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        同步發(fā)電機阻尼繞組對脈沖負載系統(tǒng)影響研究

        2018-12-05 07:15:12,,
        防爆電機 2018年6期
        關(guān)鍵詞:發(fā)電機

        ,,

        (陸軍工程大學(xué)國防工程學(xué)院,江蘇南京210007)

        0 引言

        隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展,用電設(shè)備電力電子化已成為重要發(fā)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(xiàn),裝備用電負荷以間歇方式工作,對供電系統(tǒng)而言,是典型的脈沖功率負載,其基本特征表現(xiàn)為平均功率低、峰值功率高,與常規(guī)線性負荷特性迥異[1]。脈沖負載的頻繁突變,對電源側(cè)形成反復(fù)的加卸載作用,也將造成發(fā)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(tǒng)穩(wěn)定運行。

        大多數(shù)發(fā)電機都裝有阻尼繞組結(jié)構(gòu),其主要的作用為對電力系統(tǒng)的擾動起到一定阻尼效果,以及對電壓畸變的調(diào)節(jié)作用,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。針對阻尼繞組的作用,國內(nèi)外學(xué)者均進行了相關(guān)的研究,文獻[2]利用解析法從直軸、交軸回路和磁導(dǎo)出發(fā),對阻尼條中的感應(yīng)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(jié)構(gòu)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(fā)電機電樞繞組內(nèi)部短路時的阻尼繞組電流瞬態(tài)響應(yīng)過程;文獻[5]利用場路耦合法計算了轉(zhuǎn)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(fā)電機在電樞繞組發(fā)生故障時阻尼繞組電流的暫態(tài)響應(yīng)及產(chǎn)生的附加損耗;文獻[7]利用時變有限元法對凸極同步發(fā)電機阻尼繞組的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化并分析了其產(chǎn)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(fā)電機阻尼繞組不同設(shè)計方案對發(fā)電機外特性的影響情況。但對于脈沖負載這種復(fù)雜的負載類型在工作過程中引起的阻尼繞組感應(yīng)電流以及其對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響情況并沒有相應(yīng)的研究。

        本文以柴油發(fā)電機組帶脈沖負載系統(tǒng)為研究對象,利用Maxwell和Simplorer軟件搭建了同步發(fā)電機帶脈沖負載系統(tǒng)的動態(tài)聯(lián)合仿真模型,通過仿真分析了同步發(fā)電機阻尼繞組結(jié)構(gòu)在脈沖負載系統(tǒng)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(tǒng)進行仿真分析,電機采用某公司提供的相關(guān)參數(shù)建模,電機主機和勵磁機模型如圖1所示。

        圖1 發(fā)電機有限元模型

        利用拓撲結(jié)構(gòu)搭建了諧波勵磁調(diào)壓系統(tǒng)的外電路,如圖2所示。

        圖2 勵磁調(diào)壓系統(tǒng)拓撲

        圖2中S1為發(fā)電機諧波繞組,S2為勵磁機勵磁繞組,U0為發(fā)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(jié)構(gòu)的外電路搭建,其中R1、R2、R3、R4對應(yīng)電機模型的阻尼繞組,采用全籠結(jié)構(gòu),即所有極上阻尼條依次連接為籠狀。

        圖3 阻尼繞組結(jié)構(gòu)電路圖

        脈沖負載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示,由三相橋式不可控整流器級聯(lián)Buck電路后接周期性通斷的電阻負載組成,可實現(xiàn)脈沖周期,開關(guān)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(fā)電機三相輸出端相連,完成發(fā)電機帶脈沖負載系統(tǒng)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(tǒng)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(tài)的復(fù)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(xiàn)象與產(chǎn)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(tǒng)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(fā)電機定子槽的存在,使氣隙磁導(dǎo)分布不均勻,氣隙磁密對應(yīng)位置也出現(xiàn)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(zhì)量,而阻尼繞組如鼠籠分布于轉(zhuǎn)子外周,當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時,氣隙磁密的不均勻同樣會在阻尼條上感應(yīng)出高頻電流,其產(chǎn)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(shè)為0.1ms,充分體現(xiàn)齒諧波的波形情況。發(fā)電機空載狀態(tài)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(dǎo)致的氣隙磁密的不均勻分布同樣在阻尼條上感應(yīng)出相對應(yīng)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(chǎn)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(jié)距比有關(guān),本文的阻尼節(jié)距比近似1.5,對應(yīng)阻尼槽諧波分量為23次和25次諧波,而當阻尼節(jié)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(shè)計時阻尼條的節(jié)距應(yīng)避免為定子槽距的整數(shù)倍或一半[9]。

        2.2 阻尼繞組對帶載電壓畸變的影響

        發(fā)電機帶脈沖負載運行時,由于整流系統(tǒng)以及電樞繞組諧波電流的影響,電機輸出端電壓會發(fā)生一定程度的畸變,會使輸出電能質(zhì)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(fā)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(jié)將仿真步長設(shè)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(xiàn)較規(guī)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(dǎo)致的電壓畸變情況及其原因。設(shè)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(fā)電機帶脈沖負載工作情況下,開關(guān)閉合時負載導(dǎo)通,由于整流系統(tǒng)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(chǎn)生相對應(yīng)的5次和7次時間諧波磁場,并在電樞繞組中感應(yīng)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(yīng)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(dǎo)通階段,阻尼條感應(yīng)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(tài)的轉(zhuǎn)換,將使阻尼條電流在這兩個階段產(chǎn)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(chǎn)生與電樞繞組時間諧波磁場同頻率和同轉(zhuǎn)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(tài)時主要產(chǎn)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(tǒng)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(chǎn)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(tài),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(fā)生突變時,其產(chǎn)生的磁通也將產(chǎn)生變化,由于轉(zhuǎn)子磁鏈不能突變,此時轉(zhuǎn)子勵磁繞組上將感應(yīng)出一磁化方向與電樞磁場變化方向相反的感應(yīng)電流,其產(chǎn)生的磁通抵消了要穿過轉(zhuǎn)子繞組的變化電樞磁通,因此,電樞磁通只能從轉(zhuǎn)子外側(cè)的漏磁路通過,如圖12所示,此回路的阻抗相對于穩(wěn)態(tài)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(tài)電抗Xd′。

        圖12 無阻尼電樞磁通回路

        而當轉(zhuǎn)子上有阻尼繞組結(jié)構(gòu)時,電樞電流突變時其磁鏈也不能突變,因此其上也將產(chǎn)生感應(yīng)磁通阻礙轉(zhuǎn)子變化磁通通過,所以,電樞磁通只能從阻尼和轉(zhuǎn)子繞組更外側(cè)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(tài)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(chǎn)生較小的交軸超瞬態(tài)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(yīng)整流換向角也變小,導(dǎo)致?lián)Q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(zhuǎn)速波動的影響

        阻尼繞組結(jié)構(gòu)最主要的作用是對發(fā)電機機械動態(tài)穩(wěn)定的調(diào)節(jié)作用。當發(fā)電機出現(xiàn)擾動使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降時,此時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速小于定子電樞磁場的轉(zhuǎn)速,兩者形成轉(zhuǎn)速差將使阻尼繞組在擾動瞬間切割定子電樞磁通而產(chǎn)生感應(yīng)電流,此電流在阻尼繞組上將產(chǎn)生力矩,從而使轉(zhuǎn)子加速,對轉(zhuǎn)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(fā)電機轉(zhuǎn)速產(chǎn)生一定的波動,導(dǎo)致輸出電能頻率不穩(wěn)。但阻尼繞組對轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)作用是建立在并網(wǎng)運行狀態(tài)的,由于大電網(wǎng)的限制才能使電樞磁場轉(zhuǎn)速基本恒定,從而形成轉(zhuǎn)速差;在柴油機單獨帶載狀態(tài)下,輸出電壓僅由發(fā)電機電樞反應(yīng)產(chǎn)生,因此對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速變化,定子旋轉(zhuǎn)磁場也將同步變化,并不能形成轉(zhuǎn)速差,因而不能起到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的作用。而實際應(yīng)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(wǎng)的地點,因此基本采用柴油發(fā)電機組單獨為脈沖負載提供電能,此狀況下,利用發(fā)電機的阻尼繞組并不能對脈沖負載導(dǎo)致的電壓頻率波動起到有效地調(diào)節(jié)作用。

        3 結(jié)語

        本文搭建了發(fā)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(zhuǎn)速波動調(diào)節(jié)三方面分析了阻尼繞組在脈沖負載系統(tǒng)中所起的作用。結(jié)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(shè)計時阻尼條的節(jié)距應(yīng)避免為定子槽距的整數(shù)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(dǎo)致的發(fā)電機轉(zhuǎn)速的波動,由于系統(tǒng)基本運行在離網(wǎng)條件下,無法形成轉(zhuǎn)子和電樞磁場的轉(zhuǎn)速差,因此阻尼繞組對轉(zhuǎn)速波動起不到調(diào)節(jié)作用。

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