CN113131491B - 一种调相机转子静止状态下无功调节方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种调相机转子静止状态下无功调节方法及装置，对设置在定子上的第一绕组通入第一交流电，在第一绕组内会有三相对称电流流过形成定子旋转磁场；对设置在静止转子上的第二绕组通入第二交流电，在第二绕组内会有三相对称电流流过形成转子旋转磁场；通过调整通入所述第二绕组的第二交流电，通过调节转子旋转磁场对合成旋转磁场进行调节，实现无功调节。采用上述方法能够保证工作过程中转子始终处于静止状态，电机内将没有机械损耗，调相机系统的机械噪声也降为0，从而可以进一步提高调相机系统的工作效率。

Description

一种调相机转子静止状态下无功调节方法及装置
技术领域
本发明涉及无功调节技术领域，特别是涉及一种调相机转子静止状态下无功调节方法及装置。
背景技术
为了平衡电力系统中的无功功率(容性无功或感应无功)，需要在系统中补偿一定容量的调相功率。对系统进行无功调节补偿的技术途径有两种，一种是利用电力电子技术，在系统中并入电容，电容值的大小可以根据无功容量的需要，通过电力电子技术进行切入或切除；另一种是通过传统同步调相机，即让同步发电机工作在电动机状态，但电动机的机械转轴不接负载，转轴处于空转状态，通过调节转子直流励磁绕组电流的大小，调节转子绕组产生的磁场，从而达到对系统无功调节的目的。
目前，由于随着我国特高压直流远距离输电技术的发展和应用，特高压直流输电系统接入电网后逐渐呈现出了“强直弱交”的问题，该问题引发了弱受端电网的运行状况，即当系统没有保持一定开机比例情况条件下，电网存在暂态电压稳定问题；同时还引发了另一个问题，即特高压直流系统在正常运行时，需要吸收其输送功率40％左右的无功功率，而且在电网故障快速动态过程中，特高压直流输电系统吸收的无功功率大幅增加，这将导致电网局部动态无功补偿能力不足，电网电压失稳风险大幅增加，电压稳定问题突出。为了在增强特高压直流系统的稳定性的前提下，同时满足大规模功率输送的要求，需要在系统中配置必要的大容量动态无功补偿设备。但上述方法转子处于旋转状态，机械噪声和机械损耗大，空载状态损耗大，系统效率低。
发明内容
本发明的目的是提供一种调相机转子静止状态下无功调节方法及装置，以实现零机械损耗，提高工作效率。
为实现上述目的，本发明提供了一种调相机转子静止状态下无功调节方法，所述方法包括：
步骤S1：在定子上设置第一绕组；
步骤S2：在静止的转子上设置第二绕组；所述第一绕组和所述第二绕组均为三相对称绕组；
步骤S3：对所述第一绕组通入第一交流电后，所述第一绕组与所述三相对称电源形成回路，在所述第一绕组内会有三相对称电流流过，形成定子旋转磁场；
步骤S4：对所述第二绕组通入第二交流电，在所述第二绕组内会有三相对称电流流过，形成转子旋转磁场；
步骤S5：调整通入所述第二绕组的第二交流电，实现无功调节。
可选地，所述方法还包括：
步骤S6：调整所述转子旋转磁场与所述定子旋转磁场的旋转速度相等，旋转方向相等，定子绕组和转子绕组内的电流相序一致。
可选地，所述定子旋转磁场和所述转子旋转磁场均为圆形旋转磁场。
可选地，计算所述定子旋转磁场的幅值的具体公式为：
Figure BDA0003037072920000021
其中，Fs3表示定子旋转磁场的幅值，Fφ1表示定子单相绕组磁动势的幅值，θs表示定子绕组A相绕组轴为空间起点的位置角度，ω表示电源频率，t表示电源变换的时间。
可选地，计算所述转子旋转磁场的幅值的具体公式为：
Figure BDA0003037072920000022
其中，Ff3表示转子旋转磁场的幅值，Frφ1表示转子单相绕组的磁动势幅值，θrs表示以转子A相绕组轴线为起点的位置角，ω表示电源频率，t表示电源变换的时间。
可选地，所述第二交流电为互差120度相位的三相对称电流或互差120度相位的三相对称电压。
可选地，当所述第二交流电为所述三相对称电流时，所述转子旋转磁场的转速取决于通入电流的频率和电机的极数。
本发明还提供一种调相机转子静止状态下无功调节装置，所述装置应用于上述方法，所述装置包括：
第一绕组和第二绕组；所述第一绕组设置在定子上，所述第二绕组设置在静止的转子上，所述第一绕组和所述第二绕组均为三相对称绕组。
可选地，所述转子设置在所述定子内部，且间隙设置。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开调相机转子静止状态下无功调节方法及装置，对设置在定子上的第一绕组通入第一交流电，在第一绕组内会有三相对称电流流过形成定子旋转磁场；对设置在静止转子上的第二绕组通入第二交流电，在第二绕组内会有三相对称电流流过形成转子旋转磁场；通过调整通入所述第二绕组的第二交流电，通过调节转子旋转磁场对合成旋转磁场进行调节，实现无功调节。采用上述方法能够保证工作过程中转子始终处于静止状态，电机内将没有机械损耗，调相机系统的机械噪声也降为0，从而可以进一步提高调相机系统的工作效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1调相机转子静止状态下无功调节方法流程图；
图2为本发明实施例2无功调节装置安装示意图；
图3为本发明实施例2定子绕组连接示意图；
图4为本发明实施例2转子绕组连接示意图；
图5为本发明实施例2定、转子磁动势与感应电动势矢量-相量图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种调相机转子静止状态下无功调节方法及装置，以实现零机械损耗，提高工作效率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明公开了一种调相机转子静止状态下无功调节方法，利用交流旋转磁场理论实现调相机转子无需旋转状态下的无功调节，能够应用到电磁装备中同步无功补偿、调相机技术领域，实现对系统的无功进行调节，即可以向系统发出滞后的无功功率，也可以从系统中吸收超前的无功功率。
具体构思如下：在同步电机定子上设置一套对称的三相对称绕组，在静止的转子上也设置一套三相对称绕组。电机转子在工作过程中始终处于静止状态，转子三相绕组作为励磁绕组，在转子绕组中通入三相对称电流，从而在静止的转子中形成幅值恒定的圆形旋转磁场。通过调节励磁电流的大小，改变励磁磁动势的大小，从而达到对定子电枢磁场调节的目的，即达到调节无功功率的目的，因此具体步骤如下：
如图1所示，本发明公开一种调相机转子静止状态下无功调节方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1：在定子上设置第一绕组。
步骤S2：在静止的转子上设置第二绕组；所述第一绕组和所述第二绕组均为三相对称绕组。
步骤S3：对所述第一绕组通入第一交流电后，所述第一绕组与所述第一交流电形成回路，在所述第一绕组内会有三相对称电流流过，形成定子旋转磁场。本实施例中，所述第一交流电为电网，但并不限于电网。
步骤S4：对所述第二绕组通入第二交流电，依据合成磁场理论，在所述第二绕组内会有三相对称电流流过，形成转子旋转磁场。
步骤S5：调整通入所述第二绕组的第二交流电，实现无功调节。
本发明所述方法还包括：步骤S6：调整所述转子旋转磁场与所述定子旋转磁场的旋转速度相等且旋转方向相等，定子绕组和转子绕组内的电流相序一致。所述转子旋转磁场的转速取决于通入电流的频率和电机的极数。
本实施例中，所述定子旋转磁场和所述转子旋转磁场均为圆形旋转磁场。电机转子在工作过程中始终处于静止状态。所述第二交流电为互差120度相位的三相对称电流或互差120度相位的三相对称电压；所述第一交流电为电网输出的三相对称电源。
实施例2
本发明公开一种调相机转子静止状态下无功调节装置，其特征在于，所述装置应用于实施例1所述的方法，所述装置包括：第一绕组和第二绕组；如图2所示，所述第一绕组设置在定子上，所述第二绕组设置在静止的转子上，所述第一绕组和所述第二绕组均为三相对称绕组。所述转子设置在所述定子内部，且间隙设置。图2中A1、B1、C1分别为定子上的三相对称绕组，A2、B2、C2分别为转子上的三相对称绕组，图3中，
Figure BDA0003037072920000051
分别为A1、B1、C1三相对称绕组中的感应电动势；
Figure BDA0003037072920000052
为电源向三相对称绕组输入的电源线电压；r1、x1σ分别为三相对称绕组的电阻和漏抗值；
Figure BDA0003037072920000053
Figure BDA0003037072920000054
分别为电源输入绕组的线电流。图4中
Figure BDA0003037072920000055
分别为A2、B2、C2三相对称绕组中的感应电动势；
Figure BDA0003037072920000056
为电源向三相对称绕组输入的对称电源线电压；r2、x2σ分别为三相对称绕组的电阻和漏抗值；
Figure BDA0003037072920000057
Figure BDA0003037072920000058
分别为输入转子励绕组的线电流。
具体实现无功调节的过程是：
定子上的三相对称绕组(即第一绕组)与电网相连接后，三相对称绕组中将会有交流电流流过，第一绕组内将会产生一个圆形旋转磁场(即定子旋转磁场)，计算定子旋转磁场的幅值的具体公式为：
Figure BDA0003037072920000059
其中，Fs3表示定子旋转磁场的幅值，Fφ1表示定子单相绕组磁动势的幅值，θs表示定子绕组A相绕组轴为空间起点的位置角度，ω表示电源频率，t表示电源变换的时间。以A相绕组轴线为空间位置起点，即在A相绕组轴线处θs＝0度。
转子处于静止状态，给转子上设置的三相对称绕组(即第二绕组)通入三相对称电流时，在第二绕组中产生一个圆形旋转磁场(即转子旋转磁场)，计算转子旋转磁场的幅值的具体公式为：
Figure BDA0003037072920000061
其中，Ff3表示转子旋转磁场的幅值，Frφ1表示转子单相绕组的磁动势幅值，θrs表示以转子A相绕组轴线为起点的位置角，ω表示电源频率，t表示电源变换的时间。以转子A相绕组轴线为空间位置起点，即在转子A相绕组轴线处θrs＝0度。
转子处于静止状态，给转子上设置的三相对称交流绕组(即第二绕组)通入对称交流励磁电流后形成的转子旋转磁场Ff3与旋转转子等效的旋转磁场(该磁场是在励磁绕组中通入直流电机而形成的恒定磁场)功能相同，转子旋转磁场Ff3与定子旋转磁场Fs3旋转速度相同，通过调节相序，使定子绕组和转子绕组内的电流相序一致，控制转子旋转磁场的旋转方向与定子旋转磁场方向一致，从而可以达到对电机气隙合成磁场调节的目的，实现与旋转转子同样的功能；具体磁动势、感应电动势矢量-相量图如图5所示，图中Fs为定子绕组合成磁动势，Fr为转子绕组合成磁动势，
Figure BDA0003037072920000062
和
Figure BDA0003037072920000063
分别为空载激磁电动势和气隙磁场对应的感应电动势。
本发明在定子上设置第一绕组；对所述第一绕组通入第一交流电后，所述第一绕组与所述三相对称电源形成回路，在所述第一绕组内会有三相对称电流流过，形成定子旋转磁场；在静止的转子上设置第二绕组；对所述第二绕组通入第二交流电，依据合成磁场理论，在所述第二绕组内会有三相对称电流流过，形成转子旋转磁场。调整通入所述第二绕组的第二交流电(三相对称绕组中的电流或电压)，即可达到改变转子旋转磁场幅值的效果，从而达到通过调节转子旋转磁场对合成旋转磁场进行调节的作用，最终实现对电机转出无功的改变，即实现对输出或输入无功功率的调节。
通过本发明公开的方法能够使转子处于静止状态，转子励磁绕组(即在转子上设置的三相对称绕组)由常规的直流励磁变为基于对称交流绕组的交流电流。该方法实现的调相机不需要专门的电机起动控制系统，即常规调相机的静止变频器(SFC)起动系统，同时该种方法的调相机可以同时实现对转子励磁绕组磁场大小和空间位置的调节，因此该方法不仅可以进行无功调节，还可以实现对系统频率的调节，而且转子处于静止状态，电机内将没有机械损耗，调相机系统的机械噪声也降为0，从而可以进一步提高调相机系统的工作效率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种调相机转子静止状态下无功调节方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1：在定子上设置第一绕组；
步骤S2：在静止的转子上设置第二绕组；所述第一绕组和所述第二绕组均为三相对称绕组；
步骤S3：对所述第一绕组通入第一交流电后，所述第一绕组与三相对称电源形成回路，在所述第一绕组内会有三相对称电流流过，形成定子旋转磁场；
步骤S4：对所述第二绕组通入第二交流电，在所述第二绕组内会有三相对称电流流过，形成转子旋转磁场；
步骤S5：调整通入所述第二绕组的第二交流电，实现无功调节；
步骤S6：调整所述转子旋转磁场与所述定子旋转磁场的旋转速度相等，旋转方向相等，定子绕组和转子绕组内的电流相序一致。
2.根据权利要求1所述的调相机转子静止状态下无功调节方法，其特征在于，所述定子旋转磁场和所述转子旋转磁场均为圆形旋转磁场。
3.根据权利要求1所述的调相机转子静止状态下无功调节方法，其特征在于，计算所述定子旋转磁场的幅值的具体公式为：
Figure FDA0003721981770000011
其中，Fs3表示定子旋转磁场的幅值，Fφ1表示定子单相绕组磁动势的幅值，θs表示定子绕组A相绕组轴线为空间起点的位置角度，ω表示电源频率，t表示电源变换的时间。
4.根据权利要求1所述的调相机转子静止状态下无功调节方法，其特征在于，计算所述转子旋转磁场的幅值的具体公式为：
Figure FDA0003721981770000012
其中，Ff3表示转子旋转磁场的幅值，Frφ1表示转子单相绕组的磁动势幅值，θrs表示以转子A相绕组轴线为起点的位置角，ω表示电源频率，t表示电源变换的时间。
5.根据权利要求1所述的调相机转子静止状态下无功调节方法，其特征在于，所述第二交流电为互差120度相位的三相对称电流或互差120度相位的三相对称电压。
6.根据权利要求5所述的调相机转子静止状态下无功调节方法，其特征在于，当所述第二交流电为所述三相对称电流时，所述转子旋转磁场的转速取决于通入电流的频率和电机的极数。
7.一种调相机转子静止状态下无功调节装置，其特征在于，所述装置应用于权利要求1-6任一项所述的方法，所述装置包括：
第一绕组和第二绕组；所述第一绕组设置在定子上，所述第二绕组设置在静止的转子上，所述第一绕组和所述第二绕组均为三相对称绕组。
8.根据权利要求7所述的调相机转子静止状态下无功调节装置，其特征在于，所述转子设置在所述定子内部，且间隙设置。
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