（电机与电器专业论文）带整流负载时多相同步发电机运行行为的研究.pdf

华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t b a s e do nm ee i 辨n v e c t o r so f 也ei n d u c t a n c em a t r i x ，t h e b 船i c e l e c t r o m a g n e t i c r e l a t i o n s h i po f a4 3 p h a s es y n c h r o n o u sg e n e r a t o rw i m4 s t a rb a l a i l c c d 、 ，i n d i n g ss h i 舶d 15 。i sd e s c r i b e d ，a n dt h ec h 盯a c t e r i s t i c so fi t se l e c 仃i ch a n n o i l i cp o t e n t i a la r e 锄_ a l y 加d b y p r o c e s s i n gm ef h d 锄e n 协lc u r r e n t 锄dh a 咖o n i cc u r r e n t so f a cs i d es e p a r a t e l y ，t l l ed q o l u m p e dp a r a m e t e rm o d e li se s t a b l i s h e dt od e s c r i b et 1 1 es t e a d y - s t a t ec h a m c t e r i s t i c so f t h i s t y p eg e n e r a t o r an e wc o n c e p tm a t r i x ，w h i c hc a nb eu s e dt op r e s e n tm er e c t m c a t i o n m o d e l s ，i sp r o p o s e d ，a i l dt h eg e n e m is t a t ee q u a t i o nf o rs i m u l a t i n gm ep e r f o r n l a i l c e so f t h e s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r - r e c t i f i c a t i o ns y s t e m i sd e r i v e d an e w a 1 2 e b r a i cm e t l l o d t oc a l c u l a t em e e n d w i n d i n gl e a k a g ef l u ) 【o f m l l l t i - p h a s ee l e c t r i c m a c h i n ei sp r o p o s e d ，a i l ds o m ee q u a t i o n sa r eg i v e nb a s e do nt l l eb i o t s o v al a wt h i s m e t h o dc a nm a k et 1 1 ec a l c u l a t i n gp m c e d u r em o r es i m p l y ，m o r ea c c 啪t et h 锄锄yo t l l e r a l g e b r a i cm e t l l o d s t h en u r n e r i c a lt e c 城q u eo f d i r e c t l yc o u p l i n gm ee q u a t i o n so f t r 孤s i e n te d d y - c u n n tf i e l d a n dc i r c u i t si ss t u d i e d ，a n ds o m ep r o b l e m sa b o u ti t su s a g e si nt l l e1 2 p t l a s es y f i c h r o n o u s g e n e r a t o 卜r e c t i f i c a t i o ns y s t e m 盯es o i v e d am e t l l o d ，w i l i c hl l s e s 2 df i n i t ce i e m e n t t e c l l l l i q u et oc a l c u l a t em em a g n e t i cf i e l do fs l o ts k e w e de l e c m cm a c l l i n e 。i sd i s c u s s e df o r t h ef i r s tt i m e s o m ec a l c u l a t i n ge x a m p l e sd e m o n s 仃a t et h a tm i sm e m o di se 伍；c t i v e t h e s t e a d y s t a t ep e r f o h n a n c e s o f m u l t i p h a s es y n c h r o n o u sg e n e r a t o r s 锄dt l l e i r r e c t m c a t i o ns y s t e m sa r ea n a l ”e d ，a 1 1 dt i l e i r e q l l i v a l e n tc i r c u i tm o d e l sa mc o n s 协j c t e d b a s e do nm e s e m o d e l s ，m es t e a d y s t a t ev o l t a g e a n dc u r r e n tw a v e f o m sa n dt h e i r h a r m o n i c sc a nb ec a l c u l a t e db ya n e w l yp r o p o s e da l g e b r a i cm e t l l o d 1 1 1 eo p e r a t i o n a ls t a b i l i t yo f s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r - r e c t 墒c a t i o ns y s t e mi ss t u d i e d ：a l l v a r i a b l e so ft h e s y s t e ma n dt l l e i r c o r r e l a t i o n sa r ea n a l y z e di nd e t a i l e du n d e rm i c r o d i s t u r b 锄c e ，t l l el i n e a rd i f r e r e n t i a le q u a t i o na b o u t 也ed c s i d ea v e r a g ec u n n ti sd e r i v e d t h es t a b i l i t yc r i t e r i o no ft h er e c t i f i c a t i o ns y s t e mi sg i v e na n dr e a s o n a b l ye x p l a i n e d a l l p a r 眦e t e r sm a tm a y h a v ei n n u e n c e so ns y s t e m ss t a b i l i t ya r ec a l c u l a t e da n d 锄a l y z e d ，锄d t h e i rm g e sf o ras t a b l er e c t i f i c a t i o ns y s t e ma r eg i v e n f i n a l l y ，t h e p a p e re x p l a i n sw a y a 1 1 d h o wt h ep a r 锄e t e r sa h b c ts y s t e m ss t a b i l i t m 1 ( e yw b r d s ：m u i t i p h a s es y i l c h r o n o u sg e n e r a l o rr e c t i f i c a t i o ns y s t e mf i n i t ee i e m e n t e l e c t r o m a g i l e tf i e l de d d y c u r r e n ts t a b i l i t yh 蚴o n i c s a l l a l y s i s i i 华中科技大学博士学位论文 1绪论 摘要本章概述了多相整流同步发电机的发展现状，总结比较了多相同步发电机整流 系统理论分析方法及其特点，分析了这类系统理论研究及应用中存在的问题针对这 些问题，提出了本文的研究重点，简述了其研究的目的和意叉，最后介绍了本文的主 要研究内容 1 1 多相整流同步发电机的发展现状 随着大功率整流器件的迅速发展，直流电可以通过整流方式由交流电源方便地获 得，传统的换向器式直流发电机由于所存在的机械换向问题，已逐步被整流同步发电 机所代替。目前，整流同步发电机已广泛应用于直流输电系统、各种牵引车辆、船舶、 邮电通信、飞机高压直流电源，风力发电以及军事等领域。整流同步发电机作为交流 发电机的一种特殊形式，愈来愈受到广泛的重视。 从供电方式上分，整流同步发电机可以分为间断供电和连续供电两种类型。间断 供电的整流同步发电机( 如脉冲功率发电机) ，在电磁发射、自由电子激光、准分子 激光、核聚变、材料表面处理、强脉冲磁场杀菌等方面都有一定的应用：尤其是用于 军事目的的强脉冲功率发电机及其整流系统是各类新概念武器( 粒子柬武器、激光武 器等) 发展所必备的基础性设施，倍受各国军方的重视，纷纷投入大量的财力和人力 进行研发。法国于七十年代就制造出容量为1 3 0 m w 的带整流负载的脉冲发电机。我 国七十年代末也研制成功8 0 m w 脉冲交流发电机( 采用六相双y 移3 0 。相带定子绕 组) 经不可控整流后，作为核聚变装置电源【2 l 。脉冲功率发电机正不断向小型化、强 功率化方向发展。 对于提供连续直流电的整流同步发电机而言，希望其输出较为平滑的直流电压。 为此，人们做过大量的研究工作。早在1 9 2 4 年，f w m a x s t a d t 就提出了一种用于高 压直流输电系统的三角波整流发电机1 1 4 1 ，希望将三个三角波电压经整流后得到无脉冲 的直流电压，但由于交流侧所使用的升压变压器的电感滤波作用，使得所希望的谐波 分量受到影响而发生畸变，这种尝试最终未获得预期的效果。文献、【1 卿对整流发电 机定子绕组的接法作了研究，提出了一种环型接法的定子绕组，各相绕组的连接处有 一个抽头外接整流器；据说，电机相数较多时，环型接法可以使部分谐波得到利用， 其单位材料的有效出力要比y 型接法的绕组高。然而，定子绕组采用环型接法时， l 华中科技大学博士学位论文 一方面，单个整流器所通的电流较大，这在过去难以实现；另一方面，单个整流器的 利用系数也较低，从而会使系统成本增加，这些早期的研究工作未能进行下去。 近年来对方波整流发电机的研究取得了一定的进展1 1 0 2 】。专门用于整流负载的方 波发电机，其空载电势为斜梯形波；负载运行时依靠电枢反应的作用来改善整流电压 的波形。改善的效果随负载的大小而变；由此可见，这种方波发电机较为适合固定的 整流负载系统，对于负载变化较大的整流系统，其效果不一定显著。 目前，整流同步发电机仍以y 型接法的三相为主流，并已向多相化发展，先后 出现了六相( 双y 移3 0 。相带) 、十二相( 四y 移1 5 。相带) 的整流同步发电机。 由于三相同步发电机整流系统所提供的直流电压脉冲系数大，电磁干扰性强，不能满 足某些特殊场合的用电需求，这类整流系统大多用于民事领域。五十年代， j e m c e l l i g o n 等人建议在大型汽轮发电机上采用六相( 双y 移3 0 。相带) 绕组【1 8 1 【1 9 1 ， 之后许多文献【6 1 7 1 介绍了这种绕组的理论研究及发电机带整流负载时所具有的 优点。七十年代，德国西门子公司研制生产出用于潜艇蓄电池充电的六相( 双y 移 3 0 。相带) 同步发电机整流系统【3 l ，这种整流系统由三相时的六脉冲整流增加到十二 脉冲整流，空载时直流电压脉动系数大为降低。八十年代末，德国p i l l e r 公司迸一步 生产出蓄电池充电用的十二相同步发电机整流系统装备常规潜艇，定子绕组由四个互 移1 5 。相带的y 型对称三相绕组构成，系统为二十四脉冲整流，空载直流电压脉动 得到进一步降低，供电品质有了十分显著的提高。九十年代，美国研制出波绕组移相 式的多相同步发电机整流系统用于军事目的。 七十年代中期，我国也开展了六相3 0 。相带绕组同步发电机的研究，并子七十 年代末研制成功8 0 m w 六相双y 移3 0 。相带绕组的整流同步发电机1 2 1 、【2 0 】1 2 2 】。八十 年代中期，又提出了采用十二相四y 移1 5 。相带绕组的同步发电机整流系统1 2 】。九 十年代末研制成功用于常规潜艇蓄电池充电的十二相( 四y 移1 5 。相带绕组) 同步 发电机整流系统。 目前，多相( 六相、十二相) 同步发电机整流系统多用于军事领域。但随着众多 要求独立直流供电系统的场合对用电品质要求的不断提高以及这种电源系统价格的 下降，多相同步发电机整流系统必将取代有换向器的直流发电机供电系统。随着其应 用领域将不断扩大，对多相同步发电机整流系统的研究也将不断深入。 表1 1 给出了空载相电势为标准正弦波形时，三相( 单y 接法) 、六相( 双y 移 3 0 。相带) 、十二相( 四y 移1 5 。相带) 的同步发电机整流系统所提供的直流电压的 谐波数据。 2 华中科技大学博士学位论文 表卜1 多相同步发电机整流系统的谐波数据 谐波数据 相数纹波系数 # 2 6p 1 2f 1 8垆= 2 4- c 3 0i c 3 6v 亡4 2f 4 8 35 7 1 1 4 0 o 6 2 o 3 5 o 2 2 o 1 5 o 1 1 o 0 8 7 5 9 3 5 601 4 0 0 o 3 5 0 0 1 5 0 o 0 8 7 1 4 5 4 1 2oo oo 3 5 0o0o 0 8 7 o 3 6 2 1 2 多相同步发电机整流系统的理论研究方法 对多相同步发电机整流系统进行理论研究可以采用的方法有：谐波分量法、状态 变量法以及“场一路”耦合法。 1 2 1 谐波分量法【3 】_ 1 2 】 谐波分量法是分析交流电机及其系统最常用的传统方法。其基本思路是首先利用 傅立叶级数将电机系统中周期性变化的非正弦量分解为一系列的正弦量或余弦量之 和，之后分别对各次谐波分量的作用结果进行求解，再利用叠加原理将所求的结果进 行合成。交流电机及其系统中需要分解的非正弦周期量一般指气隙磁场和绕组电流。 对于提供标准正弦波形电压的普通三相同步发电机，为了减少空间磁场的谐波分量， 一般将电机气隙做成非均匀的，理论分析中常假设气隙磁场为一标准的正弦基波分 量，从而简化分析过程，此时的分析方法又称为基波分量法。 谐波分量法的优点是可以利用电机的基波参数以及等效电路来求取谐波分量的 作用结果，分析计算中所需的参数也容易获得；另外。谐波分量法较为简单，容易理 解和掌握，仅考虑基波磁场时，其计算过程较为简单；同时由于它是一种解析方法， 分析计算结果对不同的电机系统具有一定的类比性和普遍的参考性。 谐波分量法的主要缺点是计算结果误差较大。一方面由于此方法是建立在叠加 原理基础之上的近似方法，仅适用于线性系统，而电机中存在着磁路饱和等非线性因 素，因而得到的结果只能是近似结果；另一方面，谐波分量法的计算过程原则上应该 考虑到无限次谐波分量，但实际计算过程中所取的谐波次数是有限的，因此，求解精 度与计算过程中所取的谐波次数有关，所取的谐波次数越多，其计算精度般越高， 但计算量也随之加大。对于整流同步发电机而言由于所提供的是直流电压，有时会 3 华中科技大学博士学位论文 采用均匀气隙，空间磁场中所含有的较强谐波分量在分析计算过程中必须加以考虑， 此时计算过程将变的较为复杂，甚至无法进行。其次，谐波分量法比较适合于电机系 统稳态性能的分析，难以用于动态过程的计算。 目前，对同步发电机整流系统进行理论分析已较少采用谐波分量法。 1 2 2 状态变量法 状态变量法是一种数字仿真法，它是随着计算机的广泛应用而出现的新方法。其 基本思路是用计算机对电机系统的状态方程直接进行求解，给出电压、电流、转矩等 量的波形以及其它一些特性曲线。 与谐波分量法相比，状态变量法有着十分明显的优点。首先是计算精度有了较大 的提高。由于是对系统状态方程直接求解，无须对变量进行谐波分解和叠加：同时， 此方法可以对电机中磁饱和以及其它一些非线性因素可以进行线性化处理，减少了误 差因素。其次，状态变量法不需要进行坐标变换，数学模型的建立以及状态方程的列 写过程较为简单、直接，所给出的结果是电机系统中各量的实在值。另外，它不仅可 以计算系统的稳态特性，也可以计算系统的动态特性。由于状态变量法所具有的优点， 近年来倍受重视，并不断完善。近年来，有关整流同步发电机内容的文献中，较多地 采用这一方法口6 h 【3 3 】i 【3 4 】【3 5 】。 状态变量法主要缺点是其计算精度受电路模型以及有关参数准确程度的影响较 大，而有些参数不容易准确地获得。由于本方法把电机内的电磁场问题当作路的问题 来处理，需要建立电路模型，并计算有关参数，虽然部分参数可以采用有限元数值方 法进行计算，但这又增加了计算的复杂性。其次是此方法需要编制复杂的仿真计算程 序，工作量大，计算过程长；而且计算精度与求解步长有关，一般说来步长越小越精 确，计算工作量也越大。最后，由于状态变量法所给出的是数值结果，因此对不同电 机系统而言，其类比性和参考性较差。 1 2 3 “场一路”耦合法 “场一路”耦合法是近年来出现的分析电机系统行为特性的又一新数值方法。其 基本思路是将求解电机内电磁场的有限元数值方程与外电路方程、电机系统的运动方 程直接联立，并用计算机进行求解。 上述介绍的谐波分量法和状态变量法都是把电机内的电磁场问题当作路的问题 来处理，无法考虑定、转子齿槽对电机特性的影响，也不能较好地处理磁路饱和非线+ 4 华中科技大学博士学位论文 性因素。准确的电机特性计算应以电磁场的分析计算为基础。最为精确的方法是直接 求解实际电机内的电磁场。一般说来，对于求解多媒质和非线性媒质的各类工程电磁 场问题，有限元方法是强有力的工具。电机电磁场的有限元分析中，常采用电流源激 励，而实际的整流发电机系统中，电流源为未知量，它们不仅取决于电机内部电磁场 分布，而且取决于各绕组所联的外部电路。因此，必需引入电路方程或运动方程，此 时，电机行为特性的仿真计算实际上是一个“场一路”耦合计算问题。系统各部分之 间的联系和边界条件的建立采用路的方法作简化处理，丽电机内的气隙、绕组导体和 铁心，则采用场的方法求解。 “场一路”耦合法较好地考虑了铁磁介质的非线性因素、集肤效应以及电机绕组 空间分布和定、转子齿槽气隙不均匀等因素的影响，计算精度有了很大的提高。“场 一路”耦合法不仅可以求解电机系统的稳态特性，也可以对系统的动态特性进行仿真 计算。但“场一路”耦合法也需要编制复杂的仿真程序，计算量大、计算时间长，过 程十分复杂：对复杂多变的电机系统而言，需要作不同剖分处理，使用有些不够灵活、 方便。同状态变量法一样，“场一路”耦合法所给出的也是数值结果，对不同电机系 统来讲，不具备很好的类比性和参考性。 目前，在求解多相同步发电机整流系统闯题方面，尚未见到有文献使用过“场一 路”耦合法。 上述介绍的三种方法各有优缺点，可以根据具体情况选用。一般说来，对电机系 统行为特性的一般规律性特点进行理论分析时可以选用谐波分量法，而对某一具体系 统行为特性进行精确计算时，则可以选用状态变量法或“场一路”耦合法。 1 3 多相同步发电机整流系统理论研究中所存在的问题 由于实际应用的需要，对多相同步发电机整流系统的研究由来已久，特别是近二、 三年来，不少文献介绍了有关多相同步发电机及其整流系统方面的研究进展。其中关 于三相的内容最多，六相的较少，十二相的更少。研究的内容大部分集中在整流系统 的稳态行为特性方面，也有一些在系统的动态特性、电路模型以及整流系统的稳定性 等方面作了研究。 文献隅h 1 2 】在假设了同步发电机为理想电源的条件下，对三相同步发电机整流系 统的一般稳态特性进行了研究，文献”1 则对交流侧的谐波特点进行了分析。文献f 3 6 】、 列介绍了在三相同步发电机整流系统电路模型方面所做的工作。其中文献l l 】柳在分析 - 一 s 华中科技大学博士学位论文 了其稳态运行特性的基础上，论证了在* 的条件下，可以将三相同步发电机等效 - 为一个理想正弦电压源与一个电抗* 三生三土相串联，简化了带整流负载时三相同步 z 发电机的电路模型；文献l3 6 】则给出了考虑电流中低频分量时的电路模型。文献【2 6 】采 用了状态变量法对定子绕组采用三角形接法时的三相同步发电机整流系统的稳态特 性进行了数字仿真计算，给出了定、转子电流以及转矩波形。在三相系统的动态特性 方面，有的则介绍了系统发生故障( 如交流侧突然短路) 时的瞬变稳定性【4 0 】【4 ”有的 则分析了系统由于引入转速和励磁反馈出现的振荡问题【7 j 口文献【2 0 j 巾5 l 、i 删在六相( 双 y 移3 0 。相带) 同步发电机整流系统的稳态特性、突然短路特性方面作了理论和实 验研究。文献【2 】对十二相四y 移1 5 。相带绕组交流发电机及其整流特性进行了研究， 文献1 3 】、【1 0 6 卜【1 0 9 1 则对十二相( 四y 移1 5 。相带) 同步发电机及其整流系统的数学模 型、换相电抗、非平衡短路、数字仿真等一系列问题进行了理论和实验研究。 低频振荡现象是多相同步发电机整流系统在应用中所出现的一个实际问题。人们 发现：带反电动势负载的单机运行系统和带普通负载的多机并联运行系统容易发生低 频电流振荡现象；隐极同步发电机与凸极同步发电机相比，稳定性要差。文献【 】首次 对三相同步发电机整流系统的稳定性问题作了分析研究，经简化给出了系统稳定运行 的条件：x ：，2 ，但此条件一般电机均无法满足。文献【2 3 】较为全面地介绍了六相双 y 移3 0 。相带绕组同步发电机整流系统的试验研究工作，文中首次发现六相整流同 步发电机并联运行时存在低频振荡现象。文献【2 8 j 【2 9 】【3 川对三相整流系统所进行的试 验研究也证明了这类整流系统存在低频振荡问题，并指出采用三相凸极同步发电机 时，整流系统的稳定性比采用隐极时的要好。文献f 3 l 】吲对三相发电机整流系统的运 行稳定性进行了详细的理论分析和实验研究，给出了系统的稳定判据，指出系统稳定 与否主要取决于电机参数和负载特性，并提出通过减小x 。和增大x ：的方法可以改善 系统的稳定性。文献1 3 】介绍了一些有关同步发电机整流系统稳定性的研究工作，给出 了系统的稳定判据，解释了整流系统振荡的机理，并提出了改善系统稳定性的措施。 这些研究工作提高了人们对多相同步发电机整流系统稳定性的认识水平，并起到一定 的实际效果。 综合来看，对多相同步发电机整流系统的理论研究中尚存在下列主要问题。 1 3 1 整流系统的电路模型、数学模型问题 6 华中科技大学博士学位论文 电路模型、数学模型是对多相同步发电机整流系统进行理论分析和研究的基础。 ， 与并联于大电网的普通三相同步发电机不同，多相整流同步发电机所带的是非线性负 载，运行过程为一超瞬变过程，其电路模型、数学模型也将不同于普通三相同步发电 机。文献啡8 1 在分析研究三相同步发电机整流系统的等效电路模型时，将换流和导 通两种状态分开处理，所给电路模型中某些变量的数值难以进行计算。六相( 双y 移3 0 。相带) 、十二相( 四y 移1 5 。相带) 同步发电机及其整流系统的等效电路模 型是否和三相的类似? 它们的谐波特点又如何? 数学模型如何建立才能便于系统运 行特性的分析? 有些文献在六相( 双y 移3 0 。相带) 、十二相( 四y 移1 5 。相带) 同步发电机整流系统所进行的稳态运行特性的数字仿真计算中，得到与实际情况不完 全相符的交流侧电流波形，这是否与所采用的电路模型、数学模型有关? 同样，基于 这样的电路模型和数学模型所进行的关于三相同步发电机整流系统稳定性问题的研 究也无法得出比较完整的结论。因此，多相同步发电机整流系统的等效电路模型、数 学模型是一个需要深入研究的课题， 1 3 2 多相交流电机端部参数的计算问题 采用状态变量法或二维“场一路”耦合法对多相交流电机及其系统进行数字仿真 时，常常近似估算甚至忽略电机端部漏感系数，使计算精度受到一定的影响。准确计 算定子绕组端部漏感系数较为困难。理论上可以采用三维有限元法，但此方法十分复 杂，而且当电机容量不大时，由于其端部绕组布置的不确定性，此方法的效果不一定 太好。解析法的误差不仅源于边界条件的简化过程，而且源于计算过程本身；基于毕 奥萨法定理的直接积分法，所计算的是绕组端面内某点的磁密，迸一步计算磁通 量时必须将绕组端面分块处理，这实质上是累加积分法，一方面计算工作量非常大， 另一方面由于通电导体周围的磁场较强且此处不易进行分块处理，计算结果存有相当 ，大的误差。工程上常采用近似经验公式计算三相交流电机端部参数，误差较大，且对 于多相交流电机( 如六相、十二相) 不便采用此方法。因此，随着多相交流电机的不 断发展，迫切需要一种较为简便、实用、误差又不大的方法来计算多相交流电机的端 部漏感系数。 1 3 3 “场路”直接耦合法在多相同步发电机整流系统中的应用问题 作为分析电机系统行为特性的一种数值新方法，“场一路”直接耦合法近年来受 到广泛重视。尤其是二维“场一路”耦合法，其算法比较成熟，计算量相对较小，加 华中科技大学博士学位论文 上计算机速度的提高，对电机系统稳态以及动态特性的仿真计算有着良好的效果。“场 一路”直接耦合法已成功应用于一些电机系统的问题求解，如异步电动机和同步电动 机的问题【4 s 】、【叭。 然而，“场一路”直接耦合法尚未在多相同步发电机整流系统理论分析和研究中 得到采用，使用上的一些具体问题还需进一步研究，诸如电机运行时的剖分问题、动 态感应电势的计算问题、整流器的导通规律问题、非线性二维瞬态涡流场的定解方程 和场一路耦合方程的建立问题、以及考虑定子斜槽时同步发电机整流系统的场一路耦 合方程的建立问题。对于十二相( 四y 移1 5 。相带) 同步发电机及其整流系统而言， 发展时间短，理论分析的经验还很不足，而且由于其所带的非线性负载，电机运行过 程为一复杂的瞬态过程。因此，采用“场一路”直接耦合法来分析十二相同步发电机 整流系统的行为特性，研究并解决这一方法的具体应用问题，具有重要的理论和实际 意义。 1 3 4 多相整流同步发电机的波形分析以及谐波计算问题 。 整流同步发电机从三相( 单y 接法) 发展到六相( 双y 移3 0 。相带) 、十二相 ( 四y 移1 5 。相带) ，十分明显的优点是直流电压的纹波系数进一步减少，供电品质 进一步提高。然而也出现了一些新问题，如采用桥并接法时，随着相数的增加，交流 侧相电流波形会变差、谐波含量进一步变高，功率因数变低等，这些问题至今没有得 到比较合理的解释。因此，必须对多相同步发电机整流系统展开深入的理论研究工作， 对其电压、电流波形进行分析，并对谐波进行计算比较，提出改善交流侧相电流波形、 提高功率因数以及效率的措施。 通过数字仿真法来求取整流同步发电机稳态运行时的电压、电流波形、并进行谐 波计算是一种有效的途径。但是，数字仿真法需要编制复杂的仿真程序，计算量大、 时间长，过程较为复杂；尤其是“场一路”直接耦合法，前处理的剖分工作量大，对 。 复杂多变的电机系统而言，需要作不同剖分处理，使用有些不够灵活、方便。因此， 迫切需要一种简便、实用的分析计算方法。 1 3 5 多相整流同步发电机整流系统的稳定性问题 带反电势负载的单机同步发电机整流系统和带普通负载的多机并联运行系统容 易发生低频电流振荡现象。与运行于大电网的普通三相同步发电机不同，整流同步发 皂塑鱼主堕堂堕韭垡笪堑塑! 墨篓整塞丝坌堑坌壅壅：占整堡型丝二些塞堕塑旦生 8 华中科技大学博士学位论文 发电机整流系统的稳定性问题作了大量的研究工作，并给出了相应的系统稳定性判据 和条件，有的也提出了改善系统稳定性的措施。这些研究工作提高了人们对多相同步 发电机整流系统稳定性的认识水平。 然而在实际应用中，当他们提出的这类条件满足时，系统仍可能存在振荡问题； 而当这类条件不满足时，系统也可能不振荡；另外，实践中还发现，电机系统的振荡 有时是区域性的，例如在不同的励磁段或不同的负载电流段。这说明影响多相同步发 电机整流系统稳定的因素要复杂许多，系统的稳定与否不是一个简单的参数判据就可 以判断的。分析原因发现，人们研究同步发电机整流系统的稳定性问题时，有的建立 不了正确的数学模型，有的则把焦点集中在发电机或负载电路的个别参数上，分析过 程中作了过多的简化，甚至忽略了一些影响稳定性的必要因素，使得对这类系统振荡 的本质没有得到全面的认识。因此，深入研究同步发电机整流系统的振荡问题、正确 揭示其稳定性规律，具有十分重要的理论和实际意义。 1 4 本文的主要研究工作 本文在全面总结了多相同步发电机整流系统现有的理论及应用研究成果的基础 上，针对上一节所提到的问题，对多相同步发电机整流系统的行为特性进行了比较深 入的理论分析和数值研究，使得其中的一些问题得到合理的解决。 全文共有八章，各章的主要研究内容如下： 第一章概述了多相整流同步发电机的发展现状，总结比较了多相同步发电机整流 系统的理论分析方法，分析了这类系统理论研究及应用中存在的问题。针对这些问题， 提出了本文的研究重点，简述了其研究的目的和意义。 第二章描述了十二相( 四y 移1 5 。相带) 同步发电机在a b c 坐标系统中的基本 电磁关系，分析了感应电势的谐波特点；建立了d q o 坐标系统中最小参数集合的稳态 数学模型；给出了整流系统的等效电路；提出了整流导通模式矩阵的概念，推导了用 于十二相( 四y 移1 5 。相带) 同步发电机整流系统行为特性仿真的一般状态方程。 第三章对多相交流电机端部漏感系数的进行了计算与测量。在用气隙电流代替气 隙的作用，用镜像电流代替铁磁媒质的作用，把电机端部磁场问题简化为均匀空气媒 质中磁场问题的基础上，根据毕奥一萨法定理，对交流电机端部磁场作了进一步分析， 推导出了定子线圈磁通量的有关计算公式，并对一台十二整流同步发电机端部的自感 互感系数进行了计算和测量。 第四章研究适用于整流同步发电机行为特性仿真的非线性二维瞬态涡流“场一 q 华中科技大学博士学位论文 路”耦合数值方法，内容包括：运动电机的“气隙滑动面”变步长等距剖分法，非线 性二维瞬态涡流场的定解方程，动态感应电势的计算，“场一路”耦合方程的建立， 非线性方程组的牛顿一拉斐逊迭代格式等。本章还对定子采用斜槽时电机内电磁场的 计算进行了研究，提出了采用二维有限元技术计算斜槽电机电磁场的方法，建立了斜 槽电机系统的非线性二维瞬态涡流“场一路”耦合方程。 第五章采用了非线性二维瞬态涡流场有限元技术对十二相( 四y 移1 5 。相带) 整流同步发电机的空载电势波形进行了计算。采用了电磁场数值方法对凸极同步发电 机阻尼绕组的作用进行了计算研究，找出了阻尼绕组节距对空载电势波形的影响规 律；对定子采用斜槽时电机内的电磁场以及空载电势波形进行了仿真计算，分析了斜 槽对齿谐波电势的削弱作用，得出了与谐波磁导分析法完全相同的结论。验证了二维 有限元技术计算斜槽电机内电磁场的可行性和有效性。 第六章对三相、十二相同步发电机整流系统的稳态运行特性进行了分析，给出了 它们的实用等效电路图；首次提出同步发电机整流系统稳态运行特性的解析计算法， 导出了计算公式，并给出了其计算方法和计算步骤，简化了这类问题的求解过程；同 时由于是对系统中的微分方程进行了直接解析求解。因此计算精度比数值求解的状态 变量法要高。 第七章对具有反电势负载的同步发电机整流系统的稳定性进行了研究。给出了稳 定性分析的基本关系式，分析了系统在微扰条件下各量的变化情况，建立了判别系统 稳定性的代数方程，给出了系统稳定的判据，并对此进行了合理的解释；采用数值法 对影响系统稳定性的参数进行了计算研究，得出了与实际情况完全相符的结论，对各 种参数影响系统稳定的原因进行了深入的分析。揭示了同步发电机整流系统的稳定性 规律。 第八章全面系统地总结了本文的研究工作。 l o 华中科技大学博士学位论文 2 十二相( 四y 移15 。相带) 整流 同步发电机的基本运行原理 摘要本章描述了十二相( 四y 移1 5 。相带) 整流同步发电机在a b c 系统和d q o 系统的 基本电磁关系，建立了合理的数学模型，分析了定子相绕组感应电势的谐波特点，并 给出了整流系统的等效电路；提出了整流导通模式矩阵的概念，推导了用于同步发电 机整流系统行为特性仿真的一般状态方程 2 1 基本假设条件 为分析方便，假设： 1 发电机为凸极电机，且气隙磁场是正弦分布，即忽略空间谐波磁场； 2 - 忽略电机铁心的饱和、磁滞、涡流的影响以及导体的集肤效应，并不考 虑温度及频率对参数的影响； 3 转子阻尼绕组等效为一个直轴阻尼绕组和一个交轴阻尼绕组。 正方向的选择如下： 电压、电流正方向的选择为：定、转子回路均按发电机惯例： 磁链正方向的选择为：正方向的定子电流产生正方向的磁链：转子磁链与定子磁 链方向相同，并且正方向的转子磁链由正方向的电流产生。 转子旋转方向选为逆时针方向，d 轴起始位置位于a ，相绕组轴线上 领先d 轴正方向9 0 。电角度，如图2 1 所示。 m h 鼍 j g 轴正方向 图2 _ 1 定子绕组轴线与转予绕组轴线相对位置 一一 1 1 华中科技大学博士学位论文 2 2a _ b c 系统的基本方程 令电机定、转子绕组的磁链、电流、电势及电压矩阵形式分别为： 帜= k 眠】7 ； ”= h p ，j 5 f ，。1 ； ，。】7 ； i = k 、i 、i o o 、t 、l 、i 、 i 一、1 t t = 【j ，ok 】： t = k 气气气气气气气巳，气气t r ； q = 【0 o o t “。= b 。“h “。，“山“b “。“。“b “。“山“b “。1 7 ； q = k ，oo 】t o 2 2 1 磁链方程和电压方程 电机磁链方程和电压方程分别为： 阱一p 阡删 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 式中：曰= 纰( ! ：! ，) ，、协憎、分别为定予相绕组、励磁绕组、直轴 间的互感系数矩阵 1n 卜l m h k m 1jk 器 ； 批 b 庐 阻 m 够 帆盛的托忆雠吆吆蚝缴蚝蘸 2 华中科技大学博士学位论文 陬厶d 厶= lo 厶di = 上铆+ 匕为转子绕组的电感系数矩阵，各量均为常数： l o o k j l - l m ，lm 口_ ( m s l - ll ，m l m b i n m 。| ，| mr ll ，| “ m “m m tm m b h | mh * | mh k | m m tm j | m j k l m o l | m * m lm l k | m b 3 。| mb lm b ；? | m m m m | m _ i m m | m k | m b mb m mb m 。m m m m 2m m 2m m 2 m b mm - m i | n m t m m lm m t l m 2m 。b 2m m b ml b m6 k m tm ；ll m m m 2m o b ：m m s mmb m 2mb | 。2 m m 2m 。n 1m m 2 m nm b m m - nmb n2 m b m m mm m m t m 。mm m lm m 3 m mb m 3 m b t 日 m 3m m m ；m m 。mm m lm m b h im 1 imb k | m m tm 。b 3m l n nm m lm l | n m s t nl m 3 m k ” m 。i nm 。b il = k | m ，。nm m ， m b h im t m | mb m m | m m 3m m m tm ，。m m i m b | h m b tm - l ， m - i “mn t m m m tm m i m “ m - l mh m mb h m 。| ，。m m m d “m m 。m 。k 。 m b * m m mb m 4 m 。m 。m 。 l ，m “m - ，t m l - m m h i m 。m l 为定子绕组的电感系数矩阵。 由于十二相电机常采用集中整距绕组，互感系数中不含槽互漏感项；y = 磊为定子 绕组相邻两个y 之间的互移电角度。绕组电感系数各量的形式为： ( 1 ) 定子绕组电感系数矩阵 t 。，2 0 + 0 + 厶+ 厶c o s 2 【目一( 1 1 驴】 厶。= o + o + 厶+ 厶c o s 2 【目一( f l 砂一娶1“：i ，2 3 ，4 ) z 钿= o + + 厶+ c 。s 2 【口一( 卜1 p + 警】 t w = = ( 。+ k ) c 。s “一，驴+ 厶c 。s 2 p 一( f 一1 ) ，一等州 = m 棒= ( 。+ 厶) c 。s ( f j ) ，+ 厶c 。s 2 【臼一( f l p 一等，一芋】 “j = l z3 4 ；f 力 m 。= k = ( ，+ 厶) c o s ( f 一，) ，+ 厶c o s 2 p 一( f 一1 ) ，一掣，。+ 车】 zj m 旷2 心c o s 【驴寺】+ 驷s 2 叭f _ 1 ) ，一等，一争 = 心。吨+ 厶) c 。s 胁加一孕+ 驷s 2 【州f _ l 妒一等州 ( f 川，2 ，3 ，4 ) m w 2 也2 u 。圳c o s 【o 一肌一孕+ 驷s 2 咿_ ( f - 1 ) ，一等，+ 予 华中科技大学博士学位论文 。t 。分别为定子绕组的槽自漏感系数和端部自漏感系数；由于端部漏感系数很小，为 便于处理，认为各相绕组之间的端部互漏感系数近似等于端部自漏感系数与各相绕组相 位差余弦之乘积；厶、：分别为定子绕组气隙部分的自感平均值和二次谐波幅值。 ( 2 ) 定、转子绕组之间互感系数矩阵 f r = = 勺c o s 【秽一“一i ) y j 。= 气= 毛c 。s 【口一a 1 ) ，1o = 1 ，2 3 4 ) 【 气= = m ，s i n 口一( f 1 ) y 】 m f ，m 。，m 。分别为励磁绕组、直轴阻尼绕组以及交轴阻尼绕组轴线与a l 相绕组轴线 重合时，单位a 。相绕组电流所产生的磁链； m b f = m 嘲，m 甘= m “譬r 号趣蒋民i 专m 嗵f - 蕊 3 、如t f 3 l m 6 “= m m ，肘= m 分别落后于 2 3 、4 冗3 ； | | l f 脚= f 一， f 呻= 吖州分别落后于 f m 2 兀3 、4 3 。 ( 3 ) 转子绕组电感系数矩阵的各量形式为： f 如= 锄+ 0 、l = l 俩+ l * tl # = l m 【= 厶扣十0 其中：皇卯，岛扣分别为各绕组对应气隙部分的自感系数；k ，0 ，0 分别为各 绕组自漏感系数。 2 2 2 十二相整流同步发电机稳态运行时相绕组中的谐波电势分析 根据2 1 中的假设条件，电机空载相电势可表示为如下形式： ( 2 3 ) 打一，拓一， 一 + r ， r 一 一 一 0 o 0 一 一 一 口 p 口 ； m m ，m s s s 0 o 4 e e e i l l l f 咐 蚴 时 已 p p 华中科技大学博士学位论文 式中：e 。= 国肘矿，为励磁电流等于，时，定子绕组的空载相电势之幅值。当电机带 整流负载后，定子相电流中含有谐波分量，其形式可用下式表示： ( ；二? ：x 。，= 。，l ，2 t 。； 2 4 i f - l ，2 ，3 ，4j 式中：。、丸分别为女次谐波电流之幅值与相位。将定子电流代入转子磁链方程，并将 转子电流分解为恒定分量和交变分量，即： i ? = l ? + i + 其中：t = ，o o 】7 ，屯= 【0 0 】7 ，= 。由2 1 中转子电流正方向的 假定，经整理得： ”= j j l t t + 0 t = ”：+ 妒i + 屯 ( 2 5 ) 其中： 一 心 豫= i i k j 一争4 州s i “码 。之4 “s i n 鸲 2 ”1 o 一：4 “c