（电机与电器专业论文）同步发电机三次谐波与励磁匹配的研究.pdfVIP

ab s t r a c t nrov e d分出 e 。 x 沐 d ment at i o ns d e s i 即ex amp l e 。 r a 3 目h a n n o 血 ex c i tat i o n gen 的to r 叭 la s gl v e 几朗d the t h e o ri esa n d m e l h o d s 。 价r e d in而s p a p ar、 v e r e p ro v ed 勿the ex田 旧 p le. k 叮 w血 r d s : 5 邓c hr o nousgener a t o r ; h a n ” o ni c ; exc itati 眠 e l e c t ro m a g n e t i cfi e l d ; m月 t 护 h 1 1 1 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的 研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人己经发 表或 撰写过的 研究成果， 也不包含为获得 南昌大学 或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 名 (手 写 ):秘她字 日 期 :妙 月 哟 学位论文版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全了 解南昌大学 有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 ， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。 本人授权南昌大曹可以 将学位论文的 全部或部分内 容编入有关数据库 进行检索， 可以 采用影印、 缩印 或扫描 等复制手段保 存、汇编学 位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学 位 论 文 作 者 签 名 (手 写 ): 网毛 方 导 师 签 名 (手 写 ):遗、 叫 签 字 日 期 : 护7子 ” 协日 签字日期: 砂 月 么 t 日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位: 南昌a b b 泰豪发电 机有限 公司 通讯地址:南昌市高新开发区 电话: 邮编: 1 3 9 7 0 8 01 8 2 4 3 3 0 0 9 6 第 1 章绪 论 第 1 章绪 论 l l三次谐波励磁发电 机概述 目 前的励磁系统按照所采用整流方式分为两大类， 一类是直流发电机励磁系 统，另一类是交流整流励磁系统。直流发电机励磁是一种传统的励磁方式，但 由于直流电机存在换向火花和磨损等问题，而逐渐被淘汰。交流整流励磁系统 中的励磁电源为交流电源，其输出的交流电经半导体整流后供给主机励磁。随 着电力电子器件和及电力电子技术的发展，交流励磁系统得到了日益广泛的应 用。 三次谐波励磁发电机的原理是在其定子铁心槽里放置一套谐波绕组， 利用气 隙内的谐波磁场感应出交流电，将此交流电整流得到直流电源后，如经过电刷 直接供给发电机励磁则构成三次谐波有刷励磁系统;如供给交流励磁机励磁绕 组，则交流励磁机电枢产生的交流电经旋转整流器整流后供给主励磁绕组，从 而构成三次谐波无刷励磁系统。三次谐波励磁属于交流整流励磁系统，上世纪 7 0 年代，国内开始对三次谐波励磁系统进行了 研究， 并很快得到了应用。目前， 三次谐波励磁已成为中小型同步发电机的一种常用的励磁方式。 由于三次谐波励磁发电机具有电压稳定性好、主绕组短路时仍能提供励磁、 结构简单、维修方便、成本较低等优点，广泛应用于移动电源、备用电源、不 间断供电系统以及农村、海岛等采用的小水电站和柴油机发电机组中。在中小 型同步发电机产品中，三次谐波励磁方式非常普遍。我国目前具有一定规模的 中小型电机生产厂商有3 00多家，其中不少厂商都有三次谐波励磁发电机产品， 如原江西三波电机厂的主流产品就是三次谐波励磁发电机( “ 三波，rp 源于三次谐 波励磁) 。国际上，许多著名电机制造商也生产三次谐波励磁发电机，如美国 m az at h o n电气公司、 斯坦福均有三次谐波励磁发电机产品。此外，许多同步发 电机的附助绕组也采用三次谐波绕组，以便短路发生时仍能提供一定的励磁电 流。 1 .2三次谐波与励磁匹配的意义 三次谐波励磁经过了几十年的发展和应用，许多学者对其进行了较深入的 第 1 章绪 论 研究，并积累了一定的工程经验。但让三次谐波励磁发电机的设计者感到困惑 的是，这些现有的设计手段和方法都不能准确的计算分析三次谐波磁场，使得 三次谐波励磁系统的设计很难一次到位。有限元法是目前求解电磁场的主要工 具之一，采用有限元可以准确的计算电机内部的电磁场，是解决三次谐波励磁 系统准确计算问 题的 方向， 在 这一 方向 上， 我 们已 经做了 不少工作ll llzl l3) . 根据 文l 提供的齿磁通法，我们可以 准确的计算电 机的空载谐波磁场以 及谐波绕组 电 压 的 大 小 和 波 形 121 ， 文 f3 】 对 负 载 工 况 下 的 谐 波 磁 场以 及 谐 波 绕 组电 压的 大 小 和 波形进行了一定的研究，因此计算的准确性问题基本解决。但是，仅仅计算准 确对于工程应用来说是不够的，关键问题是如何根据计算结果找出电机磁路结 构的各个因子对谐波磁场的影响函数，并根据此函数对电机设计方案进行调整 或改进，以达到三次谐波励磁系统能够完全适应电机负载变化对励磁容量的要 求。因此对三次谐波励磁发电机进行系统的研究就显得尤为重要，本节将从工 程实际中的问题出发，阐述三次谐波与励磁匹配的含义和这种匹配研究的价值. 1 :21三次谐波与励磁匹配 三次谐波励磁系统的特性不仅仅取决于三次谐波励磁绕组本身，而是与主 电机的磁路结构有着密不可分的关系。三次谐波磁场受磁路结构影响很大，而 传统的电机设计方法只能计算基波磁场，因此电机设计者仍然无法把握三次谐 波的变化规律，主要是对三次谐波励磁发电机进行定性分析和给出一些简化计 算公式及经验公式。这些方法均无法考虑磁路饱和对谐波磁场的影响，因此给 三次谐波励磁发电机的设计带来了很大的困难，当谐波励磁发电机设计不合理 时，将出现以下问题: 1) 谐波空载特性曲线 ( 电机空载时谐波绕组电压与励磁电流的关系曲线) 出现多个拐点，且拐点的出现不具规律性，这种谐波励磁特性严重影响发电机 运行的稳定性，尤其对于并网运行，使得励磁控制更为困难。基于磁路计算的 传统设计计算方法14ji5 1 根本上无法计 算和解释谐波空载 特性的这种变化 特性， 因 此更无法进行特性调整。 2 )谐波励磁发电机的固有电压调整率在传统的设计计算中无法计算和调 整，导致谐波励磁系统的复励程度无法把握。一般而言谐波励磁发电 机具有很 强的复励能力，当电机磁路设计不合理时，谐波电势对负载十分敏感，负载时 的谐波电压可能达到空载时的10倍， 严重威胁到励磁调节器等设备的安全; 如 第 1 章绪 论 果减少谐波绕组匝数，则空载时基波电压达不到额定值，即空载谐波电压与负 载谐波电压比过高。相反，某些情况下，也可能出现负载时励磁功率不足而导 致端电压下降的情况，严重影响电机的负载能力和电压稳定能力。 3) 三次谐波绕组中3 的奇数倍次谐波 ( 如9 次谐波) 含量过高， 使得三次 谐波绕组电压波形严重畸变， 甚至在一些情况下， 9 次谐波含量高于3 次谐波含 量，这严重影响可控硅整流励磁系统的移相控制，使电机的稳定性很难得到保 证。 4 ) 若较大容量电机采用有刷谐波励磁系统， 那么谐波绕组的输出能量计算 是首要问题。由于有刷励磁系统中，谐波绕组必须输出较大的电流，而此输出 电流不仅取决于谐波绕组的开路电压，还取决于三次谐波绕组的电抗。在凸极 电机中，由于气隙不均匀，采用解析法计算谐波绕组的电抗是十分困难的。 由于上述问题的存在，三次谐波励磁系统特有的复励特性往往很难准确的 与负载匹配，即实现谐波输出功率与当前负载所需励磁功率同步。三次谐波与 励磁匹配的理想目 标是，在不使用励磁调节器的情况下，三次谐波绕组的输出 功率与当前负载所需的励磁功率密切吻合，使电机电枢绕组端电压在任意负载 下保持恒定或者变化很小。因此，对电机的电压固有调整率有较高的要求。实 际上，大部分电 机都配备有励磁调节器，因此，只要保证三次谐波输出功率与 负载所需励磁功率之比在一定范围内即可。此外也要求谐波绕组电压波形正弦 性尽可能的好，以满足移相触发的要求。 实现三次谐波与励磁的匹配，必须在解决计算准确的基础上，对电机各个 可能影响三次谐波磁场的因子 ( 如气隙、极弧系数、磁极形状、阻尼绕组等) 进行研究，找到其影响三次谐波的内在本质，从而使我们在设计电机时能够做 到趋利避害，使谐波励磁系统成为一个可以计算、可以预计、可以调整的系统。 l 2. 2解决匹配问题的实际意义 在三次谐波励磁发电机设计过程中，由于目 前缺乏对三次谐波与励磁的匹 配的计算和设计手段，因此无法计算和预计新产品励磁系统的特性，导致工程 人员只能根据经验设计电机， 然后不得不采用图1 . 1 所示的过程反复调试的方法 ( 增减谐波绕组匝数、重新设计谐波绕组、车削磁极顶部、更换阻尼条材料等) 来确定新产品的设计方案。由于缺乏理论指导，试制期间很难把握准调整方向， 因此有时经过反复调试也未必能达到预期的效果，这样既延长了新产品开发周 第 1 章绪 论 期， 增加了开发成本，又不能保证电机性能指标达到预期目 标。 图 1 . 1谐波励磁发电机开发流程 在早期的小型的同步发电机中，由于机型小、制造成本低，在研发过程中 便于反复试验和调整，所以这种仅通过调试的方法开发新产品的手段的弊端并 不明显。近几年来，无刷励磁同步发电机已经成为中小型同步发电机的主流产 品，三次谐波励磁用于无刷励磁系统中，由于励磁机的放大作用，所需的三次 谐波励磁功率比有刷类大大降低。因此，由于谐波绕组电压对负载敏感性过高 而产生过电压烧毁励磁调节器以及旋转整流器的情况大大增加。其次，目前凸 极同步发电机大量采用整体转子结构，在很大程度上提高了电机的机械性能和 工艺水平，但是整体转子的模具费用增加，反复调整磁极形状将大大提高制造 成本，因此要求冲片等零部件设计一次到位。另外，随着生产的发展和市场的 要求，生产的同步发电机容量不断加大，给予新产品的开发周期不断缩小，这 给三次谐波励磁的应用带来了很大的困难。总之，三次谐波励磁发电机的设计 不能再依赖于传统的反复调试手段进行，必须解决难以计算、难以设计、难以 调整的问题;随着市场竞争的日益激烈，使三次谐波励磁存在的问题日益明显， 需要解决这些问题的要求也日趋迫切。 由于三次谐波励磁系统目 前存在诸多有待解决的问题，这些问题的存在制 约了三次谐波励磁系统在较大容量电机中的应用。 泰豪科技目前仅在500 k w 以 下的电机中使用单独三次谐波励磁系统 ( 只使用三次谐波绕组做励磁源)。三 次谐波励磁发电机是否可以应用于更大容量的电机中以及三次谐波励磁是否还 有其生命力是诸多学者关心的问题。实际上，根据电机结构的相似性，容量并 不是制约三次谐波励磁应用的主要原因，在解决了谐波磁场的计算、谐波与励 磁匹配设计后，三次谐波励磁系统完全可以应用于更大容量的电机中。随着励 磁调节器的鲁棒性越来越强，其他励磁方式正在迅速应用;尽管如此，三次谐 波励磁在负载突变以及电机短路情况下，其独有的强励能力和复励能力仍能保 第 1 章绪 论 证电机不失磁，而在基波励磁系统中，为了维持必要的短路电流，励磁系统将 变得更复杂，需要添加其他设备，控制也更困难。正因为如此，三次谐波绕组 通常也作为基波励磁的辅助绕组以确保短路时仍能提供足够的励磁电流;因此， 三次谐波励磁的生命力是可想而知的。 综上可以 看出，三次谐波励磁的应用受到局限不是由于本身的缺陷，而是 这方面的研究尚不深入， 缺乏可靠的计算方法和分析手段，在工程中经常导致 应用失败。深入系统地对三次谐波励磁发电机进行深入的研究就必须解决三次 谐波与励磁的匹配问题，从而实现三次谐波可计算、易设计、能调整。 1 .3国内外研究现状及存在的问题 我国是对三次谐波励磁发电机研究和应用较早的国家之一， 小型三次谐波励 磁发电 机是较成熟的产品，有多个系列几十个型号的产品，基本上满足了一些 小型电站和移动电源的要求。但当三次谐波励磁方式应用于较大容量发电机中 时，却存在较多问题。实际上，这是由于对三次谐波励磁发电机的研究尚不深 入，传统的电机设计方法和电机学理论大多数只针对基波磁场，没有对电机谐 波磁场进行分析。谐波励磁系统设计中，往往只考虑谐波绕组本身，而无法将 影响谐波的电机磁路结构的诸多因子综合考虑，所采用的经验公式并不准确有 效，因此小型发电机的开发基本上靠样机调试确定设计方案，缺乏一般性，使 得开发成本高，开发周期长。根据检索到的文献，目前对三次谐波与励磁匹配 的研究综述如下: l 3. 1 电 机磁场的计算与电机运行仿真 电磁场是电机进行机电能量转换的介质，对电机研究的基础是对电机的电 磁场进行计算分析，因此准确计算电 机内的电磁场是至关重要也是基础的问题， 计算电 机电磁场一般有磁路法和磁场法。通常磁路法求解电磁场是基于多种假 设和经验修正的，因 此其结果较为粗略;磁场法求解电 磁场是基于计算机和数 值计算技术，采用数值法求解方程组，从而精确地计算电机内部电磁场。电机 运行仿真实质上就是求解动态电磁场的过程，因此逐步对电机整个的运行过程 中的电磁场进行计算，就可以进行电机运行仿真;如果采用场路结合的方法还 可以实现电机的瞬态仿真。根据检索到的文献，许多学者对电机磁场计算与电 机运行仿真做了大量工作。 第章绪 论 电感参数是电机等效模型中的关键参数，但它不仅受到磁路饱和的影响， 还受到诸如齿槽、端部效应、漏磁等因素的影响，因此解析法计算电机电感参 数必须做大量的简化假设，或者根据实际试验的结果进行经验修正:对于某些 起一定影响的因素，如槽口对气隙磁场的影响、饱和对气隙磁场的影响、扼部 磁场分布等，则用简化公式或图表作近似处理。这种分析方法，在工程计算中 处理基波是可行的，但在科学分析和谐波磁场分析上则凸现出其不够精确、适 应性差甚至无能为力的缺点。 文6 1 采用许一克变换构造了考虑齿槽效应的气隙相对比 磁导函数，该气隙 相对比磁导函数反映了齿槽效应对气隙磁场分布的影响，且这种影响的程度随 气隙中的径向位置而变化。该文在忽略铁心饱和的情况下，结合偏微分方程的 解析算法，提出了一种考虑齿槽效应的永磁无刷直流电机空载气隙磁场分布和 相绕组反电势的解析计算方法。但是，电机实际上都运行在饱和状态，因此忽 略饱和的影响在工程计算中并不准确，即使采用修正系数的办法，也存在较大 误差，而且对不同材料特性时不能通用。 文【 71 对同步电 机磁路的定子齿、定子磁辘、 气隙、 磁极极身、 极靴、 转子 磁扼等分别分割成若干单元，每一个单元用独立的磁阻等效，从而建立起电机 的磁路的网络图。利用电路理论，在计算时采用非线性迭代处理，从而可以较 好的计算出同步发电机的磁场分布。的优点是在一定程度上减少了计算量，而 且可以考虑磁路饱和的影响，但是其精度与有限元法比不高，无法处理谐波磁 场以及涡流等因素的影响。基于磁路和电路的相似性，通过上述方法建立了电 机磁路网络图后，把经过磁导体单元的磁通网络图中节点的磁位作为基本变量， 可以得到一组非线性的磁位方程组，这个方程组与电 机机械运动方程、定转子 绕组及阻尼绕组的电路的方程组、各绕组电流励磁磁动势方程组一起，构成了 描述电机系统的方程组。通过对此方程组的求解即可对电机的动态运行过程进 行仿真。但是，这些方法在磁路结构复杂时则很难计算准确，而且很难计及漏 磁的影响18) 。 传统的电机数学模型和设计方法一般仅考虑基波，谐波和磁路饱和被忽略 或简 化。 d， q， o坐标系统在不考虑空间谐波时是 行 之有效的。 但考虑 绕组产生的 空间谐波磁场时d， q， 0 坐标系 统失去了 作用。 基于多 回 路理论虽然可以 计算谐 波 磁场， 但计 算中无 法考虑 磁路饱和的 影响。 文献1 91 、 10 】 、 11 1 分析 计算了 绕组 产生的空间和时间谐波磁场的影响， 但忽略了 磁滞、 涡流、 饱和等因素; 文献l 0 第 1 章绪 论 介绍了 基于电磁场理论的计算电 机谐波磁场的方法，但其结论不便于在工程实 际中 应用。 文献【 12 】 介绍了 通过求解静态磁场 而计算电 机绕组电 压的 方法， 但该 方法无法处理齿槽效应以及斜槽的影响。 电磁场的数值解法随着计算机技术的发展而得到广泛应用，常见的磁场分 析方法有矩量法、 边界元法、有限差分法和有限元法等。差分法不适合于边界 条件复杂、边界不规则的情况。有限元法在磁场分布和变化比较复杂且非线性 严重的情况下，具有精度高、计算量小等特点。 为了对电机的运行过程进行仿真，需要计算转子相对定子旋转过程中不同 位置下的电磁场，然后根据磁通或电感的变化计算电机的电压等参数。采用有 限元法计算定转子不同相对位置的磁场时，需要解决求解域内介质的相对运动 问题。介质的相对运动使有限元剖分网格发生变化，在数值计算过程中容易引 起解的不稳定。处理介质运动的方法有边界积分法、重新剖分法、独立坐标系 法，其中以独立坐标系法较为优越，但需要在运动过程中考虑节点的相对位置， 使移动后正 好是 剖分 单元 边长的整数倍。 文【 13 给出了 一 种新的方 法， 可以 处理 任意运动的问题。但是，该方法是在气隙处划出两条重合的边界，在旋转过程 中采用插值的方法将定转子气隙边界上的数值祸合到定子上，这种方法无疑增 加了计算处理的复杂程度，较难在工程中获得应用。 在国 外， 文 献【 1 4 对采用二维有限元法求 取电 机电 感系数的两种方法 能 量微变法和磁链法进行了比较，得出在求取电机电感系数时应该采用磁链法， 此方法可以 节省计算时间， 其计算精度与能量微变法相差不大。 文献【 巧 1 介绍了 基于有限元的电 磁场应力张量法与虚功法计算永磁电机转矩。 文献【 1 6 介绍了 在 有限元计算中， 采用子域比例缩放法剖分小的气隙。由此可见f e m是目 前应用 最为广泛的一种方法。 a n s y s 软件在电 磁场的有限元计算中得到了普遍的应用，该软件有界面操 作方式、 娜d l 命令流操作方式以及用户根据自己需要进行的二次开发操作界面 方式等。 a n s y s在电 机磁场分析方面的 研究，已 有大量文献或专著。 文【 1 刀 介 绍了 该软件解算一 般电 磁场工程问 题的 过程和步 骤; 文献l 8 给出了 该软 件在永 磁电 机设计中的 应用过 程; 文献l 9 介绍了 采用该软件的 一般分析方法: 文献 2 0 将该软件应用于大型水轮发电机的电磁场计算中，并采用了a p d l分析方法。 但是，电机电磁场计算与一般电磁场计算有着很大的区别，这些文献都没有针 对电机结构的本质不同而提出建设性的方法，实质上都只分析了电机的静态磁 第 1 章绪 论 场， 没有处理定 转子相对 运动的问 题，也忽略了 齿谐波、 涡 流、阻尼等因素的 影响。 本课题组在电机电磁场计算方面取得了阶段性的成果， 首次提出使用齿磁通 法计算电 机绕组电 压1 1 ， 并由 此确定了电 机电 磁场计 算 的 一 般过程; 该方法准 确 有效， 不仅能计算 绕组电 压的大小还能计算其波形。 文 2 】 完成了 对三次 谐波 励 磁发电机空载的分析，解决了计算过程中的定转子自 动旋转问题，该成果己经 应用于工程实践中，取得了较好的效果:为了缩短计算时间，该文提出了采用 半周期性边界条件，只对电机四分之一区域进行了求解，其结果与对电机整圆 求解是完全一致的 。 文献 21 提供了 处理电 机定 转子相对 运动问 题的”d l 处理 形式。文13 1 研究了电机负载工况下的电 磁场计算问 题。 为了提高a n s y s 软件计算电磁场的效率，适当的二次开发以及界面化处理 是十分必要的。文1 2 21 在a n s y s 的基础上开发了 一种针对电 磁场分析过程的界 面化程序，但是该方法并不能实现电磁场分析过程的自 动化，因此还是需要人 为干预。实际上，实现界面化的二次开发程序关键需要解决通用性和求解过程 的自 动化问题，以期用户无需修改源代码、一次性输入计算要求即可实现自 动 分析。 本课题组开发了 基于齿磁通法的界面化电机电 磁 场分析软 件田 1 ， 该软件 计算效率高，通用性强，操作方便，界面友好。 1 .3.2 电机磁路结构分析 对电机进行计算和仿真只是分析电机的一种手段， 并不能解决电机运行中的 问 题。 文献 1 8 、 11 91 、 2 0) 、 【 2 4 只证明了 一些方 法在电 机参数或者磁场计算的 可行性，但并没有进一步系统分析这些结果与电机结构的关联，便于对电机设 计方案进行调整。 文【 251 是分析三 次谐波 励磁发电 机较早的 一部著作， 该书较为 系 统地研究了 三次谐波励磁发电机。到目 前为止，尚未见更全面、更系统的关于三次谐波励 磁发电机的专著。但是受当时计算工具和分析手段的局限，该书的许多结论被 证明是不够准确或者错误的。在这种情况下，电机设计者急需有新的更系统的 研究成果。 文2 61 分析了 阻 尼绕组 对谐波磁场的影响， 文 21 计 算了 电 机的 某些结构因 子 对谐波的影响的曲线或图表。在此基础上，尚需要得出更为本质的结论，才能 使得电机磁路结构对谐波磁场的影响透明化。 第 1 章绪 论 l 3 3同步电机三次谐磁场与励磁匹配方面 文献 27 指出设计三次谐波励磁发电 机时应该注意的问 题， 但其只是定性的 说明了设计的方向，没有提供准确计算三次谐波电压的方法，也没有给出谐波 励磁发电机的设计方法。 目 前绝大部分同步发电机都配备了励磁调节器， 但是， 不管是a 人 v r还是 d a v r ， 其调节控制能力都是有限的， 而且是基于励磁功率足够的情况下才能实 现调节。为了兼顾发电机空载、额定及高顶值的强励电压要求，特别对于高要 求高起始反应的励磁系统，长期额定状态下运行，又保证强励的准备，可控硅 整流器必须处于深控状态，深控状态的可控硅存在诸多问题。因此，为了保证 电机良 好的性能，电机励磁源本身的自 适应变化要比a v r调节有效得多。如果 励磁源是三次谐波磁场，那么这就要求三次谐波磁场能与励磁所需功率尽量匹 配，以减少励磁调节对a v r的依赖性。 实际上，三次谐波励磁发电机在设计不合理时，将出现以下情况，一是空 载欠励，同时负载时过励，即谐波绕组电压对负载电流过于敏感，实验数据显 示， 谐波绕组电 压在负载时有可能达到空载时的10倍;二是在负载时欠励129 1 ， 即失去了该电机具有的复励能力，使电机端电压下降;三是谐波绕组电压波形 正弦畸变率过高，使得移相控制困难。过励的出现，将使得励磁调节器承受很 高的电压，这严重威胁到励磁调节器的安全运行，而且要实现如此高的调节率， 电路就将更加复杂，即使此时励磁调节器能正常工作，可控硅也将处于深控状 态。如果谐波励磁发电机在负载时出现欠励，那么，励磁调节器将无法将基波 电压调整到额定值的能力，此时需要从励磁源功率上做调整。除此之外，三次 谐波励磁发电机在出现不对称运行时，由于存在零序电流，谐波绕组也将出现 过电 压的情况129)。 综上可以看出， 对于谐波励磁发电机，依靠励磁调节器来实现励磁匹配是 不可靠的，需要对三次谐波励磁发电机励磁源本身做更多的研究，使该类型的 发电机本身的固有调整率达到较高水平。 三次谐波与励磁匹配的研究中很重要的一个环节就是对谐波绕组匝数的选 择。 文 献 30 、 4 根 据电 机学基本原理， 给出了 一种计算谐波绕组匝数的 方法; 但该文提出的计算方法是基于气隙谐波磁密与基波磁密比为一固定值时才成立 的，而工程上这种情况并不能保证。实际上要准确计算谐波绕组匝数，就必须 准确计算谐波磁场，因此到目前为止，尚没有能准确计算谐波磁场的解析方法， 第 1 章绪 论 也就无法得到准确的谐波绕组电势，因此谐波绕组匝数就无法确定。上述方法 在工程上都是意义不大的。 三次谐波受磁路饱和的影响很大， 文献1 281 指出， 磁路饱和对3 次谐波绕组 电势有很大影响，在额定状态下，励磁功率不够，增加励磁绕组匝数、改变磁 极形状、串基波副绕组都无法改善。该文结论指出，三次谐波励磁同步发电机 磁路不应该设计得太饱和，否则谐波励磁功率将不足。但是，该文只是定性的 分析了饱和对3 次谐波的影响，并没有给出饱和度与3 次谐波功率之间的关系， 也没有给出详细的计算数据，因此电机设计者仍然无法把握如何确定电 机的工 作点。 综上可以看出， 要设计具有适应负载变化能力的三次谐波励磁系统， 不仅仅 需要研究谐波励磁系统本身，还需要深入分析主电机的磁路结构。实现三次谐 波与励磁的良好匹配还需要建立整个谐波励磁系统的数学模型。本课题组当前 的研究己经较好的解决了电机空载、负载电磁场的计算理论问题，提出了齿磁 通法;同时也能够准确仿真出电机稳态运行下，各种绕组的电压大小和波形， 提出的“ 三段法” 是分析电机三次谐波磁场的主要手段。计算是实现匹配的基础， 因此本文将着重探讨三次谐波与励磁的匹配问题，同时对电磁场计算手段进行 适当的发展和优化。 1 .4本论文主要内容 在本课题组前期研究的基础上，本文重点将论述以下问题: 1 .电机电 磁场的快速、方便计算及程序的二次开发 为提高计算速度，根据前期研究成果，本课题在磁场数值计算中，采用半 周期性边界条件对电机进行建模，以减少求解的区域，减少计算量。为了提高 程序的通用性以及实现良好的分工合作，本课题使用 a p d l和 uid l编写了三 次谐波励磁发电机磁场计算分析的二次开发程序，实现了电机定、转子之间的 自 动旋转、自动网格剖分、自动施加边界条件和载荷、自动求解以及查看和保 存计算结果的功能，使整个电磁场分析计算过程无需人工进行干预。本程序实 现了参数化、界面化操作，具有通用性强、操作简单、计算速度快等优点。使 用人员完全不用进行源代码操作，就可进行各种结构形式的凸极同步电机的空 载、 负载磁场计算。 因此， 即使用户不熟悉a n s y s 和a p d l也可以使用本程序 第 1 章绪 论 分析电机磁场. 根据齿磁通法和一次算法计算得到的矢量磁位，通过基于 m a f l a b的后处理软件， 便能快速计算各种绕组电压大小和波形。 2. 谐波励磁发电 机电 压固 有调整率的影响因子及其函数关系 三次谐波与励磁匹配的研究，实际上就是解决电机固有调整率的计算和优 化问题，以至于即使不使用励磁调节器也能保证电机端电压稳定。影响固有调 整率的因素诸多，本文将对几个主要影响因子进行研究分析，分别是磁极形状、 气隙、极弧系数、磁路饱和程度、阻尼绕组等问题展开研究，得出这些因素对 三次谐波电压幅值及波形的影响机理。 3 .谐波与励磁匹配的磁路优化设计 谐波磁场的复励程度取决于主电机的磁路结构，而与谐波绕组匝数无关， 保证适当的复励程度是实现谐波与励磁匹配的基本要求。本文将阐述“ 三段法” 和“ 标么分析法” ， 在此基础上分析电机结构与三次谐波磁场复励程度的关系， 并 结合实例说明如何使用三段法分析和调整电机的谐波特性，以及分析电机磁路 结构的合理性等问题。 在得出谐波磁场的复励程度与磁路结构的关系后，电机设计者便可以通过 改变电机的物理模型，方便地调整电机的谐波特性曲线。从而使谐波特性可控 制、可计算、可调整。 4 .谐波励磁系统及其能量匹配 对于无刷谐波励磁发电机，由于励磁机对励磁源的功率要求很低，因此一 般情况下不存在谐波能量不足问题，且一旦电压调幅不足时增加谐波绕组匝数 是有效的。但对于有刷谐波励磁发电机，由于谐波绕组需要承载较大的电流， 谐波能量便成了最关键的问题，如果励磁源能量不足，绕组的优化设计是无效 的。对于较大功率有刷谐波励磁发电机 ( 如本文中的 1 100 k w样机) ，谐波励磁 系统的能量就更需要进行论证.影响谐波绕组输出功率的除了谐波磁场外，还 受谐波绕组本身阻抗的影响，而谐波绕组电抗的计算却较为复杂。本文将对谐 波绕组的电抗计算、输出功率等问题进行讨论，以保证有刷谐波励磁发电机的 励磁源具有足够的能量输出。 5 . 谐波与励磁匹配的谐波绕组优化设计 谐波绕组的r 月 d( 畸变率) 也是一个重要指标， 过高的刀迎 将使可控硅移 相触发困难，影响励磁控制的系统的稳定性。由于谐波绕组每极每相槽数少， 不可能像基波绕组一样灵活的使用短距绕组、分布绕组等削弱高次谐波，因此 第 1 章绪 论 必须采用一系列的 特殊措施或者新型 绕组来保证谐波绕组电 压波形的 刀 了 。指 标.本文将介绍谐波绕组设计的一般方法和原则，并通过实例论证这些新型绕 组对在改善谐波绕组 了 万d方面的重要作用。 第2 章谐波励磁发电机磁场与绕组电压的计算 第2 章 谐波励磁发电机磁场与绕组电压的计算 2. 1前言 电机磁场的计算通常有解析法和数值法，解析法的优势是可以明显的看出 各个参数之间的相互影响关系，但是这种方法的应用，一般限制在边界条件简 单而媒质为线性的场合，因此实际计算中往往都是采用近似等效的方法来处理 饱和、谐波、涡流、以及齿槽等因素的影响，其计算精度不高。数值法利用计 算机的高速运算能力求解电机中的各种线性和非线性的稳定场或瞬变场的问 题，能够处理饱和、谐波、涡流以及齿槽的影响，尤其在计算机普遍应用的今 天，数值法以其精度高、计算方便等优势得到了广泛的应用。 有限元法是计算电机磁场的常用数值方法，并以其特有的优势占据主导地 位，其应用范围日 益广泛。用有限元法求解电磁边值问题，能在非线性、多介 质和复杂区域中得到电磁场的较精确解，其计算效率高，易于在工程中广泛使 用。在电磁场计算的有限元软件中，a n s y s 软件较为普遍，其强大的前处理和 后处理能力使其在电磁场计算领域得到日益广泛的应用。 齿磁通法是精确计算绕组电压的有效方法。 所谓齿磁通法就是以定子齿的磁 通为计算单位，根据绕组与齿的匝链关系，计算绕组电压的方法，使用该方法 可以方便的计算任意绕组电压的大小和波形。 本章将论述基于齿磁通法的电机磁场有限元计算过程， 在求解得到电机的电 磁场分布和矢量磁位后，进行后处理得到绕组电压的大小和波形。为了提高计 算的快速性和方便性，本章还将重点论述基于u i d l和a p d l的电磁场分析软 件的二次开发过程，并最后介绍该软件在计算谐波励磁发电机磁场中的应用。 2. 2电机磁场与绕组电压计算方法 电磁场理论由一套m a x w e l l方程组描述， 计算电磁场的实质就是对该方 程组求解。 州 叭 x 场 佗 l l方程组实际上由四个定律组成，即安培环路定律、法拉 第电磁感应定律、 高斯电通定律、高斯磁通定律。 采用a n s y s 软件计算电磁场 的一般过程为建立有限元模型一定义材李 翔 一网格剖分一指定边界条件一加载一 求解一后处理。本节简单介绍电机磁场的有限元计算以及绕组电压的计算，具 第2章谐波励磁发电机磁场与绕组电压的计算 绕 组 系 数 为 心一三 次 谐 波 绕 组 系 数 为 k 申 ， ， 则 由 式(2 .5 ) 可 以 计 算 基 波 绕 组 和三次谐波绕组的感应电势。 万 . = 兰 4.4 4 .乃 吠 中 凡， 凡 一 兰 4. 科 门八尺 咖 凡3 ( 25 ) 由于齿槽、谐波等因素的影响，采用静态磁场一次算法计算感应电势不够 准确，需要较精确计算绕组电压时，应该按齿磁通法进行计算。根据齿磁通法 原理，电机空载时需要计算转子分为n步转过 1 个齿距时每一步的电磁场:即 在给定一个励磁电流的情况下，需要对 n个 ( 定转子相对位置不同)有限元模 型求解，其计算量是静态磁场的n倍，n越大则精度越高。 当电机负载时，由于受电枢磁势的影响，使用齿磁通法计算时需要计算转 子分为m步旋转过6 00电角度下的每一步的磁场，即需要对m个 ( 定转子相对 位置以 及定子电 流不同) 有限 元模型求解 1卫 10 转子转过一个定子齿距 ( 或6 00电角度) ，即b( 空载b = n，负载b = m) 个位置后，各个齿在n 个不同位置的磁通可以表示为向量形式: . 。 一 叭: 甄 2:气1(2. 6) 其中 ， 下 标t 表示 齿， j 表示 齿的 序号 ， j = 1， 2.二 ， 2 ， 石 后的 数 字 表示 转 子 处 在 的不同位置序号。 显 然， 必 八 川 ) 是 转 子 继 续 转 动 时 第 j 号 齿 的 磁 通， 第 j 号 齿 在 转 子 旋 转 一 周 各位置的磁通可以由b 个不同位置各个齿磁通求得， 而不需要再进行其它的磁场 计 算。 转子旋转一周第j 号齿的 磁通可以 表示为: 叭一 巨 。， : ， + 1， ， 二 : 。 。 : ， 一 ， 1( 2 .7 ) 如果将所有齿磁通写成矩阵形式，即得到了齿磁通矩阵，其为块循环矩阵。 ， 2 二， 2 ， 一 卜 .r o 2 。 : 了 r ( 2 . 8 ) 根据绕组与齿的匝链关系，即可根据齿的磁场矩阵计算绕组的磁链班，根 据电机转速即可计算磁链的变化率。因此感应电势e 为 一令 = 36 、 器 ( 2 9) 在中小型电机中为了削弱定子绕组的齿谐波电势常采用定子斜槽的措施， 第2 章 谐波励磁发电机磁场与 绕组电 压的计算 用路的方法分析时，可以在计算电感系数时乘上斜槽系数加以考虑。而在二维 磁场分析中无法直接考虑斜槽的影响。实际上可以将斜槽的电机定子铁心分成 由多段组成，每一段转子处于多个不同位置，每一段错开一定的角度，看成是 一个电机。 空载时定子绕组中没有电流流过， 将定子每个齿距分成n 个小段， 求 出转子处于不同位置时的电 动势， 对一个齿距内的各位置的电压求和后平均得 到斜槽后的电动势。这样避免了在同一时刻进行多次磁场求解，大大减少了计 算量，同时将斜槽的影响考虑在内。 2. 3 a n s y s电磁场计算的二次开发 和所有的有限 元软件的分析过程类似， a n s y s 软件的 标准分析过程包括: 建立有限元模型并施加边界条件、求解计算和结果分析 3个步骤。对于一个简 单模型来说，无论是新建分析还是进行修改后重新分析，按照这 3个步骤进行 都是简单可行的，因此可以采用 g ui ( 人机交互) 操作方式完成分析。但对于 像电机等复杂模型来说，要对其进行修改后重新分析 ( 如转子旋转 1步)时， 若按照上述3 个步骤来计算分析，其过程将相当繁杂和费时。为了解决此问题， a n s y s 提供了a 只 d 以a n s y s 参数化设计语言) 和uid l(用户界面设计语言) ， 以便于 用户进行二次开发， 本节将对a n s y s 中的uid l 和apd l 做简单介绍。 2 . 3 . i a p d l简介 a p d l具有重复某个命令、宏命令、条件分支、循环以 及标量、矢量和矩阵 的运算等语言特征，是完成优化设计和自适应网格的最主要基础，也能够为用 户的分析工作提供许多的便利。使用 a p d l进行电磁场计算可以减少大量的重 复工作，特别适用于经少许修改后需要多次重复计算的场合，采用齿磁通法计 算电机磁场时，使用a p d l实现转子细微旋转的计算将事半功倍。 用户根据自己的计算分析要求， a p d l允许用户使用宏命令等设置个性化的 工具条和菜单，以 满足用户自 定义的功能。在电机的计算分析过程中，可以根 据计算流程进行二次开发，使其界面更友好。本文中使用的a p d l主要命令如 表2 . 1 所示， 其具体 用 法可参考 33 及相关资 料。 第2 章谐波励磁发电机磁场与绕组电压的计算 表2 . 1电磁场计算分析中常用的a p o l 命令 序号命令功能序号命令功能 1k创建关键点l 2e s ize， ame s h网格剖分 2l s t r创建直线1 3ol施加边界条件 3cyl 4创建圆环面l 4b 人施加载荷或激励 4l ovl ap 线与线的搭接 l 5p erbcz o半周期性边界条件 5al线构成面1 6m人gs ol v求解 6ars ym映射l 7p de f数据映射 7agen 复制与旋转 l 8* vwr i t e保存数据 8l s e l选择线l 9 * d o ， * e n d i 叉 【 洲 循环 9人s l l 选择与线相关的 面 20 . i f. * e 比e ， . e ndi f if条件分支 1 0t b ， t b p t定义材料2l2 俐 p ut调用 ( 输入)子函数 l laat t分配材料2 2 月 n q u i r e 取得当前路径 2 . 3 . z u i d l简介 a p d l 编写的电磁场计算程序， 可以通过修改命令流中的某些变量参数来达 到修改分析条件的目的。但是当有限元模型复杂，分析过程较长时，通过修改 源代码的方法修改分析条件也将显得十分麻烦， 而且容易错漏。 因此基于a p d l 开发的电磁场计算程序需要较为专业的维护，即在计算不同电机时的移植过程 中需要对源代码进行大量修改，修改后还需要重新调试，因此该程序通用性不 强，稳定性和可靠性也不够理想。为了提高使用的方便性，a n s y s 提供了简单 的用户界面设计功能，可以设计简单的各类信息提示、单行数据输入对话框、 多行输入对话框等。 1 .单行参数输入 * a s k命令提示用户确定一个单独的参数，命令格式如下: . * a s k.p ar ， q u e ry， d v a l p ar表示 输入的参 数变量， 用来 储存用户输入的 参 数值。 q u e r y 使 对p ar进 行提示的信息， 即对要求用户输入参数的说明。 d a v l使要求用户输入的初始值 第2 章谐波励磁发电机磁场与绕组电压的计算 图2. 6电磁场计算的一般流程图2 . 7电机磁场计算程序的模块化结构 2 .程序快速性设计 根据齿磁通计算法原理，计算一个工况 ( 给定励磁电流和负载电流)时需 要将转子旋转。空载时电机磁场仅由励磁磁势建立，磁场以转子旋转过一个齿 距为周期循环，因此空载时仅需计算 n次电磁场。但负载时，由于受电枢磁势 的影响，使用齿磁通法计算时需要计算转子分为 m步旋转过 60“ 电角度下的每 一步的磁场，即需要对m个 ( 定转子相对位置以及定子电流不同)有限元模型 求解132 ;实际上， 对于磁路而言 ， 定转子间的磁阻仍然以1 个齿距为周期循环， 即转子转过下一个齿距与转过当前齿距的磁路是完全重复的。因此可以采用固 定转子而移动定子槽电流的办法，实现与旋转转子相同的效果。例如，当转子 在一个齿距内 旋转到第j (j 0 ， 礼 ， 3 0)。 式(32 2 ) (3 .2 3)表明，由 励 磁磁势 产 生 的 基 波 磁密 的 磁 导 系 数又 f . 0， 而由 励 磁 磁 势 产 生 的 三 次 谐 波 磁 密 磁导 系 数 否 。 可 能 大 于 零 也 可 能 小 于 零 。 如丙 ， 0 ， 定 子d 轴 磁 势 与 励 磁 磁 势 相 反 时 ， 则 基波磁密的电枢反应和三次谐波磁密的电枢反应均为去磁。也就是说，当同步 电机带上感性负载时，基波磁密和三次谐波磁密都会减小，从而使发电机的主 绕组端电压和供给励磁的三次谐波绕组电压同步下降，这点显然不符合对励磁 系 统 的 要 求 因 此， 在电 机 设计中 ， 必 须 使 得丙 ， 。 才 能 符 合 对 励 磁系 统 的 复 励要求。 图3. 1 为正常三次谐波励磁系统负载为纯感性负载时的三次谐波磁密的 示意图。 图3 . 1 纯感性负载时三次谐波磁密 乌一 励 磁 磁 密 ， b，一 电 枢 反 应 磁 密 ， 几 j 一 励 磁 磁 势 产 生 的 三 次 谐 波 磁 密 ， 凡 。 一 电枢磁势产生的三次谐波磁密 在通常情况下，当电机带上感性负载时，基波磁密下降引起发电机主绕组 端电压下降，而同时三次谐波磁密上升引起三次谐波绕组电压上升，从而提高 第3 章谐波与励磁匹配的磁路设计 励 磁系 统的 输人电 压， 增大 励磁电 流， 使发电 机端电 压回 升。 式(3. 10) 和(3 . 1 3) 表 明 ， 增 大 凡 .， 可 以 使 得 否 ， 减 小 ， 从 而 增 大d 轴 基 波 磁 势 产 生 的 三 次 谐 波 磁 密 ， 减小励磁磁势产生的三次谐波磁密，使电机三次谐波的复励能力加强。因此， 调整电 机的 气除 磁 导心 . ， ， 即 可调 整 三次谐 波的 复 励 特性。 如果复励 特 性设 计 得 很好，则可保证不使用自 动励磁调节器的条件下发电机端电压维持基本不变。 现在我们分 析电 枢分量的q 轴磁密与励磁分量磁密的相互作用。 众所周知， 基波的交轴电枢反应具有助磁的特性。对于三次谐波的交轴电枢反应，由于直 轴和交轴的三次谐波磁密的分布函数也分别为正弦和余弦函数式 ( 3. 论) 、 ( 3 . 19) ，所以同样具有助磁作用。 从这方面来说，三次谐波励磁系统的复励原 理与相复励励磁系统的复励原理是不同的。相复励励磁系统是根据同步电机基， 波磁势和电势的相互关系来设计励磁系统的，将励磁系统的电压分量与电流分 量进行相量相加，使之输出的励磁电流符合发电机的要求。因此，相复励系统 设计较为 方便， 也很容易 使得励磁系统复 励特性在d 轴和q 轴电 枢反应时都符 合励磁的要求。显然，在这一方面，三次谐波励磁不如相复励励磁，但是由于 三次谐波励磁的复励特性不需要增加外部器件，并具有很好的内反馈特性和强 励性能，而被广泛使用。因此，研究三次谐波与励磁匹配，使三次谐波励磁系 统具有较好的相复励特性，无疑是有很大意义的。由于磁路的饱和特性，电 机 实际上是一个非线性系统，前面的基于线性理论的分析只能大概了解三次谐波 的 状况。 考虑到电 机的 磁路饱和， 尤其电 机d 轴和q 轴的 交叉饱和，当q 轴磁 势作 用在电 机上， 将会引 起q 轴磁路的 饱和， 从而使d 轴的 三次此谐波磁密下 降，抵消交轴磁势的助磁作用。如果电机设计得当，三次谐波励磁可以获得很 好的相复励特性。 1 2. 4三次