三相交流发电机的电路研究docx

  

  本文通过建立数学模型研究三相同步发电机短路状态下的各项指标，避免短路故障提供设计，出现短路故障时的正确措施，就电路保护设施的选择问题给出更合理的设置这些都是三相同步发电机发展过程中当务之急的问题。本文将理论与实际相结合，针对三相同步发电机的短路问题进行建模研究，通过仿真电路得到三相同步发电机短路时的各项数据，通过数据分析得出具有实际价值的研究结论。就目前来说，应用较多的还是功率较小的永磁同步发电机。这是因为当电路忽然出现短路故障时，短路状态下流过发电机组的电流将非常大，甚至会达到发电机额定电流的十好几倍，这么大的电流会直接摧毁发电机组和相关设备，有很大的安全风险隐患，这也是目前研究较多的发电机短路问题，由于短路电流大，出于安全和技术考虑，研究这类问题不会直接进行实验，而是通过仿真技术进行研究。

  电机是制造业工厂电气化的基础设备，电机行业在我国设备制造业中占比很大，电机研发和制造必然的联系到我国生产力水平，是推进我们国家社会生产力，与人民生产生活息息相关的产品。众多电机产品中，三相同步发电机的出现，彻底颠覆了传统发电机行业，随着三相同步发电机的不断开发，工厂自动化程度慢慢的升高。同步发电机能够拖动大功率机械，比如送风机、球磨机等大功率机械，这类机械的功率往往在百千瓦以上。就目前来说，应用较多的还是功率较小的永磁同步发电机。这是因为当电路忽然出现短路故障时，短路状态下流过发电机组的电流将非常大，甚至会达到发电机额定电流的十好几倍，这么大的电流会直接摧毁发电机组和相关设备，有很大的安全风险隐患，这也是目前研究较多的发电机短路问题，由于短路电流大，出于安全和技术考虑，研究这类问题不会直接进行实验，而是通过仿真技术进行研究。本文将介绍三相同步发电机的组成结构，通过数学建模，研究同步发电机在短路状态下的特性指标，进行相应分析，为三相同步发电机的研究发展提供理论支持。

  本文通过建立数学模型研究三相同步发电机短路状态下的各项指标，避免短路故障提供设计，出现短路故障时的正确措施，就电路保护设施的选择问题给出更合理的设置这些都是三相同步发电机发展过程中当务之急的问题。本文将理论与实际相结合，针对三相同步发电机的短路问题进行建模研究，通过仿真电路得到三相同步发电机短路时的各项数据，通过数据分析得出具有实际价值的研究结论。

  三相同步发电机的组成部分和常规发电机一样大致上可以分为定子和转子，不同的是定子上的线组是三相交流绕组，当直流电流流入转子上的励磁绕组时产生定向的磁场，定子线发电机的定子

  定子由定子铁心和电枢绕组组成，所以定子也称为电枢。定子铁心就是磁路，是由硅钢片叠压制成，硅钢片厚度通常在0.5mm以内，并且一侧有线槽用来放置电枢绕组，整个铁心在压板和定位筋的作用下与发电机壳紧固为一体，铁心内部的沟槽是通风沟，为了更好的提高铁心散热能力。下图是定子冲片的示意图。

  电枢绕组就是导线组，由于工作时电流比较大，电枢绕组会产生很多热量，为了达到较好的散热效果，在组装电枢绕组时通常是空心导线和实心导线相间组合。大型发电机组或者发电机大功率运行时可以在空心导线的基础上加装水冷系统，以此来达到散热目的。绕组表面是绝缘涂装，由于电压较高所以对绝缘涂层的材料要求比较高。?

  良好的散热是发电机正常运行的保障，除了通过设计空心导线进行散热以外，电机壳体与铁心之间的风道设计也特别的重要。发电机壳体由机座和端盖组成，在固定定子的同时形成风道促进发电机散热。

  同步发电机的转子结构相对复杂，由四部分构成，分别是转子铁心、励磁绕组、阻尼绕组和滑环，其作用也不大相同。转子的结构形状与发电机结构有关，目前同步发电机应用较多的两种结构就是凸极式和隐极式两种，下图为结构简图。

  转子铁心既是转子磁路同时又起着固定励磁绕组个阻尼绕组的作用，不仅要考虑转子铁心材料的导磁性能，同时还要求材料在高转速和高温条件下保持良好的机械性能，目前一般选择合金材料，合金材料能够兼容多种金属的特性，达到转子铁心的材料选择要求。

  励磁绕组是定向磁场的产生者，当直流电流流过励磁绕组时产生定向磁场。励磁绕组随着转子非常快速地旋转，为了尽最大可能避免绕组移位，所以要在励磁绕组两端用金属紧固环固定，同时为了尽最大可能避免泄露磁场，固定励磁绕组的金属导磁性不能太强。

  阻尼绕组大范围的应用于大容量发电机。阻尼绕组的结构是一个闭合绕组，由插在两端极靴的铜条和端环构成。就如下图所示。?

  当转子发生震荡，转子转速出现偏差，阻尼绕组通过切割旋转磁场产生低频电流，对转子的不和谐运动起到阻碍作用，从而削弱转子的机械震荡。同时，阻尼绕组可拿来启动同步电动机和补偿机的电机。

  同步发电机的短路故障很多，分为内部短路和外部短路。外部短路更多的问题来源于负载，情况较多。常见的发电机内部短路故障有线圈对地短路、相间短路、层间短路以及匝间短路。绕组的线圈发生短路就是导线自身短接，形成闭合回路，短路区域会有很大电流，在极短的时间内发热冒烟，造成发电机内部电路损坏。

  当发电机内部电路出现故障时，会有明显的异常表现，比如异常振动、三相电流不平衡、转速忽高忽低以及局部发热等现象。

  同步发电机就是将机械能转化为电能，转子部分通过励磁绕组产生定向磁场，转子转动引起磁场旋转，定子部分切割转子磁通，定子三相绕组呈120°分布，磁场首先经过A相导线°进入B相导线°经过C相导线，以此循环，不断切割磁感线产生感应电动势，通过变压装置将电能输入电网或直接接入负载。其原理如下图所示。

  建立回路方程第一步是要确定正方向，包括磁链方向、电流方向以及电压方向，其中字母为各相的转子轴线和绕组轴线。模型中方向设定如下图所示。

  下图就是发电机的简化电路图，由此图我们大家可以知道各回路中电压与电流的关系。

  三相同步发电机中的磁链是由两部分组成，分别是绕组之间的互感和绕组自身的自感，磁链方程就可以用以下方程来表示：

  由于绕组间的互感系数是可逆的，所以我们可知=，=，同时==0，所以上式可以简化为：

  由于同步发电机中有阻尼绕组的作用，所以定子与转子之间的运动是相对稳定的，所以定子绕组的磁路变化是周期性的，对此，为了计算简便，我们可以将模型置于dpO坐标系中。为避免参数变化影响分析，可以将基本方程转化为微分方程，其中多数变量用常系数替换。

  在各相参数中可以引入第三变量，定义为零轴分量，变化坐标系，可以得到逆变式，以电流为例，引入，可得下式：

  上式中的?、为定子绕组d、q轴的同步电感；为d轴电枢绕组之间的反应电感；、表示励磁电感分量；、表示阻尼绕组电感分量。

  只要将上式中带有阻尼的方程式去掉就好了，得到的式子就是三相同步发电机无阻尼情况下的数学模型，式子如下：

  dq0坐标系统下电压方程得到dq0坐标系统下电压与电流的微分方程dq0坐标系统下各电流值

  将磁通变化量，磁通用电流表示dq0坐标同步发电机的电阻，电感，互感，及电压的数值同步发电机各绕组原始电流

  框图时整个的编写思路，当发电机出现短路状况时，数学模型就会依据以上思路进行模型分析。

  在书写M文件时，要根据选取的发电机的基本参数进行数据设定，可以得到下面表达式：

  在这种情况下，由于电压已知，所以仿真显示的就是电流波形图，此时电流与的关系可以根据磁链方程得到：

  在三相同步发电机的基本参数基础上，通过设定已知电压，通过微分方程不难得知电流值，此时所求得的电流值是dq0系统中的，可以通过派克变换得到发电机的原始方程矩阵，从而求得其它待求量。

  系统的不对称故障在确定约束条件时是比较困难的，可以通过a，β，0系统模型来设定约束条件，此系统中可以将dqO系统假想成一个静止绕组，可以通过转换得到相关数据。

  在不同的短路环境中，有不同的约束条件，可以通过短路情况确定相应的约束条件，通过这种方式就能得到发电机在不同状态下的各种参数，将参数值代入微分方程就可以得到相应的仿线.实例仿真与分析

  在三相同步发电机的短路故障中大体可以分为对称短路和不对称短路，可以通过建立数学模型进行研究分析，就例如三相短路、负载短路、绕组短路等短路情况都可以通过这种方法进行建模研究。在进行这类分析时有一基本观点就是，电磁暂态过程快，并且在这一过程中发电机能够以恒定转速转动，保持转差率稳定。这一章将依次对发电机短路的三种情形进行仿线三相突然短路仿线三相同步发电机有阻尼突然三相短路仿真结果

  定子电流用表示，转子电流用表示，电枢电流用表示，并且频率为50Hz，周期0.02s，短路机制是在机端加上反向电压而形成。

  通过以上仿真分析我们大家可以看出，带有阻尼绕组的发电机在短路时的振荡要比不带阻尼绕组的发电机更为剧烈，同时阻尼绕组能够有效减缓电流变化速度，振荡时间长，电流幅值变化相对于无阻尼发电机要大，并且响应较慢，此结果与分析一致。

  在研究负载两相短路时，需要设定约束条件，我们可以设定=，=-，然后以此在dqO系统中进行仿真分析，通过给定的电压方程转换出相应的数学模型。

  图9三相同步发电机有阻尼两相突然短路故障仿线三相同步发电机无阻尼两相突然短路仿真结果

  通过以上两图我们可以看出，直轴电流的变化幅度受是否设置阻尼影响，无阻尼情况下，直轴电流的变化幅度较大，这一结果能够最终靠对比以上仿真波形图得到，有阻尼参与的电路中，响应速度要慢。

  转子电流在有阻尼的电路中变化幅度较大，并且有阻尼的情况下电流变化反应迅速。定子交轴电流的变化情况是有阻尼的情况下变化幅度大但反应速度较慢。

  当负载不对称时，不同绕组线圈中的电流有效值不相同，他们会产生环状磁场，在电路发生短路的一刹那，瞬间激发很大的冲击电流，这也就导致三相同步发电机的机端电压和电流都出现不对称的情况。

  当然，产生的冲击电流并不会存在很长时间，通常不会超过0.2s，之后就会进入稳定的短路状态，两相线的时间要比三相线时间长，大约是三相线单相负载短路突然分析

  图11三相同步发电机有阻尼单相突然短路仿线三相同步发电机无阻尼单相突然短路仿真结果

  通过对比波形图可以清晰地看出，在有阻尼的电路中，发电机单相短路的变化幅值要比无阻尼情况下大，这是由于阻尼绕组本身也会产生感应电流，冲击自身的同时产生很多热量，会减少发电机寿命。当然，在大型发电机设计中，阻尼绕组是必不可少的，能够最终靠调

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