同步发电机带脉冲负载的磁饱和问题研究

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(陆军工程大学国防工程学院，南京 210007)

0 引言

随着信息技术的发展，以相控阵雷达、通信装备为代表的负载包含了大量的电力电子开关器件，这类负载工作周期通常为毫秒级，消耗功率并不恒定，呈典型的脉冲特性，表现为平均功率低、峰值功率大，因此被称作脉冲负载。脉冲负载的间歇性冲击和频繁突变，对电源侧形成反复加减载作用，将引起供电系统功率的大范围波动[1]。

针对脉冲负载功率波动对系统的影响问题，文献[2]提出了采用电动辅助机构增强柴油发电机组抗脉冲功率负载扰动的方法，降低了机组的转速调整率；文献[3]讨论了飞行器普遍采用发电机经整流器带脉冲功率负载系统的动态行为，通过分析脉冲功率负载对发电机输出电源波动的畸变影响，提出了基于电流变化的改进发电机励磁调压方法；文献[4]通过阐述脉冲功率负载的工作机理，研究了大容量脉冲功率负载对电能质量的影响，设计了改善电能质量的滤波装置；为削弱脉冲功率负载对柴油发电机组供电系统的影响，文献[5]和文献[6]分别设计采用蓄电池加超级电容或单独采用蓄电池的储能补偿方案，仿真验证了可通过储能补偿装置与负载功率变化的有效跟踪以平抑负载功率波动对柴油发电机组的影响；文献[7]建立了同步发电机-整流器-反电动势负载系统的等效电路模型，导出了系统微变稳定的条件，并提出了在隐极转子上设置交轴短路绕组来解决系统稳定性问题的措施。文献从不同方面入手研究脉冲负载对系统的影响情况，而大多从系统外特性变化层面进行分析，并未发现针对脉冲负载对发电机内部磁场作用规律的研究，而负载的波动反作用到同步发电机会导致电机输出端电压同样产生一定程度的波动，这对电机励磁调压和电枢反应过程都会有影响，这也是影响系统稳定运行的一个重要因素。

本文主要研究同步发电机在脉冲负载作用下，电机内部磁场存在局部饱和及影响饱和的因素。用Ansys Maxwell软件搭建了同步发电机的有限元模型，通过分析励磁磁场和电枢电流两个影响因素，研究脉冲负载作用下对同步发电机内部磁饱和的作用规律。

1 脉冲负载引起磁饱和的原理

同步发电机的定子结构采用铁磁材料，其具有高导磁性，可以达到较高的能量传递效率。但是铁磁材料同样存在着磁饱和的问题，即磁场强度达到一定值后，感应的磁感应强度将趋于饱和，磁场强度再增大，磁感应强度的增加速度变得平缓。电机设计时，一般保证带常规负载运行时，铁磁材料工作在膝点位置，而不达到饱和段，因此在分析时多忽略磁饱和现象对电机运行的影响。

本文以柴油发电机组-整流器-脉冲负载系统为研究对象，结构如图1所示。脉冲负载平均功率小而峰值功率大，具有一定脉动特性。系统运行时脉冲负载电压呈现周期性跳跃波动，反作用到交流侧电路，会导致同步机输出端电压同样产生剧烈波动，电机本身通过AVR作用平稳输出电压，因为波动剧烈，通过反馈作用需要不断调节转子励磁以平稳输出电压的变化。在励磁反复调节的过程中，就会导致定子铁心中磁感应强度超出膝点而进入饱和区，从而导致能量在传递过程中过多流失，无法送达输出端，而使AVR的控制作用受到很大影响，因此无法忽略其影响。

与此同时脉冲负载的作用使电机输出电流也存在一定程度的波动，当电流冲击较高时则会产生较强的电枢磁场，对主磁场的加强作用同样会将铁心工作点推向饱和。这两点因素的叠加使柴油机脉冲负载系统工作过程中同步机的磁饱和成为普遍现象，因而并不能忽略其对系统运行的影响。

图1柴油发电机组-整流器-脉冲负载系统结构原理图

2 同步发电机磁饱和现象仿真研究

相比于解析法，采用有限元法进行仿真分析，可以更贴近于实际，能够准确确定电机中各部分的磁感应强度大小及磁饱和程度，因此本文选择在Ansys Maxwell平台搭建同步电机二维稳态模型进行分析。

2.1 空载条件下同步发电机磁饱和研究

电机内部磁场组成复杂，本节仅研究转子励磁磁场对定子铁心磁感应强度的影响，因此先采用空载运行分析，即电枢绕组开路。本文采用Ansys Maxwell软件的稳态场进行建模，为更好的模拟励磁磁场的强度变化，采用永磁同步电机进行仿真分析，永磁电机定子结构与励磁同步电机基本相同，而可以通过调节转子表面永磁体的参数，方便的实现励磁磁场的增减变化，分析对转子铁磁材料磁感应强度和磁饱和情况的影响。模型搭建如图2所示，电机定子内径、外径分别为74mm和120mm，极数4，定子槽数24，铁心和转子轭采用DW465-50铁磁材料，绕组材料定义为铜，永磁体材料矫顽力Hc为-947000A/Meter,剩余磁感应强度Br为1.25T[7]。

图2永磁同步电机有限元模型

图3模型磁密云图

如图3所示，对模型进行磁密云图的分析可见，在转子齿部磁感应强度较大，当励磁增大时，磁饱和现象也将首先出现在此部分，因此取齿部铁心靠近气隙部分的一条曲线路径进行磁感应强度分析。

图4铁心磁感应强度波形图

如图4可见，磁感应强度在两绕组间的路径上呈现不均匀的分布，越接近绕组，产生的磁感应强度越大，这是由于软磁材料端部聚磁所致。

同时提取与此路径临近的一段气隙磁密波形，用来直观的表示转子永磁体提供励磁变化的情况。改变永磁体的矫顽力Hc，实现不同磁性输出的变化，图5为通过改永磁体矫顽力，而使气隙磁密较均匀的增加，从0.8T增至1.15T，用来模拟柴油发电机输出端电压减小时，通过调节励磁来稳定输出电压的过程。

图5气隙磁密波形图

图6铁心磁感应强度波形图

与图5各气隙磁密对应的铁心磁感应强度如图6所示。可见，当励磁较小时，铁心的磁感应强度随励磁增大而同比例增大，定子响应转子励磁的调节，可产生更大的输出电压；而当励磁继续增大时，铁心的磁感应强度的增加速度变得非常缓慢，基本稳定在2.05T左右，而通过查看所用定子铁磁材料DW465-50的B-H曲线，如图7所示，可知当磁场强度增加至超过2T时，磁感应强度渐趋平稳，说明铁磁材料达到饱和。这与上文得到的结果一致，当气隙磁密增加到1.1T时，转子铁心磁感应强度趋向饱和，因此电枢绕组也无法再随励磁增大感应更大的输出电压，说明磁饱和现象确实影响了电机内部的能量传递，使AVR的调节作用受到很大限制。

图7 DW465-50材料B-H曲线

2.2 负载运行时同步发电机磁饱和研究

当发电机带上常规负载后，电枢三相绕组中将感应出对称的三相电流，此时电枢绕组就会产生电枢磁动势及相应的电枢磁场。电枢磁场同样以同步速度旋转，与转子的主磁场保持相对静止，因此，铁心中的磁感应强度实际是主极磁动势和电枢磁动势共同作用产生的。

当带脉冲负载运行时，脉冲负载的脉动周期在十毫秒级，而电机的AVR从检测到电压变化到完成调节的作用时间在百毫秒级，这说明AVR并不能及时抑制脉冲负载引起的的电压波动甚至无法在一个脉动周期内完成电压平复，因此电枢电流势必存在一定幅度的跳动，产生的电枢磁场也会有强弱的波动，其对铁心中合成磁感应强度同样存在一定程度的影响。

先设与主磁极轴正交的绕组电流为80A，另外两相电流相位分别落后120°和240°，因此在这一瞬间另两相绕组的电流值为40A，分别通过改变永磁体矫顽力设置气隙磁密峰值大致为0.7T、0.8T、0.9T、1T和1.1T，提取铁心路径上合成磁感应强度波形如图8所示。

图8铁心路径上合成感应强度波形图

在图8中，铁心中的磁感应强度较空载状况相比有一定升高，在气隙磁密达到1T时已经进入饱和，变化相对平缓。

通过柴油发电机组带脉冲负载试验了解到高压侧，即同步机输出电流侧电流波动可达几十安，因此，将与主磁极轴正交的绕组电流提高到120A，另外两项同样增至60A，模拟脉冲负载瞬时功率跳跃时对同步机输出侧的反作用。此时，设置气隙磁密梯度不变，同样提取铁心路径上合成磁感应强度波形，从图9中可以看出，当气隙磁密达到0.9T时，铁心磁感应强度变化已经变慢，进入饱和状态。

图9高电流磁感应强度波形图

通过上述分析可知，电枢电流感应出的电枢磁场对励磁磁场的增磁作用，使铁心的磁饱和效应更加明显。而脉冲负载导致的电枢电流的大幅度波动，更加剧了电枢磁场的作用，使电机更易进入饱和状态，影响电枢反应和励磁调节的正常工作。

2.3 改善同步发电机磁饱和对脉冲负载供电系统的意义

工程应用中，柴油发电机组通常经过整流器接直流脉冲负载，柴油发电机组的输出电流会出现周期性的大幅波动，交流电压产生畸变，频率也会有很大程度的波动，当脉冲负载作用强烈时，还可能造成机组停运引起供电中断，影响设备的正常工作，甚至损坏发电机组或用电设备。为避免柴油发电机组因脉冲负载的冲击而发生故障，目前广泛采用增大柴油发电机组容量的措施，即“大马拉小车”的方式[8]。一方面可能造成机组过度配置；另一方面也会使用更多的能源，造成浪费。通过本文分析可以确定同步发电机内部铁磁材料的磁饱和也是导致脉冲负载系统源荷功率匹配问题的影响因素之一，通过有效措施缓解磁饱和提高同步发电机的能量传递效率，可以有效改善柴油发电机的输出电能质量。

3 结语

本文介绍了脉冲负载下同步发电机磁饱和现象产生的原理，搭建了同步发电机的有限元仿真模型，并根据此模型研究励磁磁场和电枢电流分别增大时对定子铁心磁饱和程度的影响规律，用于模拟脉冲负载作用下同步发电机内部磁场的变化规律，结果表明两个变量对定子铁心的磁饱和都有不同程度的加剧作用。最后本文提出了可以通过改善定子铁心的磁饱和提高同步发电机内部的能量传递效率，达到改善柴油发电机的输出电能质量的目的，一定程度解决目前柴油发电机容量和负载大小不匹配的“大马拉小车”现状。

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