（电机与电器专业论文）复合励磁同步发电机cad系统研究.pdf

西北工业人学硕上学位论文 a b s t r a c t t h ep r o j e c to r i g i n a t i n gf r o mt e c h n o l o g i c a li n n o v a t i o np l a ni n x i a ni st or e s e a r c hah y b r i de x c i t a t i o ns y n c h r o n o u sg e n e r a t o r t h e b a s i co p e r a t i n gp r i n c i p l e sa n dt h ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i e so ft h e h y r i d e x c it a t i o n s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r a r er e s e a r c h e di nt h i s p a p e r a c c o r d i n gt od e s i g nc h a r a c t e r i s t i c so ft h eh y b r i de x e i t a t i o n s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ，c o m b i n i n gw i t he l e c t r i cm a c h i n ec a dt e c h n i q u e ， t h en o v e lh y b r i de x c i t a t i o ns y n c h r o n o u sg e n e r a t o rc a ds y s t e mb a s e do n w i n d o w so p e r a t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e db yu s i n gc + + b u i l d e r 6 0l a n g u a g e t h es y s t e ma d o p t sl i s t v i e wa n dt r e e v i e ww i n d o wi n t e r f a c e ，s u s t a i n s m u l t i - t a s kf u n c t i o n ，i t so p e r a t i o ni se a s i e rb yu s i n gm o u s ea n dk e y b o a r d a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee l e c t r i cm a c h i n e a c t i v e xc o n t r o l h a sb e e nc o m p i l e d ，i ts u s t a i n sm e s s a g ed e l i v e r 、f l e a t i n g p o i n tf o r m a t c o n t r o lf u n c t i o na n ds oo n t h ef u n c t i o n so fe l e c t r i cm a c h i n ed e s i g n 、 s t r u c t u r ec h a r to u t p u ta r er e a liz e db a s e do ne n g i n e e r i n gd a t a b a s e e x p e r i e n c ed e m o n s t r a t e st h es y s t e m si n t e r f a c ei sf r i e n da n di t s o p e r a t i o ni ss i m p l ea n dc o n v e n i e n t k e y w o r d s ：h y b r i de x c i t a t i o n ，s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r s ，c a d ， a c t i v e xc o n t r o l ，d a t a b a s e 儿 西北工业大学硕士学位论文 第l 章绪论 第1 章绪论 本章介绍了复合励磁同步发电机的研究现状和发展趋势，阐述了该课题研 究的目的及意义，并介绍了电机c a d 技术的发展、特点及意义。 1 1 复合励磁同步发电机的研究现状和发展趋势 同步发电机是电力系统的主要设备，目前生活和生产中广泛应用的是电励 磁同步发电机。电励磁同步发电机的磁场控制可以通过调节励磁电流来实现， 输出实时性较好，但运行效率低。 相对于电励磁同步发电机来说永磁同步发电机不需要励磁绕组和直流励磁 电源，也就取消了容易出现问题的集电环和电刷装置，成为无刷电机，因此结 构简单，运行更为可靠。采用稀土永磁后还可以增大气隙磁密，并把电机转速 提高到最佳值。这些都可以缩小电机体积，减轻质量，提高功率质量比。目前， 航天用高速稀土永磁同步发电机的功率质量比可高达2 0 k w k g 。这特别适合于 航空、航天和其它要求高可靠性和高功率质量比的场合。因而现代航空、航天 用发电机几乎全部采用稀土钴永磁同步发电机。其典型产品为美国通用电气公 司制造的1 5 0 k v a l 4 极1 2 0 0 0 2 1 0 0 0 r m i n 和1 0 0 k y a 6 0 0 0 0 d m i n 的稀土钴永磁 同步发电机。在小型风力发电机、小型水利发电机、小型内燃发电机、汽车发 电机等场合都不同程度的使用了永磁发电机。 虽然永磁同步发电机具有上述诸多优点和广泛应用前景，但从目前的实际 应用情况来看，它的应用仍有一定的局限，未能得到广泛的推广和使用，其主 要原因有【】8 】： 1 ) 永磁电机的气隙磁场是由磁钢和磁路磁导决定的，在运行中每极磁通量几乎 保持常数，对于永磁发电机来说，转速的变化或负载电流的变化会造成输出 电压的波动，因此电压调节困难阻碍了永磁发电机的发展和应用。 2 ) 永磁发电机的成本问题，目前稀土永磁材料价格较贵，使电机的成本较高， 限制了它的推广和使用。 西北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 3 ) 永磁同步发电机的电动势波形。采用永磁体励磁使电机的磁通波形更接近于 矩形，致使电机的电动势中谐波含量较大。 永磁同步发电机电压调整不再能够通过从外部调节磁场大小来实现。目前， 主要采用大功率可控器件对发电的输出进行整流和逆变来实现稳压，此种方法 虽然精度较高，但输出电压波形较差，而且系统复杂，可靠性降低，同时成本 增加太多，励磁磁场不可调，已经成为限制永磁发电机应用和推广的瓶颈。 复合励磁同步发电机的出现，较好的解决了永磁发电机的电压自动调节， 它综合了永磁发电机和电励磁发电机的特点，使两种模式优势互补，从而获得 优越的性能。复合励磁同步发电机改变了传统的单一电励磁方式及永磁体的激 磁模式，与传统发电机相比，性能指标显著提高。复合励磁同步发电机电匪调 整率很小，具有接近水平的外特性，发电机适应负载范围宽，过载能力强，可 显著改善供电品质，提高供电系统的可靠性，使不同用电负载之间的相互干扰 和影响降低到最低限度，是未来发电机发展的主要方向。 1 2 课题来源及研究意义 本课题来源于西北工业大学稀土永磁电机及控制技术研究所刘景林教授 所承担的西安市科学技术委员会2 0 0 2 年西安市重大科技创新工程计划一复合 励磁同步发电机的研究。本课题是专为复合励磁同步发电机研制一套c a d 系 统。 通过本课题的研究可为便携式电源，各种工业日常生活及商务备用电源、 风力发电、车载电源、各种无人驾驶飞机等提供高性能同步发电机，为负载提 供稳定可靠、高品质、高效能的电力。 1 3 电机c a d 技术的发展意义及特点 1 3 1 电机c a d 技术的发展 计算机辅助设计( c a d ) 在机械i q v m ，除了最早开拓的飞机和汽车制造 行业以外，电机工业也是采用c a d 技术最早的行业之一。 西北t 业大学硕士学位论文第】章绪论 1 9 5 3 年美国维诺特( v e i n o t t c g ) 等就开始用数字计算机辅助异步电动机设 计，而这方面最早的一篇文献是1 9 5 4 年由s a u n d e r s r m 发表的。1 9 5 6 年前计算机 辅助设计在变压器设计中应用较多，后来才扩展到旋转电机设计中。1 9 7 2 年 v e i n o t t 以此为名撰写了一部专著曾作为美国麻省理工学院的教材，该书主要针 对作者研究的小型电机，系统的论述了这个专题，为完善计算机辅助电机设计 理论做出了巨大的贡献。 从七十年代起，我国把计算机辅助设计引入到了电机行业，那时的应用仅 仅局限于电机的电磁设计计算方面，已经使一台电机电磁设计计算时间由几天 缩短到几分钟几十分钟，大大减轻了设计人员的劳动强度。 从八十年代开始，c a d 技术应用在我国逐步得到发展，开发出了以工程数 据库为中，t l , 支持的、集成化的电机设计c a d 系统。由系统管理程序将电机产品 设计程序软件包、工程数据库系统和工程图绘图程序连成为一个整体。 九十年代初电机设计专家系统的问世，把电机设计c a d 系统提高到一个新 的水平。前期电机设计c a d 系统更多的是使用了计算机强大的数据计算功能， 而专家系统则是电机设计c a d 系统与人工智能专家系统相互结合而建立起来的 一种新型的电机智能设计c a d 系统。我们可以把电机设计工作大致分为两个方 面，一是推理性的工作，主要有初始方案的拟定、初始设计数据的选择以及进 行方案比较、选择最优方案等；二是数值计算性工作，主要是根据选定的初始 方案进行大量的数值计算，得出相应的结果。电机设计专家系统是把电机理论 和电机设计的基础知识以及电机设计专家积累的丰富经验，编制成一条条规则 存储在知识库中，通过建立正确的推理机制和良好的人机界面，用专家系统来 指导用户进行设计工作。目前我国的电机设计专家系统的研究还处于初级阶段， 还有许多问题有待于进行深入的研究解决。 近年来，由于w i n d o w s 视窗化软件的普及推广，尤其是c + + 、v i s u a lc 十+ 及c + + b u i l d e r 的快速发展，基于w i n d o w s 环境平台上运行的可视化电机设计系 统也应运而生。电机设计c a d 系统的智能化、可视化、实用化及集成化，是今 后发展的必然趋势。 西北工业大学硕士学位论文第1 章绪论 1 3 2 电机c a d 技术的意义 电机作为国民经济发展的基础元件，其c a d 研究之重要性是明显的。一般 电机的设计是以人工手算为主。参数联系复杂，改变一个参数对应要改变重新 填写其他参数，耗时多；设计所需的参数依赖于设计者的经验，电机设计及性 能核算的计算工作量繁重。随着计算机技术的不断发展，特别是微电子计算机 在我国的迅速普及和广泛应用，因此采用计算机进行电机的计算机辅助设计 ( c a d ) 成为必然趋势。 1 3 3 电机c a d 技术的特点 电机设计是一门古老且较成熟的技术，但传统的电机设计受计算手段的限 制，将本应是电机电磁场求解的问题，通过一定的简化、等效规则而转化成电 路和磁路的分析计算，因此电机设计就简化成针对给定的技术指标，按照电机 的电磁关系并经过反复的假设、分析、计算、校核而最终完成；而c a d 正是利 用计算机的快速设计和逻辑分析，并沿着一定的设计思路辅助设计员进行设计， 因而电机c a d 的特点为： 1 ) 利用计算机的快速度和高精度，反复求解电机的多参量、非线性、不定隐式 方程，并多方分析、修改，提高电机参数分析计算的精度，辅助设计人员快 捷、准确地找出最佳方案。 2 ) 继承各种经验参数、曲线，用图表几个类标准，为设计人员提供有效、方便 的专家型帮助。 3 ) c a d 环境应简明使用，通用性好，并能充分体现设计人员的设计意识，尽量 大的发挥设计人员的创造力。 1 4 电机c a d 设计的主要内容 计算机辅助电机设计是从5 0 年代开始的，至今仍在进行广泛的研究和探索。 利用电子计算机辅助电机设计可以分为“分析设计程序( a n a l y s i sp r o g r a m ) 、 “综合设计程序”( s y n t h e s i sp r o g r a m ) 、和优化设计”( o p t i m a lp r o g r a m ) 4 西北工业大学碾士学位论义 第1 章绪论 三种类型。 “分析设计程序”是按照设计人员事先估计好的若干设计参量，依 一定的程序步骤计算产品的性能，相当于通常的设计校核计算。计算机仅用来 对设计方案进行计算分析，而对计算结果的评价以及设计方案的调整仍需由设 计人员决定。但是“分析设计程序”仍然是十分重要。因为它是“综合设计程 序”和“优化设计程”的基本组成部分。“综合设计程序”是根据电机的技术 条件( 或对电机的性能要求) 和额定数据，由计算机来确定各个设计参数的程序。 它与“分析设计”程序的区别在于“综合设计程序”能够使计算机在预先的存 贮f 技术条件、额定值) 中自动选择适当技术参数和设计尺寸，从而计算并选择出 满足技术条件( 性能) 要求的可行设计方案。使用“分析设计程序”时，设计人员 必须花费一定的时间去分析各个设计方案的计算结果，然后再人为地调整修改 某些设计数据，为下一次计算做好准备，这样经过了多次反复以后才能够得到 满意的设计方案1 15 1 。“优化设计”是6 0 年代出现的一种设计方法，它以最优化 的数学理论为基础，借助计算机自动选择优化方案。根据优化理论，当设计目 标及必须满足的约束条件都能建立数学模型时，所得的优化设计实际上是给定 约束条件下的一种“极限”设计，只要给出的约束条件符合实际情况，其结果 必然优于传统的经验设计，有设计周期短、质量可靠、经济效益显著等突出优 点。利用电子计算机对电机进行辅助设计的过程如图1 1 所示。 西北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 5 电机c a d 设计的一般步骤 计算机辅助电机设计大致可以分以下几个阶段1 1 5 l ： 1 ) 准各阶段 计算机辅助电机设计的第一步是准备阶段。在这个阶段里大致要做下面 些工作：确定设计任务的类型( 如分析设计、综合设计较优化设计) ；确定设计的 评价标准、选用计算机及所用的算法语言；准备、整理原始资料，包括设计计 算的数学模型及原始数据等。 我们知道，包括电机设计在内的任何实际问题，总是可以经过分析、实验 之后用一系列的数学公式来描述，于是我们就把对实际问题的数学描述称之为 建立数学模型。在电机c a d 中，要将电机设计的一些实际问题规则化、数学模 型化，可不是一件容易的事情。有些问题，例如确定导线的并绕根数，这对有 一定经验的电机设计人员来说，是一个不成问题的问题。然而要全面的、合理 的总结出系列电机在某个设计范围内导线并绕根数的确定原则，建立相应的数 学模型的确是很困难的。再如，在电机设计中常常需要用到一些数据表格、图 表和函数曲线。然而对于计算机来说是无法识别它们。为此，还必须对这些问 题进行必要的数值处理，建立相应的计算公式，以便于计算机计算。 2 ) 编制源程序阶段 在进行电机c a d 时，为使所有计算的问题脉络清晰，往往需要光画出代表 整个计算过程的总框图，它表达了设计的总体构思及各分支的相互联系，特别 是对于较大的设计题目这一步是必不可少的。如有必要还需画出有关的局部过 程框图。当然，框图也不宜过于详细，否则，反而主次不分，起不到应有的作 用。 有了设计框图以后，就可以按算法语言的规定逐条编写设计程序。要想编 好一份设计程序绝不是一件一蹴而就的事情。编肯, j c a d 程序是十分细致的工作， 在编写过程中和完成以后，一定要对程序进行多次认真、仔细地检查和修改、 反复核对，每个符号都要认真对待。一份程序通用性的宽窄、输入和输出量的 多少、优选方案的难易、程序结构的繁简、占用内存的多少等这些衡量程序质 6 西北工业丈学硕士学位论文 第l 章绪论 量优劣的指标往往是互相矛盾、互相制约的。要统筹兼顾这些矛盾，必须花费 较大的气力。这就要求在编写程序时要做到反复推敲，宁稳勿快，避免上机返 工。 3 ) 上机调试程序阶段 在这一阶段里，要将编写好的程序输入计算机中进行调试，直至达到设计 要求为止。在计算机上由编译程序来检查输入的程序有无符号或语法错误。若 发现有错误时，可按相应的语法错误表逐个加以改正。 只有认真地把每个错误全部改正后才能使程序“语检通过”或“编译通过”。 要完成这一步往往要比编写程序更为困难与费时，涉及到上机经验。但只要编 写时认真又熟悉语法及本程序的内容，要完成这一步也是不难的。 4 ) 上机试算和修改程序阶段 程序的语法通过只是表示语法上没有问题了。但程序中的公式在数学上有 无意义( 如个别公式中的分母是否为零、开平方根项中是否出现负数、或结果过 大而超界等) ，或公式本身是否有错? 执行程序的路线正确否? 输入数据对否等都 没有检查过。因此必须先把一个已知其结果的一套原始数据输入计算机中，让 程序试算，然后对输出结果逐项进行核对，直到每一项结果都与原来相符合后 才算其合格，否则计算结果的可靠性是无法保证的。 如果一份程序具有多种功能，则必须对所有功能逐一进行调试，直到符合 要求为止。完成这一步后，所编程序方可初步投入使用。 在程序的使用过程中还可能会遇到事先估计不到的意外情况，同时也会发 现一些值得改进的地力。这就需要改编原来的程序，并可进一步明确这个程序 的使用范围。经过段使用考验才能认为程序可以正式交付使用。修改程序时 特别要注意到程序中上下的联系，切忌只看局部不顾整体而随意改动，否则就 会越改越乱。 一般，程序的通用性越强，结构越复杂，出错的机会也就越多。如果编制 程序时只图快，考虑不周和检查不仔细，那么会使调试工作量增加好几倍。一 定要一个错误也没有，计算机才能算出正确的结果。 因为人的思路与机器的思路终究是不太样的，即使是事先认真考虑，在 两北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 程序中也难免会出现一些意料不到的错误。只要工作卜严格要求，遇到问题注 意分析，及时总结就能少走弯路，较顺利地通过。 由此可见，计算机算起来虽快，仅事先编制一个成熟的合格程序却需要我 们付出相当的劳动。 1 6c a d 程序的易读性和可维护性 计算机源程序的正确性( 通过计算结果与手算结果的比较来验证) 是考核源 程序编制好坏的重要指标，但它仅是一个方面；另一方面就是程序易读性和可 维护性考核。因为一个设计程序通常不是实现某预定功能的最佳和最终程序， 它受当前的理论研究水平、设计开发手段、应用场合等的限制，随着这些方面 的不断发展和程序的不断应用于工程实际，设计程序也必定要不断地被修正、 改进和完善，这就是程序的维护。对计算机源程序的维护是建立在首先读懂程 序的基础上，因此提高程序的易读性和可维护性将使对程序的维护得到事半功 倍的效果。在计算机源程序的编制中，可从以下几个方面注意提高程序的易读 性1 2 】= 1 ) 尽量使用易于识别的标识符 手算程序中的变量符号基本都是符合有关标准的规范化的符号，它们对应 的物理意义都是专业人员所熟知的。因此，计算机源程序中的标识符应尽量与 手算程序中的对应符号一致。 2 ) 尽可能按照手算程序的计算步骤编制源程序 手算程序的设计思路和结构一般也为专业设计人员所熟悉，按照手算程序 的计算步骤编制源程序不但使源程序的编制不易出现错、漏现象，而且也方便 读程序时的对照。当然，计算机源程序常常在一些计算项的计算次序上作调整 而与手算程序的计算步骤不完全相同，这主要由于模块划分的需要，以及考虑 将计算结果固定不变的计算项置于循环迭代计算过程# t - p 4 节省计算时间。这也 说明了程序的易读性、易维护性和运行速度有时候并不是统一的，特别是前两 者与第三者的矛盾更为突出，这就要根据具体情况，视主次矛盾而定了。 3 ) 充分利用程序的注释功能 两北 一业大学硕士学位论文第1 章绪论 适当地在源程序中加入注释语句对程序进行注释、说明，如在程序的每个 功能段、模块和子程序的开头加以注释，说明该部分程序的功能，或主要内容 或对个别比较特殊、不好识别和记忆的标识符进行说明等。这对编者和读者对 程序的备忘和理解都大有益处。 3 ) 利用空行和缩格提高程序结构清晰性 程序的自然段可用空行隔开，表示嵌套关系的不同程序小块最好采用缩格， 这样整个程序显得结构清晰、易读。 9 西北工业大学硕士学位论文 第2 童复台励磁同步发电机基本原理 第2 章复合励磁同步发电机基本原理 本章分别介绍电励磁同步发电机及稀土永磁同步发电机的工作原理，然后 再对复合励磁同步发电机的基本原理进彳亍分析。 2 1 电励磁同步发电机 2 1 1 励磁电流建立的空载磁场 发电机执行开机操作后，待发电机的转速接近或达到额定值时加励磁，转 子励磁绕组内即通入直流电流，在电机中产生励磁磁势并建立磁场。根据其磁 通的路径和作用性质，穿过定、转子之问的气隙与定子绕组和转子绕组同时相 链的磁通称为主磁通或励磁磁通，它是发电机空载运行时气隙中唯一的磁通； 仅与励磁绕组本身相链的磁通称为励磁绕组漏磁通。发电机励磁电流建立的空 载磁场与其磁路如图2 1 所示。 图2 - 1 发电机励磁电流建立的空载磁场 i e 一励磁电流丸一主磁通九一漏磁通 由于励磁磁场随着转子被原动机驱动旋转而成为一个旋转磁场，其主磁通 切割静止的定子绕组( 导体) ，故在定子绕组中感应电势。因为设计制造发电机 1 0 西北t 业大学硕士学位论文 第2 章复合励磁同步发电机基本原理 时采取了一系列旨在改善电势正弦波形的措施，如改善凸极电机转子磁极极靴 的外形；改善隐极电机励磁绕组的分布；定子绕组采用短矩、分布绕组或分数 槽绕组；改进槽口、槽楔等，尽量在结构上做到使磁通密度沿气隙圆周空间接 近正弦规律分布，因此定子导体的感应电势是随时间按正弦规律变化的交变电 势。其瞬时值 e = b l v = b o , l v s i n o t = e ms i n c o t( 2 - 1 ) 其中：晚一切割定子导体的磁通密度最大值，空载时其数值仅由转子励磁磁势 ( 电流) 决定： ，一被磁力线切割的定子导体有效长度； v 一磁力线切割定子导体的相对线速度： 缈为旋转角速度，国= 2 h i ，f 为电势的频率： e 。一感应电势最大值： 2 1 2 空载( 励磁) 电势 发电机空载运行时，主磁通在定子绕组中感应的对称三相电势称为空载电 势。空载电势与定子绕组结构及励磁电流有关，每相空载电势有效值为 e 0 = 4 4 4 n k f q k l 伐p - 2 。f q 。2 。 6 0j 式中一空载电势有效值，v ； n 一每相定子绕组串联的匝数： k 绕组系数，其数值决定于定子绕组结构： ，一感应电势的频率，h z ； p 一转子磁极对数； n 一转子转数，r m i n ： 庐一每极的磁通量，其数值决定于励磁磁势，w b ： 西北工业大学硕士学位论文 第2 章复合励磁同步发电机基本原理 同步发电机三相绕组出线一般都采用星形接线，其出线端之间的空载电压 有效值为u 。= 4 3 e o 由此可见，同步发电机的空载电压值，决定于定子绕组的 匝数n ，绕组系数k ，转速i 1 ，和励磁电流产生的主磁通庐。对运行中的发电 机，其n 和k 己成定值，开机后保持额定转速，调节励磁电流即可改变定子电 压值。 2 1 3 正常运行时的电磁关系 1 1 定子电流建立的电枢磁场”1 发电机带三相对称负荷后，定子绕组内便流过三相对称的交流电流，同时 建立电枢磁势。该磁势产生的磁通大部分经过气隙进入转子磁路，故同时与定 子绕组和转予绕组相链，称为气隙磁通，显然，其磁路与转予励磁磁通的路径 相同：另一小部分只与定子绕组相链而不进入转子磁路，称为定子漏磁通。定 子电流建立的电枢磁场及其磁路如图2 2 所示。 图2 - 2 定子电流建立的电枢磁场及其磁路 i 一定子电流+ 一电流方向 九一气隙磁通九漏磁通 定子电流是随时间按正弦规律变化的5 0 h z 交流电流，它在定子绕组中产 生的磁势沿气隙圆周的分布与绕组各线圈在空间的位置有关，且是以电流的频 率随时间按正弦规律变化，其振幅始终位于相绕组的中心线上。这种空间位置 西北工业大学硕士学位论文 第2 章复合励磁同步发电机基本原理 固定不动，但其波幅的大小和正负却随时间而变化的磁势称为脉振磁势。 定子三相电流产生的电枢磁势是三个单相绕组脉振磁势的合成。当定子绕 组流过三相对称的交流电流时，由于定子三相绕组的三条轴线在空间彼此相差 1 2 0 。电角度，三相负荷电流在时间相位上也彼此相差1 2 0 。电角度，因此，三个 单相脉振磁势的合成磁势是一个沿空间正弦分布、幅值恒定的旋转磁势。磁势 基波旋转的方向与定子三相电流的相序相同，是沿着超前电流的相绕组轴线转 向滞后电流的相绕组轴线，即相序为a b c a ，而其旋转速度则决定于定子电 流的频率。由于设计电机时将定子绕组的极对数与转予磁极的极对数相等，因 此电枢磁势的转速与励磁磁势的转速( 即发电机转子的转速) 一定相等，故为同 步转速。 2 ) 电枢反应 发电机空载运行时，气隙中仅有转子励磁电流建立的励磁磁场。而发电机 带三相对称负荷后，情况就不同了，此时定子三相对称交流电流产生了电抠磁 势。电枢磁势和励磁磁势的转速、转向均相同，故彼此在空间始终保持相对静 止的关系。因此，它们相互作用，共同建立起发电机带对称负荷运行时的气隙 磁势，并产生气隙磁场。此时尽管励磁电流不变，其气隙磁场也不同于该电机 空载运行时的气隙磁场。通常将电枢磁势的基波对励磁磁势基波的影响称为电 枢反应。电枢反应作用的效果，取决于电枢磁势与励磁磁势基波在空间的相对 位置，这决定于负荷电流的性质和大小。发电机在功率因数滞后f 带感性负荷运 行) 时，电枢反应起去磁作用；在功率因数超前( 带容性负荷运行) 时，电枢反应 起助磁作用，故发电机带负荷后定子绕组的感应电势与空载时不同因而使机端 电压有所改变。 2 1 4 不计饱和的凸极同步发电机 分析时不计发电机铁芯饱和，因此可以利用叠加原理，认为各磁势分别作 用而产生磁通，并各自在定子绕组感生电势。 凸极同步发电机的气隙是不均匀的，一般极弧下最大气隙与最小气隙之比 为1 5 2 0 ，极靴宽度与极距之比为0 7 0 7 5 。因此，同一电枢磁势作用在不 西北工业大学硕士学位论文 第2 章复合励磁同步发电机基本原理 同位置时，对励磁磁场的影响就不一样( 即电枢反应不一样) ，故必须予以分别 考虑。下面按转子结构规定两个方向：将磁极轴线的方向( 也是励磁绕组的纵轴 方向) 定为d 轴，又称纵轴或直轴、极轴，将极间中一i i , 线的方向( 也是励磁绕组 的横轴方向) 定为q 轴，又称横轴或交轴、极间轴。q 轴的正方向沿转子旋转方 向超前d 轴正方向9 0 。的电角度。这样负荷电流和电枢磁势可分解为纵轴和横 轴分量来讨论，然后再把纵轴和横轴电枢反应叠加起来，这就是通常称的凸极 发电机双反应原理。 定子三相电流产生的漏磁通也对端电压产生影响。定子漏磁通按其路径分 为两部分：横穿定予槽的称为槽漏磁通；仅与定予绕组端部交链的称为端部漏 磁通。由于漏磁通与转子位置无关，故不须按d 、q 轴分别考虑。 凸极发电机运行时的任一瞬间，各磁势单独作用时，在定子每一相绕组中 产生的磁通及其感应的电势如下。 1 ) 由转子励磁电流，。建立的励磁磁势矗，产生主磁通。及其感应的空载电势 e o 。 2 ) 定子三相电流的纵轴分量一( 即匕，曲，i 。的合成量) 建立的纵轴电枢 磁势，0 ，产生纵轴电枢反应磁通痧。及其感应的纵轴电枢反应电势e 一。 3 ) 定子三相电流的横轴分量，。( 即，叫，归，躬的台成量) 建立的横轴电枢磁 势，产生横轴电枢反应磁通及其感应的横轴电枢反应电势e 耐。 4 ) 定子漏磁通以，在定子一相绕组感应的漏电势e ，。 由此可将各关系示意如图2 3 。 i c f - o 一一已 图2 - 3 j 4 建一 s 州 蛔 二 如加 堕韭王、业查鲎堕主兰垡堡兰 兰! 翌茎鱼壁壁塑垄茎皇垫苎查垦堡 规定各电势的正方向与相电流的相同，根据电路定律，这些电势的总和减 去相绕组的电阻压降，即为发电机定予相电压。其关系式为 或写成 ( 岛+ e 耐+ e 卿+ e ；) 一，0 = u( 2 - 3 ) e o + e 耐十e 钾+ e 。= u + ， ( 2 - 4 ) 发电机的各部分磁通，由于各自的磁路与磁阻不同，对应的电抗值也不同。 对应纵轴和横轴电枢反应磁通的是纵轴电枢反应电抗爿0 和横轴电枢反应电抗 。，对应漏磁通的是漏电抗x 。电流在电抗上的压降与同部分磁通在绕组 感应电势的关系为 e = 一，dx “( 2 - 5 ) e q = 一j l q x q ( 2 - 6 ) e ，：一，x 。( 2 7 ) 由此，式( 2 4 ) 也可写为 e o = u + l r 。+ j id x 耐+ j lq x 岫j l x ， t 2 - 8 如果把漏抗压降也分为纵轴和横轴两个分量，则上式可写为 e o = u + j 0 + ，d ( x 甜+ 工；) + j ，口( x 砷+ x 。) ( 2 9 ) 或写为 e o = j + j l a x a + j l q 以( 2 1 0 ) 式中：x 。称为凸极发电机的纵轴同步电抗，x 。= x 。+ x ，；x 。称为凸极发电 机的横轴同步电抗，x 口= x + x 。因_ 戈q ，所以d x g 。髟与x 口之 比反映了凸极同步发电机气隙不均匀的持征。其值大小反映了电枢磁场分别在 纵轴和横轴方向上对定子相电势影响的大小。 上面分析并导出了凸极同步发电机带三相对称感性负荷同步稳定运行时的 两北t 业大学硕士学位论文 第2 章复合励磁同步发电机基本原理 电势平衡方程式，据此作出的相量图能直观的表达各电气量的大小和相位关系， 可看出电枢反应对定子电压产生影响的结果。 凸极同步发电机带对称感性负荷稳定运行时，不计铁芯饱和影响的电势相 量图，如图( 2 4 ) 所示。图中( a ) 、( b ) 分别与方程式( 2 8 ) 、( 2 - 1 0 ) 相对应。妒 角为功率因数角，是u 与，相位差角，它决定于负荷阻抗，反映了负荷的性质； y 角称内功率因数角，是晶与i 的夹角，由发电机所带负荷大小和性质决定， 同时还与发电机定子绕组的阻抗有关；口角称为功率角，口= 一妒，是与u 之相位差；e 5 为气隙电势，e d = e o + e “+ e 。 墨 图2 - 4 ( a ) 对应方程式( 2 8 ) ( b ) 对应方程式( 2 1 0 ) 同步电抗是发电机的特征参数，对于不同型式的发电机，其数值不同，该 数值影响发电机端电压随负荷波动的程度。而运行中的发电机端电压随负荷变 化的程度，则取决于负荷电流的大小和性质( 即功率因数c o s 妒值) 。 上述分析说明了发电机带负荷运行时，要维持端电压稳定，必须随负荷变 化调节励磁电流，以调节励磁磁势和磁通，克服电枢反应随着定子电流变化而 发生的改变，以及由此造成的气隙磁场大小和分布的变化，从而保持气隙磁通 与它所决定的感应电势和端电压的稳定 1 6 两北工业大学硕士学位论文 第2 章复合励磁同步发电机基本原理 2 1 5 计及饱和时的凸极同步发电机 。- i - i - g 一= f z t - k 瓦驾岛一l ，一三鑫乱耋岛 ，_ 一 一一 牵毒i 蚌杜茸眙纰 7 。5 l = k 竺竺兰马或一j 堕! ! 三些查堂里圭兰垡笙兰 苎! 兰堡垒壁壁堕生垄皇垫苎查曼堡 0 图2 - 6 计及饱和的带感性负载凸极同步发电机磁势电势矢量图 2 2 稀土永磁同步发电机 永磁电机与电励磁电机的最大区别在于它的励磁磁场是由永磁体产生的。 永磁体在永磁电机中主要有两个作用【2 l j ： 第一，作为发电机的励磁源。用稀土永磁体励磁，使得它对外磁路提供的 磁势和磁通可随外磁路的磁导和电枢反应磁势在小范围内变化，并可引起漏磁 通的变化，从而影响电枢绕组的感应电势。 第二，构成较大磁阻的磁路段。由于稀土永磁体的磁导率与空气磁导率接 近，在电机磁路中对直轴电枢反应磁势来说是一个很大的磁阻，因而直轴电枢 反应磁场被削弱，且除通过永磁体外，还有相当一部分不得不沿漏磁路径闭合。 因而稀土永磁电机直轴电枢反应电抗比电励磁电机的直轴电枢反应电抗小。 由于稀土永磁体的磁导率很低，又是磁路的一部分，稀土永磁同步发电机 的电枢反应电抗x 。、z 。比电励磁发电机的小。而对于电励磁发电机来说，由 于直轴磁路磁导总是大于交轴磁路磁导，一般有x 。 工。，对于径向磁化结构的 发电机，直轴磁导和交轴磁导近似相等，其电抗也就近似相等x 。zz 。 根据电抗参数可知稀土永磁同步发电机不饱和矢量图如图2 7 所示。 1 8 堕韭三些查兰堡圭兰垡丝兰 翌! 主墨盒壁壁塑丝皇垫墨生! 垦! l 电压平衡方程式为 3 = o + j i d x 目+ j iq x q + i ( r o + y xs )p 1 2 ) 当计及磁路饱和时，由发电机的基本方程也= d + j ( o + ，x ，) ，可得到发电 机矢量图如图2 8 所示。 图2 7 稀土永磁同步发电机感性负载 不饱和矢量图 2 3 复合励磁同步发电机 2 3 1 复合励磁同步发电机基本原理 , i x s 图2 - 8 稀土永磁同步发电机感性负载 饱和矢量图 复合励磁同步发电机由稀土永磁主发部分和电励磁辅发部分组成，其结构 有多种，从电机的永磁体磁势和电励磁势作用的相互关系来看，可分为并联作 用和串联作用两类，其中并联作用较为常见。采用并联作用形式的复合励磁发 电机的永磁体作用的磁路与电励磁作用的磁路在转子极面联成一体，若忽略漏 磁联系，永磁磁路和电励磁磁路是各自独立的。由于电励磁辅发部分与永磁主 发部分共用定子铁心，可以看成同轴装有两台共用套电枢的发电机。电枢感 应电势含有两部分，分别由稀土永磁体和电励磁绕组产生。发电机气隙磁场的 主要部分由稀土永磁体建立，而电压调节部分所需的磁场变化靠辅助的电励磁 1 9 西北工业大学硕士学位论文第2 章复合励磁同步发电机基本原理 绕组来实现，两部分磁势在气隙磁路中并联合成。主发部分和辅发部分定子绕 组产生的感应电动势没有相差，在数量上是代数相加的关系，即发电机定子绕 组的感应电势为永磁体主发部分和电励磁辅发部分定子感应电势之和。 当原动机的转速、负载或环境温度等条件发生变化时，发电机本体的端电 压也随之变化。要保持其端电压恒定，需在电压调节器的作用下给电励磁辅发 部分的励磁绕组通入励磁电流来调节气隙磁场。当励磁电流建立的磁场极性与 永磁磁场极性相同时为正向励磁，相反时为反向励磁。即通入正向励磁电流时 其磁场在定子绕组感应的电势应与永磁磁场感应的电势相加，通入反向励磁电 流时其感应电势应与永磁磁场感应的电势相减，来达到电压调节的目的。空载 总感应电势岛是主发空载电势或。和辅发空载电势赢。之矢量和，即 岛= e o 。+ 毛。( 2 - 1 3 ) 由于两部分共用一套电枢绕组，接同一个负载，则二者的负载阻抗和电枢 总回路阻抗相同，功率因数角妒和内功率因数角也相同。 当电机磁路不饱和时，利用双反应原理和叠加原理分别得到主发和辅发的 电压平衡方程式，为 e b 。= u 。+ j i d x 。+ j iq x 】q m + j b ：+ j ! x s m )q 一、q e b e = u e + j ld x 柏+ j iq x 犁+ 1 ( r o 七扛。jq - 、 式中，应。，鼠：永磁磁场和励磁磁场所感应的电势； d 。，己7 。：主发部分和辅发部分的端电压； j 。，j 。： 电枢电流的直轴分量和交轴分量； x 。，x 一：对应永磁磁路的直轴和交轴电枢反应电抗； x 。，x 。：对应电威磁磁路的直轴和交轴电枢反应电抗； 乞：电枢绕组电阻； z 。，屯：主发部分电枢绕组漏电抗和辅发部分电枢绕组漏电抗。 两北工业大学硕上学位论文 第2 章复合励碰同步发电机基本原理 岛。 图2 - 9 磁路不饱和时主发部分矢量图 根据电压平衡方程式得主发和辅发部分的矢量图，分别如图2 - 9 和图2 1 0 所示。辅发部分反向励磁时，由于瓦的相位与雪。相位相反，此时或。与，夹角 将为( 1 8 0 。一妒) ，如图2 1 0 ( b ) 所示。 ( a ) 正向励磁 ir c ( b ) 反向励磁 图2 一l o 磁路不饱和时辅发部分矢量图 将式( 2 一1 4 ) 和( 2 1 5 ) 代入式( 2 - 1 3 ) ，得发电机总电压平衡式： 垂n = o + j id x 村+ j iq x 玛+ i ( 2 r o + j x 3 q 1 6 ) 两北：【业大学硕士学位论文第2 章复合励磁同步发电机基本原理 n e e ， d ：发电机总的端电压d = 0 ，+ 0 。 x 。：发电机总直轴电枢反应电抗x “= 工“+ x m ； x 。：发电机总交轴电枢反应电抗x 。= x 。+ x ， ：发电机总电枢绕组电阻： x ，：发电机总的漏电抗x 。= x 。，+ x 。 其总矢量图如图2 1 1 所示。 0 ( a ) 正向励磁 0 ( b ) 反向励磁 图2 - 1 1 磁路不饱和时复合励磁发电机矢量图 电机磁路饱和时，不能运用叠加原理，这时的电压平衡式为 壶6 = d + 意q = 0 + ( 2 t o + j x q 1 7 ) 直轴电势：或= 以+ 彪： 交轴电势：丘= + 瓦； 其中，或，瓦分别为主发直轴、交轴屯势； 西北工业大学硕士学位论文 第2 章复合励磁同步发电机基本原理 屯，也分别为辅发直轴、交轴电势。 矢量图如图2 - 1 2 所示。 ( a ) 正向励磁 c o ) 反向励磁 图2 1 2 磁路饱和时复合励磁发电机矢量图 2 3 2 复合励磁同步发电机外特性 外特性是发电机最重要的特性，是发电机在一定的转速和励磁电流时，端 电压随负载电流变化的规律。同步发电机的端电压之所以会随负载电流的变化 而变化，主要是由于当励磁电流，一定而负载电流变化时，电枢反应的作用将 使电机气隙磁场及气隙电势发生变化。另外由于绕组的电阻、漏抗的压降随负 载电流的变化而变化，端电压也将随之变化。其中，对于电感性负载，主要由 于电枢磁场之直轴分量起去磁作用，故端电压随电流增加时下降较大：而对于 电容性负载，则主要是直轴电枢反应的增磁作用，故端电压可能很少下降，甚 至随负载电流增加而升高。对自适应复合励磁同步发电机的主发和辅发部分来 说，负载变化时外特性变化趋势是基本相同的，差别较大的是电枢反应的影响。 稀土永磁主发电部分的电枢反应去磁作用比电励磁辅发部分小，其外特性相应 的比辅发部分下降的小，电压变化率也就比辅发部分小。 西北工业大学硕士学位论文 第2 章复合励磁同步发电机基本原理 e o l e d e0 2 u o 图2 - 1 3 感性负载时外特性曲线 曲线o ：电励磁辅发部分励磁电流为零时发电机外特性 曲线i ：电励磁辅发部分正向励磁时发电机外特性 曲线2 ：电励磁辅发部分反向励磁时发电机外特性 对应于不同的空载感应电势，外特性基本上是一族平行的曲线，空载感应 电势增加，则外特性曲线抬高；空载感应电势减小则外特性曲线下移。如图2 1 3 所示。要保持发电机端电压的恒定，可以在负载电流变化时，调节辅助电励 磁部分的磁场，改变辅助电励磁部分定予绕组的感应电势，使定子绕组总感应 电势改变，来改变外特性，进而达到稳定端电压的目的。图2 1 3 中，。为额定 电流，u 。为额定电压，辅助电励磁部分励磁电流为零时，发电机外特性为图中 的曲线0 ，过额定点( 儿，u 。) ，空载感应电势为e o ；当负载电流增加到矗时， 端电压要下降，此时正向增加辅助电励磁部分的励磁电流，使定子感应电势增加 为。，外特性抬高，瞌线l 过( ，u 。) ：当负载电流减小到时，端电压要增 加，此时辅助电励磁部分的励磁电流反向，使定子感应电势减小为e 。，外特性 下移为曲线2 ，曲线过( 聆，u 。) 。这样通过调节辅助电励磁部分励磁电流的大小 和方向，就能使发电机保持端电压不变。 复合励磁同步发电机的外特性主要由功率因数、电枢绕组电阻、漏电抗、 直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗决定。【2 ”对外特性影响较大的结构参数 西北工业大学硕士学位论文 第2 章复合励磁同步发电机基本原理 主要有磁钢磁化方向平均长度h 。、电枢绕组线径d 。、每元件匝数睨、极弧系 数口等。 1 磁铁磁化方向平均长度h m ：这是一个重要的设计参数，增加，使工作点 提高，将使电枢反应电抗减小，外特性曲线的斜率降低；增加h 。还能增加空载 感应电势。结合减小雌，增加h 。有助于降低电压变化率u 。但是由于稀土磁 钢的价格较贵，不宜过度地增加k 值。 2 线径屯：增加以。，能有效地降低电枢绕组电阻，使外特性的斜率降低， 同时不影响空载电势和电枢反应电抗。故增大线径也是降低固有电压变化率的 一种有效手段，但必须注意槽满率的限制，并考虑到用铜量的增加。 3 每元件匝数：降低每元件匝数睚，将使空载电势、阻抗参数都减小，使 外特性的斜率降低，过额定负载点的电压也随着降低，因此，为了使外特性过 额定点，调整每元件匝数彬是一条有效的途径。 4 极弧系数口：减小极弧系数口，将使空载电势减小，电枢反应电抗减小， 从而使固有电压变化率减小。但调整极弧系数口要考虑对气隙磁场和电压波形 的影响。 西北工业大学硕士学位论文 第3 章复合励磁同步发电机c a d 系统 第3 章复合励磁同步发电机c a d 系统 本章介绍了复合励磁同步发电机c a d 系统的结构及功能，阐述了c a d 系 统中关键技术在程序中的实现。详细介绍了系统中各模块的功能并给出了相应 的界面图。 3 1 概述 由于电机内在电磁关系复杂和电磁计算步骤繁杂，以及限于人工手算，传 统的电机设计是设计人员在消耗大量时问和精力致力于手工演算中进行的。为 了将设计人员从繁重、单调的手算中解脱出来，人们在不断地寻求新的、更好 的设计方法。随着计算机技术的迅猛发展，电机设计进入了