏电感，H Ls，Lr 定子和转子的各相自感，H Ld，Lq d，q轴各自的自感，H M 定子和转子间的最大互感，H N 转子速度 P 微分算子 Rs，Rr 定子和转子各自的电阻，Ω RL，L 负载电阻（Ω）和电感（H） va，vb，vc a，b，c三相的各相瞬时电压，V vd，vq d，q轴各自的瞬时电压 Vd，Vq d，q轴各自的稳态电压 Va 稳态相电压 Xs，Xr 基频时定转子的最大电抗，Ω ZLe 感应负载和激磁电容并联的等值电抗，Ω we，w 磁动势和转子的转速，rad/s Ⅰ绪论 由于近年来能源消耗率增加，因而掀起一股可再生能源系统的热潮。因此，最近的研究工作致力于探索不同类型可再生能源。 自励感应发电机因为能工作在较大的速度区间，所以适合于将风能转换为电能。自励感应式发电机的行为研究显示其输出电压取决于负载频率（参考[1]-[4]）。 有提议用串联自励同步电机（SCSG）产生正弦电压，其频率仅由速度决定。SCSG是滑环感应式电机，它的定子绕组和转子绕组通过两次顺序颠倒串联，如图1所示。因此，定子绕组和转子绕组产生的磁动势将以通速反向旋转。通过用励磁电容器，它的励磁过程开始与自励感应式电机一样。仅当定转子产生的主磁通以速度we同步旋转时，机电能量转换才有可能实现，此时的速度为转子旋转速度w的一半。我们用floquet理论求解变系数微分方程对SCSG进行分析（参考[5][6]）。分析提出了个别无法解释的机器参数的效果。另一种办法是检查以推论相图为依据的参数的影响。结论是定转子变比起着重要作用，决定机器的性能。但是这种方法需要迭代，而且仅限于预测稳态性能而已。 在这篇论文中，用电机广义理论对电机进行了分析。基于d-q模型产生的结论对暂态和稳态行为都适用。并计算出特定速度下产生自励的最小电容值。 Ⅱ D-Q模型陈述 A机器陈述 为分析这种电机，选择与定转子产生的主磁通同步旋转的坐标系。由于转子以两倍于坐标系的速度旋转，并参照图3，对转子每个位置，下列关系式成立： （1） 倒转定转子绕组相序，能用下列数学表达式表示： （2） 根据各相电流推得的定转子等效d-q电流及相互转换关系由著名的转换给出（参考8）。 （3） 和 （4） 在（3）中代之以（1）（2），并与（4）的结果相比较： （5） 在d-q模型中执行式（5）的条件，与等效线圈间的相互关系如图4所示。可见： （6） d-q轴间的电压电流关系可以表述为： （7） 其中， （8） 定转子相绕组的串联，导致了由轴电感差异化表明的有效凸极。这使该电机应该同步运行。 B 饱和陈述 计及铁芯饱和问题，Ld和Lq可以用id和iq的方程表示如下。 im与d-q电流的关系： （9） 将（5）代入（9）可得： （10） 由开路测试，评估了RMS气隙电压Vg和磁化电流Iu之间的关系。对每一个点，M和im可如此计算： 和 。 M与im之间的关系见图5，其可以用数学表达式表示为三界多项式。多项式的系数由图5可得。从第Ⅲ部分给出的可知，自感与漏感及互感有关： （11） 把（11）代入（8）中，整理得： （12） 其中： （13） 应该提出的是，因为M的变化，相关量（im PM）应该包括在电压方程当中。然而，随着运用数值分析方法，M假设为在每个积分步长保持不变。 C 负载陈述 SCSG的自励磁是通过电容器提供超前功率来获得的。如图1所示，负载和激磁电容并联。用d-q转换代表负载和励磁电路部分详见附录（A），有关d-q电压与电流的瞬态方程给出如下：对电阻性负载，在（14）中用0代替L，整理得： （16） 所以，（14）（15）（16）分别代表感性负载，阻性负载，无负载。 Ⅲ 实验装