同步發(fā)電機(jī)帶脈沖負(fù)載的磁飽和問(wèn)題研究

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(陸軍工程大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院，南京 210007)

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，以相控陣?yán)走_(dá)、通信裝備為代表的負(fù)載包含了大量的電力電子開(kāi)關(guān)器件，這類負(fù)載工作周期通常為毫秒級(jí)，消耗功率并不恒定，呈典型的脈沖特性，表現(xiàn)為平均功率低、峰值功率大，因此被稱作脈沖負(fù)載。脈沖負(fù)載的間歇性沖擊和頻繁突變，對(duì)電源側(cè)形成反復(fù)加減載作用，將引起供電系統(tǒng)功率的大范圍波動(dòng)[1]。

針對(duì)脈沖負(fù)載功率波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響問(wèn)題，文獻(xiàn)[2]提出了采用電動(dòng)輔助機(jī)構(gòu)增強(qiáng)柴油發(fā)電機(jī)組抗脈沖功率負(fù)載擾動(dòng)的方法，降低了機(jī)組的轉(zhuǎn)速調(diào)整率；文獻(xiàn)[3]討論了飛行器普遍采用發(fā)電機(jī)經(jīng)整流器帶脈沖功率負(fù)載系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，通過(guò)分析脈沖功率負(fù)載對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電源波動(dòng)的畸變影響，提出了基于電流變化的改進(jìn)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)壓方法；文獻(xiàn)[4]通過(guò)闡述脈沖功率負(fù)載的工作機(jī)理，研究了大容量脈沖功率負(fù)載對(duì)電能質(zhì)量的影響，設(shè)計(jì)了改善電能質(zhì)量的濾波裝置；為削弱脈沖功率負(fù)載對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組供電系統(tǒng)的影響，文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]分別設(shè)計(jì)采用蓄電池加超級(jí)電容或單獨(dú)采用蓄電池的儲(chǔ)能補(bǔ)償方案，仿真驗(yàn)證了可通過(guò)儲(chǔ)能補(bǔ)償裝置與負(fù)載功率變化的有效跟蹤以平抑負(fù)載功率波動(dòng)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的影響；文獻(xiàn)[7]建立了同步發(fā)電機(jī)-整流器-反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載系統(tǒng)的等效電路模型，導(dǎo)出了系統(tǒng)微變穩(wěn)定的條件，并提出了在隱極轉(zhuǎn)子上設(shè)置交軸短路繞組來(lái)解決系統(tǒng)穩(wěn)定性問(wèn)題的措施。文獻(xiàn)從不同方面入手研究脈沖負(fù)載對(duì)系統(tǒng)的影響情況，而大多從系統(tǒng)外特性變化層面進(jìn)行分析，并未發(fā)現(xiàn)針對(duì)脈沖負(fù)載對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)作用規(guī)律的研究，而負(fù)載的波動(dòng)反作用到同步發(fā)電機(jī)會(huì)導(dǎo)致電機(jī)輸出端電壓同樣產(chǎn)生一定程度的波動(dòng)，這對(duì)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)壓和電樞反應(yīng)過(guò)程都會(huì)有影響，這也是影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的一個(gè)重要因素。

本文主要研究同步發(fā)電機(jī)在脈沖負(fù)載作用下，電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)存在局部飽和及影響飽和的因素。用Ansys Maxwell軟件搭建了同步發(fā)電機(jī)的有限元模型，通過(guò)分析勵(lì)磁磁場(chǎng)和電樞電流兩個(gè)影響因素，研究脈沖負(fù)載作用下對(duì)同步發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁飽和的作用規(guī)律。

1 脈沖負(fù)載引起磁飽和的原理

同步發(fā)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)采用鐵磁材料，其具有高導(dǎo)磁性，可以達(dá)到較高的能量傳遞效率。但是鐵磁材料同樣存在著磁飽和的問(wèn)題，即磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定值后，感應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度將趨于飽和，磁場(chǎng)強(qiáng)度再增大，磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加速度變得平緩。電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，一般保證帶常規(guī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，鐵磁材料工作在膝點(diǎn)位置，而不達(dá)到飽和段，因此在分析時(shí)多忽略磁飽和現(xiàn)象對(duì)電機(jī)運(yùn)行的影響。

本文以柴油發(fā)電機(jī)組-整流器-脈沖負(fù)載系統(tǒng)為研究對(duì)象，結(jié)構(gòu)如圖1所示。脈沖負(fù)載平均功率小而峰值功率大，具有一定脈動(dòng)特性。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)脈沖負(fù)載電壓呈現(xiàn)周期性跳躍波動(dòng)，反作用到交流側(cè)電路，會(huì)導(dǎo)致同步機(jī)輸出端電壓同樣產(chǎn)生劇烈波動(dòng)，電機(jī)本身通過(guò)AVR作用平穩(wěn)輸出電壓，因?yàn)椴▌?dòng)劇烈，通過(guò)反饋?zhàn)饔眯枰粩嗾{(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁以平穩(wěn)輸出電壓的變化。在勵(lì)磁反復(fù)調(diào)節(jié)的過(guò)程中，就會(huì)導(dǎo)致定子鐵心中磁感應(yīng)強(qiáng)度超出膝點(diǎn)而進(jìn)入飽和區(qū)，從而導(dǎo)致能量在傳遞過(guò)程中過(guò)多流失，無(wú)法送達(dá)輸出端，而使AVR的控制作用受到很大影響，因此無(wú)法忽略其影響。

與此同時(shí)脈沖負(fù)載的作用使電機(jī)輸出電流也存在一定程度的波動(dòng)，當(dāng)電流沖擊較高時(shí)則會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電樞磁場(chǎng)，對(duì)主磁場(chǎng)的加強(qiáng)作用同樣會(huì)將鐵心工作點(diǎn)推向飽和。這兩點(diǎn)因素的疊加使柴油機(jī)脈沖負(fù)載系統(tǒng)工作過(guò)程中同步機(jī)的磁飽和成為普遍現(xiàn)象，因而并不能忽略其對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。

圖1柴油發(fā)電機(jī)組-整流器-脈沖負(fù)載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

2 同步發(fā)電機(jī)磁飽和現(xiàn)象仿真研究

相比于解析法，采用有限元法進(jìn)行仿真分析，可以更貼近于實(shí)際，能夠準(zhǔn)確確定電機(jī)中各部分的磁感應(yīng)強(qiáng)度大小及磁飽和程度，因此本文選擇在Ansys Maxwell平臺(tái)搭建同步電機(jī)二維穩(wěn)態(tài)模型進(jìn)行分析。

2.1 空載條件下同步發(fā)電機(jī)磁飽和研究

電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)組成復(fù)雜，本節(jié)僅研究轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)對(duì)定子鐵心磁感應(yīng)強(qiáng)度的影響，因此先采用空載運(yùn)行分析，即電樞繞組開(kāi)路。本文采用Ansys Maxwell軟件的穩(wěn)態(tài)場(chǎng)進(jìn)行建模，為更好的模擬勵(lì)磁磁場(chǎng)的強(qiáng)度變化，采用永磁同步電機(jī)進(jìn)行仿真分析，永磁電機(jī)定子結(jié)構(gòu)與勵(lì)磁同步電機(jī)基本相同，而可以通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子表面永磁體的參數(shù)，方便的實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁磁場(chǎng)的增減變化，分析對(duì)轉(zhuǎn)子鐵磁材料磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁飽和情況的影響。模型搭建如圖2所示，電機(jī)定子內(nèi)徑、外徑分別為74mm和120mm，極數(shù)4，定子槽數(shù)24，鐵心和轉(zhuǎn)子軛采用DW465-50鐵磁材料，繞組材料定義為銅，永磁體材料矯頑力Hc為-947000A/Meter,剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度Br為1.25T[7]。

圖2永磁同步電機(jī)有限元模型

圖3模型磁密云圖

如圖3所示，對(duì)模型進(jìn)行磁密云圖的分析可見(jiàn)，在轉(zhuǎn)子齒部磁感應(yīng)強(qiáng)度較大，當(dāng)勵(lì)磁增大時(shí)，磁飽和現(xiàn)象也將首先出現(xiàn)在此部分，因此取齒部鐵心靠近氣隙部分的一條曲線路徑進(jìn)行磁感應(yīng)強(qiáng)度分析。

圖4鐵心磁感應(yīng)強(qiáng)度波形圖

如圖4可見(jiàn)，磁感應(yīng)強(qiáng)度在兩繞組間的路徑上呈現(xiàn)不均勻的分布，越接近繞組，產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度越大，這是由于軟磁材料端部聚磁所致。

同時(shí)提取與此路徑臨近的一段氣隙磁密波形，用來(lái)直觀的表示轉(zhuǎn)子永磁體提供勵(lì)磁變化的情況。改變永磁體的矯頑力Hc，實(shí)現(xiàn)不同磁性輸出的變化，圖5為通過(guò)改永磁體矯頑力，而使氣隙磁密較均勻的增加，從0.8T增至1.15T，用來(lái)模擬柴油發(fā)電機(jī)輸出端電壓減小時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁來(lái)穩(wěn)定輸出電壓的過(guò)程。

圖5氣隙磁密波形圖

圖6鐵心磁感應(yīng)強(qiáng)度波形圖

與圖5各氣隙磁密對(duì)應(yīng)的鐵心磁感應(yīng)強(qiáng)度如圖6所示?？梢?jiàn)，當(dāng)勵(lì)磁較小時(shí)，鐵心的磁感應(yīng)強(qiáng)度隨勵(lì)磁增大而同比例增大，定子響應(yīng)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁的調(diào)節(jié)，可產(chǎn)生更大的輸出電壓；而當(dāng)勵(lì)磁繼續(xù)增大時(shí)，鐵心的磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加速度變得非常緩慢，基本穩(wěn)定在2.05T左右，而通過(guò)查看所用定子鐵磁材料DW465-50的B-H曲線，如圖7所示，可知當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增加至超過(guò)2T時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度漸趨平穩(wěn)，說(shuō)明鐵磁材料達(dá)到飽和。這與上文得到的結(jié)果一致，當(dāng)氣隙磁密增加到1.1T時(shí)，轉(zhuǎn)子鐵心磁感應(yīng)強(qiáng)度趨向飽和，因此電樞繞組也無(wú)法再隨勵(lì)磁增大感應(yīng)更大的輸出電壓，說(shuō)明磁飽和現(xiàn)象確實(shí)影響了電機(jī)內(nèi)部的能量傳遞，使AVR的調(diào)節(jié)作用受到很大限制。

圖7 DW465-50材料B-H曲線

2.2 負(fù)載運(yùn)行時(shí)同步發(fā)電機(jī)磁飽和研究

當(dāng)發(fā)電機(jī)帶上常規(guī)負(fù)載后，電樞三相繞組中將感應(yīng)出對(duì)稱的三相電流，此時(shí)電樞繞組就會(huì)產(chǎn)生電樞磁動(dòng)勢(shì)及相應(yīng)的電樞磁場(chǎng)。電樞磁場(chǎng)同樣以同步速度旋轉(zhuǎn)，與轉(zhuǎn)子的主磁場(chǎng)保持相對(duì)靜止，因此，鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度實(shí)際是主極磁動(dòng)勢(shì)和電樞磁動(dòng)勢(shì)共同作用產(chǎn)生的。

當(dāng)帶脈沖負(fù)載運(yùn)行時(shí)，脈沖負(fù)載的脈動(dòng)周期在十毫秒級(jí)，而電機(jī)的AVR從檢測(cè)到電壓變化到完成調(diào)節(jié)的作用時(shí)間在百毫秒級(jí)，這說(shuō)明AVR并不能及時(shí)抑制脈沖負(fù)載引起的的電壓波動(dòng)甚至無(wú)法在一個(gè)脈動(dòng)周期內(nèi)完成電壓平復(fù)，因此電樞電流勢(shì)必存在一定幅度的跳動(dòng)，產(chǎn)生的電樞磁場(chǎng)也會(huì)有強(qiáng)弱的波動(dòng)，其對(duì)鐵心中合成磁感應(yīng)強(qiáng)度同樣存在一定程度的影響。

先設(shè)與主磁極軸正交的繞組電流為80A，另外兩相電流相位分別落后120°和240°，因此在這一瞬間另兩相繞組的電流值為40A，分別通過(guò)改變永磁體矯頑力設(shè)置氣隙磁密峰值大致為0.7T、0.8T、0.9T、1T和1.1T，提取鐵心路徑上合成磁感應(yīng)強(qiáng)度波形如圖8所示。

圖8鐵心路徑上合成感應(yīng)強(qiáng)度波形圖

在圖8中，鐵心中的磁感應(yīng)強(qiáng)度較空載狀況相比有一定升高，在氣隙磁密達(dá)到1T時(shí)已經(jīng)進(jìn)入飽和，變化相對(duì)平緩。

通過(guò)柴油發(fā)電機(jī)組帶脈沖負(fù)載試驗(yàn)了解到高壓側(cè)，即同步機(jī)輸出電流側(cè)電流波動(dòng)可達(dá)幾十安，因此，將與主磁極軸正交的繞組電流提高到120A，另外兩項(xiàng)同樣增至60A，模擬脈沖負(fù)載瞬時(shí)功率跳躍時(shí)對(duì)同步機(jī)輸出側(cè)的反作用。此時(shí)，設(shè)置氣隙磁密梯度不變，同樣提取鐵心路徑上合成磁感應(yīng)強(qiáng)度波形，從圖9中可以看出，當(dāng)氣隙磁密達(dá)到0.9T時(shí)，鐵心磁感應(yīng)強(qiáng)度變化已經(jīng)變慢，進(jìn)入飽和狀態(tài)。

圖9高電流磁感應(yīng)強(qiáng)度波形圖

通過(guò)上述分析可知，電樞電流感應(yīng)出的電樞磁場(chǎng)對(duì)勵(lì)磁磁場(chǎng)的增磁作用，使鐵心的磁飽和效應(yīng)更加明顯。而脈沖負(fù)載導(dǎo)致的電樞電流的大幅度波動(dòng)，更加劇了電樞磁場(chǎng)的作用，使電機(jī)更易進(jìn)入飽和狀態(tài)，影響電樞反應(yīng)和勵(lì)磁調(diào)節(jié)的正常工作。

2.3 改善同步發(fā)電機(jī)磁飽和對(duì)脈沖負(fù)載供電系統(tǒng)的意義

工程應(yīng)用中，柴油發(fā)電機(jī)組通常經(jīng)過(guò)整流器接直流脈沖負(fù)載，柴油發(fā)電機(jī)組的輸出電流會(huì)出現(xiàn)周期性的大幅波動(dòng)，交流電壓產(chǎn)生畸變，頻率也會(huì)有很大程度的波動(dòng)，當(dāng)脈沖負(fù)載作用強(qiáng)烈時(shí)，還可能造成機(jī)組停運(yùn)引起供電中斷，影響設(shè)備的正常工作，甚至損壞發(fā)電機(jī)組或用電設(shè)備。為避免柴油發(fā)電機(jī)組因脈沖負(fù)載的沖擊而發(fā)生故障，目前廣泛采用增大柴油發(fā)電機(jī)組容量的措施，即“大馬拉小車”的方式[8]。一方面可能造成機(jī)組過(guò)度配置；另一方面也會(huì)使用更多的能源，造成浪費(fèi)。通過(guò)本文分析可以確定同步發(fā)電機(jī)內(nèi)部鐵磁材料的磁飽和也是導(dǎo)致脈沖負(fù)載系統(tǒng)源荷功率匹配問(wèn)題的影響因素之一，通過(guò)有效措施緩解磁飽和提高同步發(fā)電機(jī)的能量傳遞效率，可以有效改善柴油發(fā)電機(jī)的輸出電能質(zhì)量。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了脈沖負(fù)載下同步發(fā)電機(jī)磁飽和現(xiàn)象產(chǎn)生的原理，搭建了同步發(fā)電機(jī)的有限元仿真模型，并根據(jù)此模型研究勵(lì)磁磁場(chǎng)和電樞電流分別增大時(shí)對(duì)定子鐵心磁飽和程度的影響規(guī)律，用于模擬脈沖負(fù)載作用下同步發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)的變化規(guī)律，結(jié)果表明兩個(gè)變量對(duì)定子鐵心的磁飽和都有不同程度的加劇作用。最后本文提出了可以通過(guò)改善定子鐵心的磁飽和提高同步發(fā)電機(jī)內(nèi)部的能量傳遞效率，達(dá)到改善柴油發(fā)電機(jī)的輸出電能質(zhì)量的目的，一定程度解決目前柴油發(fā)電機(jī)容量和負(fù)載大小不匹配的“大馬拉小車”現(xiàn)狀。

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