同步發(fā)電機(jī)阻尼繞組對脈沖負(fù)載系統(tǒng)影響研究

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(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)的高速發(fā)展，用電設(shè)備電力電子化已成為重要發(fā)展趨勢，特別是以相控陣?yán)走_(dá)、電磁炮、激光武器、高功率微波武器等為典型代表的新型裝備不斷涌現(xiàn)，裝備用電負(fù)荷以間歇方式工作，對供電系統(tǒng)而言，是典型的脈沖功率負(fù)載，其基本特征表現(xiàn)為平均功率低、峰值功率高，與常規(guī)線性負(fù)荷特性迥異[1]。脈沖負(fù)載的頻繁突變，對電源側(cè)形成反復(fù)的加卸載作用，也將造成發(fā)電機(jī)端電壓幅值和頻率的周期性波動(dòng)和較大的電壓畸變，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

大多數(shù)發(fā)電機(jī)都裝有阻尼繞組結(jié)構(gòu)，其主要的作用為對電力系統(tǒng)的擾動(dòng)起到一定阻尼效果，以及對電壓畸變的調(diào)節(jié)作用，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。針對阻尼繞組的作用，國內(nèi)外學(xué)者均進(jìn)行了相關(guān)的研究，文獻(xiàn)[2]利用解析法從直軸、交軸回路和磁導(dǎo)出發(fā)，對阻尼條中的感應(yīng)電流進(jìn)行了計(jì)算；文獻(xiàn)[3]提出了利用多回路解析方法，得到阻尼繞組電流大小及分布。但是解析法并不能考慮到電機(jī)結(jié)構(gòu)因素和鐵心飽和等的影響，具有一定的局限性，直至有限元法的引入解決了這一問題。文獻(xiàn)[4]利用有限元法計(jì)算了發(fā)電機(jī)電樞繞組內(nèi)部短路時(shí)的阻尼繞組電流瞬態(tài)響應(yīng)過程；文獻(xiàn)[5]利用場路耦合法計(jì)算了轉(zhuǎn)子非平衡工作狀況下的阻尼繞組電流；文獻(xiàn)[6]利用多回路耦合有限元的方法計(jì)算了同步發(fā)電機(jī)在電樞繞組發(fā)生故障時(shí)阻尼繞組電流的暫態(tài)響應(yīng)及產(chǎn)生的附加損耗；文獻(xiàn)[7]利用時(shí)變有限元法對凸極同步發(fā)電機(jī)阻尼繞組的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化并分析了其產(chǎn)生的空間諧波的分布問題；文獻(xiàn)[8]利用時(shí)變有限元法分析并闡明了同步發(fā)電機(jī)阻尼繞組不同設(shè)計(jì)方案對發(fā)電機(jī)外特性的影響情況。但對于脈沖負(fù)載這種復(fù)雜的負(fù)載類型在工作過程中引起的阻尼繞組感應(yīng)電流以及其對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響情況并沒有相應(yīng)的研究。

本文以柴油發(fā)電機(jī)組帶脈沖負(fù)載系統(tǒng)為研究對象，利用Maxwell和Simplorer軟件搭建了同步發(fā)電機(jī)帶脈沖負(fù)載系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)聯(lián)合仿真模型，通過仿真分析了同步發(fā)電機(jī)阻尼繞組結(jié)構(gòu)在脈沖負(fù)載系統(tǒng)中的作用。

1 仿真平臺的搭建

本文搭建Maxwell和Simplorer場路耦合仿真模型對電機(jī)帶脈沖負(fù)載系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，電機(jī)采用某公司提供的相關(guān)參數(shù)建模，電機(jī)主機(jī)和勵(lì)磁機(jī)模型如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)有限元模型

利用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)搭建了諧波勵(lì)磁調(diào)壓系統(tǒng)的外電路，如圖2所示。

圖2 勵(lì)磁調(diào)壓系統(tǒng)拓?fù)?/p>

圖2中S1為發(fā)電機(jī)諧波繞組，S2為勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組，U0為發(fā)電機(jī)輸出端電壓信號，U0_ref為參考電壓值。利用圖3所示電路完成阻尼繞組結(jié)構(gòu)的外電路搭建，其中R1、R2、R3、R4對應(yīng)電機(jī)模型的阻尼繞組，采用全籠結(jié)構(gòu)，即所有極上阻尼條依次連接為籠狀。

圖3 阻尼繞組結(jié)構(gòu)電路圖

脈沖負(fù)載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，由三相橋式不可控整流器級聯(lián)Buck電路后接周期性通斷的電阻負(fù)載組成，可實(shí)現(xiàn)脈沖周期，開關(guān)占空比和負(fù)載峰值功率的變化。利用此拓?fù)渫瓿韶?fù)載電路的搭建，并與發(fā)電機(jī)三相輸出端相連，完成發(fā)電機(jī)帶脈沖負(fù)載系統(tǒng)仿真平臺的搭建。

圖4 脈沖負(fù)載拓?fù)?/p>

2 阻尼繞組在脈沖負(fù)載系統(tǒng)中的作用

脈沖負(fù)載工作時(shí)伴隨著頻繁的加卸載作用，基本可以分為卸載后的近空載階段、加載后的帶非線性負(fù)載階段以及兩階段之前的過渡階段，由于運(yùn)行狀態(tài)的復(fù)雜性，在研究阻尼繞組對其影響時(shí)，如果整體進(jìn)行分析會造成各現(xiàn)象與產(chǎn)生原因交織混淆(尤其是阻尼條電流的變化情況)，不利于研究的開展，因此，本文采用分階段局部分析的方法來闡明在脈沖負(fù)載系統(tǒng)中阻尼繞組的作用情況。

2.1 阻尼繞組對齒諧波的抑制作用

由于發(fā)電機(jī)定子槽的存在，使氣隙磁導(dǎo)分布不均勻，氣隙磁密對應(yīng)位置也出現(xiàn)凹槽，這使得輸出電樞電壓也存在一定的高頻波動(dòng)，影響輸出電能質(zhì)量，而阻尼繞組如鼠籠分布于轉(zhuǎn)子外周，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，氣隙磁密的不均勻同樣會在阻尼條上感應(yīng)出高頻電流，其產(chǎn)生的附加磁場對齒諧波有一定的抑制作用。

為分析阻尼對齒諧波的作用效果，將仿真步長設(shè)為0.1ms，充分體現(xiàn)齒諧波的波形情況。發(fā)電機(jī)空載狀態(tài)仿真，提取一根阻尼條上電流如圖5所示，可見由于定子槽導(dǎo)致的氣隙磁密的不均勻分布同樣在阻尼條上感應(yīng)出相對應(yīng)的高頻電流。

圖5 阻尼繞組電流圖

有阻尼繞組作用和阻尼繞組開路情況下的電樞電壓波形如圖6所示，可見阻尼繞組對電樞電壓中齒諧波分量產(chǎn)生了一定的抑制作用。

圖6 三相電樞電壓波形圖

圖7 電樞電壓諧波含量柱狀圖

阻尼槽諧波分量的頻率與阻尼節(jié)距比有關(guān)，本文的阻尼節(jié)距比近似1.5，對應(yīng)阻尼槽諧波分量為23次和25次諧波，而當(dāng)阻尼節(jié)距比為1時(shí)，阻尼槽諧波正好與定子齒諧波頻率相同，將影響阻尼繞組對定子齒諧波的抑制作用。因此在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)阻尼條的節(jié)距應(yīng)避免為定子槽距的整數(shù)倍或一半[9]。

2.2 阻尼繞組對帶載電壓畸變的影響

發(fā)電機(jī)帶脈沖負(fù)載運(yùn)行時(shí)，由于整流系統(tǒng)以及電樞繞組諧波電流的影響，電機(jī)輸出端電壓會發(fā)生一定程度的畸變，會使輸出電能質(zhì)量變差，而阻尼繞組可以對帶載電壓波形的畸變起到一定改善作用，下面將對有阻尼繞組作用和阻尼繞組開路情況下發(fā)電機(jī)帶脈沖負(fù)載的波形畸變情況以及作用原因進(jìn)行分析。本節(jié)將仿真步長設(shè)為0.5ms，此情況空載時(shí)輸出電壓波形如圖8所示。

圖8 三相電樞電壓波形圖

如圖8所示，此步長時(shí)電樞電壓呈現(xiàn)較規(guī)則的正弦波，恰好消除了齒諧波的影響，有利于單獨(dú)分析帶載運(yùn)行導(dǎo)致的電壓畸變情況及其原因。設(shè)置脈沖負(fù)載的周期為56ms，占空比為0.5，對比有無阻尼繞組作用下負(fù)載不同峰值功率時(shí)電壓相對偏差率(RDR)[1]情況如圖9所示。

圖9 電壓相對偏差率對比圖

如圖9可知，電機(jī)帶阻尼繞組后電壓畸變情況相比無阻尼情況有明顯降低，究其原因，有以下兩方面起作用。

(1)對高次諧波的阻尼作用

發(fā)電機(jī)帶脈沖負(fù)載工作情況下，開關(guān)閉合時(shí)負(fù)載導(dǎo)通，由于整流系統(tǒng)的作用，電樞電流中將含有5，7，11，…次特征諧波，其中5次負(fù)序諧波和7次正序諧波占絕大部分，其也將在氣隙產(chǎn)生相對應(yīng)的5次和7次時(shí)間諧波磁場，并在電樞繞組中感應(yīng)出一定含量的5次和7次諧波電勢。而5次負(fù)序和7次正序電樞電流諧波在阻尼繞組上會主要感應(yīng)出6次諧波電流，由阻尼繞組電流波形亦可見，圖10為靠近極尖的一根阻尼條的電流波動(dòng)，可見在負(fù)載導(dǎo)通階段，阻尼條感應(yīng)出頻率為6倍基波頻率的電流，且由于加卸載過程中空載和負(fù)載磁場狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，將使阻尼條電流在這兩個(gè)階段產(chǎn)生相反方向的偏移。而阻尼繞組中6倍基波頻率的電流，將產(chǎn)生與電樞繞組時(shí)間諧波磁場同頻率和同轉(zhuǎn)序阻尼磁場，對原諧波電流磁場起到一定阻尼作用。

圖10 阻尼繞組電流波形圖

為直觀分析阻尼繞組對高次諧波的抑制作用，對有無阻尼繞組作用情況下電樞電壓中帶載運(yùn)行時(shí)間段的5次諧波和7次諧波的含量進(jìn)行了對比分析，如圖11所示。

圖11 電樞電壓諧波含量柱狀圖

如圖11可知，阻尼繞組對脈沖負(fù)載帶載狀態(tài)時(shí)主要產(chǎn)生的5次諧波和7次諧波均有一定的抑制作用，可以有效地削弱系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的電壓畸變情況。

(2)使換向重疊角減小

整流型負(fù)載工作時(shí)伴隨著頻繁的換向過程，由于繞組等效電感的存在，換向過程不能瞬時(shí)完成，存在換向重疊角，換向重疊過程也將產(chǎn)生一定的換向壓降，且等效電抗越強(qiáng)，重疊角越大，壓降也越明顯。

換向重疊過程相當(dāng)與兩相短路狀態(tài)，此過程將引起電樞電流的瞬間大幅度變化，當(dāng)定子電樞電流發(fā)生突變時(shí)，其產(chǎn)生的磁通也將產(chǎn)生變化，由于轉(zhuǎn)子磁鏈不能突變，此時(shí)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組上將感應(yīng)出一磁化方向與電樞磁場變化方向相反的感應(yīng)電流，其產(chǎn)生的磁通抵消了要穿過轉(zhuǎn)子繞組的變化電樞磁通，因此，電樞磁通只能從轉(zhuǎn)子外側(cè)的漏磁路通過，如圖12所示，此回路的阻抗相對于穩(wěn)態(tài)磁路阻抗較大，因此電樞線圈的定子電抗更小，此時(shí)稱為直軸瞬態(tài)電抗Xd′。

圖12 無阻尼電樞磁通回路

而當(dāng)轉(zhuǎn)子上有阻尼繞組結(jié)構(gòu)時(shí)，電樞電流突變時(shí)其磁鏈也不能突變，因此其上也將產(chǎn)生感應(yīng)磁通阻礙轉(zhuǎn)子變化磁通通過，所以，電樞磁通只能從阻尼和轉(zhuǎn)子繞組更外側(cè)的阻抗更大的回路通過，如圖13所示，此時(shí)定子電抗更小，稱為直軸超瞬態(tài)電抗Xd″。

圖13 有阻尼電樞磁通回路

交軸磁通與直軸原理相同，交磁磁通變化同樣會產(chǎn)生較小的交軸超瞬態(tài)電抗Xq″。整流換向過程中直交軸阻尼效果共同作用，使電機(jī)等效電抗變小，相應(yīng)整流換向角也變小，導(dǎo)致?lián)Q向壓降減小，也對輸出電壓的畸變情況有改善作用。

2.3 阻尼繞組對轉(zhuǎn)速波動(dòng)的影響

阻尼繞組結(jié)構(gòu)最主要的作用是對發(fā)電機(jī)機(jī)械動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的調(diào)節(jié)作用。當(dāng)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)擾動(dòng)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降時(shí)，此時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速小于定子電樞磁場的轉(zhuǎn)速，兩者形成轉(zhuǎn)速差將使阻尼繞組在擾動(dòng)瞬間切割定子電樞磁通而產(chǎn)生感應(yīng)電流，此電流在阻尼繞組上將產(chǎn)生力矩，從而使轉(zhuǎn)子加速，對轉(zhuǎn)速的波動(dòng)起到一定阻尼作用。

脈沖負(fù)載工作過程中伴隨著頻繁的加卸載作用，負(fù)載功率變化勢必會使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生一定的波動(dòng)，導(dǎo)致輸出電能頻率不穩(wěn)。但阻尼繞組對轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)作用是建立在并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的，由于大電網(wǎng)的限制才能使電樞磁場轉(zhuǎn)速基本恒定，從而形成轉(zhuǎn)速差；在柴油機(jī)單獨(dú)帶載狀態(tài)下，輸出電壓僅由發(fā)電機(jī)電樞反應(yīng)產(chǎn)生，因此對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速變化，定子旋轉(zhuǎn)磁場也將同步變化，并不能形成轉(zhuǎn)速差，因而不能起到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的作用。而實(shí)際應(yīng)用中的脈沖負(fù)載(如相控陣?yán)走_(dá))，其工作場所多為山脈島嶼等脫離大電網(wǎng)的地點(diǎn)，因此基本采用柴油發(fā)電機(jī)組單獨(dú)為脈沖負(fù)載提供電能，此狀況下，利用發(fā)電機(jī)的阻尼繞組并不能對脈沖負(fù)載導(dǎo)致的電壓頻率波動(dòng)起到有效地調(diào)節(jié)作用。

3 結(jié)語

本文搭建了發(fā)電機(jī)帶脈沖負(fù)載仿真平臺，并基于仿真平臺從定子齒諧波抑制、帶載電壓畸變改善和轉(zhuǎn)速波動(dòng)調(diào)節(jié)三方面分析了阻尼繞組在脈沖負(fù)載系統(tǒng)中所起的作用。結(jié)果表明，阻尼繞組的存在對定子齒諧波有較好的抑制作用，但會使阻尼槽諧波分量有所增加，因此在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)阻尼條的節(jié)距應(yīng)避免為定子槽距的整數(shù)倍或一半；阻尼繞組對帶載時(shí)的波形畸變有一定的改善作用，其原因主要有以下兩點(diǎn)：(1)對電樞電流造成的5次和7次諧波分量有抑制作用；(2)減小了換向瞬間的等效電抗，使換向重疊角減小從而減小換向壓降；而對于負(fù)載頻繁加卸載導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，由于系統(tǒng)基本運(yùn)行在離網(wǎng)條件下，無法形成轉(zhuǎn)子和電樞磁場的轉(zhuǎn)速差，因此阻尼繞組對轉(zhuǎn)速波動(dòng)起不到調(diào)節(jié)作用。