Способ определения индуктивного сопротивления рассеяния обмотки статора трехфазной синхронной машины Советский патент 1987 года по МПК G01R31/34 

Изобретение относится к электрическим машинам, в частности к методам измерения параметров синхронных машин.

Цель изобретения - повышение точности.

На фиг, 1 показана схема замещения синхронной машины в опыте питания двух фаз обмотки статора от источника переменного напряжения при неподвижном роторе; на фиг, 2 - то же, упрощенная схема; на фиг, 3 и 4 - то же, для случая подключения к ис10

пренебречь связью между ними по потокам рассеяния,

Практически весь поток Ф замыкается по путям, включающим участки из стали, содержащей замкнутые контуры протекания вихревых токов,- Объединяют их условно в один эквивалент ный демпферный контур. Это первый локальный демпферный контур, в нем индуктируется ЭДС, пропорциональная потоку рассеяния обмотки статора, и протекает ток , состоит он из индуктивного сопротивления 2 Хд

точнику переменного напряжения обмот- 15 ( Д рассматриваемого контура и для

ки возбуждения и обмотки статора соответственно; на фиг, 5 - векторная диаграмма.

20

всех других вторичных контуров машины принимается, что они приведены к первичному контуру), являющегося в данном случае сопротивлением взаимоиндукции, а также из последовательно

соединенных активного г и индуктивного Хдд сопротивлений.

Все демпферные контуры, имеющиеся

Синхронная машина в опыте питания двух фаз обмотки статора от источника- переменного напряжения при неподвижном роторе представляет собою трансформатор с двойньм воздушным

зазором в магнитопроводе, имеющий од- 25 на роторе и связанные с потоком Ф ну первичную обмотку, в которой про- объе динены и один эквивалентный демпферньй контур, в отличие от локальных его называют основным демпферным контуром машины. Этот контур включает 30 специальную короткозамкнутую демпферную обмотку и контуры, создаваемые конструктивными деталями ротора - бандажными кольцами и металлическими клиньями, а также стальным массивом 2g ротора. Кроме этого всегда замкнутого контура, на роторе имеется еще контур, создаваемый обмоткой возбуждения, которая может быть как в замкнутом, так и в разомкнутом состоянии Q (фиг, , включение в.ее цепь рубильника Р). Эти два главные роторные контуры связаны со статорными контутекает ток i (фиг, I), Этот ток создает магнитный поток, который можно рассматривать состоящим из двух составляющих: Ф часть суммарного потока, сцепленная только со статорными контурами машины (поток рассеяния) , и Ф - часть суммарного потока, пронизывающего как статарные, так и роторные контуры (поток взаимоиндукции) , Первой из этих частей суммарного потока обусловлено индуктивное сопротивление рассеяния, равное удвоенному реактансу рассеяния одной фазы обмотки статора х , второй - сопротивление взаимоиндукции, равное умноженному на V3 реактансу взаимоиндукции синхронной машины , т,е, xj,|jj V3 Хд,, , Кроме этих индуктивных сопротивлений, в контур первичной обмотки рассматриваемого трансформатора входит также удвоенное активное сопротивление фазной обмотки статора г , Все замкнутые электрические Контуры, расположенные на роторе синхронной машины, являются вторичными обмотками трансформатора. Если ориентироваться на крупные синхронные машины, имеющие немагнитные бандажи на роторе и достаточно большой воздушный зазор, можно принять, что магнитная связь между статорными и роторными контурами осуществляется только через поток Фао1 т,е, можно

50

рами через поток Ф , и каждый из них включает индуктивное сопротивле- 4g ние взаимоиндукции х , Та часть магнитного потока, создаваемого-током в каждом из главньгх роторных контуров, которая не проходит по статорному участку магнитной цепи машины, т,е, представляет собою поток рассеяния по отношению к первичной обмотке, состоит из двух составляющих: не связанной с другим главным контуром ротора (собственный поток рассеяния) и связанный с другим главным контуром ротора (взаимный поток рассеяния), Последний обозначен (фиг, 1), ему соответствует индуктивное сопротивление Х(

55

SfB3

Как и Фдд поток ,

пренебречь связью между ними по потокам рассеяния,

Практически весь поток Ф замыкается по путям, включающим участки из стали, содержащей замкнутые контуры протекания вихревых токов,- Объединяют их условно в один эквивалентный демпферный контур. Это первый локальный демпферный контур, в нем индуктируется ЭДС, пропорциональная потоку рассеяния обмотки статора, и протекает ток , состоит он из индуктивного сопротивления 2 Хд

( Д рассматриваемого контура и для

всех других вторичных контуров машины принимается, что они приведены к первичному контуру), являющегося в данном случае сопротивлением взаимоиндукции, а также из последовательно

соединенных активного г и индуктивного Хдд сопротивлений.

Все демпферные контуры, имеющиеся

роторе и связанные с потоком Ф е динены и один эквивалентный демп0

рами через поток Ф , и каждый из них включает индуктивное сопротивле- g ние взаимоиндукции х , Та часть магнитного потока, создаваемого-током в каждом из главньгх роторных контуров, которая не проходит по статорному участку магнитной цепи машины, т,е, представляет собою поток рассеяния по отношению к первичной обмотке, состоит из двух составляющих: не связанной с другим главным контуром ротора (собственный поток рассеяния) и связанный с другим главным контуром ротора (взаимный поток рассеяния), Последний обозначен (фиг, 1), ему соответствует индуктивное сопротивление Х(

5

SfB3

Как и Фдд поток ,

3

замыкается по участкам, содержащим сталь. Учитывая вихревые токи, создаваемые этим потоком, вводят в схему (фиг. l) второй локальный демпферный контур, состоящий из индуктивных сопротивлений и . и активного сопротивления г , в котором про13

текает ток I

/ D2Собственный поток рассеяния обмотки возбуждения Фд также охватывает свой, третий по счету локальный демпферный контур, в котором протекает ток 1др5 и который включает индуктивные Хдд5, Xgj и активное г -Д; сопротивления. Основной демпферньй контур состоит из последовательно соединенных активного г„ , индуктивного х-р сопротивлений и сопротивления взаимоиндукции Хегдз протекает ток

i . Цепь обмотки возбуждения, в которой протекает ток i, состоит из последовательно соединенных активного сопротивления обмотки Г и со-- противлений взаимоиндукции х,

Sf вэ

и X ел (фиг. l). Четвертый ло5

кальный демпферньй контур учитывает пути протекания вихревых токов в ста- торном участке магнитопровода машины, связанных с потоком Ф. Состоит он из сопротивлений г, х и х в нем протекает ток 1 54Положительные направления токов во вторичных контурах при принятых положительном направлении тока в пер- вичнбй обмотке трансформатора и полярности магнитосвязанных обмоток показаны на фиг. 1. С учетом этих условий можно составить уравнения баланса напряжений каждого из смотренных семи контуров машины. Если ограничиться рассмотрением крупных (более 100 кВт) синхронных машин можно не учитывать активное сопротивление статорной обмотки г , так как для этого класса машин оно не превьш1ает 1-2% от величины индуктивного сопротивления Хд . Первый и четвертый локальные демпферные контуры не рассматривают, поскольку влияние этих контуров совсем незначительное из-за относительно малой величины протекающих в них токов. Обусловлено это тем .фактором, что рассматриваемые машины имеют шихтованный сердечник статора, причем роторы этих машин, особенно неявнополюсного типа, имеют мощные нешихтованные стальные массивы, и для них неучет локальных

20

39463

демпферных ко}п-уров (фиг, 1, второй и третий локапьные демпферные контуры) недопустим.

С учетом сделанных допущений можно упростить схему (фиг. 2) замещения синхронной машины (случай для разомкнутого состояния обмотки возбуждения) . Все комплексные эквивалентные

.„ сопротивления представляют в виде, последовательно соединенных активного и индуктивного сопротивлений. Та- кое представление вполне допустимо, так как здесь анализ ведется для чая неизменной частоты, равной промышленной частоте (50 Гц). Соотношения

+ г

+ rsfD, Zj5 Хдэ

- jXgfDj

D3 Zf JXsf + rgf + r

+

между токами и напряжениями показаны на векторных диаграммах (фиг. 3 и 4), Можно определить ошибку в величине индуктивного сопротивления рассеяния обмотки статора.

Как видно из векторных диаграмм, точная величина искомого параметра равна

и , s U-ad 5 i ny

Sot

2 I

2 I.

Ошибку, присущую тому илииному 35 способу определения искомогопараметра, можно представить в видезависимости

изл, - Sc,

40

где X.,. - измеряемая по данному

И УЛп

способу величина индуктивного сопротивления рассеяния обмотки стато5 ра;

Xg - истинная величина искомого параметра; 4х - ошибка способа. Анализ известных способов экспе- Q риментально-расчетного определения индуктивного сопротивления рассеяния обмотки статора синхронной машины, объединенных тем обшлм признаком, что они проводятся на собранной ма- g шине при неподвижном роторе, показывает, что все они дают завьшенный результат, причем ошибка связана с наличием в машине ненулевого потока рассеяния роторных контуров или отличием от нуля отдельных его составляющих.

Схема замещения синхронной машины (фиг, З) поясняет соотношение между измеряеьй ми величинами при подключении обмотки возбуждения к источнику переменного напряжения, напряжением, приложенным к обмотке возбуждения

Zp

Ecr

Ect

lo

Схема замещения синхронной машины 5 и векторная диаграмма (фиг. 4 и 5) поясняют соотношения между токами и напряжениями в элементах схемы при подключении источника переменного

,,„т глтт -напряжения к двум соединенным послеU-, током Б ней IP и ЭДС на разомкну- щ

довательно фазам обмотки статора.

25

той обмотке статора Е,..

Все сопротивления роторных контуров, а также Uj и 1р приведены к обмотке статора. Распространяя анализ также на машины малой мощности, счи- 15 тают г j О, Элементы схемы замещения (фиг. З): Хд , Гд индуктивное сопротивление рассеяния и активное сопротивление одной фазы обмотки ста-, тора; Хд - индуктивное сопротивление 20 взаимоиндукции между обмоткой статора. и роторными контурами; Z/p - комплексное сопротивление взаимоиндукции между обмоткой возбуждения и эквивалентным демпферным контуром ротора, определяемое той частью потока рассеяния, которая связана с обоими этими контурами, а также с контурами протекания вихревых токов в стали ротора; Z, - .комплексное сопротивление обмотки возбуждения, определяемое активным сопротивлением обмотки и частью потока рассеяния, которая связана только с этой обмоткой-и с контурами протекания вихревых токов в статоре ротора; Zj - комплексное сопротивление эквивалентного демпферного контура ротора, определяемое той частью, потока рассеяния, которая связана только с этим контуром.

При обычном исполнении синхронных машин Zf,- и X ц 77 Z|j. Вследствие этого имеют .место соотношения

Здесь: напряжение на выводах этих фаз и , протекающий в них ток 1 , приведенная ЭДС на выводах разомкнутой обмотки возбуждения Ej, углы фазового сдвига между U. и I., - ., и между и.| и Е - If . Кроме этих величин показаны: U напряжение, приложенное к обмотке статора, за вычетом падения напряжения на ее активном сопротивлении; Uj - напряжение на сопротивлении взаимоиндукции между обмоткой статора и роторными контурами; Urp - напряжение на сопротивление Zfp; Ij - ток в сопротивлении Zjj) ; ly - ток в сопротивлении I/ и If - углы фазового сдвига соот ветственно между напряжением U, и током I , между напряжением U и ЭДС о( , /В - углы фазового сдвига соответственно между U., и 1 и между 1 и I.,; -j. - угол фазового сдвига между Ej и Ij, т.е, - фазовый угол комплексного сопротивления Z. Бсяи р О, напряжение на сопротивлении 35 Zjj равно напряжению на разомкнутой обмотке возбуждения„

Из схемы замещения и векторной диаграммы определяют выражения для расчета искомого сопротивления

30

40

5с1

и

уЦ- (sini/l +cos4 ctg/}) EOT-U ;

Jbi к.

где К . - коэффициент трансформации и и I - напряжение и ток в -контуре сопротивлением Z-Q,

Отсюда следует, что фазовый угол J между Ер и током 1р, измеряемый при подключении обмотки возбуждения к источнику переменного напряжения, является фазовым углом комплексного сопротивления Z с погрешностью на уровне погрешности измерений, а модуль этого сопротивления равен

Zp

Ecr

Ect

lo

Схема замещения синхронной машины и векторная диаграмма (фиг. 4 и 5) поясняют соотношения между токами и напряжениями в элементах схемы при подключении источника переменного

Здесь: напряжение на выводах этих фаз и , протекающий в них ток 1 , приведенная ЭДС на выводах разомкнутой обмотки возбуждения Ej, углы фазового сдвига между U. и I., - ., и между и.| и Е - If . Кроме этих величин показаны: U напряжение, приложенное к обмотке статора, за вычетом падения напряжения на ее активном сопротивлении; Uj - напряжение на сопротивлении взаимоиндукции между обмоткой статора и роторными контурами; Urp - напряжение на сопротивление Zfp; Ij - ток в сопротивлении Zjj) ; ly - ток в сопротивлении I/ и If - углы фазового сдвига соот ветственно между напряжением U, и током I , между напряжением U и ЭДС о( , /В - углы фазового сдвига соответственно между U., и 1 и между 1 и I.,; -j. - угол фазового сдвига между Ej и Ij, т.е, - фазовый угол комплексного сопротивления Z. Бсяи р О, напряжение на сопротивлении Zjj равно напряжению на разомкнутой обмотке возбуждения„

Из схемы замещения и векторной диаграммы определяют выражения для расчета искомого сопротивления

5с1

и

уЦ- (sini/l +cos4 ctg/}) 45

cosM si n /1

где и; - 1 r« cos ) + (2 1 г„ s i пч,)

, ( , . 2 L Га S I n Ч,

t/ v + arcsin -7-. 1 H U, - 2 1

ft V ( V2+ );

где E,, U., ,

- действующие значения соответственно ЭДС на выводах разомкнутой обмотки возбуждения, напряжения на выводах фаз А и В и

.% ,7

тока в цепн обмотки статора при подключении ее к источнику переменного напря-

действующие значения соответственно ЭДС на выводах фаз А и В разомкнутой обмотки статора и тока в обмотке возбуждения при подключении ее к источнику переменного напряжения; углы фазового сдвига соответственно между

и, и I, , между Ui между Е- и I

2

активное сопротивле- 20 чет величины сопротивления рассеяния

ние фазы обмотки , статора.

Измерение сопротивления рассеяния обмотки статора синхронной машины проводят следующим образом.

Вначале к двум фазным выводам обмотки статора полностью собранной невращающейся синхронной машины подключают регулируемый источник переменного однофазного напряжения промьшлен- ной частоты и поднимают напряжение до величины, при которой ток в статорной обмотке 1 составляет 3-5% номинального тока синхронной машины. Затем с помощью валоповоротного устройства устанавливают ротор в положение, соответствующее максимальной величине наведенной на разомкнутой обмотке возбуждения ЭДС, которая контролируется постоянно подключенным к ее выводам вольтметром. Эта ЭДС не должна превы- щать длительно допустимую для обмотки возбуждения величину. При необходимости для выполнения указанного условия величина тока 1 , воздействием на регулируемый источник, может быть дополнительно уменьшена против указанного значения. После проведения измерений величин U , I , Ej , i/ и . регулируемый источник переменного напряжения отключают от обмотки статора и подключают к обмотке возбуждения, устанавливая величину тока 1р в ней, рабочую , где К - коэффициент трансформации.

При вьшолнении этого условия обеспечивается протекание в основном Демпферном контуре мащины примерно такого же по величине тока, как и при

питании обмотки статора от источника переменного напряжения, вследствие чего имеющая зависимость сопротивления основного дe пфtгpнoгo контура от величины протекаюп его в нем тока не вносит погрешность в конечный результат измерений. Кроме измерения величины тока 1р, измеряется величина ЭДС Ej, на тех же выводах разомкну

той обмотки статора, к которым подключался источник переменного напряжения, а также угол фазового сдвига между этими величинами, при этом по- 15 лярность входных зажимов фазометра, подключаемых к обмотке статора, принимается соответствующей минимальному значению измеряемого угла. По ре- .зультатам измерений производится рас5

0

5

g

0

обмотки статора.

Предлагаемый способ отличается высокой точностью, так как практически полностью искл)очает ошибку, имеющую место при других модификациях способа неподвижного ротора и обусловленную неучетом магнитной связи по потокам рессеяния между эквивалентным демпферным контуром ротора и обмоткой возбуждения. Не требуя для подсчета величины искомого параметра использования каталожных данных машины, предлагаемый способ таким образрм решает ту же задачу, что и известные способы, и обеспечивает по сравнению с ними получение дополнительного положительного эффекта, почти полностью исключает систематическую ошибку, по- 1Вьш1ая точность определения реактивного сопротивления рассеяния обмотки статора до уровня, определяемого практически только точностью измерительных приборов. Небольшое увеличение объема измерений согласно предлагаемому способу по сравнению с извег стными способами практически не увеличивает его трудоемкости, так как не требует ни разборки машины, ни изменения ее конструкции, ни других связанных -с большими затратами труда или времени операций.

Формула изобретения

Способ определения индуктивного . сопротивления рассеяния обмотки статора трехфазной синхронной машины, содержащей ротор с демпферными конту-- рами и обмоткой возбуждения на роторе, путем подключения дпух гиэследояп- тельно соединенных фаз обмотки статора к однофазному источнику переменного напряжения, установки ротора в положение, соответствующее максимуму ЭДС, наведенной на разомкнутой обмотке возбуждения, из°мерения вшшчины этой ЭДС, а также напряжения, подведенного к двум последовательно сое- диненным фазам обмотки статора, тока в них, углов фазового сдвига между напряжением и током в обмотке статора, между напряжением на обмотке статора и ЭДС обмотки возбуждения рото- ра, и активного сопротивления обмотки статора и последующего расчета искомого индуктивного сопротивления рассеяния по измеренным параметрам, отличающийся тем, что, с целью повьшюния точности, отключают обмотку статора от однофазного источника переменного напряжения и подключают к нему обмотку возбуждения, измеряют при этом ток в обмотке возбуждения, ЭДС на выводах двух последовательно соединенных фазах обмо ки статора и угол фазового сдвига между током ротора и указанной ЭДС, а индуктивное сопротивление рассея- ния обмотки статора определяют по формуле

ui

2

(sin Vi + cos tfj- ctg/j)- .jj JXAI 3

Глти

«а 1 .,

.

JXAD

63

И)

2 Е,, I р 5 1 п /

е и; f (и,-2 v, ) + (2 l.r sin T/,

,. 2 I , г a S i n Lf,

I/ (Ji + arcs in -n--;;-i

U, - 2 I, r cosi/,

% - (t/j P ) ;

E , U , I, - действующее значение соответственно ЭДС на выводах разомкнутой обмотки возбуждения, напряжения источника переменного напряжения и тока в цепи обмотки статора при подключении ее к источнику переменного напряжения;

ЕСТ IP действующее значение соответственно ЭДС на выводах двух последовательно соединенных фаз обмотки статора при отключении их от источника переменного напряжения и тока в обмотке возбуждения;

-J- - углы фазового сдвига со- . ответственно между U, и

I, Ц и Ej, 1р; активное сопротивление фазы обмотки статора.

V,,2

ли

JM-DZ

Фиг.з

фиг А

21iKa

Фиг.5

Изобретение относится к способам измерения индуктивного сопротивления рассеяния обмотки статора трехфазной синхронной машины, т.е. к технике экспериментального определения параметров электрических машин. Цель изобретения - повышение точности. При осуществлении способа индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора определяется по результатам измерений, проводимых в опыте питания переменным напряжением двух последовательно соединенных фазных обмоток статора синхронной машины, ротор ко-, торой неподвижен и установлен в положение, соответствующее максимуму ЭДС, трансформированной в обмотке возбуждения. Проводится питание переменным напряжением обмотки возбуждения синхронной машины. При этом измеряют ток в обмотке возбуждения, напряжение на разомкнутой обмотке статора и угол фазового сдвига между ними. Способ обеспечивает высокую точность определения искомого параметра для крупных синхронных машин с большим рассеянием обмотки возбуждения и при ненулевом потоке рассеяния роторных контуров, пронизьшающем одновременно обмотку возбуждения и демпферный контур, 5 ил. О) со со со 4; О5 со