橋梁自動化設(shè)備電源諧波勵磁電機有限元建模研究

施 杰，劉 博，黃克峰

(1.陸軍工程大學(xué) 國防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007； 2.航天工程技術(shù)大隊，北京 100085)

0 引言

隨著交通運輸行業(yè)的發(fā)展，橋梁作為交通體系中的關(guān)鍵構(gòu)成部分，其建設(shè)規(guī)模和速度不斷擴大和增快，這讓建筑市場的競爭也逐漸激烈。橋梁是高速公路建設(shè)中關(guān)鍵的構(gòu)成部分，橋梁建設(shè)質(zhì)量好與壞直接對橋梁投入使用的安全性有很大的影響，從而也對整條高速公路的質(zhì)量造成影響。在科學(xué)技術(shù)逐漸進步之下，機械也逐漸自動化和集成化，這也讓橋梁施工更加現(xiàn)代化。橋梁施工的現(xiàn)代化和自動化就需要可靠的性能優(yōu)異的電源進行供電。

隨著電機產(chǎn)業(yè)的日益發(fā)展，發(fā)電機的類型變得更加多樣，自20世紀(jì)70年代起，國內(nèi)展開了對三次諧波勵磁發(fā)電機的研究。采用三次諧波勵磁，一方面較好地利用了發(fā)電機中的諧波，省去了單獨的勵磁機裝置，使整個發(fā)電機裝置體積減小、成本降低；另一方面諧波繞組電壓會隨著負(fù)載的不同而變化，具有較好的相復(fù)勵特性，固有電壓調(diào)整率高且?guī)лd能力強，因而三次諧波勵磁發(fā)電機得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用[1]。

但是，由于三次諧波磁場受磁路飽和、氣隙、齒槽和磁極形狀的影響很大，還存在諧波勵磁發(fā)電機的空載特性曲線出現(xiàn)曲折變化，從而影響發(fā)電機運行的穩(wěn)定性；負(fù)載時的諧波電壓可能達(dá)到空載時的10倍，從而可能將勵磁調(diào)節(jié)器損壞等問題[2]。目前，對諧波勵磁發(fā)電機的諧波與勵磁的匹配缺乏準(zhǔn)確的計算和設(shè)計手段，無法把握新產(chǎn)品的性能，在試制中經(jīng)過反復(fù)調(diào)試也未必能達(dá)到預(yù)期的效果，這樣既延長了新產(chǎn)品開發(fā)周期，增加了開發(fā)成本，又不能保證發(fā)電機性能指標(biāo)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。通過有限元法建立電機的仿真模型，在此基礎(chǔ)上對發(fā)電機性能進行仿真測試可以簡化電機制造過程中的反復(fù)調(diào)試過程，對磁場相關(guān)問題進行歸納研究，又可以改善電機內(nèi)部磁場情況，有效提高電機性能，因此，有限元仿真可以作為發(fā)電機生產(chǎn)過程中有效的輔助工具。從已發(fā)表的文獻(xiàn)來看，對諧波勵磁電機的仿真模型研究尚不深入，文獻(xiàn)[3-4]對諧波勵磁同步發(fā)電機的空載磁場進行了分析，提供了一種計算空載磁場氣隙磁密波形和磁密分布的方法，并給出了諧波電壓的計算結(jié)果；文獻(xiàn)[5]給出了一種計算負(fù)載基波電勢和諧波電勢的方法，分析了負(fù)載情況下電樞反應(yīng)對諧波磁場的影響。文獻(xiàn)中所用穩(wěn)態(tài)有限元仿真的方法僅能模擬空載及帶不同功角的常規(guī)線性負(fù)載情況的磁場及電壓情況，然而目前電力系統(tǒng)電力電子化的趨勢，使負(fù)載類型多呈現(xiàn)非線性特征，不能通過單一時刻的靜態(tài)模擬得到其特性規(guī)律，故應(yīng)用傳統(tǒng)方法并不能進行有效分析。因此本文采用時步有限元的分析手段，建立了諧波勵磁發(fā)電機及其勵磁調(diào)壓系統(tǒng)的有限元場路耦合聯(lián)合仿真模型，可以對發(fā)電機帶非線性負(fù)載的磁場及感應(yīng)電壓情況進行動態(tài)模擬，進而分析其影響規(guī)律，為不同負(fù)載時諧波勵磁方式相復(fù)勵特性的性能發(fā)揮研究提供了可能性。

本文利用清華泰豪三波電機有限公司提供的某型號諧波勵磁發(fā)電機參數(shù)，基于Maxwell軟件搭建了諧波勵磁電機的主發(fā)電機和勵磁機模型，并利用Simplorer軟件建立了勵磁調(diào)壓系統(tǒng)，通過與同型號發(fā)電機的實測數(shù)據(jù)對比，驗證仿真模型的正確性。

1 仿真模型的搭建

1.1 發(fā)電機本體模型的搭建

目前常見的諧波勵磁電機分為有刷和無刷兩種，電機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的諧波磁場，在定子的諧波繞組上感應(yīng)出交流電，經(jīng)整流后得到直流電，若直接供給電機勵磁則為諧波勵磁的有刷同步發(fā)電機；若供給交流勵磁機，通過勵磁機電樞產(chǎn)生的交流電經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器整流后供給主機勵磁則為諧波勵磁的無刷同步發(fā)電機。本文采用的為應(yīng)用更為廣泛的無刷同步發(fā)電機，發(fā)電機參數(shù)來源于清華泰豪三波電機有限公司所提供的某型號發(fā)電機實際參數(shù)，相關(guān)發(fā)電機參數(shù)如下：

(1)電氣參數(shù)

額定功率PN=30 KW，額定頻率fN=50 Hz，額定轉(zhuǎn)速nN=3 000 r/min，功率因數(shù)cosφ=0.8。

(2)基本尺寸

主機定子長度為210 mm，內(nèi)徑為95 mm，外徑為150 mm，定子槽數(shù)為36，沖片材料為DW470-50；主機轉(zhuǎn)子為一對極，長度為210 mm，內(nèi)徑為25 mm，外徑為90 mm，沖片材料為冷扎鋼板DC01。

勵磁機定子長度為30 mm，內(nèi)徑為95 mm，外徑為140 mm，定子槽數(shù)為10，沖片材料為冷扎鋼板Q235；勵磁機轉(zhuǎn)子長度為30 mm，內(nèi)徑為67.5 mm，外徑為94.5 mm，轉(zhuǎn)子槽數(shù)為30，沖片材料為DW470-50。

阻尼條直徑為6 mm，阻尼板厚度為2 mm，材料均為紫銅T2M。

根據(jù)相應(yīng)參數(shù)，建立的發(fā)電機主機仿真剖分圖如圖1所示。

圖1 主發(fā)電機模型

其中定子繞組為正弦繞組B型，線圈跨距自大到小分別為17，15，13，11，9，7，每圈匝數(shù)分別為6,5,4,4,3,2。諧波繞組為同心式繞組，線圈跨距自大到小分別為5,3，每圈匝數(shù)分別為6,4。轉(zhuǎn)子繞組每極420匝，2極共820匝。

提取發(fā)電機氣隙磁場的波形，如圖2所示。磁場呈類矩形波，且由于阻尼繞組和定子開槽的影響，將使氣隙磁感應(yīng)強度分布不均勻，出現(xiàn)對應(yīng)位置的凹陷，這也將導(dǎo)致電樞電壓的畸變。

圖2 主機氣隙磁密波形

圖3 繞組感應(yīng)電動勢波形

將仿真步長設(shè)置為0.1 ms，得到電樞繞組三相電動勢和諧波繞組電動勢波形如圖3所示。由圖可見，氣隙磁場的不均勻?qū)е螺敵龈袘?yīng)電動勢中存在齒諧波，齒諧波的存在對發(fā)電機輸出電能質(zhì)量具有較大的影響，而在實際發(fā)電機制造時，往往可以通過斜槽、磁性極楔等方式，削弱齒諧波的影響，對輸出電壓波形有較大的改善作用。

在進行系統(tǒng)仿真時，Maxwell和Simplorer的聯(lián)合動態(tài)仿真計算量較大，仿真速度較慢，為提高仿真速度，在發(fā)電機動態(tài)仿真精度允許的條件下，適當(dāng)提高仿真步長，設(shè)為0.5 ms，此時得到的電樞繞組三相電動勢和諧波繞組電動勢波形如圖4所示。

圖4 提高仿真步長后，繞組感應(yīng)電動勢波形

由圖4可見，適當(dāng)加大步長后，電樞電壓呈現(xiàn)較規(guī)則的正弦波，三次諧波也呈現(xiàn)類正弦波，考慮到仿真與實際發(fā)電機輸出波形的貼近性和仿真運行的快速性，此步長設(shè)置是可以接受的。

圖5 勵磁機模型

無刷勵磁發(fā)電機還附有同軸勵磁機，與主發(fā)電機不同的是，勵磁機的定子繞組為勵磁繞組，轉(zhuǎn)子繞組為電樞繞組，便于將產(chǎn)生的三相電樞電壓經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器結(jié)構(gòu)整流后供給主機勵磁，勵磁機仿真模型如圖5所示，其中定子繞組為疊繞組，每圈250匝，共10圈；電樞繞組為波繞組，線圈跨距為3，線圈每圈6匝。

與獨立勵磁源的發(fā)電機需要外加電流進行啟動不同，諧波勵磁同步發(fā)電機可以依靠轉(zhuǎn)子鐵心的剩磁建立電壓，通過諧波繞組感應(yīng)出的較小的諧波電壓反饋給勵磁繞組使勵磁電流繼續(xù)加大，形成正反饋實現(xiàn)自啟動。而利用有限元對發(fā)電機進行仿真時，鐵心材料并不能體現(xiàn)剩磁性質(zhì)，因此并不能在初始時刻通過諧波繞組感應(yīng)出的剩磁電壓進行自勵啟動，進而無法進行后續(xù)的帶載分析。為解決這一矛盾，就需要采用其他方法模擬出發(fā)電機內(nèi)部的剩磁用于自勵啟動。

本文采用外加剩磁繞組的方式模擬發(fā)電機中的剩磁，如圖1中所示，在勵磁繞組上方附加一套剩磁繞組，并在此繞組上通入恒定的直流電，這樣就會在氣隙中建立微弱的磁場，類似于電機中的剩磁，諧波繞組可利用此磁場感應(yīng)出起始電壓，實現(xiàn)自勵啟動。剩磁繞組電流設(shè)置過小無法在諧波繞組上感應(yīng)出有效的初始電壓，設(shè)置過大又會對氣隙磁場造成一定影響。通過發(fā)電機廠家提供的出廠試驗數(shù)據(jù)，發(fā)電機諧波繞組的剩磁電壓約為13.5 V，因此調(diào)整剩磁繞組的匝數(shù)和所加電流，使諧波繞組感應(yīng)產(chǎn)生的電壓與實際剩磁電壓相等，以更準(zhǔn)確模擬實際發(fā)電機中的剩磁情況。

1.2 勵磁調(diào)壓系統(tǒng)的搭建

諧波勵磁同步發(fā)電機具有一定的相復(fù)勵特性，其固有的電壓調(diào)整率在10%以內(nèi)，能實現(xiàn)基本的恒壓效果，但在實際工程應(yīng)用中對電壓的調(diào)整率以及調(diào)節(jié)時間都有明確的標(biāo)準(zhǔn)，尤其是脈沖負(fù)載系統(tǒng)對負(fù)載變化過程中電壓調(diào)節(jié)的響應(yīng)時間提出更高的要求，因此勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)對電壓的反饋控制作用是必不可少的。

勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的拓?fù)鋱D如圖6所示，其包含勵磁電源回路和勵磁控制回路。勵磁電源回路中S1為發(fā)電機諧波繞組，S2為勵磁機勵磁繞組，C1和VD5為勵磁繞組提供濾波和續(xù)流的作用。諧波繞組S1通過感應(yīng)氣隙中的三次諧波產(chǎn)生交流電，經(jīng)整流后為勵磁機勵磁繞組S2供電。勵磁控制回路采集發(fā)電機輸出端電壓U0作為信號，與參考電壓U0_ref進行對比得到電壓差值，再經(jīng)過PID環(huán)節(jié)，通過控制信號與三角波比較得到PWM調(diào)制波，利用此調(diào)制波控制勵磁電源回路中IGBT的開通占空比，從而達(dá)到控制勵磁機勵磁電流大小的目的。U0為電機輸出端電壓的幅值，可用式(1)獲得：

(1)

式中，ua、ub、uc為三相電壓信號。

圖6 電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)拓?fù)?/p>

實際發(fā)電機的勵磁控制回路存在一定的時間延時，這主要由電壓檢測環(huán)節(jié)、信號處理環(huán)節(jié)等造成，使端電壓的變化到勵磁機勵磁繞組的電壓變化存在一定的響應(yīng)時間。通過詢問相關(guān)生產(chǎn)廠家和查閱相關(guān)資料了解，此延時大概在近百毫秒。為使模擬更貼近于實際，在仿真中勵磁控制回路加入延時模塊，并將延時設(shè)置為80 ms。

至此發(fā)電機及其勵磁調(diào)壓系統(tǒng)整體模型搭建完成，其整體仿真模型如圖7所示。在圖7中，右側(cè)方箱為主發(fā)電機導(dǎo)入Simplorer軟件中的模塊顯示，其含有一對轉(zhuǎn)速接口，一對勵磁繞組接線端，一對諧波繞組接線端和三相電樞繞組接線端；左側(cè)方箱為勵磁機導(dǎo)入后的模塊顯示，其同樣含有轉(zhuǎn)速接口、勵磁繞組和三相電樞繞組接線端。因有限元發(fā)電機模塊可以體現(xiàn)出繞組電感性質(zhì)，因此在外電路中僅需在繞組旁加入電阻模擬其等效電阻及在匝數(shù)較多的繞組旁加電感模擬其漏感。主機和勵磁機轉(zhuǎn)速接口均設(shè)置接入3 000 r/min的轉(zhuǎn)速。仿真系統(tǒng)利用模擬剩磁繞組和勵磁調(diào)壓系統(tǒng)可以使發(fā)電機自勵啟動并穩(wěn)定在額定狀態(tài)，便于進行帶負(fù)載的動態(tài)仿真。

圖7 發(fā)電機及勵磁調(diào)壓系統(tǒng)整體模型

2 仿真模型驗證

為檢驗所建有限元仿真模型的準(zhǔn)確性，利用同型號電機的出廠試驗數(shù)據(jù)進行驗證，即給勵磁機勵磁繞組通恒定電流，確定發(fā)電機輸出三相電壓與勵磁機勵磁電流的對應(yīng)關(guān)系。以相同方法進行仿真，得到試驗與仿真的對比數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 端電壓仿真與試驗結(jié)果對比

勵磁機勵磁電流一般很小，因為幾百毫安的勵磁電流即可在勵磁機電樞繞組上感應(yīng)出幾伏至十幾伏的電壓，足以給主發(fā)電機勵磁使其正常運行。對比表1中試驗輸出電壓和仿真輸出電壓，誤差在5%以內(nèi)，在可接受范圍內(nèi)，說明該模型滿足系統(tǒng)仿真的精度要求。

3 結(jié)論

本文首先闡述了有限元動態(tài)仿真模型的優(yōu)勢和必要性，并參考清華泰豪三波電機有限公司提供的發(fā)電機參數(shù)，基于Maxwell和Simplorer仿真軟件搭建了諧波勵磁同步發(fā)電機的場路耦合聯(lián)合仿真模型。最后，對同型號發(fā)電機進行了數(shù)據(jù)實測，并與仿真結(jié)果進行對比，驗證了所搭建仿真模型的準(zhǔn)確性。