黃賢法,趙 博,鮑曉華,翁德紅

(1.合肥工業(yè)大學 電氣與自動化工程學院,合肥 230009; 2.安徽艾格賽特電機科技有限公司, 合肥 230031)

0 引 言

勵磁調節(jié)對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性起著非常重要的作用,一方面可以提高電力系統(tǒng)的靜態(tài)穩(wěn)定性,另一方面當電力系統(tǒng)遭受大擾動時,可以調節(jié)電力系的暫態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性,因此越來越多學者開始關注勵磁系統(tǒng)的性能優(yōu)化。電力系統(tǒng)中常見的三級式無刷交流發(fā)電系統(tǒng)[1]主要是由同步發(fā)電機、主勵磁機、副勵磁機、旋轉整流器和勵磁調節(jié)器五部分組成,其中的主勵磁機為一個旋轉電樞式的同步發(fā)電機,通過旋轉整流器與主發(fā)電機的勵磁繞組連接,當主發(fā)電機處于不穩(wěn)定狀態(tài)或受到大擾動時,勵磁調節(jié)器通過調節(jié)主勵磁機的勵磁電流,進而控制主發(fā)電機的勵磁電流來維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于交流勵磁機的特殊結構及其特殊工作方式,交流勵磁機的設計就不能按照常規(guī)同步發(fā)電機的程序來進行,而是要采用一套專門的設計程序[2-3]和設計規(guī)范[4]設計。

交流勵磁機為一個旋轉電樞式的同步發(fā)電機,其電樞是由很多匝線圈繞制而成,線圈繞制會導致電樞電感的存在,而這個電感會引起旋轉整流器在自然換相點處無法瞬間從一相換到另一相,從而產(chǎn)生一個換相延遲現(xiàn)象。這一現(xiàn)象的存在會導致交流勵磁機輸出電壓和輸出電流發(fā)生嚴重的畸變現(xiàn)象,同時勵磁機的損耗也會增多,因此交流勵磁機的換相角是一個不可忽視的問題。

文獻[5]通過對比在考慮和不考慮換相重疊角時諧波電流的大小,驗證了六脈沖整流電路中諧波電流與換相角存在著很大的關系,得出通過減小換相角可以減小整流電路的諧波含有量,提高電能質量。

文獻[6-10]利用電路等效以及電路仿真的方法,分析了整流電路中換相過程,推導了發(fā)電機整流電路的換相重疊角以及換相壓降。

文獻[11-12]研究了發(fā)電機整流電路中存在著大量諧波,通過在發(fā)電機的電樞繞組中添加阻尼繞組可以減小同步發(fā)電機交直流側諧波的含量。

無刷交流勵磁機的定子為磁極,轉子為電樞,如圖1所示,這種結構省略了電刷與集電環(huán)的維護,減少了碳刷的磨損以及電火花的產(chǎn)生[13],提高了勵磁發(fā)電的可靠性和安全性。然而,這種勵磁方式必須經(jīng)過旋轉整流器來為主發(fā)電機提供勵磁電流,由于交流勵磁機的電樞相當于一個電感元器件,當電樞繞組電流突變時,電樞的電感特性會阻礙這種變化,從而產(chǎn)生一個換相角,換相角的存在會使輸出電壓電流波形發(fā)生嚴重畸變現(xiàn)象,影響輸出電能質量。

圖1 無刷交流勵磁機的結構圖

本文為了減小交流勵磁機的換相角,提高電能質量,在勵磁機的定子磁極上加裝阻尼繞組,不僅增大了直軸超瞬態(tài)電抗[14],實現(xiàn)了減小換相角的目的,還有效改善了勵磁機的合成磁通波形,使磁通中的大部分諧波被阻尼回路中的阻尼導條吸收。這樣,勵磁機電樞由于換相角的存在而產(chǎn)生的諧波含量減少,暫態(tài)電動勢波形更接近正弦形。

1 不可控整流器電路中的換相過程分析

1.1 勵磁系統(tǒng)的等值電路

勵磁系統(tǒng)中的旋轉整流器為一個三相橋式整流電路,其等值電路如圖2所示。在這個等值電路中ea、eb、ec為交流勵磁機的等值電動勢,Lr為勵磁機電樞端到整流橋輸入端的等值換相電感。由于勵磁機的電樞電感遠遠大于電樞電阻,所以電阻基本可以忽略不記。

圖2 旋轉整流器的等值電路

實際的勵磁系統(tǒng)中往往存在著多方面的干擾因素,本文為了能夠更好地分析勵磁系統(tǒng)的等值電路模型,作以下假設:

1) 勵磁機的空載氣隙磁場是一個標準正弦波;

2) 不考慮勵磁機的電樞反應;

3) 忽略定轉子鐵心疊片的磁阻。

本文以交流勵磁機的等值線電動勢為基準,其對應的表達式:

(1)

1.2 換相狀態(tài)分析

勵磁系統(tǒng)正常工作時,一般工作于第一種換相狀態(tài),本文也是針對第一種換相狀態(tài)進行電路分析,每一周期中的工作過程可劃分為兩個區(qū)間:非換相區(qū)和換相區(qū),由于兩個工作區(qū)的工作過程有著很大差別,所以必須分開進行討論。

(1)非換相區(qū)

當整流器工作在非換相期間時,陽極組和陰極組中通常各有一個二極管導通并流過整流電流,例如V5和V6兩個二極管處于導通狀態(tài),其等值電路如圖3所示。此時,整流電路可以穩(wěn)定地輸出整流電流Id,不會在換相電抗上產(chǎn)生換相壓降。整流電壓Ud輸出的電壓波形也與旋轉整流器交流側線電壓一致。

圖3 V5和V6導通

(2)換相區(qū)

由于等值換相電抗Lr的存在,換相過程在自然換相點處無法從一相瞬間換到另一相,出現(xiàn)延遲換相的現(xiàn)象,致使存在3個二極管同時導通的現(xiàn)象。例如,此時整流元件V1和V5之間開始換相,只有當流過V5元件電流下降為零,流過V1元件電流上升為整流電流時,換相過程才能結束,V1和V5換相過程的等值電路如圖4所示。

圖4 V5和V1換相

根據(jù)換相時的等值電路,可列出下面這些方程:

由KVL可得:

(2)

換路過程中,ea>ec,為簡化換相過程,假設ir的方向是順時針方向流動,此時:

i1=ir,i5=Id-ir

(3)

式中:Id為整流回路輸出的直流電流。

將式(3)代入式(2),可得:

(4)

Id為直流電流,對式(4)整理可得:

(5)

對式(5)兩邊同時進行積分,可得:

(6)

式中:Xr每相換相電抗;ω為勵磁機的基波角頻率;E為交流電源線電動勢有效值;A積分常數(shù)。

二極管V5和V1在換相的瞬間,電流不會發(fā)生突變,所以i1=ir=0,可得:

(7)

將式(7)代入式(6)可得:

(8)

1.3 換相角

隨著ωt的增加,流過二極管V1的電流不斷增加,而流過二極管V5的電流不斷減小,最后經(jīng)過換相角γ所對應的時間后,電流i1增大到Id,由式(8)可得:

(9)

由式(9)可得換相角:

(10)

由式(10)可知,當交流勵磁機的線電動勢保持不變時,換相角的大小與勵磁系統(tǒng)的換相電抗和輸出的整流電流有關,通過減小換相電抗或者輸出直流電流,可使換相角有所減小。輸出整流電流為同步發(fā)電機所需電流,一般無法改變,本文通過減小換相電抗來減小換相角。

2 勵磁機阻尼繞組的設計

常見的交流勵磁機是旋轉電樞式同步發(fā)電機,磁極安裝在定子上,磁極結構如圖5所示。為了減小交流勵磁機的換相角,通過在原有磁極的基礎上添加阻尼繞組,如圖6所示。阻尼繞組[15]在結構上可等價于在勵磁繞組外疊加一個短路的鼠籠環(huán),對交流勵磁機的動態(tài)穩(wěn)定性起調節(jié)作用。當整流器發(fā)生換相時,換相電抗的存在會使電樞電流發(fā)生突變,相應的磁通也會隨之發(fā)生變化。而轉子磁鏈往往是固定的,勵磁繞組上將感生出一個與勵磁電流相反的電流來阻止磁通的變化,電樞磁通只能從磁阻較小的磁極漏磁路通過,當磁極上裝有阻尼繞組時,阻尼繞組的存在也將會產(chǎn)生一個磁通來阻礙轉子變化磁通的通過,此時的電樞磁通只能從阻尼繞組和勵磁繞組的外側流過,從而減小了直軸超瞬態(tài)電抗X″d。交流勵磁機工作在第一種工作狀態(tài)下,勵磁機的換相電抗近似等于直軸超瞬態(tài)電抗:

(11)

圖5 勵磁機的磁極形狀

圖6 帶阻尼繞組的交流勵磁機磁極

由式(11)可得,阻尼繞組的引入,會導致勵磁機的換相電抗的減小,從而減小勵磁機的換相角。

本文的交流勵磁機基本參數(shù)如表1所示,其中包括額定功率、直流電壓、直流電流、轉速、極數(shù)、主要尺寸等。

表1 交流勵磁機的額定參數(shù)及尺寸

2.1 阻尼繞組節(jié)距的選擇

式中:q為每極每相槽數(shù);t2為阻尼繞組節(jié)距;t1為轉子外圓齒距;ns為阻尼繞阻槽數(shù);τ為極距。

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù),確定勵磁機模型:q=2;t1=24.08 mm;τ=144.51 mm,在滿足阻尼條節(jié)距選擇條件下,本文選擇阻尼槽數(shù)為9,阻尼條節(jié)距為9.79 mm。

2.2 阻尼條直徑的選擇

本文的阻尼條是安裝在定子磁極上的,阻尼條直徑可通過下式計算:

(12)

式中:Ad為每根阻尼條的截面。Ad可通過下式計算:

(13)

式中:K為經(jīng)驗系數(shù),取K=0.2;Ns為每槽導體數(shù);Ac為每匝導體截面積。

根據(jù)式(12)和式(13),結合表1給定的數(shù)據(jù),本文的阻尼條直徑ds=2.78 mm。

3 場路耦合仿真與分析

3.1 交流勵磁機的有限元模型

簡單的電路分析無法真實反映勵磁機的真實工作狀態(tài),在電路分析時沒有考慮諧波和電樞反應對主磁場的影響,因此電路分析不能準確反映勵磁機的工作過程。本文利用ANSYS仿真軟件搭建Maxwell和MaxCir場路耦合仿真模型[17-18]對含有阻尼繞組的交流勵磁機進行仿真分析。根據(jù)表1所給的樣機尺寸來繪制勵磁機的二維幾何模型,如圖7所示。將旋轉整流器等效為一個理想的三相橋式整流電路,與電磁場模型進行耦合仿真,在MaxCir進行外電路搭建,如圖8所示。其中LA、LB、LC為有限元模型中的轉子電樞繞組。L為電樞繞組端部電感;R為電樞繞組端部電阻;Rf,Lf為主發(fā)電機勵磁繞組所等效的電阻和電感參數(shù)。通過電磁場與外電路的耦合將2D電磁場有限元計算所不能考慮的端部電抗等參數(shù)考慮進去,并搭建了整流橋,反映了實際的工況。

圖7 勵磁機的有限元模型

圖8 MaxCir等效電路

由前文對于阻尼繞組的設計,在繪出的勵磁機模型的磁極上設置9根阻尼條,將阻尼條的材料定義為銅,連接方式為全阻尼,繪制出含有阻尼繞組的勵磁機二模型,如圖9所示。

圖9 含有阻尼繞組的勵磁機有限元模型

3.2 阻尼繞組對交流勵磁機的影響

勵磁系統(tǒng)的旋轉整流器在負載工作時存在著頻繁的換相問題,換相電感的存在使相電流無法在自然換相點處瞬間完成換相,交流側輸出電壓電流波形如圖10所示。關斷相的電流逐漸降為零,而開通相的電流逐漸上升至負載電流,在這個過程中就會產(chǎn)生一個換相角γ,同時在這個換相過程也會產(chǎn)生一個換相壓降ΔU。換相重疊角的存在會導致電壓波形的凹陷,在換相截止時,換相重疊角的存在又會導致電壓波形的凸起,因此這個換相角的存在會導致勵磁機的輸出電壓波形發(fā)生嚴重的失真現(xiàn)象,降低整流輸出電壓質量。

圖10 整流器交流側電壓電流波形

對有無阻尼繞組的交流勵磁機進行仿真,可以得到以下仿真波形,圖11為旋轉整流器交流側電流對比圖,圖12為旋轉整流器直流側電壓對比圖,圖13為旋轉整流器直流側電流對比圖。

圖11 旋轉整流器交流側電流對比

圖12 旋轉整流器直流側電壓對比

圖13 旋轉整流器直流側電流對比

從圖11的換相過程可以看出,當電流處于A、C換相狀態(tài)時,A相繞組電流逐漸減小,C相繞組電流逐漸增大。當A相電流減小為零,C相電流增大為負載電流時換相過程結束。不含阻尼繞組時需要經(jīng)過0.83 ms完成換相,含有阻尼繞組時只需要經(jīng)過0.63 ms即可完成換相,利用γ=ωt公式,可以計算出換相角,此時無阻尼時換相角為59.76°,而有阻尼時換相角為45.36°,在添加阻尼繞組后換相角被減小。

圖12為整流器直流側電壓波形圖。當加入阻尼繞組后,輸出直流電壓的波動從原來的59%下降到37.35%,這是由于勵磁機磁通中的高次諧波大部分為阻尼回路所吸收,轉子回路的合成磁鏈有較大的改善,近似按正弦規(guī)律變化,從而改善了勵磁機的輸出電壓。

圖13為整流器直流側電流波形圖。阻尼繞組的存在會使輸出的直流電流波動從原來的13.9 A下降到9.3 A,減小了直流電流的波動,提高了同步發(fā)電機的穩(wěn)定性。

4 實驗平臺

為了驗證交流勵磁機負載工作時有限元模型搭建的合理性,搭建了如圖14所示的勵磁機整流發(fā)電實驗組平臺。其工作原理如下,首先由拖動電機拖動勵磁機到額定轉速運轉,然后利用勵磁柜來調節(jié)勵磁機的勵磁電流,將勵磁機輸出的交流電經(jīng)旋轉整流器整流后供給恒電阻負載,通過不斷增加勵磁機的勵磁電流來獲得空載特性和恒電阻負載特性,觀察勵磁機的設計是否合理。

圖14 交流勵磁機實驗平臺

使用拖動電機驅動勵磁機以額定轉速運行,然后對樣機經(jīng)旋轉整流器輸出的電壓電流值進行測量,測試時,將恒電阻值調整為與模擬設定值相同的值。

勵磁機的作用是為主發(fā)電機提供一個直流勵磁,其負載類型看作一個整流負載,本文主要關注點在于經(jīng)旋轉整流器整流后所輸出的直流電壓和直流電流。

通過實驗平臺對勵磁機進行空載實驗,然后將所得的數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進行對比,如圖15所示。由空載特性曲線可以知道,交流勵磁機工作在線性放大區(qū),符合勵磁機的設計原則,同時實驗所獲得空載特性曲線與有限元仿真是曲線基本重合,說明搭建的有限元模型是合理的。

圖15 空載特性曲線

通過實驗平臺對勵磁機進行負載實驗,然后將所得的數(shù)據(jù)與有限元仿真數(shù)據(jù)對比,如圖16所示?？梢园l(fā)現(xiàn),仿真所得到的負載特性曲線與實驗所測得的特性曲線存在著少量偏差,這可能是由于端部電阻設置得過小以及忽略了熔斷器的電阻所導致。

圖16 恒電阻負載特性曲線

5 結 語

本文首先利用電路分析來驗證換相角的存在,通過換相過程的分析來推導出換相角的計算公式,由公式知道換相電抗對換相角的影響較大,然后通過在磁極上添加阻尼繞組來減小交流勵磁機的換相電抗,進而減小換相角。同時,本文為了驗證分析的正確性,利用ANSYS仿真軟件搭建了交流勵磁機的仿真模型,通過對比有無阻尼繞組時的仿真結果,可以得出以下結論:

1)利用等值電路分析的方法,分析了不控整流電路的換相過程,同時推導出換相的計算公式,得出減小換相電抗可以減小換相角的結論。

2)換相角的存在對旋轉整流器輸出的直流電壓直流電流都有影響,通過減小換相角可以改善輸出電能質量。

3)加入阻尼繞組后,減小了交流勵磁機的換相電抗,進而減小了交流勵磁機的換相角。旋轉整流器交流測電壓波形畸變率以及直流側電壓的紋波也會減小,但存在著能量的損失。