第1章 緒論

1.1 雙繞組發電機產生背景和意義

在艦船、飛機、移動通信站、石油鉆井平臺等獨立系統中，往往同時需要高品質的交流電源和直流電源，這可通過三種方案來解決［1-3］：一是由兩臺發電機分別提供交流電和直流電；二是由交流發電機提供總電源（交流電），經變壓器配合整流橋提供直流電，從而實現同時帶交、直流負載；三是由一臺具有兩套繞組的交流同步發電機提供交、直流電源，其中一套繞組直接輸出交流電，另一套繞組接至整流橋整流后輸出直流電。

對上述三種方案進行比較。

方案一：電磁兼容（EMC）性能好且技術成熟，但具有成本高、體積重量大、效率低、經濟性差和直流電機運行可靠性低、維護困難等一系列缺點，在體積、重量有嚴格限制的艦船、飛機和移動通信站等系統中尤其難以采用。

方案二：由于周期性重復的換相過程導致交、直流負載聯接處的電壓波形畸變，在電機轉子的勵磁繞組和阻尼繞組中引起感應電動勢與感生電流，致使發電機產生附加損耗和轉矩振動，溫升提高，效率降低，交流供電品質下降。同時由于一般整流輸出的直流電壓脈動系數較大，造成輸出電流脈動過大，將產生嚴重的電磁干擾，影響周圍計算機與通信設備的正常工作。為了解決上述問題，可以在交流電網上增設一系列針對不同頻率的濾波器，在直流側增設平波電抗器，或者在整流裝置前接入用以增加相數的變壓器。因為濾波器、平波電抗器和變壓器的體積重量都很可觀，這些技術措施僅僅適用于靜止變流器功率不大或體積重量限制不嚴的場合。

方案三：1973年，美國學者Paul W.Franklin提出了一種定子上有兩套三相繞組的電機［1］，其中一套繞組給交流負載供電，另一套繞組經三相橋式整流器給直流負載供電。這一方案引起了不少學者的關注［2］，但由于采用三相橋式整流，直流側輸出電壓脈動過大，整流繞組電流換相對交流繞組輸出電壓波形仍然有較大影響，所以該方案未能解決兩套繞組相互影響過大及由此產生的電磁干擾等問題。

為了解決上述問題，中國人民解放軍海軍工程大學馬偉明院士提出了一種將三相交流繞組和多相（如六相、九相、十二相）整流繞組放在同一個定子上，使一臺發電機能同時輸出三相交流電和直流電（整流后）的方案，稱之為雙繞組交直流發電機系統（簡稱為雙繞組發電機）［4］。雙繞組發電機的體積重量比用兩臺發電機組要減小40%以上，無需增加輔助設備就能同時提供高品質、大功率的交流電和直流電，具有系統構成簡單、設備制造成本低、可靠性高、經濟性好等一系列突出優點［3-6］；該系統將電力電子變流裝置同發電機集于一體，將直流供電系統從電路上與交流供電系統隔離開來，僅保留磁的耦合，只要合理控制兩套繞組磁場耦合的強弱，即通過合理選擇發電機兩套繞組的參數，就能獲得優良的交直流供電品質和電磁兼容性能；整流繞組采用十二相供電，輸出脈動小（小于1%），大大降低了整流電流換相對交流電壓波形畸變的不良影響，有效地減小了三相交流電網的電壓畸變率，改善了交流電網電磁兼容的性能［5］。由此可見，雙繞組發電機很好地滿足了移動系統對電源品質、體積和重量的嚴格要求，而且可顯著降低成本，隨著綜合全電力系統的大力發展，其必將在艦船、飛機、移動通信站和石油鉆井平臺等系統中獲得越來越廣泛的應用。

圖1-1所示為3/12相雙繞組發電機電路原理圖。

雙繞組發電機作為一種全新的獨立供電系統，目前尚有許多理論和實際問題需要深入的研究，如其動態性能（突然短路等）、運行穩定性、參數計算等。其中，突然短路工況的研究，對該類電機及其保護裝置的設計、制造具有重大的指導意義。

普通三相電機的突然短路，會引起很大的沖擊電流和沖擊轉矩，其最大沖擊電流可達額定值的20倍左右，電磁轉矩可達額定轉矩的7倍左右，嚴重危及電機的繞組、主軸、基座和螺釘［7-9］。通過對三相電機突然短路的研究，掌握該工況下各種極限參數，可以合理地設計和制造三相電機及其控制保護設備。

與之類似，對雙繞組發電機短路后的各種極限參數展開研究，可以確定發生短路后的最大沖擊電流、最大沖擊轉矩及其到達的時刻，為該類電機及其保護裝置的進一步優化設計提供理論依據，這對于雙繞組發電機的應用和發展具有重要意義。此外，研究雙繞組發電機的突然短路，可深入揭示其內部的電磁耦合關系，對分析該類電機的其他性能也具有指導意義。