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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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在线刊号(2278-8875)印刷版(2320-3765)

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不平衡运行下机器参数对自励感应发电机性能的影响

Yatender查图尔维迪1坎瓦吉特·辛格·桑德胡2
  1. 研究学者，系电气工程，印度库鲁克谢特拉国家理工学院
  2. 教授，系电气工程，印度库鲁克谢特拉国家理工学院
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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摘要

SEIG负载不平衡是单相负载(家用负载)引起的常见现象，可能会降低该类机器的性能。本文提出了一种新的模型，用于分析不平衡运行下机器泄漏电抗对SEIGs性能分析的影响。仿真结果表明，与电阻相比，机械参数对不平衡程度的影响更大。在15kw的机器上进行的仿真研究可能对这种操作的机器设计有用。

关键字
自励感应发电机(SEIG)，不平衡运行，不平衡度，风能。

命名法
A e j(2 π / 3)
单位频率F
ν单位速度
Ca、Cb、Cc各相并联励磁电容
Ral、Rbl、Rcl负载各相电阻
Xal、Xbl、Xcl各相负载电抗
R1,R2定子和转子每相电阻
X1、X2定子、转子每相漏抗
正负序网络的每相气隙电压Vgp, Vgn
Vp, Vn每相正负序电压
Ip, In正负序网络的每相定子电流
从正序网络和负序网络开载端分别看到的每相位等效导纳YP, Yn。
Zlp, Zln每相正负序负载阻抗
正序网络和负序网络的每相磁化电抗Xmp, Xmn
K不平衡度(vn/vp)

介绍
自激感应发电机(SEIG)似乎适用于风力转换为电能的偏远和多风地区。这些机器可以用来满足这些地区的当地需求。自励感应发电机具有无刷转子结构、无单独直流电源、易于维护、体积小等优点。近二十年来，此类生成器在独立应用方面得到了越来越多的关注。
感应发电机转子由原动机驱动，定子端子上连接合适的电容器组时，会出现自激现象。三相自励感应发电机平衡运行时的性能分析需要适当的电路表示和数学建模。采用常规等效电路[1]进行基于环路阻抗法的性能评价。[2]采用节点导纳方法分析SEIG的性能。[3]显示了激励要求的重要性，[4]讨论了其成功运行的限制。为了减少计算量，在[5]中提出了迭代技术。提出了一种新的包含有功功率源的等效模型，简化了分析。然而，这种发电机在不平衡运行下的分析却很少受到重视。SEIG的不平衡运行模式通常是由于单相负载(家用负载)或由于使用分布式发电机而难以实现平衡运行。对这种发电机在不平衡条件下的性能评价的文献报道甚少。 In contrast to balanced operation [7] proposed a simplified circuit for the analysis of SEIG under unbalanced mode of operations. A new model for various generatorload combinations was proposed by [8]. [9] carried out the study of SEIG for unbalanced conditions using line current injection method. [10] derived the new mathematical expressions using symmetrical component approach where as [11] continues the same using two port model for unbalanced operations of SEIG. A study of unbalanced operation of SEIG was given by [12] in which core losses was also taken in to consideration. [13] continues the study of unbalanced operation and proposed a new model based upon load decoupling across the machine terminals and incorporates the shunt magnetizing branch in the negative sequence network. This paper presents a new model that has been used to analyze the effects of machine parameters on performance estimation of SEIG under unbalanced load and excitation as well.

造型
图像
图1为三相不平衡负载下的三相自励感应发电机，图2和图3为单相正序和负序等效电路。
图像
在图1的节点a、b、c处应用Kirchhoff电流定律，可以得到节点导纳矩阵为:
图像(1）
式中，Yal、Ybl、Ycl为相导纳，由各自相的负载电容和激励电容所提供的导纳相加而得。从对称分量理论
图像(2)和(3)
在那里;
图像
由式(2)
图像（4）
其中Yx、Yy、Yz可由以下矩阵得到:-
图像（5）
由式(3)和(4);
图像(6）
对于delta连通系统，式(6)中的电流序列分量可得为:
图像(7a) & (7b)
现在从图2和图3所示的SEIG的逐相正序和负序等效电路中，可以得到电流的正序和负序分量矩阵为:
图像(8a) & (8b)
由式(7)和式(8)进行少量数学计算，正序和负序网络的不平衡度和负载阻抗的表达式为:
图像(9)、(10)、(11)

产生的频率和磁化电抗的解决方案
当负载、励磁、运行速度等发生变化时，SEIG产生的频率和磁化电抗也会发生变化。这些参数是未知的，分别在SEIG的每相正序和负序电路的P和Q节点上应用Kirchhoff电流定律形成的方程中函数。这些方程如下:
图像(12)、(13)
在那里;
图像
式(12-13)可以用任何优化技术求解未知参数，即正序和负序网络的产生频率和磁化电抗。

性能方程
在得到正序网络和负序网络的产生频率和磁化电抗等未知参数后，可由机器饱和曲线得到正序网络的气隙电压Vgp，如附录i所示。
电压和电流的正、负序分量可得:
图像
由式(14-17)可得相电压和相电流为:
图像
此外，各阶段的负载电流可以从以下矩阵计算;
图像
SEIG输出的功率为:
图像

结果与讨论
本文使用前一节中所解释的SEIG模型来估计机器在不平衡运行条件下的稳态性能[附录1]。从图4和图5可以看出，定子和转子电阻对不平衡程度的影响很小，而定子和转子电抗对不平衡程度的影响很大(X1=X2=X)。因此，本研究的重点是研究在不平衡运行下，由于“漏抗变化”导致的SEIG性能。
图像
图像
(A)不平衡加载的影响
图6至图9为转速为1.0288p时，不同泄漏电抗值下各相电压、电流、不平衡程度、产生频率的模拟结果。当不平衡是通过改变一个相的负载电阻，即Ral。负载电阻的大值和小值分别对应该相的开路和短路。从图6到图8观察如下:
•在定子和转子的实际电抗(X1=X2=0.1456p.u)下，相“a”的开路导致任何相的过电压，通过降低定子和转子的电抗(X1=X2=0.08p.u)，可以限制在标称操作极限。
•在接近短路时，发电机负荷过大容易发生故障。然而，同样的机器，降低了泄漏电抗值，能够在短时间内给负荷。
从图9可以看出，定子和转子电抗值越小，不平衡程度越低，其次，产生的频率也越高。
图像
图像

(B)不平衡激励的影响
图10 ~图13为通过改变a相电容实现不平衡时，实际定子转子电抗和减小后的不平衡时，各相电压、电流、不平衡程度和产生频率的模拟结果。Ca值大和小分别对应短路和开路操作。图10至图12观察如下:
相位“a”的励磁电容变化导致机器某些相位的过电压和电流过大。这种过电压和过电流是负载电阻相同变化的几倍，这是非常不可取的。
•定子和转子电抗的降低，不良过电压和过电流可能在一定程度上受到限制。
从图13中可以观察到，与整个负载的变化相比，两侧(对短路开放)的激励变化导致更大程度的不平衡。此外，通过减小定子转子侧的电抗值，可以降低不平衡程度，提高产生的频率。
图像
图像
图像

结论
本文提出了一种基于机器终端负载解耦的新模型，用于研究不平衡运行时机器参数对其性能的影响。该模型在负序网络中加入了磁化分支，并采用对称分量法进行了分析。仿真结果表明，机器漏抗对不平衡时电压电流的限制具有重要意义。研究结果可用于设计机器参数，使其在安全操作下运行。

参考文献













附录1
机器1:
三相，15KW，四极，50hz, 415V, 30A, Delta连接式鼠笼感应电机，每单元的每相等效电路参数如下:
图像
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