阻尼繞組

阻尼繞組電流的間接測量法

受技術條件的限制，人們無法直接測量得到運動狀態下的阻尼繞組電流，於是有人提出通過間接測量的方法來對阻尼繞組電流進行研究。在大量的假設前提下，利用電機能夠實測得到的直接數據，通過計算而間接地獲得了阻尼繞組電流的近似分佈。利用這種間接測量法能夠定性的研究同步電機在各種工況下的阻尼繞組電流分佈以及阻尼繞組電流對電機參數和性能所產生的影響。如在上世紀九十年代的文章中，作者就通過對一台凸極同步電機的測量，分析了定子開槽對阻尼繞組電流所帶來的影響。在2011年發表的文章中，作者利用間接測量法研究了阻尼繞組電路對多相同步發電機產生的影響。間接測量法由於建立在大量假設與簡化的基礎之上，所得結果與實際值必然有所偏差，因此無法準確模擬實際工況，計算結果準確程度不高。於是文章提出了利用無線測量的方法來獲得水輪發電機阻尼繞組電流。這種方-法相較間接測量法而言，具有更直接，更準確的優點。但由於必須在發電機阻尼繞組內預先埋置無線電流傳感器，因此只能針對特定電機進行分析。

阻尼繞組電流的解析計算法

Walker和Kermis於1960年提出了一種脱離試驗的阻尼繞組電流計算方法，在一定假設的基礎之上，通過建立電機磁導的全解析數學模型，計算了凸極同步電機在開路狀態下的阻尼繞組電流，並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試驗法有了很大的進步。利用這種方法，人們可以在發電機的設計過程中預測阻尼繞組電流及其產生的影響，進而對發電機的設計進行優化。發電機交、直軸等效電路的引入，使阻尼繞組電流計算的方法向前邁進了一步。Fuchs與Erdelyi在20世紀70年代陸續發表文章，通過等效電路將包括阻尼繞組在內的發電機各繞組等效成交、直軸兩套等效繞組多回路，結合發電機的磁導解析模型，計算了阻尼繞組電流，並研究了阻尼繞組電流對水輪發電機短路電流的影響。Canay於1975年發表文章，利用同樣的方法計算了汽輪發電機阻尼繞組電流及其對電機負序運行所產生的影響。同年Neidhoefer與Bose對水輪發電機轉子阻尼繞組內的負序電流及其產生的損耗進行了計算與分析。20世紀80年代早期，李哲生學者利用這種交、直軸多回路與電機磁導解析模型相結合方法，計算分析了凸極同步電機的阻尼繞組電流，並研究了阻尼繞組電流對的電機電勢與磁勢諧波所產生的影響。同一時期，趙鳳山與史乃等學者利用這種方法計算了水輪發電機在出現負載突然不對稱時的阻尼繞組電流瞬態響應及其引起的温度變化。1990年，KuHg、Buckley、Lambrecht等人以這種等效多回路的方法為基礎，提出了一種改進的計算方法，能夠對發電機出現各種內、外短路故障或其他一些不正常運行工況時的阻尼繞組電流進行計算Mina M Rahimian分別於2009年和2011年發表文章，以計算阻尼繞組電流的解析法為基礎，提出了一種能夠用於在線監測同步電機內阻尼繞組故障的方法。文章研究了具有雙層阻尼繞組結構凸極同步電動機的解析設計方法。文章提出了一種用於計算同步電機阻尼繞組參數的改進解析法。文章利用旋轉磁場解析法計算了大型水輪發電機的阻尼繞組損耗。

解析法的思路主要是採用集中參數的“路”的方法，即假設電流或磁通沿確定的路徑流通，將複雜的場的分佈現象簡化成電路或磁路的問題，並利用電路、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電機阻尼繞組電流的計算問題，但由於無法準確考量水輪發電機定子鐵心開槽、轉子磁極形狀以及磁場飽和等因素所產生的影響，因此阻尼繞組電流計算的準確程度不尚。

阻尼繞組電流的數值計算法

早在1873年，Maxwell就己經推導並總結出了用於表徵電磁場特徵的基本方程組。但對於結構複雜的發電機來説，電機內存在多種形狀複雜的導電與導磁媒質，且導磁媒質材料還具有非線性的特點，因此在數值方法出現以前，能夠直接用Maxwell方程求解的電磁場問題非常有限。隨着數值計算方法中的差分法、積分方程法和有限單元法（又叫有限元法）的陸續出現與引入，許多懸而未決的電機電磁場問題都得到了順利解決，電機電磁場的研究也取得了極大的進展。其中的有限元法自從被引入電磁場分析領域以來，如今已經成為了電機工程領域內最為有效，應用最為廣泛的一種方法。

作為一種數值方法，有限兀法是把變分原理和剖分插值相結合用來求解數理方程的一種方法，適於利用計算機來進行計算。其基本思想於上世紀五十年代被提出，首先應用在力學的研究領域，並在上世紀六十年代中期開始被引入了電機電磁場的研究領域。由於有限元法具有單元剖分靈活、算法統一、通用等特點，因此適用於存在不同媒質、不規則幾何形狀與邊界條件、非線性媒質材料等條件的電機內電磁場，具有穩定性和準確度高等方面的優佔1980年，鍾永琛學者利用有限元法就同步電機異步起動過程中的阻尼繞組電流分佈進行了計算和研究。1983年Nitta T等人利用有限元的方法分析了電機內由於次諧波的存在而引起的阻尼繞組電流。1994年Toader利用有限元法推導出氣隙磁導與磁動勢的數學模型，並將其用於發電機阻尼繞組電流的解析計算中，同時計算了電機的空載和負載兩種穩態運行工況。較全解析法而言，這種將解析法與有限元法相結合的半解析方法，能夠更加準確模擬的定子開槽、磁極形狀以及磁場飽和等因素對氣隙磁導所產生的影響，使阻尼繞組電流的計算更加準確。同年，Vetter、Reichert同樣將解析法與數值法相結合，計算了併網同步電機和外接逆變器的同步電機的阻尼繞組電流。1997年Silvio Ikuyo Nabeta利用有限元法研究了集膚效應對同步電機阻尼繞組電流計算所產生影響。在2002年到2005年之間，Karmaker與Knight先後發表文章，建立包含電機相應橫截面上所有阻尼繞組的繞組等效多回路，並稱合氣隙磁導的有限元數學模型，對阻尼繞組電流及其附加損耗進行了計算。清華大學孫宇光博士利用場路親合法計算了發電機定子繞組內部短路時的阻尼繞組電流瞬態響應過程。2006年Nica C等人中利用有限元法計算並研究了變頻器驅動三相同步電機裏的阻尼繞組電流受變頻器開關頻率諧波所產生的影響。2008年，Keller利用場路稱合法計算了轉子不平衡運行工況時的阻尼繞組電流。文章釆用解析與數值相結合的方法，計算和分析了大功率凸極同步電機在異步起動過程中的阻尼繞組電流的分佈。2009年，文章計算了靜止變頻器起動的抽水蓄能電站用發電電動機在起動過程中的阻尼繞組電流及損耗。2010 年，Georg Traxler-Samek 對 Karmaker 與 Knight 的模型作了進一步優化和完善。2012年，文章利用多回路稱合有限元的方法，計算了同步發電機發生定子繞組故障時阻尼繞組電流的瞬態響應及其產生的附加損耗。文章分析了凸極發電機轉子偏心對阻尼繞組電流及其附加損耗所產生的影響。 ^[1] 

由於水輪發電機的阻尼繞組跟隨轉子一起旋轉，因此若要獲得阻尼繞組電流，只能通過數據無線傳輸的手段來進行測量。本文利用wifi技術搭建無線局域網絡，以達到直接測量阻尼繞組電流的目的。試驗系統包括：試驗被測凸極同步發電機、埋置在電機阻尼繞組上的霍爾電流傳感器、安裝在轉子托盤上的信號採集器、用户操作系統、數據存儲系統。在測量時，用户首先在操作系統界面下達指令，發出無線觸發控制信號，信號採集器接受到觸發控制信號後開始收集電流傳感器傳出的數據，同時將數據實時傳送給用户操作系統界面並存儲。為了給無線採集設備下達準確的控制指令，避開中低頻的無線干擾，無線電頻率設置在2.41G-2.46GHZ範圍內。為了避開電機鐵心內的強磁場干擾，將傳感器埋置在阻尼繞組的端部區域。

該阻尼繞組電流測量系統的用户界面採用圖形界面。通過該試驗系統能夠實現對該試驗電機阻尼繞組電流的測量，並獲得阻尼繞組電流隨時間變化的瞬時曲線。與傳統利用間接法測量得到的阻尼繞組電流結果相比，利用該系統測量所得的阻尼繞組電流不僅具有更加真實準確的優點，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可靠的依據。 ^[1] 

在計算阻尼繞組電流的過程中，本文還採用傳統方法，即利用解析法近似等效阻尼繞組端部的方法計算了該電機在同樣條件下的阻尼繞組電流。採用改進方法計算所得的阻尼繞組電流波形與試驗測量曲線非常接近，電流幅值略有不同，阻尼繞組電流幅值相差較大。採用傳統解析法處理端部的計算結果與測量結果幅值相差很大，且同樣是阻尼繞組電流的計算結果與實測結果相差最大。這是因為在本文的計算過程中雖然考慮了該電機轉子鐵心磁極壓板由於飽和所帶來的端部磁場非線性問題，但由於阻尼繞組電流是交變的，端部磁場的局部飽和程度會隨電流的變化而發生改變，引起阻尼繞組迴路的端部漏感也隨之發生變化，再加上勵磁繞組與電樞繞組對阻尼繞組迴路端部的影響，使得在電機的實際運行過程中轉子端部磁場的非線性情況遠比文中所顧及到的情況更為複雜。由此使得阻尼繞組電流的計算幅值與實測結果存在一定的偏差。阻尼繞組由於處在磁極中間位置，其所在迴路內磁極壓板的飽和情況受其他繞組端部磁場的影響最為嚴重，所以阻尼繞組電流的計算結果與實測結果相差最大。採用傳統解析法處理端部的計算結果，由於未充分考慮到實際運行中端部磁場的飽和程度及其複雜情況，因此計算準確度很低。且同樣是阻尼繞組計算準確度最低。儘管兩種方法的阻尼繞組電流幅值計算結果相差較大，但阻尼繞組電流基波頻率都為lOOHz，是電機主磁場旋轉頻率的2倍。這是由於發電機工作在不對稱運行狀態，不對稱的電樞繞組電流形成了負序磁場所造成的。雖然本章考慮端部磁場非線性的方法計算阻尼繞組電流的幅值與實測結果相比略有出入，但電流波形與實測結果吻合良好，足以證明所建數學模型及所用計算方法具有準確度高的優點。 ^[1]