同步發電機阻尼繞組對脈沖負載系統影響研究

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(陸軍工程大學國防工程學院，江蘇南京210007)

0 引言

隨著信息技術的高速發展，用電設備電力電子化已成為重要發展趨勢，特別是以相控陣雷達、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，裝備用電負荷以間歇方式工作，對供電系統而言，是典型的脈沖功率負載，其基本特征表現為平均功率低、峰值功率高，與常規線性負荷特性迥異[1]。脈沖負載的頻繁突變，對電源側形成反復的加卸載作用，也將造成發電機端電壓幅值和頻率的周期性波動和較大的電壓畸變，影響系統穩定運行。

大多數發電機都裝有阻尼繞組結構，其主要的作用為對電力系統的擾動起到一定阻尼效果，以及對電壓畸變的調節作用，提高系統的穩定性。針對阻尼繞組的作用，國內外學者均進行了相關的研究，文獻[2]利用解析法從直軸、交軸回路和磁導出發，對阻尼條中的感應電流進行了計算；文獻[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結構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[4]利用有限元法計算了發電機電樞繞組內部短路時的阻尼繞組電流瞬態響應過程；文獻[5]利用場路耦合法計算了轉子非平衡工作狀況下的阻尼繞組電流；文獻[6]利用多回路耦合有限元的方法計算了同步發電機在電樞繞組發生故障時阻尼繞組電流的暫態響應及產生的附加損耗；文獻[7]利用時變有限元法對凸極同步發電機阻尼繞組的結構參數進行了優化并分析了其產生的空間諧波的分布問題；文獻[8]利用時變有限元法分析并闡明了同步發電機阻尼繞組不同設計方案對發電機外特性的影響情況。但對于脈沖負載這種復雜的負載類型在工作過程中引起的阻尼繞組感應電流以及其對系統產生的影響情況并沒有相應的研究。

本文以柴油發電機組帶脈沖負載系統為研究對象，利用Maxwell和Simplorer軟件搭建了同步發電機帶脈沖負載系統的動態聯合仿真模型，通過仿真分析了同步發電機阻尼繞組結構在脈沖負載系統中的作用。

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帶脈沖負載系統進行仿真分析，電機采用某公司提供的相關參數建模，電機主機和勵磁機模型如圖1所示。

圖1 發電機有限元模型

利用拓撲結構搭建了諧波勵磁調壓系統的外電路，如圖2所示。

圖2 勵磁調壓系統拓撲

圖2中S1為發電機諧波繞組，S2為勵磁機勵磁繞組，U0為發電機輸出端電壓信號，U0_ref為參考電壓值。利用圖3所示電路完成阻尼繞組結構的外電路搭建，其中R1、R2、R3、R4對應電機模型的阻尼繞組，采用全籠結構，即所有極上阻尼條依次連接為籠狀。

圖3 阻尼繞組結構電路圖

脈沖負載系統結構如圖4所示，由三相橋式不可控整流器級聯Buck電路后接周期性通斷的電阻負載組成，可實現脈沖周期，開關占空比和負載峰值功率的變化。利用此拓撲完成負載電路的搭建，并與發電機三相輸出端相連，完成發電機帶脈沖負載系統仿真平臺的搭建。

圖4 脈沖負載拓撲

2 阻尼繞組在脈沖負載系統中的作用

脈沖負載工作時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載階段以及兩階段之前的過渡階段，由于運行狀態的復雜性，在研究阻尼繞組對其影響時，如果整體進行分析會造成各現象與產生原因交織混淆(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載系統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

由于發電機定子槽的存在，使氣隙磁導分布不均勻，氣隙磁密對應位置也出現凹槽，這使得輸出電樞電壓也存在一定的高頻波動，影響輸出電能質量，而阻尼繞組如鼠籠分布于轉子外周，當轉子旋轉時，氣隙磁密的不均勻同樣會在阻尼條上感應出高頻電流，其產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，將仿真步長設為0.1ms，充分體現齒諧波的波形情況。發電機空載狀態仿真，提取一根阻尼條上電流如圖5所示，可見由于定子槽導致的氣隙磁密的不均勻分布同樣在阻尼條上感應出相對應的高頻電流。

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距比有關，本文的阻尼節距比近似1.5，對應阻尼槽諧波分量為23次和25次諧波，而當阻尼節距比為1時，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。因此在電機設計時阻尼條的節距應避免為定子槽距的整數倍或一半[9]。

2.2 阻尼繞組對帶載電壓畸變的影響

發電機帶脈沖負載運行時，由于整流系統以及電樞繞組諧波電流的影響，電機輸出端電壓會發生一定程度的畸變，會使輸出電能質量變差，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電機帶脈沖負載的波形畸變情況以及作用原因進行分析。本節將仿真步長設為0.5ms，此情況空載時輸出電壓波形如圖8所示。

圖8 三相電樞電壓波形圖

如圖8所示，此步長時電樞電壓呈現較規則的正弦波，恰好消除了齒諧波的影響，有利于單獨分析帶載運行導致的電壓畸變情況及其原因。設置脈沖負載的周期為56ms，占空比為0.5，對比有無阻尼繞組作用下負載不同峰值功率時電壓相對偏差率(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

發電機帶脈沖負載工作情況下，開關閉合時負載導通，由于整流系統的作用，電樞電流中將含有5，7，11，…次特征諧波，其中5次負序諧波和7次正序諧波占絕大部分，其也將在氣隙產生相對應的5次和7次時間諧波磁場，并在電樞繞組中感應出一定含量的5次和7次諧波電勢。而5次負序和7次正序電樞電流諧波在阻尼繞組上會主要感應出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，可見在負載導通階段，阻尼條感應出頻率為6倍基波頻率的電流，且由于加卸載過程中空載和負載磁場狀態的轉換，將使阻尼條電流在這兩個階段產生相反方向的偏移。而阻尼繞組中6倍基波頻率的電流，將產生與電樞繞組時間諧波磁場同頻率和同轉序阻尼磁場，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行時間段的5次諧波和7次諧波的含量進行了對比分析，如圖11所示。

圖11 電樞電壓諧波含量柱狀圖

如圖11可知，阻尼繞組對脈沖負載帶載狀態時主要產生的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運行時的電壓畸變情況。

(2)使換向重疊角減小

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

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

圖12 無阻尼電樞磁通回路

而當轉子上有阻尼繞組結構時，電樞電流突變時其磁鏈也不能突變，因此其上也將產生感應磁通阻礙轉子變化磁通通過，所以，電樞磁通只能從阻尼和轉子繞組更外側的阻抗更大的回路通過，如圖13所示，此時定子電抗更小，稱為直軸超瞬態電抗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生較小的交軸超瞬態電抗Xq″。整流換向過程中直交軸阻尼效果共同作用，使電機等效電抗變小，相應整流換向角也變小，導致換向壓降減小，也對輸出電壓的畸變情況有改善作用。

2.3 阻尼繞組對轉速波動的影響

阻尼繞組結構最主要的作用是對發電機機械動態穩定的調節作用。當發電機出現擾動使轉子轉速下降時，此時轉子轉速小于定子電樞磁場的轉速，兩者形成轉速差將使阻尼繞組在擾動瞬間切割定子電樞磁通而產生感應電流，此電流在阻尼繞組上將產生力矩，從而使轉子加速，對轉速的波動起到一定阻尼作用。

脈沖負載工作過程中伴隨著頻繁的加卸載作用，負載功率變化勢必會使發電機轉速產生一定的波動，導致輸出電能頻率不穩。但阻尼繞組對轉速的調節作用是建立在并網運行狀態的，由于大電網的限制才能使電樞磁場轉速基本恒定，從而形成轉速差；在柴油機單獨帶載狀態下，輸出電壓僅由發電機電樞反應產生，因此對于轉子的轉速變化，定子旋轉磁場也將同步變化，并不能形成轉速差，因而不能起到調節轉速的作用。而實際應用中的脈沖負載(如相控陣雷達)，其工作場所多為山脈島嶼等脫離大電網的地點，因此基本采用柴油發電機組單獨為脈沖負載提供電能，此狀況下，利用發電機的阻尼繞組并不能對脈沖負載導致的電壓頻率波動起到有效地調節作用。

3 結語

本文搭建了發電機帶脈沖負載仿真平臺，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速波動調節三方面分析了阻尼繞組在脈沖負載系統中所起的作用。結果表明，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，因此在電機設計時阻尼條的節距應避免為定子槽距的整數倍或一半；阻尼繞組對帶載時的波形畸變有一定的改善作用，其原因主要有以下兩點：(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；而對于負載頻繁加卸載導致的發電機轉速的波動，由于系統基本運行在離網條件下，無法形成轉子和電樞磁場的轉速差，因此阻尼繞組對轉速波動起不到調節作用。