带整流负载的同步发电机设计特点

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带整流负载的同步发电机设计特点

李保来 兰建军 汾西机器厂发电设备研究所，山西太原

摘 要 通过对同步发电机带整流负载工况和带传统交流负载工况的对比分析，归纳了带整流负载的同步发电机的设计特点及方法。 关键词 同步发电机 整流 直流电源
中图分类号TM341文献标识码A文章编号1008—7281【2005】04—0004—05 Design Characteristics 0f Synchronous Generator with Rectifying Load Li Baolai and Lan Jianjun Abstract Through comparison analysis of the operation conditions of the synchronoHs generator with rectifying load and with traditional ahemative current load，the design characteristics and methods of synchronous generator with rectifying load are summed up． Key words Synchronous generator，rectifying-direct current supply．

1 引言 随着电力电子技术的飞速发展以及大功率电力传动系统的广泛应用，对大功率直流电源的需求也越来越多。作为独立直流电源的传统形式的换向器式直流发电机，由于受换向问题的限制以及其结构复杂、维护工作量大等缺点，逐步被带桥式整流输出的交流同步发电机所替代。因此同步发电机带整流负载的运行方式越来越普遍，已广泛应用于舰船电力推进、铁路牵引、石油钻探、邮电通讯、电站励磁等领域。 近年来出现的直流输电系统使得大型电站主发电机也处于带整流负载的运行方式。负载性质的变化给同步发电机的设计提出了新的课题。传统的交流同步发电机设计主要针对线性的对称交流负载，而整流负载是非线性的，电机运行也处于不对称运行状态。传统的某些电机设计方法、计算公式已不再适用于这些特殊工况，否则将导致计算误差增大，甚至会导致错误的计算结果。因此系统地分析研究同步发电机带整流负载的运行工况，有针对性地对该工况下的同步发电机进行专门设计非常必要。

2设计方面的主要区别

2．1所追求的性能指标不同 传统的交流同步发电机所追求的主要是交流输出电能品质，如输出电压电流的正弦性、稳态动态性能等，电机的相数、频率、转速等也有严格的要求，多为三相工频、转速要求严格同步。而带整流负载的同步发电机主要追求输出直流电能品质，如输出电压纹波、直流动静态性能等，对电机的相数、频率等一般不作具体要求，电机转速也没有传统同步发电机要求那么严格，甚至某些场合如铁路机车牵引、主机副轴驱动等场合下电机转速需在较大范围内变化。
2．2设计输入参数不同 由于二者所追求性能的不同，导致电机设计输入参数不同，传统交流同步机的设计输入参数一般为容量、额定电压、额定电流、功率因数、转速、频率、相数等基本参数，设计时可直接依据这些给定参数进行电磁设计计算及性能核算。带整流负载发电机的设计输入参数一般为直流侧电压、电流、转速等，这些给定数据不能直接用于电机设计计算，需要将直流侧的数据转化为交流侧数据后才能进行电机设计。
2．3电机类型不同 由于二者所追求性能的不同，对带整流负载的同步发电机，只要能获得优异的平滑直流电，电机有较高的出力和运行效率，不一定选用传统的三相正弦波同步电机，在以下的论述中可以看到，采用多相方波电机可获得比三相正弦波电机更优异的直流输出性能和更高的材料利用率。

2．4设计内容及方法不同 传统交流同步机设计是根据给定设计输入参数完成电机本体设计，其设计方法和计算程序已非常成熟。带整流负载的同步发电机的设计是根据给定的直流侧参数完成发电机和整流器的设计，属于系统设计。由于系统的性能与电机、整流器均有很大关系，因此设计时必须将发电机与整流器作为—个整体来综合考虑，从而使设计变得更为复杂。又由于整流负载的非线性、换流效应、不对称性等特殊性，使得数学模型成为时变系数微分方程，要求在设计方法、性能核算等方面进行有针对性地研究，必要时采用计算机数值分析和仿真。

3 设计特点

3．1电机类型的选择 如前所述，整流发电机只要能输出稳定平滑的直流电，电机出力和效率高，不一定非采用传统的三相正弦波交流电机。首先采用正弦波电机对整流后的纹波并无好处，相反，为了减少整流电压脉动，最好选用平顶波形的发电机。另外传统的正弦波发电机中，为了使电势波形为正弦，不得不把电枢绕组设计成分布和短距绕组，与集中整距绕组比，分布短距绕组铜的利用率仅为85％~95％。又由于正弦波电机气隙磁场基本上为正弦波分布，电机铁心只有靠近正弦波尖顶处的约1／3部分近于饱和，显然铁心的利用率也不充分。综上所述，整流发电机选用正弦波电机不仅不利于减少直流脉动，从提高材料利用率和增加电机出力方面考虑也并非最佳选择。 那么何种电机波形才是最佳选择呢?文献【l】详细论述了整流发电机波形优化理论。因篇幅所限，这里仅将其主要论点和结果引入本文。
3.2 电机计算功率的确定在转速一定时，电机的主要尺寸和有效材料用量取决于电机的计算功率，因此在电机设计时，首先应确定其计算功率，从而确定主要尺寸。传统电机计算功率可根据给定的额定输出功率推算出其电磁功率即计算功率，而整流发电机却不能直接将直流输出功率(直流侧电压与直流的乘积)作为电机输出功率用传统方法推算其电磁功率，因为对整流发电机来说，并不是每相绕组在整个周期内伴随着相电势的产生都连续输出电流，而是只在某相绕组导通时，该相绕组才有电流流过，因而该绕组在此期间有功率输出，在其它时间虽然电势不为零但电流为零，因而在此期间无功率输出，也就是说整流发电机在某一时间只有导通相的绕组出力，而截止相的绕组均处于”闲置”状态，这就导致电机的容量不能充分利用，因此在输出功率相同的条件下，整流发电机必须比传统交流电机的计算功率大。设整流发电机直流侧额定电压、电流分别为Udc、Idc,则整流发电机直流侧输出功率PDC=Udc·Idc (7) 交流侧输出功率为 PAC=PDC+△U·Idc (8) 式中，△U__整流电流通过的所有整流器件的总压降。忽略电机内阻抗压降时PAC即为电机的电磁功率，由电机学知识可知.


4结束语
同步电机带整流负载的运行方式近年来得到越来越广泛的应用。而对这种发电机的设计大多仍沿用传统的设计方法，虽然有些文献对该种电机的设计运行进行了一些探索，但大多只针对其中的一个方面，缺乏全面系统的研究，当然这些文献对本文的论述奠定了坚实的基础。笔者通过对大量有关文献的学习，结合本人设计实践，成就本文，希望能对同行有所帮助。
除本文论述的方面外，带整流负载的同步发电机尚有许多方面与传统电机不同，如电枢反应磁势为“步进”性质，从而使电磁转矩出现脉动(详细论述参见文献【2】)；电枢反应及励磁计算也需作专门考虑；同步电机带整流负载时可能会出现低频功率振荡，需采取相应措施予以消除(详细论述参见文献【3】、【4】)；因换相也将带来谐波、电磁兼容等问题；另外很多整流发电机运行于变速工况由此也带来设计方面的问题(详细论述参见文献【1】)。由于篇幅所限，本文不可能将这些作详细论述。这些问题可参考有关文献。

参考文献
[1] 王凤翔编著．交流电机的非正弦供电．北京：机械工业出版社，1997．
[2] 高景德，王详珩，李发海著．交流电机及其系统分析．北京：清华大学出版社，1993．
[3] 马伟明．十二相同步发电机及其整流系统的研究．清华大学博士论文．1995．
[4] 王志华，解锦辉．带整流负载的同步发电机的运行稳定性．中国交流电机调速传动学术会议论文集．1999

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submarine78

顶一下,我认识两位作者

chenwei521500

这个东西我比较熟悉  我做过这个

yhzyhz

感谢楼主分享,

yuanjinfeng

感谢楼主分享,

xinjing

这个东西我比较熟悉  我做过这个
chenwei521500 发表于 2009-5-17 17:19

                               
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想请教一下，对于这些非线性负载，引起的发电机输出波形的变化，有没有好点的改善方法？谢谢

标准答案

顶一下!
两位作者我也认识.

wishbird

好东西，收藏了

辛元珍

两位作者我也很熟,这样的电机我们也设计过

wang5188

不错，顶一下

zh2206

今年做爪极发电机，这个问题也困扰我蛮久了，用ansoft外电路算的时候也觉得有些问题，但是还没弄清楚具体是3D网格划分的问题还是外电路的原因。。。这篇文章要好好拜读下

笑脸男

这个是论文    分享下

jackyqu

谢楼主分享