西莫论坛研讨会第十五期——无刷同步发电机的设计特点

标准答案

    关于同步电机相信学过电机的同学们都不陌生，大多数同步电机为旋转磁极式，即定子（也称电枢）与异步电机相同，都属交流电机的电枢，其内圆周均匀布有三相绕组，转子上布有磁极，根据主极产生磁场的方式不同，又分为电励磁同步电机和永磁同步电机。电励磁同步电机的转子上布有励磁绕组和阻尼绕组，永磁同步电机转子上布有永磁体。电励磁同步电机多用于发电机，而永磁同步电机多用于电动机。当然也可将电励磁同步电机用于电动机，永磁同步电机用于发电机，只不过这种用途不是太普遍。这是为什么呢？这可作为本次研讨会的一个讨论话题，希望同学们后续跟帖讨论。
    我们说了，电励磁同步电机多用于发电机，我们日常所用的绝大部分电能都是同步发电机发出的。大型火电厂、水电站、核电站中的主发电机，都采用同步发电机。那些发电机单机容量很大，动辄数十万千瓦，最大单机容量可达一百余万千瓦，这些都属大型发电机，火电厂、核电站用的发电机以汽轮机为原动机，转速通常为3000r/min，水电站里的发电机以水轮机为原动机，转速较低，多为每分钟数十转至数百转。
汽轮发电机和水轮发电机是大型发电机的两个典型门类，有其专门的设计规范和标准，不属本期研讨会讨论范围。
    本期研讨会讨论范围仅限于功率在数十千瓦至数兆瓦，以柴油机、小型蒸汽轮机或燃气轮机以及小水电的水轮机为原动机的中小型同步发电机，这种发电机组主要作为辅助、应急，移动发电机组，即可并网运行也可脱离电网独立运行，是电网电源的补充或应急特定的用途和使用场合，使得此类发电机具有特定的设计特点，这也是本期研讨会重点研讨的内容，我先抛砖引玉，希望同学们踊跃参与讨论和补充，有什么具体问题，也可提出来供大家讨论。

标准答案

     先说无刷同步发电机的基本结构，众所周知，同步发电机通常定子为电枢，定子铁心内圆周布有三相绕组。转子上布有磁极，根据转子结构不同，有隐极式和凸极式两种转子结构，转子上有励磁绕组和阻尼绕组。早期的同步发电机转子的励磁电源通过两套滑环碳刷装置引入转子励磁绕组，由于存在摩擦电接触，使得发电机故障率较高，且需要经常维护。随着电力电子技术的飞速发展，目前的中小型同步发电机多以无刷励磁方式为主。
     如何实现无刷呢？必须要有一个与转子同轴旋转的直流励磁电源方可实现，但简单地将一个普通的直流电源直接固定在转轴上是不行的，因为电源随轴高速旋转时无法实现对励磁电源的控制。为此科研人员就想出了再用一个小发电机作励磁电源，这个小发电机称为励磁机，励磁机其实也是小同步发电机，为了使励磁机的输出与转子同步旋转，需要将励磁机的电枢作为转子并与主发电机的转子同轴安装，励磁机的磁极作为定子。由于励磁机也是一个同步发电机，转子电枢输出的是三相交流电，而主机的励磁需要直流电，因此还需要有一个整流器将励磁机输出的三相交流电整成直流电输入到主机励磁绕组中，不言而喻，这个整流器也必须与转子同步旋转，因此也必须把整流器固定在转子上，成为旋转整流器。
     总结一下，上面的内容就是无刷同步发电机其实包括两个同步发电机，转子同轴安装，用于实现发电功能的成为主机，为主机提供励磁电流的成为励磁机。主机是一个旋转磁极式的同步发电机，励磁机是一个旋转电枢式的同步发电机，主机转子与励磁机转子（电枢）之间通过旋转整流器联结，关于无刷同步发电机的结构框图和实物图见下图。【图片来自网络，如有侵权速与论坛联系，另外第3张图片中编辑的文字解释部分为原图内容，不代表本人观点】
     如前所述，励磁机是一个旋转电枢式的同步发电机，其磁极位于定子上，励磁机也需要励磁电流（称副励电流），好在副励电流位于定子上，这样就可以方便地通过控制副励电流来间接地控制主机的励磁电流（简称主励磁电流），以实现整机各项性能和运行工况的要求。提供副励磁电流的装置称为励磁系统，励磁系统是无刷同步发电机的重要组成部分，由于无刷同步发电机的运行工况和应用场合复杂，对励磁系统的要求也非常苛刻，这也是此类发电机不同于火电、核电、水电发电机最主要的区别，因此也是本次研讨会重点研讨的内容。

标准答案

     讲中小型无刷同步发电机的设计特点，应首先知道无刷同步发电机的工况和应用场合与大型发电机的不同，才能针对其不同的工况和应用进行有针对性的设计，那么中小无刷同步发电机与大型发电机在运行工况和应用场合方面究竟有什么不同呢？不同点主要有以下几点：
     1.大型发电机是国家电网的主力电源，单机容量极大，单机以百万千瓦为主，多以汽轮机和水轮机作为原动机，运行工况全部为并网运行。而中小型发电机则多用于辅助电源、应急电源、移动电源，电机容量较小，电机容量从数十千瓦至数千千瓦不等，多以柴油机、小型汽轮机和燃气轮机作为原动机，有并网运行、多机并联运行、离网独立运行等多种运行工况。
    2.大型发电机基本能够保持三相对称运行，即使负载有少许不对称，对于单机容量巨大的大型发电机而言，其不平衡度也是可近乎忽略不计。但中小型发电机却不然，其负载不平衡工况是经常会出现的，甚至有些独立运行的发电机会带较大的单相负载，直接从中性点引出零线将单相负载施加于相电压上。
    3.许多移动发电机组没有固定的机房，多安装于车载、船舶等移动载体上，运行环境有冲击、振动、摇摆、倾斜、湿热、高温、风沙等恶劣条件。
    4.大型发电机输出首先进入升压变电站，经多次升压、降压才能到用电负载，各类变电站的继电保护都很完善，从业人员都是训练有素的专业人员进行运行维护。而中小型发电机组输出直接面对用电负载，各种复杂的负载工况加之用电单位及运维人员素质参差不齐，因而经常会发生操作不规范，过载、超速、不对称运行、突加突卸负载、负载短路等情况频发。
    以上运行工况和应用特点决定了中小型发电机必须在设计时予以充分考虑。

标准答案

     接下来就言归正传，讲一讲中小型无刷同步发电机的设计特点。声明一下：无刷同步电机作为一种电机，必然符合电机设计的一些常规理论和设计方法，既然说这种电机的设计特点，就是指常规的设计方法和规范不多赘述，指着重说与其他电机设计不同的地方。先说电机本体的设计，电机本体包括主机和励磁机，与其他电机设计一样，首先是电磁设计，主机的电磁设计特点有以下几点：
    1.主要尺寸的确定
主要尺寸包括电枢直径和铁芯长度，学过电机设计的同学们都知道，电机的主要尺寸与电机的容量和转速有关，无刷同步发电机当然也符合这些电机设计基本理论，因此无刷同步发电机的主要尺寸确定与其他电机没有太多的差异，好在现在搞电机设计并不是从零开始，通常是已经有一个基本的系列型谱作为基础，在此基础上进行扩充规格或优化设计，因此关于主要尺寸的确定这里不多赘述，在你原来的型谱中选择容量接近，转速相同的机型作为基础机型，进行类比选择即可，实在不行也可选择容量相近、极数相同的异步电机作为参考初步确定主要尺寸。这里需要提出的是，根据冷却方式的不同选择适当电磁负荷，通常对于IP23自然风冷、IP54空水冷的发电机电负荷A大概在300~600A/cm，电流密度J大概在6~8A/mm2，热负荷A•J大概在2000~3500（A/cm）•（A/mm2），磁负荷（气隙磁密）B大概在0.75~0.9T，这样选取不会离谱。
    2.主机定子绕组的设计
主机定子绕组为三相交流绕组，可参照常规电机三相绕组的设计进行，为了保证输出电压波形的正弦性，可采用短距、分布、分数槽等常规绕组设计方法。为了消除齿谐波，斜槽设计是无刷同步发电机常用的措施。
需要特别强调的是，由于有些应急发电机组有时直接从中性点引出，在相绕组上直接带单相负载，可能会存在较大的不平衡负载，导致中线电流较大，更重要的是如果相电压中存在三次谐波，就会在单相负载中存在大量的三次谐波电流，而三相中三次谐波电流是同相位的，三相三次谐波电流均会流经中线，使得中线电流极大，甚至超过相线电流，导致中线烧毁，若有些单相负载带电容补偿（如日光灯），则三次谐波电流会更加严重！我们就曾在某大型商场和许多鱿鱼钩船（负载主要是集鱼灯）的发电机上多次遇到过烧中线的情况。因此对此类应用的发电机，除了要将中线截面设计得足够大，还要不仅保证三相线电压波形的正弦性，相电压的正弦性也必须保证，特别是相电压中不能含有三次谐波（虽然相电压含有三次谐波，线电压也不会含有三次谐波）。如何才能做到相电压中不含有三次谐波呢？将电枢绕组设计成2/3节距即可彻底消除相电压中的三次谐波。因此对常带单相负载的发电机采用2/3节距绕组是常用的措施。
   3.电抗参数及短路比
电抗参数包括稳态电抗xd、xq，也包括瞬变电抗xd’xq’ xd’’xq’’，由于现代电子技术和控制技术水平的提高使得发电机的励磁系统性能显著提高，为了降低产品成本，中小型无刷同步发电机的同步电抗xd通常设计得比较大，其标幺值在0.2~0.5之间，相应的短路比较小。由于中小型无刷同步电机经常发生突加突卸负载，为保证负载突变时不致发生过大的电压波动，需要将瞬态电抗xd’xq’ xd’’xq’’设计得比较小，特别是船用电机，船级社规范对此性能要求非常苛刻设计时应格外注意。
   4.阻尼绕组设计
阻尼条数一般为每极4~10根，阻尼条总截面积通常为定子绕组总截面积的20%~30%。需要特别指出的是，阻尼条节距应严格避开定子槽距，要么阻尼条节距小于定子槽距，为0.8~0.9倍定子槽距，要么大于定子槽距，为1.1~1.2倍槽距，否则会导致输出电压波形严重畸变，齿谐波奇大，我们就曾在这方面吃过大亏，废掉了三台3MW的转子。
   关于电磁设计就先抛这些砖头，总之在电磁设计方面此类电机的特殊点不多，也不是本研讨会研讨的指点，以后想起来再补充，也欢迎有玉的同学赶紧砸过来！

标准答案

    关于结构上设计，无刷同步电机与普通的同步电机没有太大的区别，主要在以下几个方面予以特殊考虑：
    1.充分考虑运行环境和负载条件，在机壳防护、通风散热以及绝缘结构的“三防”性能方面加以考虑，确保发电机能够满足要求的环境条件和运行工况。
    2.机械结构方面应认真校核受力件的机械强度和刚度，如转轴、机座、定子铁心与机座的固定结构、转子铁心与轴的固定结构等，强度校核时应采用短路时的最大瞬时转矩作为施加的载荷进行校核。定转子绕组端部及转子绕组的极间固定的机械强度应按照超速时的离心力和突然短路时的最大瞬态电流进行校核。
    3.中小型无刷同步电机多以柴油机作为原动机，柴油机属往复式内燃机，其输出转矩会随气缸布置方式和缸数的不同而呈现不同频率的脉动，而无刷同步电机的转子像串糖葫芦一样在一根轴上串有主机转子、旋转整流器、励磁机转子、风扇等多个零部件，每一个转子零部件都有转动惯量，这样每个旋转零部件之间都会有一个扭转振动的共振频率，为避免与柴油机成套机组后轴系发生扭转共振，必须对配套的原动机共同组成的轴系进行扭振计算，必要时应调整转动零部件的转动惯量。

标准答案

关于励磁机的设计
      同轴带交流励磁机是无刷同步发电机的突出特点。励磁机的合理设计是无刷同步发电机最重要的设计特点之一。交流励磁机是一个旋转电枢式的同步发电机，其电枢位于转子上，励磁机的设计很有讲究，这首先要从励磁机的运行特点及主机对励磁机的要求说起。
     1.励磁机的负载特点
   （1）励磁机的三相输出经旋转整流器为主机提供直流励磁。因此励磁机的负载是一个整流负载，整流后直流侧所接的是主机励磁绕组，它是一个大电感和电阻串联性质的负载。由于大电感的续流作用使得励磁机的三相绕组电流存在换相的重叠，导致励磁机功率因数降低，直流侧电压随负载电流增大而有所损失。
   （2）在主机负载大范围变化时，主机所需的励磁电流也会大范围变化，而主机励磁绕组为一固定的电阻性负载，因此当励磁电流变化时，励磁电压也会随之大范围变化，这就意味着励磁机的工作点，不仅电流会大范围变化，而且输出电压也会大范围变化。造成励磁机磁路饱和程度会随之大幅变化。
   （3）发电机运行时的温度变化会使得主机转子绕组电阻的变化，从而也会影响励磁机的工作点。
     2.主机对励磁机的要求
   （1）由于无刷同步发电机的励磁电流控制是通过控制励磁机的励磁（副励）电流来间接实现的，为了提高可控性和控制精度，希望主机励磁电流与副励电流之间存在线性关系，最好将励磁机看作一个线性电流的放大器，通过控制较小的副励电流来控制较大的主机励磁电流。
   （2）在发电机发生突加、突缺负载等瞬态过程时，希望励磁机能快速响应，以提高整机的动态性能，因此要求励磁机的时间常数应尽量的小。
   （3）在主机发生短路故障时，应具有强励维持能力，一般要维持（3~5）倍短路电流持续3~5秒，这就要求在强励过程中励磁机输出的电流和电压都很大，励磁机不应严重饱和和烧毁。
    3.励磁机的设计要点
知道了上述励磁机的工况和技术要求，接着说一下励磁机的设计要点：
   （1）为了满足输出电压大范围的变化和主、副励电流的线性度要求，励磁机的磁路设计应不饱和，一般励磁机在主机额定负载时的气隙磁密不超过0.5T，热态下主机短路电流为3~5倍额定电流时所需的励磁电压下，励磁机磁路工作点处于其空载特性的拐点附近。
   （2）为提高整机的动态性能，减小励磁机的时间常数，励磁机的极数通常选得较多、频率较高。约为主机频率（工频）的3~5倍。因为提高励磁机的频率可使绕组匝数减少，电感降低，从而减小时间常数。
   （3）励磁机的气隙通常取得比较小，以减小其励磁电流的空载分量，提高主、副励电流的线性度。
   （4）励磁机的极数尽可能不要与主机极数成整数倍的关系，因为如果成整数倍，当主机发生三相突然短路时，某相绕组及整流管会始终流过最大峰值电流而首先损坏，关于这一点还希望大侠们参与深入研讨。
   （5）励磁机电磁设计时应循环迭代校核换相重叠角。

标准答案

关于励磁系统
励磁系统是无刷同步发电机的重要组成部分，这里说的励磁系统不是指主机的励磁，而是指励磁机的励磁，即副励励磁系统，关于主机的励磁如前所述：由同轴的励磁机经旋转整流器共同组成无刷励磁结构，在此不再赘述。励磁机同样是一个旋转电枢式的同步发电机，其励磁绕组在定子上，它也需要励磁，为励磁机提供励磁（副励）的部分称为励磁系统。励磁系统由励磁电源和自动电压调节器（AVR）两部分组成。励磁电源的功能是为副励提供能量来源；AVR的功能是对励磁电源输出的励磁电流进行精确的控制，以满足发电机各种运行工况和故障状态下的励磁电流需求。
先说励磁电源，我们平时常见的励磁电源包括电压源、电流源等，作为同步发电机用的励磁电源有其特殊的要求：
1.应具有足够大的容量，除了在发电机正常工作时提供额定的励磁电压和励磁电流外，当系统发生短路时，应能提供数倍于额定励磁电压的所谓顶值电压和强励电流，以维持发电机数倍于额定电流的短路电流，直至短路处保护装置动作。
2.发电机正常运行时，能够提供各种负载工况的所需的励磁电流。同步发电机的励磁电流与负载之间是什么关系呢？由电机学知识可知，当发电机空载时，产生空载电压U0正比于If0。当发电机带上负载时同步发电机的时空矢量图如下：

同步电机时空矢量图

此时转子上的励磁磁势（电流）为FfN(IfN),它由两个分量组成，一个分量为Ff0用来建立端电压，Ff0正比于端电压且与端电压垂直；另一个分量Ffi用来抵消电枢反应磁势，Ffi=-Fa，即正比于负载电流，且与负载电流反相位，二者合成FfN即为该负载状态下所需的励磁磁势（电流），由矢量图可见Ff0与Ffi的夹角为（90°-φ），其中φ为负载功率因数角。
试想如果能够找到这样一个交流电源（如下图）：其输出电流由两个分量迭加组成，一个分量正比于端电压，另一个分量正比于负载电流，且二者有90°-φ的相位差。那么这样一个交流电源经整流后作为同步发电机的励磁电源将是最理想的了。具有这种理想特性的励磁电源成为复合励磁电源（简称复励电源）。

理想励磁电源

即使找不到这样的励磁电源，电源的输出也必须能够覆盖上述要求，经过AVR的控制才能够满足同步发电机的励磁要求。
3.励磁电源应能够保证发电机可靠的起励，建立空载电压。

标准答案

    了解了同步发电机对励磁电源的要求，我们就可设法设计励磁电源了，对中小型无刷同步发电机而言，常见的励磁电源有以下几种：
    1.他励电源。用市电或蓄电池作为励磁电源。这种电源的输出不能达到前述两个分量迭加的要求，但应能覆盖前述的要求。其优点是发电机能可靠地起励，缺点是许多应用场合无市电或容量较大的蓄电池的条件。
    2.并励电源。即用发电机的输出作为励磁电源。直接从发电机输出端获取励磁功率，实现自励。这种电源同样不具备两分量迭加效应，但应能覆盖该要求。优点是简单可靠，缺点是起励需要发电机剩磁，起励不可靠。发生短路时不能实现强励。
    3.改进型并励电源。这种电源是在并励电源基础上，为克服不能实现强励的缺点，增加一组电流互感器作为强励电源。电机不发生短路时强励互感器不工作，只有短路时才快速投入强励电源。
    4.辅助绕组励磁电源。这种电源是在发电机的电枢上另外嵌放一套辅助绕组用于励磁电源，根据辅助绕组的节距不同由两种嵌放方式，一种是整距绕组，即辅助绕组节距与绕组相同或等于一个极距；另一种是三次谐波绕组，即辅助绕组节距为1/3极距。前者的性质与并励电源相同，后者则具有两个分量成90°-φ迭加的效果，是一种复励电源。正由于三次谐波励磁具有较好的复励效果。所以三次谐波励磁是中小型无刷同步发电机应用较广泛的励磁电源。至于为什么三次谐波具有复励特性，可自行查阅有关文献，也欢迎大家后续深入研讨。
    5.相复励电源。这种电源是人为设计搭建一种满足两个分量分别正比于端电压和负载电流且二者相位差90°-φ的交流电源；经整流后为发电机励磁，是最理想的同步发电机励磁电源。直接从端电压获取励磁功率，具有输出电流正比于端电压特性的称为并励电源，采用电流互感器获取正比于电枢电流与之迭加的励磁电源称为复合励磁电源，二者相位差满足90°-φ的称为相位复合励磁电源，简称相复励电源。其原理框图如下：
从端电压经电抗器L作为空载励磁分量（电压分量）If0， 设计电抗器的电抗值远大于励磁绕组的阻值，则I_f0≈U/X_L ，满足If0∝U，且If0的相位滞后于U 90°。
通过电流互感器CT直接获取正比于电枢电流I的复励分量Ifi∝I，且Ifi与I同相位，这样两个分量If0和Ifi的相位差即为90°-φ（相量图如图），这样两个分量迭加即可满足理想励磁电源要求。

    6.永磁副励磁机电源。也可在发电机同轴上再带一个永磁副励磁机作为励磁电源，其作用和特性与他励电源一样。这样可以有效地解决无他励电源条件的问题，因此这也是无刷同步发电机常用的励磁电源。

标准答案

关于AVR
自动电压调节器简称AVR，是励磁系统的重要组成部分。由于励磁电源的输出只是覆盖了发电机运行所需的励磁电流需求，即使是较为理想的相复励电源，受元器件的特性等因素影响也不可能做到完全理想。其提供的励磁电流也不可能做到非常精准，这就需要AVR来精确控制，AVR就是根据发电机的励磁需求精准地将励磁电源提供的“富余”的那部分励磁电流去除，以满足发电机在各种工况下的优异性能。
按信号处理方式不同，AVR由数字式和模拟式两种，模拟式AVR全靠硬件模拟电路实现控制功能，数字式AVR是采用专用控制芯片或嵌入式微处理器通过软件实现各种控制、通讯功能。
按工作原理来分，AVR有串联斩波式和并联分流式，对于并励、他励及三次谐波等电压源类励磁电源适合采用串联斩波式AVR，对于相复励电源适合采用并联分流式AVR。两种AVR与励磁电源的接线关系如图所示。

标准答案

AVR要想精确控制励磁电流，首先它要感知发电机的输出电压、电流及而二者的相位关系。这就需要有取样电路。取样电路通常是通过变压器或直接从发电机输出端测取电压信号，通过电流互感器测取发电机的输出电流信息，同时也测取了电压与电流的相位关系信息。
1 对于离网独立运行的发电机，通常需要保持发电机端电压恒定，不随负载电流的变化而变化。此类运行工况AVR的控制目标是使发电机端电压恒定。将取样电路所取得的端电压信号与给定值进行比较，将比较差值经PI调节器进行比例积分放大后用于控制斩波管的占空比，实现对励磁电流的精确控制，保证发电机恒压运行，
2 对于多台发电机并联运行工况，除应满足一定的电压调整率特性外，还要保证参与并联运行的各台发电机无功分配合理。这就需要AVR具有一定的无功下垂补偿特性，即随着无功功率的增大端电压有一定的下垂斜率。对数字式AVR可以通过软件计算出本台发电机所带的无功电流，根据所带无功电流控制励磁电流大小，使各台发电机无功分配合理。对模拟AVR则需要在取样电路中进行专门设计，使所取电压信号与无功电流信号迭加作为比较信号。常见的取样电路如图。
由图可见，送入比较器的取样电压ui为VW相线电压与U相电流在R上的压降iu•R迭加而成，由相量图可见，无功电流iuq在R上的压降与VW相线电压迭加后得到的uiq与无功电流大小相关性大，而有功电流iup在R上的压降与UVW迭加后得到的uip与有功电流相关性很小，不敏感。这就达到了取样只与无功电流敏感的目的。将无功电流因素合成后的端电压信号送入比较器与给定值比较，差值作为控制励磁电流的指令就可得到无功下垂的特性。


3 对于与大电网并联运行的发电机，由于端电压由大电网决定，本机的励磁电流只与上网的无功（功率因数）有关。因此AVR只能按照恒功率因数或恒无功进行控制。
通常无论什么类型的AVR都具有恒压、恒功率因数、恒无功和无功下垂的控制模式，具体采用哪种模式进行控制则需要根据发电机适用场合和运行工况而定

标准答案

      关于带整流负载的同步发电机设计特点
      随着电力电子技术的飞速发展，越来越多的同步发电机需要带整流负载，按整流负载的种类分，可分为不可控整流和可控整流。不可控整流负载是由整流二极管组成的整流桥，输出的直流电可直接供直流电阻性负载，也可供带有直流反电势的负载（如：为蓄电池充电或直流电动机等）。可控整流的负载通常指可四象限运行的变频器，它们的整流侧和逆变侧通常由全控电力电子器件组成整流或逆变桥，采用PWM进行控制。对于上述不同的负载状况，同步发电机需要有相应的技术措施予以适应。
     1.首先是整流负载属于非线性负载，特别不可控整流负载，具有强非线性特性，电流波形畸变严重，谐波含量很高，过高的谐波存在首当其冲的就是附加损耗增大，温升升高。因此在设计此类电机时，必须要充分考虑温升和效率问题，适当降低电磁负荷。通常带整流负载时，附加损耗要按输出功率的1~1.5%考虑温升计算。
     2.谐波电流带来的另一个危害是振动和噪声的增大，常见的是高频振动和噪声。电机设计时应针对各次高谐波引起的激励源进行噪声振动方面的仿真和模态计算。
     3.需要特别强调的是，对于不可控整流负载，由于整流桥臂的轮流导通，相应的绕组电流也是各相轮流导通，导致电枢反应磁势并不是均匀连续的旋转磁势，而是像石英钟的秒针一样，间歇地步进式地施加，从而导致转矩的脉动，其脉动的频率与电机相数有关，对三相全桥整流每个基频周期内会有六个脉冲转矩，为此必须对这种脉冲电磁转矩重点校核。如果发电机的原动机是往复式的发动机，如柴油机等，那么柴油机的缸数就与整流的脉冲转矩频率存在着共振的风险，必须进行详细的扭振计算，避免活塞发火的频率与整流发电机的脉冲频率形成共振。
     4.由于电力电子装置的PWM斩波会形成较高的电压尖峰，即dv/dt很高，过高的dv/dt会对电机的绝缘产生致命危害，因此对带整流负载的发电机必须采用特殊的绝缘结构，通常绝缘材料尽量采用无机材料如云母材料等，电磁线应采用所谓的“耐电晕”电磁线，最好在首次采用“耐电晕”绝缘结构之前，先对绝缘结构进行长时间的脉冲电压试验考核，以验证绝缘结构的可靠性。
     5.整流负载的轮流导通其实就是一种不对称运行，它会在电机中产生轴电压，另外高频斩波产生的高频dv/dt也是产生轴电压的重要原因。为避免高频轴电压产生过大的轴电流损坏轴承。容量较大的带整流负载的发电机，必须对轴承结构采取绝缘措施，必要时还要采取轴接地措施，以防止轴电流对轴承进行电蚀。

标准答案

      关于整流负载的同步发电机阻尼绕组
      同步发电机带整流负载时相当于频繁换相处于两相不对称运行，必然在阻尼绕组中产生电流，那么在这种情况下阻尼绕组的作用及存在的利弊如何呢？分以下几种情况来讨论：
      1.对于不可控整流且直流负载无反电势的情况。阻尼的电流使换相阻抗减小，从而减小了换相重叠角，整流后的直流电压随负载增大的损失较小。因此这种情况下阻尼绕组的存在是利大于弊的，有必要保留阻尼绕组。
      2.对于并联运行的同步发电机，阻尼绕组是具有消除振荡的作用，必须予以保留。
      3.同步发电机带整流负载后，直流负载带有反电势性质的负载，如为蓄电池充电。则根据有关文献研究，此时可能会出现低频功率振荡问题，在实际工程中也发现确实发生过振荡现象，以致于系统无法正常工作。进一步理论分析表明，发生这种现象与电机的阻抗参数及负载阻抗参数密切相关，马伟明院士当年的博士论文对此进行了详细的研究分析。在忽略掉一些次要因素之后得出一个稳定性判据，即当Xq<2Xd’时，在任意负载范围内都不会发生低频振荡，这一判据由于忽略了许多次要条件，作了大量简化推导，因此满足起来非常苛刻，但它为同步电机带整流反电势负载的稳定运行提供了一个设计方向，即设法增大Xd，减小Xq将有利于系统的稳定。因此在设计此类电机时应考虑加强交轴的阻尼，减小直轴的阻尼绕组，必要时专门设置大截面交轴阻尼绕组以防止振荡，凸极同步电机较隐极同步电机在稳定性方面是有好处的，对凸极同步电机的转子极靴形状进行优化，增大交轴磁路的磁阻有利于系统稳定。
      4.对于独立带四象限变频器的同步发电机，由于斩波频率较高，远大于基频，使得电枢电流的正弦性较好，如能有较好的滤波措施则与线性负载无异，可取消阻尼绕组，这样既可节约成本，也避免了阻尼绕组的附加损耗发热。

标准答案

      说说应用于核电里的应急发电机设计特点
核电应急发电机组是当核电厂发生故障或发生地震、战争等灾难情况，其他电源均失去作用时，才投入应急发电机组，为冷却设备供电，因此其要求的可靠极高，一旦应急发电机也出现故障将造成灾难性的后果。为此核电应急发电机有一套专门的严格的标准，        主要体现在：
      1.抗地震性能，机组应在强烈地震条件下正常工作，设计时应根据安装地点的地震烈度校核电机结构的抗冲击振动能力。
      2.耐核辐射性能，虽然应急发电机组不在核岛内安装运行，但由于它是在重大故障时投入运行，因此有核泄漏的情况还是可能发生的，发电机应在有核辐射的情况下能正常运行。核辐射对电机的主要影响是绝缘结构及电缆。因此核电厂的发电机应具有耐核辐射的能力，绝缘材料及结构、电缆应选择耐辐射的材料。
      3.核电厂应急发电机还有一个特殊的要求，就是能够承受相位差在180°时强行并网两次。反相位并网对电机损伤极大，主要损伤一是电流极大，约为突然短路电流的两倍，如此大的电流对绕组端部的紧固结构是一个极大的考验，应在此情况下校核端部紧固结构的强度；二是阻尼绕组会产生极大的瞬变电流，会熔断阻尼绕组，因此需要计算阻尼绕组中的电流，并按绝热的方式计算阻尼绕组的温度，不得超过阻尼绕组的熔点；三是反相位并网会导致巨大的电磁转矩，应在此情况下校核电机结构强度。

xiaolu2

电压谐波仿真值比实测值大许多，这是什么原因造成的？怎么解决？

yuya

我也说说曾经接触过的同步发电机研发项目。
第一个项目是我在北欧某著名电气公司工作时参与的，十几兆瓦的电励磁同步电机，我看老式的教科书上也有称其为绕线式同步电机的，可能是英文直译过来的field winding synchronous machine, 我参与的电机设计采用实心转子，机械强度非常好，极靴pole shoe需要用很多的螺栓固定。火电用的同步发电机常见的都是两级电机，但由于北欧某著名电气公司90年代初期的破产危机，被迫出售了旗下成熟的两级同步电机业务，至今是一个遗憾。
我参与过的第二个同步发电机的项目是北美某公司的航空起动发电机ASG，100kW左右功率。给飞机辅助发动机APU起动使用的。在最初的起动阶段带动飞机的辅助发动机APU旋转，到达一定转速后APU点火转而带动ASG发电给飞机供电。
发电机常见的还是使用绕线式，主要原因是励磁电流可调控，对应的功率因数可以控制，从而可以控制电机输出的无功reactive和有功active功率。因为发电机对接的是电网，电网对稳定性有要求，电机提供无功功率能帮助电网稳定电压，有功功率则和电网的频率相关。
永磁电机无法改变永磁体的厚度，所以在发电机领域没有饶线式的应用广泛。
目前发电机设计软件问世的还不多，MotorSolve6.0之后的版本有专门的发电机设计模块，可以对电励磁或永磁发电机做分析。

yuya

绕线式同步电机也有用于电动机的，而且其调速性能非常好！原因就是励磁电流可调，这个在弱磁区域非常有帮助。
当然绕线式同步电机也有缺点，就是需要独立的励磁机制。常见的绕线式同步电机会采用励磁发电机（永磁）发交流电给旋转二极管，旋转二极管整流出直流电给转子供电，这个导致了电机整体重量和复杂性的增加。
北欧某著名电气公司至今大部分的同步机产品都是电励磁，其余是永磁，还有很少量的同步磁阻（13年才开始生产）。

张老五

提几点不同意见：
1、电励磁同步电机未必有阻尼绕组，一般电动机有阻尼绕组的比较多，发电机有阻尼绕组的比较少见
2、火电站的发电机通常是3000转（如果北美那就是3600转了），而核电应当是1500转的
3、二楼的最后一段没看明白，到底无刷励磁系统用还是不用？水电我不太熟，但火电多半是用无刷励磁的，否则动则2-3千安的励磁电流。。。。

wpl1988

请教各位版主几个问题，可能很基础，还请诸位不吝赐教啊
1、对于电励磁同步发电机，励磁机消耗的功率与主发电机的功率之间大概是个什么样的比例关系？
2、对于稳定工作的电励磁发电机，进入主发电机励磁绕组的有功电功率是不是主要消耗在绕组电阻上了？
因为根据同步电机磁场的特点，站在主发电机转子上看，整个电机内部磁场就是静止的，也即励磁绕组是不会进行机电能量转换的了？
3、承接问题2，在不同稳态工作点上，这个励磁电功率（进入主发电机励磁绕组的有功电功率）会发生明显变化么？
4、承接问题3，如果在动态过程中，例如在电机启动阶段，这个励磁功率（进入主发电机励磁绕组的有功电功率）又回有什么显著的变化么？

wpl1988

突然想起来，这种给主发电机励磁绕组供电的方式是不是也可也叫做无接触供电呢？
目测最近论坛里面很多童鞋在研究这发面的问题.....

标准答案

张老五 发表于 2017-6-29 21:44
提几点不同意见：
1、电励磁同步电机未必有阻尼绕组，一般电动机有阻尼绕组的比较多，发电机有阻尼绕组的 ...

非常感谢您的参与和补充，的确关于发电机的转速不同国家电网频率有50Hz和60Hz之分，相应的同步转速也不相同。火电核电发电机也有不同的转速。瞧！我不严谨了不是！
关于2楼最后一段，是说无刷励磁当然是同步发电机的主流与发展方向，当然要用，特别是中小型发电机，最后一段是说励磁机的励磁（即副励）电流是由励磁系统提供，也有叫AVR的，这一块是本次研讨会的重点研讨内容，将在后续讨论。