ETAP帮助手册ch24动态模型

第24章动态模型(Dynamic Models)动态电动机起动、暂态稳定性和发电机起动分析中都要用到电动机动态模型。

发电机动态模型和一些控制单元(如励磁器和调速器等)只在暂态稳定分析中用到。

另外，电动机起动分析和暂态稳定分析也要求有负荷转矩特性。

ETAP为各种分析提供了各种感应电机和同步电机模型以及全面的励磁器和调速器库。

在动态电机加速分析中，只有加速的电动机需要动态模型，也就是说，发电机，励磁器和调速器都不需要动态模型。

在暂态稳定分析中，所有的发电机，励磁器和调速器都是动态模型的。

有动态模型的电动机和在分析案例中被设为动态模型的电动机都会被动态模拟。

在发电机起动和依赖于频率的暂态稳定分析中，所有的发电机、励磁器和调速器都必须是依赖于频率的模型。

本章描述了不同类型的电机模型，电机控制单元模型和负荷模型并解释了他们在电动机起动和暂态稳定性分析中的应用。

也介绍了在选择模型和设定模型参数时所用到的工具。

感应电机模型部分介绍了五种不同的感应电机模型和这些模型的依赖于频率形式，分别是电路模型 (Single1、Single2、DBL1、DBL2) 和特性曲线模型。

在同步电机模型部分，介绍了五种不同的同步电机模型和这些模型的依赖于频率形式。

这些模型分别是等值电路模型，隐极电机的暂态模型，隐极电机的次暂态模型，凸极电机的暂态模型和凸极电机的次暂态模型。

电动机起动分析和暂态稳定性分析也把等效电网系统模拟成一个等值电机。

在等效电网部分介绍了等效电网系统的模型。

在励磁器和自动电压调节器模型部分定义不同类型的励磁器和自动电压调节器模型，包括标准IEEE模型和商用特有模型。

在调速器-涡轮部分列举了以IEEE标准和商用产品手册为准的调速器-涡轮模型。

最后，在机械负荷部分介绍了不同类型的负荷模型。

24.1 感应电机模型(Induction Machine Models)ETAP提供了五种在感应电机设计中较常用的感应电机模型。

分别是：• Single1 CKT回路模型• Single2 CKT回路模型• DBL1 CKT回路模型• DBL2 CKT回路模型• 特性曲线模型• 依赖于频率形式总的来说，Single1、Single2、DBL1和 DBL2 都属于CKT回路模型，因为他们都用等值电路来代表感应电机定子和转子绕组。

这些模型可以用于动态电动机起动和暂态稳定性分析。

特性曲线模型是用离散点的电机性能曲线来代表感应电机。

可用于动态电动机起动分析，但不适合于暂态稳定性分析。

注意，这部分所描述的模型也用于电动机起动分析中同步电动机，因为在起动期间，同步电动机与感应电动机相似。

该模拟程序是由工业标准认可的。

符号(Notations and Symbols)在定义感应电机模型参数时常用到以下符号：R s= 定子电阻X s = 定子电抗X m = 磁场电抗R r = 转子电阻X r=转子电抗X lr = 堵转电抗 ( = X s + X m X r/(X m + X r) )X oc = 开路电抗 ( = X s + X m )T do’ = 转子开路时间常数 ( = (X m + X r)/(2πfR r) )X/R = 电机X/R比率以下是电机机电微分方程式中用到的符号：E = 电机内部电势It = 电机终端电流ωs = 电机同步转速ωm = 电机机械转速s = 电机 ( = (ωs - ωm)/ωs)f = 同步频率H = 电机轴惯量D = 阻尼因数 (该值可以忽略)P m = 机械输出功率P e = 输入电功率24.1.1 Single1 模型(Single1 Model)这是单笼感应电机最简单的一种模型，没有深槽。

它使用一个戴维南等值电路来代表电机。

定子电路电阻和电抗认为是常量，但内部电压会随电机速率而改变。

这个模型所用参数有：• E电机内部电势• Xlr堵转电抗 ( = X s + X m X r/(X m + X r) )• Xoc开路电抗 ( = X s + X m )• Tdo’ 转子开路时间常数 ( = (X m + X r)/(2πfR r) )• X/R电机X/R率注意，X/R从库中获取，与用于短路计算的X/R不同。

24.1.2 Single2 模型(Single2 Model)这是感应电机的标准模型，用励磁支路，定子和转子回路代表电机，并考虑到深槽效应。

转子电阻和电抗随着电机速率作线性变化。

该模型的参数有：• Rs定子电阻• Xs定子电抗• Xm励磁电抗• Rrfl满载时转子电阻• Rrlr堵转时转子电阻• Xrfl满载时转子电抗• Xrlr堵转时转子电抗实际的转子电阻和电抗是基于满负荷、堵转值和电机运行滑差来计算。

电机转子阻抗和滑差的关系如下所示：24.1.3 DBL1 模型(DBL1 Model)这种CKT回路模型代表了有集成槽的双笼电机。

每个鼠笼的转子电阻和电抗都是恒值；然而，两个转子电路的等值电路阻抗相对电机速率来说是非线性函数。

该模型中参数有：• Rs定子电阻• Xs定子电抗• Xm励磁电抗• Rr1第一个转子回路的转子电阻• Rr2第二个转子回路的转子电阻• Xr1第一个转子回路的转子电抗• Xr2第二个转子回路的转子电抗24.1.4 DBL2 模型(DBL2 Model)这是另一种有独立转子槽的双笼感应电机。

与DBL1模型相同，每个笼型的转子电阻和电抗都是恒值；然而，两个转子电路的等值电路阻抗相对电机速率来说是非线性函数。

DBL2模型与DBL1模型有不同的特性。

该模型中参数有：• Rs定子电阻• Xs定子电抗• Xm磁电抗• Rr1第一个转子电路的转子电阻• Rr2第二个转子电路的转子电阻• Xr1第一个转子电路的转子电抗• Xr2第二个转子电路的转子电抗24.1.5 特性曲线模型(Characteristic Curve Model)该模型直接在制造商所提供的电机特性曲线的基础上模拟感应电机。

虽然是一些离散点的曲线， ETAP有先进的图形装置技术产生连续的曲线，方便计算。

该模型中的曲线包括：• 转矩 vs. 转差• 电流 (I) vs. 转差• 功率因数 (PF) vs. 转差注意：该模型只用于电动机起动分析。

对暂态稳定性分析而言，您可以采用电机参数估计程序转换该模型到一个CKT回路模型。

24.1.6 依赖于频率的模型(Frequency Dependent Model (Induction)在发电机起动分析和暂态稳定性分析中使用感应电机的依赖于频率的模型。

ETAP 为四种电路模型（Single1、Single2、DBL1、DBL2）提供了依赖于频率的模型。

在这些模型中定子和转子阻抗和电机转差都是系统频率的函数。

以下是有独立转子槽的双笼感应电机的等值电路 (DBL2)。

Vωs L r2R r2/s该模型中所有参数有：•Rs 定子电阻 •Ls 定子感抗 •Lm 磁感抗 •Rr1 第一个转子电路中的转子电阻 •Rr2 第二个转子电路中的转子电阻 •Lr1 第一个转子电路中的转子感抗 •Lr2 第二个转子电路中的转子感抗 •ωs 系统转速 •s 电动机转差四种感应电机模型(Single1, Single2, DBL1, DBL2)依赖于频率形式的数据接口以及数据库和相应规则的电机模型相同。

PowerStation®在电机端口将内部阻抗转换成感抗。

考虑到瞬时感抗以及瞬时内部磁通，该模型也可以表现为以下等值电路：ωs E’ 电路中的参数为：• L’s瞬时感抗 • E’ 瞬时内部磁势24.1.7 轴转矩模型(Shaft Torsion Model)如果考虑到多轴电机中转矩的影响，在ETAP 中使用一个轴转矩模型。

这个轴模型一般可以表示为以下形式：联轴器转动方程： ()()()(322212112θθωωθθωω)ω−−−−−−−−=K D K D dtd H L C M C C C负荷转动方程：()(23222θθωωω−−−−−=K D T dtd H C L L L L)感应电机轴模型参数：•ϖM 电机转速 •ϖC 联轴器转速 •ϖL 负荷转速 •θ1 电机角位移 •θ2 联轴器角位移 •θ3 负荷角位移 •H C 联轴器惯量 •H L 负荷惯量 •D 1 电机和联轴器间阻尼系数 •D 2 联轴器和负荷间阻尼系数 •K 1 电机和联轴器间弹性系数 •K 2 联轴器和负荷间弹性系数 •T L 负荷转矩24.2 同步电机(Synchronous Machine)ETAP提供了5种不同的同步电机类型来进行暂态稳定性分析，依赖于频率模型的发电机起动分析和依赖于频率模型的暂态稳定性分析。

这些复杂的模型包括简单的等效模型和包括凸极电机、阻尼线圈、不同电压领域的模型。

模型如下：• 等效模型• 隐极电机的暂态模型• 凸极电机的暂态模型• 隐极电机的次暂态模型• 凸极电机的次暂态模型• 依赖于频率的模型同步发电机和电动机均使用相同的模型。

在进一步的讨论中，以发电机为例子。

注释和符号(Notations and Symbols)对于同步电机模型，用以下的符号来定义不同的参数：Xd” = d轴次暂态同步电抗Xd’ = d轴暂态同步电抗Xd = d轴同步电抗Xq” = q轴次暂态同步电抗Xq = q轴同步电抗Xq’ = q轴暂态同步电抗Xl = 电枢漏电电抗Ra = 电枢电阻X/R = 电机X/R比(= Xd”/Ra)Tdo” = d轴次暂态开路时间常数Tdo’ = d轴暂态开路时间常数Tqo” = q轴次暂态开路时间常数Tqo’ = q轴次暂态开路时间常数S100 = 终端电压的饱和因数S120 = 终端电压的饱和因数H = 轴总惯量D = 轴阻尼因数T = 转矩K = 电机轴弹性系数J = 电机轴转动惯量θ = 角位移同步电机模型化的基本概念(General Concept of Modeling Synchronous Machines)一般而言，可以用一个内部等效电压源、等效电阻和电抗模拟一个同步电机。

内部等效电压源串联一个等效电阻和电抗联接到电机的内部母线。

如图所示：根据结构（隐极或凸极）或设计（有无阻尼线圈），等效内部电压源和等效电抗的计算有所不同。

这不同表现在不同的同步电机模型有不同的表达微分方程。

采用派克（Park）变换，在同步电机模型中不同的微分方程均用到以下符号：Efd = 描述q轴上的电压场。

通过电机的励磁器计算。

f(•) = 计算电机饱和作用的微分方程。

Eq” = 经过等值电机的次暂态电抗之后的q轴电压分量Ed” = 经过等值电机的次暂态电抗之后的d轴电压分量Eq’ = 经过等值电机的暂态电抗之后的q轴电压分量Ed’ = 经过等值电机的暂态电抗之后的d轴电压分量Eq = 经过等值电机的电抗之后的q轴电压分量Ed = 经过等值电机的电抗之后的d轴电压分量Ei = 电流场的电压百分比It = 电机终端电流Id = d轴电机终端电流Iq = q轴电机终端电流饱和(Saturation)同步电机的饱和作用也要在模拟时加以考虑。