礦山自卸車(chē)用六相同步發(fā)電機(jī)空載特性的仿真分析

于 冰，黃鵬程，周黎民

(南車(chē)株洲電機(jī)有限公司，湖南株洲412001)

0 引 言

礦山自卸車(chē)是大型礦山的高效運(yùn)輸設(shè)備，主要分布在煤炭等行業(yè)。其中柴油發(fā)電系統(tǒng)作為自卸車(chē)電傳動(dòng)系統(tǒng)的組成部分，為自卸車(chē)提供電能。而同步發(fā)電機(jī)是柴油發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，采用六相雙Y移30°同步發(fā)電機(jī)可消除基本電流產(chǎn)生的5、7次等高次諧波磁勢(shì)和5、7次諧波產(chǎn)生的基波磁勢(shì)，可以減小附加損耗，降低定子繞組和鐵心的由于電磁引起的振動(dòng)，并且可降低整流輸出電流的紋波系數(shù)，所以其得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。發(fā)電機(jī)的空載特性體現(xiàn)電機(jī)的飽和程度，對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)的合理性有一定的指導(dǎo)意義，但傳統(tǒng)的基于集中參數(shù)的磁路設(shè)計(jì)方法，對(duì)于這種六相雙Y移30°繞組的同步發(fā)電機(jī)，由于經(jīng)驗(yàn)系數(shù)和修正曲線的缺乏，造成了計(jì)算值與實(shí)際值有一定的偏差。而基于有限元的設(shè)計(jì)方法，從電磁場(chǎng)的本質(zhì)出發(fā)，具有一定設(shè)計(jì)精度。本文以某型號(hào)礦山自卸車(chē)用1 600 kVA六相雙Y繞組同步發(fā)電機(jī)為例，利用有限元法，對(duì)其空載特型進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真分析［1-3］。

1 仿真模型的建立

1.1 電磁場(chǎng)方程

本文利用時(shí)變運(yùn)動(dòng)電磁場(chǎng)有限元模型計(jì)算電機(jī)的電磁場(chǎng)?；谝韵略恚矐B(tài)電磁場(chǎng)偏微分方程:

式中:A為矢量磁位;u為磁導(dǎo)率;σ為電導(dǎo)率;V為運(yùn)動(dòng)媒介速度;JS為源電流密度。

加入邊界條件，可得到電機(jī)瞬態(tài)電磁場(chǎng)的定解方程:

式中:Ω為求解區(qū)域;S1為定子外徑邊界條件。

1.2 電機(jī)的主要參數(shù)

六相雙Y移30°繞組同步發(fā)電機(jī)額定點(diǎn)主要參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)主要參數(shù)

六相雙Y移30°繞組同步發(fā)電機(jī)的幾何模型如圖1所示。

圖1 電機(jī)幾何模型

2 仿真過(guò)程及結(jié)果

利用有限元軟件建立電機(jī)的模型，采用四面體有限單元，得到的剖分圖如圖2所示。

圖2 電機(jī)剖分

六相繞組賦值零電流激勵(lì)，等效繞組開(kāi)路，并參數(shù)化勵(lì)磁電流If，當(dāng)繞組端部電壓為額定電壓時(shí)，此時(shí)的勵(lì)磁電流即為空載勵(lì)磁電流，相對(duì)應(yīng)的工況即為空載工況，得到空載勵(lì)磁電流If0=176.57 A，電機(jī)的空載磁場(chǎng)分布如圖3所示，可見(jiàn)電機(jī)的磁場(chǎng)分布無(wú)異常。

圖3 空載磁場(chǎng)分布

電機(jī)的各相空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)曲線如圖4所示，同組各相間相差120°電角度，不同組對(duì)應(yīng)相相差30°電角度，可見(jiàn)繞組連接正確。

參數(shù)化勵(lì)磁電流If，并得到對(duì)應(yīng)空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E0(線)，得到電機(jī)的空載特性曲線，如圖5所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上文的仿真結(jié)果，制造樣機(jī)，進(jìn)行空載試驗(yàn)，樣機(jī)及試驗(yàn)裝置如圖6所示。

電機(jī)的空載特性的試驗(yàn)值與基于有限元法的設(shè)計(jì)值和基于傳統(tǒng)磁路法的計(jì)算值的對(duì)比如圖7所示，可見(jiàn)基于有限元法的設(shè)計(jì)值與基于傳統(tǒng)磁路法的計(jì)算值相比，基于有限元法的設(shè)計(jì)值與試驗(yàn)值有更好的吻合度，從而說(shuō)明基于有限元法的仿真計(jì)算結(jié)果有更好的準(zhǔn)確性，并且它對(duì)實(shí)際的樣機(jī)制造有一定指導(dǎo)與參考意義。

4 結(jié) 語(yǔ)

利用有限元法，對(duì)一臺(tái)礦山自卸車(chē)用1 600 KVA六相雙Y繞組同步發(fā)電機(jī)的空載特型進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真分析，并制造樣機(jī)，進(jìn)行空載特性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，基于有限元法的電磁場(chǎng)仿真分析結(jié)果與基于傳統(tǒng)磁路法的計(jì)算值相比，基于有限元法的設(shè)計(jì)值與試驗(yàn)值有更好的吻合度，可見(jiàn)本文的仿真方法與計(jì)算結(jié)果具有一定指導(dǎo)與參考意義。

［1］ 何友觀.中小型同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1988.

［2］ 許實(shí)章.交流電機(jī)的繞組理論［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

［3］ Jatskevich J，Aboul-Seoud T.Impedance characterization of a six-phase synchronous generator-rectifier system using averagevalue model［J］.IEEE Electrical and Computer Engineering.2004，2-5(5):2231-2234.

［4］ 楊青，馬偉明，孫俊忠，等.3/3相雙繞組發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的等效電路模型［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003(3):93-98.

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