船用复合磁场结构轴带电机设计及SVPWM控制
2018-10-16秦俊峰袁建斌余培文邓棋文
秦俊峰， 袁建斌， 余培文， 邓棋文
(1.钦州学院 海运学院，广西 钦州 535000；2.大连海事大学 船舶电气工程学院，辽宁 大连 116026；3.广东海洋大学 航海学院，广东 湛江 524088)
船舶轴带发电机系统[1]由推进主柴油机驱动发电机，充分利用推进柴油机裕量功率达到节能的目的，具有提高柴油机运行效率、减少柴油发电机组使用时间、减少燃油消耗、增大机舱可用空间和降低维护成本等优点[2]。20世纪70年代初，轴带发电机系统已开始装船，且被广泛应用于大中型集装箱船上[3-4]。在北部湾等内河地区，采用主机轴带发电的中小型船舶也已经投入使用[5]。
当前，船舶轴带发电系统多采用三相同步发电机，它属于径向磁场电机，具有冷却困难、铁芯利用率低和响应速度相对较慢等缺点。而新兴的复合磁场结构电机，结合原有的径向磁场电机和轴向磁场电机，进行结构改进和电机磁路优化，使其性能更适用于船舶和电动汽车等领域[6]。2008年前后，哈尔滨工业大学郑萍教授研究了多种不同的永磁式复合结构电机，包括轴向-径向复合磁场[7]、径向-径向复合磁场电机[8]、轴径向-轴向复合磁场[9]、轴径向-径向复合磁场[10]，并成功应用于电动汽车中。2011年，哈尔滨理工大学研究了轴-径向复合磁通全超导同步电机，并分析电磁场、温度场的变化情况[11]。但很少有文献研究复合结构轴带电机在船舶中的应用。
对于轴带发电机的控制，基于Z源逆变器的空间电压矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)控制技术代替传统的逆变器控制，使直流侧电压利用率较高、开关损耗较小。文献[12]提出将SVPWM控制策略应用于船用轴带发电机的整流过程中，具有一定的参考价值。文献[13]在Z源逆变器的SVPWM控制中采用插入直通零矢量的方式实现升压功能。文献[14]将基于神经网络的SVPWM应用于Z源逆变器中，此时电压和电流波形更好，但控制算法较复杂。
基于此，本文以中小型内河船舶为研究对象，提出轴-径向复合磁场结构的轴带电机，采用解析法和有限元分析法确定电机各项参数，运用Ansoft maxwell 14.0软件进行性能验证。然后，在MATLAB/SIMULINK中搭建基于船舶轴带发电机Z源逆变器的SVPWM控制模型，通过仿真进一步验证所设计的电机性能良好，所采用的Z源逆变器SVPWM控制算法可行。
1 船舶轴带发电机系统
船舶轴带发电机系统的基本结构见图1。其中，轴带发电机为本文所设计的复合磁场结构电机，逆变器采用Z源逆变器，通过SVPWM和PQ控制，同其他发电机组G1、G2等并到船舶电网中[15]。船舶柴油机通过齿轮箱与轴带发电机相连，拖动轴带发电机逐渐达到所需求的转速，进而推动螺旋桨的转动。
轴带发电系统的输出功率见图2。
1)当船舶主机转速低于额定转速的40%时，轴带发电系统停止运行，全船由辅助柴油发电机组供电。
2)当船舶主机转速为额定转速的40%～75%时，通过Z源逆变器的升降压作用，发电机整流后输出的电压满足并网要求，无需柴油机组辅助发电，减少能源消耗。
3)当船舶主机转速为额定转速的75%～100%时，轴带发电系统输出额定功率，Z源逆变器工作处于正常状态，即常规逆变器工作状态，为电气负载供电。
2 复合磁场结构轴带电机设计
2.1 复合磁场结构轴带发电机的结构确定
轴径向轴带发电机基本机构见图3，其中定子采用表面开槽的条形结构，定子绕组直接环绕条形定子上面，运用双转子磁极结构，在转轴的两侧放置两个结构相同且极性相对的磁极。电机转子采用离心凸极结构，通过磁极宽度、磁极高度、极靴宽度及极靴高度等磁极尺寸参数来确定转子结构。电机绕组采用集中励磁绕组结构。
2.2 复合磁场结构轴带发电机的参数确定
根据中小型内河船舶的要求确定电机额定功率PN=5 kW，额定转速nN=1 500 r/min，需考虑电机气隙磁密、空载反电动势和齿槽转矩等参数与电机结构参数之间的关系。
2.2.1气隙磁密
在电机设计中，要求气隙磁密呈正弦分布，即
(1)
在转子设计中，采用离心结构设计，即在磁极正中心处采用最小气隙，在磁极的极尖处采用最大气隙，以保证气隙磁密波形正弦度较高，转矩纹波较少，进而提高电机的使用寿命。
2.2.2反电动势
根据定义，电机反电动势为
(2)
式(2)中：Φ(θsr)为电枢绕组的磁通有
(3)
由式(2)可知，多个参数会影响反电动势的正弦度及谐波总失真率(Total Harmonic Distortion,THD)。在电机的基本结构参数确定后，反电动势主要取决于永磁体离心高度与极弧系数的配合。
2.2.3齿槽转矩
齿槽转矩可表示电机内的磁场能量相对位置角的导数[13]，即
(4)
(5)
由式(4)和式(5)分析可知，通过合理选择槽口宽度bs0，可使GnNp的值尽可能接近于零，以达到抑制齿槽转矩的目的。
根据上述电机基本性能要求及主要参数影响，结合Ansoft Maxwell 14.0空载反电动势波形和空载转矩脉动的幅值进行优化设计，可得电机基本参数见表1。
表1 电机结构参数表
2.3 复合磁场结构轴带发电机有限元仿真分析
根据上述电机基本参数在Ansoft Maxwell 14.0中搭建电机基本结构模型见图4。 建好后对电机进行剖分见图5。
图6为电机在空载和额定负载状态下的磁密分布图。图6a)为电机工作在空载状态下，图6b)为电机工作在额定负载状态下。由图6可知，定子和转子轭部磁密在空载时都不超过1.6 T；在额定负载情况下，不超过1.8 T，均满足电机设计的约束条件。
图6 电机在不同工况下的磁密分布
电机气隙磁密曲线见图7。径向磁密Bn最大值≤1.0 T，且呈正弦规律变化，谐波畸变率约为8.142%；切向磁密Br最大值≥0.2 T，在设计过程中基本可忽略不计，满足设计要求。
电机空载时的转矩见图8，可看出转矩脉动的周期为1 ms，转矩最大值为10.701 4 mN·m，最小值为-17.077 6 mN·m，转矩脉动低于额定转矩(31. 83 N·m)的1%，满足设计要求。
电机A、B、C三相的空载反电动势波形(见图9a)，三相反电动势均呈正弦规律分布，互差120°。图9b)和图9c)为C相空载反电动势波形及其FFT(Fast Fourier Transformation)分析波形，利用Ansoft中自带的功能求解谐波畸变率THD为2.947 8%，有效值(RMS)为321.310 4 V，与理论设计的320 V较接近，满足设计要求。
综上，所设计的电机满足基本性能要求，可进行下一步的控制研究。
3 船用复合磁场结构轴带电机控制
为进一步验证所设计的电机能正常运行及Z源逆变器的升压和并网能力，搭建基于SVPWM的电机控制模型。
3.1 Z源逆变器的SVPWM控制原理
同传统三相桥式逆变器相比，Z源逆变器多了直通零矢量，但也是通过桥臂开关管的通断来实现逆变控制的[18]。基于SVPWM的Z源逆变器矢量图见图10。
在Z源逆变器中，根据传统的电压源逆变器，可设电压为
(6)
式(6)中：Ua、Ub、Uc为逆变器三相输出电压的瞬时值；j为虚数单位。将非直通状态时的输出电压um的1/2作为基准，空间矢量归一化后即可得到与传统SVPWM类似的空间矢量：6个有效矢量模长均为4/3，2个非直通零矢量，7个直通状态零矢量。其中，每个矢量的开关状态见表2。
表2 Z源逆变器的开关状态表
参考电压可以表示为
(7)
(8)
从而可解得
(9)
(10)
3.2 仿真验证
根据上述Z源逆变器SVPWM工作原理在MATLAB/SIMULINK中搭建仿真模型。
实船中，汇流排的交流电压为380 V，则仿真中设置交流电压为380 V，SVPWM算法中的直流电压设置为500 V，周期设置为0.000 2 s，通过选择不同的直通零矢量工作时间，即不同的直通零矢量占空比，逆变器输出的线电压波形见图11。A相并网电压和电流波形图见图12。
在图11中，直通零矢量工作时间设为t0=0.000 03 s，则零矢量占空比为15%，Z源逆变器输出的线电压约为600 V。在图12中，直通零矢量工作时间设为t0=0.000 05 s，则零矢量占空比为25%，Z源逆变器输出的线电压约为750 V。
由图11可知：图中的两种情况均与式(8)的理论相符合。在直流电压恒定时，改变直通零矢量的占空比，可调节逆变器输出的电压幅值大小，即可以根据系统需求获得要求的电压。
图12为A相的并网电压和电流波形。由图12a)可知，在线电压即电网电压为380 V的情况下，相电压的峰值约为310 V，与理论分析一致。由图12b)可知，0～0.05 s时Z源逆变器处于升压状态，在没升到并网要求的电压时，相电流波形会发生畸变，经过约0.05 s，Z源逆变器升压升到了并网电压要求值，从而波形趋于稳定，峰值约为28 A。由图12可知：相电流同相电压是同相位的，且轴径向复合磁场轴带发电机用Z源逆变器的升压能力和并网能力均能正常发挥。
上述仿真波形验证了所设计的轴带电机性能良好，不仅能保持相电流与相电压同相位，且在直流电压恒定时，通过改变直通零矢量的占空比，还可以获得系统要求的电压。SVPWM控制算法实现了Z源逆变器的升压能力和并网能力。
4 结束语
轴带电机应用在船舶中，有助于节约能源、改善船舶运行的经济性，提高船舶航行的可靠性和灵活性。应用于中小型船舶的复合磁场结构轴带电机可改善传统轴带电机的性能缺点，将Z源逆变器应用到船舶轴带发电机系统中，并在逆变电路控制中采用SVPWM策略可改善电机输出电压和电流性能。船舶轴带电机具有非常广阔的应用前景，尤其是性能更优越的复合磁场结构电机将应用到更多的船舶中。
