船用柴油发电机模拟机的设计

2010-06-05苏正伟冉墨男陈兵韩春雷

船电技术 2010年8期

关键词：电抗瞬态原型

苏正伟冉墨男陈兵韩春雷

（武汉第二船舶设计研究所, 武汉 430064）

1 引言

研制模拟柴油发电机的目的，是为了在动态模拟实验室中，用小容量发电机来模拟原型柴油发电机的运行特性。

2 设计原则和方法

2.1 理论依据

相似理论[1]是模拟电机对原型电机进行模拟的理论基础。在相似条件的判断中，将电机的各种参数换算成标幺值，作为模拟机与原型机的相似指标[2]。

2.2 设计原则

根据模拟柴油发电机的运行条件，并考虑到对突然短路电流的模拟，确定模拟柴油发电机的基本设计原则为：

（2）以标幺值表示的空载特性与原型发电机相近，空载电动势波形接近正弦波。

（3）电磁结构尽量与原型发电机相同，尽量经济、可靠和拆装方便。

（4）由于模拟电机的电磁负荷远小于常规电机，在相同额定转速下的损耗相对较大，因此，对模拟电机的温升和效率不进行考核。

2.3 设计依据

原型柴油发电机的大部分设计参数由某船用“柴油发电机技术设计资料”给出。

模拟柴油发电机的相数、额定频率、额定转速、输出电压都与原型发电机的相同，输出功率和额定电流均按照模拟比，缩小为原型发电机的1/125。

2.4 设计方法

根据上述的设计原则和依据，首先应确定原型发电机的额定值，然后根据模拟比确定模拟发电机的额定值，并以额定值作为基值，来计算模拟发电机的参数标幺值。

模拟发电机的电磁设计方法与一般发电机的不同，主要是应在满足特定参数要求的基础上来确定发电机的主要尺寸。其主要过程是：

（1）根据惯性常数 Hj来确定模拟发电机的定子内径Di1和定子铁心长度lt；

（2）根据直轴同步电抗标幺值Xd，确定发电机的电磁负荷A（线负荷）、Bδ（气隙磁通密度）和气隙长度δ，在选择气隙长度δ 时还要考虑发电机的制造工艺条件。

（3）根据参数和电磁负荷以及定子电流密度的要求，确定定子槽形和绕组线规；

3 模拟柴油发电机设计

3.1 原型柴油发电机特性

原型柴油发电机的性能指标由某“柴油发电机试验报告”和“柴油发电机技术设计资料”给出，具体的额定值、参数标么值、时间常数、惯性常数Hj、空载特性等内容可查阅相关文献资料。

需要特别指出的是，原型柴油发电机有三种运行工况，在三种工况下，参数的标幺值是不同的。经过计算分析可以看出，这是由于在不同的工况下采用了不同的电压、电流基值所致。因此选定原型发电机的第二种工况为额定工况，以此为基值来计算各参数的标么值。

3.2 模拟柴油机电磁设计

3.2.1 模拟柴油发电机额定值的确定

按照规定的模拟比，可得模拟柴油发电机的额定值为：

相数m＝12；

额定频率fN＝120 Hz；

额定转速nN＝1800 r/min（极数2p＝8）；

额定相电压UNφ＝UnII＝102.64 V；

额定相电流 INφ＝InII＝5.94 A；

额定容量 SN＝mUNφINφ＝7.32 kVA

额定功率PN＝PnII/125＝5.704 kW；

额定功率因数cosϕN＝0.7792；

阻抗基值 ZN＝UNφ/ INφ＝17.28 Ω。

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3.2.2 电磁设计方案

根据上面确定的模拟柴油发电机额定值，进行了模拟柴油发电机的电磁设计。设计中以着重模拟直轴超瞬态电抗为原则，对模拟柴油发电机的电磁设计方案进行了多次调整。在保证模拟发电机的超瞬态电抗 X”d标幺值与原型发电机的基本相同的前提下，也尽量保证二者稳态参数（Ra、Xd、Xq）标幺值、空载特性（以标幺值表示）以及惯性常数Hj的一致性，同时考虑工厂加工工艺方面的要求。但是，在这些限定条件下，难以很好地同时满足全部稳态参数和其他瞬态参数的模拟要求，因此，需要在稳态参数和瞬态参数的模拟之间做折中处理。

最终的模拟柴油发电机的电磁设计方案的部分主要结果如表1所示。

表1 模拟柴油发电机的电磁设计部分结果

3.2.3 设计分析与说明

将以上设计计算结果与原型发电机的设计值进行比较，可以看出：

（1）模拟发电机定子绕组电阻 Ra和直、交轴同步电抗Xd、Xq的标幺值与原型发电机的基本相同（Ra、Xd、Xq分别相差－8.86%、－10.9%和－5.60%，负号表示模拟发电机的设计值比原型发电机的设计值偏小）。

（2）模拟发电机以标幺值表示的空载特性与原型发电机的基本一致，在 0.8UN和 1.4UN时，励磁电流标幺值分别相差－0.75%和5.12%，且在此电压范围之内，励磁电流标幺值之差基本上小于3%。

（3）模拟发电机励磁绕组的电阻 Rf、电抗Xf的设计结果分别为0.00422和1.616（标幺值），励磁绕组时间常数Td0及瞬态时间常数Td′偏小。其原因应是Rf标幺值比原型发电机的偏大。在需要对这两个时间常数进行比较准确的模拟时，可在转子励磁回路中串入负电阻，对它们进行补偿。例如，串入标幺值为0.00222的负电阻（为Rf的52.6%），即可使励磁绕组电阻标幺值减小为0.002，使Td0由0.508 s增大至1.072 s，使瞬态时间常数Td′由0.064 s增大为0.135 s。如此补偿后，Td0、Td′分别与原型发电机的相差 7.13%和－8.70%，可以较好地满足对这两个时间常数模拟的要求。

（4）模拟发电机直轴超瞬态电抗Xd′的设计值与原型发电机的基本相同（相差3.85%）；惯性常数Hj的设计值为3.256 s，与原型发电机的基本相同（相差10.4%）。

（5）模拟发电机交轴超瞬态电抗Xq′的设计值与原型发电机的相差23.4%（负序电抗X2标幺值的设计值为0.127，与原型发电机的0.112相差13.4%）。直轴瞬态电抗 Xd′与原型发电机的相差－24.0%，超瞬态时间常数 Td′ 相差较大（为－75.6%）。

造成这些参数偏差较大的原因，在于模拟发电机设计中面临的如下主要限制和困难：

① 为了满足惯性常数 Hj的要求，转子外径不能过大，从而限制了转子磁极尺寸和励磁绕组匝数，因此电机的外形尺寸就受到限制。因此，难以在满足惯性常数 Hj要求的情况下同时全面满足对瞬态参数和超瞬态参数的模拟要求。

② 对于 12相、8极的发电机，其极数较常规发电机的多，因此，在转子尺寸受限的条件下，再考虑到转子的机械加工要求和保证其有足够的机械强度，磁极尺寸和阻尼绕组的设计进一步受到限制。所以，转子阻尼导条的直径不能太大，这就使阻尼绕组的电阻标幺值较大，直接导致超瞬态时间常数Td′ 与原型机的相差较大。

③ 直轴同步电抗标幺值 Xd的要求，限制了发电机的线负荷 A和气隙磁通密度 Bδ以及气隙长度的选择。加上交轴同步电抗 Xq标幺值的要求，对气隙长度和转子磁极尺寸就有更多的限定条件。也就是说，在基本满足对同步电抗Xd、Xq模拟要求的条件下，难以通过改变转子磁极的尺寸来调整瞬态和超瞬态电抗参数的大小。

④ 由于相数和极数多，定子槽数需要较多，使定子槽形呈窄长状，定子齿宽也比一般少极数发电机的偏小。此外，为了使电枢电阻标幺值与原型发电机的一致，需要增加定子槽面积，因此就要增大定子齿的高度，这就使定子绕组漏电抗较大，也使超瞬态电抗值难以减小（因为超瞬态电抗中包含漏电抗），这就需要与电枢电阻、同步电抗等一起统筹考虑。

所以，在12相、8极柴油发电机的瞬态参数模拟、稳态参数（包括同步电抗、电枢电阻、空载特性）模拟以及惯性常数模拟之间存在着比较突出的矛盾[3]。在设计中，针对最为关键的某些参数，对电磁设计方案做反复调整，进行适当的折中处理。上述设计方案就是考虑到模拟发电机用于直流供电系统的运行状况，侧重于模拟发电机稳态运行特性和突然短路（超瞬态）电流变化规律的一种设计，因此，直轴超瞬态电抗、空载特性与原型发电机的一致，电枢绕组电阻、同步电抗、惯性常数基本相同。

此外，从表1可以看出，所设计的模拟发电机的定、转子电流密度和电磁负荷、热负荷都很低，因此发电机的发热和温升不必考核。