蘇正偉 冉墨男 陳兵 韓春雷

（武漢第二船舶設計研究所, 武漢 430064）

1 引言

研制模擬柴油發(fā)電機的目的，是為了在動態(tài)模擬實驗室中，用小容量發(fā)電機來模擬原型柴油發(fā)電機的運行特性。

2 設計原則和方法

2.1 理論依據(jù)

相似理論[1]是模擬電機對原型電機進行模擬的理論基礎。在相似條件的判斷中，將電機的各種參數(shù)換算成標幺值，作為模擬機與原型機的相似指標[2]。

2.2 設計原則

根據(jù)模擬柴油發(fā)電機的運行條件，并考慮到對突然短路電流的模擬，確定模擬柴油發(fā)電機的基本設計原則為：

（2）以標幺值表示的空載特性與原型發(fā)電機相近，空載電動勢波形接近正弦波。

（3）電磁結構盡量與原型發(fā)電機相同，盡量經(jīng)濟、可靠和拆裝方便。

（4）由于模擬電機的電磁負荷遠小于常規(guī)電機，在相同額定轉速下的損耗相對較大，因此，對模擬電機的溫升和效率不進行考核。

2.3 設計依據(jù)

原型柴油發(fā)電機的大部分設計參數(shù)由某船用“柴油發(fā)電機技術設計資料”給出。

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

2.4 設計方法

根據(jù)上述的設計原則和依據(jù)，首先應確定原型發(fā)電機的額定值，然后根據(jù)模擬比確定模擬發(fā)電機的額定值，并以額定值作為基值，來計算模擬發(fā)電機的參數(shù)標幺值。

模擬發(fā)電機的電磁設計方法與一般發(fā)電機的不同，主要是應在滿足特定參數(shù)要求的基礎上來確定發(fā)電機的主要尺寸。其主要過程是：

（1）根據(jù)慣性常數(shù) Hj來確定模擬發(fā)電機的定子內徑Di1和定子鐵心長度lt；

（2）根據(jù)直軸同步電抗標幺值Xd，確定發(fā)電機的電磁負荷A（線負荷）、Bδ（氣隙磁通密度）和氣隙長度δ，在選擇氣隙長度δ 時還要考慮發(fā)電機的制造工藝條件。

（3）根據(jù)參數(shù)和電磁負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)電機設計

3.1 原型柴油發(fā)電機特性

原型柴油發(fā)電機的性能指標由某“柴油發(fā)電機試驗報告”和“柴油發(fā)電機技術設計資料”給出，具體的額定值、參數(shù)標么值、時間常數(shù)、慣性常數(shù)Hj、空載特性等內容可查閱相關文獻資料。

需要特別指出的是，原型柴油發(fā)電機有三種運行工況，在三種工況下，參數(shù)的標幺值是不同的。經(jīng)過計算分析可以看出，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)電機的第二種工況為額定工況，以此為基值來計算各參數(shù)的標么值。

3.2 模擬柴油機電磁設計

3.2.1 模擬柴油發(fā)電機額定值的確定

按照規(guī)定的模擬比，可得模擬柴油發(fā)電機的額定值為：

相數(shù)m＝12；

額定頻率fN＝120 Hz；

額定轉速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 ?。

整流橋接法四個三相不可控整流橋并聯(lián)勵磁方式同軸交流勵磁機無刷勵磁

3.2.2 電磁設計方案

根據(jù)上面確定的模擬柴油發(fā)電機額定值，進行了模擬柴油發(fā)電機的電磁設計。設計中以著重模擬直軸超瞬態(tài)電抗為原則，對模擬柴油發(fā)電機的電磁設計方案進行了多次調整。在保證模擬發(fā)電機的超瞬態(tài)電抗 X”d標幺值與原型發(fā)電機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）標幺值、空載特性（以標幺值表示）以及慣性常數(shù)Hj的一致性，同時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)電機的電磁設計方案的部分主要結果如表1所示。

表1 模擬柴油發(fā)電機的電磁設計部分結果

3.2.3 設計分析與說明

將以上設計計算結果與原型發(fā)電機的設計值進行比較，可以看出：

（1）模擬發(fā)電機定子繞組電阻 Ra和直、交軸同步電抗Xd、Xq的標幺值與原型發(fā)電機的基本相同（Ra、Xd、Xq分別相差－8.86%、－10.9%和－5.60%，負號表示模擬發(fā)電機的設計值比原型發(fā)電機的設計值偏?。?。

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

（3）模擬發(fā)電機勵磁繞組的電阻 Rf、電抗Xf的設計結果分別為0.00422和1.616（標幺值），勵磁繞組時間常數(shù)Td0及瞬態(tài)時間常數(shù)Td′偏小。其原因應是Rf標幺值比原型發(fā)電機的偏大。在需要對這兩個時間常數(shù)進行比較準確的模擬時，可在轉子勵磁回路中串入負電阻，對它們進行補償。例如，串入標幺值為0.00222的負電阻（為Rf的52.6%），即可使勵磁繞組電阻標幺值減小為0.002，使Td0由0.508 s增大至1.072 s，使瞬態(tài)時間常數(shù)Td′由0.064 s增大為0.135 s。如此補償后，Td0、Td′分別與原型發(fā)電機的相差 7.13%和－8.70%，可以較好地滿足對這兩個時間常數(shù)模擬的要求。

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

（5）模擬發(fā)電機交軸超瞬態(tài)電抗Xq′的設計值與原型發(fā)電機的相差23.4%（負序電抗X2標幺值的設計值為0.127，與原型發(fā)電機的0.112相差13.4%）。直軸瞬態(tài)電抗 Xd′與原型發(fā)電機的相差－24.0%，超瞬態(tài)時間常數(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)電機設計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，轉子外徑不能過大，從而限制了轉子磁極尺寸和勵磁繞組匝數(shù)，因此電機的外形尺寸就受到限制。因此，難以在滿足慣性常數(shù) Hj要求的情況下同時全面滿足對瞬態(tài)參數(shù)和超瞬態(tài)參數(shù)的模擬要求。

② 對于 12相、8極的發(fā)電機，其極數(shù)較常規(guī)發(fā)電機的多，因此，在轉子尺寸受限的條件下，再考慮到轉子的機械加工要求和保證其有足夠的機械強度，磁極尺寸和阻尼繞組的設計進一步受到限制。所以，轉子阻尼導條的直徑不能太大，這就使阻尼繞組的電阻標幺值較大，直接導致超瞬態(tài)時間常數(shù)Td′ 與原型機的相差較大。

③ 直軸同步電抗標幺值 Xd的要求，限制了發(fā)電機的線負荷 A和氣隙磁通密度 Bδ以及氣隙長度的選擇。加上交軸同步電抗 Xq標幺值的要求，對氣隙長度和轉子磁極尺寸就有更多的限定條件。也就是說，在基本滿足對同步電抗Xd、Xq模擬要求的條件下，難以通過改變轉子磁極的尺寸來調整瞬態(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，使定子槽形呈窄長狀，定子齒寬也比一般少極數(shù)發(fā)電機的偏小。此外，為了使電樞電阻標幺值與原型發(fā)電機的一致，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?。ㄒ驗槌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]。在設計中，針對最為關鍵的某些參數(shù)，對電磁設計方案做反復調整，進行適當?shù)恼壑刑幚?。上述設計方案就是考慮到模擬發(fā)電機用于直流供電系統(tǒng)的運行狀況，側重于模擬發(fā)電機穩(wěn)態(tài)運行特性和突然短路（超瞬態(tài)）電流變化規(guī)律的一種設計，因此，直軸超瞬態(tài)電抗、空載特性與原型發(fā)電機的一致，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，所設計的模擬發(fā)電機的定、轉子電流密度和電磁負荷、熱負荷都很低，因此發(fā)電機的發(fā)熱和溫升不必考核。

4 結束語

根據(jù)以上設計值的計算結果，所設計的 12相、8極模擬柴油發(fā)電機，其希望模擬的主要參數(shù)標幺值與原型發(fā)電機的基本相同（定子繞組電阻R、同步電抗Xd和超瞬態(tài)電抗Xd′的標幺值，慣性常數(shù) Hj），以標幺值表示的空載特性基本一致，電磁結構基本相同，滿足設計原則的要求。

[1]張?zhí)m. 電力系統(tǒng)動態(tài)模擬及其應用綜述. 湖南工程學院學報,2004(3)

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

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