凸极发电机交轴和直轴的超瞬变电抗分析

摘要：超瞬变电抗是解析凸极同步发电机发生三相对称短路损坏的重要参数。它的具体解析方法是超导体闭合回路磁链守恒法和电路突然短路法。借助电磁有限元解析软件，分别选取磁链守恒法和短路法，计算了斯坦福发电机样机的超瞬变电抗，分析结果贴近实验参数，具有较高的精确度。

      发电机是通过电磁感应发生电流的能量切换装置。发电机详细通过在转子周围设置固定磁极，并利用转子旋转步骤中感应线圈的磁通量变化发生感应电流。有刷旋转磁极式（凸极）同步发电机的构成详细由定子和转子两部分组成。

      发电机选取机械换向，磁极不动，线所示。发电机作业时，线圈和换向器旋转，磁钢和碳刷不转，线圈电流方向的交替变化是随发电机转动的换相器和碳刷来完成的。在有刷发电机中，这个流程是将各组线圈的两个电源输入端，依次排成一个环，相互之间用绝缘材料分隔，构成一个象圆柱体的东西，与发电机轴连成一体，电源通过两个碳元素做成的小柱子，在弹簧压力的作用下，从两个特定的固定位置，压在上面线圈电源输入环状圆柱上的两点，给一组线）相量图

      相量图如图2所示。相量是在电路中分析正弦电路稳态响应时提出的一个概念发电机厂家排行榜前十名，在一定场合他就代表正弦量，相量法将描述正弦稳态电路的微分方程变换成复数代数方程，从而简化了电路的分析和计算，是分析正弦稳态电路响应的重要程序。

      功角可以理解为定子磁场与转子磁场之间的夹角，功角是一个角度，发电机额定正常运行功角通常在30°左右，在0～90°之间功角越大发电机功率越大，但超过90°发电机外界受到扰动后就处于不稳定状态了，对于有自动调节励磁设备的发电机因为受暂态磁阻的影响发电机的功角特征曲线产生偏移，功角可以大于90°稳定运转。功角特性曲线、发电机的构造

      定子主要由铁芯、绕组和机座三部分构造，是发电机电磁能量转换的关键部件之一。

① 定子铁芯：定子铁芯一般用0.35～0.5mm厚的硅钢片迭成，冲成一定的形状，每张硅钢片都涂有绝缘漆以减少铁芯的涡流损耗。为了防止在运行中硅钢片受到磁极磁场的交变吸引力产生交变移动，同时防止因硅钢片松动在运行中发生振动而将片间绝缘破坏致使铁芯发烫和危害电枢绕组绝缘，于是，在制造发电机时电枢铁芯通过端部压板在底座上进行轴向固定。

电枢铁芯为一空圆柱体，在其内圆周上冲有放置定子绕组的槽。为了将绕组嵌入槽中并减小气隙磁阻，中小型容量发电机的定子槽一般选取半开口槽。

② 电枢绕组：发电机的电枢绕组由线圈构造。线圈的导线都选取高强度漆包线，线圈按一定的规律连接而成，嵌入定子铁芯槽中。绕组的连接方法一般都采取三相双层短距迭绕组。③ 机座：

机座用来固定定子铁芯，并和发电机两端盖形成通气道，但不作为磁路，因此要求它有足够的强度和刚度，以承受加工、运输及运转中各种力的作用，两端的端盖可支承转子，保护电枢绕组的端部。发电机的机座和端盖大都选取铸铁制成。（2）转子

      转子主要由发电机轴（转轴）、转子磁轭、磁极和集电环等组成。如图4所示。

① 发电机轴：发电机轴（转轴）详细用来传递转矩之用，并承受转动部分的重量。中小功率同步发电机的发电机轴一般用中碳钢制成。

发电机的磁极铁芯一般采用1～1.5mm厚的钢板冲片迭压而成，然后用螺杆固定在转子磁轭上。励磁绕组套在磁极铁芯上，各个磁极的励磁绕组一般串联起来，两个出线头通过螺钉与转轴上的两个互相绝缘的集电环相接。④ 集电环：

集电环是用黄铜环与塑料（如环氧玻璃）加热压制而成的一个坚固整体，然后压紧在发电机轴上。整个转子由装在前后端盖上的轴承支承。励磁电流通过碳刷和集电环引入励磁绕组。碳刷装备一般装在端盖上。      对于中小容量的同步发电机，在前端盖装有风扇，使发电机内部通风以利散热，减小发电机的温度。中小型同步发电机的励磁机有的直接装在同一轴上；也有的装在机座上，而励磁机的轴与同步发电机的轴用带连接。前一种结构叫“同轴式”同步发电机，后一种组成叫“背包式”同步发电机。

      电励磁同步发电机是常用的交流发电机，短路是发电机较多发的运转故障。所有短路故障之中，又以三相对称短路所产生的危害较大，如果短路电流的峰值大到一定值时，将会在发电机内部产生非常大的电磁力，从而损坏发电机，因而计算三相对称短路电流具有重要的实际目的。计算短路电流就必须知道发电机交轴和直轴的超瞬变电抗，于是精确计算发电机的交轴和直轴电抗具有实际目的。选用数值计算的方法来求取精确参数，是近些年来国内外学者研讨的热点，我国的学者在这方面所做的研究也很多，但仍然还有许多问题还没得到很好的解决。

      随着科技的进步和发展，基于有限元的电磁场解析软件越来越多，MAXWELL就是其中一个。发电机超瞬变电抗计算方式的核心理论就是依据发电机内部电磁场理论，把超导体电路在变化瞬间具有磁链守恒的特质引入有限元分析当中，来模拟发电机的瞬间工况无锡康明斯发电机有限公司。发电机是非超导回路，其中的磁链和电流在暂态过程应当是衰减的，但在突然短路的初始瞬间，可以认为磁链和电流是守恒的。

      发电机产生三相对称短路瞬态，三相绕组磁链必有一初值，短路后，转子励磁在定子绕组中发生的主磁通仍然按照正弦规律变化，根据磁链守恒机理有：定子三相绕组中的总磁链应维持初始值不变，因此其中必然发生新磁链来维持初始值不变。这个新磁链必定是由定子感应电流发生，且新磁链必定含有交流分量来抵消转子在定子绕组中发生的正弦量，同时也含有直流分量来维持磁链初始值不变，因此定子感应电流中也有交流分量和直流分量。

      定子绕组发生的新磁链有交流分量和直流分量，它们进入转子后，会使转子磁链发生变化，但是转子磁链也要守恒，因此转子绕组也会感应两个电流维持磁链不变。定子交流分量相对转子为恒定的去磁磁场，因此转子中会感应直流分量来抵消去磁；定子直流分量相对转子为交变磁场，因此转子会感应交流电流，发生交变磁场来维持磁链不变。为了维持转子磁链守恒，电枢反应磁通都被“挤”到阻尼绕组和励磁绕组的漏磁路上了，因此超瞬变电抗很小，短路电流将会很大。

      发电机在轴向具有连续性，并且在截面上具有对称性，于是只要建立一个二维的1/6模型就能满足要求，发电机构造参数如表1所示。

参  数        

极对数           

定子槽数       

（1）通过MAXWELL软件的有限元解析，得到发电机全载时的场图和A相电流波形图，如图5（a）所示。

（2）等A相电流稳定后，利用MATLAB软件对其进行FFT解析，得到各次谐波含量，如图5（b）所示。

（3）发电机空载时的场图和反电动势波形如图6（a）所示。（4）利用MATLAB软件对反电动势进行FFT解析，得到各次谐波含量，其中基波幅值为382.1V，如图6（b）所示。

      为了解析方便，让发电机转子初始位置与D轴线重合，再把转子绕组短接，并且固定转子，也就是给转子赋予零速度。这样，根据定子电压方程，我们只需给三相绕组赋予适当的电流，使得合成磁动势与A相轴线重合.便可得到直轴超瞬变电抗；保持三相电流大小不变，让转子初始位置与Q轴重合，就可以得到交轴超瞬变电抗。超瞬变电抗计算公式如下：

为定子某相反电动势有效值，I?为与E?同一相的定子电流基波幅值。      为了保证定子合成磁动势与A相轴线重合，令IA=Imsin(100πt)，lB=l

=200 A。（1）发电机转子与D轴重合时，以A相为例，其场图和反电动势波形如图7（a）所示。（2）利用MATLAB软件对反电动势进行FFT分析，得到各次谐波含量，如图7（b）所示。图7（b）中反电动势基波幅值为8.9726V。这时，可计算直轴超瞬变电抗Xd”=EO/l

（3）利用MATLAB软件对反电动势进行FFT剖析，得到各次谐波含量，如图8所示。当反电动势基波幅值为6.3596V，这时康明斯发电机组价格一览表，可计算交轴超瞬变电抗Xq”=EO/lO=0.031798 Ω。      不论是从交轴超瞬变电抗解析，还是直轴超瞬变电抗场图中都可以看出，电枢反应磁通无法够进入转子绕组和阻尼绕组，只能从它们的漏磁路中流过，这验证了前面解析的正确性。

      短路法就是模拟发电机在正常作业时突然产生定子三相绕组对称短路，且之后发电机仍然维持额定转速不变的一个方法，这方法较之磁链守恒法也有一个特点，就是能够模拟发电机实际作业时的饱和工况情形。发电机初始位置在A相轴线为模拟解析流程中定子A相电流波形。

      短路后，由于电路中电阻的存在，电流开始衰减，超瞬变分量衰减很快，最后变成稳态分量，对电流波形进行包络处置，得到超瞬变短路电流，如图10所示。从包络处置曲线可以看出，超瞬变短路电流幅值Im”=8523.4 A，根据空载剖析有：E

      把磁链守恒法和短路法仿真剖析结果与实验参数比较，如表2所示。

从表2可以看出，无论是磁链守恒法还是短路法，仿真结果都有很好的精确度，误差都在5%以内，能够满足实际中的工业需求，尤其是两种仿真方法对直轴超瞬变电抗的解析结果很接近，这也验证了方式的可行性。

      同步发电机的超瞬间电抗是发电机运转性能的一个重要数据，它的大小直接影响着发电机抵抗故障电流冲击的能力，因此获得它的准确值具有重要的实际意义。本文运用有限元解析软件，应用两种方法分别求取发电机的超瞬变电抗，计算精度很高，两种方式互相验证，并且都具有较强的通用性，可以应用在其他类型的发电机诸如永磁同步发电机等的超瞬变电抗的求取上，也可以获得较高的精确度。