1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在問題

1.2.1 多相電機(jī)及發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)研究

1.六相同步發(fā)電機(jī)

20世紀(jì)70年代，大型發(fā)電機(jī)組的發(fā)展受到兩個(gè)因素的制約：限制故障電流的電抗器體積太大、斷路器分?jǐn)嗳萘坑邢蕖Ａ嚯pY繞組發(fā)電機(jī)的出現(xiàn)突破了這些制約［10］，特別是兩套繞組互移30°電角度時(shí)，雜散損耗和轉(zhuǎn)矩振動可大大降低［2］。由于六相同步發(fā)電機(jī)帶整流負(fù)載時(shí)，有較高的效率、較低的溫升、較小的波形畸變和較長的使用壽命，較普通三相發(fā)電機(jī)帶整流橋性能優(yōu)越［11］，因此引起了國內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注，并在發(fā)電機(jī)的突然短路電流與電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算［12-13］、不對稱短路與對稱短路工況［14-17］、電機(jī)等效電路及其參數(shù)確定［18］等方面進(jìn)行了大量工作。雖然這些研究采用的是理想電機(jī)模型，未考慮電機(jī)內(nèi)部磁場飽和與諧波影響，但其思路可為其他多相電機(jī)的研究提供一定參考。

2.十二相同步發(fā)電機(jī)

為了進(jìn)一步提高整流質(zhì)量和電機(jī)的有效材料利用率，十二相四Y移15°繞組同步發(fā)電機(jī)被付諸應(yīng)用。由于該系統(tǒng)采用多相整流，因此具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：直流電壓紋波系數(shù)大大減小；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子表面損耗、電機(jī)的電磁振動與噪聲干擾等得到降低；在相同幾何尺寸與有效材料消耗下，十二相發(fā)電機(jī)比三相發(fā)電機(jī)輸出功率提高7.87%［19］。基于以上特點(diǎn)，國內(nèi)學(xué)者對十二相發(fā)電機(jī)展開了系統(tǒng)研究，華中科技大學(xué)李朗如教授論述了該類電機(jī)的基本原理和特點(diǎn)，分析了電樞磁勢的特征以及帶橋式整流輸出的整流特性［19］；馬偉明院士建立了該類電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，給出了描述該類電機(jī)行為的最小參數(shù)集及其測量方法，并用諧波平衡法分析了該類電機(jī)突然不對稱短路［20］及帶整流橋時(shí)直流側(cè)突然短路過程［21］；海軍工程大學(xué)張曉鋒教授建立了該類電機(jī)帶整流負(fù)載的電路模型，并應(yīng)用該模型分析了十二相同步發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。對3/12相雙繞組發(fā)電機(jī)的研究來說，上述文獻(xiàn)具有重要參考價(jià)值，許多結(jié)論可以直接應(yīng)用，例如分析雙繞組發(fā)電機(jī)直流側(cè)突然短路時(shí)，就可將直流側(cè)突然短路等效為其交流側(cè)所有相對稱突然短路［21］。

3.整流系統(tǒng)

多相電機(jī)整流系統(tǒng)可以突破半導(dǎo)體器件的電流限制，得到大功率直流驅(qū)動電源。前期研究主要集中于穩(wěn)態(tài)分析［1,2,19,22］，電機(jī)側(cè)作適當(dāng)?shù)暮喕鶕?jù)橋式整流原理得到系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系。后續(xù)研究內(nèi)容逐漸豐富，包括：分別對帶阻尼繞組的凸極同步電機(jī)、無阻尼繞組和帶阻尼繞組的隱極同步電機(jī)帶整流負(fù)載及其工作在不同模式下的特性進(jìn)行分析［23-26］，其基本思路是忽略電阻的作用，轉(zhuǎn)子繞組磁鏈在換相期間守恒，由導(dǎo)通與換相間的邊界條件導(dǎo)出換相延遲角、換相角、換相電流、勵磁繞組和阻尼繞組電流等表達(dá)式，且認(rèn)為換相電抗與交直軸超瞬變電抗等效；根據(jù)同步發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)換相時(shí)的等效電路，利用同步發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)非對稱突然短路電流的計(jì)算結(jié)果，求出六相、十二相同步發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)的等效換相電抗［27-28］；對六相雙Y電機(jī)帶整流負(fù)載時(shí)的特性進(jìn)行了深入分析［29-30］。此外，還有文獻(xiàn)對交直流系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)動態(tài)行為和穩(wěn)定性問題進(jìn)行了系統(tǒng)分析［20,31-40］，特別是利用線性化模型得到同步發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)穩(wěn)定判據(jù)、運(yùn)行穩(wěn)定性計(jì)算方法以及系統(tǒng)穩(wěn)定性機(jī)理的研究［20,31］，對交直流雙繞組發(fā)電機(jī)的動態(tài)分析和穩(wěn)定性分析具有重要的參考價(jià)值。

4.交直流混合供電系統(tǒng)中諧波畸變問題

同步發(fā)電機(jī)帶整流負(fù)載時(shí)，由于換相的存在使得電壓波形出現(xiàn)缺口，引起畸變，導(dǎo)致在交流系統(tǒng)中產(chǎn)生較嚴(yán)重的諧波電流和諧波電壓。諧波電流將引起附加銅耗，定、轉(zhuǎn)子的諧波電流相互作用還將引起轉(zhuǎn)矩脈動［41］。特別是當(dāng)發(fā)電機(jī)同時(shí)帶整流和交流負(fù)載時(shí)，整流負(fù)載由于電流換相會使交流電網(wǎng)電壓波形畸變，影響交流負(fù)載的正常工作，并產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾，降低系統(tǒng)電磁兼容性能。有學(xué)者對的三相同步發(fā)電機(jī)直接整流或經(jīng)變壓器整流時(shí)的交流側(cè)電壓波形做了傅里葉級數(shù)分解，對電壓波形畸變率的計(jì)算公式及其影響因素進(jìn)行了推導(dǎo)和分析［42］；有學(xué)者對于減小交流電壓的諧波和直流電壓紋波系數(shù)進(jìn)行了研究［43-49］；還有學(xué)者建立了雙繞組交直流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的多回路仿真模型，對該系統(tǒng)的交流繞組線電壓波形畸變率進(jìn)行了仿真，指出影響電能質(zhì)量的主要原因和改進(jìn)措施［6］。以上文獻(xiàn)對研究交直流系統(tǒng)的諧波、電磁兼容有重要參考價(jià)值。

5.仿真研究

得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展、仿真模型和算法的改進(jìn)，電機(jī)分析、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電力電子裝置分析在仿真研究上不斷進(jìn)步，取得了諸多成果。隨著專業(yè)軟件的日益完善，仿真研究越來越成為研究電機(jī)與電力電子系統(tǒng)的一個(gè)重要手段。

在仿真研究中，同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型主要有：理想電機(jī)模型、多回路模型以及電磁場模型等。這其中理想電機(jī)模型應(yīng)用最為普遍［36-40,50-59］，該方法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡單，模型結(jié)果誤差在工程允許范圍內(nèi)，但難以考慮磁路飽和、磁場諧波等因素；多回路模型將電機(jī)看作具有相對運(yùn)動的多個(gè)回路組成的電路［6,60-62］，特別適用于分析電機(jī)繞組的內(nèi)部故障，但準(zhǔn)確確定各回路參數(shù)較為困難且難以考慮磁路飽和；電磁場模型［3,63］是理論上最準(zhǔn)確的分析方法，它不僅可以考慮氣隙磁場的諧波，而且可以考慮飽和的影響，但這種方法只適用于計(jì)算機(jī)仿真，無法得出解析解，如果完全按電機(jī)電磁場的實(shí)際情況進(jìn)行仿真，計(jì)算量太大，現(xiàn)有計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度還難以適應(yīng)。

整流橋的仿真主要有以下幾種方法：模式分類法、簡化模型法、電路模型法。模式分類法［50-52,55-56,64-66］是利用枚舉的方法將各種可能的情況（模式）列出，對每一種模式均列寫方程，再確定各種可能狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換與約束條件，由于多相整流橋隨負(fù)載電流的變化可能出現(xiàn)多種模式，因此采用模式分類法分析該問題工作量相當(dāng)大，有時(shí)甚至很困難［3］；簡化模型法是根據(jù)整流橋工作原理經(jīng)簡化直接得到各物理量的表達(dá)式［1,23-26］，采用平均值模型［67-70］或?qū)⒄鳂虻刃槿鄬ΨQ瞬變阻抗［71］，從而使系統(tǒng)得到簡化，但該方法的前提條件忽略了磁路飽和的影響，且只考慮空間基波磁場的作用；電路模型法［72-75］通常是采用理想電機(jī)模型，建立相應(yīng)的等效電路，然后直接利用仿真軟件（如PSPICE、Simulink等）提供的元件模型對整流橋進(jìn)行仿真，具有準(zhǔn)確、方便、靈活的優(yōu)點(diǎn)，但速度較慢。綜合這三種方法，電路模型法所得仿真波形與實(shí)測波形相當(dāng)接近，體現(xiàn)了專業(yè)仿真軟件的優(yōu)越性。這也說明，用專業(yè)仿真軟件代替科研人員自己編寫程序已經(jīng)成為一種必然趨勢。

1.2.2 雙繞組發(fā)電機(jī)研究

1.穩(wěn)態(tài)運(yùn)行

由于技術(shù)保密等的原因，國外關(guān)于雙繞組發(fā)電機(jī)的參考文獻(xiàn)很少，研究對象均為3/3相雙繞組交直流發(fā)電機(jī)，研究內(nèi)容也僅是利用計(jì)算機(jī)仿真對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀況進(jìn)行分析，包括雙繞組發(fā)電機(jī)的基本方程、穩(wěn)態(tài)輸出電流電壓和轉(zhuǎn)矩波形、電感矩陣計(jì)算［2］、三相整流橋特點(diǎn)、整流繞組換向起止時(shí)間、換向電流、阻尼和勵磁繞組電流［1］等，對動態(tài)過程的分析涉及很少。

2.數(shù)學(xué)模型

目前雙繞組發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型主要有如下三種。

第一種是傳統(tǒng)的dq0坐標(biāo)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型（理想電機(jī)模型），這種模型的優(yōu)點(diǎn)是參數(shù)物理意義明確，便于進(jìn)行解析分析，但由于只考慮氣隙磁場的基波分量，而把諧波分量以差漏抗的形式進(jìn)行近似，且未考慮飽和的影響，因此存在一定的誤差。這種誤差對普通三相電機(jī)來說并不大，屬于工程允許的范圍，而對多相電機(jī)來講，從十二相電機(jī)分析結(jié)果上看［21］，該誤差也在工程允許范圍內(nèi)，所以用dq0坐標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型來分析雙繞組發(fā)電機(jī)應(yīng)該可行。參考文獻(xiàn)［5-6］各自建立了dq0坐標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，參考文獻(xiàn)［5］嚴(yán)格按照電機(jī)內(nèi)各繞組的耦合情況建立了dq0坐標(biāo)系統(tǒng)的模型，但是沒有利用兩套繞組間的耦合關(guān)系簡化模型，所得模型雖然準(zhǔn)確但比較復(fù)雜，難以應(yīng)用；參考文獻(xiàn)［6］通過考慮耦合和對漏抗進(jìn)行一定的近似，建立了dq0坐標(biāo)系統(tǒng)的簡明模型，由于動態(tài)過程與漏抗關(guān)系密切（如短路電流大小主要取決于漏抗），用該模型分析突然短路會帶來較大的誤差，但分析穩(wěn)態(tài)情況應(yīng)該比較準(zhǔn)確。

第二種模型是基于多回路理論進(jìn)行計(jì)算的模型［6］，第三種模型是用電機(jī)電磁場理論建立的模型［3］。這兩種模型前面已做了介紹，此處不再贅述。

3.參數(shù)測量

利用dq0坐標(biāo)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，可以得到雙繞組發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)參數(shù)和瞬變參數(shù)的多種測量方法［5］，這為雙繞組發(fā)電機(jī)的分析和研究提供了必要的基礎(chǔ)；與之類似，采用多回路和電磁場計(jì)算的方法，也可對電機(jī)參數(shù)進(jìn)行測量［3,6］。此外，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，系統(tǒng)參數(shù)辨識理論和方法也迅速擴(kuò)展［77-79］，它不僅可以從理論上重新認(rèn)識同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型及參數(shù)問題，也為同步電機(jī)參數(shù)測量時(shí)的數(shù)據(jù)處理提供了許多可供選擇的計(jì)算方法與計(jì)算技巧。

4.運(yùn)行穩(wěn)定性

雙繞組發(fā)電機(jī)是普通三相同步發(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物，因此雙繞組發(fā)電機(jī)既有與普通三相同步發(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)一樣的運(yùn)行工況和穩(wěn)定性問題，又有其自身特點(diǎn)，是一個(gè)有待深入研究的領(lǐng)域。有學(xué)者采用理論分析、數(shù)字仿真、實(shí)際試驗(yàn)等多種手段對3/12相同步發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行了全面研究［20,31,36-40,80］，揭示了該類系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定的機(jī)理，提出了參數(shù)匹配、交軸穩(wěn)定繞組、穩(wěn)定控制裝置等使同步發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的方法。

5.突然短路

同系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性一樣，雙繞組發(fā)電機(jī)既有與普通三相同步發(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)一樣的運(yùn)行工況和突然短路問題，又有其自身特點(diǎn)。但目前關(guān)于雙繞組發(fā)電機(jī)突然短路研究的文獻(xiàn)很少，因此迫切需要對此進(jìn)行深入的研究。

1.2.3 雙繞組發(fā)電機(jī)突然短路研究

1.一般同步發(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)突然短路研究

對三相同步發(fā)電機(jī)的各種對稱和不對稱突然短路分析，早已有非常成熟的理論。很多文獻(xiàn)采用解析分析、數(shù)字仿真等多種手段對三相同步發(fā)電機(jī)的對稱和各種不對稱突然短路進(jìn)行了全面研究［7-9,62,81-92］，揭示了突然短路過渡過程的物理機(jī)理，得到了短路后的最大沖擊電流、最大沖擊轉(zhuǎn)矩及其到達(dá)時(shí)刻，為該類電機(jī)及其保護(hù)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

對多相同步發(fā)電機(jī)突然短路的分析，也有比較成熟的理論。參考文獻(xiàn)［13-16］系統(tǒng)深入地研究了六相電機(jī)的各種不對稱和對稱短路；參考文獻(xiàn)［20］用諧波平衡法系統(tǒng)分析了十二相4Y移15°同步發(fā)電機(jī)的各種不對稱突然短路；參考文獻(xiàn)［21］從理論上證明了同步發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)直流側(cè)突然短路可等效為其交流側(cè)對稱突然短路，從而可以用一般同步發(fā)電機(jī)突然短路的分析方法研究整流系統(tǒng)直流側(cè)突然短路，這為分析同步發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)直流側(cè)突然短路鋪平了道路。

以上文獻(xiàn)所用的模型仍然是R.H.Park提出的“理想電機(jī)”模型，所用方法大都是從三相電機(jī)的分析方法引申而來，結(jié)果表明：Park理想電機(jī)模型，在多相電機(jī)的研究中仍然很有效。

2.雙繞組發(fā)電機(jī)系統(tǒng)突然短路研究

3/12相雙繞組發(fā)電機(jī)既有與一般三相同步發(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)一樣的突然短路情況，又有它特有的突然短路情況；雙繞組發(fā)電機(jī)交流側(cè)或直流側(cè)單獨(dú)短路，與一般三相同步發(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)突然短路一樣，其分析方法當(dāng)然也完全相同；雙繞組發(fā)電機(jī)特有的短路情況主要有：交流側(cè)和直流側(cè)同時(shí)突然短路、交流側(cè)帶負(fù)載時(shí)直流側(cè)突然短路、直流側(cè)帶負(fù)載時(shí)交流側(cè)突然短路（包括對稱和不對稱短路）等。其中，交流側(cè)和直流側(cè)同時(shí)突然短路是雙繞組發(fā)電機(jī)的一種典型的故障工況，其地位與普通發(fā)電機(jī)三相對稱突然短路的地位相當(dāng)，研究這種突然短路工況，可以深入揭示電機(jī)內(nèi)部各繞組間的電磁耦合關(guān)系，對雙繞組發(fā)電機(jī)其他性能的研究具有指導(dǎo)意義，是一個(gè)非常值得深入研究的課題。

對雙繞組發(fā)電機(jī)特有的突然短路的研究，目前的文獻(xiàn)還很少。參考文獻(xiàn)［93］初步研究了交直流側(cè)同時(shí)發(fā)生突然短路時(shí)的沖擊電流和沖擊轉(zhuǎn)矩，但未對其進(jìn)行系統(tǒng)深入的理論分析、仿真計(jì)算和試驗(yàn)研究；參考文獻(xiàn)［94］用諧波平衡法分析了雙繞組發(fā)電機(jī)兩套繞組的突然不對稱短路；參考文獻(xiàn)［95-96］通過考慮兩套繞組間的耦合簡化了3/3相雙繞組發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，并對3/3相雙繞組發(fā)電機(jī)帶交流負(fù)載時(shí)直流側(cè)突然短路電流進(jìn)行了分析，其方法可進(jìn)一步引申到3/12相雙繞組發(fā)電機(jī)的分析中來。

參考文獻(xiàn)［6］對3/12相雙繞組發(fā)電機(jī)的交流側(cè)帶負(fù)載直流側(cè)突然短路進(jìn)行了分析（用解析、仿真和試驗(yàn)的方法），其多回路法仿真分析的誤差很小，而解析分析的誤差略大（最大誤差約18%）。究其原因，解析法在建立電機(jī)dq0模型時(shí)，利用交流繞組電抗參數(shù)表示整流繞組各相應(yīng)參數(shù)（電抗與繞組有效匝數(shù)二次方成正比），將整流繞組各電磁量折合到交流繞組，并假設(shè)兩相繞組之間的互漏抗與自漏抗相等，使得各運(yùn)算電抗xdy（p）、xdm（p）等完全相同，這樣處理雖然簡化了模型，但會帶來一些誤差，而且使參數(shù)的物理意義不明確，因此這種模型用來分析雙繞組發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能是準(zhǔn)確的，但不適用于分析電機(jī)的突然短路。對電機(jī)的突然短路來說，決定最大短路電流數(shù)值的主要因素是超瞬變電抗等參數(shù)，而超瞬變電抗主要是由漏抗所決定，也就是說短路電流的大小主要取決于漏抗，所以參考文獻(xiàn)［6］對漏抗的近似處理直接導(dǎo)致了短路電流的誤差。此外，參考文獻(xiàn)［6］沒有對極其重要的物理量——電磁轉(zhuǎn)矩進(jìn)行分析，并且只解出了一個(gè)定子時(shí)間常數(shù)（實(shí)際上雙繞組發(fā)電機(jī)有兩個(gè)不同的定子時(shí)間常數(shù)Ta1和Ta2）。

3.雙繞組發(fā)電機(jī)突然短路的研究方法

雙繞組發(fā)電機(jī)，由于兩套繞組之間的相互耦合，電磁關(guān)系變得相當(dāng)復(fù)雜，分析其性能時(shí)需要特別處理兩套繞組之間的耦合關(guān)系，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕Ｍǔ５难芯糠椒ㄈ缦隆?/p>

（1）解析法

解析法是傳統(tǒng)的電機(jī)分析方法，用解析法來研究雙繞組發(fā)電機(jī)時(shí)，首先需要建立其dq0坐標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（電壓、磁鏈方程等），再根據(jù)端點(diǎn)條件，列寫相應(yīng)微分方程，運(yùn)用海維塞德運(yùn)算微積法，解出有關(guān)電磁量（如電流、電壓、磁鏈和轉(zhuǎn)矩等）的解析表達(dá)式。該方法的特點(diǎn)是物理概念清晰，易于獲得規(guī)律性認(rèn)識，但求解過程比較復(fù)雜。常用的方法有三要素法和諧波平衡法。

（2）仿真法

仿真法是通過建立適當(dāng)?shù)姆抡婺Ｐ停ㄈ?span id="e5o11kp" class="italic">abc或dq0坐標(biāo)系統(tǒng)模型，多回路系統(tǒng)模型或電機(jī)電磁場模型等），對各種具體的運(yùn)行情況進(jìn)行仿真計(jì)算，以得出此時(shí)電磁量（電流、磁鏈和轉(zhuǎn)矩等）的波形。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)研究需要任意改變系統(tǒng)參數(shù)，從而克服理論分析和模擬試驗(yàn)的某些局限性，靈活方便，準(zhǔn)確度高；缺點(diǎn)是不易獲得規(guī)律性認(rèn)識，物理概念不明確。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和專業(yè)仿真軟件的不斷發(fā)展，仿真法越來越成為研究同步發(fā)電機(jī)整流器系統(tǒng)的重要方法，尤其是對于雙繞組發(fā)電機(jī)，兩套繞組之間相互耦合，電磁關(guān)系變得更加復(fù)雜，解析分析越來越困難，在這種情況下，仿真法將成為一種重要的研究方法。

（3）試驗(yàn)法

試驗(yàn)法用于驗(yàn)證解析分析和數(shù)字仿真的正確性，并對理論分析起指導(dǎo)作用，是必不可少的一種具有基礎(chǔ)性的研究方法。無論用何種方法進(jìn)行研究，都必須經(jīng)過試驗(yàn)檢驗(yàn)。

在實(shí)際研究中，上述三種方法應(yīng)當(dāng)有機(jī)地結(jié)合起來，互相補(bǔ)充，互相驗(yàn)證，從而確保研究工作的順利進(jìn)行。本書將采用上述三種方法，對雙繞組發(fā)電機(jī)的主要突然短路情況進(jìn)行系統(tǒng)的分析。

另外，單純的三相和十二相電機(jī)突然短路的分析方法已經(jīng)相當(dāng)成熟，研究雙繞組電機(jī)突然短路時(shí)應(yīng)充分借鑒，例如直流側(cè)短路的分析可等效為交流側(cè)對稱短路［21］。