蘇正偉 冉墨男 柏瀾 陳兵

（武漢第二船舶設(shè)計研究所， 武漢 430064）

模擬電機的使用給科學研究工作帶來極大的好處，如一些大型電機因為試驗條件不具備，而無法進行試驗；有些試驗具有破壞性，在原型機上進行試驗將對原型機造成損害，造成巨大經(jīng)濟浪費；數(shù)字仿真往往是在較多簡化和假設(shè)的條件下進行的，往往無法全面考慮各種影響因素的作用，等等。在這些情況下，都需要采用模擬電機來進行相關(guān)試驗和研究。模擬電機已經(jīng)成為電力系統(tǒng)動態(tài)模擬和研究、大型或者特殊電機設(shè)計研究的重要手段。

雙繞組發(fā)電機作為能同時發(fā)出交流電和直流電的特殊電機，在艦艇上的使用優(yōu)點是顯而易見的。通過對其原型機組的模擬，設(shè)計出電磁結(jié)構(gòu)、電氣參數(shù)相近的模擬機組，為研究新型電機對艇上交、直流供電系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響提供新的途徑。

1 設(shè)計依據(jù)和原則

1.1 理論依據(jù)

模擬電機對原型電機的特性進行模擬，是一種物理模擬（動態(tài)模擬）。物理模擬中最重要的理論為相似原理。相似第一定理是牛頓在1686年首先提出，而后由俄羅斯學者A.費捷而曼等人進行了補充，拓展出了相似理論第二定理、第三定理，它們確定了相似系統(tǒng)的必要條件，以及兩過程應(yīng)該具備什么條件才相似[1]。相似定理最簡潔的表達式為：相似現(xiàn)象的相似指標等于1。

在電機的模擬中，將電機的所有電氣參數(shù)及電磁參數(shù)換算成相應(yīng)標么值，作為模擬機與原型機的相似指標[2]。

1.2 設(shè)計原則

模擬電機與原型電機的以標幺值形式表示的參數(shù)和時間常數(shù)盡量接近，以標幺值表示的空載特性相近，電磁結(jié)構(gòu)盡量相同。具體的設(shè)計原則為：

1） 模擬電機以標幺值表示的參數(shù)和時間常數(shù)與原型電機的盡量接近，并在一定范圍內(nèi)可調(diào)。

2） 模擬電機以標幺值表示的空載特性與原型電機相近。

3）模擬電機的電動勢波形要求接近正弦波。

4） 模擬電機的電磁結(jié)構(gòu)盡量與原型發(fā)電機相同。

5）盡量經(jīng)濟、可靠和拆裝方便。

2 模擬雙繞組發(fā)電機設(shè)計

2.1 原型雙繞組發(fā)電機特性

原型雙繞組發(fā)電機可以同時輸出交流和直流功率，其性能參數(shù)按直流不輸出功率（工況Ⅰ）和直流輸出功率（工況Ⅱ）考核。

工況Ⅰ：原型雙繞組發(fā)電機在直流不輸出功率的情況下，可以作為三相交流主發(fā)電機使用，此時主要性能數(shù)據(jù)為：

交流額定電壓： UACN＝390 V

額定功率因數(shù)： cosφN＝0.8（滯后）

相數(shù)： m1＝3

繞組接法： Y接法

工況Ⅱ：原型雙繞組發(fā)電機同時輸出交流和直流功率時，直流側(cè)主要性能數(shù)據(jù)為：

十二相繞組經(jīng)整流后輸出直流額定工作電壓范圍： UDC＝235 V～275 V

繞組相數(shù)： m2＝12

繞組接法： 4Y移15o接法

整流橋接法：4個三相不可控整流橋在直流側(cè)并聯(lián)輸出。

原型雙繞組發(fā)電機的參數(shù)較多，既有轉(zhuǎn)子勵磁、阻尼繞組參數(shù)，也有定子交流繞組和整流繞組參數(shù)，詳細參數(shù)可查閱相關(guān)文獻資料，在此不便列出。

2.2 模擬雙繞組發(fā)電機電磁設(shè)計

2.2.1設(shè)計重點和難點

用小電機模擬大電機時，小電機和大電機的特性和參數(shù)具有各自的特點，其中最為顯著的是大電機電阻的標幺值比較小，而小電機電阻的標幺值比較大，因此在模擬電機設(shè)計時需要加以特殊考慮，采用不同的手段實現(xiàn)模擬電機對原型電機的模擬。

模擬雙繞組發(fā)電機除了具有一般模擬電機的特點外，還有特殊之處，交流和整流繞組除了各自自身的電感參數(shù)外，還增加了交流繞組和整流繞組之間的互感參數(shù)，情況更為復(fù)雜。此外，雙繞組發(fā)電機定子上有一套三相交流繞組和四套三相整流繞組，交流和整流繞組都是雙層繞組，且均勻布置在所有定子槽中，因此定子槽內(nèi)有四層繞組，參數(shù)計算也更加困難，一些參數(shù)的計算沒有現(xiàn)成的計算公式。

由于雙繞組發(fā)電機的參數(shù)多，且相互影響，因此用模擬雙繞組發(fā)電機來模擬原型發(fā)電機時，設(shè)計的靈活性更小，與普通模擬發(fā)電機相比，實現(xiàn)所有參數(shù)模擬的困難性更大。

模擬雙繞組發(fā)電機的設(shè)計，以普通電機設(shè)計方法和公式為基礎(chǔ)，根據(jù)模擬電機的特點，結(jié)合雙繞組發(fā)電機的特殊之處，在設(shè)計中，重點在以下兩個方面：

（1）槽漏抗的計算

雙繞組發(fā)電機每個定子槽中都放置四層繞組——兩層交流繞組和兩層整流繞組，同一槽內(nèi)的各層繞組之間均存在互漏感。由于兩套繞組節(jié)距不一定相同，各層繞組所屬的相均可能不同，計算更加復(fù)雜，以往用于計算雙層繞組槽漏抗的計算公式根本無法直接使用。

本設(shè)計中采用電機設(shè)計理論中槽漏抗計算的最基本原理來計算，按照每槽內(nèi)導(dǎo)體的高度，利用安培環(huán)路定律、數(shù)值積分方法累計計算各層繞組之間的槽比漏磁導(dǎo)，再根據(jù)各槽中導(dǎo)體與各相之間的所屬關(guān)系，計算各相繞組自身的自漏抗和各相繞組之間的互漏抗。

（2）端部漏抗的計算

同樣，由于每槽中有四層繞組，且節(jié)距不同，以往的繞組端部漏抗計算公式也不適用。

本設(shè)計中采用畢奧-沙伐定律，將繞組端部電流看成多個小的電流單元；計算各個電流單元在自身和其他線圈中產(chǎn)生的磁場大小；對線圈的不同區(qū)域進行積分，得到總的磁鏈，進而得到端部漏抗，即按照分段分部積分的方法計算端部漏抗。具體計算方法見參考文獻[3]的附錄部分。

2.2.2設(shè)計方案

模擬雙繞組發(fā)電機的設(shè)計，需要進行交流繞組參數(shù)設(shè)計、整流繞組參數(shù)設(shè)計、轉(zhuǎn)子繞組參數(shù)設(shè)計、空載特性設(shè)計、磁路設(shè)計、時間常數(shù)設(shè)計、線熱負荷設(shè)計等。在設(shè)計中，要使模擬對象的所有參數(shù)都得到和原型機的重合一致是不可能的，也是不必要的，因此設(shè)計中，保證了原型雙繞組發(fā)電機的主要參數(shù)和特性得到合理的模擬，其它次要參數(shù)和特性給予適當近似的模擬。

經(jīng)過反復(fù)調(diào)整和計算，得到了模擬雙繞組發(fā)電機的設(shè)計方案。其具體參數(shù)和電氣技術(shù)指標不再列出，表 1～表4給出了模擬雙繞組發(fā)電機的主要設(shè)計參數(shù)與原型機的相似比較值。

表1 交流繞組參數(shù)的比較

表2 整流繞組和轉(zhuǎn)子繞組相關(guān)參數(shù)的比較

表3 發(fā)電機空載特性的比較

表4 發(fā)電機時間常數(shù)的比較

從以上模擬電機設(shè)計結(jié)果與原型電機的比較可以看出，經(jīng)過多種設(shè)計方案的比較和尺寸參數(shù)的調(diào)整，進行了反復(fù)設(shè)計，并采取了必要的措施，所有參數(shù)都與原型電機的參數(shù)吻合較好。表5列出了模擬雙繞組發(fā)電機的主要設(shè)計尺寸。

表5 模擬雙繞組發(fā)電機的主要尺寸(cm)

3 模擬雙繞組發(fā)電機組的構(gòu)成

模擬雙繞組發(fā)電機組包括模擬雙繞組發(fā)電機、模擬交流勵磁機、原動機、測速發(fā)電機等各一臺，示意圖見圖 1。圖中，模擬雙繞組發(fā)電機與模擬勵磁機裝在同一電機機座內(nèi)，三個滑環(huán)是為了對勵磁電壓等控制量進行測量和控制，飛輪片用于改變機組的轉(zhuǎn)動慣量，使用時固定在轉(zhuǎn)軸上與轉(zhuǎn)子一道旋轉(zhuǎn)。

圖1 模擬雙繞組發(fā)電機組構(gòu)成示意圖

模擬雙繞組發(fā)電機工作時需要與外部連接，其接口包括電氣接口和機械接口。

（1）電氣接口

模擬雙繞組發(fā)電機的定子繞組為3相交流繞組和由4個移相15°的3相Y接繞組組成的12相繞組，3相交流繞組Y接引出4根出線，與外部的交流負載相連，4個3相Y接繞組分別接4個三相不可控整流橋，4個整流橋并聯(lián)輸出直流電。模擬雙繞組發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁繞組兩端分別與滑環(huán)1、3相連，輸入直流電。3相交流繞組和12相繞組的引出線接至接線盒中。4個三相整流橋安裝在發(fā)電機機座頂部。

勵磁機的定子勵磁繞組與外部電路相連提供勵磁。轉(zhuǎn)子電樞繞組經(jīng)整流橋整流給發(fā)電機勵磁繞組提供勵磁，整流橋兩個輸出端分別與滑環(huán)2、3相接。

3個滑環(huán)均通過電刷與外部電路相連，其引出線接到發(fā)電機的接線盒內(nèi)。

（2）機械接口

模擬雙繞組發(fā)電機的轉(zhuǎn)軸與其原動機相連，由原動機輸入機械功率。

測速發(fā)電機轉(zhuǎn)軸與模擬雙繞組發(fā)電機轉(zhuǎn)軸相連，以測量轉(zhuǎn)速?？紤]到模擬雙繞組發(fā)電機一端已放置飛輪片，所以將測速發(fā)電機裝到原動機側(cè)。

4 模擬雙繞組發(fā)電機組的試驗

兩臺模擬雙繞組發(fā)電機組由蘭州電機廠最終生產(chǎn)和裝配，并作為成套電源裝置安裝于某電力系統(tǒng)保障試驗室中，以對艦艇上的電力系統(tǒng)進行動態(tài)模擬試驗和研究。

特別注意，在對艦艇上的電力系統(tǒng)進行模擬試驗時，需對原型電力系統(tǒng)中的所有構(gòu)成要件按照統(tǒng)一的模擬比進行模擬設(shè)計，主要內(nèi)容包括：

1） 原型雙繞組發(fā)電機由一臺同軸勵磁機提供勵磁，也需要進行模擬。模擬勵磁機同樣采用無刷勵磁方式，設(shè)計方法與模擬雙繞組發(fā)電機的設(shè)計相同。勵磁系統(tǒng)的控制部分由程序進行模擬。

2） 圖1中的原動機采用直流電動機代替汽輪機進行機械功率輸入。原動機的調(diào)速系統(tǒng)特性需要進行建模和仿真，使其控制特性與汽輪機的輸出特性相似。具體設(shè)計內(nèi)容可參考文獻[4]。

3） 模擬雙繞組發(fā)電機機組到交、直流配電板的電纜，以及其它相關(guān)電氣連接電纜，需要參考艦艇上的原型電力系統(tǒng)電纜按照相同的模擬比設(shè)計阻抗值。

在電力系統(tǒng)模擬實驗室中，我們對模擬雙繞組發(fā)電機組進行了諸多試驗，包括失磁/過速/過流/過壓保護試驗、空載特性試驗、(工況Ⅰ、工況Ⅱ)靜態(tài)/動態(tài)特性試驗、、突加突卸負載試驗、交/直流短路試驗、雙機并聯(lián)試驗等等。圖2至圖4列出了各種工況下短路試驗的部分數(shù)據(jù)。

圖2 （工況Ⅰ－交流半載，直流空載，三相突然短路）A相電流波形

圖3 (工況Ⅱ－交流半載,直流空載,直流短路)直流電壓波形

圖4 （工況Ⅱ－交流半載，直流空載，直流短路）直流電流波形

與已有的原型雙繞組發(fā)電機組的試驗數(shù)據(jù)對比，模擬雙繞組發(fā)電機組的特性能在很大程度上與原型機吻合。

5 結(jié)束語

雙繞組發(fā)電機常運用于獨立的供電系統(tǒng)，裝配于艦艇上在國內(nèi)還處于起步階段。本文設(shè)計的模擬雙繞組發(fā)電機機組，無論從設(shè)計計算結(jié)果和實際試驗數(shù)據(jù)來看，都在很大程度上接近原型機組的特性。在電力系統(tǒng)動態(tài)模擬試驗室中，為科研人員提供了相關(guān)試驗和研究的平臺。

[1]張?zhí)m. 電力系統(tǒng)動態(tài)模擬及其應(yīng)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(shù)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.

[4]冉墨男，蘇正偉，彭召升. 艦艇原動機及其調(diào)速系統(tǒng)的研究. 船電技術(shù),2009(3).