高速混合勵磁發電機負載切換性能分析

葛發華，吳 娜，卓 亮，趙 飛

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

0 引 言

混合勵磁電機由兩種勵磁源相互作用，共同實現電磁能量轉換，是對單一勵磁概念的拓展和延伸[1]。永磁電機在工作時內部的氣隙磁場基本保持恒定，在發電運行時，氣隙磁場調節困難，導致其輸出電壓不可控，在負載和轉速發生變化時不能提供穩定電壓。電勵磁電機雖能較好地調節氣隙磁場，但具有較大的電樞反應電抗，效率低下。為了解決單一勵磁技術的弊端，本文研究一種新型高速混合勵磁發電機，設計時要求發電機具備高轉速，并且在不同轉速不同負載條件下運行時能夠輸出一定范圍內的穩定電壓。本文在單一勵磁電機結構基礎之上，除了盡可能保留永磁發電機的固有特性以外，還在發電機轉子右端加入電勵磁感應子，輔助調節發電機的磁場，既改善了發電機的調壓能力，又滿足高轉速運行的要求。

本文首先介紹了高速混合勵磁發電機的工作原理，并從發電機的數學模型和繞組出發，分析發電機的穩壓能力；然后利用二維有限元方法分析了發電機變載側負載切換時電樞繞組間的耦合與穩壓情況；最后通過對混合勵磁樣機進行性能實驗，驗證了發電機的結構合理性以及功能完整性。

1 發電機工作原理

本文研究的混合勵磁發電機的三維結構示意圖如圖1所示，主要由主發定子、永磁段轉子和勵磁段轉子組成。主發定子上嵌放了能夠獨立工作的兩套電樞繞組，切割旋轉磁場時產生電動勢，輸出電壓；勵磁線圈則用于在不同工況下調節磁場，實現穩壓。轉子上含磁鋼和感應子兩部分，用于提供磁勢。

圖1 混合勵磁發電機三維結構示意圖

主發定子、轉子和勵磁定子按一定方式牢固安裝后，原動機帶動轉子運轉，產生旋轉主磁場，勵磁定子繞組通電后在不同負載工況下產生去磁或助磁磁場。當發電機處于高轉速小負載工況下，勵磁繞組主要起去磁作用；反之，勵磁繞組主要起助磁作用。圖2(a)、圖2(b)分別表示了電勵磁在去磁和助磁時的磁通路徑。電勵磁助磁時氣隙磁場與主氣隙磁場方向相同，去磁時則相反。

(a)電勵磁助磁時磁路

(b)電勵磁去磁時磁路

調節發電機勵磁電流，可使發電機調節點電壓不因負載或轉速變化而變化，調節范圍為Imin～Imax，Imax為低轉速大負載時的勵磁電流，Imin為最高轉速空載時的勵磁電流。轉速越低，負載電流越小，勵磁電流越小。

2 電機的穩壓性能分析

2.1 混合勵磁發電機的數學模型

由于該混合勵磁電機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雜，為了分析電機的運行狀態，建立該電機的數學模型。文獻[2]中分析并建立了多繞組電勵磁發電機的數學模型，結合文獻[2]給出的分析方法，給出本文研究的混合勵磁雙繞組發電機數學模型，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)。

對于本文電機而言，定子上含有電樞繞組，另外還含有勵磁繞組，故磁鏈是轉子角、勵磁電流和電樞電流之間的復合函數。即：

Ψ(θ，ia，ib，ic，if)=LI(4)

結合式(2)和式(4)，得到混合勵磁發電機的電壓方程：

(5)

式(4)表示了磁鏈是勵磁電流if,相電流ia,ib,ic及轉子位置角θ的多元非線性函數。推導得到式(5)，即混合勵磁發電機的非線性數學模型。由式(5)可知，該電機的輸出電壓主要與旋轉電動勢、自感與互感電動勢以及電機內部的電阻電壓降三方面有關。

2.2 混合勵磁發電機的電樞繞組結構

由發電機的數學模型可知，要想實現電機穩壓輸出，需從電機的多方面進行考慮。本文研究的電機采用了雙繞組結構，繞組間的互感是影響電壓穩定輸出的主要問題。由于勵磁繞組起調節作用，本文簡化了電感的分析過程，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，兩套電樞繞組交錯隔槽嵌放在定子中，而非完全隔離地對稱分布在圓周兩側，電流通過時，定子繞組中存在互漏感，影響發電機的輸出電壓。因此，兩套繞組空間夾角的選取應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[6]中給出了如式(7)所示的計算公式：

(7)

同時，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應的互漏感。根據坐標變換理論，MLd，MLq，MLm為轉換到d,q坐標下兩套繞組在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。為實現繞組間互漏感的解耦，對于3/3相雙繞組電機而言，根據式(8)，α為30°時，d，q軸之間的互漏感為0。

經以上分析，為實現解耦，本文設計的兩套電樞繞組分別在圓周上三相對稱分布，且兩套繞組的空間角度設計為30°。這樣的繞組結構減弱了自感與互感電動勢對輸出電壓的影響，進一步保證電壓穩定輸出。

3 負載切換仿真分析

在分析負載切換情況下的電機性能時，本文假設最理想的條件：不考慮勵磁繞組與電樞繞組之間的耦合，且假設電勵磁繞組產生的磁動勢只受勵磁電流影響。本文著重分析該發電機兩套電樞繞組運行時的相互影響情況。利用Ansoft仿真軟件，建立高速發電機二維模型，調整激勵外電路，可實現單通道負載工況切換的仿真分析。圖4為電機變載運行工況仿真的控制外電路連接圖，圖4(a)示意了電機在雙通道運行的情況，圖4(b)為負載工況切換的控制電路。

在進行二維有限元仿真時，變載側從大負載切換到小負載(小負載切換到大負載)，觀察恒載側輸出電壓的變化情況。利用兩個脈沖開關控制切換過程，高電平導通，低電平關斷，設置切換時間周期為0.6 ms。當t=0.6 ms時，V2由高電平轉為低電平，控制S2斷開；V1由低電平轉為高電平，控制S1閉合，實現負載工況的切換。

(a) 負載切換仿真繞組帶載連接圖

(b) 負載切換控制電路圖

仿真時設置恒載側電流帶載24 A，電壓穩壓31 V，變載側突加0～100 A的電流負載。得到變載側電流波形圖以及恒載側電壓波形圖，如圖5所示。

(a) 變載側電流負載波形

(b) 恒載側電壓波形

圖5中，在變載側突加負載時刻，恒載側電壓會出現尖端毛刺，而后又能迅速恢復平穩。同時，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圖、電機輸出電壓波形圖，如圖6、圖7所示。

(a) 變載側繞組相電壓

(b) 恒載側繞組相電壓

圖7 負載切換時兩套繞組輸出電壓變化趨勢

根據仿真結果，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比情況

從有限元仿真結果可見，變載側繞組在負載發生變化時，繞組相電壓、相電流和輸出電壓都隨之急劇改變；而恒載側繞組相電壓、相電流和輸出電壓所受影響較小，相電壓出現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至穩定狀態所用時間較短，電機穩定性能高。

4 實驗驗證與數據分析

4.1 發電機負載切換驗證實驗

為保證電機的穩定性能，該電機要求變載側帶載工況發生變化時，恒載側的輸出電壓不能低于24 V，且變載側電壓不能突降為0，否則將嚴重影響電機使用。為驗證負載切換后兩個工作通道之間的電壓影響情況，設定變載側帶載范圍為5～75 A，恒載側固定帶載10 A，不改變發電機轉速，切換變載側所帶負載，觀察恒載側電壓值變化情況。實驗平臺如圖8所示，變載側通過調節電阻箱改變負載工況。

圖8 負載切換實驗平臺連接圖

變載側負載工況變化時，恒載側的輸出電壓變化情況如圖9所示。圖9中出現的尖端毛刺表示負載工況發生變化瞬間電壓值的突變。

圖9 負載切換恒載側電壓波形圖

對比圖5的有限元仿真結果和圖9的實驗結果可知，在帶載工況突變時刻，恒載側輸出電壓都會出現瞬時的跳變，然后快速恢復穩定，仿真與實驗相互驗證。圖9顯示，變載側工況變化時，恒載側輸出電壓最低降至29.8 V，整體保持在29.8～32.5 V，滿足技術指標要求。

4.2 發電機穩壓驗證實驗

本文設計的發電機要求恒載側輸出電壓穩定輸出(28～32.5 V)，變載側輸出電壓(29～35 V)。試制樣機架臺進行實驗驗證，測試平臺如圖10所示。樣機的兩套電樞繞組引出后連接三相整流橋，兩組并聯后連接直流負載，控制開關控制通道的運行開斷狀態，電勵磁調節裝置控制勵磁電流的大小和方向。

(a) 實驗臺實物圖

(b) 實驗臺連接圖

利用計算機控制臺改變拖動臺轉速，并在同一轉速下運行不同負載工況。實驗對比9種工況：轉速24 000 r/min雙通道帶載20 A/5 A，30 A/10 A，30 A/40 A；轉速28 000 r/min雙通道帶載20 A/5 A，30 A/10 A，30 A/40 A；轉速36 000 r/min雙通道帶載20 A/5 A，30 A/10 A，30 A/40 A。通過調節勵磁電流，實現電機在變速和變載情況下輸出要求范圍內的電壓，結果如表2所示。

通過實驗得到表2的數據可知，發電機在變速、變載條件下進行實驗，調節勵磁電流可使發電機雙通道輸出電壓在要求范圍內，且恒載側的輸出電壓基本穩定為31 V。實驗驗證了該電機的穩壓性能較高，符合設計初衷，達到了設計指標。

表2 發電機輸出電壓實驗數據

5 結 語

為實現高速發電機在運行時能夠輸出穩定電壓，設計了一種雙繞組冗余結構的混合勵磁發電機。本文在分析其數學模型的基礎上，建立了基于Ansoft軟件的仿真系統，并搭建了高速實驗臺對其進行實驗驗證。仿真結果和實驗結果都表明，該電機設計合理，變載側負載工況發生變化時，恒載側電壓降符合技術要求；電機處于穩態工作時，輸出電壓不因負載或轉速變化而變化。該高速發電機有較好的動態及穩態性能：負載突變時，輸出電壓經過瞬時的跳變后能夠迅速達到新的穩定值；在正常工作時，電機能夠提供穩定的直流電源。