脈沖負(fù)載作用下發(fā)電機(jī)端電壓波動(dòng)問題研究

劉 博,黃克峰,徐 曄

(陸軍工程大學(xué) 國防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，以現(xiàn)代電子雷達(dá)為典型代表的電力電子化用電設(shè)備不斷涌現(xiàn)，在負(fù)荷特性上表現(xiàn)出平均功率低、峰值功率高，呈現(xiàn)出連續(xù)脈沖功率沖擊的強(qiáng)非線性特征，稱為脈沖功率負(fù)載。與大電力系統(tǒng)不同，柴油發(fā)電機(jī)組帶脈沖負(fù)載系統(tǒng)由于柴油發(fā)電機(jī)組的容量和慣性較小，機(jī)電調(diào)節(jié)控制器響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，因此系統(tǒng)抗負(fù)荷擾動(dòng)的能力差，脈沖負(fù)載的連續(xù)沖擊對(duì)電源側(cè)產(chǎn)生反復(fù)加減載作用，將引起供電電壓的頻繁波動(dòng)，嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的電能質(zhì)量以及供電穩(wěn)定性[1]。

大量學(xué)者針對(duì)脈沖負(fù)載頻繁沖擊供電系統(tǒng)所產(chǎn)生的影響進(jìn)行了理論與試驗(yàn)分析。文獻(xiàn)[2]通過研究脈沖負(fù)載對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電能質(zhì)量的影響，提出了基于電流變化的改進(jìn)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)壓的方法；文獻(xiàn)[3]闡述了脈沖功率負(fù)載的工作機(jī)理，分析了大容量脈沖功率負(fù)載對(duì)系統(tǒng)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；為削弱脈沖負(fù)載對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組供電系統(tǒng)的影響，文獻(xiàn)[4]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)[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，提出可利用儲(chǔ)能補(bǔ)償裝置對(duì)負(fù)載功率變化的有效跟蹤來平抑負(fù)載波動(dòng)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組的影響；針對(duì)脈沖負(fù)載作用下系統(tǒng)電能質(zhì)量下降的問題，文獻(xiàn)[7]提出了諧波補(bǔ)償方法，并采用仿真和試驗(yàn)對(duì)所得結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證；文獻(xiàn)[8]針對(duì)脈沖負(fù)載功率突變對(duì)船舶電力系統(tǒng)的擾動(dòng)，研究了不同的變換器對(duì)供電系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，并提出通過優(yōu)化變換器結(jié)構(gòu)來減小負(fù)載沖擊的方法。

前人從不同角度探究了脈沖負(fù)載對(duì)系統(tǒng)的影響情況，并從不同方面提出平抑負(fù)載對(duì)系統(tǒng)擾動(dòng)的方法，但大多從系統(tǒng)外特性層面進(jìn)行分析，而實(shí)際系統(tǒng)中脈沖負(fù)載的連續(xù)沖擊對(duì)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生反復(fù)的加卸載作用，這也是造成供電側(cè)電壓波動(dòng)的根本原因。因此，本文兼顧負(fù)載對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)的影響，分析脈沖負(fù)載導(dǎo)致發(fā)電機(jī)輸出端電壓波動(dòng)的根本原因，搭建發(fā)電機(jī)帶脈沖負(fù)載系統(tǒng)的有限元場(chǎng)路耦合模型探究負(fù)載對(duì)電壓波動(dòng)率的影響規(guī)律，并開展相關(guān)試驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證，最后通過對(duì)電機(jī)磁路飽和狀態(tài)的調(diào)整，探究平抑電壓波動(dòng)的有效措施。

1 仿真模型介紹

為充分考慮帶脈沖負(fù)載時(shí)電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)的變化情況，采用有限元法建立電機(jī)仿真模型，其與數(shù)學(xué)等效模型相比優(yōu)勢(shì)在于能夠體現(xiàn)出電機(jī)磁路飽和的影響，也為下文通過改變磁路飽和狀態(tài)對(duì)電機(jī)抗負(fù)載波動(dòng)能力的探究提供了可能性。因此基于Maxwell有限元仿真軟件，利用清華泰豪三波電機(jī)有限公司提供的實(shí)際電機(jī)參數(shù)建立了發(fā)電機(jī)主機(jī)及勵(lì)磁機(jī)模型如圖1和圖2所示。

圖1 發(fā)電機(jī)主機(jī)模型

圖2 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁機(jī)模型

利用Simplorer軟件與Maxwell電機(jī)模型進(jìn)行聯(lián)合仿真，完成了勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)、整流器級(jí)聯(lián)Buck電路和脈沖負(fù)載的搭建。

圖3 勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的拓?fù)鋱D如圖3所示，其中包含勵(lì)磁電源回路和勵(lì)磁控制回路。勵(lì)磁電源回路中S1為發(fā)電機(jī)諧波繞組，S2為勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組，C和VD5為勵(lì)磁繞組提供濾波和續(xù)流的作用。諧波勵(lì)磁方式采用在定子槽中附加諧波繞組，通過感應(yīng)氣隙中的三次諧波產(chǎn)生交流電，經(jīng)整流后為勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組供電。勵(lì)磁控制回路采集發(fā)電機(jī)輸出端電壓U0作為信號(hào)，與參考電壓U0_ref進(jìn)行對(duì)比得到電壓差值，再經(jīng)過PID環(huán)節(jié)，得到控制信號(hào)與三角波比較得到的PWM調(diào)制波，而此調(diào)制波控制勵(lì)磁電源電路中IGBT的開通占空比，從而控制勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流的大小。U0為電機(jī)輸出端電壓的幅值，可利用以下公式獲得：

(1)

其中ua、ub、uc為三相電壓信號(hào)。

整流器級(jí)聯(lián)Buck電路和脈沖負(fù)載的拓?fù)鋱D分別如圖4和圖5所示。

圖4 整流器級(jí)聯(lián)Buck電路結(jié)構(gòu)

圖5 脈沖負(fù)載結(jié)構(gòu)

設(shè)定脈沖負(fù)載的峰值功率PL為30 kW，開關(guān)周期TS為50 ms，占空比D為0.5，系統(tǒng)仿真結(jié)果波形圖如圖6所示。

2 脈沖負(fù)載對(duì)端電壓影響分析

2.1 電壓波動(dòng)原理分析

脈沖負(fù)載的頻繁加卸載作用，使直流側(cè)負(fù)載電流成周期性通斷狀態(tài)，這使得發(fā)電機(jī)的電樞電流也以同規(guī)律周期變化，致使發(fā)電機(jī)在近空載和負(fù)載兩種狀態(tài)下頻繁切換，這也造成發(fā)電機(jī)輸出端電壓周期性波動(dòng)，其根本原因主要為以下兩點(diǎn)：

圖6 P30_T56_D50系統(tǒng)仿真波形

(1) 電機(jī)等效阻抗消耗部分電動(dòng)勢(shì)

E=U+IR+jIRσ

(2)

電機(jī)的端電壓等于電樞繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)減去電樞電阻壓降IR和漏抗壓降jIRσ，當(dāng)負(fù)載導(dǎo)通時(shí)刻，電樞電流I變大，電機(jī)等效阻抗將消耗掉部分感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，使輸出端電壓有一定幅度的下降[9]。

(2) 電機(jī)電樞反應(yīng)體現(xiàn)去磁特性

當(dāng)轉(zhuǎn)子極劃過某一相電樞繞組的整個(gè)過程中，電樞反應(yīng)對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響情況并不相同，當(dāng)轉(zhuǎn)子極進(jìn)入電樞繞組的過程中，根據(jù)楞次定律，電樞電流產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)對(duì)原磁場(chǎng)起到去磁作用，使得該相繞組磁鏈比空載時(shí)有所減??；而當(dāng)轉(zhuǎn)子極經(jīng)過電樞繞組的對(duì)稱中心線離開繞組的過程中，電樞電流產(chǎn)生磁場(chǎng)對(duì)原磁場(chǎng)起到增磁作用，使繞組磁鏈略大于空載磁鏈，而由于電機(jī)一般工作在近飽和區(qū)域，由于磁路飽和的存在使得增磁作用不及去磁效應(yīng)明顯，因此電樞效應(yīng)總體體現(xiàn)去磁作用，使得端電壓相比空載有所減小。

2.2 脈沖負(fù)載對(duì)電壓波動(dòng)率的影響

脈沖負(fù)載的工作情況可以用脈沖周期Ts、開關(guān)通斷占空比D和峰值功率PL的組合表示，每個(gè)變量的線性組合對(duì)應(yīng)脈沖負(fù)載的一種工作狀態(tài)，為簡(jiǎn)便表示每一種工作狀態(tài)，對(duì)工作狀態(tài)：峰值功率30 kW，開關(guān)周期Ts=56 ms，占空比D=0.50，省略標(biāo)記為：P30_T56_D50,或向量形式(30，56，0.5)。

發(fā)電機(jī)輸出端電壓的波動(dòng)情況可以用電壓波動(dòng)率指標(biāo)進(jìn)行表征，電壓波動(dòng)率表達(dá)式如下：

(3)

其中Umax為采樣數(shù)據(jù)各周期的有效值中的最大值，Umin為采樣數(shù)據(jù)各周期的有效值中的最小值，Uav為采樣數(shù)據(jù)各周期有效值的平均值。

利用有限元模型帶脈沖負(fù)載進(jìn)行仿真分析，在仿真中設(shè)置濾波電容為4 mF，通過調(diào)整脈沖負(fù)載不同模態(tài)運(yùn)行分析各因素對(duì)交流側(cè)電壓波動(dòng)率的影響。

(1)占空比D的影響

控制負(fù)載功率為20 kW，脈沖負(fù)載周期為56 ms，當(dāng)負(fù)載開關(guān)占空比D變化時(shí)系統(tǒng)的相關(guān)指標(biāo)如圖7所示。

圖7 占空比改變時(shí)電壓波動(dòng)率

由圖7可知，電壓波動(dòng)率隨占空比增大呈先增后減趨勢(shì)，這是因?yàn)樵谡伎毡冉咏?.5時(shí)，加載和卸載兩種狀態(tài)的時(shí)間都足夠長(zhǎng)，使加載產(chǎn)生的壓降效果和卸載電壓回升效果能充分體現(xiàn)，從而波動(dòng)程度加劇。

(2)開關(guān)周期Ts的影響

控制負(fù)載功率為30 kW，占空比為0.5，脈沖負(fù)載周期Ts變化時(shí)系統(tǒng)的相關(guān)指標(biāo)如圖8所示。

圖8 脈沖周期改變時(shí)電壓波動(dòng)率

由圖8可知，在脈沖周期較小時(shí)電壓波動(dòng)率隨周期增大而增大，因?yàn)殡S周期增大，加卸載時(shí)間相應(yīng)增長(zhǎng)，由此產(chǎn)生的電壓波動(dòng)效果越發(fā)明顯，而當(dāng)周期達(dá)到一定值時(shí)，在一個(gè)周期內(nèi)加卸載作用可以完全體現(xiàn)，因此當(dāng)周期繼續(xù)增大時(shí)，波動(dòng)率基本不變。

(3)峰值功率PL的影響

控制負(fù)載占空比為0.5，脈沖負(fù)載周期為56 ms，當(dāng)負(fù)載峰值功率PL變化時(shí)系統(tǒng)的相關(guān)指標(biāo)如圖9所示。

圖9 峰值功率改變時(shí)電壓波動(dòng)率

由圖9可知，當(dāng)峰值功率增加時(shí)，電樞電流加大，電樞繞組分壓作用更加明顯，且電樞反應(yīng)的去磁效果也更強(qiáng)，使電機(jī)輸出端電壓的下降幅度更大，因此電壓的波動(dòng)率也將一定程度的增大。

2.3 仿真結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)比分析

為了驗(yàn)證仿真規(guī)律的準(zhǔn)確性，利用所在團(tuán)隊(duì)研制的直流脈沖負(fù)載模擬裝置，進(jìn)行了柴油發(fā)電機(jī)組帶脈沖負(fù)載的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)裝置如圖10和11所示。

圖10 柴油發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)裝置圖

圖11 直流側(cè)負(fù)載驗(yàn)裝置圖

將系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果處理數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，不同占空比、脈沖周期和峰值功率的電壓波動(dòng)率對(duì)比圖分別如圖12～14所示。

圖12 改變占空比對(duì)比圖

圖13 改變脈沖周期對(duì)比圖

圖14 改變峰值功率對(duì)比圖

由于條件限制，試驗(yàn)所用發(fā)電機(jī)與仿真電機(jī)的型號(hào)和功率并不相同，使得兩者波動(dòng)率存在一定的偏差，但其變化趨勢(shì)基本一致，驗(yàn)證了仿真所得規(guī)律的正確性，同時(shí)也證明了利用有限元場(chǎng)路耦合模型分析脈沖負(fù)載系統(tǒng)的可行性，為下文分析磁飽和對(duì)電壓波動(dòng)的影響奠定了基礎(chǔ)。

2.4 不同磁飽和狀態(tài)對(duì)結(jié)果的影響

在2.1小節(jié)已經(jīng)闡明，影響電機(jī)帶載電壓降的原因主要有電樞繞組分壓和磁路飽和兩個(gè)因素，而電樞繞組的等效阻抗與繞組匝數(shù)相關(guān)，在電機(jī)設(shè)計(jì)過程中考慮到輸出功率等級(jí)要求，很難對(duì)電樞繞組匝數(shù)進(jìn)行較大修改，而磁路飽與勵(lì)磁電流強(qiáng)度和電機(jī)定轉(zhuǎn)子材料相關(guān)，實(shí)際工程中不同的電機(jī)磁路飽和情況也會(huì)有一定差異，因此研究不同磁路飽和情況對(duì)電機(jī)帶脈沖負(fù)載的影響，并探究能否通過對(duì)磁飽和的調(diào)整達(dá)到平抑電壓波動(dòng)的作用是本文分析的重點(diǎn)。

通過改變勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的給定基準(zhǔn)電壓使空載輸出端電壓的穩(wěn)定值相應(yīng)的變化，因?yàn)殡姍C(jī)設(shè)計(jì)時(shí)額定工作點(diǎn)一般在近飽和區(qū)，對(duì)電機(jī)電壓進(jìn)行小范圍的調(diào)整就會(huì)使其飽和度產(chǎn)生較大的變化，以此達(dá)到改變勵(lì)磁強(qiáng)度從而改變電機(jī)內(nèi)部磁路飽和狀態(tài)的目的。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁狀態(tài)調(diào)整如表1所示。

表1 發(fā)電機(jī)勵(lì)磁狀態(tài)調(diào)整表

從上述分析中得知，開關(guān)通斷占空比D、開關(guān)周期Ts和峰值功率PL對(duì)電壓的波動(dòng)均有一定程度的影響，不同脈沖周期和占空比影響的是脈沖負(fù)載的作用時(shí)間，與電樞反應(yīng)的強(qiáng)弱無關(guān)，而峰值功率表示所帶負(fù)荷的大小，峰值功率越高，負(fù)載越大，電樞電流也越強(qiáng)，電樞反應(yīng)對(duì)磁場(chǎng)作用越明顯。因此本小節(jié)通過改變勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)讓電機(jī)處于不同磁飽和狀態(tài)的前提下，固定負(fù)載開關(guān)周期和脈沖占空比不變，僅改變負(fù)載峰值功率，探究不同磁飽和狀態(tài)下，電機(jī)帶不同功率負(fù)載的電壓波動(dòng)情況。因勵(lì)磁調(diào)節(jié)后端電壓值也相應(yīng)改變，電壓波動(dòng)率指標(biāo)只能反映在相應(yīng)端電壓條件下電壓的相對(duì)波動(dòng)幅度，因此另加入電壓波動(dòng)差指標(biāo)反映電壓最大值和最小值的差幅，其表達(dá)式如式(4)所示，其中Umax和Umin含義與電壓波動(dòng)率相同。

ΔU=Umax-Umin

(4)

不同勵(lì)磁電流下電機(jī)端電壓的電壓波動(dòng)率和電壓波動(dòng)差如圖15和圖16所示。

圖15 電壓波動(dòng)率對(duì)比圖

圖16 電壓波動(dòng)差對(duì)比圖

如圖15可知，當(dāng)電機(jī)磁路飽和增強(qiáng)時(shí)，電壓波動(dòng)率隨之減小，但由于在改變勵(lì)磁的過程中，電機(jī)端電壓有效值也會(huì)相應(yīng)變化，導(dǎo)致電壓波動(dòng)率公式的分母存在一定差異，使得對(duì)比不同勵(lì)磁電壓波動(dòng)率指標(biāo)并不能直觀地反映實(shí)際電壓的波動(dòng)差幅。而通過圖16的電壓波動(dòng)差指標(biāo)可見，隨磁路飽和增強(qiáng)，實(shí)際電壓波動(dòng)的差值也是隨之減小的，這是由于磁路飽和起到抵消電樞反應(yīng)去磁的作用，較大的磁飽和度使得電機(jī)更難退出飽和，從而帶相同負(fù)載時(shí)，氣隙磁密降低的幅度也減小，使電機(jī)的外特性變硬，當(dāng)帶脈沖負(fù)載時(shí)，負(fù)載開關(guān)通斷導(dǎo)致的電樞電流變化對(duì)電機(jī)磁場(chǎng)的影響也隨之削弱，端電壓波動(dòng)自然變小。

因此，針對(duì)帶脈沖負(fù)載的柴油發(fā)電機(jī)組，可以考慮在電機(jī)設(shè)計(jì)過程中，通過勵(lì)磁繞組匝數(shù)、電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵心材料和電樞繞組匝數(shù)的相關(guān)調(diào)整，適當(dāng)提高發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁路飽和程度，以達(dá)到平抑因脈沖負(fù)載波動(dòng)引起的電壓波動(dòng)問題。同時(shí)提高磁路飽和程度會(huì)使電機(jī)磁阻增加，電樞繞組電感值隨之減小，后接整流器環(huán)節(jié)的換向重疊角也會(huì)相應(yīng)減小，這也一定程度上削減了帶脈沖負(fù)載系統(tǒng)的電壓畸變情況。但是過大的磁路飽和狀態(tài)也會(huì)造成電機(jī)鐵損加大、發(fā)熱明顯等現(xiàn)象，因此需要把握好磁路飽和的程度，在能夠有效降低電壓波動(dòng)率的同時(shí)也不對(duì)電機(jī)工作造成明顯損害。

3 結(jié)論

本文首先介紹了發(fā)電機(jī)帶脈沖負(fù)載系統(tǒng)的有限元場(chǎng)路耦合模型。其次分析了造成發(fā)電機(jī)輸出端電壓波動(dòng)的兩點(diǎn)原因，即電機(jī)電樞繞組分壓和電樞反應(yīng)的去磁特性，并探究了脈沖負(fù)載占空比、脈沖周期和峰值功率變化對(duì)電壓波動(dòng)率的影響規(guī)律。開展了柴油發(fā)電機(jī)組帶脈沖負(fù)載系統(tǒng)試驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，所得電壓波動(dòng)率的變化趨勢(shì)基本吻合，驗(yàn)證了仿真規(guī)律的正確性。最后通過電機(jī)磁路飽和狀態(tài)的調(diào)整，得到適當(dāng)加強(qiáng)磁飽和可以有效平抑因脈沖負(fù)載引起的發(fā)電機(jī)輸出端電壓波動(dòng)的結(jié)論，并提出針對(duì)帶脈沖負(fù)載，在電機(jī)設(shè)計(jì)過程中可以通過適當(dāng)增大磁路飽和狀態(tài)，提高發(fā)電機(jī)輸出電能質(zhì)量的建議。