船用柴油發(fā)電機(jī)模擬機(jī)的設(shè)計(jì)

蘇正偉 冉墨男 陳兵 韓春雷

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所, 武漢 430064）

1 引言

研制模擬柴油發(fā)電機(jī)的目的，是為了在動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室中，用小容量發(fā)電機(jī)來(lái)模擬原型柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性。

2 設(shè)計(jì)原則和方法

2.1 理論依據(jù)

相似理論[1]是模擬電機(jī)對(duì)原型電機(jī)進(jìn)行模擬的理論基礎(chǔ)。在相似條件的判斷中，將電機(jī)的各種參數(shù)換算成標(biāo)幺值，作為模擬機(jī)與原型機(jī)的相似指標(biāo)[2]。

2.2 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)模擬柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)行條件，并考慮到對(duì)突然短路電流的模擬，確定模擬柴油發(fā)電機(jī)的基本設(shè)計(jì)原則為：

（2）以標(biāo)幺值表示的空載特性與原型發(fā)電機(jī)相近，空載電動(dòng)勢(shì)波形接近正弦波。

（3）電磁結(jié)構(gòu)盡量與原型發(fā)電機(jī)相同，盡量經(jīng)濟(jì)、可靠和拆裝方便。

（4）由于模擬電機(jī)的電磁負(fù)荷遠(yuǎn)小于常規(guī)電機(jī)，在相同額定轉(zhuǎn)速下的損耗相對(duì)較大，因此，對(duì)模擬電機(jī)的溫升和效率不進(jìn)行考核。

2.3 設(shè)計(jì)依據(jù)

原型柴油發(fā)電機(jī)的大部分設(shè)計(jì)參數(shù)由某船用“柴油發(fā)電機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)資料”給出。

模擬柴油發(fā)電機(jī)的相數(shù)、額定頻率、額定轉(zhuǎn)速、輸出電壓都與原型發(fā)電機(jī)的相同，輸出功率和額定電流均按照模擬比，縮小為原型發(fā)電機(jī)的1/125。

2.4 設(shè)計(jì)方法

根據(jù)上述的設(shè)計(jì)原則和依據(jù)，首先應(yīng)確定原型發(fā)電機(jī)的額定值，然后根據(jù)模擬比確定模擬發(fā)電機(jī)的額定值，并以額定值作為基值，來(lái)計(jì)算模擬發(fā)電機(jī)的參數(shù)標(biāo)幺值。

模擬發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)方法與一般發(fā)電機(jī)的不同，主要是應(yīng)在滿足特定參數(shù)要求的基礎(chǔ)上來(lái)確定發(fā)電機(jī)的主要尺寸。其主要過(guò)程是：

（1）根據(jù)慣性常數(shù) Hj來(lái)確定模擬發(fā)電機(jī)的定子內(nèi)徑Di1和定子鐵心長(zhǎng)度lt；

（2）根據(jù)直軸同步電抗標(biāo)幺值Xd，確定發(fā)電機(jī)的電磁負(fù)荷A（線負(fù)荷）、Bδ（氣隙磁通密度）和氣隙長(zhǎng)度δ，在選擇氣隙長(zhǎng)度δ 時(shí)還要考慮發(fā)電機(jī)的制造工藝條件。

（3）根據(jù)參數(shù)和電磁負(fù)荷以及定子電流密度的要求，確定定子槽形和繞組線規(guī)；

3 模擬柴油發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)

3.1 原型柴油發(fā)電機(jī)特性

原型柴油發(fā)電機(jī)的性能指標(biāo)由某“柴油發(fā)電機(jī)試驗(yàn)報(bào)告”和“柴油發(fā)電機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)資料”給出，具體的額定值、參數(shù)標(biāo)么值、時(shí)間常數(shù)、慣性常數(shù)Hj、空載特性等內(nèi)容可查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料。

需要特別指出的是，原型柴油發(fā)電機(jī)有三種運(yùn)行工況，在三種工況下，參數(shù)的標(biāo)幺值是不同的。經(jīng)過(guò)計(jì)算分析可以看出，這是由于在不同的工況下采用了不同的電壓、電流基值所致。因此選定原型發(fā)電機(jī)的第二種工況為額定工況，以此為基值來(lái)計(jì)算各參數(shù)的標(biāo)么值。

3.2 模擬柴油機(jī)電磁設(shè)計(jì)

3.2.1 模擬柴油發(fā)電機(jī)額定值的確定

按照規(guī)定的模擬比，可得模擬柴油發(fā)電機(jī)的額定值為：

相數(shù)m＝12；

額定頻率fN＝120 Hz；

額定轉(zhuǎn)速nN＝1800 r/min（極數(shù)2p＝8）；

額定相電壓UNφ＝UnII＝102.64 V；

額定相電流 INφ＝InII＝5.94 A；

額定容量 SN＝mUNφINφ＝7.32 kVA

額定功率PN＝PnII/125＝5.704 kW；

額定功率因數(shù)cos?N＝0.7792；

阻抗基值 ZN＝UNφ/ INφ＝17.28 ?。

整流橋接法四個(gè)三相不可控整流橋并聯(lián)勵(lì)磁方式同軸交流勵(lì)磁機(jī)無(wú)刷勵(lì)磁

3.2.2 電磁設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上面確定的模擬柴油發(fā)電機(jī)額定值，進(jìn)行了模擬柴油發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中以著重模擬直軸超瞬態(tài)電抗為原則，對(duì)模擬柴油發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了多次調(diào)整。在保證模擬發(fā)電機(jī)的超瞬態(tài)電抗 X”d標(biāo)幺值與原型發(fā)電機(jī)的基本相同的前提下，也盡量保證二者穩(wěn)態(tài)參數(shù)（Ra、Xd、Xq）標(biāo)幺值、空載特性（以標(biāo)幺值表示）以及慣性常數(shù)Hj的一致性，同時(shí)考慮工廠加工工藝方面的要求。但是，在這些限定條件下，難以很好地同時(shí)滿足全部穩(wěn)態(tài)參數(shù)和其他瞬態(tài)參數(shù)的模擬要求，因此，需要在穩(wěn)態(tài)參數(shù)和瞬態(tài)參數(shù)的模擬之間做折中處理。

最終的模擬柴油發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)方案的部分主要結(jié)果如表1所示。

表1 模擬柴油發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)部分結(jié)果

3.2.3 設(shè)計(jì)分析與說(shuō)明

將以上設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果與原型發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，可以看出：

（1）模擬發(fā)電機(jī)定子繞組電阻 Ra和直、交軸同步電抗Xd、Xq的標(biāo)幺值與原型發(fā)電機(jī)的基本相同（Ra、Xd、Xq分別相差－8.86%、－10.9%和－5.60%，負(fù)號(hào)表示模擬發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)值比原型發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)值偏小）。

（2）模擬發(fā)電機(jī)以標(biāo)幺值表示的空載特性與原型發(fā)電機(jī)的基本一致，在 0.8UN和 1.4UN時(shí)，勵(lì)磁電流標(biāo)幺值分別相差－0.75%和5.12%，且在此電壓范圍之內(nèi)，勵(lì)磁電流標(biāo)幺值之差基本上小于3%。

（3）模擬發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的電阻 Rf、電抗Xf的設(shè)計(jì)結(jié)果分別為0.00422和1.616（標(biāo)幺值），勵(lì)磁繞組時(shí)間常數(shù)Td0及瞬態(tài)時(shí)間常數(shù)Td′偏小。其原因應(yīng)是Rf標(biāo)幺值比原型發(fā)電機(jī)的偏大。在需要對(duì)這兩個(gè)時(shí)間常數(shù)進(jìn)行比較準(zhǔn)確的模擬時(shí)，可在轉(zhuǎn)子勵(lì)磁回路中串入負(fù)電阻，對(duì)它們進(jìn)行補(bǔ)償。例如，串入標(biāo)幺值為0.00222的負(fù)電阻（為Rf的52.6%），即可使勵(lì)磁繞組電阻標(biāo)幺值減小為0.002，使Td0由0.508 s增大至1.072 s，使瞬態(tài)時(shí)間常數(shù)Td′由0.064 s增大為0.135 s。如此補(bǔ)償后，Td0、Td′分別與原型發(fā)電機(jī)的相差 7.13%和－8.70%，可以較好地滿足對(duì)這兩個(gè)時(shí)間常數(shù)模擬的要求。

（4）模擬發(fā)電機(jī)直軸超瞬態(tài)電抗Xd′的設(shè)計(jì)值與原型發(fā)電機(jī)的基本相同（相差3.85%）；慣性常數(shù)Hj的設(shè)計(jì)值為3.256 s，與原型發(fā)電機(jī)的基本相同（相差10.4%）。

（5）模擬發(fā)電機(jī)交軸超瞬態(tài)電抗Xq′的設(shè)計(jì)值與原型發(fā)電機(jī)的相差23.4%（負(fù)序電抗X2標(biāo)幺值的設(shè)計(jì)值為0.127，與原型發(fā)電機(jī)的0.112相差13.4%）。直軸瞬態(tài)電抗 Xd′與原型發(fā)電機(jī)的相差－24.0%，超瞬態(tài)時(shí)間常數(shù) Td′ 相差較大（為－75.6%）。

造成這些參數(shù)偏差較大的原因，在于模擬發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中面臨的如下主要限制和困難：

① 為了滿足慣性常數(shù) Hj的要求，轉(zhuǎn)子外徑不能過(guò)大，從而限制了轉(zhuǎn)子磁極尺寸和勵(lì)磁繞組匝數(shù)，因此電機(jī)的外形尺寸就受到限制。因此，難以在滿足慣性常數(shù) Hj要求的情況下同時(shí)全面滿足對(duì)瞬態(tài)參數(shù)和超瞬態(tài)參數(shù)的模擬要求。

② 對(duì)于 12相、8極的發(fā)電機(jī)，其極數(shù)較常規(guī)發(fā)電機(jī)的多，因此，在轉(zhuǎn)子尺寸受限的條件下，再考慮到轉(zhuǎn)子的機(jī)械加工要求和保證其有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，磁極尺寸和阻尼繞組的設(shè)計(jì)進(jìn)一步受到限制。所以，轉(zhuǎn)子阻尼導(dǎo)條的直徑不能太大，這就使阻尼繞組的電阻標(biāo)幺值較大，直接導(dǎo)致超瞬態(tài)時(shí)間常數(shù)Td′ 與原型機(jī)的相差較大。

③ 直軸同步電抗標(biāo)幺值 Xd的要求，限制了發(fā)電機(jī)的線負(fù)荷 A和氣隙磁通密度 Bδ以及氣隙長(zhǎng)度的選擇。加上交軸同步電抗 Xq標(biāo)幺值的要求，對(duì)氣隙長(zhǎng)度和轉(zhuǎn)子磁極尺寸就有更多的限定條件。也就是說(shuō)，在基本滿足對(duì)同步電抗Xd、Xq模擬要求的條件下，難以通過(guò)改變轉(zhuǎn)子磁極的尺寸來(lái)調(diào)整瞬態(tài)和超瞬態(tài)電抗參數(shù)的大小。

④ 由于相數(shù)和極數(shù)多，定子槽數(shù)需要較多，使定子槽形呈窄長(zhǎng)狀，定子齒寬也比一般少極數(shù)發(fā)電機(jī)的偏小。此外，為了使電樞電阻標(biāo)幺值與原型發(fā)電機(jī)的一致，需要增加定子槽面積，因此就要增大定子齒的高度，這就使定子繞組漏電抗較大，也使超瞬態(tài)電抗值難以減小（因?yàn)槌矐B(tài)電抗中包含漏電抗），這就需要與電樞電阻、同步電抗等一起統(tǒng)籌考慮。

所以，在12相、8極柴油發(fā)電機(jī)的瞬態(tài)參數(shù)模擬、穩(wěn)態(tài)參數(shù)（包括同步電抗、電樞電阻、空載特性）模擬以及慣性常數(shù)模擬之間存在著比較突出的矛盾[3]。在設(shè)計(jì)中，針對(duì)最為關(guān)鍵的某些參數(shù)，對(duì)電磁設(shè)計(jì)方案做反復(fù)調(diào)整，進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼壑刑幚怼Ｉ鲜鲈O(shè)計(jì)方案就是考慮到模擬發(fā)電機(jī)用于直流供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，側(cè)重于模擬發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性和突然短路（超瞬態(tài)）電流變化規(guī)律的一種設(shè)計(jì)，因此，直軸超瞬態(tài)電抗、空載特性與原型發(fā)電機(jī)的一致，電樞繞組電阻、同步電抗、慣性常數(shù)基本相同。

此外，從表1可以看出，所設(shè)計(jì)的模擬發(fā)電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子電流密度和電磁負(fù)荷、熱負(fù)荷都很低，因此發(fā)電機(jī)的發(fā)熱和溫升不必考核。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)值的計(jì)算結(jié)果，所設(shè)計(jì)的 12相、8極模擬柴油發(fā)電機(jī)，其希望模擬的主要參數(shù)標(biāo)幺值與原型發(fā)電機(jī)的基本相同（定子繞組電阻R、同步電抗Xd和超瞬態(tài)電抗Xd′的標(biāo)幺值，慣性常數(shù) Hj），以標(biāo)幺值表示的空載特性基本一致，電磁結(jié)構(gòu)基本相同，滿足設(shè)計(jì)原則的要求。

[1]張?zhí)m. 電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬及其應(yīng)用綜述. 湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào),2004(3)

[2]金啟玫. 電力系統(tǒng)物理模擬綜述. 電工技術(shù)雜志,1999 (1).

[3]高景德等. 交流電機(jī)及其系統(tǒng)分析. 北京:清華大學(xué)出版社, 2005.