电机学复习ppt课件.ppt
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1、电机学复习, 华北电力大学控制科学与工程学院,吕 跃 刚,一、变压器空载运行,电机学基础,有功功率:一次侧吸收功率“电动机惯例” 二次侧发出功率“发电机惯例” 无功功率:一次侧吸收滞后性(感性)无功 二次侧发出滞后性(感性)无功 电压、电流、磁通符合右手定则 空载(励磁)电流 的磁动势 是空载磁动势 产生的,且 设 :,i2,e2,u2,i1,e1,u1,i0,ZL,令 ,相量形式:,即电动势滞后磁链900,铁芯存在磁滞与涡流,产生铁损,同时使磁通滞后励磁电流 角度。 励磁电流无功分量产生磁通;有功分量是铁损与铜损。,等效电路:,R1铜损、X1漏抗、Rm铁损、Xm励磁电抗 由于铜铁损很小,励磁
2、电抗远大于漏抗,因此:U1E1,其中:r1=线圈长度/(磁导率线圈面积),相量图:,一、变压器负载运行,电机学基础,负载:,回路总的磁动势:,合成磁动势产生励磁磁动势。此时,虽然I0变为I1,但R1太小,U1E1,F0变化不大。, 磁动势平衡方程,其中:,,,一、二次电压与电流的关系:,等效电路:,折合前后有功/无功功率、功率因数不变:,交流电枢绕组的磁动势,电机学基础,+A,展开,A,X,转子,定子,A,X,0,A,1、磁动势的表示方法:,2、傅里叶变换后,基波磁动势 3、交变电流产生脉振磁动势: 设AX中通入 基波磁动势 既是空间函数,又是时间函数 4、脉振磁动势可分解为两个旋转磁动势 即
3、可分解为气隙内正反转的两个磁动势。 5、用空间矢量表示的空间正弦分布(基波)磁动势,注:磁动势NI主要消耗在气隙上,空间电角度,三次谐波磁动势,j,j,j,j,i,i,i,i,FK1,FK1,FK1,FK1,FK1,FK1,FK1,FK1,F”K1,F”K1,F”K1,F”K1,t=0o,t=60o,t=90o,t=120o,三相磁动势,第一章 电机学基础,三相电流:,三相基波磁动势:,三个反向旋转磁动势相加为零,剩下的三个正向磁动势叠加。 与单相脉振磁动势比,三相为旋转磁动势。振幅不变,顺ABC正相序方向,旋转角速度 F1的瞬时位置可由 决定,且某相电流达到最大值时,F1位于该相轴线上。 高
4、次谐波:3次及3的倍频相互抵消, 5次谐波以 朝反向旋转,幅值为基波的五分之一 7次谐波以 朝正向旋转,幅值为基波的七分之一,验证t=240o时:,一、变压器负载运行,第一章 电机学基础,一、变压器负载运行,第一章 电机学基础,一、变压器负载运行,第一章 电机学基础,一、变压器负载运行,第一章 电机学基础,一、变压器负载运行,第一章 电机学基础,第一章 绪 论,二、风力发电机组的主要类型与控制要求,定桨距失速型机组 监控系统任务:控制风力发电机并网与脱网;自动相位补偿;监视机组的运行状态、电网状况与气象情况;异常工况保护停机;产生并记录风速、功率、发电量等机组运行数据。 全桨叶变距型机组 监控
5、系统任务:控制风力发电机并网与脱网;优化功率曲线;监视机组的运行状态、电网状况与气象情况;异常工况保护停机;产生并记录风速、功率、发电量等机组运行数据。 基于变速恒频技术的变速型机组 监控系统任务除去上述功能外主要包括: 基于微处理器及先进IGBT电力电子技术的发电机转子变频励磁;脉宽调制技术产生正弦电压控制发电机输出电压与频率质量;低于额定风速的最大风能(功率)控制与高于额定风速的恒定额定功率控制。,第一章 绪 论,三、风力发电机组的控制技术,定桨距失速型机组 解决了风力发电机组的并网问题和运行安全性与可靠性问题,采用了软并网技术、空气动力刹车技术、偏航与自动解缆技术。 固定的节距角及电网频
6、率决定的转速,简化了控制与伺服驱动系统 。 全桨叶变距型机组 启动时可进行转速控制,并网后可进行功率控制。 电液伺服机构与闭环变距控制提高了机组效率。 基于变速恒频技术的变速型机组 采用变速风力发电机。 根据风速信号控制,低于额定风速跟踪最佳功率曲线,高于额定风速柔性保证额定功率输出。改善了高次谐波对电网影响,提高了功率因数,高效高质地向电网供电。,习题:各不同类型机组的控制技术有何功能特点。,第一章 绪 论,图中看出,系统的特性除了与机组特性有关外,还受控制器影响。 运行中控制器可改变功率输出,风能看成是扰动。,四、风力发电机组的控制特性,第一章 绪 论,五、风力发电机组的控制系统结构,用户
7、界面,输入用户指令,变更参数 显示系统运行状态、数据及 故障状况,发电机控制,软并网 变频器励磁调节,主控制器,运行监控,机组起/停 电网、风况监测,无功补偿,根据无功功率信号分组切入或切出补偿电容,变距系统,转速控制 功率控制,液压系统,刹车机构压力保持 变距机构压力保持,制动系统,机械刹车机构 气动刹车机构,调向系统,偏航 自动解除电缆缠绕,习题:通过对控制系统结构的了解,回答控制系统主要包括那些功能?,第二章 风力机控制基础,气流动能为 m 空气质量,v 气流速度 密度为的气流过面积 S 的气体体积为 V,M= V= Sv 则单位时间内气流所具有的动能为 理想风轮与贝兹(Betz)理论:
8、 前后空气体积相等:S1v1=Sv=S2v2 根据牛顿第二定律,单位时间内风轮上的受力 F= mv1-mv2= Sv(v1-v2) 风轮吸收的功率P=Fv= Sv2 (v1-v2) 风轮吸收的功率又等于风轮前后动能(单位时间)的变化: 令两式相等,得 经过风轮风速变化产生的功率为 其最大功率可令 得 ,代入后得到的最大理想功率为 与气流扫掠面积风的能量相比,可得风力机的理论最大效率:,一、1、风力机能量转换过程,1、风能利用系数 : 风力机的实际功率 其中CP为风能利用系数,它小于0.597 2、叶尖速比 为了表示风轮在不同风速中的状态,用叶片圆周速度与风速比来衡量,称叶尖速比,一、2、风力机
9、的主要特性系数,第二章 风力机控制基础,1、桨叶的翼型,二、1、桨叶的几何参数与空气动力特性,功角,升力角,零升力角,风向,弦长,A,B,攻角:来流方向与弦线的夹角 零升力角:弦线与零升力线夹角 升力角:来流方向与零升力线夹角,2、桨叶上的气动力,总的气动力,S 桨叶面积,Cr 总气动系数,C,压力中心,升力,与气流方向垂直,Cl 升力系数,阻力,与气流方向平行,Cd 阻力系数,相对前缘点由F产生的力矩,,Cd、Cl 是由设计的叶片决定的固有参数,也是气动力计算的原始依据。,第二章 风力机控制基础,二、2、升力和阻力的变化曲线,-30o -20o -10o 0o 10o 20o 30o 40o
10、,0.8 0.6 0.4 0.2,-0.2,升力系数与阻力系数是随攻角变化的 升力系数随攻角的增加而增加,使得桨叶的升力增加,但当增加到某个角度后升力开始下降;阻力系数开始上升。出现最大升力的点叫失速点。 截面形状(翼型弯度、翼型厚度、前缘位置)、表面粗糙度等都会影响升力系数与阻力系数。 对有限长桨叶,叶片两端会产生涡流,造成阻力增加,,第二章 风力机控制基础,三、旋转桨叶的气动力(叶素分析),风向,v,- u,w,运动旋转方向,安装角(节距角): 回转平面与桨叶截面弦长的夹角,倾斜角,相对 速度,驱动功率dPw=dT,风输入的总气动功率P=vFa 旋转轴得到的功率Pu=T 风轮效率=Pu/P
11、,第二章 风力机控制基础,第二章 风力机控制基础,四、简化风力机理论(1),1、基本关系的确定,贝兹理论最佳状态下r,r+dr一段截面受的轴向推力,第一种方法:,此时,功率最大。叶素的推力可写为,第二种方法:,v,- u,w,倾斜角,相对 速度,dF,dL,dD,dFa,dFu,I-,B个叶片投影到轴向的推力dFa为:,a,令两式相等,得,即,最佳运转条件下,v = 2/3 v1,即,因此上式可写成:,因tan=dD/dL=Cd/Cl很小,叶尖速比o确定后,即,第二章 风力机控制基础,四、简化风力机理论(2),与设计有关的几个问题: 1、如安装角确定了,攻角也即确定了(=I-),由翼型气动力曲
12、线即可确定升力系数Cl。叶片数给定后,Clbl表达式可确定r为变量的叶片截面弦长。 2、r增加,l减少。所以叶片由根部向尖部逐渐变窄。 3、叶尖速比o增加,即风轮的额定转速高,l越小,重量越轻。 4、风力发电机组的沿叶片Cl不一定保持常数。,气动效率和最佳攻角 1、气动效率:,埃菲尔极线(Eiffel Polar),0 4 8 12 16,1.2,-0.4,0.4,0.8,dr段叶片产生的风轮功率,流过dr段叶片的风的功率,因轴向推力 旋转推力 倾斜角 及 所以,效率,即当,较小时,效率较高,M,第二章 风力机控制基础,五、涡流理论(诱导速度的确定),风轮旋转时,在风轮下游存在尾迹涡流。该气流
13、以一个与叶片旋转方向相反的方向绕自己的轴旋转,速度为,则风轮下游气流旋转速度相对叶片为+=h,h叫周向速度因子。,在风轮平面内,气流速度为下游的1/2(贝兹理论),所以相对叶片气流旋转速度为:,半径r处的圆周速度为,。说明风轮转速低于气流的转速。,令,k为轴向速度因子,则风轮处的轴向风速为,风轮半径r处的倾角:,(风轮降低了迎风气流、增加了旋转气流),此时作用于风轮的相对风速与轴向风速、风轮转速的关系为:,第二章 风力机控制基础,五、涡流理论(轴向推力和转矩计算),r,r+dr的受力: 方法一:如前分析已知轴向推力为,其中,气动力矩为,方法二:由动量关系可得,结果:将两种方法对比,并用v1表示
14、w1得:,式子给出了风轮几何尺寸、气动参数与速度因子之间的关系。,2-58,2-59,第二章 风力机控制基础,五、涡流理论(当地功率因数),流经环型面积(r、r+dr)的气流中获得的最大功率为:,对应的当地功率因数:,对于Cd=0的无阻力、无限多叶片理想风机,,令前5-58、5-59相等可推得:,因此Cp可写成:,当,时,可得与k的关系式,即对每个值,可确定k,进而可求得Cp的最大值。,小结:对给出的,可得,第二章 风力机控制基础,五、涡流理论(考虑阻力时的当地功率系数),当地功率因数可进一步表示为:,将dFa、dFu、v代入并代以下关系式描述:,得到:,当tan=0时,式子第一项表示理想风机
15、的功率因数。 图中表示无限叶片数,以为函数,不同Cd/Cl下所能达到的最大功率系数值。 对给定的叶尖速比,tan较低时,功率系数较高。埃菲尔极线中tan最小值点的功率系数最大。 图中表明,高叶尖速比时低粗糙度叶片的特性好。 红线为3叶片的功率系数曲线(参考),,Cl/Cd,10,第二章 风力机控制基础,五、涡流理论(叶片数的影响及实际风力机Cp曲线),有限叶片数由于较大的涡流影响将造成一定的能量损失,使风力机效率有所下降。 实际风力机曲线如下图所示:,Betz极限,理想的Cp曲线,实际的Cp曲线,失速损失,型阻损失,0,第三章 定桨距风力发电机组,一、定桨距风力发电机组的特点,1、风轮结构 主
16、要特点:桨叶与轮毂的连接是固定的,桨叶的迎风角度不随风速变化而变化。 需解决的问题:高于额定风速时桨叶需自动将功率限制在额定功率附近(失速特性)。 脱网(突甩负荷)时桨叶自身具备制动能力。 添加了叶尖扰流器,降低机械刹车结构强度, 2、桨叶的失速调节原理 因桨叶的安装角不变,风速增加升力增加升力变缓升力下降阻力增加叶片失速 叶片攻角由根部向叶尖逐渐增加,根部先进入失速,随风速增大逐渐向叶尖扩展。失速部分功率减少,未失速部分功率仍在增加,使功率保持在额定功率附近。 3、叶尖扰流器 叶尖部分可旋转的空气阻尼板,正常运行时,在液压控制下与叶片成为整体,风力机脱网时液压控制指令将扰流器释放并旋转80o
17、90o,产生阻力停机,即产生空气动力刹车。 空气动力刹车是按失效思想设计,即起到液压系统故障时的机组停机保护。 4、双速发电机,小发电机功率曲线,大发电机功率曲线,切换点,风速,功率,如6极200kW和4极750kW,P1,P2,第三章 定桨距风力发电机组,一、定桨距风力发电机组的特点,5、功率输出 功率的输出主要决定于风速,叶片的失速特性功率曲线是在标准空气密度=1.225kg/m3测出的,一般温度变化10oC,空气密度变化4%。因此气温升高,密度下降,输出功率减少。750kW机组可能会出现3050kW的偏差,因此冬季与夏季应对安装角各作一次调整。 6、节距角与额定转速的设定对功率输出的影响
18、 由于机组的桨叶节距角和转速都是固定不变的,使机组功率曲线上只有一点有最大功率系数。 额定转速低的机组,低风速下有较高的功率系数;额定转速高的机组。即为双速电机依据。 设计的最大功率系数并不出现在额定功率上,因风力发电机并不经常工作在额定风速点。定桨距风力发电机应尽量提高低风速的功率系数和考虑高风速的失速性能。 节距角的改变对功率的影响如下图,它主要改变了桨叶对气流的失速点,这是随空气密度调整节距角的依据。,功率/kW,第三章 定桨距风力发电机组,二、定桨距风力发电机组的基本运行过程,1、待机状态 风速v3m/s但没达到切入转速或机组从小功率切出,没有并网的自由转动状态。 控制系统做好切入电网
19、的准备; 机械刹车已松开; 叶尖阻尼板已收回; 风轮处于迎风状态; 液压系统压力保持在设定值; 风况、电网和机组的所有状态参数检测正常,一旦风速增大,转速升高,即可并网。 2、风力发电机组的自启动及启动条件 机组在自然风作用下升速、并网的过程。需具备的条件为: 电网:连续10分钟没有出现过电压、低电压;0.1秒内电压跌落小于设定值;电网频率在设定范围内;没有出现三相不平衡等现象。 风况:连续10分钟风速在机组运行范围内(3.0m/s25m/s) 机组:发电机温度、增速器油温在设定值范围以内;液压系统各部位压力在设定值以内;液压油位和齿轮润滑油位正常;制动器摩擦片正常;扭缆开关复位;控制系统DC
20、24V、AC24V、DC5V、DC15V电源正常;非正常停机故障显示均已排除;维护开关在运行位置。 3、风轮对风 偏航角度通过风向测定仪测定。10分钟调整一次,调整中释放偏航刹车。,第三章 定桨距风力发电机组,二、定桨距风力发电机组的基本运行过程,4、制动解除 启动条件满足后,控制叶尖扰流器的电磁阀打开,压力油进入桨叶液压缸,扰流器被收回与桨叶主体合为一体。控制器收到扰流器回收信号后,压力油进入机械盘式制动器液压缸,松开盘式制动器。 5、风力发电机组的并网 当转速接近同步转速时,三相主电路上的晶闸管被触发开始导通,导通角随与同步转速的接近而增大,发电机转速的加速度减少;当发电机达到同步转速时晶
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