三相绕组（共5篇）
三相绕组 篇1
同步发电机突然短路的暂态过程所产生的冲击电流可能达到额定电流的十几倍, 对电机本身和相关的电气设备都产生严重的影响, 因此对同步发电机动态特性的研究是电力系统的重要课题之一[1,2]。而同步发电机的突然三相短路, 是电力系统最严重的故障, 也是研究最多的过渡过程[3]。
在单一发电机供电系统或简单的系统网中, 阻尼绕组能对同步发电机的振荡起稳定作用, 提高系统的动态稳定性[4]。但是, 阻尼绕组的存在会影响发电机短路电流的大小。文献[3-4]分析了同步发电机不同负载下, 突然三相短路时定/转子电流、电磁转矩和扭矩的变化规律;文献[5]指出电机对称短路时, 最大短路电流发生在短路发生后的后半个周期左右, 并与短路发生时的相位有关。但以上文献均没有考虑阻尼绕组对短路电流的影响。文献[6]分析了阻尼绕组采用不同连接形式和不同材料对削弱负序磁场、降低电压波形正弦畸变率的影响;文献[7]仿真分析了不同短路类型下发电机阻尼绕组的负面影响, 指出阻尼绕组的存在会导致短路电流的增加和高次谐波问题, 但文中只是对仿真现象进行了总结, 并没有从影响机理的角度进行深入分析。
本文从磁势与电流关系的角度, 分析了同步发电机三相短路的物理过程和阻尼绕组对同步发电机定转子短路电流的影响机理, 并基于MATLAB/Simulink搭建了仿真模型。
1 原理
1.1 同步电机基本方程
在静止坐标系下, 由于转子的旋转, 使得直流磁势对应的磁阻不同。为了使得磁阻恒定, 方便于对电流进行求解, 需要将转子“静止”, 也即采用同步坐标系, 并将电机参数变换到dq坐标系下。
具有阻尼绕组的同步电机在dq坐标下电压方程为[2]
磁链方程为
式中:ud、uq为d、q轴定子电压;id、iq为d、q轴定子电流;ψd、ψq为d、q轴定子绕组磁链;ufd为励磁绕组电压;ifd为励磁绕组电流;ψfd为励磁绕组磁链;i1d、i1q为d、q轴阻尼绕组电流;ψ1d、ψ1q为d、q轴阻尼绕组磁链;r为定子绕组电阻;Rfd为励磁绕组电阻;R1d、R1q为d、q轴阻尼绕组电阻;p为微分算子;w为转子电角速度;xd、xq为d、q轴同步电抗;xad、xaq为d、q轴电枢反应电抗;Xffd为励磁绕组电抗;Xf1d=X1fd为励磁绕组与d轴阻尼绕组间的互电抗;X11d、X11q为d、q轴阻尼绕组电抗。
当不计及阻尼回路时, 变量ψ1d、ψ1q、i1d、i1q及其所在的方程不存在。无阻尼和含阻尼绕组时的磁路分布如图1所示。从图1中可以看出, 阻尼绕组的存在改变了定子直流磁链的磁路, 使其仅仅通过气隙, 很少部分通过转子锻件。由于气隙的磁导远小于铁磁材料, 对应的电感和电抗就小很多, 因此, 含阻尼绕组的次暂态过程中, 磁路为定子漏抗、气隙阻抗、阻尼绕组漏抗和转子漏抗。无阻尼绕组的暂态过程中, 磁路为定子漏抗、气隙阻抗和转子漏抗。二者对比, 含阻尼绕组时磁路更长。
1.2 同步电机空载突然三相短路过程分析
同步发电机空载突然短路过程中, 原有的电压平衡、磁链平衡被打破。
突然短路导致机端电压突变, 电枢中产生空间位置不变、大小随时间衰减的突变磁势。根据电压与磁势的关系, 可知与该磁势对应的电流正比于磁势与磁阻的比值。电枢直流磁势通过极靴和气隙与定子构成磁路, 根据转子的物理结构, 对于凸极机来说, 交直轴磁路的磁阻不同, 电枢中的直流在不同时刻、不同转子位置是不一样的。综上, 电枢电流可以分解为一个衰减的直流和一个倍频变化的交流。二者由定子直流磁势产生, 所以持续的时间都为定子的时间常数。
根据磁链守恒原理, 转子中突变出与电枢直流磁势大小相等、方向相反的磁势, 该磁势与转子相对静止, 相对定子做工频旋转。转子直流磁势与转子转速同步, 大小随时间衰减, 会在定子电枢中因相对运动产生工频交流电流, 且其幅值也随时间衰减。而转子中也会相应产生一个衰减的直流, 二者的衰减时间常数都为转子时间常数。
定子直流磁势相对于转子表面产生相对运动, 所以会在转子绕组中产生工频交流分量, 其衰减时间常数亦为转子时间常数。
1.3 定子电流的计算
在分析突然三相短路时, 可以利用叠加原理, 认为不是发生了突然短路, 而是在电机机端突然加上了与电机短路前端电压大小相等、方向相反的三相电压。这样考虑时, 同步电机的突然三相短路问题就变成了两种工作情况的综合问题:1) 与短路前一样的稳态运行状况;2) 突然在电机机端加上与短路前的端电压大小相等、方向相反的三相电压[3]。
电机突然三相短路后的定子电流可分为两部分来计算。将它们合并后, 即得同步发电机突然三相短路后的实际电流为
阻尼绕组会导致x″d<xd, yd变大, iq变小。
变换到uvw坐标下, 令短路前空载, 有δ=0, U=E。
有阻尼时u相电流为 (初始值为E″/x″d, 稳态值为E/xd)
无阻尼时u相电流为 (初始值为E'/x'd, 稳态值为E/xd)
式中:δ为同步发电机功角;T″d为纵轴超瞬变电流的衰减时间常数;T'd为纵轴瞬变电流的衰减时间常数;Ta为定子非周期电流的衰减时间常数;U为同步发电机机端的相电压有效值。
1.4 转子电流的计算
突然三相短路后, 电机转子中的电流也可分成两部分来计算:1) 原来稳态三相对称运行时的转子电流;2) 突然在电机机端加上与短路前的端电压大小相等、方向相反的三相电压所引起的转子电流[3]。
有阻尼时励磁绕组短路电流为
无阻尼时励磁绕组短路电流为
2 仿真分析
2.1 仿真模型
利用MATLAB/Simulink仿真软件搭建如图2所示的仿真系统, 电机设置如图3所示。
选择恒转速模式, 以模拟突然短路过程中转子转速因惯性来不及变化;Rotor type选择round, 为隐极机。在parameters选项中, 对于含有阻尼的同步电机, 从上文看出xd″<xd', 对于隐极机, 二者近乎相等, 更改该参数可以模拟阻尼绕组的效果。
阻尼绕组实际结构如图4所示, 是以铜条或铝条在转子端部将转子大小齿加以连接。
未加阻尼绕组时, D轴方向也就是大齿上可近似为多条导体构成的导电网, 该网作用与D轴阻尼绕组近似。加阻尼绕组之后, Q轴方向也就是小齿之间通过阻尼导条构成了导电通道, 此时有了Q轴阻尼绕组。根据上述特点可以判定:无阻尼机组Q轴时间常数很大, 近似开路;含阻尼机组Q轴时间常数与D轴时间常数处于同一数量级, 但是要大于后者。因此, 在DQ轴时间常数中, D轴开路 (open circuit) 为无阻尼, DQ均短路 (short circuit) 为含阻尼。
2.2 含阻尼绕组的同步电机突然三相短路仿真分析
含阻尼绕组的同步电机在突然短路的暂态过程中, 定子电流中包含如下4个分量:
1) 以定子时间常数衰减的直流分量;
2) 以定子时间常数衰减的倍频分量;
3) 不衰减, 持续到故障消失的工频分量;
4) 以转子时间常数衰减的工频分量。
转子电流中包含如下2个分量 (排除正常的励磁电流) :
1) 以转子时间常数衰减的直流分量;
2) 以定子时间常数衰减的工频分量。
仿真3 s时同步电机突然三相短路, 定子短路电流和转子短路电流仿真曲线如图5所示。
从图5中可以看出, 定子短路电流的dq分量中都存在直流分量, 这是因为定/转子都在短路暂态过程中产生随时间衰减的直流磁势, 定子直流磁势相对定子静止, 而转子直流磁势相对转子静止, 相对定子为额定转速。直流磁势周期性地经过不同的磁路产生定子倍频电流。而短路瞬间的直流磁势为直轴磁势, 周期性变化的磁阻也仅有直轴磁阻, 所以可以看出倍频分量仅存在于d轴, 运行结果与原理相一致。根据dq坐标变换, 工频分量、倍频分量的dq分量为直流, 而直流经过dq坐标变换为工频电流。
2.3 含阻尼和无阻尼同步电机突然三相短路对比分析
有阻尼和无阻尼的短路电流对比如图6所示。初步对比两个电流, 含有阻尼绕组时, 短路电流幅值更大, 符合理论分析。
电流中各个分量的变化情况, 还需要进一步分析。静止UVW坐标系下, 有无阻尼绕组U相短路电流衰减工频分量、倍频分量、直流分量对比如图7—图9所示。
由图7—图9可以初步验证, 阻尼绕组的存在会使短路电流暂态最高值增大, 但基本不影响短路电流稳态值。具体的影响过程需要借助dq0坐标系下, d轴与q轴的相互作用进行分析。
含阻尼绕组时定子dq轴短路电流和磁势的变化曲线如图10所示。
对比图10波形中d轴电流和d轴磁势, 波形走势相同, 说明电流的变化源于磁势的衰减和变化。定子电流衰减的时间, d轴约为1.32 s, q轴约为0.34 s, 等于定子磁场衰减的时间, 取决于定子时间常数。这与电机的参数是相互吻合的, 印证了上文的物理过程。
含阻尼和无阻尼下的励磁绕组短路电流对比如图11所示。
由图11可以看出, 含阻尼绕组的情况下, 电流ifd中按时间常数Td衰减的部分一般为负值, 因此其非周期分量曲线的开始阶段具有下弯的特点。这是因为阻尼绕组分担了一部分转子感应电流, 使得转子初始短路电流与无阻尼时相比经历了大幅降低过程, 暂态电流的恢复时间与阻尼绕组的时间常数有关。
3 结论
1) 对定子短路电流来说, 阻尼绕组改变了暂态磁通对应的磁路, 使磁路拉长、磁阻增大, 形成的磁路对应的次暂态电抗小于暂态电抗, 造成短路电流直流分量、倍频分量的增大。在dq坐标系上, 阻尼绕组的存在增大了d轴磁路的磁阻, 其定子短路电流d轴分量明显提高。短路暂态直流磁势的空间位置固定在d轴, 所以未在q轴发现直流分量, 这与短路初始状态相关, 若短路前同步电机不处于空载状态, 短路后q轴也将出现直流分量。
2) 对转子短路电流来说, 阻尼绕组的存在使得转子暂态电流有了很大的变化。由于阻尼绕组分担了一部分转子感应电流, 使得转子初始短路电流与无阻尼时相比经历了大幅降低过程, 暂态电流的恢复时间与阻尼绕组的时间常数有关。
3) 阻尼绕组与转子绕组并联, 构成了定子暂态磁势、暂态电流的衰减通道, 与单纯的转子绕组相比, 阻尼绕组的存在不仅降低了转子绕组中的电流, 还加速了能量的衰减。
参考文献
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三相绕组 篇2
电动机的同步转速是由磁极对数决定的, 一般可根据同步转速公式推断电动机的大致转速。电动机的同步转速公式如下:
n=60f/p
式中n——同步转速, r/min;
f——频率, ;
p——磁极对数。
所以只要知道电动机的磁极对数, 就可以求出电动机的同步转速, 根据同步转速, 就可以知道电动机的大概转速了, 其判断方法如下:1
(1) 首先用万用表欧姆挡找出三相绕组中的任意一相, 如图1 中端子5, 6为同一绕组。
(2) 将万用表拨到毫安挡的最小一挡, 接在该绕组的两端。
(3) 将电动机转子慢慢地匀速转动一圈, 看万用表指针左右摆动情况。如果摆动1次, 就说明电流正负变化一个周期, 就是2极电动机, 摆动2次就是4极电动机, 依次类推。用这样的方法, 看指针摆动几次, 就可以判断出几个极, 再算出极对数也就知道电动机的大约转速了。
2三相绕组头尾的判断
根据发电机原理对称三相绕组星形点电流代数和为零的原理判断。
(1) 先用万用表欧姆挡找出三相绕组, 如图2所示绕组1—2, 3—4, 5—6。
(2) 将不同相的任意头或尾接成星形, 如图2, 同时将万用表拨到毫安挡的最小一挡, 接在绕组的两星形点上, 如图2。
三相绕组 篇3
1.1 课题的地位及其作用
三相异步电动机结构简单、价格低廉、坚固耐用、使用维护方便, 广泛用作各种生产机械的动力机。但如果使用不当, 轻则不能发挥其功能, 重则会影响整个机械系统的正常运行。定子绕组是三相异步电动机的主要组成部分, 是电动机产生旋转磁场、实现能量转换的关键部件, 也是容易受到损伤的部位。目前损坏的电动机中, 80%左右要维修绕组。所以掌握定子绕组的基本结构、嵌线方法及展开图的绘制, 了解常见故障的处理方法是非常必要的。而本课题是电工类专业模块教材《电动机》第一单元课题三《三相异步电动机定子绕组嵌线》的技能训练。该课题是三相异步电动机技能训练中最重要的项目之一, 学生通过对该课题的学习, 应能熟练地进行电动机定子绕组重绕, 为今后学习打下良好的基础。教材后续多个课题都是在此基础上的延伸。因此, 该课题既是前面教学内容的延续, 又是学习后续课题的重要基础。
1.2 课题的分析与处理
本课题的内容编排顺序是先给出定子绕组展开图, 列出所用电工工具、仪表及器材, 介绍此课题中所用到的仪器、设备, 然后列出嵌线的操作步骤及工艺要求。这样分开叙述灵活性较强, 但在教学中应注意不能将教材内容截然分开, 要努力做到分中有合, 既要加强教材的系统性, 又要使教学内容不呆板。
鉴于本课题与前后知识及技能训练之间的紧密联系, 若单纯讲授定子绕组展开图及嵌线要求后便让学生进行操作, 将不利于调动学生的学习积极性和激发他们的学习热情, 也不利于学生知识的掌握和动手能力的培养。因此, 针对该课题的特点和它与前面所学课题的共同之处, 根据教学大纲对学生知识和技能的要求, 我采用“分层引导、逐步逼近”的教学方法进行教学。在要求学生复述电动机工作原理的基础上, 教师一步一步地提出设想 (启发学生思考的问题) : (1) 定子绕组为何要重绕。 (2) 如何选择绕线模。 (3) 如何确定定子绕组的节距。 (4) 怎样绕线和实现正确的定子绕组重绕工艺 (包括嵌线、整形、端部接线、检测和试验) 。 (5) 能否修复原来的问题绕组 (为下一课题《定子绕组故障的分析和处理》打下基础) 。通过前后知识的对比联系, 分层引导, 激发学生的学习兴趣。在教学中要与专业理论课内容结合, 使学生由故学新, 易学易懂。同时, 要一步一步地分析学生提出的解决方案, 并适时地提出新的设想, 使学生逐步掌握教学内容。这样既拓展学生的思维空间, 又培养了他们独立分析问题和解决问题的能力。
本课题拟安排24课时, 其中授课时数为6课时, 绕线和嵌线的巡回指导时数为16课时, 评分及小结时数为2课时。
1.3 教学目标
根据本课题教学内容和教学大纲的要求, 结合学生已有知识水平及理解能力, 确定本课题的教学目标。
(1) 知识目标:
熟悉三相异步电动机的工作原理;掌握三相异步电动机单层定子绕组。
(2) 能力目标:
在学生掌握知识的基础上提高学生解决问题的能力;提高学生独立选择绕线模和定子绕组重绕的操作能力。
(3) 思想目标:
培养学生勤于动脑、慎密思考的良好习惯;增强他们独立解决问题的能力;强化学生认真学知识、学技能, 成为一名合格技术工人的思想品质。
1.4 教学重点、难点及确立依据
本课题的重点是定子绕组的相关知识和定子绕组重绕工艺。在该课题中, 三相定子绕组的排列、绕线模的选择、线圈的绕制及定子绕组重绕工艺 (包括嵌线、整形、端部接线、检测和试验) 都是必须掌握的内容。另外, 下一个课题均是在此课题上的延续。因此, 弄清了三相异步电动机定子绕组及其嵌线, 不仅能为学习下一个课题 (三相异步电动机定子绕组故障的分析和处理) 打好基础, 而且可使学生对于前后知识有个系统的认识, 有助于把下一个课题化难为易。
本课题的教学难点是: (1) 三相异步电动机定子绕组展开图的绘制; (2) 定子绕组的嵌线工艺。因为在弄清工作原理后进入到实际的操作之前, 必须要有一个定子绕组展开图, 方能照图嵌线和连线。而且, 定子绕组的重绕有较高的质量要求。对于这两点, 学生很难一下子就能掌握好, 只有通过实际操作, 才能让学生掌握重绕工艺和理解定子绕组的排列原则。因此, 该课题是培养学生能力的关键阶段。
2 教学组织形式及教学方法
(1) 根据本课题教学内容的特点, 我采用两个人为一个训练组进行绕线和嵌线操作训练, 而绕组端部接线、检测、试车操作则各自独立完成的教学形式。
(2) 讲授三相异步电动机定子绕组及其嵌线时采用“自读→设问→讨论讲解→小结”四环节的教学法。自读就是先安排学生预习要学习的课本内容, 使学生对要学习的内容有个大概的认知和了解;设问就是老师提出要学习的问题;讨论讲解就是在教师主导下充分发挥学生的主体作用, 对问题进行讨论, 然后老师再根据具体情况进行必要的讲解, 使学生理解和掌握要学习的内容, 启发学生逐层抓住教学重点, 小结就是老师进行课题总结。
(3) 安排实训任务时, 采用“明确内容→计算→画图→示范→操作训练→巡回指导”的程序, 强调实践性, 突破教学难点。明确内容就是老师向学生说明实训任务;计算就是由学生根据任务内容计算出相关技术参数;画图就是由学生画出定子绕组展开图等实训用图;示范就是老师给学生训练前的操作示范;操作训练就是由学生进行定子绕组重绕等操作技能训练;巡回指导就是老师在学生训练过程中针对学生存在的错误和不当操作进行讲解和示范, 对学生进行操作指导。
(4) 教师示范操作, 让学生理解定子绕组展开图和定子绕组重绕工艺的要求, 从而实现学生能独立画出定子绕组展开图和理解定子绕组重绕工艺的教学要求。
(5) 通过强化训练, 提高学生的动手能力。
3 教学程序
3.1 新课导入
导入新课。先让学生观看局部烧坏的定子绕组、严重烧坏的定子绕组和好的定子绕组。授课时, 先提问:局部烧坏的定子绕组如何处理?严重烧坏的定子绕组如何处理?然后老师带着学生一起讨论, 得出已严重烧坏的定子绕组无法将其修复的结论, 从而导入新课, 三相异步电动机定子绕组及其嵌线。并向学生提出“如何进行三相异步电动机定子绕组重绕?”引导学生思考, 激发学生学习新课的兴趣。
3.2 新课讲授
(1) 鼓励学生上台回答以上提出的问题。师生共同讨论局部烧坏的定子绕组如何处理?严重烧坏的定子绕组如何处理?然后给出正确的方案。
(2) 画出定子绕组展开图, 并进行讲解, 指出这就是今天学习的课题。教师重点讲解:①三相异步电动机定子绕组概念。②三相异步电动机定子绕组展开图的绘制。③三相异步电动机定子绕组重绕步骤及其工艺要求。
(3) 导入下一个课题, 在进行三相异步电动机定子绕组嵌线训练时容易出现绕组接地故障和绕组相间短路等故障, 我们就可以利用这一课题中出现的问题巧妙地引入下一课题 (三相异步电动机的故障分析和处理) 。
3.3 实训指导
(1) 布置实习任务, 明确实习要求。
①选择合适的线模;②绕制线圈;③拆剪槽绝缘和层间绝缘;④定子绕组嵌线;⑤绕组端部整形;⑥绕组端部接线;⑦嵌线质量检验;⑧通电试运转。
(2) 做好操作示范。
在实训教学过程中, 入门指导最重要的是示范演示操作, 这是技能形成的第一隘口。教育心理学研究表明:演示到位是提高实习质量、使学生形成正确技能的关键, 是培养学生技术素质和创新能力的基础和前提。示范可分为训练前示范、训练中示范和训练后示范三个方面。训练前示范就是学生在训练开始前, 老师给学生进行训练过程中的几步或全部操作进行操作示范, 使学生对操作有个基本的感知和了解, 这是必不可少的教学活动。训练中示范就是老师在整个训练过程巡回指导中, 针对学生存在的错误和不当操作进行纠正性的操作示范, 这是非常重要的教学活动。训练后示范就是课题训练结束, 老师进行课题总结时, 对难点和重点再进行的操作示范, 目的是加强学生的理解, 进一步规范全班学生的操作。老师做示范时, 要注意几点:一是动作要慢, 让学生看清楚, 二是动作要准确, 三是动作要连贯, 四是示范前要准备充分。通过示范使学生充分看清、看懂并领会操作要领。
(3) 巡回指导。
老师要加强巡回指导, 在巡回指导中解决不同学生的问题, 这是技能训练过程中最关键的教学活动。老师在学生训练过程中要勤走、勤看、勤说、勤示范。勤走就是经常走到学生的每个工位去、勤看就是要多看学生的操作、勤说就是发现问题要及时讲解和纠正、勤示范就是在训练过程中发现学生有操作不当时要及时给学生做示范, 纠正错误。
在训练过程中, 学生存在的问题有三类。一类是共性问题, 也就是大多数同学都出现了的问题, 对于共性问题, 则可全部同学暂时停止训练, 老师向全班同学讲解和示范, 让同学们听懂、看懂, 掌握操作要领和技巧, 能及时纠正错误和不正当操作。二类是少数问题, 即少数几个学生存在的问题, 老师可把他们几个集中到一个工位处进行指导示范, 及时纠正错误和不当操作。三类是个性问题, 老师可当场给这个学生讲解和示范, 使其纠正错误和不当操作。
4 课题总结
每个课题的最后一项教学活动就是课题总结, 任何一项工作都要善始善终, 而且始有序终有果。实训课教学也是如此, 因而, 结束指导是实习教学的必要补充和完善, 更进一步地说这是对实习教学劳动成果的评判。其主要任务是检查实习目标的落实情况, 分析学生操作技能的形成过程及存在问题的原因。课题总结分两个方面, 一是理论知识总结, 二是操作技能的总结。理论知识总结就是把这一课题相关的理论知识疏理一遍, 对重点和难点进行简要的讲解, 以加强学生对理论知识的理解和掌握。进行操作技能总结时, 老师重点要对训练过程中的错误和不当操作进行讲解和示范, 使学生进一步规范操作。教师对教学效果作简单小结, 要特别注意补差工作。
总之, 实习教学的质量是职业技术学校的生命线, 实习操作指导则是提高实习教学质量的关键所在, 具有不可调和性。通过以上几种教学方法的综合运用, 可以使学生在学习中既锻炼分析问题和解决问题的能力, 又提高了专业技能。在职业教育理论与实践探索中, 只有不断地创新教学方法, 改进教学模式, 才能在实际教学中取得新的突破, 获得好的教学效果。
摘要：“三相异步电动机定子绕组及其嵌线”是全国中等职业技术学校电工类专业模块教材《电动机》第一单元课题三中的技能训练。该课题是电动机技能训练中很重要的项目之一, 可以起到承前启后的作用, 通过对该实例课教学过程的分析和总结, 以提高我校电动机实训教学的水平。
关键词：电动机,实训教学,定子绕组重绕,课题分析,教学方法
参考文献
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三相绕组 篇4
1三相绕组首尾端的定义
三相绕组的结构在原理上与三相电力变压器基本相同, 三相绕组首尾端问题就是三相电力变压器的三个原绕组间的极性问题, 如图1所示。
当电流分别从U1端、V1端、W1端流入, 从对应的U2端、V2端、W2端流出时, 三个绕组所产生的磁通Uφ、Vφ、Wφ在三个铁心柱上的方向都是一致向上的, 由于三相电流是对称的, 所以三个磁通之和必为零, 即
因此, 定义U1、V1、W1互为同极性端 (首端) ;U2、V2、W2互为同极性端 (尾端) 。
下面从理论上分析, 并结合实验数据浅谈三相异步电动机绕组首尾端判别的不同方法。以实验室提供的某台三相异步电动机为例 (已知部分参数:PN=100W, UN=220V, IN=0.48A
2三相绕组首尾端的判别方法
2.1交流电压法之一
2.1.1实验步骤
用万用表的电阻档测量电动机绕组的六个端子 (1) 、 (2) 、 (3) 、 (4) 、 (5) 、 (6) , 找出每相绕组相对应的两个端子, 即 (1) - (2) 、 (3) - (4) 、 (5) - (6) , 如图2所示。
图2中, 用导线连接 (2) 端与 (4) 端, 交流电压U13加在 (1) 端与 (3) 端之间, 此时用万用表交流电压档测量另一绕组两端的电压U56。改变电源电压, 分别测得 (1) - (2) 、 (3) - (4) 、 (5) - (6) 各绕组两端的电压值, 电源输出的电流, 如表1所示。
从表1的实验数据不难看出:
(1) 串联中的两个绕组的分压相加约等于电源电压;
(2) 第三个绕组两端电压U56很小, 接近0V;
(3) 电流I也很小, 接近0A。
现在从理论上分析以上三点结论。假设电流从 (1) 端流入, 从 (3) 端流出, 那么根据右手螺旋定则可以判断心柱的磁通φ1方向向上, φ2的方向向下。这两个磁通在通过对方心柱时方向相同, 彼此互相增强, 感抗较大, 电流也就比较小了, 由于绕组参数一样, 所以电压各占半;但是这两个磁通在通过第三个心柱时, 方向却相反, 彼此又是互相削弱 因此, 第三个绕组的两端电压就很小, 2接近0V。2
若用导线连接 (2) 端与 (3) 端, 交流电压U14加在 (1) 端与 (4) 端之间, 如图3所示。此时用万用表交流电压档测量另一绕组两端的电压U56。改变电源电压, 分别测得 (1) - (2) 、 (3) - (4) 、 (5) - (6) 各绕组两端的电压值, 电源提供的电流, 如表2所示。
从表2的实验数据不难看出:
(1) 串联中的两个绕组的分压相加约等于电源电压;
(2) 第三个绕组两端电压U56较大;
(3) 电流I读数相对表1的大一些。
从理论上分析以上三点结论。假设电流从 (1) 端流入, 从 (4) 端流出, 那么根据右手螺旋定则可以判断心柱的磁通φ1方向向上, φ2的方向也向上。这两个磁通在通过对方心柱时方向相反, 彼此互相削弱, 感抗减小, 电流也就比较大些了, 由于绕组参数一样, 所以电压各占半, ;但是这两个磁通在通过第三个心柱时方向相同, 磁通 增强, 因此, 第三个绕组的两端电压较大。22
2.1.2实验结论
(1) 按图2或图3将电动机三相绕组的6个出线端子的任意两相绕组串联, 并接至单相调压器的输出端。
(2) 闭合电源开关, 调节调压器的输出电压为80~100V, 注意输入电流不要超过绕组的额定电流值且通电时间不宜过长, 以免绕组发热。
(3) 用电压表测量第三相绕组端电压, 若电压表的读数U≈0 (或白炽灯不亮) , 表明所串联的两相绕组为尾端与尾或首端与首端相连;若电压有一定的读数 (或所接的白炽灯会亮) , 表明所串联的两相绕组为首端与尾端相连。
(4) 用同样的方法可以确定三相异步电动机定子第三相绕组的首尾端。
2.2交流电压法之二
2.2.1实验步骤
用导线连接 (2) 端与 (4) 端, 交流电压U56加在 (5) 端与 (6) 端之间, 此时用万用表交流电压档测量串联绕组两端的总电压U13。改变电源电压, 分别测得 (1) - (2) 、 (3) - (4) 、 (5) - (6) 各绕组两端的电压值, 电源输出的电流, 如表3所示。
从表3的实验数据不难看出:
(1) 串联中的两个绕组的分压接近相等;
(2) 串联中的两个绕组总电压U13很小, 接近0V;
(3) 电源输出电流I也很小。
从理论上分析以上三点结论。假设电流从 (5) 端流入, 从 (6) 端流出, 那么根据右手螺旋定则可以判断φ3在另外两个心柱中产生的分磁通φ1、φ2的方向均为向下, 但两个串联绕组的感应电动势方向是相反的, 所以输出电压较小, 由于绕组参数一样, 所以两绕组分压接近相等。
若用导线连接 (2) 端与 (3) 端, 交流电压U56加在 (5) 端与 (6) 端之间, 此时用万用表交流电压档测量串联绕组两端的总电压U14。改变电源电压, 分别测得 (1) - (2) 、 (3) - (4) 、 (5) - (6) 各绕组两端的电压值, 电源输出的电流, 如表4所示。
从表4的实验数据不难看出:
(1) 串联中的两个绕组的分压接近相等;
(2) 串联中的两个绕组总电压U14较大;
(3) 电源输出电流I也很小。
从理论上分析以上三点结论。假设电流从 (5) 端流入, 从 (6) 端流出, 那么根据右手螺旋定则可以判断φ3在另外两个心柱中产生的分磁通φ1、φ2的方向均为向下。两个绕组的感应电动势方向是一
一致的, 所以输出电压较大, 由于绕组参数一样, 所以两绕组分压各占一半。
2.2.2实验结论
(1) 按图4或图5将电动机三相绕组的6个出线端子的任意两相绕组串联, 另一绕组接至单相调压器的输出端。
(2) 闭合电源开关, 调节调压器的输出电压为10~80V, 注意输入电流不要超过绕组的额定电流值且通电时间不宜过长, 以免绕组发热。
(3) 用电压表测量串联绕组端电压, 若电压表的读数U≈0 (或白炽灯不亮) , 表明所串联的两相绕组为尾端与尾或首端与首端相连;若电压有一定的读数 (或所接的白炽灯会亮) , 表明所串联的两相绕组为首端与尾端相连。
(4) 用同样的方法可以确定三相异步电动机定子第三相绕组的首尾端。
2.3直流电压法
2.3.1实验步骤
直流电源 (电压1.5V) 正极通过开关S与绕组 (1) 端相连, 负极与绕组 (2) 端相连, 用指针式万用表分别接通另外两个绕组, 在开关S闭合的瞬间可观察到指针的偏转情况。
从理论上分析, 在图6中, 当开关S闭合时, 根据右手螺旋定则, φ1的方向向上且增强, 磁通分量φ2、φ3方向向下且增强, 因此另外两个绕组所产生的感应磁通的方向与原磁通方向相反, 再用右手螺旋定则判断这两个感应电动势的方向分别是 (3) 和 (5) 为 (-) 、 (4) 和 (6) 为 (+) 。
如果把U相绕组和V相绕组当作单相变压器的原副边来看, 那么1U1和1V1恰是异名端;把U相绕组和W相绕组当作单相变压器的原副边来看, 那么1U1和1W1也恰是异名端。不过这里要把不同相的“异名端”作为首端。
2.3.2实验结论
(1) 按图6接法, 开关S闭合瞬间, 电表指针正摆, 则接黑表笔的 (3) 端与 (1) 端同是首端;如果按图示接法反摆, 则接红表笔的 (4) 端与 (1) 端同是首端。 (在图6所画的接法情况下万用表是正摆, (3) 端与 (1) 端同是首端)
(2) 用同样的方法可以确定三相异步电动机定子第三相绕组的首尾端。
2.4剩磁感应法
2.4.1实验步骤
将三相绕组任意并联, 用万用表毫安档或微安档串接于两端, 如图7所示。测试时用手转动电机转轴, 如绕组首端与首端连接, 尾端与尾端连接, 则表头指针不摆动;如果绕组首尾端连接有误, 则表头指针有摆动。
从理论上分析, 由于电动机定子和转子铁心中通常都有少量的剩磁, 当转动转轴时, 即磁场发生变化, 三相绕组将有微弱的感应电动势产生。若首端与首端相连, 尾端与尾端相连, 满足iU+iV+iW=0, 所以表头没有电流通过;若有其中一相首尾端连接错, 那么上述式子就不成立, 即iU+iV+iW≠0, 此时表头有电流通过。
2.4.2实验结论
(1) 将三相绕组任意并联, 用万用表毫安档或微安档串接于两端, 如图7所示。用手转动电机转轴, 如绕组首端与首端连接, 尾端与尾端连接, 则表头指针不摆动;
(2) 如果绕组首尾端连接有误, 则表头指针有摆动。此时固定其中一相绕组而调整另外两相之中的一相, 按同样的方法转动转轴, 直到表头指针不摆动为止。
3不同判别方法的比较
三相异步电动机绕组首尾端的的判别方法一般有交流电压法、直流电压法和剩磁感应法三种, 比较如下:
(1) 交流电压法需要单相调压器, 指针式或数字万用表, 小功率的灯泡等设备。由于使用交流电源和调压器, 所以此方法操作时要特别注意用电安全、通电时间和电压值等问题;
(2) 直流电压法需要一节干电池, 指针式万用表等设备。此方法操作简便又安全, 但由于指针正偏或反偏容易误看, 再加上指针的偏转只发生在瞬间, 所以此法要求操作时要细心, 反应要快, 注意观察;
(3) 剩磁感应法是最简单的一种, 需要指针式万用表, 按此方法操作时电路接触要良好, 否则容易误判, 同时由于电机剩磁很小时, 指针摆动不明显时也容易造成误判。
4结束语
在三相异步电动机绕组首尾端判别的实验教学中, 因为三相异步电动机的磁场是比较抽象的, 所以笔者用三相电力变压器的磁路来模拟电动机磁场的方法进行教学, 把抽象的问题变得直观和容易理解。当然在实验时测得的数据也说明此方法存在一定的误差, 比如串联中的两相绕组分压之和与总电压不等, 电源输出电流并不等于零等问题。其实最根本的问题在于三相异步电动机的三相绕组分属于三个不同的心柱上, 而单相变压器的两个绕组同属于一个磁路, 为了说明它们的区别, 帮助学生正确理解单相变压器是一个磁路而电动机是三个不同磁路的问题, 笔者又补充做了一个单相变压器的实验, 电路如图8和图9所示, 实验数据如表5和表6: (已知变压器参数:220V/110V, 0.4A/0.8A)
从表5实验数据可以看出:
(2) 电源输出电流为0;
(3) (2) 端与 (4) 端为异名端
从表6实验数据可以看出:
(2) 电源输出电流接近零。
三相绕组 篇5
多电平变流器能利用现有的低耐压开关器件实现高电压输出, 与传统的两电平变流器相比具有输出电压高、电平阶数多、输出电压变化率小、输出谐波含量低和开关器件损耗小等优点[1]。多电平变流器拓扑结构主要有二极管箝位型、电容箝位型和级联H桥型。二极管箝位型拓扑在三电平以上很难通过控制算法实现中点电压平衡, 而电容箝位型拓扑需要使用大量的箝位电容, 且电容频繁的充放电会导致电路可靠性降低, 因此这2种拓扑难以在高压场合使用[2]。级联H桥型拓扑与箝位型拓扑相比, 不存在电容电压平衡问题, 在输出电平数相同时所需元件数量最少, 并且能够实现模块化操作[3]。
级联H桥型拓扑结构既可用作逆变器, 也可用作整流器。当用作逆变器时, 需要隔离的直流电源, 但提供直流电源的传统移相变压器增加了整个电路的体积、成本和重量。传统的移相变压器工作在与电网频率相同的低频, 当传输的功率相同时, 频率高的变压器比频率低的变压器在体积、成本和重量方面都有所减小[4], 因此有学者提出使用中频变压器来代替传统的移相变压器。参考文献[5-6]提出一种使用中频变压器的模块化多电平变流器 (Modular Multilevel Converter, MMC) 拓扑, 该拓扑电路复杂且飞跨电容的电压平衡控制在实际中很难实现。参考文献[7]在级联H桥整流所产生的直流电压后加上双向的DC/DC变换和DC/AC变换, 然后各个模块串联起来接电网或者负载, 而当各个直流电压上所驱动的负载功率不同时, 电容电压的平衡控制会很难实现。参考文献[8]在单相级联H桥整流的基础上, 使用一个初级和次级均为多绕组的中频变压器来进行隔离, 所有直流电压经过相同逆变指令后接中频变压器, 然后再经过整流产生多个直流电压源, 但单相整流时, 单相电的瞬时功率是变化的, 为了保证负载功率一定, 需要较大的电容储存能量, 电容常处于充放电状态, 这对电容的寿命有一定的影响, 且单相整流时输入电流中含有较大的3次谐波[9]。
由于对称三相电路的瞬时功率之和为定值[10], 能量流动的过程中基本上不需要电容储能, 所需电容容量小, 且使用中频变压器能够减小整个电路的体积、成本和重量。鉴此, 本文提出了一种基于级联H桥和多绕组中频变压器的三相多电平变流器, 介绍了该变流器电路原理和控制方法, 并在Matlab/Simulink中建立电路模型进行仿真, 对整个电路的稳定性、负载突变时对电路的影响和输入输出电流谐波含量进行了分析。仿真结果验证了该变流器电路及控制策略的可行性。
1 电路结构和工作原理
三相多电平变流器由滤波电感、输入整流H桥、初级逆变H桥、多绕组变压器、次级整流H桥和次级逆变H桥组成, 如图1所示。La, Lb和Lc分别为三相输入端的滤波电感;ea1—ean, eb1—ebn和ec1—ecn为输入整流H桥交流端的电压;Va1—Van, Vb1—Vbn和Vc1—Vcn分别为A, B, C三相经输入整流H桥后各个H桥所接电容的电压值;Vu1—Vum, Vv1—Vvm和Vw1—Vwm为变压器次级整流后输出的直流电压。三相输入经过滤波电感后, 由级联H桥进行整流, 三相输入整流H桥的末端相连于点O, 输入整流H桥能产生分离的直流电压, 直流电压经过初级逆变后进入变压器初级, 变压器次级输出经过整流后得到次级直流电压, 次级直流电压再经过次级逆变H桥后产生三相电压, 从而驱动三相负载。每一相输入整流H桥的个数n由输入相电压值和H桥中半导体器件的耐压值决定, 初级逆变H桥的个数与输入整流H桥的个数相同。每一相次级逆变H桥的个数m由所驱动的负载决定, 次级整流H桥的个数为3m。
由于对称三相电路的瞬时功率之和恒定, 能量在传输的过程中基本上不需要储能, 输入整流H桥输出端所接电容可以很小。变压器负责隔离和能量均衡。当次级各个线圈上的功率不同时, 由于所有线圈共用一个磁链, 次级的总功率由初级线圈承担, 如果变压器初级线圈的参数一样, 则初级线圈上的电压会自然地趋向平衡, 而不会因为次级线圈上的功率不同造成初级线圈直流电压不平衡[8]。
2 控制策略
2.1 级联H桥整流控制策略
把三相整流各自独立, 每一相的算法都一样, 因此可以只研究单相级联H桥多电平整流的控制策略[8,9,11,12]。以图1中A相为例:
式中:ia为A相输入电流;uao为A相输入端相对于O点电压;ea为A相输入整流H桥输入端的电压之和;dak为A相中对应第k个H桥在1个采样周期中的占空比。
从式 (1) 可看出, 通过控制ea1—ean之和ea, 即控制各个H桥的占空比就可以控制输入电流ia。单相级联H桥整流控制方案如图2所示, Vr为输入整流H桥整流后各个H桥所接电容电压的参考值。为了保证电容电压值跟参考值一样, 在控制方案中加入电压PI反馈, PI控制器输出作为参考电流的幅值│ia*│, 参考电流ia*的相位由A相电压相位经过单位化之后得到 (图2中|uao|为uao的幅值) 。为了提高交流电流的跟踪性能, 实现电流的无静差输出, 电流环使用比例谐振 (ProportionalResonant, PR) 控制器[13]对参考电流ia*与实际电流ia的误差进行估计。PR控制器输出作为参考电压信号ea*, 然后根据ea*的大小采用电压平衡算法得到对应H桥的开关状态。
2.2 电压平衡算法
多绕组变压器具有自动平衡初级绕组上电压的功能, 但考虑到实际中开关元器件的参数以及变压器每个绕组参数的差异性, 每个级联H桥对同一个导通信号的响应时间、上升时间、下降时间等可能会不同, 从而每个H桥上的电压可能会不同。因此, 需要通过电压平衡算法对电容上的电压进行控制。本文采用类似参考文献[11]的电容电压平衡算法。
在单个H桥中, 如图3所示, 每个桥臂上下2个开关管互补导通, 对应有4种工作状态:“0”状态 (T1和T3导通或T2和T4导通) ;“1”状态 (T1和T4导通) ;“-1”状态 (T2和T3导通) ;“PWM”状态 (调制状态) , 即1个采样周期中H桥在“0”和“1”之间或“0”和“-1”之间切换。在“PWM”状态时, 当输入参考电压为正值, H桥在“0”和“1”之间切换, 记为“PWM+”;当输入参考电压为负值, H桥在“0”和“-1”之间切换, 记为“PWM-”。
当ea*在正半周, H桥的状态为“1”时, 输入电压对电容进行充电, 电压升高;H桥的状态为“0”时, 电容放电, 电压降低。当ea*处在负半周, H桥的状态为“-1”时, 输入电压对电容进行充电, 电压升高;H桥的状态为“0”时, 电容放电, 电压降低。
对|ea*|进行区间划分, 如图4所示。如果ea*为正且|ea*|在 (k-1) Vr和kVr之间, 则定义ea*在区域k (k代表参与合成ea*的级联H桥个数) 中。先假定电容电压均为Vr, 此时可使任意 (k-1) 个H桥工作在状态“1”, 而另外一个H桥工作在状态“PWM+”, 其余工作在状态“0”。在1个采样周期Ts内, PWM的占空比可由伏秒平衡原则得出, 即
从而
式中:Ton, Toff分别为工作在“PWM”状态的H桥在1个采样周期内状态为“1”和“0”的时间。
从式 (5) 可看出, ea*可由k个电压均为Vr的电容经过H桥后合成。
如果n个输入整流H桥上的电容电压不相等, 则对输入整流H桥上的电压由小到大进行排序。当ea*位于区域k时, 电容电压较小的前k个H桥参与合成ea*, 其中前 (k-1) 个H桥工作在状态“1”或“-1”, 相应的电容处在充电状态, 电压升高;第k个H桥工作在“PWM”状态;其余 (n-k) 个H桥工作在状态“0”, 相应的电容放电, 电压下降。电压平衡算法流程如图5所示。图中电容电压V1, V2, …, Vn按照由小到大的顺序进行排列, 输出的h1—hn为相应H桥的开关状态矢量。
2.3 变压器初级逆变、次级整流和次级逆变控制方法
变压器初级逆变H桥由同一个方波信号驱动, H桥交替工作在状态“1”和“-1”, 使得加在变压器初级线圈上的电压时正时负, 激励变压器。而变压器次级整流H桥中的开关管作为二极管使用, 经过次级整流之后得到次级直流电压源, 次级直流电压源再经过次级逆变H桥后得到U, V, W三相电压来驱动负载。每一相次级逆变H桥的个数m由所驱动负载的额定电压决定。次级逆变H桥的逆变算法可采用多载波PWM法、混合PWM调制法、选择性谐波消除法、空间矢量PWM法等[1]。由于变压器漏感和线圈电阻的存在, 次级线圈电压小于初级线圈电压, 变压器的漏感和线圈电阻应尽量小。
3 仿真实验
为了验证本文提出的电路拓扑和控制方法的可行性, 在Matlab/Simulink环境下建立三相多电平变流器的模型进行仿真。仿真参数:电网频率为50Hz, 线电压有效值为380V, 电容电压参考值为160V, 每相输入整流H桥的个数n为2。变压器初级逆变H桥由频率为5kHz的方波信号驱动。变压器次级整流H桥数目为6个。变压器每相次级逆变H桥的个数m为2, 驱动星型连接的负载。次级逆变H桥的调制方法为移相载波PWM法, 三相负载功率为50kW, 额定频率为50 Hz。为研究电路动态特性, 负载功率在0.3s时由50kW突变为100kW。仿真结果如图6—图9所示。
从图6可看出, 电网电流与电网电压的相位基本一致, 负载变化时, 电网电流没有发生太大的畸变。从图7可看出, 输入整流H桥后所接电容的直流电压Va1, Va2, Vb1, Vb2, Vc1, Vc2的值相等, 次级整流之后的电容电压Vu1, Vu2, Vv1, Vv2, Vw1, Vw2的值也都相等, 但由于变压器绕组电阻和漏感的存在, 次级直流电压比初级直流电压低2V左右。当负载在0.3s突变后, 直流电压能够很快恢复到参考值, 具有良好的动态特性。从图8可看出, 负载在0.3s变化后, 负载电流经过很小的波动之后很快达到稳定状态, 而负载电压降低之后也能够很快恢复。从图9可看出, 负载功率由50kW变为100kW时, A相电网电流幅值由110.2 A上升到211.2 A, 50次以内的电流总谐波畸变率 (Total Harmonic Distortion, THD) 分别为1.98%, 1.01%;U相负载电流幅值由98.4A变为195.7A, 电流THD分别为0.62%, 0.93%, 电流谐波都很小, 均在IEEE规定的标准之内[14]。
4 结语
提出了一种基于级联H桥和多绕组中频变压器的三相多电平变流器。使用中频变压器取代传统的变压器能够减小整个电路的体积、成本和重量, 并且三相整流时, 由于对称三相电路的瞬时功率之和恒定, 能量传输过程中基本上不需要储能, 可提高电容的使用寿命。仿真结果验证了该变流器电路和控制方法可行, 具有良好的静态和动态特性, 并且输入和输出电流的谐波含量很小。增加每一相输入级联整流H桥的个数并进行实验、研究三相输入功率不对称和要求能量能够双向流动时电路的控制方法等, 为进一步的研究方向。
摘要：针对传统多电平变流器存在电容电压不平衡或提供直流电源的移相变压器体积大、成本高的问题, 提出了一种基于级联H桥和多绕组中频变压器的三相多电平变流器;介绍了该变流器的电路结构和工作原理, 详细分析了该变流器的控制方式。仿真结果表明, 该变流器具有稳定的静态特性、良好的动态特性, 且电流谐波含量低。