石 油机械 ＣＨＩＮＡ ＰＥＴＲＯＬＥＵＭ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ ２０１０年第３８卷第６期 ●专题研究 永磁同步发电机内阻抗对电压调整率的影响 杨安林 沈 跃 刘作鹏 （１．中国石化华北分公司工程处２．中国石油大学（华东） 物理科学与技术学院３．中海油技术监督监理技术公司） 摘要 通过相量法建立永磁同步发电机的内阻抗数学模型，研究了内阻抗特性及其对电压调 整率的影响。结果表明，发电机内阻抗具有电流和功率因数角负反馈特性，可使电压调整率得到 一定程度的改善；感性负载下的改善更多受益于发电机内阻抗的功率因数角负反馈，且中、低功 率因数下电压调整率的改善效果主要取决于直轴反应电抗，阻性和近阻性负载下取决于交轴反应 电抗；根据数值计算和分析确定了获得最佳电压调整率时电枢反应电抗标幺值范围为 三≤０．１２、 ｘ５≤０．１１。试验测量表明，电枢反应电抗处于最佳区域内可使电压调整率得到明显改善。 关键词 永磁同步发电机 内阻抗 电枢反应电抗 电压调整率 功率因数角 其内阻抗的变化上，根据电势相量方程 。。 ，电枢 ０ 引 言 反应可以等效为呈感性的发电机内阻抗，即 ｒ １ 随着现代钻井技术的发展，井下随钻测量等技 ｚ０＝ｒＯ＋ Ｉ ９＋（ ｄ— ９）ｓｉｎ ｌ＝ｒｏ＋ 术需要将井下发电机作为标准装置。电压调整率是 （１） 表征同步发电机运行特性的一项重要指标，同步发 其中， ＝ａｒｃｔａｎ Ｉ（，“ ＋Ｕｓｉｎｑ￣）／（ ｒ０＋Ｕｃｏｓ￣ｏ）Ｉ 电机的电枢反应直接影响到电压调整率。由于永磁 为内功率因数角， 为功率因数角， 为端电压； 发电机无励磁绕组，电压调整率无法控制，只能通 ＝。， ＋ 为相电流，ｊ 为直轴电流， 为交轴电 过合理确定电枢反应电抗来获得较低的电压调整 流，ｒ０为电枢电阻，Ｘｄ＝Ｘ。 ＋ 为直轴同步电抗， 率。因此，在永磁发电机的电磁设计中，电枢反应 电抗成为一项关键的设计指标 ｊ。文献［３—５］ Ｘｑ＝Ｘａ。＋ 为交轴同步电抗， 为漏电抗， 为 通过解析法研究了永磁同步发电机获得０或负电压 直轴反应电抗，瓦。为交轴反应电抗，Ｘｏ为内电抗。 调整率的条件，但分析发电机的内阻抗可知，该发 凸极永磁同步发电机的特殊结构决定了Ｘ ＞ 电机内阻抗呈感性，在阻性和感性负载下电压调整 对 进行分析，结果表明，当电流由０逐渐 率不会出现负值或０，因此文献中给出的结论有待 增加时， 从 开始随电流逐渐增大，由于ｘ ＞ 商榷。鉴于此，笔者根据发电机设计理论，通过相 ，使内电抗 逐渐减小，内阻抗随电流增大而 量法建立内阻抗数学模型，研究了永磁同步发电机 减小，所以内阻抗具有电流负反馈特性。此外，当 内阻抗特性对电压调整率的影响，采用数值分析手 功率因数角由０逐渐增加时， 也随之逐渐增大， 段研究了发电机电枢电抗参数的最佳设计区域。 使 逐渐减小，内阻抗同时具有功率因数角负反 馈特性。 １ 内阻抗及其对电压调整率的影响 １．２ 内阻抗对电压调整率的影响分析 发电机电压调整率 ＝（Ｅ。一Ｕ ）／Ｕ ，ＵＮ １．１数学模型 为额定电流下的端电压。根据 ＝ ＺＬＮ／（ｚ ＋ 同步发电机电枢反应对输出电压的影响反映在 Ｚ０），其中，ｚＬⅣ＝ＵＮ／ 。＾ｒ＝ｌ ｚ￡Ⅳｌ ｃｏｓｑｏ＋ Ｉ ｚＬⅣｌ ｓｉｎｑ￣ 基金项目：国家８６３计划项目“气体钻井技术与装备”（２００６ＡＡＯＡ１０３）。 ２０１０年第３８卷第６期 杨安林等：永磁同步发电机内阻抗对电压调整率的影响 为额定电流下的负载阻抗； 苞 ＝Ｅ）ｃｏｓＯ Ｎ十 Ｅ ｓｉｎ￣／，Ｎ， 奄 为额定负载电流； 式中，Ｘ。 ＝Ｘ ＋（Ｘ 一 ）ｓｉｎｇ， 为额定电流下 的内电抗，￣．ｔＮ：ａｒｃｔａｎ 因数角。 将参数用标幺值表示为： 为额定内功率 Ｉ ＺＬ～ＩＥ（）（ＣＯＳ￣Ｎ＋ｊｓｉｎ￣０Ｎ）（ｃ０ｓ ＋ｊｓｉｎ￣） ＵＮ一（ｒ０＋ｆｚ ，ｖ Ｊ ｃｏｓ￣）＋ｊ（Ｘｏ ＋｛Ｚ ～Ｊｓｉｎｇ＞） ， （２） Ｅ。一 碌ｒｏ ＝ｒｏ／Ｉ Ｚ Ｉ ： ／Ｉ ｚ Ｉ：Ｘｑ ＋（ （４） 一Ｘｑ ｓｉｎ ［ ２ ２ ＋ ＋ ］ 一 其中， ： ／ Ｉｌ＝ ＋ ， ＝ ／ ｌ５ （３） ＋ ，则有 （６） ／｛ｒ ＋［ ＋ｃ 一 ，ｓｉｎ ］ ）＋２｛ｒ ｃ。ｓ ＋［ ＋ｃ 一 ＊）ｉ ｇｓ ］ｓｉｎ ）＋ 一 反馈一直在克服负载阻抗角的变化对电压调整率的 ２实例分析 计算实例为中石油集团钻井工程技术研究院研 制的一台井下随钻测量永磁同步三相涡轮发电机， 影响，在极值点处二者产生的影响达到平衡。由于 内阻抗的功率因数角负反馈，感性负载下发电机电 压调整率的这种现象普遍存在。数值计算表明，极 值点处的功率因数值与发电机参数有关。综合以上 分析可知，当功率因数等于Ｉ时，内阻抗变化对电 压调整率的改善依靠电流负反馈，当功率因数小于 其参数为：ｒｎ＝０．５４ ｎ， ＝０．７２ ｎ，Ｘ。ｄ＝０．２２ ｎ，Ｘ ＝１．０６ ｎ，Ｅ０＝５０ Ｖ，， ＝５ Ａ。 ２．１ 内阻抗特性及其对电压调整率的影响 １时，主要依靠功率因数角负反馈。 对发电机回路进行分析可知， ｌ５Ｉ【抗直接影响 到发电机的外特性及额定负载下的电压州 率。图 １为功率因数作为参量条件下内电抗随电流变化的 ：ｉ １１ 。数值计算结果。从图中可以看出，相同功率因数下 内电抗随着电流的增大而减小，相同电流下内电抗 随功率因数角的增大而减小，均与理论分析相符。 蚕 ９ ： ０ １０ ２０ ３０ ４０ ５０ ６０ ７０ ８０ ９０ 功率因数角／（。） 纯阻性负载下内电抗的电流负反馈最强，感性负载 下功率因数角对内电抗的影响相对较大，且纯感性 图２ 功率因数角对电压调整的影响曲线 负载下内电抗的功率因数角负反馈最强，说明感性 负载下电压调整率的改善更多受益于发电机内阻抗 的功率因数角负反馈特性。 ————————一。 ２．２ 电枢反应电抗对电压调整率的影响 电枢反应电抗通过内阻抗影响发电机的电压调 整率。根据式（６）可以计算出以电枢反应电抗为 参量时电压调整率受功率因数影响的结果，见图 ３。从图３ａ可知，随着 的增大，电压调整率升 １．２ ｃ；１．１＇．－＂Ｉ Ａ Ａ￣￣Ａ ｉ￣ 高，且极值点向 增大方向偏移，说明内阻抗的 功率因数角负反馈对电压调整率的抑制作用逐渐减 小；同时可以看出，在 ≤１０。范围内，即在阻性 Ｉ．０＃—＿． —・——・—＿．．＿—１＿＿—・—＿． —－——Ｈｏ．９ ０．８ ＋，＿—＿．——．＿—＿．——．＿—－——．＿—＿．——．＿—＿．—＿． —ｃ０ｓ ＝１ ｏｃｏｓ￣＝ｃ。ｓ妒＋ｃｏｓ ＝ｏ ５ －【）＿Ｏ．； ４———— ５ 和近阻性负载下， 的变化对电压调整率的影响 ０ ７Ｌ——— １———— ２—————３。。——— ０很小，随着 的增大， 二对电压调整率的影响逐 渐增大。从图３ｂ可知，随着 三的增大，电压调整 率升高，纯阻性负载时， 二对电压调整率有一定 相电流／Ａ 图１ 内电抗与相电流、功率因数的关系曲线 图２为额定负载电流下功率因数角对电压调整 率影响的数值计算结果。从图可见，电压调整率在 ＝影响，随着 的增大， 三对电压调整率的影响逐 渐增大，然后又逐渐减弱，当 ≥８０。时， 三的变 化对电压调整率基本无影响。 ５５。时出现极大值，说明内阻抗的功率因数角负 一６一 石 油机械 ２０１０年第３８卷第６期 功率因数角／（。） ａ．直轴反应电抗 １Ｏ ９ ８ ７ 出５ ３ 图３ 以电枢反应电抗为参数时功率因 数角对电压调整率的影响曲线 图４为 作为参量条件时阻性负载的电压调 整率随 二的变化曲线。从图可以看出，在 二≤ ０．１２范围内，各曲线的电压调整率变化均较小， 在 二≤０．１１范围内可以得到小于１％的电压调整 率变化量。这说明电枢反应电抗在该区域内变化时 对 的影响很小，应该是凸极永磁同步发电机电抗 参数设计的最佳区域。。总的来说，阻性负载时减小 对电压调整率的抑制效果较好；感性负载时减 小 二和 二对抑制电压调整率均有效果，但在中、 低功率因数下，减小 二的效果较好。 图４阻性负载下电压调整率与 交轴反应电抗的关系曲线 ３ 试验测量及结论 ３．１试验测量 对上述永磁同步发电机进行试验测量，发电机 直轴反应电抗标幺值为０．０２４，交轴反应电抗标幺 值为０．１１５，在１ ５００ ｒ／ｍｉｎ额定转速下其空载电动 势为４９．２ Ｖ，阻性负载５ Ａ额定电流时电压调整率 为７．３％，额定输出功率６８９ Ｗ；负载功率因数 ｃ０ｓ ＝０．９时的电压调整率为１０．５％，额定输出功 率６０１ Ｗ。由于该发电机的交、直轴反应电抗值均 处于最佳电抗范围，在高电磁负载下表现出较好的 电压和功率输出特性。 ３．２结论 （１）永磁同步发电机的内阻抗具有电流和功 率因数角负反馈特性，可使发电机的电压调整率在 一定程度上得到改善；阻性负载下依靠内阻抗的电 流负反馈，感性负载下主要依靠内阻抗的功率因数 角负反馈。 （２）阻性负载下直轴反应电抗对电压调整率的 影响很小，交轴反应电抗的影响相对较大。中、低 功率因数下，直轴反应电抗相对交轴反应电抗对电 压调整率的影响更大，较小的直轴反应电抗有助于 改善发电机在感性负载下的电压调整率和输出功率。 （３）当凸极永磁同步发电机的最佳电枢反应 电抗标幺值范围为 ≤０．１２、 ≤０．１１时，对电 压调整率的抑制效果较好。 参考文献 ［１］ 陈世坤．电机设计［Ｍ］．２版．北京：机械工业出 版社，２００４：４７—７５． ［２］ 张飞，唐任远，陈丽香，等．永磁同步电动机电 抗参数研究［Ｊ］．电工技术学报，２００６，２１（１１）： ７—１０． 孟明，许镇琳，王家军．内置式永磁同步发电机 的低电压调整特性［Ｊ］．电工技术学报，２００４，１９ （２）：１５—１９． ［４］ 孟明，许镇琳，王家军．内埋式永磁交流发电机 低电压调整率的条件分析［Ｊ］．天津大学学报， ２００４，３７（６）：５３１—５３４． ［５］ 孟明，许镇琳．低电压调整率交流永磁发电机的设 计［Ｊ］．电工电能新技术，２００４，２３（３）：４７—５０． ［６］ 胡虔生，胡敏强．电机学［Ｍ］．北京：中国电力 出版社，２００７：２３０—２３５． ［７］ 汪国梁．电机学［Ｍ］．北京：机械工业出版社， ２００５：２１８—２２０． 第一作者简介：杨安林，工程师，生于１９６４年，１９８８ 年毕业于成都理工大学石油地质专业，现从事压裂、试油 （气）等业务的管理工作。地址：（４５０００６）河南省郑州市。 电话：（０３７１）６８６１９１１５。Ｅ—ｍａｉｌ：ｙａｎｇａｎ１１２３４５６＠１２６．ｃｏｒｎ。 收稿日期：２０１０—０４—０８ （本文编辑丁莉萍）
