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2 電機的機電耦聯(lián)與磁固耦合振動問題的研究進展
2.1電磁激發(fā)的非線性振動
2.1.1概述
電機的振動與噪聲在國際上一直是電機界的重要問題，由電磁力激發(fā)的振動與噪聲是研究的重點之一，但主要成果局限于線性振動與噪聲的研究領(lǐng)域，文[14~46]從理論與實驗中發(fā)現(xiàn)了各種非線性電磁力，進而把非線性振動與電機理論有機結(jié)合起來，開辟出新的研究領(lǐng)域。
2.1.2 電磁力激發(fā)的參數(shù)共振
由電磁力激發(fā)的電機轉(zhuǎn)子的參數(shù)共振，其所建立的數(shù)學模型特點是：振動的周期系數(shù)非線性微分方程組與電機穩(wěn)態(tài)電路的代數(shù)方程組構(gòu)成統(tǒng)一的數(shù)學系統(tǒng)，由于振動微分方程組的系數(shù)是隨電機運行工況而變化的，故它又屬于慢變系數(shù)微分方程問題。
對于不同類型的電機（例如同步發(fā)電機、異步電動機、直流電機等）在不同的運行工況下（例如三相對稱、三相不對稱及各種電氣故障、故障短路等），則電機氣隙磁場不同，其磁場能量函數(shù)不同，因之振動方程和電壓方程也不相同，其振動規(guī)律因之不同。文[14~32]得到了一系列的參數(shù)振動規(guī)律。
文[15]研究了電磁參數(shù)對固有頻率及共振特性的影響。文[17]研究了多極低速電動機的參數(shù)共振規(guī)律。[16]得到了交流電動機振動特性的過渡過程及起振過程的規(guī)律。文[14]研究了三相對稱與三相不對稱運行時，電機轉(zhuǎn)子由電磁力激發(fā)的參數(shù)共振，得到了轉(zhuǎn)子振動與拖動的相關(guān)特性和有明顯幾何特性的穩(wěn)定性判據(jù)，得到了高速電動機參數(shù)共振與強迫共振相耦合的振動規(guī)律，由于參數(shù)共振與強迫共振聯(lián)合，使純參數(shù)共振的兩條共振分支曲線各自分裂為兩條，連接起來形成以純參數(shù)共振的兩條曲線及零線為漸進線的三條分支曲線。以上的理論研究結(jié)果，均得到了實驗研究的驗證。所得到的共振規(guī)律的多樣性是機械系統(tǒng)中所沒有的。例如，共振區(qū)的寬度是變化的，它隨電壓、電流大小而變化，共振區(qū)的寬度不但會變，而且共振區(qū)還會平移，其幅頻特性形狀隨電磁參數(shù)改變而變化。當一相突然短路（不對稱度達最大），可使臨界轉(zhuǎn)速大幅度降低，并使共振區(qū)大大的加寬，它的一個后果是很容易使工作轉(zhuǎn)速落入共振區(qū)內(nèi)，從而突然激發(fā)起大振幅的參數(shù)共振�？蒲兄袊鳶ciEi.com。
文[18~20]研究了發(fā)電機轉(zhuǎn)子與定子相耦合的參數(shù)共振，得到了共振幅頻特性隨電機的有功功率和無功功率變化而發(fā)生多種形態(tài)的變化。文[21]、[26]研究了發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸系的彎扭聯(lián)合振動。文[29]、[32]、[21]研究了發(fā)電機磁飽和非線性對參數(shù)共振及彎扭聯(lián)合共振的影響。文[25]對電磁阻尼理論及其對橫向振動的影響取得了新的成果，發(fā)現(xiàn)電磁阻尼比機械振動阻尼大很多，大幾倍甚至幾十倍。文[31]、[44]發(fā)現(xiàn)電磁對低階扭振固有頻率有較大影響，并發(fā)現(xiàn)由電磁引起的零階固有頻率，由于其頻率較低，對低速大型水輪發(fā)電機組有重要的工程應用價值。以上所得到的結(jié)果，都是經(jīng)過實驗證明的規(guī)律。
2.1.3 電磁激發(fā)的多重共振
在非線性振動系統(tǒng)中，除了在線性系統(tǒng)中固有頻率K和干擾力頻率相等時產(chǎn)生的共振之外，還會發(fā)生以下各種共振：
(1) K»w/n,亞諧共振，n為正整數(shù)；
(2) K»nw 超諧共振；
共振模式(4)的共振關(guān)系式是r個聯(lián)立代數(shù)方程組，這種共振稱為多重共振。
多重共振能同時激發(fā)多個模態(tài)發(fā)生共振，它的發(fā)生需要兩個方面的條件，一方面是需要滿足式(4)的數(shù)學關(guān)系式，另一方面要求系統(tǒng)的模態(tài)具有適當?shù)鸟詈详P(guān)系。
由于電機軸系的彎曲和扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)具有多個固有頻率和多個頻率的電磁干擾力和力矩，因此很有可能發(fā)生各種多重共振，多重共振的特點是多個模態(tài)同時被激發(fā)起來，模態(tài)與模態(tài)振動之間發(fā)生能量交換現(xiàn)象，出現(xiàn)調(diào)幅與調(diào)相運動。
多重共振由于數(shù)學上求解存在不少困難，是研究得較少的一種振動。文[34]把非線性振動理論中的平均法和分析力學方法結(jié)合起來，得到了求解彈性體系非線性振動多重共振的能量法，應用此法，若能找到振動系統(tǒng)非線性干擾力的功，就能求得非線性系統(tǒng)多重共振的一次近似解及精確近似解，而不需要建立彈性體振動的偏微分方程，本方法也可以求解多自由度系統(tǒng)的多重共振�？蒲兄袊鳶ciEi.com。
文 [34~46]研究了各種共振關(guān)系的二重共振和三重共振問題。文 [34]研究了固有頻率分裂為二的單頻雙重共振，由于2個模態(tài)相互耦合的結(jié)果，使共振區(qū)及振幅均比單重共振明顯加寬加大，還出現(xiàn)拍振現(xiàn)象。文 [46]研究存在1個內(nèi)共振及1個單頻共振的二重共振，揭示了系統(tǒng)的響應曲線存在跳躍現(xiàn)象，在內(nèi)共振欠調(diào)諧時，系統(tǒng)的頻響曲線呈軟特性，在內(nèi)共振完全調(diào)諧時，頻響曲線左右對稱，呈“M”形。在內(nèi)共振過調(diào)諧時，頻響曲線呈硬特性。文[39]、[43]、[45]研究了各種情況的二重共振問題。文[37]研究了同時滿足內(nèi)共振、組合共振與單頻共振的三重共振，發(fā)現(xiàn)當滿足2個內(nèi)共振關(guān)系時，存在雙飽和現(xiàn)象，可以觀察到高階模態(tài)的振動能量，通過內(nèi)共振關(guān)系傳給低階模態(tài)，使不受外力激勵的低階模態(tài)逐漸產(chǎn)生大振幅的振動，得到了在共振區(qū)中3個模態(tài)振幅及其穩(wěn)定性的豐富振動特性，文[38]、[40]、[41]研究了多種情況的三重共振的特性。
應用多重共振的理論方法，在“8.5”國家重大攻關(guān)項目中，得到了大型汽輪發(fā)電機組19 Hz的低頻振動的規(guī)律，取得了較好的診斷效果。在三峽水輪發(fā)電機組的重大基金項目中，從理論和實驗研究中發(fā)現(xiàn)了由電磁參數(shù)引起的零階固有頻率，它很容易造成低速大型水輪發(fā)電機組產(chǎn)生共振振動，具有重要的工程應用價值，應用多重共振理論方法來研究發(fā)電機定子系統(tǒng)的振動，也取得了很好的效果�？蒲兄袊鳶ciEi.com。
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2.2 機電耦聯(lián)的非線性動力學
2.2.1 概述
機電耦聯(lián)動力學問題的特點是轉(zhuǎn)子軸系的振動微分方程和電機電流的微分方程相互交叉耦合，形成統(tǒng)一的微分方程組系統(tǒng)，也就是說轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學和電機的瞬變理論是緊密相耦聯(lián)的。如何正確的建立這種數(shù)學系統(tǒng)以及如何求得數(shù)學解是兩大基本難點。在文 [47~56]中分別對交流電動機和同步發(fā)電機的機電耦合動力學進行了研究，把非線性振動理論與電機的瞬變理論有機結(jié)合，創(chuàng)立了新的研究領(lǐng)域。
2.2.2 交流電機機電耦聯(lián)振動的非線性理論
文 [47，48，51]對交流電動機的機電耦合動力學問題進行了理論和實驗研究。建立方程組的方法是首先由電磁理論及給定的邊界條件求得電機氣隙磁場，據(jù)此求得氣隙磁場能量函數(shù)，再和振動系統(tǒng)的動能、勢能一起，應用機電分析動力學的方法，建立此機電耦合的方程組。應用線性變換及非線性變換的數(shù)學方法，得到了這些強非線性方程組的解，對電動機啟動過程的徑向電磁力、電磁力矩、扭振及橫振進行了理論和實驗研究，得到了經(jīng)過實驗驗證的各種規(guī)律。發(fā)現(xiàn)電動機在啟動過程中電流及扭振很大，比共振的量級還大，找到了電動機啟動過程強大噪聲的原因所在。發(fā)現(xiàn)激發(fā)扭振的交變電磁力矩的幅值比電機額定扭矩大4~5倍，其頻率為50Hz，若軸系扭振固有頻率和其相近，極易使軸扭斷。發(fā)現(xiàn)頻率為100 Hz的交變電磁力隨氣隙偏心的增加而顯著變大，當偏心超過一定限度，易使轉(zhuǎn)子碰磨定子而造成事故。文 [52，54，55，56]對汽輪發(fā)電機及水輪發(fā)電機的機電耦合動力學進行了理論研究和必要的實驗研究。對三相突然短路、二相線間短路及一相對中短路等電器故障的瞬變過程進行了研究，得到了電流、電磁力矩、轉(zhuǎn)速、扭振及軸段間的扭矩瞬變變化規(guī)律，并研究了激磁電流、定子電阻對瞬變過程的影響。理論結(jié)果和實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有的電氣故障，其電磁力矩及其產(chǎn)生的軸段扭振力矩可達額定扭矩的數(shù)倍。研究結(jié)果，對汽輪發(fā)電機組及水輪發(fā)電機組損傷程度的估計有重大價值，對防止發(fā)電機組的重大破壞事故有重大意義。以上結(jié)果均得到實驗的驗證。
汽輪發(fā)電機組的發(fā)電機轉(zhuǎn)子是較長的彈性軸，不能看成集中質(zhì)量，需用分布參數(shù)的偏微分方程描述，兩者如何建立扭振的機電耦聯(lián)關(guān)系是一個沒有很好解決的問題，在文 [54]中找到了一個解決的辦法。文 [52，59]考慮到同步發(fā)電機磁場飽和帶來的電磁非線性關(guān)系，得到了電機瞬變理論的非線性數(shù)學模型，可擴寬電機瞬變理論及機電耦聯(lián)動力學的研究范圍。
2.2.3 機電耦聯(lián)的失穩(wěn)自激振動
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電機和電網(wǎng)的失穩(wěn)自激振動，除了使機械壽命縮短之外，還會使電流、電壓過載。造成電機及電器設備的毀壞。文 [57~59]研究了交流電動機和同步發(fā)電機組的機電耦聯(lián)失穩(wěn)自激振動，運用機電分析動力學的方法建立電機組的機電耦聯(lián)微分方程組，研究電磁參數(shù)對失穩(wěn)的影響，對發(fā)電機組失磁異步運行的理論和實驗進行研究，對發(fā)電機組失穩(wěn)自激振蕩Hopf分叉的理論和實驗進行了研究。最近應用動態(tài)分叉的近代理論，得到了失穩(wěn)振蕩的很多的特性和規(guī)律。
2.3 發(fā)電機定子系統(tǒng)的磁固耦合振動
電機由轉(zhuǎn)子和定子兩大部分組成。電機定子外殼雖然固定于基礎，不像轉(zhuǎn)子由于旋轉(zhuǎn)容易產(chǎn)生振動。但是對于大型發(fā)電機組的定子，由于結(jié)構(gòu)復雜，尺寸巨大，在電磁力作用下，振動和噪聲問題很突出，定子鐵芯的振動使定子繞組絕緣磨損、電腐蝕現(xiàn)象加劇，常造成端部繞組短路故障，從而造成電氣設備破壞，由于故障短路還會引起機組軸系扭振破壞事故。
發(fā)電機定子端部繞組及其綁扎固定結(jié)構(gòu)很復雜，其振動的力學模型很復雜，其固有頻率和振型的精確計算有一定的難度；端部漏磁場受周圍金屬構(gòu)件的影響，其分布也非常復雜，因此端部繞組所承受的電磁力很難精確計算，目前在設計制造階段還無法準確預測運行時的振動響應。另外，大型發(fā)電機組在運行狀態(tài)下端部繞組的振動監(jiān)測在國外都已采用光纖測試方法。而國內(nèi)目前已有的監(jiān)測振動的傳感器及信號傳輸在強大磁場的條件下無法正常工作。因此定子端部繞組振動特性的研究任務還很艱巨。
文 [60~63]從磁固耦合的理論對大型發(fā)電機定子系統(tǒng)的振動開展了研究工作。建立了定子雙圓柱殼的變形場和電磁場相互作用、相互影響的耦合機制，開展了磁固耦合振動的研究工作，取得了較系統(tǒng)的成果。最近對發(fā)電機端部繞組的磁固耦合振動研究也取得了一定的進展。
3 研究的工程意義與展望
近年來，為了合理地利用能源、提高經(jīng)濟效益、保護環(huán)境，國內(nèi)外電力系統(tǒng)日益向大機組、超高壓和遠距離輸電方向發(fā)展，電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)也更加復雜、機組、電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性問題顯得尤為重要。世界上一些大電網(wǎng)（如日本、法國、瑞典、美國等）相繼發(fā)生以電壓崩潰為特征的電網(wǎng)瓦解事故，導致大面積停電，造成了巨大的經(jīng)濟損失和社會紊亂，電壓穩(wěn)定問題重新引起世界各國的廣泛關(guān)注。
汽輪發(fā)電機組及水輪發(fā)電機組向超大型發(fā)展，特別是高壓、大電流的進一步提高，會產(chǎn)生強大的磁場和電場，機組在強大的磁場、電場作用下會使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的機電耦聯(lián)振動、穩(wěn)定性及動強度出現(xiàn)新的問題。由于磁場及電場強度的提高，發(fā)電機定子及其端部繞組的磁固耦合振動及穩(wěn)定性等動力學問題將會提到日程上來，變壓器的母線及鐵芯沖片也必須考慮到磁固耦合動力學問題。
由于電氣故障等原因引起發(fā)電機組機電耦聯(lián)扭振破壞的事故國內(nèi)外時有發(fā)生。1970年美國Mohave電站1臺300 MW汽輪發(fā)電機組因電網(wǎng)擾動引發(fā)次同步振蕩，連續(xù)2次造成斷軸事故。1976年1臺960 MW汽輪發(fā)電機組，由于并網(wǎng)誤操作，造成軸系鍵槽處產(chǎn)生裂紋斷裂。與此同時，1970年意大利的Laspezia電站的600 MW機組、1972年英國的Didcot電站2臺600 MW機組、1973年前聯(lián)邦德國1臺600 MW機組，相繼發(fā)生以上所說性質(zhì)明確扭振破壞事故。1992年上海吳涇電廠1臺300 MW汽輪發(fā)電機組，在發(fā)電機端發(fā)生2次短路事故，造成勵磁機軸扭斷。內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)電廠，發(fā)生過誤并網(wǎng)造成軸系扭壞的惡性事故。1985年大同電廠200 MW汽輪發(fā)電機組軸系斷成5段的特大斷軸事故，根據(jù)專家組調(diào)查分析，其重要的原因是由于機組負載增加之后，發(fā)電機的勵磁電流沒有相應的調(diào)大，形成欠激磁的工作狀態(tài)，致使發(fā)電機失步，引起軸系扭振斷裂。但是值得指出，國內(nèi)出現(xiàn)了很多破壞事故，由于監(jiān)測手段差，沒有記錄下破壞的資料和佐證，專家們對破壞的原因分析，常常局限于各自專業(yè)知識范圍，眾說紛紜，得不到確切的結(jié)論。下面引用了第32屆國際大電網(wǎng)會議的一個報告能較好的說明發(fā)電機組機電耦聯(lián)振動是造成發(fā)電機組振動破壞的重要原因。美國電力所（EPRI）在北美的汽輪發(fā)電機組上安裝了9套扭振監(jiān)測系統(tǒng)（TVMS）。對13臺大型汽輪發(fā)電機組進行監(jiān)測，在5年內(nèi)共記錄到108次扭振事故，如事故數(shù)據(jù)庫匯總表所示。由此匯總表可說明對電機的網(wǎng)機耦聯(lián)扭振研究的進一步重視和加強力度的必要性。
磁浮軸承的研究已經(jīng)有了很大的發(fā)展，已經(jīng)召開了五六次相關(guān)的國際學術(shù)會議，國外已經(jīng)應用到大型高速動力機械上，已有商品。法國研制的大型磁浮軸承，已在900 MW汽輪發(fā)電機軸承上進行試驗，對機組的振動控制、監(jiān)測等問題有很多的優(yōu)越性。因此對磁浮軸承的機電動力學與控制系統(tǒng)相耦聯(lián)的非線性動力學的研究是有發(fā)展前景和應用價值的。
高溫超導材料研究的成果，將使超導電機的生產(chǎn)帶來希望，它的大電流、強磁場將會給電機結(jié)構(gòu)的動力穩(wěn)定性、振動問題，帶來新的研究課題。高溫超導材料在遠距離高壓輸電線路中的應用，將帶來能源的大量節(jié)省，其超導結(jié)構(gòu)材料的動力與靜力穩(wěn)定性將是一個需要解決的突出問題。
為尋找更有效的生產(chǎn)電能的方法，試圖研制一種利用膨脹熱氣體作為運動導體的磁流體動力式發(fā)電機。還有一種是利用帶電粒子和不導電流動氣體之間的相互作用得到一種電流體動力的發(fā)電方式，這種發(fā)電機為醫(yī)院治療、物理學研究提供了20 MV的極高電壓。利用磁流體動力或電流體動力來加速物質(zhì)以獲得推力，應用于太空方面的機電推進方案也在研究發(fā)展之中。 | 
