船用復(fù)合磁場結(jié)構(gòu)軸帶電機設(shè)計及SVPWM控制

秦俊峰， 袁建斌， 余培文， 鄧棋文

(1.欽州學(xué)院 海運學(xué)院，廣西 欽州 535000；2.大連海事大學(xué) 船舶電氣工程學(xué)院，遼寧 大連 116026；3.廣東海洋大學(xué) 航海學(xué)院，廣東 湛江 524088)

船舶軸帶發(fā)電機系統(tǒng)[1]由推進主柴油機驅(qū)動發(fā)電機，充分利用推進柴油機裕量功率達到節(jié)能的目的，具有提高柴油機運行效率、減少柴油發(fā)電機組使用時間、減少燃油消耗、增大機艙可用空間和降低維護成本等優(yōu)點[2]。20世紀70年代初，軸帶發(fā)電機系統(tǒng)已開始裝船，且被廣泛應(yīng)用于大中型集裝箱船上[3-4]。在北部灣等內(nèi)河地區(qū)，采用主機軸帶發(fā)電的中小型船舶也已經(jīng)投入使用[5]。

當(dāng)前，船舶軸帶發(fā)電系統(tǒng)多采用三相同步發(fā)電機，它屬于徑向磁場電機，具有冷卻困難、鐵芯利用率低和響應(yīng)速度相對較慢等缺點。而新興的復(fù)合磁場結(jié)構(gòu)電機，結(jié)合原有的徑向磁場電機和軸向磁場電機，進行結(jié)構(gòu)改進和電機磁路優(yōu)化，使其性能更適用于船舶和電動汽車等領(lǐng)域[6]。2008年前后，哈爾濱工業(yè)大學(xué)鄭萍教授研究了多種不同的永磁式復(fù)合結(jié)構(gòu)電機，包括軸向-徑向復(fù)合磁場[7]、徑向-徑向復(fù)合磁場電機[8]、軸徑向-軸向復(fù)合磁場[9]、軸徑向-徑向復(fù)合磁場[10]，并成功應(yīng)用于電動汽車中。2011年，哈爾濱理工大學(xué)研究了軸-徑向復(fù)合磁通全超導(dǎo)同步電機，并分析電磁場、溫度場的變化情況[11]。但很少有文獻研究復(fù)合結(jié)構(gòu)軸帶電機在船舶中的應(yīng)用。

對于軸帶發(fā)電機的控制，基于Z源逆變器的空間電壓矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)控制技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的逆變器控制，使直流側(cè)電壓利用率較高、開關(guān)損耗較小。文獻[12]提出將SVPWM控制策略應(yīng)用于船用軸帶發(fā)電機的整流過程中，具有一定的參考價值。文獻[13]在Z源逆變器的SVPWM控制中采用插入直通零矢量的方式實現(xiàn)升壓功能。文獻[14]將基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的SVPWM應(yīng)用于Z源逆變器中，此時電壓和電流波形更好，但控制算法較復(fù)雜。

基于此，本文以中小型內(nèi)河船舶為研究對象，提出軸-徑向復(fù)合磁場結(jié)構(gòu)的軸帶電機，采用解析法和有限元分析法確定電機各項參數(shù)，運用Ansoft maxwell 14.0軟件進行性能驗證。然后，在MATLAB/SIMULINK中搭建基于船舶軸帶發(fā)電機Z源逆變器的SVPWM控制模型，通過仿真進一步驗證所設(shè)計的電機性能良好，所采用的Z源逆變器SVPWM控制算法可行。

1 船舶軸帶發(fā)電機系統(tǒng)

船舶軸帶發(fā)電機系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)見圖1。其中，軸帶發(fā)電機為本文所設(shè)計的復(fù)合磁場結(jié)構(gòu)電機，逆變器采用Z源逆變器，通過SVPWM和PQ控制，同其他發(fā)電機組G1、G2等并到船舶電網(wǎng)中[15]。船舶柴油機通過齒輪箱與軸帶發(fā)電機相連，拖動軸帶發(fā)電機逐漸達到所需求的轉(zhuǎn)速，進而推動螺旋槳的轉(zhuǎn)動。

軸帶發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率見圖2。

1)當(dāng)船舶主機轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速的40%時，軸帶發(fā)電系統(tǒng)停止運行，全船由輔助柴油發(fā)電機組供電。

2)當(dāng)船舶主機轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的40%～75%時，通過Z源逆變器的升降壓作用，發(fā)電機整流后輸出的電壓滿足并網(wǎng)要求，無需柴油機組輔助發(fā)電，減少能源消耗。

3)當(dāng)船舶主機轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的75%～100%時，軸帶發(fā)電系統(tǒng)輸出額定功率，Z源逆變器工作處于正常狀態(tài)，即常規(guī)逆變器工作狀態(tài)，為電氣負載供電。

2 復(fù)合磁場結(jié)構(gòu)軸帶電機設(shè)計

2.1 復(fù)合磁場結(jié)構(gòu)軸帶發(fā)電機的結(jié)構(gòu)確定

軸徑向軸帶發(fā)電機基本機構(gòu)見圖3，其中定子采用表面開槽的條形結(jié)構(gòu)，定子繞組直接環(huán)繞條形定子上面，運用雙轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)軸的兩側(cè)放置兩個結(jié)構(gòu)相同且極性相對的磁極。電機轉(zhuǎn)子采用離心凸極結(jié)構(gòu)，通過磁極寬度、磁極高度、極靴寬度及極靴高度等磁極尺寸參數(shù)來確定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。電機繞組采用集中勵磁繞組結(jié)構(gòu)。

2.2 復(fù)合磁場結(jié)構(gòu)軸帶發(fā)電機的參數(shù)確定

根據(jù)中小型內(nèi)河船舶的要求確定電機額定功率PN=5 kW，額定轉(zhuǎn)速nN=1 500 r/min，需考慮電機氣隙磁密、空載反電動勢和齒槽轉(zhuǎn)矩等參數(shù)與電機結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系。

2.2.1氣隙磁密

在電機設(shè)計中，要求氣隙磁密呈正弦分布，即

(1)

在轉(zhuǎn)子設(shè)計中，采用離心結(jié)構(gòu)設(shè)計，即在磁極正中心處采用最小氣隙，在磁極的極尖處采用最大氣隙，以保證氣隙磁密波形正弦度較高，轉(zhuǎn)矩紋波較少，進而提高電機的使用壽命。

2.2.2反電動勢

根據(jù)定義，電機反電動勢為

(2)

式(2)中：Φ(θsr)為電樞繞組的磁通有

(3)

由式(2)可知，多個參數(shù)會影響反電動勢的正弦度及諧波總失真率(Total Harmonic Distortion,THD)。在電機的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，反電動勢主要取決于永磁體離心高度與極弧系數(shù)的配合。

2.2.3齒槽轉(zhuǎn)矩

齒槽轉(zhuǎn)矩可表示電機內(nèi)的磁場能量相對位置角的導(dǎo)數(shù)[13]，即

(4)

(5)

由式(4)和式(5)分析可知，通過合理選擇槽口寬度bs0，可使GnNp的值盡可能接近于零，以達到抑制齒槽轉(zhuǎn)矩的目的。

根據(jù)上述電機基本性能要求及主要參數(shù)影響，結(jié)合Ansoft Maxwell 14.0空載反電動勢波形和空載轉(zhuǎn)矩脈動的幅值進行優(yōu)化設(shè)計，可得電機基本參數(shù)見表1。

表1 電機結(jié)構(gòu)參數(shù)表

2.3 復(fù)合磁場結(jié)構(gòu)軸帶發(fā)電機有限元仿真分析

根據(jù)上述電機基本參數(shù)在Ansoft Maxwell 14.0中搭建電機基本結(jié)構(gòu)模型見圖4。 建好后對電機進行剖分見圖5。

圖6為電機在空載和額定負載狀態(tài)下的磁密分布圖。圖6a)為電機工作在空載狀態(tài)下，圖6b)為電機工作在額定負載狀態(tài)下。由圖6可知，定子和轉(zhuǎn)子軛部磁密在空載時都不超過1.6 T；在額定負載情況下，不超過1.8 T，均滿足電機設(shè)計的約束條件。

圖6 電機在不同工況下的磁密分布

電機氣隙磁密曲線見圖7。徑向磁密Bn最大值≤1.0 T，且呈正弦規(guī)律變化，諧波畸變率約為8.142%；切向磁密Br最大值≥0.2 T，在設(shè)計過程中基本可忽略不計，滿足設(shè)計要求。

電機空載時的轉(zhuǎn)矩見圖8，可看出轉(zhuǎn)矩脈動的周期為1 ms，轉(zhuǎn)矩最大值為10.701 4 mN·m，最小值為-17.077 6 mN·m，轉(zhuǎn)矩脈動低于額定轉(zhuǎn)矩(31. 83 N·m)的1%，滿足設(shè)計要求。

電機A、B、C三相的空載反電動勢波形(見圖9a)，三相反電動勢均呈正弦規(guī)律分布，互差120°。圖9b)和圖9c)為C相空載反電動勢波形及其FFT(Fast Fourier Transformation)分析波形，利用Ansoft中自帶的功能求解諧波畸變率THD為2.947 8%，有效值(RMS)為321.310 4 V，與理論設(shè)計的320 V較接近，滿足設(shè)計要求。

綜上，所設(shè)計的電機滿足基本性能要求，可進行下一步的控制研究。

3 船用復(fù)合磁場結(jié)構(gòu)軸帶電機控制

為進一步驗證所設(shè)計的電機能正常運行及Z源逆變器的升壓和并網(wǎng)能力，搭建基于SVPWM的電機控制模型。

3.1 Z源逆變器的SVPWM控制原理

同傳統(tǒng)三相橋式逆變器相比，Z源逆變器多了直通零矢量，但也是通過橋臂開關(guān)管的通斷來實現(xiàn)逆變控制的[18]。基于SVPWM的Z源逆變器矢量圖見圖10。

在Z源逆變器中，根據(jù)傳統(tǒng)的電壓源逆變器，可設(shè)電壓為

(6)

式(6)中：Ua、Ub、Uc為逆變器三相輸出電壓的瞬時值；j為虛數(shù)單位。將非直通狀態(tài)時的輸出電壓um的1/2作為基準，空間矢量歸一化后即可得到與傳統(tǒng)SVPWM類似的空間矢量：6個有效矢量模長均為4/3，2個非直通零矢量，7個直通狀態(tài)零矢量。其中，每個矢量的開關(guān)狀態(tài)見表2。

表2 Z源逆變器的開關(guān)狀態(tài)表

參考電壓可以表示為

(7)

(8)

從而可解得

(9)

(10)

3.2 仿真驗證

根據(jù)上述Z源逆變器SVPWM工作原理在MATLAB/SIMULINK中搭建仿真模型。

實船中，匯流排的交流電壓為380 V，則仿真中設(shè)置交流電壓為380 V，SVPWM算法中的直流電壓設(shè)置為500 V，周期設(shè)置為0.000 2 s，通過選擇不同的直通零矢量工作時間，即不同的直通零矢量占空比，逆變器輸出的線電壓波形見圖11。A相并網(wǎng)電壓和電流波形圖見圖12。

在圖11中，直通零矢量工作時間設(shè)為t0=0.000 03 s，則零矢量占空比為15%，Z源逆變器輸出的線電壓約為600 V。在圖12中，直通零矢量工作時間設(shè)為t0=0.000 05 s，則零矢量占空比為25%，Z源逆變器輸出的線電壓約為750 V。

由圖11可知：圖中的兩種情況均與式(8)的理論相符合。在直流電壓恒定時，改變直通零矢量的占空比，可調(diào)節(jié)逆變器輸出的電壓幅值大小，即可以根據(jù)系統(tǒng)需求獲得要求的電壓。

圖12為A相的并網(wǎng)電壓和電流波形。由圖12a)可知，在線電壓即電網(wǎng)電壓為380 V的情況下，相電壓的峰值約為310 V，與理論分析一致。由圖12b)可知，0～0.05 s時Z源逆變器處于升壓狀態(tài)，在沒升到并網(wǎng)要求的電壓時，相電流波形會發(fā)生畸變，經(jīng)過約0.05 s，Z源逆變器升壓升到了并網(wǎng)電壓要求值，從而波形趨于穩(wěn)定，峰值約為28 A。由圖12可知：相電流同相電壓是同相位的，且軸徑向復(fù)合磁場軸帶發(fā)電機用Z源逆變器的升壓能力和并網(wǎng)能力均能正常發(fā)揮。

上述仿真波形驗證了所設(shè)計的軸帶電機性能良好，不僅能保持相電流與相電壓同相位，且在直流電壓恒定時，通過改變直通零矢量的占空比，還可以獲得系統(tǒng)要求的電壓。SVPWM控制算法實現(xiàn)了Z源逆變器的升壓能力和并網(wǎng)能力。

4 結(jié)束語

軸帶電機應(yīng)用在船舶中，有助于節(jié)約能源、改善船舶運行的經(jīng)濟性，提高船舶航行的可靠性和靈活性。應(yīng)用于中小型船舶的復(fù)合磁場結(jié)構(gòu)軸帶電機可改善傳統(tǒng)軸帶電機的性能缺點，將Z源逆變器應(yīng)用到船舶軸帶發(fā)電機系統(tǒng)中，并在逆變電路控制中采用SVPWM策略可改善電機輸出電壓和電流性能。船舶軸帶電機具有非常廣闊的應(yīng)用前景，尤其是性能更優(yōu)越的復(fù)合磁場結(jié)構(gòu)電機將應(yīng)用到更多的船舶中。