无刷同步发电机接整流负载的短路比相关问题疑问

电机小学生 · 发表于 2012-4-5 14:21

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小弟关于无刷电励磁同步发电机相关问题（主要为短路比相关）有一些疑问，恳请您的解答，先在此感谢了！

前提：一台电励磁无刷同步发电机（柴油机拖动），接不可控整流桥，再接逆变器，给一台电动机供电

譬如主发电机参数为：2600kVA,6KV,8P,2000rmp

问题为：
1 励磁机的短路比一般控制在多少，看书里说为0.3-0.6之间，一般同步发电机不是说短路比越大越好好嘛（虽然浪费材料），一般取多少？为什么励磁机要短路比要控制在在0.3-0.6？

2 若主发电机接的是整流负载，主发电机的短路比一般选多少？书中说短路比是为了维护电机的静态稳定性，跟电网有关，此为独立供电的发电机机，短路比有什么意义？

3 短路比跟气隙磁密和气隙长成正比，与线负荷成反比，也就是说若要减小短路比，是要增加定子匝数或者铁心长度的，怎么书上反倒说短路比大了，是浪费材料呢?

4 接这种整流负载的主发电机，还有加阻尼笼的必要吗？有哪些缺点和优点？

5 接整流负载，还有必要做不等气隙吗？

6 接整流负载，即使励磁机的短路比设置的很低，但主发的短路比设置很大的话，还是快速性不好啊  ，是不是这样啊？一般是怎么考虑的？

7 励磁机的换相角书中说一般取20-50度，那若是去70°，有什么不良的结果？

再次感谢您的热心回答，非常感谢！

long98194 · 发表于 2012-4-10 08:02

一看就知道是y版的马甲
我先尝试恢复吧，不对之处还望大家指正。
1 励磁机的短路比一般控制在多少，看书里说为0.3-0.6之间，一般同步发电机不是说短路比越大越好好嘛（虽然浪费材料），一般取多少？为什么励磁机要短路比要控制在在0.3-0.6？
答：励磁机这样取值是正确的，因为励磁机要保证固有电压调整率和励磁响应速度，故其短路比要取比较低。
2 若主发电机接的是整流负载，主发电机的短路比一般选多少？书中说短路比是为了维护电机的静态稳定性，跟电网有关，此为独立供电的发电机机，短路比有什么意义？
答：主发电机短路比取值按照经验0.8—1.2之间，通常不宜过高或过低，独立供电的发电机也就孤网运行，故短路比取值尽量取大于1，孤网运行往往负载波动比较大，因此短路比是维持稳定运行的重要保证之一。
3 短路比跟气隙磁密和气隙长成正比，与线负荷成反比，也就是说若要减小短路比，是要增加定子匝数或者铁心长度的，怎么书上反倒说短路比大了，是浪费材料呢?
答：书上的东西都是抄来抄去的，所以千篇一律，书上的意思是短路比取大了，励磁电流会增加，故励磁绕组用铜量增加，也就是书上说的浪费材料，七、八十年代铜线材料相当稀少，其价格也不菲。现如今硅钢片价格也昂贵，所以书是写给70、80年代的工程师看的，现代的工程师应该折磨一下书的含义。
4 接这种整流负载的主发电机，还有加阻尼笼的必要吗？有哪些缺点和优点？
答：孤网运行一定要加阻尼笼，这也是维持机子稳定运行的重要保证。
5 接整流负载，还有必要做不等气隙吗？
答：励磁机做等气隙，主发电机应该结合逆变和负载来考虑。
6 接整流负载，即使励磁机的短路比设置的很低，但主发的短路比设置很大的话，还是快速性不好啊，是不是这样啊？一般是怎么考虑的？
答:不是，恰恰是刚柔并进，维持稳定的保证，具体见上面几条的回答。
7 励磁机的换相角书中说一般取20-50度，那若是去70°，有什么不良的结果？
答：这只有做过励磁机的人才知道，书上的公式跟现实还是有区别的，我认为是书上的计算换相角公式有问题，呵呵！借用铁道部名言“信不信由你，反我不相信书上的”。

long98194 · 发表于 2012-4-12 08:23

回复 1# 电机小学生
给你个截图，看看励磁机冲片结构吧

y1949b · 发表于 2012-5-9 13:26

我也蛮关注这个帖子的

yerssj · 发表于 2012-5-10 08:04

我手头有几个励磁机的图纸，我用书上的程序校核一下短路比，均在1.0左右。很是疑惑

电机小学生 · 发表于 2012-5-10 14:59

最近看到ABB 低压同步电机的样本主发的短路比普遍很低大部分都在0.5以下，非常疑惑

另外，下图的电抗（%）是标幺值？

还有，感觉是半阻尼，全阻尼，半阻尼有什么讲究吗？

zlz1976 · 发表于 2012-5-10 16:27

楼主的主发是凸极或是隐极？（8p2000rpm）
这类带整流负载的发电机传说要注意参数取值，防止振荡。
2楼回答比较完美了,
全阻尼与半阻尼的阻尼绕组横轴漏抗差2.6666倍

yerssj · 发表于 2012-5-11 07:36

回复 7# zlz1976

请科普一下全阻尼与半阻尼。每个极的阻尼条都焊在同材质的端板上属于全阻尼还是半阻尼？

标准答案 · 发表于 2012-5-16 02:44

楼主提出的问题很有代表性，本人对此也很感兴趣，也查阅过许多文献，现试着回答一下，不妥之处望各位大侠指正。
1 励磁机的短路比一般控制在多少，看书里说为0.3-0.6之间，一般同步发电机不是说短路比越大越好好嘛（虽然浪费材料），一般取多少？为什么励磁机要短路比要控制在在0.3-0.6？
答：首先肯定，对于无刷励磁的同步电机，其励磁机的短路比取0.3-0.6之间是比较合适的。其原因是：通常同步电机的励磁系统是根据主机的端电压和主机电流计算并合成出各种负载情况下所需的主机励磁电流，通过滑环提供给主机转子，但在无刷励磁的同步电机中，不能直接提供给主机，只能通过励磁机放大后提供给主机，这样就希望励磁机是一个线性的变换器，最好是副励电流与主机励磁电流（励磁机的输出电流）完全成正比，但实际上副励电流有两个分量组成，一是励磁机的空载分量（即产生励磁机电枢电压的分量），二是励磁机的负载分量，后者与主机励磁电流（励磁机电枢电流）成正比，而前者只与励磁机电压有关，不与励磁机电枢电流成正比，为了尽量保证整个副励电流与主机励磁电流励磁机成正比，我们必须增大后者，减小前者，从这个意义上讲要求励磁机的短路比尽量的小，这样就能保证励磁系统提供的励磁电流与所需的励磁电流误差较小，对整机的动态性能和稳态性能都有好处（事实上由于现代电力电子技术的进步，AVR的补偿和校正作用很强大，从而这个制约条件可以放宽）。另一方面，励磁机的短路比又不能过小，因为过小就说明其同步电抗较大，励磁机的时间常数较大，又使得电机的动态性能变差，旋转整流器的换向角过大，使得整流效率变低、整流器发热、整流后的电压降低、励磁机功率因数降低等，从这个意义上讲，又希望励磁机的短路比尽量的大，综合以上因素励磁机的短路比应控制在一定的范围较好，实践证明，控制在0.3-0.6之间是比较合适的。
2 若主发电机接的是整流负载，主发电机的短路比一般选多少？书中说短路比是为了维护电机的静态稳定性，跟电网有关，此为独立供电的发电机机，短路比有什么意义？
答：主发电机的短路比是表征发电机过载能力和静态稳定性的重要指标，为了保证发电机过载能力和静态稳定性，希望这个指标越大越好。但短路比过大会导致电机的成本随之增加，因此也不宜过大。早期并网运行的发电机，由于电力电子技术不发达，励磁系统的动态性能较差一旦原动机转速波动或电网电压、频率波动，非常容易造成失步，因此早期并网的同步发电机短路比要求很高，通常在1左右。随着现代电力电子技术的发展，励磁系统的强力能力和动态反应速度已非常好，配备这种高性能励磁系统的同步发电机，静态稳定性已不是主要问题，因此也相应放宽了发电机本体的短路比要求，一般在0.4左右完全没有问题。对独立运行的同步发电机，同样有静态稳定性的问题，这主要是原动机的转速波动或负载的突加突泄可能会导致静态失稳甚至失步，但与并网发电机比要宽松很多，因此短路比可以更小一些。
3 短路比跟气隙磁密和气隙长成正比，与线负荷成反比，也就是说若要减小短路比，是要增加定子匝数或者铁心长度的，怎么书上反倒说短路比大了，是浪费材料呢?
答：短路比与同步电抗（或直轴电抗）成反比，而同步电抗与气隙大小成反比，短路比大说明同步电抗小，气隙大。在同样的气隙磁密下（电压一定时气隙磁密一定），所需的励磁安匝数就多，转子用铜量就大，因此成本就高，这就是书上说的“短路比大了浪费材料”。至于你说的通过增加定子匝数或增加铁心长度来减小短路比，这样似乎短路比小了也浪费材料。是的！这样的确是浪费了材料反而短路比小了。但这是靠损失材料的利用率来实现的（减小磁密会导致铁心利用率降低），也就是说这种方法是由于设计不合理而浪费了材料，我们完全可以采用减小气隙、减少转子匝数的方法来实现短路比的减小，这样既减少了材料又达到了目的，何苦采用浪费材料使性能变差呢？
减小短路比的方法很多，可以是通过不合理的设计浪费材料实现，也可以通过合理的设计节省材料实现。浪费材料也可以减小短路比可不能由此断定节省材料就一定能增大短路比！！！要增大短路比无论采用什么方法都会导致材料用量的增加！增大气隙的方法前面已说，现在讨论用你的方法减小定子匝数或减短铁心长度来增大短路比是万万不能的。首先说减小定子匝数，在同样电压下磁密将增大，导致铁心饱和，这样所需励磁电流将急剧增大，转子匝数必须成非线性增多，这样转子增加的匝数会比定子减小的匝数多，总的铜用量不会减小，更重要的是这样是不能运行的，因为铁心过饱和会发热严重，效率降低，温升过高，设计严重不合理，要解决这一矛盾必须增加铁心长度，这样必然导致定转子线圈加长，铜铁用量都增加；同理，减小铁心就必须增加匝数，同样会使用铜量增加！
因此我们说在设计合理的情况下，短路比大则成本高，短路比小则成本低。
今天太晚了，明天还要上班，我要睡觉了！以后再接着讨论剩下的问题！

标准答案 · 发表于 2012-5-16 08:45

本帖最后由标准答案于 2012-5-21 10:42 编辑

关于上述第3个问题的逻辑，可以举个例子来比喻一下：比如说冬天我们室内要达到一定的温度，需要安装暖气，在一定的暖气数量下可以保持室内某一个温度。一般来讲，要提高室内温度，需要增加费用（加暖气片），要降低室内温度就可以节省费用。但如果你加一个制冷空调也可以降低温度，可这样岂不是降低室温也增加费用了吗？没错！增加费用也可以降低室温。但这并不能说明可以用减小费用的方法来提高室温！要提高室温无论你加暖气片还是加制热空调，都必须增加费用！
同理，增大费用可以减小短路比，不代表增大短路比就减小了费用！无论采用什么办法，增大短路比都要增加费用！除非你的电机原来就设计的极不合理。

标准答案 · 发表于 2012-5-16 08:45

得再占一层

long98194 · 发表于 2012-5-18 07:35

回复 6# 电机小学生

下图的电抗（%）是标幺值？
是标幺值*100%

451437026 · 发表于 2012-5-22 19:46

说的太好了值得学习

FY_1996 · 发表于 2012-5-25 14:49

短路比Kc,是表征发电机静态稳定度的一个重要参数.Kc原来的意义是对应于空载额定电压的励磁电流下三相稳态短路时的短路电流与额定电流之比,即Kc=Ik0/IN.由于短路特性是一条直线,故Kc可表达为发电机空载额定电压时的励磁电流If0与三相稳态短路电流为额定值时的励磁电流Ifk之比,表达式为:Kc=If0/Ifk≈1/Xd.Xd是发电机运行中三相突然短路稳定时所表现出的电抗,即发电机直轴同步电抗(不饱和值).
如忽略磁饱和的影响,则短路比与直轴同步电抗Xd互为倒数.短路比小,说明同步电抗大,相应短路时短路电流小,但是运行中负载变化时发电机的电压变化较大且并联运行时发电机的稳定度较差,即发电机的过载能力小,电压变化率大,影响电力系统的静态稳定和充电容量.短路比大,则发电机过载能力大,负载电流引起的端电压变化较小,可提高发电机在系统运行中的静态稳定性.但Kc大使发电机励磁电流增大,转子用铜量增大,使制造成本增加.短路比主要根据电厂输电距离,负荷变化情况等因数提出,一般水轮发电机的K,取0.9～1.3. 结构上,短路比近似的等于
可见,要使Kc增大,须减小A,即增大机组尺寸;或加大气隙,须增加转子绕组安匝数.

电机小学生 · 发表于 2012-5-25 15:46

回复 10# 标准答案

很期待李师爷的继续回答！有劳您了！

标准答案 · 发表于 2012-6-26 03:00

本帖最后由标准答案于 2012-6-26 03:04 编辑

今天有点时间再回答一下：
4 接这种整流负载的主发电机，还有加阻尼笼的必要吗？有哪些缺点和优点？
答：这个问题也是困扰我很久的一个问题，首先分析加阻尼笼的优缺点：
加阻尼笼的优点：
——使整流桥的交流侧换相电抗减小，从而减小了换相重叠角，有利于迅速可靠地换相；
——换相期间电压损失交流侧电压波形畸变较小，功率因数较高；
——直流侧电压换相损失较小。
加阻尼笼的缺点：
——换相重叠角减小使得电机绕组中的电流变化率增大，对绕组绝缘及整流管的冲击较大；
——交流侧电抗较小，使得短路电流较大，为了限制短路电流和电流的变化率，有时还要专门在整流桥的交流侧再串联一个电抗器。这样加阻尼绕组岂不多此一举；
——加阻尼绕组比不加阻尼绕组自然是成本增加；
——阻尼绕组会在换相时有电流，从而发热和增加损耗。
由此分析可见，是否加阻尼绕组，取决于发电机侧的漏抗大小，如果漏抗很大则应该加，如果漏抗很小就没有必要加，而漏抗多少为合适，取决于换相重叠角的大小，一般使换相重叠角为30°~50°较为合适。只要换相重叠角合适，个人认为能不加就不加，这样最起码能节省一些成本。
需要说明的是这种独立运行的带整流负载的电机与直接并网的电机不同，不存在并网振荡的问题，因此阻尼绕组在这里也不是起抑制振荡作用，只是起影响换相的作用。当然同步发电机带整流负载时可能会出现低频振荡现象（与并网振荡是两码事），我们将在后面详细论述。同样如果整流桥是PWM斩波或可控硅整流那也另当别论。对此问题我曾经问过多个专家，包括国内外大学教授，回答不一，以上是我咨询大多专家意见结合个人理解后得出的观点，供参考。（未完待续）

标准答案 · 发表于 2012-6-27 00:03

5 接整流负载，还有必要做不等气隙吗？
答:有必要,不仅有不要而且大有必要!
其一,做成等气隙的磁极使得气隙磁密为平顶波,如果三相绕组略有差异,可能使得三相电压波形的平顶部分高低略有差异,这样可能会导致三相桥臂导通时间长度不均,使得三相器件负载不均,个别管子发热严重.这还不是最主要的,更重要的是其二,三相同步电机带整流负载时可能在某种条件下会出现低频震荡问题,使得系统不能正常工作,这种现象已在很多实际应用场合中发生过,本人也见过,对此许多大公司（如西门子公司）和专家学者都有一定的研究，在我国，海军工程大学的马伟明院士对此有很深入的研究，其博士论文就是专门研究这个课题的，本人拜读过马院士的博士论文，他的论文从理论上推导出了三相同步电机带整流负载时发生低频震荡的判据，该判据非常复杂，但经过一系列的简化，得出了1/Xq+1/Xq'≥1/Xd“时不会出现低频震荡的简化判据，由于在简化过程中忽略了许多因素，所以得出的简化判据过于苛刻（事实上许多情况下不满足该判据也为发生低频震荡），但该简化判据仍不失其重要的指导意义，那就是电机设计时尽量使交轴上的电抗小（Xq、Xq'小）直轴超瞬变电抗（Xd“）大，这样有利于系统稳定，减小出现低频震荡的可能性，要做到这样，有许多方法，其中将磁极做成不等气隙的形状不失为一种好的方法，事实证明，三相同步电机带整流负载时，凸极电机是比隐机电机是有巨大大优势的。这种情况下凸极电机不易出现震荡！当然还有许多有效的方法，这里就不一一赘述了，有兴趣的可以查马院士的有关文章和专利。

6 接整流负载，即使励磁机的短路比设置的很低，但主发的短路比设置很大的话，还是快速性不好啊，是不是这样啊？一般是怎么考虑的？

答：快速性好不好应该要看对比的对象，一般来讲，即使励磁机的短路比设置的很低，但主发的短路比设置很大，必然比没有采取上述措施的电机反应速度要快，但与有刷电机比快速性可能还是要差，因为毕竟无刷电机多了一个励磁机环节，这个环节必然是要有所延时的。至于“一般是怎么考虑的？”这是无刷电机固有的软肋，只能是尽量使励磁机的短路比设置的很低，主发的短路比设置很大，再加上使励磁系统时间常数尽量减小，以尽量提高反应速度。恐怕别无它法。
7 励磁机的换相角书中说一般取20-50度，那若是去70°，有什么不良的结果？
答：书上说励磁机的换相角一般取20-50度是有一定道理的，换相角不宜过小，过小会使换相太快，di/dt太大，对电机绝缘和整流管都不利，且还会使得励磁机短路电流太大；但换相角也不宜过大，过大会使得励磁机功率因数太低，励磁机的励磁电流增大，电压畸变严重，励磁机发热，整流后的直流电压损失太大等问题。若换相角达70度，似乎有些偏大，但如果励磁机设计余量较大，也未必就不行，不过还是尽量再小点为好。
以上是个人的一些拙见，供参考，不对的地方敬请批评指正！

fengxingyun · 发表于 2012-6-27 16:14

标版您好,仔细拜读您的大作,学到很多,向你致谢啦.
但有几个小疑问请教您:

1. 您在9楼提到副励电流有两个分量?本人不太明白.我觉得您在文中提到的副励电流应该就是副励磁机的励磁电流吧,它应该就起单纯的励磁作用,怎么还有负载分量呢?副励磁机的负载分量应该就是转子电枢电流,即主励磁机的励磁电流吧(经旋转整流器之后).
2 您在9楼提到要增大后者(励磁机负载分量),减小前者(励磁机空载分量),为什么会是减小励磁机的短路比呢? 如果减小短路比是否就会增大直轴电抗,继而在同样电势e(副励磁机的励磁电流一定)和输出电压u(副励磁机端电压一定)的情况下,反而降低输出电流(励磁机的电枢电流)呢?
3.旋转整流器装在旋转的转子上,如采用可控器件(如晶闸管之类),应该是不好进行控制的吧.但如果采用二极管不控整流,是否可以避免换相重叠角的问题呢?

请标版赐教.