基于電力綜合集成的多繞組雙流發(fā)電機技術分析

楊　陽，趙徐成，劉章龍

（空軍勤務學院航空四站系，江蘇徐州221000）

基于電力綜合集成的
多繞組雙流發(fā)電機技術分析

楊陽，趙徐成，劉章龍

（空軍勤務學院航空四站系，江蘇徐州221000）

為解決采用傳統(tǒng)發(fā)電機的移動電站輸出電源種類單一，而采用多臺發(fā)電機又會造成底盤過載影響機動性的問題，文章基于電力綜合集成技術，分析研究實現(xiàn)發(fā)電機的雙流發(fā)電的關鍵技術，突破發(fā)電機多繞組發(fā)電及勵磁解耦等難題，減小了電機體積、降低了電機重量，有利于移動電站的多功能化與小型化設計。

雙流發(fā)電機；電力綜合集成；多繞組發(fā)電技術；勵磁解耦

電力綜合集成技術是基于綜合集成思想，將電力技術與信息技術、電力電子技術、新材料技術等高新技術交叉融合，拓展和延伸發(fā)電技術研究領域，同時以模塊化，集成化為核心思想，將發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展為每個模塊都是高度集成的完整系統(tǒng)的技術［1］。雙流發(fā)電機作為電力集成技術的成果，采用一臺復合式勵磁機同時為多繞組發(fā)電機提供勵磁電流，減小了機體體積和重量，實現(xiàn)了交直流電的獨立輸出［2］。

1　電力綜合集成技術

電力集成是現(xiàn)代綜合集成技術在電力技術方向的深化和擴展，是集成化、智能化和通用化在電力系統(tǒng)中的集中體現(xiàn)。電力集成使電機及其控制系統(tǒng)高度集成，擺脫傳統(tǒng)的單一發(fā)電機生產(chǎn)制造模式，與傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)比較，體積更小，重量更輕，性能更可靠［3］。

1.1集成系統(tǒng)的特征

電力集成的基本特征可以概括為沉浸、交互和自控，可用一個“集成技術三角形”來說明，見圖1［4］。

圖1　集成系統(tǒng)的特征圖Fig.1 Characteristics of the integrated system

“沉浸”指的是系統(tǒng)各部分互為存在，缺一不可；“交互”則體現(xiàn)系統(tǒng)各模塊之間不僅在物理上的連接，更重要的是互相作用，互為影響。“自控”則表現(xiàn)為系統(tǒng)自身構(gòu)成反饋調(diào)節(jié)功能。這3個方面是電力綜合集成的3個基本特征，它強調(diào)了系統(tǒng)中各個部分相互沉浸、作用、依賴的關系，是實現(xiàn)系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)有機結(jié)合，達到系統(tǒng)最優(yōu)的關鍵因素。

1.2電力集成技術內(nèi)容

電力綜合集成技術是研究電力裝備集成以及電力系統(tǒng)集成的技術。裝備集成是將相關的發(fā)配電、電能變換、電氣傳動與控制等電力設備中的多個功能模塊集成于一體，實現(xiàn)電力設備的高功率密度、高可靠性、高性能；系統(tǒng)集成是在電力設備集成化的基礎上采用總線技術將各設備有機地組合起來，及時傳遞、分析和處理系統(tǒng)運行狀態(tài)信息。

2　雙流發(fā)電機電力集成技術分析

雙流發(fā)電機是一種主要通過電力設備集成化設計技術實現(xiàn)的新型交直流供電系統(tǒng)，方案采用多繞組方式將交、直流雙流發(fā)電機與電源變換器綜合集成設計，利用一臺發(fā)電機同步實現(xiàn)交直流電輸出，減小電機體積、降低電機重量。

2.1雙流發(fā)電機設計思想及設備構(gòu)成

為滿足移動電站對發(fā)電機小型化、輕型化的要求，設計多繞組發(fā)電機，并以1臺復合勵磁機為多繞組發(fā)電機提供勵磁電流。同時，基于電力綜合集成技術實現(xiàn)勵磁機的無刷勵磁。雙流發(fā)電機主要由機座、傳動軸、冷卻裝置、高壓中頻發(fā)電機、低壓直流發(fā)電機、復合勵磁機以及旋轉(zhuǎn)整流器組成，其結(jié)構(gòu)見圖2。雙流發(fā)電機與整流裝置以及冷卻裝置集成為一體，共用一套勵磁裝置，共軸排列并剛性連接在傳動軸上。

圖2　多繞組雙流發(fā)電機整體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of multi-winding double current power generator

2.2雙流發(fā)電機主要技術分析

雙流發(fā)電機采用多繞組發(fā)電技術實現(xiàn)交直流獨立輸出，通過復合式交流勵磁機實現(xiàn)雙流發(fā)電機的無刷發(fā)電［5］。該勵磁機能夠集成2套勵磁電源來分別實現(xiàn)對高壓中頻繞組與低壓直流繞組的獨立勵磁［6-7］。

2.2.1多繞組發(fā)電技術

交流勵磁機將電樞繞組、旋轉(zhuǎn)整流器和發(fā)電機的勵磁繞組固定在在轉(zhuǎn)子上一道旋轉(zhuǎn)，毋須電刷和滑環(huán)等部件，稱無刷勵磁，見圖3［8］。由圖3可看出：交流勵磁機的勵磁繞組經(jīng)自動電壓調(diào)節(jié)器A.V.R接到主發(fā)電機定子三相輸出的某一相上；勵磁機電樞繞組發(fā)出的三相中頻電經(jīng)三相橋式整流之后又為主發(fā)電機勵磁。

圖3　發(fā)電機無刷勵磁結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of brushless excitation generator

高壓繞組交流發(fā)電：主發(fā)電機和交流勵磁機是通過相互勵磁而自勵發(fā)電的［9］。交流勵磁機依靠其定子上永久磁鐵產(chǎn)生的磁場，在電樞繞組內(nèi)感應出很微弱的電勢和電流。這一微弱電流經(jīng)三相橋式整流之后加到主發(fā)電機的勵磁繞組上，使主發(fā)電機氣隙建立了很微弱的旋轉(zhuǎn)磁場，繼而在其定子三相繞組中產(chǎn)生一微弱電勢。自動電壓調(diào)節(jié)器獲得主發(fā)電機某相送出的這一微弱電勢后，經(jīng)整流、判斷、又加給勵磁機的勵磁繞組，增強了勵磁機的氣隙磁場。同時，使得主發(fā)電機勵磁繞組的直流電流也迅速增大，主發(fā)電機電樞繞組的感應電勢隨之增強，并經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器給予勵磁機勵磁繞組的電流迅速增大。最終，進一步增強了勵磁機的氣隙磁場。如此反復，直到發(fā)電機繞組達到磁飽和使氣隙磁密度不再繼續(xù)上升，最終獲得穩(wěn)定的三相中頻電勢。

低壓繞組直流發(fā)電：直流發(fā)電采用了12脈波整流技術來提高直流電源輸出的質(zhì)量。對于交流電輸入來說，采用多重聯(lián)結(jié)不僅可以減少交流輸入電流的諧波，同時也可以減少直流輸出電壓中的諧波幅值并提高紋波頻率。因此，在低壓三相整流的設計中，為了保證輸出電壓脈動量的指標要求，采用雙三相交流電源經(jīng)橋式整流并直流側(cè)并聯(lián)的設計思路，其中三相電流由互差30°相位而電壓幅值相等的兩套低壓繞組組成（三相交流電源間相位互差30°可使得輸出電壓在每個交流電源周期內(nèi)脈動12次，故稱12脈波整流）。

2.2.2勵磁解耦技術

實現(xiàn)交直流電源獨立輸出，解決勵磁機多繞組磁場耦合問題，是雙流發(fā)電機電力集成技術的關鍵［10-16］。

在復合勵磁機的設計中，勵磁機磁極和電樞采用公用鐵心，定子磁極分別為16極磁極（高壓繞組）和8極磁極（低壓繞組）；而轉(zhuǎn)子對應地采用16極和8極2套電樞繞組。轉(zhuǎn)子設計為48槽，高壓繞組對應勵磁機的極數(shù)為16極，其極距τ=3，低壓繞組對應勵磁機的極數(shù)為8極，其極距τ=6。

交流勵磁機定子有16個鐵心磁極，每個鐵心磁極套一個線圈就能形成16極磁場，每相鄰2個鐵心磁極套一個線圈就能形成8極磁場。其各自的氣隙磁勢及磁場分布見圖4。雖然各自的磁路在同一鐵心中形成，但小磁極的磁勢N2和S2合成為0，因而大小磁極的磁勢不會相互影響。

圖4　勵磁機氣隙磁勢及磁場分布圖Fig.4 Distribution map of exciter madine air-gap and magnetic field

16極電樞繞組在16極磁場中感應電勢見圖5。勵磁機的每極每相的槽數(shù)1，極距（每個主磁極在電樞表面占據(jù)的距離或者相鄰兩主極間的距離，用所跨弧長或弧長對應的虛槽數(shù)表示）τ=3，在16極磁極的N極中產(chǎn)生的感應電動勢為e，在S極中產(chǎn)生的感應電動勢為-e，每對磁極下感應電動勢為E=e-（-e）=2e，每相Ua=E×8=e×16。

圖5　16極電樞繞組在16極磁場中感應電勢圖Fig.5 Induced EMF of 16 magnetic fields in 16 armature windings

16極電樞繞組在8極磁場中感應電勢見圖6。勵磁機磁極每極每相的槽數(shù)2，極距τ=6。轉(zhuǎn)子電樞繞組每極跨3個槽。在16極磁極的N極中產(chǎn)生的感應電動勢為e，在S極中產(chǎn)生的感應電動勢為也為e，則該繞組在每對磁極下產(chǎn)生的感應電動勢為E=e-e=0，每相Ua=0，即8極磁極對16極電樞繞組輸出無影響。

與16極電樞繞組在16極磁場中相同，8極電樞繞組在8極磁極的N極中產(chǎn)生的感應電動勢為e，在S極中產(chǎn)生的感應電動勢為-e，每對磁極下感應電動勢為E=e-（-e）=2e，不過每相電壓變?yōu)?6極的一半，即Ua=E×4=e×8。8極電樞繞組在16極磁場中，勵磁機磁極每極每相的槽數(shù)1，三相共3個槽，極距τ=3。轉(zhuǎn)子上8極電樞繞組每極跨6個槽，是16極的2倍，在每個磁極上，產(chǎn)生的感生電動勢為E=e-e=0，即16極磁極對8極電樞繞組輸出沒有影響。

圖6　16極電樞繞組在8極磁場中感應電勢圖Fig.6 Induced EMF of 16 magnetic fields in 8 armature windings

基于上述原理分析，中頻高壓發(fā)電機主磁場勵磁電流由16極三相電樞感應的電勢整流成直流提供，而直流低壓發(fā)電機主磁場勵磁電流由8極三相電樞感應的電勢整流成直流提供，在技術上解決了交、直流發(fā)電勵磁解耦的關鍵問題。

3　結(jié)束語

電力綜合集成技術是實現(xiàn)移動電站多功能化、小型化、高可靠性的基礎，雙流發(fā)電機正是一種基于電力集成技術的新型電力系統(tǒng)。

雙流無刷發(fā)電機采用基于三相橋式整流技術的旋轉(zhuǎn)整流器同時合理設計勵磁機磁極與勵磁繞組結(jié)構(gòu)解決了無刷勵磁與勵磁解耦的難題，實現(xiàn)高品質(zhì)多種電源輸出，同時降低電機重量，提高移動電站機動性能。

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Technologies Analysis of Multi-Winding Double Current Power Generator Based on Power Meta-Synthesis

YANG Yang，ZHAO Xucheng，LIU Zhanglong
（Department of Aviation Four Stations，Air Force Logistics College，Xuzhou Jiangsu 221000，China）

To solve the problem of the mobile power station with traditional power generator such as singularity of the pow?er output and with few generators such as the overload of the vehicle，in this paper，the key technologies of double current power generator based on the power system comprehensive integration technology and realizes the breakthrough of multiwinding power generation technology and excitation decoupled was realized.At the same time，the double current genera?tor equiped with smaller volume and lighter weight compared with ordinary aiternating-current generator.This research was conductived to realize the multi-functionalization and miniaturization of mobile power station.

double current generator；power meta-synthesis；multi-winding power generation technology；excitation decou?pled

TM31

A

1673-1522（2015）06-0582-05DOI：10.7682/j.issn.1673-1522.2015.06.016

2015-07-25；

2015-10-15

楊陽（1992-），男，碩士生。