吴旭升,马伟明,孙俊忠,杨 青,张盖凡
海军工程大学电力电子技术应用研究所，湖北 武汉 430033
1 引言
为适应舰船、飞机、移动通信站等独立移动供电系统的需要，设计了一种能同时提供交流电和直流电的双绕组多相电机[1]。该电机定子上有两套绕组，一套三相绕组提供交流电，另一套多相绕组（六相、九相、十二相）整流后直接输出直流电，2套绕组相互绝缘，没有电路连接，只有磁路间的耦合，减小了直流电流变化对交流电压的影响，降低了交流电压的波形畸变率，提高了系统的电磁兼容性；再者，由于采用多相整流，直流侧输出电压脉动很小，直流供电品质较高。而且用1台发电机组代替传统的交直流2台发电机组，大大减小了供电系统的体积、重量和成本，具有显著的优点。
在分析计算和模拟研究双绕组多相电机及其系统的过渡过程时，需要知道电机的超瞬态参数， 特别是在设计供电系统的短路保护装置时，准确的瞬态参数值尤其重要。但是目前尚未见国内外有关于该电机超瞬态参数测量的文献报道。本文以如图1所示的交直流混合供电的双绕组3/12相电机为例，论述了该电机超瞬态参数  [2]的测定，导出了相应的计算公式。在某台双绕组电机上测出了实际的超瞬态电抗值，并且利用该测试值，对电机进行了计算仿真研究。本文各参数、电压和电流量（如未作特别说明）均为标幺值，定子各量取交流绕组的额定值（峰值）作为基值，转子各量采用“xad”基值系统。
2 测量方法的选取
如图1所示的交直流混合供电的双绕组多相电机，定子上有1套三相交流绕组和1套十二相直流绕组，2套绕组之间及直流绕组内部各三相绕组间的电磁耦合关系十分复杂，描述这种电机过渡过程行为的数学模型[3]所涉及的瞬态参数较多，其瞬态参数测定比三相电机要复杂得多，并且某些直流功率较小的双绕组多相电机定子直流绕组电阻可能相对较大，因而考虑其电阻影响时的参数测定更为复杂。直接测量双绕组电机的全部参数，只能由辨识的方法实现，但是，对于双绕组多相电机，参数辨识的数据处理过程十分复杂，且辨识程序极易发散，在实际应用中很难实现。因此只能利用三相电机的常规试验来得到双绕组电机的参数值。普通三相电机测量超瞬态参数时，可采用三相突然短路测定法或者静态测定法等实现，对于前者，试验时，定子三相绕组要保证同时突然短路，否则参数的测试值就将产生很大的误差[4]；对于后者，测出的超瞬变电抗是在工频时所测定的电抗，而不是在过渡过程开始时，定子磁链突变条件下所得的结果，所以测得的超瞬变电抗值要比实际值大[5]；而且用这两种方法测量绕组间的互感参数有一定难度。本文采用了电机单个三相绕组线对线稳态短路和2个三相绕组线对线串联稳态短路的方法，来得到双绕组电机各自感和互感超瞬态参数。测量时，为了提高测量精度，避免受线路中接入的电表自身内阻抗的影响，同时为便于参数的求测，各电量均由计算机数据采集系统得到。
3 单Y绕组超瞬变参数的测定
对于一些直流容量较小双绕组电机，定子直流绕组单Y的相电阻r较大，测量直流绕组单Y超瞬变参数 时，必须考虑定子电阻的影响。当短接图1中Y1绕组的b1c1，电机保持额定转速，发电机他励，当Y1绕组的b1c1线对线短路时，利用传统三相电机的线对线短路试验，测取Y1绕组的相电压ualol及短路电流ib1，当计及Y1绕组的电阻时，经计算可得：
式中 k为短路电流3次谐波分量与基波分量之比；Ualol(1)和Ibl(1)分别为Y1绕组的相电压ualo1及短路电流ibl的基波分量；R2为单Y绕组的负序电阻。
由式(1)可见，对于定子电阻相对较大的电机，电阻R2对有较大的影响，而R2随电机绕组温度的变化而改变，难以确定其真实值，故不宜利用传统方法中求取电压和短路电流的方法来得到超瞬变电抗。为了消除电阻对参数测量影响，必须利用其它各量来计算参数。
当Y1绕组的b1c1线对线短路时，采用双绕组电机的αβO坐标系统[3]进行分析，对于Y1绕组有
直流绕组的空载电势幅值。
上式代入式(2)可得
故上式可作如下化简
上式中I为Y1绕组b相电流有效值。
再由3次谐波电流与基波电流的比值
测出Pal和k，即可得 。可见，参数的测试值不受定子电阻的影响。为了消除转子励磁磁场3，9，…次空间谐波在定子a相绕组中感应的3次谐波的影响，可分别同时采集ualbl、ualcl、ua2c4、ua3c3与-ibl，计算各电压与短路电流作用构成的平均功率，来求测。
同理，当三相交流绕组BC稳态短路时，由计算机采集电压uAB或uAC和iB，即可测得 和 （下标A表示三相交流绕组的量）。
4 直流绕组互感超瞬态参数的测定
4.1 直流绕组单Y短路试验
直流绕组Y1的b1c1线对线短路时，对于Y2和Y4绕组有
式中 下标ml表示相差15º的直流绕组两Y之间的互感量。
所以，
同理，对于Y3绕组有
所以，由计算机采集以上各电压与短路电流波形，计算各自基波分量与短路电流基波分量作用的产生的无功功率，利用已测出的，即可得直流绕组之间的互感超瞬变参数 和 [8]。
4.2 直流绕组Y1Y2串联短路试验
试验时，短接图1中的b1c2与c1b2，所以有：
其中，下标α2和β2分别表示Y2绕组在αβO坐标系统中的各量。
对于Y1绕组有
所以，由4.1可知，同时采集上两式的电压及短路电流，经分析计算可得 的值。
4.3 直流绕组Y1Y3串联短路试验
试验时，短接图1中的b1c3与c1b3，类似于Y1Y2串联短路试验，经分析计算可得
试验表明，由以上4.1、4.2和4.3所提的试验方法得到的参数测试值比较接近，为提高精度，在条件允许的情况下，可进行不同的试验，列出待求参数的方程组，方程组中待求的未知数小于方程个数，为尽量减小参数测试值的误差，可建立参数的多元线性回归模型，对参数进行多元线性回归，即可得到较为精确的参数测试值。
5 直流绕组与交流绕组互感超瞬变参数的测定
其中，下标(1)表示基波分量，EA为三相交流绕组的空载电势幅值，xdmlA和xqmlA分别为直流绕组Y1与交流绕组直轴和交轴稳态互感电抗[9]，rdmlA(2)和rqmlA(2)分别为直流绕组Y1与交流绕组直轴和交轴互感运算阻抗对第2次谐波电流的电阻分量。所以，
式中 ε为交流绕组A相轴线和直流绕组a1相轴线的电角度之差。
因此，由4.1可知，同时采集uA、uB和ibl即可测得直流绕组Y1与交流绕组直轴和交轴互感超瞬变电抗 。
6 试验和仿真研究
利用前文所述测试方法和传统普通三相电机的静态测定法及三相突然短路测定法，分别测量了某台双绕组3/12相电机的超瞬态电磁参数，测试值见表1，表中的数据均为标幺值。
由表1可知，用普通三相电机的静测法和突然短路法只能测量三相绕组自身的超瞬变电抗，如何利用推广的三相电机的静测法和突然短路法准确测量上述电机绕组间的互感超瞬变电抗，仍是一个有待研究的课题。
为了验证上述测试值的正确性，对电机进行了试验和仿真研究。在电机空载时，交流和直流同时突然短路，采集的交流绕组C相的短路电流过渡过程波形如图2b所示。由试验的电压波形，经分析得到C相的短路合闸角为3.6º。交直流同时短路时，交流和直流绕组之间的耦合关系十分复杂，将涉及表1中的大部分 [1] [2] 下一页
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