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(陸軍工程大學國防工程學院，南京 210007)

0 引言

隨著信息技術的發(fā)展，以相控陣雷達、通信裝備為代表的負載包含了大量的電力電子開關器件，這類負載工作周期通常為毫秒級，消耗功率并不恒定，呈典型的脈沖特性，表現(xiàn)為平均功率低、峰值功率大，因此被稱作脈沖負載。脈沖負載的間歇性沖擊和頻繁突變，對電源側形成反復加減載作用，將引起供電系統(tǒng)功率的大范圍波動[1]。

針對脈沖負載功率波動對系統(tǒng)的影響問題，文獻[2]提出了采用電動輔助機構增強柴油發(fā)電機組抗脈沖功率負載擾動的方法，降低了機組的轉速調整率；文獻[3]討論了飛行器普遍采用發(fā)電機經整流器帶脈沖功率負載系統(tǒng)的動態(tài)行為，通過分析脈沖功率負載對發(fā)電機輸出電源波動的畸變影響，提出了基于電流變化的改進發(fā)電機勵磁調壓方法；文獻[4]通過闡述脈沖功率負載的工作機理，研究了大容量脈沖功率負載對電能質量的影響，設計了改善電能質量的濾波裝置；為削弱脈沖功率負載對柴油發(fā)電機組供電系統(tǒng)的影響，文獻[5]和文獻[6]分別設計采用蓄電池加超級電容或單獨采用蓄電池的儲能補償方案，仿真驗證了可通過儲能補償裝置與負載功率變化的有效跟蹤以平抑負載功率波動對柴油發(fā)電機組的影響；文獻[7]建立了同步發(fā)電機-整流器-反電動勢負載系統(tǒng)的等效電路模型，導出了系統(tǒng)微變穩(wěn)定的條件，并提出了在隱極轉子上設置交軸短路繞組來解決系統(tǒng)穩(wěn)定性問題的措施。文獻從不同方面入手研究脈沖負載對系統(tǒng)的影響情況，而大多從系統(tǒng)外特性變化層面進行分析，并未發(fā)現(xiàn)針對脈沖負載對發(fā)電機內部磁場作用規(guī)律的研究，而負載的波動反作用到同步發(fā)電機會導致電機輸出端電壓同樣產生一定程度的波動，這對電機勵磁調壓和電樞反應過程都會有影響，這也是影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行的一個重要因素。

本文主要研究同步發(fā)電機在脈沖負載作用下，電機內部磁場存在局部飽和及影響飽和的因素。用Ansys Maxwell軟件搭建了同步發(fā)電機的有限元模型，通過分析勵磁磁場和電樞電流兩個影響因素，研究脈沖負載作用下對同步發(fā)電機內部磁飽和的作用規(guī)律。

1 脈沖負載引起磁飽和的原理

同步發(fā)電機的定子結構采用鐵磁材料，其具有高導磁性，可以達到較高的能量傳遞效率。但是鐵磁材料同樣存在著磁飽和的問題，即磁場強度達到一定值后，感應的磁感應強度將趨于飽和，磁場強度再增大，磁感應強度的增加速度變得平緩。電機設計時，一般保證帶常規(guī)負載運行時，鐵磁材料工作在膝點位置，而不達到飽和段，因此在分析時多忽略磁飽和現(xiàn)象對電機運行的影響。

本文以柴油發(fā)電機組-整流器-脈沖負載系統(tǒng)為研究對象，結構如圖1所示。脈沖負載平均功率小而峰值功率大，具有一定脈動特性。系統(tǒng)運行時脈沖負載電壓呈現(xiàn)周期性跳躍波動，反作用到交流側電路，會導致同步機輸出端電壓同樣產生劇烈波動，電機本身通過AVR作用平穩(wěn)輸出電壓，因為波動劇烈，通過反饋作用需要不斷調節(jié)轉子勵磁以平穩(wěn)輸出電壓的變化。在勵磁反復調節(jié)的過程中，就會導致定子鐵心中磁感應強度超出膝點而進入飽和區(qū)，從而導致能量在傳遞過程中過多流失，無法送達輸出端，而使AVR的控制作用受到很大影響，因此無法忽略其影響。

與此同時脈沖負載的作用使電機輸出電流也存在一定程度的波動，當電流沖擊較高時則會產生較強的電樞磁場，對主磁場的加強作用同樣會將鐵心工作點推向飽和。這兩點因素的疊加使柴油機脈沖負載系統(tǒng)工作過程中同步機的磁飽和成為普遍現(xiàn)象，因而并不能忽略其對系統(tǒng)運行的影響。

圖1柴油發(fā)電機組-整流器-脈沖負載系統(tǒng)結構原理圖

2 同步發(fā)電機磁飽和現(xiàn)象仿真研究

相比于解析法，采用有限元法進行仿真分析，可以更貼近于實際，能夠準確確定電機中各部分的磁感應強度大小及磁飽和程度，因此本文選擇在Ansys Maxwell平臺搭建同步電機二維穩(wěn)態(tài)模型進行分析。

2.1 空載條件下同步發(fā)電機磁飽和研究

電機內部磁場組成復雜，本節(jié)僅研究轉子勵磁磁場對定子鐵心磁感應強度的影響，因此先采用空載運行分析，即電樞繞組開路。本文采用Ansys Maxwell軟件的穩(wěn)態(tài)場進行建模，為更好的模擬勵磁磁場的強度變化，采用永磁同步電機進行仿真分析，永磁電機定子結構與勵磁同步電機基本相同，而可以通過調節(jié)轉子表面永磁體的參數(shù)，方便的實現(xiàn)勵磁磁場的增減變化，分析對轉子鐵磁材料磁感應強度和磁飽和情況的影響。模型搭建如圖2所示，電機定子內徑、外徑分別為74mm和120mm，極數(shù)4，定子槽數(shù)24，鐵心和轉子軛采用DW465-50鐵磁材料，繞組材料定義為銅，永磁體材料矯頑力Hc為-947000A/Meter,剩余磁感應強度Br為1.25T[7]。

圖2永磁同步電機有限元模型

圖3模型磁密云圖

如圖3所示，對模型進行磁密云圖的分析可見，在轉子齒部磁感應強度較大，當勵磁增大時，磁飽和現(xiàn)象也將首先出現(xiàn)在此部分，因此取齒部鐵心靠近氣隙部分的一條曲線路徑進行磁感應強度分析。

圖4鐵心磁感應強度波形圖

如圖4可見，磁感應強度在兩繞組間的路徑上呈現(xiàn)不均勻的分布，越接近繞組，產生的磁感應強度越大，這是由于軟磁材料端部聚磁所致。

同時提取與此路徑臨近的一段氣隙磁密波形，用來直觀的表示轉子永磁體提供勵磁變化的情況。改變永磁體的矯頑力Hc，實現(xiàn)不同磁性輸出的變化，圖5為通過改永磁體矯頑力，而使氣隙磁密較均勻的增加，從0.8T增至1.15T，用來模擬柴油發(fā)電機輸出端電壓減小時，通過調節(jié)勵磁來穩(wěn)定輸出電壓的過程。

圖5氣隙磁密波形圖

圖6鐵心磁感應強度波形圖

與圖5各氣隙磁密對應的鐵心磁感應強度如圖6所示?？梢姡攧畲泡^小時，鐵心的磁感應強度隨勵磁增大而同比例增大，定子響應轉子勵磁的調節(jié)，可產生更大的輸出電壓；而當勵磁繼續(xù)增大時，鐵心的磁感應強度的增加速度變得非常緩慢，基本穩(wěn)定在2.05T左右，而通過查看所用定子鐵磁材料DW465-50的B-H曲線，如圖7所示，可知當磁場強度增加至超過2T時，磁感應強度漸趨平穩(wěn)，說明鐵磁材料達到飽和。這與上文得到的結果一致，當氣隙磁密增加到1.1T時，轉子鐵心磁感應強度趨向飽和，因此電樞繞組也無法再隨勵磁增大感應更大的輸出電壓，說明磁飽和現(xiàn)象確實影響了電機內部的能量傳遞，使AVR的調節(jié)作用受到很大限制。

圖7 DW465-50材料B-H曲線

2.2 負載運行時同步發(fā)電機磁飽和研究

當發(fā)電機帶上常規(guī)負載后，電樞三相繞組中將感應出對稱的三相電流，此時電樞繞組就會產生電樞磁動勢及相應的電樞磁場。電樞磁場同樣以同步速度旋轉，與轉子的主磁場保持相對靜止，因此，鐵心中的磁感應強度實際是主極磁動勢和電樞磁動勢共同作用產生的。

當帶脈沖負載運行時，脈沖負載的脈動周期在十毫秒級，而電機的AVR從檢測到電壓變化到完成調節(jié)的作用時間在百毫秒級，這說明AVR并不能及時抑制脈沖負載引起的的電壓波動甚至無法在一個脈動周期內完成電壓平復，因此電樞電流勢必存在一定幅度的跳動，產生的電樞磁場也會有強弱的波動，其對鐵心中合成磁感應強度同樣存在一定程度的影響。

先設與主磁極軸正交的繞組電流為80A，另外兩相電流相位分別落后120°和240°，因此在這一瞬間另兩相繞組的電流值為40A，分別通過改變永磁體矯頑力設置氣隙磁密峰值大致為0.7T、0.8T、0.9T、1T和1.1T，提取鐵心路徑上合成磁感應強度波形如圖8所示。

圖8鐵心路徑上合成感應強度波形圖

在圖8中，鐵心中的磁感應強度較空載狀況相比有一定升高，在氣隙磁密達到1T時已經進入飽和，變化相對平緩。

通過柴油發(fā)電機組帶脈沖負載試驗了解到高壓側，即同步機輸出電流側電流波動可達幾十安，因此，將與主磁極軸正交的繞組電流提高到120A，另外兩項同樣增至60A，模擬脈沖負載瞬時功率跳躍時對同步機輸出側的反作用。此時，設置氣隙磁密梯度不變，同樣提取鐵心路徑上合成磁感應強度波形，從圖9中可以看出，當氣隙磁密達到0.9T時，鐵心磁感應強度變化已經變慢，進入飽和狀態(tài)。

圖9高電流磁感應強度波形圖

通過上述分析可知，電樞電流感應出的電樞磁場對勵磁磁場的增磁作用，使鐵心的磁飽和效應更加明顯。而脈沖負載導致的電樞電流的大幅度波動，更加劇了電樞磁場的作用，使電機更易進入飽和狀態(tài)，影響電樞反應和勵磁調節(jié)的正常工作。

2.3 改善同步發(fā)電機磁飽和對脈沖負載供電系統(tǒng)的意義

工程應用中，柴油發(fā)電機組通常經過整流器接直流脈沖負載，柴油發(fā)電機組的輸出電流會出現(xiàn)周期性的大幅波動，交流電壓產生畸變，頻率也會有很大程度的波動，當脈沖負載作用強烈時，還可能造成機組停運引起供電中斷，影響設備的正常工作，甚至損壞發(fā)電機組或用電設備。為避免柴油發(fā)電機組因脈沖負載的沖擊而發(fā)生故障，目前廣泛采用增大柴油發(fā)電機組容量的措施，即“大馬拉小車”的方式[8]。一方面可能造成機組過度配置；另一方面也會使用更多的能源，造成浪費。通過本文分析可以確定同步發(fā)電機內部鐵磁材料的磁飽和也是導致脈沖負載系統(tǒng)源荷功率匹配問題的影響因素之一，通過有效措施緩解磁飽和提高同步發(fā)電機的能量傳遞效率，可以有效改善柴油發(fā)電機的輸出電能質量。

3 結語

本文介紹了脈沖負載下同步發(fā)電機磁飽和現(xiàn)象產生的原理，搭建了同步發(fā)電機的有限元仿真模型，并根據此模型研究勵磁磁場和電樞電流分別增大時對定子鐵心磁飽和程度的影響規(guī)律，用于模擬脈沖負載作用下同步發(fā)電機內部磁場的變化規(guī)律，結果表明兩個變量對定子鐵心的磁飽和都有不同程度的加劇作用。最后本文提出了可以通過改善定子鐵心的磁飽和提高同步發(fā)電機內部的能量傳遞效率，達到改善柴油發(fā)電機的輸出電能質量的目的，一定程度解決目前柴油發(fā)電機容量和負載大小不匹配的“大馬拉小車”現(xiàn)狀。

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