一種切向/徑向混合勵(lì)磁無(wú)刷同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

朱姝姝 劉 闖 寧銀行 徐 瑜

（南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 南京 210016）

1 引言

起動(dòng)發(fā)電雙功能系統(tǒng)是當(dāng)前電源系統(tǒng)的研究方向。傳統(tǒng)起動(dòng)系統(tǒng)需要專門的起動(dòng)機(jī)完成，在起動(dòng)發(fā)電雙功能系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)在發(fā)電的同時(shí)兼做起動(dòng)機(jī)，有效地減輕了重量[1]。當(dāng)前所運(yùn)用的多為電勵(lì)磁三級(jí)式無(wú)刷交流電機(jī)[2]。

該系統(tǒng)由永磁電機(jī)/電源、勵(lì)磁機(jī)以及主發(fā)電機(jī)組成。永磁電機(jī)/電源為勵(lì)磁機(jī)提供直流勵(lì)磁電流，勵(lì)磁機(jī)為旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)，其輸出通過(guò)旋轉(zhuǎn)整流器整流可為主發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁電流。主發(fā)電機(jī)為電勵(lì)磁同步電機(jī)。這種系統(tǒng)技術(shù)成熟、運(yùn)用廣泛，但是作為起動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)時(shí)，由于系統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸靜止，主發(fā)電機(jī)無(wú)法得到勵(lì)磁。因此，需在勵(lì)磁機(jī)的定子上安裝三相繞組，用做起動(dòng)勵(lì)磁，從而增大了系統(tǒng)的體積與重量[3]。本文擬采用混合勵(lì)磁電機(jī)取代電勵(lì)磁同步電機(jī)作為主發(fā)電機(jī)，設(shè)計(jì)新的無(wú)刷勵(lì)磁方案解決上述問(wèn)題。

混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)最早前蘇聯(lián)學(xué)者提出[4]，這種電機(jī)有兩組勵(lì)磁磁路：永磁體以及勵(lì)磁繞組。在保持電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)磁路可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，融入了永磁電機(jī)功率密度高的特點(diǎn)[5,6]。另外將這種電機(jī)作為起動(dòng)發(fā)電系統(tǒng)的主發(fā)電機(jī)，利用永磁體磁源，可以很好地解決起動(dòng)勵(lì)磁難題?；旌蟿?lì)磁發(fā)電機(jī)得到了越來(lái)越多的研究，產(chǎn)生了許多新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)時(shí)，可將混合勵(lì)磁電機(jī)的勵(lì)磁繞組安放于定子上，方便地實(shí)現(xiàn)無(wú)刷化[7]。然而電勵(lì)磁磁路磁阻較大，磁通的利用率相對(duì)于轉(zhuǎn)子的方案低，因此本文著重研究勵(lì)磁磁源安放于轉(zhuǎn)子上的混合勵(lì)磁拓?fù)洹?/p>

本文在文獻(xiàn)[8]的基礎(chǔ)上，研究了新型切向/徑向混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)（Tangential/Radial Hybrid Excitation Synchronous Generator，T/R-HESG）。針對(duì)混合勵(lì)磁磁路的特性，對(duì)主氣隙磁通的調(diào)節(jié)原理進(jìn)行了分析，從理論上研究了永磁磁通與電勵(lì)磁磁通的關(guān)系，重點(diǎn)研究了T/R-HESG的空載特性。由于在無(wú)勵(lì)磁電流時(shí)，永磁磁通存在漏磁，因此可實(shí)現(xiàn)T/R-HESG的無(wú)刷化勵(lì)磁方案。同時(shí)，本文研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響，為對(duì)該電機(jī)的優(yōu)化提供了依據(jù)。勵(lì)磁機(jī)的負(fù)載為主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁線圈，其輸出特性必須滿足主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁要求。本文設(shè)計(jì)了勵(lì)磁機(jī)，對(duì)無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)的工作特性進(jìn)行重點(diǎn)分析，研究了換相重疊角對(duì)系統(tǒng)的影響，保證該系統(tǒng)的正確性。最后，分別對(duì)主發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁機(jī)以及兩者所組成的無(wú)刷發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了勵(lì)磁機(jī)的電流放大特性，無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)的空載特性、外特性以及短路特性證明了設(shè)計(jì)的正確性。

2 主發(fā)電機(jī)T/R-HESG

2.1 T/R-HESG的基本結(jié)構(gòu)與原理

T/R-HESG主要由定子，轉(zhuǎn)子，電樞繞組，勵(lì)磁繞組等部件組成。本文以一臺(tái)1.5kW、380V切向/徑向磁路并聯(lián)混合勵(lì)磁同步電機(jī)為對(duì)象進(jìn)行了研究。其中轉(zhuǎn)子為2對(duì)極，定子為36槽，其剖面圖如圖1所示[8]。

圖1 T/R-HESG電機(jī)鐵心截面圖Fig.1 Profile of the T/R-HESG

電機(jī)中有兩個(gè)磁動(dòng)勢(shì)源：永磁體磁動(dòng)勢(shì)源和電勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)源。當(dāng)勵(lì)磁繞組中無(wú)電流時(shí)，永磁磁通在轉(zhuǎn)子鐵心，形成磁短路環(huán)，基本不向氣隙提供主磁通，此時(shí)的氣隙磁場(chǎng)接近為零。當(dāng)勵(lì)磁繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子齒上的磁極交替變化，形成徑向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)，它所產(chǎn)生磁通的極性與該轉(zhuǎn)子齒兩側(cè)永磁體的極性相同，勵(lì)磁磁通可使電機(jī)永磁體磁通通過(guò)主磁路閉合。氣隙磁場(chǎng)主要是由永磁磁動(dòng)勢(shì)提供的，用以提供主磁通的永磁磁動(dòng)勢(shì)大小取決于勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)，電勵(lì)磁發(fā)揮了“以小控大”的作用。永磁體產(chǎn)生的切向磁場(chǎng)和勵(lì)磁電流產(chǎn)生的徑向磁場(chǎng)在磁路上呈并聯(lián)連接。調(diào)節(jié)勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)將直接引起主氣隙磁通Φδ的變化，實(shí)現(xiàn)了主氣隙磁通的完全調(diào)節(jié)與控制。

2.2 T/R-HESG的特性

為了驗(yàn)證T/R-HESG的特殊性能，把T/R-HESG的永磁體去除并將轉(zhuǎn)子改回傳統(tǒng)同步電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)（Electrical Excitation Synchronous Generator，EESG），將其與T/R-HESG進(jìn)行對(duì)比。在有限元仿真軟件中建立兩者的模型，進(jìn)行空載特性的仿真工作。

仿真空載特性如圖2所示。其中IF為主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，Uo為主發(fā)電機(jī)的輸出線電壓有效值。當(dāng)勵(lì)磁電流IF為零時(shí)，發(fā)電機(jī)的空載輸出電壓約為50V。該現(xiàn)象可以通過(guò)有限元仿真磁場(chǎng)分布圖得到解釋。磁場(chǎng)分布圖如圖3a所示。由于空氣磁阻遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)子鐵心磁阻，永磁體產(chǎn)生的磁通沿著轉(zhuǎn)子鐵心形成閉合回路，從而在轉(zhuǎn)子上形成了一個(gè)較為飽和的磁場(chǎng)。此外，還有少量永磁體漏磁通會(huì)通過(guò)氣隙沿定子鐵心閉合。正由于漏磁通的存在，使得T/R-HESG在無(wú)勵(lì)磁電流時(shí)仍能提供一定的輸出電壓。這一特殊的性能為接下來(lái)設(shè)計(jì)新型無(wú)刷勵(lì)磁方案提供了必要的條件。

圖2 T/R-HESG與EESG空載仿真特性Fig.2 No-load characteristics of the T/R-HESG and EESG

隨著主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流 IF的增大，在電勵(lì)磁磁通的作用下，永磁體磁通逐漸不再沿著轉(zhuǎn)子鐵心閉合，而是通過(guò)氣隙匝鏈電樞繞組，與電勵(lì)磁磁通在氣隙疊加，兩者磁路成并聯(lián)關(guān)系，其磁場(chǎng)分布如圖3b所示。由圖2可以看到，該電機(jī)的調(diào)壓范圍約為50～380V，具有調(diào)壓范圍寬的優(yōu)點(diǎn)。調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流即可調(diào)整發(fā)電機(jī)的輸出電壓，具有和電勵(lì)磁電機(jī)同樣的調(diào)壓方便的優(yōu)點(diǎn)。

圖3 T/R-HESG電磁場(chǎng)分布Fig.3 Magnetic field distribution of the T/R-HESG

2.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響

對(duì)發(fā)電機(jī)性能參數(shù)影響較大的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有：氣隙長(zhǎng)度δ、磁鋼大小及其形狀、鐵心長(zhǎng)度 lef等。T/R-HESG磁路結(jié)構(gòu)特殊，可以通過(guò)研究結(jié)構(gòu)變化對(duì)電機(jī)性能的影響，為電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)和方法。本文以氣隙長(zhǎng)度 0.3mm，磁鋼寬度6.3mm，鐵心長(zhǎng)度 90mm的樣機(jī)為標(biāo)準(zhǔn)，分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)的影響。

首先改變氣隙長(zhǎng)度δ，對(duì)一組不同氣隙長(zhǎng)度δ=0.2mm、δ=0.3mm、δ=0.4mm，通入 2.25A勵(lì)磁電流分別進(jìn)行了建模計(jì)算，計(jì)算結(jié)果并研究規(guī)律（見(jiàn)表1）。

表1 δ 對(duì)電機(jī)性能參數(shù)的影響Tab.1 The influence of δ on the performance

表1中E0為空載三相輸出相電壓有效值，Bδ為氣隙磁通密度平均值。

隨著氣隙長(zhǎng)度的增加，空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)隨之減小。在相同勵(lì)磁電流下，氣隙δ 越小，氣隙磁通密度越大，但電機(jī)鐵心越飽和，空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增加趨勢(shì)也逐漸減小。

接著改變電機(jī)的磁鋼寬度，對(duì)一組不同的磁鋼寬度lm=5.3mm，lm=6.3mm，lm=7.3mm分別進(jìn)行了建模計(jì)算（見(jiàn)表2）。

表2 lm對(duì)電機(jī)性能參數(shù)的影響Tab.2 The influence of lm on the performance

隨著磁鋼寬度的增加，永磁磁動(dòng)勢(shì)增加，氣隙的平均磁通密度增加，電機(jī)飽和程度也隨之加深。磁鋼寬度的增加有利于提高電機(jī)的輸出功率，但需避免過(guò)度的飽和以及成本的增加。

最后改變電機(jī)鐵心長(zhǎng)度lef，對(duì)不同的鐵心長(zhǎng)度lef=80mm，lef=90mm，lef=100mm 進(jìn)行計(jì)算（見(jiàn)表 3）。

表3 鐵心長(zhǎng)度lef對(duì)電機(jī)性能參數(shù)的影響Tab.3 The influence of lef on the performance

增加鐵心長(zhǎng)度能使空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增大，但是交、直軸電樞反應(yīng)電抗也會(huì)增加，同時(shí)電機(jī)體積也會(huì)增大。

3 無(wú)刷化發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

T/R-HESG在無(wú)勵(lì)磁的情況下，會(huì)有一定的剩磁電壓產(chǎn)生。若能利用這部分電能通過(guò)電壓調(diào)節(jié)器為勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁繞組供電，就可以省去副勵(lì)磁機(jī)（永磁發(fā)電機(jī)）或直流源，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)完全自勵(lì)。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)勵(lì)磁可靠性，避免當(dāng)發(fā)電機(jī)短路等故障時(shí)，由于采集不到輸出電壓而導(dǎo)致的無(wú)法勵(lì)磁，可同時(shí)采樣T/R-HESG的輸出端電流，從而形成了一個(gè)無(wú)刷復(fù)勵(lì)方案如圖4所示。其中勵(lì)磁機(jī)為旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)，其輸出經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)整流器整流為直流電為主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁。旋轉(zhuǎn)整流器可采用三相半波整流亦可采用三相全波整流[9]。在本文中采用三相全波不控整流。

圖4 兩級(jí)式無(wú)刷勵(lì)磁方案Fig.4 The scheme of two-stage brushless excitation

3.2 勵(lì)磁機(jī)的設(shè)計(jì)

勵(lì)磁主要功能在于為主發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁電流，是無(wú)刷化發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。勵(lì)磁機(jī)與主發(fā)電機(jī)同軸連接，定子內(nèi)外徑以及轉(zhuǎn)子內(nèi)徑必須相同。

勵(lì)磁機(jī)的設(shè)計(jì)不同于普通的電勵(lì)磁同步電機(jī)。在設(shè)計(jì)勵(lì)磁機(jī)時(shí)除了考慮普通同步電機(jī)的設(shè)計(jì)要求外，還需滿足以下三點(diǎn)：

（1）勵(lì)磁機(jī)的額定工作點(diǎn)應(yīng)處于勵(lì)磁不飽和。

（2）要考慮到輸出電流的1.5～2倍的裕量。

（3）勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流 If和主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流IF要有較好的線性關(guān)系。

文獻(xiàn)[10]對(duì)勵(lì)磁機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，本文不再贅述。本文中T/R-HESG所需的額定勵(lì)磁電流為 2.25A，對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電壓UF為2 3.175V，輸出勵(lì)磁相電壓Es為10.09V。設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 勵(lì)磁機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.4 The parameters of exciter

對(duì)勵(lì)磁機(jī)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)并進(jìn)行有限元仿真。觀察勵(lì)磁機(jī)氣隙磁通密度Bδ的大小，繪制與If的關(guān)系曲線如圖5所示。隨著If的增大，勵(lì)磁機(jī)的主磁路未達(dá)到飽和，兩者呈線性關(guān)系。當(dāng)If達(dá)到1.4A時(shí)，鐵心進(jìn)入臨界飽和狀態(tài)。If=1.4A時(shí)，勵(lì)磁機(jī)三相輸出電壓有效值E為21.37V，為勵(lì)磁機(jī)額定工作點(diǎn)輸出電壓值的兩倍。此時(shí)氣隙磁通密度約為 0.88T，處于飽和臨界點(diǎn)。由此，充分保證了If對(duì)IF的線性調(diào)節(jié)，從而初步滿足了對(duì)勵(lì)磁機(jī)磁路的設(shè)計(jì)要求。

圖5 勵(lì)磁機(jī)氣隙磁通密度曲線Fig.5 Curve of Bδ

勵(lì)磁機(jī)在額定轉(zhuǎn)速nN=1500r/min，If=1.4A時(shí)的三相空載輸出電動(dòng)勢(shì)波形如圖6所示。勵(lì)磁機(jī)的空載輸出波形正弦度高，非常有利于減少勵(lì)磁損耗，提高整流后的輸出電流質(zhì)量。

圖6 勵(lì)磁機(jī)三相仿真空載輸出波形Fig.6 The no-load output voltage of exciter

以勵(lì)磁機(jī)有限元仿真模型為基礎(chǔ)，保持電機(jī)本體模型不變，將主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組作為負(fù)載，組成無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)。其中旋轉(zhuǎn)整流器為三相不控整流電路，負(fù)載為可等效為大電感的主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組。勵(lì)磁機(jī) If=1.4A時(shí)，IF可達(dá)到額定勵(lì)磁電流的 1.66倍。此時(shí)勵(lì)磁機(jī)磁路處于未飽和狀態(tài)，因此在If處于 0～1.4A之間時(shí)，If與 IF保持線性關(guān)系。由于主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組可以看成一個(gè)大電感，起到平波作用，因此可以為主發(fā)電機(jī)提供非常理想的直流電流勵(lì)磁。進(jìn)一步分析可知：當(dāng)IF=2.25A時(shí)，對(duì)應(yīng)的If為0.85A。因此If=0.85A，為勵(lì)磁機(jī)的額定勵(lì)磁電流。

4 旋轉(zhuǎn)整流器的工作情況

旋轉(zhuǎn)整流器拓?fù)錇槿嗖豢卣麟娐?。由于?lì)磁機(jī)的負(fù)載為大電感，在換相時(shí)會(huì)產(chǎn)生換相重疊角[11]。需對(duì)其換相過(guò)程重點(diǎn)分析。

勵(lì)磁機(jī)的 If=1.4A時(shí)，旋轉(zhuǎn)整流器三相輸入電壓即勵(lì)磁機(jī)每相電樞端輸出電壓如圖7所示。此時(shí)通過(guò)與勵(lì)磁機(jī)空載時(shí)的電樞端電壓比較可以發(fā)現(xiàn)兩相之間有明顯的換相過(guò)程。由于勵(lì)磁機(jī)的負(fù)載為主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組，相當(dāng)于負(fù)載為大電感，其輸出電流為恒定值。由于勵(lì)磁機(jī)電樞亦為電感，起到了阻值電流變化的作用。以本文中的勵(lì)磁機(jī)為例，圖9中當(dāng)勵(lì)磁機(jī)工作于機(jī)械角度300°時(shí)，B相電流ib無(wú)法瞬間降為零，C相電流ic無(wú)法突變至IF，存在換相過(guò)程。在換相期間，兩相電流同時(shí)導(dǎo)通，相當(dāng)于兩相短路，直到 ib降到零，ic上升至 IF。另外帶旋轉(zhuǎn)整流器工作后勵(lì)磁機(jī)輸出端電壓波形頂部變平，且幅值較空載時(shí)也有一定程度的減小，由于勵(lì)磁機(jī)的輸出端接有感性負(fù)載，因此在電樞反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生直軸去磁的電樞磁動(dòng)勢(shì)，使主磁場(chǎng)減弱，從而使電機(jī)端電壓下降。

圖7 旋轉(zhuǎn)整流器輸入端三相仿真電壓波形Fig.7 The input three-phase voltage of rotating rectifier

旋轉(zhuǎn)整流器的換相重疊角γ的大小與轉(zhuǎn)速的變化密切相關(guān)，由表5可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，γ的值不斷變大。這是由于隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的增大，主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組等效的電感電抗隨之增大而帶來(lái)的。每個(gè)二極管管所承受的最大管壓降也隨之增大。γ的變化將引起旋轉(zhuǎn)整流器整流模式的不同，可分為以下兩種模式。

表5 γ與n的關(guān)系Tab.5 The relationship between γ and n

（1）模式1：當(dāng)γ＜60°時(shí)，旋轉(zhuǎn)整流器的整流過(guò)程可分為兩個(gè)過(guò)程，分別為換相過(guò)程以及整流過(guò)程。該模式出現(xiàn)于勵(lì)磁機(jī)負(fù)載電抗值較小的時(shí)刻。轉(zhuǎn)速與電抗成正比，因此此時(shí)的轉(zhuǎn)速較小。在換相過(guò)程中，有三個(gè)二極管導(dǎo)通；整流過(guò)程中，有兩個(gè)二極管導(dǎo)通。以VD1，VD5以及VD6三個(gè)二極管的工作情況為例，如圖8中所示。狀態(tài)1時(shí)，勵(lì)磁機(jī)輸出線電壓Vab的值在三相電壓中最大，VD1與VD5導(dǎo)通，屬于整流過(guò)程；狀態(tài)2時(shí)，Vac的值Vab，VD5開(kāi)始關(guān)斷，VD6開(kāi)始導(dǎo)通，進(jìn)入換相過(guò)程。當(dāng) VD5完成關(guān)斷，VD6完全導(dǎo)通后，進(jìn)入狀態(tài) 3，即整流模式。勵(lì)磁機(jī)三相繞組電流為

式中，θ為二極管電流波形的電角度；iVD為開(kāi)始導(dǎo)通的二極管上流過(guò)的電流，iabcr為勵(lì)磁機(jī)三相電樞電流。

圖8 γ＜60°時(shí)的旋轉(zhuǎn)整流器二極管電流Fig.8 The current of rectifiers of rotating rectifier when γ＜60°

（2）模式 2：當(dāng) 60°＜γ ＜90°時(shí)，旋轉(zhuǎn)整流器中總有三個(gè)二極管導(dǎo)通，如圖9所示。該模式出現(xiàn)于勵(lì)磁機(jī)負(fù)載電抗值較大的時(shí)刻。此時(shí)，旋轉(zhuǎn)整流器僅存在換相環(huán)節(jié)。勵(lì)磁機(jī)三相繞組電流為

圖9 60°＜γ＜90°時(shí)的旋轉(zhuǎn)整流器二極管電流Fig.9 The current of rectifiers of rotating rectifier when 60°＜γ ＜90°

5 實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證電磁設(shè)計(jì)及仿真分析的正確性，設(shè)計(jì)了一臺(tái)1.5kW、380V的樣機(jī)進(jìn)行相關(guān)特性試驗(yàn)。該電機(jī)為上述設(shè)計(jì)的無(wú)刷勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)由主發(fā)電機(jī)（T/R-HESG）、勵(lì)磁機(jī)和旋轉(zhuǎn)整流器組成。

5.1 勵(lì)磁機(jī)試驗(yàn)

勵(lì)磁機(jī)的輸出端，旋轉(zhuǎn)整流器以及主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組處于轉(zhuǎn)子內(nèi)部，無(wú)法直接測(cè)試勵(lì)磁機(jī)的特性。為此，由電刷引出勵(lì)磁機(jī)輸出端電壓UF，對(duì)勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁工作時(shí)的輸出電流進(jìn)行測(cè)試。圖10為不同勵(lì)磁電流下的整流后輸出電壓波形。其峰峰值除以主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組阻抗值，就可以得到IF。

圖10 不同勵(lì)磁電流下的整流后輸出電壓波形Fig.10 The rectified output voltage of differents exciting currents

改變If可以得到電流的放大特性，如圖11所示。勵(lì)磁機(jī)在其電流線性放大區(qū)可以提供最大 3.75A的輸出電流，達(dá)到了 1.5倍以上的設(shè)計(jì)裕量，完全滿足主發(fā)電機(jī)IF=2.25A的勵(lì)磁條件。

圖11 勵(lì)磁機(jī)仿真電流放大特性Fig.11 The current amplifier characteristics of exciter

5.2 電機(jī)靜態(tài)特性試驗(yàn)

首先進(jìn)行空載條件下的實(shí)驗(yàn)。將發(fā)電機(jī)拖至額定轉(zhuǎn)速1500r/min。由勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁端通入直流電，得到額定輸入電壓波形如圖12a所示。調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小，可得無(wú)刷發(fā)電系統(tǒng)的空載特性如圖12b所示。與仿真結(jié)果相比，在勵(lì)磁電流為零時(shí)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的線電壓有效值約為75V，略高于仿真值。當(dāng)電機(jī)鐵心趨近于飽和時(shí)，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)輸出線電壓有效值約為410V，高于設(shè)計(jì)值380V，符合設(shè)計(jì)要求。

圖12 空載試驗(yàn)結(jié)果Fig.12 Results of no-load test

維持電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速nN=1500r/min左右不變，調(diào)節(jié)勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流至額定值If=0.85A，改變負(fù)載，可以得到在不同阻性負(fù)載下的實(shí)拍三相輸出線電壓波形。發(fā)電機(jī)的電樞電感較大，對(duì)輸出電壓起到了濾波的效果，因此發(fā)電機(jī)的帶載波形正弦度高，線電壓平均THD含量?jī)H為 2.785%。繼續(xù)保持電機(jī)轉(zhuǎn)速為額定值，改變If，將其按順序調(diào)節(jié)成0.8A，1A，2A，并在這三種勵(lì)磁條件下分別改變負(fù)載電流 IL的大小，得到相應(yīng)的輸出電壓Uo，從而得到一組不同勵(lì)磁條件下的外特性曲線如圖13b所示。從圖13可以看出，該電機(jī)外特性較硬，帶載性能良好。

圖13 帶載試驗(yàn)結(jié)果Fig.13 Results of load test

將T/R-HESG的三相電樞繞組短接，進(jìn)行短路特性實(shí)驗(yàn)。將電機(jī)拖動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速，將If從零開(kāi)始慢慢增大，以避免短路瞬間的沖擊電流給繞組造成的損壞。在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，不斷調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If，從每相電流表中記錄對(duì)應(yīng)的短路電流 Ik，得到短路特性如圖14所示。與仿真結(jié)果相比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線保持較高的線性度。

圖14 短路特性Fig.14 The short circuit characteristic

5.3 電機(jī)動(dòng)態(tài)調(diào)壓性能測(cè)試

保持電機(jī)工作于額定轉(zhuǎn)速 1500r/min，發(fā)電機(jī)通過(guò)調(diào)壓器為勵(lì)磁機(jī)提供勵(lì)磁電流 If。在發(fā)電機(jī)輸出端接入三刀單擲開(kāi)關(guān)接線端，開(kāi)關(guān)的另外三路接線端與三相負(fù)載連接。帶載正常運(yùn)行的情況下，開(kāi)關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，調(diào)壓器的給定輸出線電壓為380V。在某一時(shí)刻，斷開(kāi)開(kāi)關(guān) ，用示波器觀察發(fā)電機(jī)輸出線電壓的過(guò)渡過(guò)程，如圖15a所示；再合上開(kāi)關(guān)，用示波器捕捉發(fā)電機(jī)線電壓的過(guò)渡過(guò)程如圖15b所示。分別進(jìn)行多次加載、卸載實(shí)驗(yàn)得到負(fù)載突變時(shí)的線電壓變化。從圖15中可以看到，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間維持在160～180ms之間，響應(yīng)速度較快；峰值變化區(qū)間保持在56～65V之間，超調(diào)量較小。

圖15 1500r/min時(shí)的動(dòng)態(tài)單相電壓波形Fig.15 Dynamic single-phase voltage waveform of 1500r/min

6 結(jié)論

T/R-HESG具有調(diào)磁方便、功率密度高的特點(diǎn)。在無(wú)勵(lì)磁電流時(shí)由于存在永磁漏磁，發(fā)電機(jī)可感應(yīng)出一定的輸出電壓。通入勵(lì)磁電流后，氣隙磁通密度受電勵(lì)磁磁通的大小所影響，發(fā)電機(jī)調(diào)磁方便。同時(shí)也對(duì)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電機(jī)性能的影響進(jìn)行了優(yōu)化研究。在盡量加大發(fā)電機(jī)的輸出功率的同時(shí)，需考慮到氣隙磁通密度的飽和程度，成本以及加工難易程度等因素。本文研究了一種新型無(wú)刷勵(lì)磁發(fā)電系統(tǒng)。對(duì)無(wú)刷發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真，證明了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。勵(lì)磁機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速下，換相過(guò)程會(huì)發(fā)生變化，在不同的轉(zhuǎn)速下，由于勵(lì)磁機(jī)等效負(fù)載的阻抗發(fā)生變化，換相過(guò)程也隨之變化。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，對(duì)勵(lì)磁機(jī)的電流放大特性，無(wú)刷發(fā)電系統(tǒng)的空載特性、外特性以及短路特性進(jìn)行了測(cè)試證明了無(wú)刷勵(lì)磁設(shè)計(jì)的可行性。該方案相比于傳統(tǒng)的三級(jí)式電機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)完全自勵(lì)，極大地拓展了混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。

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