電氣設(shè)備短路對(duì)艦艇電站暫態(tài)穩(wěn)定性的影響

王云華　薛士龍

摘 要： 對(duì)艦艇電站在電氣設(shè)備短路下的暫態(tài)穩(wěn)定性分析，實(shí)現(xiàn)艦艇電站電氣設(shè)備的短路故障分析和診斷，構(gòu)建艦艇電站電氣設(shè)備平面線圈磁場(chǎng)分布下的等效電路模型。采取磁共振模式進(jìn)行電氣設(shè)備短路下的輸出功率與效率的計(jì)算，通過(guò)對(duì)艦艇電站系統(tǒng)輸出效率的差異性特征分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備短路條件下的艦艇電站暫態(tài)穩(wěn)定性測(cè)試和分析，通過(guò)測(cè)試電站輸出的電壓增益、電流增益、功率因數(shù)、效率等參量實(shí)現(xiàn)對(duì)艦艇電站的帶載能力評(píng)估。測(cè)試結(jié)果表明，對(duì)艦艇電站暫態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)所提方法進(jìn)行穩(wěn)定性調(diào)節(jié)和電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)控制，能使得電壓增益穩(wěn)定和輸出功率穩(wěn)定在較高的水平，電機(jī)效率和負(fù)載較高，提高了艦艇電站電氣設(shè)備系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞： 電氣設(shè)備； 短路； 艦艇電站； 暫態(tài)穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)： TN948?34； TM461 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）10?0111?03

Abstract： The transient stability of the naval ship power station in the case of electrical equipment short circuit is analyzed to realize the short circuit fault analysis and diagnosis of electrical equipments of naval ship power station. The equivalent circuit model of electrical equipments in naval ship power station under the planar coil magnetic field distribution was constructed. The magnetic resonance mode is used to calculate the output power and efficiency of electrical equipments in the case of short circuit. The difference characteristics of the system output efficiency of the naval ship power station is analyzed to test and analyze the transient stability of the naval ship power station in the case of electrical equipment short circuit. The loading capacity of the naval ship power station is evaluated by means of test of the voltage gain， current gain， power gain， efficiency and other parameters output by the power station. The transient stability of the naval ship power station was tested. The test results show that the method makes the voltage gain， output power， motor efficiency and load stabilized in the high level by adjusting the stability and performing the motor optimization design and control to improve the stability of the electrical equipments of naval ship power station.

Keywords： electrical equipment； short circuit； naval ship power station； transient stability

0 引 言

艦船綜合電力系統(tǒng)是從艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)。艦船推進(jìn)電機(jī)采用交流電機(jī)、永磁電機(jī)和超導(dǎo)電機(jī)，艦艇電站系統(tǒng)采用柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等通過(guò)電機(jī)發(fā)電，將高速的原動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械式能量通過(guò)發(fā)電機(jī)組來(lái)產(chǎn)生電能，供艦艇的動(dòng)力推進(jìn)和日常生活工作用電。艦艇的電氣系統(tǒng)是一個(gè)大型的電站發(fā)電和電能傳輸系統(tǒng)，艦艇電站發(fā)電機(jī)組的布置復(fù)雜，常年工作在高溫、高濕和腐蝕性環(huán)境中，大大縮短了艦船的電站設(shè)備的使用壽命和系統(tǒng)可靠性[1?2]。需要對(duì)艦船電站的電氣設(shè)備進(jìn)行有效的維護(hù)，避免電氣設(shè)備短路，提高艦艇電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文對(duì)電氣設(shè)備短路下艦艇電站暫態(tài)穩(wěn)定性的影響進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)艦艇電站電氣設(shè)備短路故障的輸出特征分析和故障診斷，提高艦艇電站電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 艦艇電機(jī)輸出功率與效率的計(jì)算

在構(gòu)建艦艇電站電氣設(shè)備平面線圈磁場(chǎng)分布下的等效電路模型的基礎(chǔ)上，采取磁共振模式進(jìn)行電氣設(shè)備短路下的輸出功率與效率的計(jì)算[3]。本文中艦艇電站采用的是感應(yīng)電機(jī)。感應(yīng)電機(jī)的暫態(tài)穩(wěn)定性分析的約束參數(shù)主要包括：艦船綜合電力供電的極對(duì)數(shù)[P]，變電系統(tǒng)的極弧系數(shù)[β]，儲(chǔ)能系統(tǒng)磁極厚度[lm]，推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子/定子的高耦合系數(shù)[ly]，諧振工作點(diǎn)繞組厚度[lw]、配電系統(tǒng)的輸出功率[lg]，轉(zhuǎn)子半徑[rr]，電流密度[Jcu]，電磁轉(zhuǎn)矩[ls]、定/轉(zhuǎn)子軸向長(zhǎng)度（通常用細(xì)長(zhǎng)比[λ=dbls]表示，其中[db=2（rr+lg））。]定義電機(jī)系統(tǒng)的繞組截面積為：[Aw=πl(wèi)w（2rr+2lg+lw）]。為了保證得到穩(wěn)定和干擾較小的電壓，電源芯片選用TPS767HD301進(jìn)行艦艇電機(jī)輸出電壓的濾波，電機(jī)的功率輸出要求包括額定電磁轉(zhuǎn)矩[Tem]和額定旋轉(zhuǎn)角速度[ωr]，TPS767HD301輸出為3.3 V和1.6 V，得到電機(jī)的輸出電壓方程為：

計(jì)算出艦艇電機(jī)的電壓輸出電路中[R1]和[R2]的值分別為11 kΩ和30 kΩ，在電氣設(shè)備短路情況下，電氣設(shè)備的材料特性決定的參數(shù)如槽滿率[kf]，永磁體剩余磁密[Br]將會(huì)對(duì)艦艇電站的暫態(tài)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，此時(shí)通過(guò)LT1587產(chǎn)生3.3 V的電壓進(jìn)行定/轉(zhuǎn)子鐵芯B?H曲線調(diào)節(jié)，在片外時(shí)鐘頻率調(diào)制下，電氣設(shè)備的磁密[Bkneesy]需要事先確定，時(shí)鐘電路主要使用無(wú)源晶振與有源晶振兩種方式，得到不同模式下電氣設(shè)備短路條件下的輸出電壓的計(jì)算方程為：

2 電氣設(shè)備短路條件下艦艇電站暫態(tài)穩(wěn)定性分析

2.1 艦艇電站的暫態(tài)穩(wěn)定性條件

通過(guò)對(duì)艦艇電站系統(tǒng)輸出效率的差異性特征分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備短路條件下的艦艇電站暫態(tài)穩(wěn)定性測(cè)試和分析，在艦艇的電氣設(shè)備短路下，結(jié)合上述對(duì)電機(jī)控制系統(tǒng)的分析，得到電氣設(shè)備短路的暫態(tài)穩(wěn)定性條件描述為：

通過(guò)分析模型計(jì)算結(jié)果和暫態(tài)穩(wěn)定性條件下的輸出參量的時(shí)域變化圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)艦艇電站的帶載能力評(píng)估和電氣設(shè)備短路對(duì)艦艇電站的暫態(tài)穩(wěn)定性影響分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在某大型艦艇綜合電力實(shí)驗(yàn)室中搭建艦艇電機(jī)和綜合電力系統(tǒng)模型，進(jìn)行艦艇電站的供電穩(wěn)定性分析試驗(yàn)，利用S函數(shù)編寫(xiě)電機(jī)控制模塊，利用Matlab Simulink進(jìn)行程序封裝，實(shí)驗(yàn)中選擇的參數(shù)為[Np=Ns=20]，[f=20.5 kHz] ，[Cp=Cs=0.57 μF]， 艦艇感應(yīng)發(fā)電機(jī)的線圈距離變化范圍為500～1 000 m，艦艇電氣設(shè)備進(jìn)行電能傳輸?shù)母髟?shù)值描述見(jiàn)表1。

分析上述結(jié)果可知，由于受到電氣系統(tǒng)中設(shè)備電路短路的影響，導(dǎo)致偏芯偏移，在偏芯100 mm時(shí)，通過(guò)本文方法進(jìn)行穩(wěn)定性調(diào)節(jié)和電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)控制，能使得電壓增益穩(wěn)定在5.8%，輸出功率增益保持95%左右，電機(jī)效率較高，電站的暫態(tài)穩(wěn)定性對(duì)電氣短路具有很好的適應(yīng)性，確保了艦艇電站的穩(wěn)定性工作。

4 結(jié) 語(yǔ)

為了提高對(duì)艦艇電站在電氣設(shè)備短路下的暫態(tài)穩(wěn)定性，進(jìn)行電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制分析，構(gòu)建艦艇電站電氣設(shè)備平面線圈磁場(chǎng)分布下的等效電路模型，采取磁共振模式進(jìn)行電氣設(shè)備短路下的輸出功率與效率的計(jì)算，通過(guò)對(duì)艦艇電站系統(tǒng)輸出效率的差異性特征分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備短路條件下的艦艇電站暫態(tài)穩(wěn)定性測(cè)試和分析。通過(guò)測(cè)試電站輸出的電壓增益、電流增益、功率因數(shù)、效率等參量實(shí)現(xiàn)對(duì)艦艇電站的帶載能力評(píng)估。實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)艦艇電站暫態(tài)穩(wěn)定性測(cè)試，提高了艦艇電站的輸出增益和效率，改善了艦艇電站電氣設(shè)備系統(tǒng)的穩(wěn)定性工況。

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