双绕组发电机交流侧负载对直流侧突然短路电流的影响分析

孙俊忠, 王辉波, 周智勇

(海军潜艇学院 动力系，山东 青岛 266000)

双绕组发电机交流侧负载对直流侧突然短路电流的影响分析

孙俊忠, 王辉波, 周智勇

(海军潜艇学院 动力系，山东 青岛 266000)

通过对物理概念和矢量图的深入分析，研究了3/12相双绕组发电机交流侧负载大小和功率因数对直流侧突然短路电流的影响，简化了短路电流的计算公式，明确了直流侧最大短路电流的计算条件。通过实机试验，检验了理论分析的准确性。

双绕组发电机； 直流侧突然短路； 功率因数； 交流侧负载

0 引 言

3/12相双绕组交直流发电机(简称双绕组发电机)的定子上布置有两套绕组：一套提供三相交流电，称之为交流绕组(交流侧)；另一套是12相四Y移15°绕组，经桥式整流后输出直流电，称之为直流绕组或整流绕组(直流侧)[1-2]。交流侧带负载时直流侧突然短路是双绕组发电机最常见的短路故障之一。这种突然短路的情况受交流侧负载的影响较大。文献[1]用解析法分析了交流侧带负载时直流侧突然短路的短路电流，但对交流负载的影响没有深入研究,而且得到的整流绕组短路电流的计算公式很复杂，没有进行简化。本文在文献[1]的基础上，采用理论分析和试验检验的方法，全面研究了交流负载对直流侧短路电流的影响，有效简化了短路电流的计算公式，给出了直流侧最大短路电流的计算条件，解决了工程应用的关键问题。因为双绕组发电机的交流电压主调、直流电压浮动，所以在分析交流侧负载对直流侧短路电流的影响时，保持交流电压不变，改变交流侧负载电流或功率因数的大小，即在保持交流电压和交流侧负载功率因数不变的情况下，分析交流侧负载大小对短路电流的影响；在保持交流电压和交流侧负载电流不变的情况下，分析交流功率因数大小对短路电流的影响。

本文采用的假定条件与文献[1]相同，即假定短路前交流侧带负载稳态运行，直流侧为空载，短路发生在直流侧出线端，不考虑线路阻抗的影响，并认为短路前后转速和励磁均保持不变[1]。主要符号的意义如下：

Ua是整流绕组4Y等效并折算到交流绕组的相电压；UA是交流绕组的相电压；δa、δA分别表示整流绕组电压Ua和交流绕组电压UA与EA夹角；EδA,Eδy分别为交流绕组和整流绕组单Y绕组的气隙电势；xlA是交流绕组自漏电抗，xlmAa是等效整流绕组与交流绕组间互漏电抗 ，ΔxlA1=xlA-xlmAa；rA为交流绕组的电阻；k是交流绕组与整流绕组单Y有效匝数比；IA为交流绕组电流。xdM、xqM分别是交流绕组和等效整流绕组d、q轴同步互电抗。这些参数的详细推导请参见文献[2]。

1 交流侧负载大小对短路电流的影响

双绕组发电机的运行矢量图如图1所示[1]。交流侧负载大小对短路电流的影响涉及两个方面，在保持交流电压不变的情况下，一方面，若负载电流增大，则电枢反应增加，绕组漏阻抗的压降也增加，这时必须增加励磁电流以抵消增加的电枢反应和补偿增加的绕组漏阻抗压降(电枢磁势和绕组漏阻抗压降都与负载电流成正比)，从而使气隙磁场及其在整流绕组(4Y等效并折算到交流绕组的整流绕组[3])感应的气隙电势增大，这一因素使整流绕组电压Ua增大；另一方面，交流绕组与整流绕组之间还存在漏磁场耦合作用，交流绕组电流在整流绕组中产生互漏抗压降，这个因素使整流绕组电压减小。

图1 双绕组发电机运行矢量图

上述两种作用因素可通过式(1)进一步说明，由矢量图1可得

(1)

式(1)体现了上述两种因素的作用，通常xlA>xlmAa，第一因素起主要作用，因此交流绕组电流增加使整流绕组电压Ua增大。

根据文献[1]，整流绕组交流侧a1相短路电流的表达式为

(2)

这个运算式比较复杂，为了在工程上便于应用，需对此进行简化。

(3)

整流绕组其他各相的短路电流根据参考文献[1]可以很方便地得到。

该近似式的准确性通过后面的试验进行检验。

整流绕组电压Ua增大，整流绕组交流侧短路电流也增大，根据文献[4]，相应的直流侧最大短路电流为idcmax=3.831ia1max，直流侧短路的最大电流也增大(主要关心的是突然短路后直流侧的最大电流及其到达时刻)。

下面通过试验和计算对上面的分析进行检验。试验模拟样机的参数如下：xlA=0.017 94、rA=0.033 33、xAd=0.612 48、xAq=0.612 48;xlmAy1=0.005 913、xlmAy2=0.005 913、xlmAy3=0.007 804、xlmAy4=0.007 804;xly=0.021 91、ry=0.011 15、xlm1=-1.598×10-4、xlm2=-6.006 5×10-3;xlfd=0.025 06、xlfq=0.068 97、xlkd=0.017 37、xlkq=0.017 37;rfd=0.004 092、rfq=0.006 255、rkd=0.014 1、rkq=0.014 1;k=2.136 3。在UAB=100 V、cosφ=0.8不同交流侧负载电流时，直流侧短路电流最大值计算结果及试验结果如表1所示。计算1表示按照式(2)计算的结果，计算2表示按照近似式(3)计算的结果。

表1 直流侧短路电流最大值及试验结果

由表1可见，近似式与非近似式计算结果相差较小，两者与试验所得结果的误差均不超过10%，在工程允许范围内。计算和试验所得到达最大电流的时刻,均在7 ms附近，基本不受负载大小的影响。在同一交流电压和一定功率因数下，随着交流负载的增大，直流侧短路电流最大值增大，试验和计算表明：模拟样机交流负载10 A比交流空载时的直流侧最大短路电流增大约16%。因此，在分析双绕组发电机交流侧带负载直流侧突然短路的电流时，必须考虑交流侧负载的大小，直流侧最大短路电流应该是交流侧负载最大时的短路电流。这对于双绕组发电机的设计和电力系统的保护有重要意义。

2 交流侧负载功率因数对短路电流的影响

在交流电压和交流侧负载电流大小保持不变的条件下，分析交流侧负载功率因数对短路电流的影响。由于交流侧负载的额定功率因数是0.8，而且交流侧负载一般都在额定功率因数附近变化，所以本文仅研究额定功率因数附近的变化影响。由于功率因数改变后，电枢反应、绕组漏阻抗压降均会有所变化，如矢量图1所示。为保持交流电压不变，必须相应地改变励磁电流。由于负载电流保持不变，使得交流绕组磁势和漏阻抗压降的大小不变，仅是相角有所变化(但在额定功率因数附近)，这对整流绕组交流侧短路前电压影响不大，所以对短路电流影响不大。

下面通过试验和计算对上面的分析进行检验。模拟样机在UAB=100 V、IA=10 A时，计算带不同功率因数(额定功率因数附近)的交流侧负载时直流侧的短路电流最大值，计算结果和试验结果如表2所示。计算1表示按照式(2)计算的结果，计算2表示按照近似式(3)计算的结果。

表2 带不同功率因数的交流侧负载时直流侧的短路电流最大值及试验结果

由表2可见，近似式与非近似式计算结果相差较小，两者与试验所得结果的误差均不超过10%，在工程允许范围内。计算和试验所得到达最大电流的时刻,均在7 ms附近，基本不受负载功率因数的影响。在同一交流电压和负载电流的情况下，随着功率因数的变化(额定功率因数附近)，直流侧短路电流最大值变化不大，试验和计算表明：功率因数0.6～0.9变化范围内，直流侧短路电流最大值与额定功率因数时的最大值最大相差约2%，所以功率因数在额定功率因数附近的变化对直流侧短路电流的影响很小，可以近似忽略不计。对于偏离额定功率因数较大的情况，可以应用文献[4]建立的电路仿真模型进行研究。

3 结 语

双绕组发电机交流侧负载对直流侧突然短路电流的影响概括如下：在同一交流电压和一定功率因数下，随着交流侧负载的增大，直流侧短路电流最大值增大；在同一交流电压和负载电流的情况下，交流侧负载在额定功率因数附近的变化对直流侧短路电流最大值影响很小，可以忽略不计；交流侧负载对直流侧短路电流到达最大值的时刻基本没影响。因此，在分析双绕组发电机交流侧带负载直流侧突然短路的电流时，必须考虑交流负载的大小，直流侧最大短路电流应该是交流负载最大时的短路电流。本文得出的整流绕组短路电流近似计算式不仅简明，而且准确性符合工程要求。本文通过理论分析和试验检验证明了上述结论的正确性。

[1] 孙俊忠，刘爱华.双绕组发电机交流侧带负载直流侧突然短路流侧突然短路的分析[J].华北电力大学学报，2011，38(1)： 44-49.

[2] 孙俊忠，马伟明，吴旭升,等.3/12相双绕组发电机数学模型研究[J].中国电机工程学报，2003，23(1)： 93-96.

[3] 马伟明，胡安，袁立军.十二相同步发电机整流系统直[J].中国电机工程学报，1999,19(3)： 3l-36.

[4] 孙俊忠，姜海龙.3/12相双绕组交直流发电机的电路模型[J].电机与控制应用，2006，33(2)： 12-16.

Effect of Original AC Side Load on DC Side Sudden Short Circuit Current of Double Winding Generator

SUNJunzhong,WANGHuibo,ZHOUZhiyong

(Department of Power Engineering, Naval Submarine Academy, Qingdao 266000, China)

The effect of an original AC load on the DC side sudden short circuit current of double winding generator was studied by analyzing the physical conception and phasor diagram, the formula for calculating the short circuit current was simplified, the condition for calculating the maximum value of DC side short circuit current was given. The correctness of the theoretical analysis was verified by experiments.

double winding generator; DC side sudden short circuit; power factor; AC side load

孙俊忠(1965—)，男，博士研究生，教授，研究方向为电机过渡过程分析与电机设计。 王辉波(1982—)，男，硕士研究生，研究方向为船舶电力系统及其自动化。 周智勇(1972—)，男，博士研究生，研究方向为船舶电机及其控制。

TM 41

A

1673-6540(2017)04- 0112- 04

2016 -09 -19