高速混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)負(fù)載切換性能分析

葛發(fā)華，吳 娜，卓 亮，趙 飛

(1.貴州航天林泉電機(jī)有限公司,貴陽(yáng) 550081; 2.國(guó)家精密微特電機(jī)工程研究中心,貴陽(yáng) 550081)

0 引 言

混合勵(lì)磁電機(jī)由兩種勵(lì)磁源相互作用，共同實(shí)現(xiàn)電磁能量轉(zhuǎn)換，是對(duì)單一勵(lì)磁概念的拓展和延伸[1]。永磁電機(jī)在工作時(shí)內(nèi)部的氣隙磁場(chǎng)基本保持恒定，在發(fā)電運(yùn)行時(shí)，氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)困難，導(dǎo)致其輸出電壓不可控，在負(fù)載和轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)不能提供穩(wěn)定電壓。電勵(lì)磁電機(jī)雖能較好地調(diào)節(jié)氣隙磁場(chǎng)，但具有較大的電樞反應(yīng)電抗，效率低下。為了解決單一勵(lì)磁技術(shù)的弊端，本文研究一種新型高速混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，設(shè)計(jì)時(shí)要求發(fā)電機(jī)具備高轉(zhuǎn)速，并且在不同轉(zhuǎn)速不同負(fù)載條件下運(yùn)行時(shí)能夠輸出一定范圍內(nèi)的穩(wěn)定電壓。本文在單一勵(lì)磁電機(jī)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上，除了盡可能保留永磁發(fā)電機(jī)的固有特性以外，還在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子右端加入電勵(lì)磁感應(yīng)子，輔助調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)，既改善了發(fā)電機(jī)的調(diào)壓能力，又滿足高轉(zhuǎn)速運(yùn)行的要求。

本文首先介紹了高速混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的工作原理，并從發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和繞組出發(fā)，分析發(fā)電機(jī)的穩(wěn)壓能力；然后利用二維有限元方法分析了發(fā)電機(jī)變載側(cè)負(fù)載切換時(shí)電樞繞組間的耦合與穩(wěn)壓情況；最后通過(guò)對(duì)混合勵(lì)磁樣機(jī)進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)合理性以及功能完整性。

1 發(fā)電機(jī)工作原理

本文研究的混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要由主發(fā)定子、永磁段轉(zhuǎn)子和勵(lì)磁段轉(zhuǎn)子組成。主發(fā)定子上嵌放了能夠獨(dú)立工作的兩套電樞繞組，切割旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，輸出電壓；勵(lì)磁線圈則用于在不同工況下調(diào)節(jié)磁場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。轉(zhuǎn)子上含磁鋼和感應(yīng)子兩部分，用于提供磁勢(shì)。

圖1 混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)三維結(jié)構(gòu)示意圖

主發(fā)定子、轉(zhuǎn)子和勵(lì)磁定子按一定方式牢固安裝后，原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)主磁場(chǎng)，勵(lì)磁定子繞組通電后在不同負(fù)載工況下產(chǎn)生去磁或助磁磁場(chǎng)。當(dāng)發(fā)電機(jī)處于高轉(zhuǎn)速小負(fù)載工況下，勵(lì)磁繞組主要起去磁作用；反之，勵(lì)磁繞組主要起助磁作用。圖2(a)、圖2(b)分別表示了電勵(lì)磁在去磁和助磁時(shí)的磁通路徑。電勵(lì)磁助磁時(shí)氣隙磁場(chǎng)與主氣隙磁場(chǎng)方向相同，去磁時(shí)則相反。

(a)電勵(lì)磁助磁時(shí)磁路

(b)電勵(lì)磁去磁時(shí)磁路

調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，可使發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)點(diǎn)電壓不因負(fù)載或轉(zhuǎn)速變化而變化，調(diào)節(jié)范圍為Imin～I(xiàn)max，Imax為低轉(zhuǎn)速大負(fù)載時(shí)的勵(lì)磁電流，Imin為最高轉(zhuǎn)速空載時(shí)的勵(lì)磁電流。轉(zhuǎn)速越低，負(fù)載電流越小，勵(lì)磁電流越小。

2 電機(jī)的穩(wěn)壓性能分析

2.1 混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型

由于該混合勵(lì)磁電機(jī)含有兩套三相電樞繞組，使得繞組的自感、繞組間的互感都更為復(fù)雜，為了分析電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，建立該電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)[2]中分析并建立了多繞組電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合文獻(xiàn)[2]給出的分析方法，給出本文研究的混合勵(lì)磁雙繞組發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型，主要包括磁鏈方程和電壓方程：

Ψ=LI(1)

其中：

(3)

式中：Uf，Ψf，Rf分別為勵(lì)磁繞組兩端電壓、磁鏈和電阻。Ui，Ψi，Ri分別為電樞繞組兩端電壓、磁鏈和電阻(i為a1，b1，c1，a2，b2，c2)。

對(duì)于本文電機(jī)而言，定子上含有電樞繞組，另外還含有勵(lì)磁繞組，故磁鏈?zhǔn)寝D(zhuǎn)子角、勵(lì)磁電流和電樞電流之間的復(fù)合函數(shù)。即：

Ψ(θ，ia，ib，ic，if)=LI(4)

結(jié)合式(2)和式(4)，得到混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的電壓方程：

(5)

式(4)表示了磁鏈?zhǔn)莿?lì)磁電流if,相電流ia,ib,ic及轉(zhuǎn)子位置角θ的多元非線性函數(shù)。推導(dǎo)得到式(5)，即混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的非線性數(shù)學(xué)模型。由式(5)可知，該電機(jī)的輸出電壓主要與旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)、自感與互感電動(dòng)勢(shì)以及電機(jī)內(nèi)部的電阻電壓降三方面有關(guān)。

2.2 混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的電樞繞組結(jié)構(gòu)

由發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可知，要想實(shí)現(xiàn)電機(jī)穩(wěn)壓輸出，需從電機(jī)的多方面進(jìn)行考慮。本文研究的電機(jī)采用了雙繞組結(jié)構(gòu)，繞組間的互感是影響電壓穩(wěn)定輸出的主要問(wèn)題。由于勵(lì)磁繞組起調(diào)節(jié)作用，本文簡(jiǎn)化了電感的分析過(guò)程，主要考慮兩套電樞繞組上的自感和互感。

圖3為兩套電樞繞組的連接示意圖。由圖3可知，兩套電樞繞組交錯(cuò)隔槽嵌放在定子中，而非完全隔離地對(duì)稱分布在圓周兩側(cè)，電流通過(guò)時(shí)，定子繞組中存在互漏感，影響發(fā)電機(jī)的輸出電壓。因此，兩套繞組空間夾角的選取應(yīng)盡可能地滿足互漏感在d，q軸能夠解耦的要求。

圖3 采用隔槽嵌放方式的繞組連接示意圖

(6)

繞組的磁化自感Lmi在文獻(xiàn)[6]中給出了如式(7)所示的計(jì)算公式：

(7)

同時(shí)，假定兩套繞組之間的互漏感為Ml12，則Ml12可等效：

(8)

式(8)中Mlax，Mlay，Mlaz為兩套電樞繞組間對(duì)應(yīng)的互漏感。根據(jù)坐標(biāo)變換理論，MLd，MLq，MLm為轉(zhuǎn)換到d,q坐標(biāo)下兩套繞組在d/d軸或q/q軸間，以及d/q軸之間的等效互漏感，可用下式表示[9-10]：

(9)

式(9)中，α為兩套繞組間的電角度。為實(shí)現(xiàn)繞組間互漏感的解耦，對(duì)于3/3相雙繞組電機(jī)而言，根據(jù)式(8)，α為30°時(shí)，d，q軸之間的互漏感為0。

經(jīng)以上分析，為實(shí)現(xiàn)解耦，本文設(shè)計(jì)的兩套電樞繞組分別在圓周上三相對(duì)稱分布，且兩套繞組的空間角度設(shè)計(jì)為30°。這樣的繞組結(jié)構(gòu)減弱了自感與互感電動(dòng)勢(shì)對(duì)輸出電壓的影響，進(jìn)一步保證電壓穩(wěn)定輸出。

3 負(fù)載切換仿真分析

在分析負(fù)載切換情況下的電機(jī)性能時(shí)，本文假設(shè)最理想的條件：不考慮勵(lì)磁繞組與電樞繞組之間的耦合，且假設(shè)電勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)只受勵(lì)磁電流影響。本文著重分析該發(fā)電機(jī)兩套電樞繞組運(yùn)行時(shí)的相互影響情況。利用Ansoft仿真軟件，建立高速發(fā)電機(jī)二維模型，調(diào)整激勵(lì)外電路，可實(shí)現(xiàn)單通道負(fù)載工況切換的仿真分析。圖4為電機(jī)變載運(yùn)行工況仿真的控制外電路連接圖，圖4(a)示意了電機(jī)在雙通道運(yùn)行的情況，圖4(b)為負(fù)載工況切換的控制電路。

在進(jìn)行二維有限元仿真時(shí)，變載側(cè)從大負(fù)載切換到小負(fù)載(小負(fù)載切換到大負(fù)載)，觀察恒載側(cè)輸出電壓的變化情況。利用兩個(gè)脈沖開關(guān)控制切換過(guò)程，高電平導(dǎo)通，低電平關(guān)斷，設(shè)置切換時(shí)間周期為0.6 ms。當(dāng)t=0.6 ms時(shí)，V2由高電平轉(zhuǎn)為低電平，控制S2斷開；V1由低電平轉(zhuǎn)為高電平，控制S1閉合，實(shí)現(xiàn)負(fù)載工況的切換。

(a) 負(fù)載切換仿真繞組帶載連接圖

(b) 負(fù)載切換控制電路圖

仿真時(shí)設(shè)置恒載側(cè)電流帶載24 A，電壓穩(wěn)壓31 V，變載側(cè)突加0～100 A的電流負(fù)載。得到變載側(cè)電流波形圖以及恒載側(cè)電壓波形圖，如圖5所示。

(a) 變載側(cè)電流負(fù)載波形

(b) 恒載側(cè)電壓波形

圖5中，在變載側(cè)突加負(fù)載時(shí)刻，恒載側(cè)電壓會(huì)出現(xiàn)尖端毛刺，而后又能迅速恢復(fù)平穩(wěn)。同時(shí)，利用二維有限元仿真得到帶載工況切換前后的繞組相電壓趨勢(shì)圖、電機(jī)輸出電壓波形圖，如圖6、圖7所示。

(a) 變載側(cè)繞組相電壓

(b) 恒載側(cè)繞組相電壓

圖7 負(fù)載切換時(shí)兩套繞組輸出電壓變化趨勢(shì)

根據(jù)仿真結(jié)果，得到如表1所示的相電流、相電壓以及輸出電壓前后變化情況。

表1 變載工況改變前后對(duì)比情況

從有限元仿真結(jié)果可見(jiàn)，變載側(cè)繞組在負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，繞組相電壓、相電流和輸出電壓都隨之急劇改變；而恒載側(cè)繞組相電壓、相電流和輸出電壓所受影響較小，相電壓出現(xiàn)1.10 V的電壓降，輸出電壓從31.32 V降至29.44 V，最低值降至26.8 V。從輸出電壓趨勢(shì)圖可以看出，最終雙通道的輸出電壓在受到影響后重新恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)所用時(shí)間較短，電機(jī)穩(wěn)定性能高。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與數(shù)據(jù)分析

4.1 發(fā)電機(jī)負(fù)載切換驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為保證電機(jī)的穩(wěn)定性能，該電機(jī)要求變載側(cè)帶載工況發(fā)生變化時(shí)，恒載側(cè)的輸出電壓不能低于24 V，且變載側(cè)電壓不能突降為0，否則將嚴(yán)重影響電機(jī)使用。為驗(yàn)證負(fù)載切換后兩個(gè)工作通道之間的電壓影響情況，設(shè)定變載側(cè)帶載范圍為5～75 A，恒載側(cè)固定帶載10 A，不改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，切換變載側(cè)所帶負(fù)載，觀察恒載側(cè)電壓值變化情況。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖8所示，變載側(cè)通過(guò)調(diào)節(jié)電阻箱改變負(fù)載工況。

圖8 負(fù)載切換實(shí)驗(yàn)平臺(tái)連接圖

變載側(cè)負(fù)載工況變化時(shí)，恒載側(cè)的輸出電壓變化情況如圖9所示。圖9中出現(xiàn)的尖端毛刺表示負(fù)載工況發(fā)生變化瞬間電壓值的突變。

圖9 負(fù)載切換恒載側(cè)電壓波形圖

對(duì)比圖5的有限元仿真結(jié)果和圖9的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在帶載工況突變時(shí)刻，恒載側(cè)輸出電壓都會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)的跳變，然后快速恢復(fù)穩(wěn)定，仿真與實(shí)驗(yàn)相互驗(yàn)證。圖9顯示，變載側(cè)工況變化時(shí)，恒載側(cè)輸出電壓最低降至29.8 V，整體保持在29.8～32.5 V，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

4.2 發(fā)電機(jī)穩(wěn)壓驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)要求恒載側(cè)輸出電壓穩(wěn)定輸出(28～32.5 V)，變載側(cè)輸出電壓(29～35 V)。試制樣機(jī)架臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)試平臺(tái)如圖10所示。樣機(jī)的兩套電樞繞組引出后連接三相整流橋，兩組并聯(lián)后連接直流負(fù)載，控制開關(guān)控制通道的運(yùn)行開斷狀態(tài)，電勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置控制勵(lì)磁電流的大小和方向。

(a) 實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖

(b) 實(shí)驗(yàn)臺(tái)連接圖

利用計(jì)算機(jī)控制臺(tái)改變拖動(dòng)臺(tái)轉(zhuǎn)速，并在同一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行不同負(fù)載工況。實(shí)驗(yàn)對(duì)比9種工況：轉(zhuǎn)速24 000 r/min雙通道帶載20 A/5 A，30 A/10 A，30 A/40 A；轉(zhuǎn)速28 000 r/min雙通道帶載20 A/5 A，30 A/10 A，30 A/40 A；轉(zhuǎn)速36 000 r/min雙通道帶載20 A/5 A，30 A/10 A，30 A/40 A。通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，實(shí)現(xiàn)電機(jī)在變速和變載情況下輸出要求范圍內(nèi)的電壓，結(jié)果如表2所示。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到表2的數(shù)據(jù)可知，發(fā)電機(jī)在變速、變載條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流可使發(fā)電機(jī)雙通道輸出電壓在要求范圍內(nèi)，且恒載側(cè)的輸出電壓基本穩(wěn)定為31 V。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該電機(jī)的穩(wěn)壓性能較高，符合設(shè)計(jì)初衷，達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。

表2 發(fā)電機(jī)輸出電壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié) 語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)高速發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)能夠輸出穩(wěn)定電壓，設(shè)計(jì)了一種雙繞組冗余結(jié)構(gòu)的混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)。本文在分析其數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立了基于Ansoft軟件的仿真系統(tǒng)，并搭建了高速實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明，該電機(jī)設(shè)計(jì)合理，變載側(cè)負(fù)載工況發(fā)生變化時(shí)，恒載側(cè)電壓降符合技術(shù)要求；電機(jī)處于穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，輸出電壓不因負(fù)載或轉(zhuǎn)速變化而變化。該高速發(fā)電機(jī)有較好的動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能：負(fù)載突變時(shí)，輸出電壓經(jīng)過(guò)瞬時(shí)的跳變后能夠迅速達(dá)到新的穩(wěn)定值；在正常工作時(shí)，電機(jī)能夠提供穩(wěn)定的直流電源。