（电工理论与新技术专业论文）11相无刷励磁机谐波分析.pdf

h a r m o n i ca n a l y s i so fa1 1 一p h a s eb r u s h l e s se x o i t e r a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e r e l e c t r o n i ct e c h n i q u e s ，t h ec l a s s i c a l t e c h n i q u ef o re x c i t a t i o ns y s t e mo fs y n c h r o n o u sg e n e r a t o rh a sb e e nb r o k e n b y t h es u c c e s si nt h eb r u s h l e s s t y p e d c s y s t e m 。ak i n do fp o i y p h a s e b r u s h l e s se x c i t e rw h i c hh a sb e t t e rp r o p e r t yc a m ei n t ot h ew o r l di nr e c e n t y e a r s s c h o l a r s h a ss i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t o ni t s o p e r a t i n g c o n d i t i o n b u tt h er e s e a r c ho nh a r m o n i cp r o b l e m sh a sn o tb e e nr e p o r t e d 。 t h ea u t h o rd e t a i1 l y a n a l y s et h ep r o b l e m s t h ed i s t r i b u t a t i o no fm a g n e t i cf i e l di nt h ee x c i t e ri sd e c r i b e di n d e t a ni nv i r t u eo fa n s y s8 ，0s o f t w a r e ，a n di n d u c t a n c e so ft h i sm a c h i n e h a sb e e ns o l r e db yt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d b yt h em e a n so fs i m u l a t i o n w h i c hisb a s e do nk r o n st e n s o rm e t h o dw eh a v et h es t e a d ya n df a u lt a n a l y s i sm o d e l 。 i no r d e rt o a n a l y s e t h ed i s t r i b u t i o no f h a r m o n i c c o m p o n e n t s o f p 0 1 y p h a s eb r u s h l e s se x c i t e r ，“s t e pb ys t e ph a r m o n i ce li m i n a t em e t h o d i su s e d ，w h i c hi sr e f e r e n c e df r o mt h et r a d i t i o n a lw a yo fb a r m o n i ea n a l y s e a n dh a sb e t t e rp r e e i s i o n ，i ti sp r o v e dv a l i d i t yb ya n a l y s et h eh a r m o n i c o fad cp o w e rs u p p l y t h ep a p e ra n a l y s et h eh a r m o n i co f1 i p h a s eb r u s h t e s se x c i t e rb ym e a n s o f “s t e pb ys t e ph a r m o n i ce l i m i n a t em e t h o d ”l o d e v o l t a g e ，l o d e c u r r e n t p h a s e v o l t a g ea n dp h a s e c u r r e n th a v eb e e ns t u d i e d d r a ws o m ec o n c l u s i o n s f r o mc o n t r a s tw i t hh a r m o n i cr e g u l a r i o n so fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m 。i tg i v e r e f e r e n c et ot h ed e s i g na n di m p r o v e m e n to ft h i sk i n do fm a c h i n e k e y w o r d s ：p o l y p h a s e ，b r u s h l e s se x c i t e r ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s s i m u l a t i o n ，h a r m o n i ca n a l y s i s 1 、“密级”请根据论文的实际情况在“无、密级、机密、绝密”中根据导 师的意见选择填写。 2 、原创性声明论文使用权说明格式如下： l l 相无刷励磁机谐波分析 第一章绪论 卜1 概述 多相无刷励磁机是当今世界上一种先进的励磁机，研究、分析这种多相无刷 励磁机，可为我国自行设计、制造多相无刷励磁机提供理论依据。研究这种电机 从理论上及实际应用方面都有意义。 无刷励磁系统主要由交流励磁机、旋转整流器、可控硅励磁装置、无刷同步 电机励磁机监测仪等四部分组成，其系统原理详见图卜1 a _ 一 蘩l 撼】 l 一【】 【 累 耀。 ，v 、一 i 一一一一 謇 l 7 。、一 铆l 圊 掘 挂电机 一 【jl 一 【趋 定子绕组 同轴旋转部分 _ 1励盛控制装置卜 图卜1 无刷励磁发电机运行原理图 无刷励磁系统原理是：发电机在外力的驱动下，以同步转速恒定旋转，由励 磁装置供给交流励磁机一定励磁电流，产生一个恒定磁场，交流励磁机的旋转电 枢感应三相对称电势，经旋转整流器整流，将交流电势变为直流电势供发电机转 子励磁绕组励磁，发电机定子绕组便感应出三相对称电势。发电机负载的变化将 引起发电机端电压的变化，保持端电压的恒定是通过励磁装置对供给交流励磁机 励磁电流的控制来实现的，发电机起励方式以残压起励为主，自备直流电源为辅。 与传统有刷发电机相比，无刷发电机具备有下列优点： 1 由于实现了无刷，消除了发电机的滑动接触，从而可减小维护工作量， 提高电机的可靠性，延长使用寿命。 2 由于实现了无刷，从而可实现发电机的高速运行，并进而减轻电机的重 量，这一点对航空电机尤为重要。而有刷发电机在转速方面具有一定的局限性。 因为发电机在高速运转时换向不好，而且换向器在高速时还要承受很大的离心力 作用，从而增加了换向器设计和制造的难度。 3 无刷发电机能有效地在诸如高湿度的稀薄空气中或能够使接触装置很快 损坏的腐蚀性介质中等较恶劣的环境条件下工作。 总之，无刷励磁技术是世界上先进的一种技术，运用无刷励磁技术的发电机 组具有无粉尘污染、无接触火花、运行管理轻松、可靠性高的优点。在欧美、日 本等发达国家。技术已很成熟。已在水电站上广泛使用。我国有些单位在着手研 究这一技术，但没有商业运行的经验，可借鉴的资料很少，设计难度很大。因此， 开发无刷励磁发电机是工厂一个体现技术实力和上台阶的项目。 甚前，在我国航空电源领域，发电机无论是做起动发电运行，还是仅做发 相无刷励磁机谐波分析 电运行，均采用有刷结构。多年的实践表明，有刷发电机在高空运行时明显存在 着换向器及电刷磨损大、绝缘电阻低、寿命短、使用和维护性差等缺点。由于无 刷发电机相对传统的有刷发电机所具备的优势，故在许多电源领域，无刷发电系 统是电源发展方向之一。 励磁系统多相化后元件耐压不变，但电流成倍增加，功率也成倍增加n “。 相对三相电机而言，多相电机存在以下突出的优点： 1 ) 用低压器件实现大功率。三相系统中，较大容量的电机都是高压的，而 多相电机可以将供电电压降下来。p = m u i ，功率p 定时相数m 增加，相电流 i 不变，供电电压u 下降； 2 ) 由于相数增加，每相电流值降低，降低了对功率开关器件容量的要求； 3 ) 采用多槽多极，可以减小电感和电枢反应及相应的电抗压降以及电磁时 间常数。转矩脉动减小，获得平滑的输出，系统动、静特性提高： 4 ) 系统整体可靠性提高。当系统有相或几相退出工作时，系统只需降载 运行而不必停车。这非常适用于某些重要的不允许中途停车场合； 5 ) 转子谐波损耗大幅度减少，提高电机效率及极限容量。 无刷发电机是当前输电系统研究中的热点，考虑到无刷励磁机的特点和功 能，研究它在输电系统中的应用，无疑具有理论和实践上的双重意义。无刷励磁 技术的开发及成功运行，必将对拓展市场产生深远的影响，带来巨大的社会和经 济效益。 i - 2 无刷励磁机的发展情况和研究现状 一发展情况 近年来，无刷励磁机已得到广泛应用，许多大型发电机组的励磁采用三相无 刷励磁机系统。目前关于无刷励磁机设计的书籍、文献仍不是很多，有关无刷励 磁机数字仿真研究的也很少，分析方法大多基于一些假设，基本处于定性阶段， 对无刷励磁机还需深入研究。美国是世界上最早从事无刷电源系统研究工作的。 上世纪6 0 年代末，国外出现了一种新型的励磁方式无刷励磁系统。1 9 6 6 年美国西屋公司首次成功地应用无刷励磁于大型汽轮发电机上。上世纪7 0 年代 多相无刷励磁机首次应用到水轮发电机中。从6 0 年代到7 0 年代，十几年时间内， 无刷励磁方式发展很快，无刷励磁已被公认为最有发展前途的励磁方式。世界上 各工业发达国家，均纷纷发展了自己的无刷同步发电机系列。 在法国a l s t h o m 公司，采用了一种先进的多相无刷励磁系统，已装备于2 5 万k w 到1 5 0 万k w 的发电机中，其中t k j 9 1 - 3 5 无刷励磁机是用于3 3 0 m w 汽轮发 电机组中。北京重型电机厂是华北地区最大的以火力发电设备为主的电工装备综 合制造企业，1 9 8 6 年与法国通用电气阿尔斯通公司( g e ca l s t i i o m ，简称g a 公司) 签订了长期合作协议，采用合作生产的方式，引进了该公司先进的三百兆瓦级汽 轮发电机组的技术。在9 5 1 i 工程中，北重厂为内蒙古达拉特电厂提供了3 3 0 j f f 汽轮发电机组。但法方对多相无刷励磁机作为技术核心保密。所以研究这种先进 的多相无刷励磁机具有理论价值和实际意义，可为我国自行研制生产、填补空白 提供依据。 要实现发电机的无刷有两种方案可供选择，有基于绕线转子式无刷交流同步 发电机方案；有基于稀土水磁无刷同步发电机方案。下面具体针对上述两个方案 2 相无刷励磁机谐波分析 予以分析比较。 1 绕线转子式无刷交流同步发电机 在该方案中，发电机由传统的二级或三级结构的无刷交流同步发电机及其内 部增设的输出整流组件两大部分组成。该方案技术上比较成熟，便于弱磁和调压 控制，系统故障保护及电机内部故障保护比较容易。 国外采用此方式研制生产的无刷直流发电系统比较成熟，装机使用也比较 早，以美国l u c a s 公司为典型代表，其生产的产品功率有3 k w 、4 5 k w 、1 2 k w 等。 基于绕线转子式的无刷直流发电机不仅可以做发电运行，也可以做起动运 行。 上世纪6 0 年至7 0 年代初美国空军航空发动机研究室就基于绕线转子式的无 刷直流发电机的起动问题委托美国利尔西格勒公司研究3 0 v 、2 0 0 a 的6 k w 直流 无刷起动发电机，后因大功率电子器件不能满足要求，起动指标达不到规定值， 研究工作中断。 美国的第四代战斗机f 一2 2 和r a h 一6 0 直升机均已采用了2 7 0 v 无刷直流发电 机。发电机本身就是采用绕线转子式无刷交流同步发电机经整流输出方案，其整 流后额定直流输出电压2 7 0 v ，其原理和结构与采用该方案的3 0 v 无刷直流发电 机是完全相同的，仅是额定电压不同而已。 2 永磁无刷交流同步发电机 在此方案中，采用了高磁能积的钐钴永磁材料。采用此方案，发电机结构简 单、功率密度大、效率高。但是存在两个缺点： 其一，输入转速变化范围较大时调压困难。 其二，发电机内部短路保护性差，即灭磁困难，由于不能自行灭磁，这样对 发动机、发电机自身和周围设备有一定的危害，即存在影响安全性问题。正因为 存在安全性问题，目前国内外还没有将大功率永磁无刷发电机作为主电源装机使 用。 随着电力电子技术的发展，永磁电机的方案尽管解决了调压困难的问题，但 它采用全功率调节，由于调压范围较大，造成效率降低，发热严重，因此对功率 管的要求高，可能会带来影响可靠性的问题；关于安全性的闽题，虽然可以在电 机和发动机之间设置一机械脱开装置予以解决，但由于脱开机构的动作时间相对 较长，而电机最严重的内部短路至起火的时间较短，因此从理论上讲，当发电机 出现内部短路故障时脱开机构不能及时将发电机脱开，这样就起不到保护作用， 脱开机构可能形同虚设，当然也就不能保证安全。因此，目前大功率的无刷励磁 电源均采用基于绕线转子式无刷交流同步发电机方案。 多相无刷励磁机为一种先进的励磁方式，在发达国家己被广泛使用，在国内 仍属于一种新技术，所有的文献都未加详细说明。 二研究状况 多相电机的研究方兴未艾，这里对其研究状况作一简单介绍。为了改善无刷 直流发电机的性能，可以增加电机的相数。无刷直流发电机的相数较多时，它可 以减小高次谐波电流，提高整流品质及电机的效率。对于多相无刷直流发电机， 三相时的分析方法一般不再适用”。 p w f r a n k i n g 从理论上分析了整矩线圈、无穷相无刷直流发电机，得到一 些结论。但如果考虑有限相数及短距线圈，则分析方法不再适用，不能真正用来 分析多相无刷直流发电机。 相无刷励磁机谐波分析 h b u y s e 、m s g a r r i d o 分析了绕组为星形联接的多相无刷直流发电机。应 用滑动接触电路理论，此时电刷是可移动的，它对应着电枢绕组最大压降，通过 分析等效直流机得到无刷直流发电机的性能，但此方法不能精确反应电机二极管 的导通规律。 f l a b r i q u e 首次分析了多相无刷直流发电机，电枢绕组为多边形联接。在 一些假定条件下( 如整距集中绕组、偶数相、均匀气隙等) ，应用间隔法分析了这 种电机。得到此种无刷直流发电机的性能及一些内部现象，第一次得n - - 极管电 流为双峰波形( 而不象三相情况时的单峰波形) 。经过研究，f l a b r i q u e 发现这 种多相无刷直流发电机可用一对或二对电刷的普通直流发电机来代替。 f l a b r i q u e 所做的工作也是用滑动接触电路理论分析这种电机的基础。随后， f l a b r i q u e ，l p i e r r a t ，b m a u h i n ，a j p i r e s ，m s g a r r i d o 等，应用滑动接 触电路理论分析了这种电机。这种多相无刷直流发电机的换向过程依据许多因 素，最重要的是励磁磁场分布。 t z o u a g h i ，m p o l o u j a d o f f 等，用名为a s t e c 的软件仿真分析了1 l 相无刷 励磁机，此软件可处理电磁场和半导体电路组成的系统，最后得到该电机各部分 电量。 v ，v v a d h e r ，i r s m i t h 等，应用k r o n 创立的张量电网络建立了一种多相 无刷直流发电机的仿真模型。由于所分析的电机的特殊结构，使网络的树支一旦 选定就不会随二极管导通、截止而变化。但对于我们所研究的多相无刷励磁机来 讲，树支是随时间变化的( 即随二极管导通截止而变化) ，所以所用方法需要改进 以满足多相无刷励磁机情况。 1 9 9 4 年，茁立杰教授针对大峰值转矩、低速和高响应的大型载人离心机直 接驱动系统研制的工程实际需要，开发研制了一套2 5 k w 、1 5 相、1 4 极的样机系 统，给出十五相无刷直流电机系统的数学模型。 现在我国因贾小川教授等人的努力，已具备了设计、生产多相无刷励磁机 的能力，并应用于二三十万k w 汽轮发电机生产中。 卜3 本文研究的特点和主要内容 上世纪3 0 年代初期匈牙利科学家k r o n 创立了电机和网络的张量几何理论。 k r o n 是一位杰出的工程科学家，他创立了旋转电机的统一理论、网络的变换理 论、网络分割论，把张量算法和高维弯曲几何理论与工程科学的实际紧密地联系 起来。这些理论和方法已广泛应用于解决大型复杂的电力系统工程问题和其他问 题。k r o n 的思想、概念、理论和方法在中国、欧美、日本和世界其他国家的电 机工程界、物理界和数学界都有广泛而深刻的影响。 应用张量算法，结合高维几何理论进行工程科学研究，可以使复杂的工程现 象得到高度抽象地概括；可以用几何学方法作为有力的分析工具；可以将不同的 工程对象和物理对象用张量几何的语言统一起来进行分析，以至在某些方面节约 思维和计算精力：可以统一处理电机及电力系统的坐标转换，从而导出新的坐标 系；可以用张量方法得出电机的等值电路。因此，这方面的工作越来越引起电机 工程界的重视。 无刷励磁机是由同步发电机外接全波整流桥组成。由于整流电路的存在，尤 其当相数增加时，仿真方法是分析这种电机的一种有效方法。基于克朗( k r o n ) 4 11 相无刷励磁机谐波分析 的张量电网络理论，我们可以建立这种电机的仿真模型。此模型适于处理无刷励 磁机所组成的时变网络系统，通过电网络的二次变换，它包括了电机所有可能的 工作状况。一旦进行一些基本分析后，任意拓扑网络的状态方程可由计算机程序 自动生成，拓扑网络间的变换也可自动完成。所得状态方程可由适当单步积分法 求解，如四阶龙格一库塔法等。仿真所需的电机电感参数( 各绕组自感、互感) 随 电机转予位置而周期变化，用二维有限元法算得。最后得到1 l 相无刷励磁机的 详细仿真模型。 在上述工作的基础上，我们借助m a t l a b 语言对1 1 相无刷励磁机正常工况和 故障情况下的谐波问题进行仿真分析，并与实验结果进行对比，为设计制造这种 无刷励磁机及其故障检测系统提供理论依据。 电力系统传统的谐波分析方法是采用快速傅立叶变换( f f t ) 。f f t 在非同步 采样情况下，存在较大的误差。我们采用的电机电压、电流数据是非同步采样数 据，难以用f f t 在电机测试过程中获取准确的谐波参数。为此，本文对谐波分析 的加窗和插值算法”3 进行了研究，提出了一种计算简便、精度较高的方法 “逐次谐波消去法”，并通过一直流电源的谐波分析，验证了该方法的有效性。 然后，本文采用“逐次谐波消去法”对l l 相无刷励磁机的谐波问题进行了 以下研究：1 ) 计算分析了稳态时负载电压、电流，相电压、相电流的谐波；2 ) 计算分析了一个二极管短路、一个二极管断丌和一相退出运行以及多相退出运行 故障工况时的负载电压、电流和相电压、相电流谐波。同时参考电力系统的谐波 规程要求，对所算谐波含量进行了对比分析，得出了一些有益的结论，为该种电 机的设计和改进以及故障检测系统的构成提供了谐波方面的参考依据。 11 相无刷励磁机谐波分析 第二章无刷励磁机的基本理论 2 一i 概述 励磁系统是交流同步发电机中最核心的组成部分，也是经典的同步发电机中 最有发展前途的部分之一。励磁系统的好坏，直接影响到同步发电机的性能和运 行质量，因此各国学者几十年来均致力于励磁系统的研究和改进。由于半导体工 业的迅速发展，出现了种新型的非常有发展前途的无刷励磁方式“3 ”1 。 无刷励磁方式的特点是： ( 1 ) 维护简单，可靠性高，可长期连续运行而无需保养，特别适用于无人管 理的自动化电站中； ( 2 ) 没有旋转接触的导电部分，不会产生火花，特别适用于有易燃气体及多 粉尘等恶劣环境条件下的运行场合； ( 3 ) 容易实现并联运行； ( 4 ) 旋转二极管式无刷发电机动态性能较差，旋转晶闸管式动态特性好，但 线路过于复杂； ( 5 ) 无刷发电机与其他自励恒压发电机相比，体积较大，重量较重，有效材 料消耗也较多。但与直流励磁机式同步发电机相比，则二者相当。 2 - 2 无刷励磁的基本原理 为了对无刷励磁的基本原理有一个清楚的了解，让我们先分析一下带直流励 磁机的同步发电机的工作原理，再分析本论文所涉及的1 1 相无刷励磁机工作原 理。 一典型的无刷发电机原理 众所周知，同步发电机要用直流电流励磁。在以往的他励式同步发电机中， 其直流电流是由附设的直流励磁机供给的。直流励磁机是一种带机械换向器的旋 转电枢式交流发电机，其多相闭合电枢绕组切割定子磁场产生了多相交流电，由 于机械换向器和电刷所组成的整流系统的整流作用，在电刷上获得了直流电。再 通过另一套电刷、滑环系统将获得的直流电流输送到同步发电机的转予励磁绕组 去励磁。因此直流励磁机的换向器原则上是一个整流器，显然可以用一组硅二极 管取代，而功率半导体器件的发展提供了这个条件。将半导体元件与发电机的转 轴固结在一起转动，则可取消换向器、滑环等滑动接触部分，利用二极管的单向 导电性能可将多相交流发电机的电枢电流变换成直流电流，直接送给转子励磁绕 组励磁，这就是无刷励磁系统。 近代同步发电机为了获得高质量的电气性能，均配备了自动电压调整装置， 组成了自励恒压式同步发电机。无刷发电机也不例外，也配有自动电压调整装置。 同时，由于交流励磁机的励磁功率一般是由主发电机供给，从整个系统来说，它 也是一种自励恒压型同步发电机。但从主发电机来说，又属他励式发电机。 相无刷衲磁机谐波分析 理。 下面我们将以典型的无刷发电机为例，介绍它的各个组成部分及其工作原 典型的无刷发电机结构由以下五个部分组成( 见图2 - i ) 。 旋转部分 图2 - i 无刷发电机原理幽 1 主发电机：是隐极转场式发电机或凸极转场式发电机。 2 交流励磁机：是一种旋转电根式三相交流同步发电机，即定子为凸极或 隐极励磁磁极，转子为电枢。 3 副励磁机：是旋转磁场式结构，如永磁发电机作为副励磁用。转子为永 久磁铁磁极，定子为电枢，但在一般的中小型无刷同步发电机中，该环节省略不 用，而以在主机定子中的辅助绕组或主机定子绕组抽头来代替。 4 旋转整流器：是一个随发电机主磁场和交流发电机电枢一起旋转的圆盘 体，其上装有整流二极管( 或晶闸管) 及其附属保护元件。 5 自动电压调节器：是一个电子元件式的电压自动控制装置。 二1 1 相无刷励磁机的工作原理 1 1 相旋转二极管无刷励磁机工作原理如下：励磁机的定子( 直流绕组) 由发电 机出口母线引接的励磁变压器e t ，经可控硅d 转换成可调节的直流电流提供励 磁机的励磁电流。励磁机的转子( 交流绕组) 与发电机g 转子同步旋转时，在励磁 机转子回路交流绕组中感应出交流电流，交流电流经整流桥转换成直流电流后， 从发电机转子轴内- y 6 目i f 线向发电机转子( 励磁绕组) 供电。 整流桥为11 相全波整流，每一相均有两个并联熔丝，用于保护二极管。可 控硅励磁调节器r 的反馈电流、电压信号取自发电机出口母线引接的c t 、p t 。 励磁机定子绕组设有外接直流电源，在机组起动时投入，当发电机电压超过4 5 时自动退出，励磁机可控硅励磁调节器自动投入。励磁机设有检测二极管故障的 d n c 系统。三支霍尔效应传感器在机组运行时分别监视两支正向导通一支反向导 通、或一支正向导通两支反向导通的二极管。在励磁机单相输出与二极管熔体之 间导电板上的电流脉冲变化，当某相熔断器熔断，导电板上电流消失时，励磁机 每旋转一周，传感器将检测到1 1 个脉冲周期中的1 0 个，从而发出信号；当两相 故障时，d n c 系统将发出跳机脉冲，发电机停机。 1 相无刷励磁机谐波分析 图2 - 21 1 相无刷励磁机原理图 该1 1 相无刷励磁机的特点是，采用了旋转电枢式结构，即交流绕组在旋转 轴上，直流绕组在定子侧，整流二极管安装在旋转轴上，构成交流励磁机带旋转 二极管供电的励磁方式，励磁机电枢绕组的交流电经二极管整流后直接送到发电 机的转子回路。因为励磁机的电枢、整流元件、发电机的励磁绕组都在同一根轴 上旋转，所以它们之间不需要任何滑环或电刷等接触元件，这就实现了无刷励磁。 该励磁机供给发电机的励磁电流通过控制直流绕组的电流来实现。该无刷励磁机 具有励磁电流大、维护工作量少、运行可靠、没有碳粉和铜末引起电机线圈的污 染等优点。 2 - 3 无刷励磁同步发电机的励磁方式 无刷励磁同步发电机的励磁系统包含两部分内容：励磁功率产生方式和励磁 自动调节方式，根据不同的励磁功率来源和不同的电压调节方式可划分出许多不 同的励磁方式。下面简要介绍一些典型的无刷励磁方式及其线路。 一按交流励磁功率源划分 1 从主绕组获得励磁功率源的基波励磁无刷发电机 该类无刷发电机又分为有复励和无复励两种。有复励式除了采用主绕组电压 源外、还利用电流互感器从主机获得负载复励分量，且交流励磁机的定子磁场线 圈由二个独立绕组组成。一个绕组由主机电压源供电，另一个绕组由电流源供电， 两磁场可接成复励式也可接成差动式的复合关系。 2 永磁发电机式无刷发电机 交流励磁机的励磁功率源由永磁发电机供给。从无刷电机的整体来看属于一 种他励式发电机。 3 三次谐波励磁无刷发电机 交流励磁机的励磁功率源由主机定子中的三次谐波辅助绕组供给。具有谐波 励磁的优点，即这种励磁方式本身就具有较强的复励能力，故动态特性好，强励 能力大，能直接起动较大容量的电动机。 4 旋转相复励无刷发电机 旋转相复励无刷发电机的交流励磁机和前述的交流无刷发电机的交流励磁 机不一样，它是一种特殊的旋转相复励变压器。在这种交流励磁机的定子上嵌有 相无刷励磁机谐波分析 电流绕组和经过电抗器移相的电压绕组。转子部分嵌有相当于变压器副边的电枢 绕组。电压绕组和电流绕组的接线方式应使由它们所产生的旋转磁场的转向与转 子的转向相反。因此，旋转变压器同时具有变压器和发电机效应。 二按旋转元件划分 1 旋转二极管式的无刷励磁发电机 其旋转整流器由一般的旋转型二极管组成，线路简单，但一般动态特性较差。 2 旋转晶闸管式无刷发电机 其旋转整流器由旋转型晶闸管组成。该励磁方式是上世纪7 0 年代发展起来 的一种新技术，是为了克服二极管式无刷发电机动态反应速度慢的缺点而出现 的。其动态指标达到了静止励磁的相同水平，但线路复杂，成本高，目前只用于 中型无刷发电机中。 2 - 4 11 相无刷励磁机的设计特点 交流励磁机是一个旋转电枢式交流同步发电机。但由于它的工作特点和负载 的特殊性，使它与一般的交流同步发电机不同，在设计上有许多特点。 1 交流励磁机的磁路设计 一般同步发电机在允许负载范围内变化时，其输出电压都要求维持不变。但 交流励磁机输出电压随主发电机负载及工作温度变化而大幅度变化着，相应交流 励磁机的感应电势也应是大幅度变化的，这是交流励磁机的负载特点。 因此为满足主发电机的最大强励要求，交流励磁机的磁路尺寸就必须根据 u 。来设计，使与此相应的最大相电势e 的磁路工作点处在空载特性的屈膝 部。这样，相应于交流励磁机额定工作状态的磁路工作点就必然处在线性部分， 即交流励磁机的额定工作状态时的磁密要取得很低。 2 特殊的电压变比和电流变比 由于交流励磁机的电枢具有电感，换相时电流不能突变，产生了换相角，因 此1 1 相无刷励磁机有其独特的电压变比和电流变比数值，并且是换相角，的函 数，其电压变比k 。和电流变比k 公式如下 耻鲁：学 即z i i a = j 暑 式中 玩整流桥输出直流电压：，。整流桥输出直流电流 e 励磁机电枢相电压：，励磁机电枢相电流。 ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 11 相无刷励磁机谐波分析 3 交流励磁机的电枢反应 由于交流励磁机的负载是一个大电感( 主机的磁场绕组) ，能使直流输出电流 ，。保持恒定，加之由于换相角的存在，结果使交流励磁机相电流波形与正弦波 相差很大，在计算电枢反应时，应首先算出基波电流，然后再计算出电枢反应磁 势。 4 为了改善无刷发电机的动态特性，交流励磁机设计时，我们可以从如下 两个方面考虑： 首先，选用较高的频率，约为主机频率的3 4 倍，其目的是使励磁机有较 小的时间常数。提高交流励磁机频率的措施是增加交流励磁机的极对数，极对数 增加，可使励磁绕组的每极匝数减小，从而使其时间常数得到有效减小： 其次，尽量选用较小的短路比，以提高励磁机励磁电流的瞬时灵敏度，缩短 励磁机的时间常数。另外，较小的短路比，能使交流励磁机设计得经济些，缩小 体积，减轻重量。而且短路比小，表示x 。，大，这样，在旋转整流器的整流管出 现短路故障情况下，可使短路电流不致过大，对其他整流管就起到了保护作用。 2 - 5 无刷励磁机的结构形式及旋转整流器的设计 一无刷励磁机的结构形式 无刷发电机的主发电机、交流励磁机和旋转整流器是同轴的，它们在轴向相 互位置的安排有两种形式。 第一种布置方式是主发电机旋转整流器交流励磁机的排列形式，轴承位 于所有旋转体的二端，这种布置方式是根据能量的流动方向来布置的，它的优点 是工艺性好，直流引线不穿过轴承，这样就不必钻轴中心孔，也没有电气线穿轴 的交叉连接，增加了绝缘的可靠性。 第二种布置方式是主发电机交流励磁机旋转整流器的排列方式。轴承位 于主发电机的二端，这种布置方式便于从有刷发电机过渡到无刷发电机，主发电 机的结构设计可以基本不改动。交流励磁机的结构设计可以不受主机结构的限 制，不影响主发电机的通风和散热。由于旋转整流器在外侧。便于安装和维护。 这种布置的缺点是发电机的磁场绕组的直流引线必须穿过轴承，所以主轴要钻中 心孔，工艺较复杂。 二无刷发电机用旋转整流器装置的设计 旋转整流器是无刷发电机的重要组成部分，在一定程度上决定了发电机的可 靠性。因此旋转整流器的正确设计、旋转整流元件的合理选用是无刷发电机设计 中的一个关键环节。 1 整流线路的选择 在主机参数不变的情况下选用半波或全波线路各有优缺点，应根据具体情况 来决定。 ( 1 ) 1 1 相全波线路功率因数较高，整流效率也高，交流励磁机可设计得经济 砦。 1 0 1 相无刷励磁机谐波分析 ( 2 ) 11 相全波动态特性较好。 ( 3 ) 若充分利用旋转整流器位置，可采用双路并联的l i 相半波整流电路，其 可靠性可大为提高。 一般说来。对小容量电机，为了追求结构紧凑，简单可靠，以选择半波艇流 线路为宜。对于较大容量电机或为了获得较好的动态性能，以选择全波整流线路 较好。 2 旋转整流元件的选用 无刷电机的整流元件必须是能耐受强大的离心力、机械振动的旋转元件。要 求它有极高的可靠性，在承受机械应力的情况下能保持良好的电气性能。因此， 旋转整流元件除了元件制造厂在出厂前应进行严格筛选外，电机制造厂在使用 前，对其能否经受离心力、振动力以及热容量是否足够，也要经过超速、振动和 温升试验的严格挑选。 3 旋转整流元件的安装方式 旋转整流元件的安装与接线必须考虑旋转的要求。目前旋转整流元件的安装 方式共有两种：一种是径向安装方式，它又分为受压应力和受拉应力二类；另一 种为轴向安装方式，旋转二极管受剪应力。各种安装方式各有优缺点，受压应力 方式比较合理，但结构比较复杂，受剪应力方式工作状态似较恶劣，但结构简单， 容易维修。目前在一般小型无刷发电机中，采用轴向安装方式的较多，它结构紧 凑，易于安放保护电阻。 4 旋转整流器的保护措施 由于对运行中的旋转整流器的工作状态不易监视与检测，故必须对整流桥中 的旋转二极管采取适当的保护措施，以确保整流桥的可靠陡，通常保护措旌有二 类：一类为过流保护，可采用快速熔断器等元件进行保护；另一类为过压保护， 多采取非线性压敏电阻或线绕电阻等元件进行保护。但在中、小型无刷发电机中， 为了结构上的简便和提高机械上的可靠性，通常对过流保护是适当增大整流元件 的电流容量而不采用复杂的过流保护措旌，至于过压保护，则通常只在直流侧并 一个非线性压敏电阻，有时并一个线绕电阻。 一般认为，保护电阻的选择，应以电阻中流过的电流大于整流元件的漏电流 为宜，据此保护电阻的阻值均在数千欧以上，但从保护效果来看，保护电阻应越 小越好，但这样一来，将会使励磁机的励磁功率增加很多，同时也将会影响到无 刷发电机整机的动态性能，根据日本西芝电机公司的经验，保护电阻阻值宜于选 择为主发电机磁场电阻的3 0 6 0 倍。 ! ! 塑重型壁壁塑鲨鎏坌堑 第三章无刷励磁机磁场有限元分析 3 - i 电磁场分析的基本步骤与概念 一a n s y s 电磁场分析的适用场合 电磁场分析可使用a n s y s 的独立应用模块如a n s y s e m a g 或 a n s y s m u l t i p h y s i c s ，a n s y s u n i v e r s i t yh i g h 产品中也能进行电磁场分析。 a n s y s 软件可用来分析与电磁场相关的多个方面问题，如电感、电容、阻抗、磁 通量密度、磁场强度、磁通泄漏、涡流、电场分布、磁力线、特征频率、力和力 矩、运动效应、电路和能量损失等，可有效地适用于电机内部电感参数的分析。 a n s y s 磁场分析的有限元公式由磁场的m a x w e ll 方程组导出，通过将标量势 或矢量势等引入m a x w e l l 方程组中并考虑其电磁性质关系，开发出适合于有限元 分析的方程组。 a n s y s 软件的其他一些功能增强了软件的电磁分析能力和灵活性。例如，可 方便地选择m k s 、c g s 或其他一些单位制作为电磁场分析的单位制。作为标准的 f r o n t a l 求解器的替代者，p c g 、i c c g 和j c g 迭代求解器非常适用于求解电磁场 问题。因为它们提供了电磁场分析问题的快速解法。使用二维和三维无限边界单 元，则不需要建立环绕电磁设备的无限介质( 如空气) 的大模型，从而可以采用更 小的模型，同时也降低了对计算机资源的需求。 a n s y s 软件提供了丰富的线性和非线性材料的表达方式，包括各向同性或正 交备向异性的线性磁导率，材料的b h 曲线和永久性磁体的退磁曲线。后处理功 能允许显示磁力线、磁通密度和磁场强度并进行力、力矩、源输入能量、感应系 数、端电压和其他参数的计算。 a n s y s 软件的电场分析功能可用于研究电场三个方向的问题：电流传导、静 电分析和电路分析。感兴趣的典型物理量包括电流密度、电场强度、电势分布、 电通量密度、传导产生的焦耳热、贮能、力、电容、电流以及电势降等等。 使用通用a n s y s 程序进行电磁场有限元分析的主要优点之一是耦合场分析功 能。磁场分析的耦合场载荷可被自动耦合到结构、流体及热单元上。此外在对电 路耦合器件的电磁场分析时，电路可被直接耦合到导体或电源上，同时也可计及 运动的影响。 二电磁场分析中要计算的量 a n s y s 软件在电磁场分析中要计算的量主要有： 磁通密度磁力及磁矩电感能量损耗 s 一参数反射波损耗磁场强度阻抗 涡流漏磁品质因子特征频率 a n s y s 软件在电磁场分析中， 直流电流或外加电压 外加磁场 其电磁场的来源有： 永久性磁体 运动导体 2 l l 相无刷励磁机谐波分析 三电磁场分析中维数的确定 ( 1 ) 在下列电磁场分析中，可使用2 d 平面分析：忽略终端效应；模型位于x y 平面；电流方向只沿x y 面的法线方向( z 方向) ；磁场只具有x 吖面内的分量。 ( 2 ) 在下列电磁场分析中，可使用2 d 轴对称分析：模型位于x y 平面：电 流方向只沿x y 面的法线方向( 圆周z 方向) ；磁场只具有x y 面内的分量。 ( 3 ) 在下列电磁场分析中，可使用3 d 分析：要计算的设备不具有对称性；电 流不只沿着一个方向流动；可描述2 d 分析无法实现的计算。 四a n s y s 软件中电磁场分析的类型 2 d 静态磁场分析：分析直流电( p c ) 或永久性磁体所产生的磁场，用矢势法。 2 d 谐波磁场分析：分析低频交流电流( a c ) 或交流电压所产生的磁场，用矢势 法。 2 d 瞬态磁场分析：分析随时间任意变化的电流或外场所产生的磁场，用矢势 法。 3 d 静态磁场分析：分析直流电或永久性磁体所产生的磁场，用基于单元边的 方法或标势法。 3 d 谐波磁场分析：分析低频交流电所产生的磁场，用基于单元边的方法。这 种方法适用于大部分谐波磁场分析。 3 d 瞬态磁场分析：分析随时间任意变化的电流或外场所产生的磁场，用基于 单元边的方法。这种方法适用于大部分瞬态磁场分析。 3 d 静态磁场分析：基于节点，用矢势法。 3 d 谐波磁场分析：基于节点，用矢势法。 3 d 瞬态磁场分析：基于节点，用矢势法。 五电磁场分析中概念 ( 1 ) 自由度 有限元汁算中的主自由度是磁势或磁通量，其他的磁场量都由这些主自由度 给出。具体问题中的自由度可以是磁矢势、磁标势和磁通量，这要根据我们所选 择的单元类型和单元选项来选择。 ( 2 ) 标势法 对于大多数3 d 静态分析可使用标势法。在这种方法中可将电流源按“基元” 建模，而不是单元，这样电流源可以不是有限元的一部分，只是在相应位置考虑 它们对磁场的贡献。它不受模型其他部分的限制，建齐模型更容易。 ( 3 ) 矢势( m y p ) 法 矢势法是基于节点方法中的一种( 标势法是另一种节点法) 。在矢势法中其 节点自由度要比标势法多：a 。、a ，和a ：，即x 、r 和z 方向的磁矢量势。在 载压或电路耦合分析中还可以引入另外三个自由度：电流( c u r r ) 、电动势降( e m f ) 和电势( v o l t ) 。2 d 磁分析必须采用矢势法，此时主自由度只有a ：。 在矢势法中，电流源( 导电区域) 要作为整个有限元模型的一部分。因为它的 1 l 相无刷励磁机谐波分析 节点自由度更多，所以它的运算速度较慢。 矢势定义如下：b = v a 式中；b 为磁通量密度，爿为磁矢势。 | 4 有如、，4 ，和a z 三个分量，在2 d 平面分析和轴对称分析中只有一：不为零 a n s y s 在每个有限元节点上求解a ，然后再据此计算其他场量，如磁通密度( b ) 。 ( 4 ) 基于单元边分析 基于单元边方法只能用于3 d 分析，对大多数3 d 谐波分析和瞬态分析都可使 用这种方法。 基于单元边方法中的自由度与单元边有关系，而与单元节点没关系。它提供 了3 d 低频静态和动态电磁场的求解能力。 ( 5 ) 高频电磁分析 a n s y s 软件具有高频电磁分析功能，它能计算电磁场的传播特性和给定结构 的波传播特性。 大多数高频设备都采用电磁波载带信息，基于这种理由，在这些设备设计中， 频率起着关键作用。当信息载波信号的波长与导波设备的大小相当时，就应做高 频分析。 ( 6 ) 电磁场单元概述 a n s y s 有很多可用于模拟电磁现象的单元，如下所示： 一维单元有：c i r c u l 2 4 。 二维单元有：p l a n e l 3 、p l a n e s 3 、p l a n e l 2 1 、p l a n e f 7 、i n f i n 9 、i n f i n l l 0 。 三维单元有：s o u r c 3 6 、s o l i d 9 6 、s o l i d 9 7 、i n t e r l1 5 、s o l i d i1 7 、h f l l 9 、 h f l 2 0 ，s o l i d l 2 27s o l i d l 2 37i n f i n 4 77i n f i n l ，? l i n k 6 8 ，s o l i d 6 97s h e l l l 5 77 s o l i d 5 、s o l l d 6 2 、s o l i d 9 8 。 六电磁场的分析步骤 与其他有限元分析相类似，a n s y s 软件的电磁场分析主要由下列五个主要步 骤组成： ( 1 ) 创建物理环境。 ( 2 ) 建立模型、划分网格，赋予特性。 ( 3 ) 加边界条件和载荷( 激磁) 。 ( 4 ) 求解。 ( 5 ) 后处理，查看计算结果。用户可以查看磁力线、磁力或力距、线圈电阻或 电感等，可以列表显示、图形矢量显示或等值线显示、沿路径显示和单元表数据 计算等。 3 2 励磁机参数计算 电机数学模型的建立是以电机参数为基础的，因而电机参数的准确计算，对 于电机的特性仿真及电机的控制具有重大意义。绕组电阻比较容易确定，因而电 机参数的计算主要是确定不同转子位置下电机绕组的自感和互感。本节应用 11 相无刷励磁机谐波分析 a n s y s8 0 软件求出样机的绕组电感参数。 一定义单元类型和材料属性 定、转子应分别建模，这样两部分模型不会相互干扰。定、转子之间的气隙， 可定义两层或更多层，再经过径向拼接得到整个求解区域。网格划分时应注意疏 密结合，气隙部分网格要足够稠密，而且沿径向应均匀分网。其它部分网格可稀 疏些。模型尽量使用四边形网格，并保证节点连续。 对于定子和转子部分，磁性能用b h 曲线定义，而对于其他部分则只需定义 它们的相对磁导率。 输完材料的b h 值，可以用图形的方式查看b h 曲线，如下图所示： 二场路结合计算参数 图3 - 1 转子和定子的磁化曲线 所谓场路结合的方法就是先用场的方法计算电机的等效气隙磁导，然后用路 的方法计算电机的电感参数。 近年来，对于二维自动剖分问题，已有许多作者在这方面做了大量工作，提 出了许多自动剖分方法。其中一类较为通用的方法是将任意单连通区域、多连通 区