短路仿真（共4篇）
短路仿真 篇1
0 引言
随着风电技术的发展,风力发电机容量的增大,风电场规模的不断扩大,风电并网对电力系统的影响成为重要的研究课题[1]。风力发电不同于常规火力、水利发电,风电机组短路特性与同步电机有很大不同;大量风电接入使得系统潮流分布、故障电流及流向发生了变化[2,3],因此,分析研究风电系统的短路特性,对风电场的保护配置具有重要意义。文献[4]介绍了异步风电机组的数学模型及对电力系统稳定性的影响[5,6,7],从负荷水平、电压幅值、频率、不同机型等方面对单相故障时的风电场阻抗特性、短路特性进行了研究,但对影响风电场短路特性的影响因素、影响程度方面分析不够深入、全面。由于风速和风向的变化具有随机性、间歇性,而风机组的输出功率与风速的3次方成正比,风力发电机输出功率的短周期变化比较明显[8],风机的运行方式多变,不同情况下故障时的短路特性也相差很大。异步风电机组由于成本低、技术成熟等特点,在我国已投运的风电场中广泛采用,本文基于PSCAD/EMTDC建立了并网风电场动态仿真模型,研究了不同因素对并网风电场的短路特性的影响,得出一些对风电场的继电保护配置具有参考价值的结论。
1 异步发电机数学模型
1.1 风力机数学模型
风力机通过叶片捕获风能,将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩,风速与转矩之间的关系可表示为[9,10]:
式中:TM为风力机叶片的转矩,ρ为空气密度;Cp为风力机功率系数,A为风力机叶片扫过的面积;Vw为作用于风力机的风速;ωN为风力机额定机械角速度;PN为风力机的额定功率。
从轮毂到发电机转子之间的联轴器和齿轮用一阶惯性环节来描述,方程式为[11]:
Td为机械传动部分的时间常数,Tm为发电机转子轴上的机械转矩,TM为风力机末端轴上的机械转矩。
发电机转轴上的机械转矩Tm与发电机的电磁转矩Te共同作用调节转子转速,J为惯性时间常数,方程式为[14]:
风电机组的电磁转矩Te与机端电压U的平方成正比,方程式为[6]:
K为与机型有关的常数,s为滑差。
1.2 异步发电机短路暂态过程
普通异步电机在发电机端或靠近发电机处发生短路后,发电机转子失去励磁,机端电流逐渐衰减,其表达式如下[12]:
上式中:X'为电机暂态电抗,X为电机电抗,Um为稳定运行电压,τ'd为次暂态时间常数,τa为非周期分量时间常数。
2 影响短路特性的主要因素分析
图1为风电场接入系统,在F点发生故障示意图。
根据正序等效定则原理:[13]
据式(6),F点发生单相接地故障时,风电场提供的短路电流的各序分量为:
其中Z1Σ、Z2Σ、Z0Σ为F点发生故障时系统正序、负序、零序阻抗。
F点发生两相接地故障时,附加阻抗ZΔ=(Z2Σ∥Z0Σ),短路电流各序分量为:
在F点发生三相接地故障时附加阻抗ZΔ=0,短路电流各序分量为:
风电场运行方式随风能资源变化,风电场风电机组的投入和退出随风速而变。风速多变使风电场投入系统的容量变化,风电场等值阻抗、电压幅值也随之变化。
从上述公式[7,8,9]分析可得:影响风电场短路特性的主要因素有投入系统风电机组数、风速、故障类型、故障点以及风电场联络线X/R等。
短路特性分析是风电场及接入系统保护配置的基础,为此,本文从风电场运行方式、故障类型及风电场联络线的角度等展开短路特性的研究。
3 风电场动态仿真模型
本文以图2所示的风电场结构图为算例,搭建并网风电场动态仿真模型。风电机组出口处的额定电压为0.69k V,与发电机直接相连升压变压器,将电压由0.69k V升至35k V,送入风电场变电站,升压至110k V接入电网。为研究不同故障点对短路特性的影响程度,分别选取风电场内A点、风电场外距离风电场10km处B点和距风电场较远的50km处的C点为故障点展开研究。
4 仿真分析
本文采用PSCAD搭建仿真模型,研究并网风电场短路特性,为了便于对比分析各种情况下短路特性,通过PSCAD输出波形数据,利用MATLAB绘制了各种情况下的动态电压和故障电流特性曲线。
4.1 风电场容量的影响
受风电场运行参数影响及系统调度要求,风电场投入系统容量是一变量。当投入系统运行的风电机组总容量分别为49.5MW、25MW和12MW时,风电机组稳定运行3s时,在B点发生三相接地故障,故障时间为0.15s,风电场母线处的电压和电流曲线如图3和4所示。
从电压仿真曲线可知,接入系统风电场容量为12MW时,其故障后电压能较快地恢复到稳定运行水平,随着投入系统的容量增高,故障后电压恢复时间越长。这是因为故障消失后,风电机组要重新建立磁场,此时需要系统提供大量的无功功率,随着风电场容量的增大,需要的无功功率越多,其电压恢复越慢。根据风电机组的低电压保护的要求,对于恢复较慢的风电机组应退出运行。
接入不同容量风电场母线处短路电流曲线(图)4表明:风电场投运系统容量大小直接影响故障时短路电流,短路电流随着投入风电场容量的增大而增大。由于投入系统运行的风机越多,其等值阻抗越小,根据公式(7-9)可知,短路电流越大。因此在风电场的保护整定要结合风电场投运的风机数进行,使整定原则更合理。
图4接入不同容量风电场母线处短路电流
4.2 风速的影响
不同风电场的风能资源不同,风速的变化必然影响风机运行特性。为研究不同风速下的故障特性,取风机不同输出功率时的典型风速为运行参数,分析风速对故障特性的影响程度。
风机在风速分别为11.3m/s、12.7m/s、12.8m/s和13.7m/s稳定运行3s时(仿真算例风机对应的输出功率分别为(60%、80%、85%、100%),在B点发生三相接地故障,故障时间为0.15s,风电场母线处的电压特性曲线如图5所示。
不同风速风电场出口处动态电压曲线表明,风速对故障后电压特性有明显的影响。在B点发生三相对称故障后,风速为11.3m/s、风机输出功率为60%时,电压能够恢复到故障前稳定运行电压水平,随着风速逐渐增大,故障后电压恢复越慢,当风速达到12.8m/s时,故障后电压下降约为0.7pu,不能恢复到故障前稳定运行的电压水平;这是因为风速增大时风机的有功出力增大,此时系统的无功功率不能满足风电机组的需求,而造成电压跌落,由公式(4)可知电磁转矩随电压跌落而减小,公式(1-3)分析可得机械转矩的增大和电磁转矩的减小,造成转子失速,故不能恢复到故障前稳定运行的水平,因此,制定风电场的保护和控制措施时应考虑风电场的风功率曲线。
4.3 故障类型的影响
风电机组稳定运行3s时,在B点分别发生A相短路、AB两相短路和三相短路,故障时间为0.15s,此时风电场母线处的动态电压曲线如图6所示。
根据仿真算例中,风电机组的低电压保护动作阀值为0.75pu,在距离风电场10km处B点发生单相接地故障时,电压下降为0.8pu,高于保护阀值0.75,此时允许风电机组继续并网运行且能恢复到原来的稳定运行水平;发生两相接地故障和三相接地故障时,电压分别下降为0.45pu和0.1pu,都低于保护阀值0.75pu,风机组被低电压保护切除。可见,不同故障类型时保护动作特性有着明显的区别。
4.4 联络线X/R的影响
为研究风电场联络线的阻抗参数对风电场的短路特性的影响程度,本文采用联络线X/R比分别为2、4和6,稳定运行3s时,对B点发生三相接地故障进行了研究,风电场母线处的动态电压仿真曲线如图7所示。
图7结果表明,在X/R=2时,切除故障后风电场出口电压能恢复到故障前稳定运行状态,随着X/R的增大,故障后电压下降得越严重,当X/R=6时,切除故障后风电场出口电压不能恢复到故障前稳定运行电压水平。因为风电场从系统吸收无功功率时,在输电线X上产生使风电场端电压下降的分量,X越大,电压下降越严重。
5 结论
本文分析研究了影响风电场短路特性的主要因素,基于PSCAD/EMTDC对风电机组短路特性的影响因素进行了仿真分析,结果表明:
(1)风电系统发生故障时,短路电流与随风电场接入系统容量的增大而增大;短路特性与故障时风电场投运的风电机组数有关;
(2)风电场故障特性与风电场风能资源有关,风速越大,故障后电压恢复能力越弱;
(3)故障类型对短路特性也有很明显的影响。短路特性还因风电场联络线X/R等因素的不同而不同。
因此,风电场继电保护速整定时应充分考虑这些影响因素,根据不同的短路特性采取相应的保护措施,使保护装置有效快速地切除故障。另外根据新标准要求,在设置继电保护过程中应考虑风电机组的低电压穿越能力。
短路仿真 篇2
1. 全并联AT供电系统模型的建立
1.1 全并联AT供电系统
牵引网全并联AT供电系统从牵引变电所到接触网，是一个十分复杂的系统，架空线包括接触线、正馈线、加强线、保护线、吊玄和承力索，地面包含钢轨、大地，每隔一段距离的AT变压器等电气因素。线路分单线、复线以及站场咽喉等等。为简化系统，便于系统模型的建立，忽略了加强线与保护线，将承力索、吊弦与接触线等效为一条接触线T，将两条钢轨等效为一条线路N，并忽略AT变压器漏抗。同时，将牵引网视为空载。
1.2 AT模型
AT (Auto-Transformer）变压器的等值电路和单相双绕组变压器相同。AT变压器仿真模块采用Sim PowerSystems模块中的单相双绕组饱和变压器"Saturable Transformer"来实现，根据AT变压器的接线方式，将一次侧绕组和二次侧绕组的异名端连接在一点作为中间抽头接钢轨，其他两端的抽头作为接触线和正馈线的抽头。如图1-1。
1.3 牵引网复线模型
由于牵引网供电供电臂相对比较短，一般不会超过50km，因此每个供电臂的线路模型可以用串联阻抗矩阵和并联导纳矩阵的集中参数模型的π型模型来代替。其中串联阻抗矩阵包含导线的自电阻、自电感和导线之间的互阻、互感；并联导纳矩阵包含导线之间或者导线之间的电容和漏电阻。然而，由于每个供电区段比较短，并联导纳通常可以忽略不计。处于同一电压等级的所有的导线都可以用一根等值导线来代替，同时，假定地导线的电压为零，等值地导线可以忽略不计。从而复线牵引网系统就可以简化为上下行之间含有互感的等值模型。
根据上述的简化方法，结合Matlab中的线路模型，采用Sim PowerSystems中的“Series RLC Branch”模块和“Mutual Inductance”模块来分别表示导线的自电阻、自电感和导线之间的互阻、互感。利用这两个线路模型，根据简化的牵引网模型，建立的牵引网仿真模块内部结构如图1-2所示。六个输入、输出端子分别表示上行简化的牵引网T线、R线、F线和下行简化的牵引网T线、R线、F线。
1.4 短路模块
短路模块采用Sim PowerSystems里的“Breaker”模块, 利用常熟模块，通过matlab程序利用参数b1, 、b2、b3控制断路器（Breaker1～6）的开端来实现距牵引变电所不同距离的牵引网短路。短路时刻从0.05s开始。
1.5 牵引变压器
牵引变压器采用“Sim PowerSystem”中的“Linear Transformer”模块，变压器原本为目前牵引变电所普遍采用的220k V，副边分别有2, 3两个绕组，分别为左右两个供电臂供电，其模块及参数如图1-3所示。
综合上述各模块的建立，建立全并联AT牵引网模型如图1-4所示。短路阻抗测量模块位于牵引变电所副边牵引网馈线处，通过MATLAB的M语言编程在距牵引变电所不同距离点出作出各种短路故障仿真，通过模型对接触网的接触线（T）、正馈线（F）和钢轨（N）相互间短路进行仿真。
2. 牵引网短路仿真
根据某实际AT牵引网参数：L1=15 km, L2=12km, L3=15 km;
ZT=0.2314+j0.581;ZF=0.14+j0.740;ZR=0.
212+j0.555;ZFR=0.050+j0.315;ZTF=0.050+j0.403;ZTR=0.050+j0.311；其中L1为牵引变电所至第一个AT (AT1）的距离，L2、L3分别是AT1至AT2和AT2与AT3之间的距离。
通过短路仿真，得出牵引网分别在T-F短路、T-N短路、F-N短路故障下在牵引变电所馈线处测得短路阻抗曲线如图2-1所示。从图中可以看出牵引网接触线、正馈线、钢轨之间的短路阻抗曲线呈一系列的鞍形曲线，这与文献[2]中的理论计算是相符合的。
结论
(1）通过MATLAB/Simulink建立全并联AT供电系统模型，利用短路模块，测得牵引网短路故障的阻抗曲线，得到一系列的鞍行曲线，这与文献[2]中理论计算的结论相符，说明建立的系统模型基本正确。
(2）由于实际电气化铁道牵引供电系统是一个复杂的非线性系统，通过简化，将系统线性化，并忽略了AT的漏抗以及PW线等的影响，所以后续工作可以将系统模型更加细化，使仿真结果更加接近实际。
参考文献
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短路仿真 篇3
关键词：双馈风力发电机,多种,短路,电磁场,匝间,单相,故障
0 引言
大型双馈风力发电机容量多达兆瓦级,提高风力发电机电磁场的设计分析水平,改善和优化电磁场分布,对其分析并作出故障预测,进而提高电机运行的可靠性,降低故障率,成为双馈风力发电机电磁设计的重要问题。
双馈风力发电机有其自身独特之处:1)转子绕组经变频器与电网连接,转子电流由气隙磁场在转子绕组内的感应电动势和变频电源的电压共同产生;2)电机励磁由定、转子双边提供,调节转子励磁电压、电流的幅值和相位可灵活地对有功和无功功率调节;3)发电机在运行时,因风速变化范围宽,应可靠地运行在亚同步及超同步状态;4)发电机连接无穷大电网,定子电压恒定。以上因素决定了其电磁场的复杂多样。
目前,关于大型双馈风力发电机的研究文献主要包括三类:一是利用等效电路从电机学的角度对其稳态特性进行研究[1];二是用磁场定向矢量控制技术从控制角度对其控制策略进行探索[2];三是对发电机的电磁设计进行分析[3]。为准确对电机的电磁场进行研究,国内外专家学者提出了众多计算方法[4],有限元法以计算精度高、速度快及建模修改方便等特点,受到广泛关注。
一些学者运用数值计算方法对不同类型电机的电磁场、不同运行状况下铁心与绕组间的热量传递、转子通风方式和电机风量分配对电机温升的影响等问题进行了研究[5]。以上研究多针对电机的局部区域,或针对影响电磁场的个别因素进行。如文献[6]使用振动特性结合定子电流谱特性,仅进行了定子电磁场的计算。文献[7]采用多回路理论得出Park’矢量轨迹,仅进行了定子部分匝间短路故障时的电磁场计算。以上文献大多并未提及所研究发电机的具体运行工况。目前对双馈发电机电磁设计方面研究的文献不多,由于缺少准确的特征计算数据,发电机部分绕组匝间短路故障的分析判断也较困难,综合考虑双馈发电机多工况的运行特点和转子功率方向、大小变化等因素,有必要对其电磁设计加以探讨。
本文提出了一种用于多工况运行时发生多种短路故障的分析方法,针对一台1.5 MW双馈风力发电机的全部区域,先采用有限元法建模计算,然后利用得出的数据进行傅里叶级数编程分解,得出发电机在多种运行工况正常运行以及定子匝间及相间短路故障发生时的电磁场分布规律和特点,并予以详细分析和对比。
1 双馈发电机有限元模型
1.1 双馈发电机分析模型
电机基本参数:三相4极,额定功率PN=1.5MW,定子侧频率f1=50 Hz,极对数p=2,定子额定电压U1N=690 V,定/转子槽数72/60,额定转速1800 r/min,定子采用双层叠绕组(为削弱高次谐波,采用短距绕组),Δ形连接;转子双层整距波绕组,Y形连接,电机结构如图1。
为便于分析,对发电机结构作简化处理:(1)槽内的多匝线圈作为整体建模,在划分网格时将线圈外部的绝缘层作为整体考虑,分离后单独处理;(2)电机的齿槽结构以及众多的绝缘结构做合理简化;(3)叠压在一起的铁芯作为整体考虑。
由于求解区域内存在电流,磁场用矢量磁位Az求解。选取整个电机圆周的1/2为计算区域,以矢量磁位Az为求解变量,则可知其泊松方程边值问题可描述为
式中:A为矢量磁位;J为电流密度,A/m2;γ为介质的磁阻率。
在电机外边界施加磁力线平行边界条件,即AZ=0[8]。
1.2 模型加载求解
1)求解域模型
考虑发电机圆周上结构呈几何周期性分布及电磁场的特点,并依据基本假设,取发电机周向1/2区域为研究对象,具有代表性。
2)网格生成
对模型采用plane53单元进行网格划分,生成有限元模型,检查网格质量,输出模型数据文件。
3)边界条件设定
在发电机的外壳弧线A⌒B、C⌒D上施加第一类边界条件,直线AC、BD上施加周期性对称边界条件,然后计算求解。
2 双馈发电机多种运行工况电磁场
2.1 变速恒频正常运行的电磁场
对于双馈风力发电机,当定子旋转磁场在空间以ω0的同步速旋转时,转子励磁电流形成的旋转磁场相对于转子的旋转速度ωs为
式中:ωr是转子的旋转角速度;S为转差率。
转子绕组中的励磁电流的频率fS与定子侧频率f1的关系是
2.1.1 亚同步、超同步运行磁场的计算
1)亚同步运行时的电磁场
发电机的转子转速低于旋转磁场的同步转速,即电机工作在ωr<ω0,则由转差频率为fS的转子电流产生的旋转磁场转速ωs与转子转速方向相同
转子上施加的交流电流的相序和定子电流的相序相同,定、转子磁场保持相对静止。
2)超同步运行时的电磁场
转子的转速高于旋转磁场的同步转速,即电机工作在ωr>ω0,改变通入转子绕组的频率为fS的电流相序,则由滑差频率为fS的电流产生的旋转磁场转速ωs与转子转速方向相反,因此,
为了让ωs转向反向,在由亚同步运行过渡到超同步运行时,转子三相绕组必须能自动改变其电流相序,转子上施加的交流电流的相序和定子电流的相序相反,转子旋转磁场的转向和转子实际转向相反,定、转子磁场仍是相对静止的。
实际无论处于超同步还是亚同步运行时,定、转子磁场共同产生气隙合成磁场,二磁场之间相对静止,气隙合成磁场会增强或者削弱(受电机转速的变化、发电机所带负载的性质以及转子电流的性质等因素影响)。以具有代表性的超同步运行状态为例,某一瞬时定子磁场对转子旋转磁场的转动起去磁(阻碍)作用(定子磁场超前转子磁场轴线一个角度),一般情况下,转子回馈电网能量可达20%~30%PN,此时在转子模型上施加额定电流,气隙磁密(路径为沿气隙从左至右,以下同)计算结果如图2,磁密波形基本为正弦形(有一定的毛刺,即含有一定的高次谐波)。
气隙磁密直接影响发电机的电压波形,希望了解气隙磁密基波及高次谐波含量,因而对得出的磁密仿真数据运用Matlab语言编写谐波分析FFT(快速傅里叶变换)程序:
对气隙磁密进行谐波分解的结果如图3,可见,基波分量幅值为1.1T,各主要高次谐波分量都很小,其中9次谐波较为明显,但也小于0.2 T。
2.1.2 同步运行时的电磁场
转子磁场的转速、转向和定子磁场相同,定、转子磁场保持静止,此时ωr=ω0,S=0,转差频率fS=0,通入转子绕组的电流频率为0(即直流电流),与普通同步发电机相同。
此时转子绕组施加直流电流励磁,形成恒定的磁场,定子磁场对于转子磁场起一定的排斥作用(即定子磁场阻碍转子的转动),施加转子电流i2a=420A,i2b=i2c=-i2a/2,计算结果如图4,对气隙磁密波形进行分解后的结果如图5,与超同步运行相比区别不大。
2.2 典型短路故障时的电磁场
2.2.1 定子部分绕组匝间短路的电磁场
在运行中,除单相、两相及三相短路外,实际由于绕组生产工艺等原因,最易发生匝间短路;加之发电机受电、磁、热、机械等应力作用,绝缘老化速度会加快;另由于各种原因引起的碰磨、老化、过热、受潮、污染和电晕等都会造成绝缘损坏。
大型发电机发生线圈匝间短路故障占故障总数的比例较大(例如感应电机的定子绕组匝间短路故障约占所有故障的15%),由于其对机组正常运行影响不大或故障特征不明显,许多匝间短路被忽视,但匝间短路长期存在可能会导致线圈一点甚至两点接地,引发恶性事故[9]。
发电机正常运行时,定子电流对称;发生匝间短路故障时,定子电流失去对称性(产生了反向旋转磁场),并在转子电流中产生频率为(2-s)·f1的故障谐波分量。该频率成分又反作用于定子电流,定子电流中的谐波频率fks表达式为:fks=±kf1,k=1,2,3,…,转子侧谐波频率fkr表达式为:fkr=(2k±s)kf1,故可通过检测电流中的谐波成分来判断是否出现了匝间短路故障[10],但实际上电源的不对称性会对故障特征准确提取造成很大障碍,此外负载大小也会对分析产生影响,因而匝间短路的仿真计算分析仍有很大必要[11]。
假设电机定子A相部分绕组发生匝间短路(短路比例达整个槽绕组的12%),见图6,短路区域电流密度可达额定电流的4~5倍[12]。仿真时通过改变模型中短路绕组的短路匝数(图中可用绕组短路部分的面积多少来表示匝间短路的程度)和短路部分的电阻大小,以联合实现绕组匝间短路故障的模拟,对其仿真计算结果如图7,对气隙磁密波形进行分解后的结果如图8,可见匝间短路发生时,磁密波形有较明显畸变,基波幅值降低,高次谐波所占比例增加较为明显。
2.2.2 定子单相短路的电磁场
发电机发生单相短路,短路相电流增大到额定电流的5倍,图9为定子A相绕组发生单相短路的仿真结果,对气隙磁密波形进行分解后的结果如图10,可见波形畸变严重,与正弦波差距巨大,磁密基波幅值下降,高次谐波含量大大增加。
3 多种故障电磁场的仿真比较
发电机多种运行状态的磁场计算结果对比见表1。对磁密基波以及高次谐波分量比较可见。
(1)在超同步速和亚同步速运行时,基波占主要成分(幅值为1.10T和1.45T),磁密波形畸变较小,高次谐波含量较少,转子磁场对定子磁场起微弱去磁作用,气隙合成磁密波形接近正弦;同步速运行时,磁密分布和超同步速运行时接近。
(2)定子绕组发生部分匝间短路故障,磁密波形畸变(5、9次谐波有较明显增加),高次谐波所占比例上升,可用以鉴别是否发生匝间短路故障,并作出故障严重程度的判别。
(3)定子绕组发生单相短路,磁密分布严重畸变(3、5、7次谐波都有明显增加),谐波含量剧增,磁密分布与正常运行及匝间短路故障时明显不同,易区分辨别。
(4)发生匝间和相间短路故障时,电机不对称运行,空间磁场谐波含量较正常运行时大,各次谐波的转速和转向不同,削弱了基波磁场。
4 结论
本文提出了一种用于发电机多工况运行时发生多种短路故障的分析判断方法。该方法首先使用有限元方法对全部区域建模精确计算得出电磁场数据,再软件编程结合傅里叶分解原理得出频谱图,两种手段结合运用,得出发电机在正常运行以及多种短路故障发生时的电磁场分布规律和特点,并予以详细分析和对比。该方法具有计算速度快,特征量明显,结果直观,便于判别的特点。其分析结果可应用于发电机保护、故障预测判别和电磁场优化等。
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短路仿真 篇4
关键词：永磁,电机,定子,匝间短路
1 引言
永磁电机因其用永磁体代替了转子上的励磁绕组, 使其具有效率高、体积小、节能效果明显等特点, 致使传统电机本体的永磁化是其重要的发展方向, 同时也成为节能产品首选电机机型, 常见的永磁电机主要包括永磁同步电机, 永磁无刷直流电机, 永磁直线电机等。永磁电机在长期连续运行过程中, 如果外界条件比较恶劣, 将有可能引发各种故障, 而定子匝间短路故障是最常见的故障之一, 如不能及时发现, 将会进一步恶化, 发展为严重的单相接地故障和相间故障, 甚至破坏性更大的三相短路故障, 影响生产的产品质量和所拖动机械设备的工作状态。随着永磁电机在汽车工业、航空系统、电力产业等行业的广泛应用, 吸引了更多学者对永磁电机故障展开研究, 而电机的故障实验研究是一项破坏性研究, 因此仿真分析方法是电机故障研究常用的方法, 在仿真分析的基础上对电机故障进行研究更具有目的性, 同时也为故障实验的研究提供依据, 基于此, 本文对永磁电机定子匝间短路故障的仿真实现方法进行了探索。
2 永磁电机仿真模型的建立
Ansoft软件是有限元 (FEM) 数值分析方法的一种, 可以用来分析电机、变压器等电磁装置的静态、稳态、瞬态、正常工况和故障工况的各种特性[1], 其所所建模型能够反映电机内部各种因素的影响。本文以Ansoft/Maxwell为仿真平台, 仿真电机为丰田混合动力车驱动用永磁同步电机, 其额定功率为42k W, 永磁体呈V型分布, 定子绕组为单层线圈结构, 极对数为4, 定子槽数为48。
3 定子匝间短路故障仿真实现方法
永磁同步电机定子匝间短路故障在负载和动态仿真时, 均可以通过两种方法实现:一是改变任意相任意线圈绕组的匝数;二是改变电流或者电压激励源的大小。电机定子绕组发生匝间短路后, 其阻抗参数随之变化, 通过故障后阻抗参数的计算, 可实现对定子匝间短路故障类型和故障严重程度的定性和定量分析。由文献[2][3]可知, 正常情况下, 定子绕组电阻和漏抗的计算公式如式 (1) 和式 (2) 所示。
式中, Nl为每相串联匝数;lc为线圈半匝平均长度;AC1为导体截面积;a1为相绕组的并联支路数;p为极对数;q为每极每相槽数;lef为电枢轴向计算长度;∑λ为槽比漏磁导、谐波比漏磁导、端部比漏磁导之和。用M表示定子绕组发生短路的匝数, 用N/1=N1-M代替式 (1) 和 (2) 中的N1, 即可计算出定子匝间短路故障后的定子阻抗参数, 据此, 可以建立电机定子匝间短路故障模型, 用于分析定子匝定短路故障后电机的性能变化。基于此, 以Ansoft为仿真平台, 便可用两种方法实现定子绕组匝间短路故障的模拟。
3.1 改变激励源中定子绕组匝数
永磁同步电机定子匝间短路故障是比较常见的电机内部故障之一, 基于Ansoft软件平台搭建电机模型, 可以通过改变定子绕组匝数实现定子匝间短路故障的模拟。由电机结构可知, A相有16个槽, 每极每相槽数为2, 电机正常运行, 其并联绕组为9。在工程树下, 选择Excitations栏下的绕组Ph A, 选中模拟发生故障的定子绕组线圈, 通过改变绕组匝数用以实现仿真。假设定子匝间短路故障发生在Phase A1绕组, 将其匝数设为7匝, 用以模拟两匝发生短路。若为A相多个绕组发生定子匝间短路故障, 可按此操作步骤进行重复操作。定子绕组匝数设置完成后, 设置仿真数的设置, 运行求解步骤, 经后处理, 便可得到永磁电机故障运行状态下的各种性能参数和特性曲线。
3.2 改变定子激励源的大小
永磁电机定子匝间短路故障时, 定子绕组电流将会发生改变, 进而严重影响电机的正常运行, 在动态分析时, 通过设置激励源参数, 模拟定子匝间短路故障, 设置分析参数, 在后处理中, 便可对参数及性能曲线进行分析和处理。在项目工程中, 选择项目栏Exciltation下的Ph A, 通过其属性窗口。若施加的激励源为电流源, 将其A相电流 (Current) 分别增大为原来的1/16、1/8、1/4、1/2倍, 用以模拟不同程度的定子匝间短路故障。正常状态下, A相激励, 其中Thet为初相位, Imax为最大输入激励电流, 增大后分别为1/16Imax、1/8Imax、1/4Imax和1/2Imax, 分析各种匝间短路工况下的特征参量, 与电机正常状态运行进行对比, 得到定子绕组匝间短路对电机性能的影响。
4 结束语
通过改变激励源中定子匝数和电流或者电压激励源的大小, 便可以对永磁电机的定子匝间短路故障进行仿真分析, 虽然两种模拟方法实现的原理基本相同, 但通过改变激励源中定子线圈的匝数可以实现对任意相任意单个或者多个绕组定子匝间短路故障的仿真;而改变定子电流激励源的大小模拟电机短路故障的仿真方法, 仅能实现对任意相匝间短路整体效果的模拟。其它原因也可以引起定子电流改变, 比如外电路故障, 不对称故障以及电源故障等, 因此, 该方法模拟的是一种相对的效果。故障设置之后, 便可对电机转矩、感应电动势、磁链、阻抗、电磁力等参数的变化进行分析, 为实现电机故障实验和故障诊断的研究提供依据。
参考文献
[1]赵博, 张洪亮等.Ansoft12在工程电磁场中的应用[M].北京:中国水利水电出版社, 2009.
[2]胡之光.电机电磁场的分析与计算[M].北京:机械工业出社, 1982.