[科普中國(guó)]-阻尼繞組

發(fā)電機(jī)阻尼繞組主要是防止發(fā)電機(jī)在負(fù)載突然變化時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)繞組的沖擊。發(fā)電機(jī)在負(fù)載變化時(shí)，其繞組內(nèi)的電壓電流會(huì)形成一個(gè)震蕩的過(guò)程。阻尼條就是對(duì)該震蕩過(guò)程增加阻力，形成阻尼震蕩，從而形成一定的緩沖作用。

阻尼繞組國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀阻尼繞組電流的間接測(cè)量法受技術(shù)條件的限制，人們無(wú)法直接測(cè)量得到運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的阻尼繞組電流，于是有人提出通過(guò)間接測(cè)量的方法來(lái)對(duì)阻尼繞組電流進(jìn)行研究。在大量的假設(shè)前提下，利用電機(jī)能夠?qū)崪y(cè)得到的直接數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算而間接地獲得了阻尼繞組電流的近似分布。利用這種間接測(cè)量法能夠定性的研究同步電機(jī)在各種工況下的阻尼繞組電流分布以及阻尼繞組電流對(duì)電機(jī)參數(shù)和性能所產(chǎn)生的影響。如在上世紀(jì)九十年代的文章中，作者就通過(guò)對(duì)一臺(tái)凸極同步電機(jī)的測(cè)量，分析了定子開(kāi)槽對(duì)阻尼繞組電流所帶來(lái)的影響。在2011年發(fā)表的文章中，作者利用間接測(cè)量法研究了阻尼繞組電路對(duì)多相同步發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的影響。間接測(cè)量法由于建立在大量假設(shè)與簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)之上，所得結(jié)果與實(shí)際值必然有所偏差，因此無(wú)法準(zhǔn)確模擬實(shí)際工況，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確程度不高。于是文章提出了利用無(wú)線測(cè)量的方法來(lái)獲得水輪發(fā)電機(jī)阻尼繞組電流。這種方-法相較間接測(cè)量法而言，具有更直接，更準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)。但由于必須在發(fā)電機(jī)阻尼繞組內(nèi)預(yù)先埋置無(wú)線電流傳感器，因此只能針對(duì)特定電機(jī)進(jìn)行分析。

阻尼繞組電流的解析計(jì)算法Walker和Kermis于1960年提出了一種脫離試驗(yàn)的阻尼繞組電流計(jì)算方法，在一定假設(shè)的基礎(chǔ)之上，通過(guò)建立電機(jī)磁導(dǎo)的全解析數(shù)學(xué)模型，計(jì)算了凸極同步電機(jī)在開(kāi)路狀態(tài)下的阻尼繞組電流，并分析了在阻尼繞組電流影響下的阻尼繞組所受電磁力諧波。這種解析的方法相對(duì)試驗(yàn)法有了很大的進(jìn)步。利用這種方法，人們可以在發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中預(yù)測(cè)阻尼繞組電流及其產(chǎn)生的影響，進(jìn)而對(duì)發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。發(fā)電機(jī)交、直軸等效電路的引入，使阻尼繞組電流計(jì)算的方法向前邁進(jìn)了一步。Fuchs與Erdelyi在20世紀(jì)70年代陸續(xù)發(fā)表文章，通過(guò)等效電路將包括阻尼繞組在內(nèi)的發(fā)電機(jī)各繞組等效成交、直軸兩套等效繞組多回路，結(jié)合發(fā)電機(jī)的磁導(dǎo)解析模型，計(jì)算了阻尼繞組電流，并研究了阻尼繞組電流對(duì)水輪發(fā)電機(jī)短路電流的影響。Canay于1975年發(fā)表文章，利用同樣的方法計(jì)算了汽輪發(fā)電機(jī)阻尼繞組電流及其對(duì)電機(jī)負(fù)序運(yùn)行所產(chǎn)生的影響。同年Neidhoefer與Bose對(duì)水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子阻尼繞組內(nèi)的負(fù)序電流及其產(chǎn)生的損耗進(jìn)行了計(jì)算與分析。20世紀(jì)80年代早期，李哲生學(xué)者利用這種交、直軸多回路與電機(jī)磁導(dǎo)解析模型相結(jié)合方法，計(jì)算分析了凸極同步電機(jī)的阻尼繞組電流，并研究了阻尼繞組電流對(duì)的電機(jī)電勢(shì)與磁勢(shì)諧波所產(chǎn)生的影響。同一時(shí)期，趙鳳山與史乃等學(xué)者利用這種方法計(jì)算了水輪發(fā)電機(jī)在出現(xiàn)負(fù)載突然不對(duì)稱(chēng)時(shí)的阻尼繞組電流瞬態(tài)響應(yīng)及其引起的溫度變化。1990年，KuHg、Buckley、Lambrecht等人以這種等效多回路的方法為基礎(chǔ)，提出了一種改進(jìn)的計(jì)算方法，能夠?qū)Πl(fā)電機(jī)出現(xiàn)各種內(nèi)、外短路故障或其他一些不正常運(yùn)行工況時(shí)的阻尼繞組電流進(jìn)行計(jì)算Mina M Rahimian分別于2009年和2011年發(fā)表文章，以計(jì)算阻尼繞組電流的解析法為基礎(chǔ)，提出了一種能夠用于在線監(jiān)測(cè)同步電機(jī)內(nèi)阻尼繞組故障的方法。文章研究了具有雙層阻尼繞組結(jié)構(gòu)凸極同步電動(dòng)機(jī)的解析設(shè)計(jì)方法。文章提出了一種用于計(jì)算同步電機(jī)阻尼繞組參數(shù)的改進(jìn)解析法。文章利用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)解析法計(jì)算了大型水輪發(fā)電機(jī)的阻尼繞組損耗。

解析法的思路主要是采用集中參數(shù)的“路”的方法，即假設(shè)電流或磁通沿確定的路徑流通，將復(fù)雜的場(chǎng)的分布現(xiàn)象簡(jiǎn)化成電路或磁路的問(wèn)題，并利用電路、磁路理論加以分析和解決。這種方法雖然在一定程度上解決了水輪發(fā)電機(jī)阻尼繞組電流的計(jì)算問(wèn)題，但由于無(wú)法準(zhǔn)確考量水輪發(fā)電機(jī)定子鐵心開(kāi)槽、轉(zhuǎn)子磁極形狀以及磁場(chǎng)飽和等因素所產(chǎn)生的影響，因此阻尼繞組電流計(jì)算的準(zhǔn)確程度不尚。

阻尼繞組電流的數(shù)值計(jì)算法早在1873年，Maxwell就己經(jīng)推導(dǎo)并總結(jié)出了用于表征電磁場(chǎng)特征的基本方程組。但對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，電機(jī)內(nèi)存在多種形狀復(fù)雜的導(dǎo)電與導(dǎo)磁媒質(zhì)，且導(dǎo)磁媒質(zhì)材料還具有非線性的特點(diǎn)，因此在數(shù)值方法出現(xiàn)以前，能夠直接用Maxwell方程求解的電磁場(chǎng)問(wèn)題非常有限。隨著數(shù)值計(jì)算方法中的差分法、積分方程法和有限單元法(又叫有限元法）的陸續(xù)出現(xiàn)與引入，許多懸而未決的電機(jī)電磁場(chǎng)問(wèn)題都得到了順利解決，電機(jī)電磁場(chǎng)的研究也取得了極大的進(jìn)展。其中的有限元法自從被引入電磁場(chǎng)分析領(lǐng)域以來(lái)，如今已經(jīng)成為了電機(jī)工程領(lǐng)域內(nèi)最為有效，應(yīng)用最為廣泛的一種方法。

作為一種數(shù)值方法，有限兀法是把變分原理和剖分插值相結(jié)合用來(lái)求解數(shù)理方程的一種方法，適于利用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行計(jì)算。其基本思想于上世紀(jì)五十年代被提出，首先應(yīng)用在力學(xué)的研究領(lǐng)域，并在上世紀(jì)六十年代中期開(kāi)始被引入了電機(jī)電磁場(chǎng)的研究領(lǐng)域。由于有限元法具有單元剖分靈活、算法統(tǒng)一、通用等特點(diǎn)，因此適用于存在不同媒質(zhì)、不規(guī)則幾何形狀與邊界條件、非線性媒質(zhì)材料等條件的電機(jī)內(nèi)電磁場(chǎng)，具有穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度高等方面的優(yōu)占1980年，鐘永琛學(xué)者利用有限元法就同步電機(jī)異步起動(dòng)過(guò)程中的阻尼繞組電流分布進(jìn)行了計(jì)算和研究。1983年Nitta T等人利用有限元的方法分析了電機(jī)內(nèi)由于次諧波的存在而引起的阻尼繞組電流。1994年Toader利用有限元法推導(dǎo)出氣隙磁導(dǎo)與磁動(dòng)勢(shì)的數(shù)學(xué)模型，并將其用于發(fā)電機(jī)阻尼繞組電流的解析計(jì)算中，同時(shí)計(jì)算了電機(jī)的空載和負(fù)載兩種穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況。較全解析法而言，這種將解析法與有限元法相結(jié)合的半解析方法，能夠更加準(zhǔn)確模擬的定子開(kāi)槽、磁極形狀以及磁場(chǎng)飽和等因素對(duì)氣隙磁導(dǎo)所產(chǎn)生的影響，使阻尼繞組電流的計(jì)算更加準(zhǔn)確。同年，Vetter、Reichert同樣將解析法與數(shù)值法相結(jié)合，計(jì)算了并網(wǎng)同步電機(jī)和外接逆變器的同步電機(jī)的阻尼繞組電流。1997年Silvio Ikuyo Nabeta利用有限元法研究了集膚效應(yīng)對(duì)同步電機(jī)阻尼繞組電流計(jì)算所產(chǎn)生影響。在2002年到2005年之間，Karmaker與Knight先后發(fā)表文章，建立包含電機(jī)相應(yīng)橫截面上所有阻尼繞組的繞組等效多回路，并稱(chēng)合氣隙磁導(dǎo)的有限元數(shù)學(xué)模型，對(duì)阻尼繞組電流及其附加損耗進(jìn)行了計(jì)算。清華大學(xué)孫宇光博士利用場(chǎng)路親合法計(jì)算了發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部短路時(shí)的阻尼繞組電流瞬態(tài)響應(yīng)過(guò)程。2006年Nica C等人中利用有限元法計(jì)算并研究了變頻器驅(qū)動(dòng)三相同步電機(jī)里的阻尼繞組電流受變頻器開(kāi)關(guān)頻率諧波所產(chǎn)生的影響。2008年，Keller利用場(chǎng)路稱(chēng)合法計(jì)算了轉(zhuǎn)子不平衡運(yùn)行工況時(shí)的阻尼繞組電流。文章釆用解析與數(shù)值相結(jié)合的方法，計(jì)算和分析了大功率凸極同步電機(jī)在異步起動(dòng)過(guò)程中的阻尼繞組電流的分布。2009年，文章計(jì)算了靜止變頻器起動(dòng)的抽水蓄能電站用發(fā)電電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中的阻尼繞組電流及損耗。2010 年，Georg Traxler-Samek 對(duì) Karmaker 與 Knight 的模型作了進(jìn)一步優(yōu)化和完善。2012年，文章利用多回路稱(chēng)合有限元的方法，計(jì)算了同步發(fā)電機(jī)發(fā)生定子繞組故障時(shí)阻尼繞組電流的瞬態(tài)響應(yīng)及其產(chǎn)生的附加損耗。文章分析了凸極發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心對(duì)阻尼繞組電流及其附加損耗所產(chǎn)生的影響。1

阻尼繞組電流的測(cè)量由于水輪發(fā)電機(jī)的阻尼繞組跟隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，因此若要獲得阻尼繞組電流，只能通過(guò)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)氖侄蝸?lái)進(jìn)行測(cè)量。本文利用wifi技術(shù)搭建無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)，以達(dá)到直接測(cè)量阻尼繞組電流的目的。試驗(yàn)系統(tǒng)包括：試驗(yàn)被測(cè)凸極同步發(fā)電機(jī)、埋置在電機(jī)阻尼繞組上的霍爾電流傳感器、安裝在轉(zhuǎn)子托盤(pán)上的信號(hào)采集器、用戶操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)。在測(cè)量時(shí)，用戶首先在操作系統(tǒng)界面下達(dá)指令，發(fā)出無(wú)線觸發(fā)控制信號(hào)，信號(hào)采集器接受到觸發(fā)控制信號(hào)后開(kāi)始收集電流傳感器傳出的數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給用戶操作系統(tǒng)界面并存儲(chǔ)。為了給無(wú)線采集設(shè)備下達(dá)準(zhǔn)確的控制指令，避開(kāi)中低頻的無(wú)線干擾，無(wú)線電頻率設(shè)置在2.41G-2.46GHZ范圍內(nèi)。為了避開(kāi)電機(jī)鐵心內(nèi)的強(qiáng)磁場(chǎng)干擾，將傳感器埋置在阻尼繞組的端部區(qū)域。

該阻尼繞組電流測(cè)量系統(tǒng)的用戶界面采用圖形界面。通過(guò)該試驗(yàn)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)該試驗(yàn)電機(jī)阻尼繞組電流的測(cè)量，并獲得阻尼繞組電流隨時(shí)間變化的瞬時(shí)曲線。與傳統(tǒng)利用間接法測(cè)量得到的阻尼繞組電流結(jié)果相比，利用該系統(tǒng)測(cè)量所得的阻尼繞組電流不僅具有更加真實(shí)準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，還能獲得阻尼繞組電流更豐富詳盡的諧波信息，為阻尼繞組電流的諧波研究工作提供更加真實(shí)可靠的依據(jù)。1

阻尼繞組電流試驗(yàn)驗(yàn)證在計(jì)算阻尼繞組電流的過(guò)程中，本文還采用傳統(tǒng)方法，即利用解析法近似等效阻尼繞組端部的方法計(jì)算了該電機(jī)在同樣條件下的阻尼繞組電流。采用改進(jìn)方法計(jì)算所得的阻尼繞組電流波形與試驗(yàn)測(cè)量曲線非常接近，電流幅值略有不同，阻尼繞組電流幅值相差較大。采用傳統(tǒng)解析法處理端部的計(jì)算結(jié)果與測(cè)量結(jié)果幅值相差很大，且同樣是阻尼繞組電流的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相差最大。這是因?yàn)樵诒疚牡挠?jì)算過(guò)程中雖然考慮了該電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心磁極壓板由于飽和所帶來(lái)的端部磁場(chǎng)非線性問(wèn)題，但由于阻尼繞組電流是交變的，端部磁場(chǎng)的局部飽和程度會(huì)隨電流的變化而發(fā)生改變，引起阻尼繞組回路的端部漏感也隨之發(fā)生變化，再加上勵(lì)磁繞組與電樞繞組對(duì)阻尼繞組回路端部的影響，使得在電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)子端部磁場(chǎng)的非線性情況遠(yuǎn)比文中所顧及到的情況更為復(fù)雜。由此使得阻尼繞組電流的計(jì)算幅值與實(shí)測(cè)結(jié)果存在一定的偏差。阻尼繞組由于處在磁極中間位置，其所在回路內(nèi)磁極壓板的飽和情況受其他繞組端部磁場(chǎng)的影響最為嚴(yán)重，所以阻尼繞組電流的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相差最大。采用傳統(tǒng)解析法處理端部的計(jì)算結(jié)果，由于未充分考慮到實(shí)際運(yùn)行中端部磁場(chǎng)的飽和程度及其復(fù)雜情況，因此計(jì)算準(zhǔn)確度很低。且同樣是阻尼繞組計(jì)算準(zhǔn)確度最低。盡管兩種方法的阻尼繞組電流幅值計(jì)算結(jié)果相差較大，但阻尼繞組電流基波頻率都為lOOHz，是電機(jī)主磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)頻率的2倍。這是由于發(fā)電機(jī)工作在不對(duì)稱(chēng)運(yùn)行狀態(tài)，不對(duì)稱(chēng)的電樞繞組電流形成了負(fù)序磁場(chǎng)所造成的。雖然本章考慮端部磁場(chǎng)非線性的方法計(jì)算阻尼繞組電流的幅值與實(shí)測(cè)結(jié)果相比略有出入，但電流波形與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合良好，足以證明所建數(shù)學(xué)模型及所用計(jì)算方法具有準(zhǔn)確度高的優(yōu)點(diǎn)。1

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

杜強(qiáng) - 高級(jí)工程師 - 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所