高速混合励磁发电机负载切换性能分析

葛发华，吴 娜，卓 亮，赵 飞

(1.贵州航天林泉电机有限公司,贵阳 550081; 2.国家精密微特电机工程研究中心,贵阳 550081)

0 引 言

混合励磁电机由两种励磁源相互作用，共同实现电磁能量转换，是对单一励磁概念的拓展和延伸[1]。永磁电机在工作时内部的气隙磁场基本保持恒定，在发电运行时，气隙磁场调节困难，导致其输出电压不可控，在负载和转速发生变化时不能提供稳定电压。电励磁电机虽能较好地调节气隙磁场，但具有较大的电枢反应电抗，效率低下。为了解决单一励磁技术的弊端，本文研究一种新型高速混合励磁发电机，设计时要求发电机具备高转速，并且在不同转速不同负载条件下运行时能够输出一定范围内的稳定电压。本文在单一励磁电机结构基础之上，除了尽可能保留永磁发电机的固有特性以外，还在发电机转子右端加入电励磁感应子，辅助调节发电机的磁场，既改善了发电机的调压能力，又满足高转速运行的要求。

本文首先介绍了高速混合励磁发电机的工作原理，并从发电机的数学模型和绕组出发，分析发电机的稳压能力；然后利用二维有限元方法分析了发电机变载侧负载切换时电枢绕组间的耦合与稳压情况；最后通过对混合励磁样机进行性能实验，验证了发电机的结构合理性以及功能完整性。

1 发电机工作原理

本文研究的混合励磁发电机的三维结构示意图如图1所示，主要由主发定子、永磁段转子和励磁段转子组成。主发定子上嵌放了能够独立工作的两套电枢绕组，切割旋转磁场时产生电动势，输出电压；励磁线圈则用于在不同工况下调节磁场，实现稳压。转子上含磁钢和感应子两部分，用于提供磁势。

图1 混合励磁发电机三维结构示意图

主发定子、转子和励磁定子按一定方式牢固安装后，原动机带动转子运转，产生旋转主磁场，励磁定子绕组通电后在不同负载工况下产生去磁或助磁磁场。当发电机处于高转速小负载工况下，励磁绕组主要起去磁作用；反之，励磁绕组主要起助磁作用。图2(a)、图2(b)分别表示了电励磁在去磁和助磁时的磁通路径。电励磁助磁时气隙磁场与主气隙磁场方向相同，去磁时则相反。

(a)电励磁助磁时磁路

(b)电励磁去磁时磁路

调节发电机励磁电流，可使发电机调节点电压不因负载或转速变化而变化，调节范围为Imin～Imax，Imax为低转速大负载时的励磁电流，Imin为最高转速空载时的励磁电流。转速越低，负载电流越小，励磁电流越小。

2 电机的稳压性能分析

2.1 混合励磁发电机的数学模型

由于该混合励磁电机含有两套三相电枢绕组，使得绕组的自感、绕组间的互感都更为复杂，为了分析电机的运行状态，建立该电机的数学模型。文献[2]中分析并建立了多绕组电励磁发电机的数学模型，结合文献[2]给出的分析方法，给出本文研究的混合励磁双绕组发电机数学模型，主要包括磁链方程和电压方程：

Ψ=LI(1)

其中：

(3)

式中：Uf，Ψf，Rf分别为励磁绕组两端电压、磁链和电阻。Ui，Ψi，Ri分别为电枢绕组两端电压、磁链和电阻(i为a1，b1，c1，a2，b2，c2)。

对于本文电机而言，定子上含有电枢绕组，另外还含有励磁绕组，故磁链是转子角、励磁电流和电枢电流之间的复合函数。即：

Ψ(θ，ia，ib，ic，if)=LI(4)

结合式(2)和式(4)，得到混合励磁发电机的电压方程：

(5)

式(4)表示了磁链是励磁电流if,相电流ia,ib,ic及转子位置角θ的多元非线性函数。推导得到式(5)，即混合励磁发电机的非线性数学模型。由式(5)可知，该电机的输出电压主要与旋转电动势、自感与互感电动势以及电机内部的电阻电压降三方面有关。

2.2 混合励磁发电机的电枢绕组结构

由发电机的数学模型可知，要想实现电机稳压输出，需从电机的多方面进行考虑。本文研究的电机采用了双绕组结构，绕组间的互感是影响电压稳定输出的主要问题。由于励磁绕组起调节作用，本文简化了电感的分析过程，主要考虑两套电枢绕组上的自感和互感。

图3为两套电枢绕组的连接示意图。由图3可知，两套电枢绕组交错隔槽嵌放在定子中，而非完全隔离地对称分布在圆周两侧，电流通过时，定子绕组中存在互漏感，影响发电机的输出电压。因此，两套绕组空间夹角的选取应尽可能地满足互漏感在d，q轴能够解耦的要求。

图3 采用隔槽嵌放方式的绕组连接示意图

(6)

绕组的磁化自感Lmi在文献[6]中给出了如式(7)所示的计算公式：

(7)

同时，假定两套绕组之间的互漏感为Ml12，则Ml12可等效：

(8)

式(8)中Mlax，Mlay，Mlaz为两套电枢绕组间对应的互漏感。根据坐标变换理论，MLd，MLq，MLm为转换到d,q坐标下两套绕组在d/d轴或q/q轴间，以及d/q轴之间的等效互漏感，可用下式表示[9-10]：

(9)

式(9)中，α为两套绕组间的电角度。为实现绕组间互漏感的解耦，对于3/3相双绕组电机而言，根据式(8)，α为30°时，d，q轴之间的互漏感为0。

经以上分析，为实现解耦，本文设计的两套电枢绕组分别在圆周上三相对称分布，且两套绕组的空间角度设计为30°。这样的绕组结构减弱了自感与互感电动势对输出电压的影响，进一步保证电压稳定输出。

3 负载切换仿真分析

在分析负载切换情况下的电机性能时，本文假设最理想的条件：不考虑励磁绕组与电枢绕组之间的耦合，且假设电励磁绕组产生的磁动势只受励磁电流影响。本文着重分析该发电机两套电枢绕组运行时的相互影响情况。利用Ansoft仿真软件，建立高速发电机二维模型，调整激励外电路，可实现单通道负载工况切换的仿真分析。图4为电机变载运行工况仿真的控制外电路连接图，图4(a)示意了电机在双通道运行的情况，图4(b)为负载工况切换的控制电路。

在进行二维有限元仿真时，变载侧从大负载切换到小负载(小负载切换到大负载)，观察恒载侧输出电压的变化情况。利用两个脉冲开关控制切换过程，高电平导通，低电平关断，设置切换时间周期为0.6 ms。当t=0.6 ms时，V2由高电平转为低电平，控制S2断开；V1由低电平转为高电平，控制S1闭合，实现负载工况的切换。

(a) 负载切换仿真绕组带载连接图

(b) 负载切换控制电路图

仿真时设置恒载侧电流带载24 A，电压稳压31 V，变载侧突加0～100 A的电流负载。得到变载侧电流波形图以及恒载侧电压波形图，如图5所示。

(a) 变载侧电流负载波形

(b) 恒载侧电压波形

图5中，在变载侧突加负载时刻，恒载侧电压会出现尖端毛刺，而后又能迅速恢复平稳。同时，利用二维有限元仿真得到带载工况切换前后的绕组相电压趋势图、电机输出电压波形图，如图6、图7所示。

(a) 变载侧绕组相电压

(b) 恒载侧绕组相电压

图7 负载切换时两套绕组输出电压变化趋势

根据仿真结果，得到如表1所示的相电流、相电压以及输出电压前后变化情况。

表1 变载工况改变前后对比情况

从有限元仿真结果可见，变载侧绕组在负载发生变化时，绕组相电压、相电流和输出电压都随之急剧改变；而恒载侧绕组相电压、相电流和输出电压所受影响较小，相电压出现1.10 V的电压降，输出电压从31.32 V降至29.44 V，最低值降至26.8 V。从输出电压趋势图可以看出，最终双通道的输出电压在受到影响后重新恢复至稳定状态所用时间较短，电机稳定性能高。

4 实验验证与数据分析

4.1 发电机负载切换验证实验

为保证电机的稳定性能，该电机要求变载侧带载工况发生变化时，恒载侧的输出电压不能低于24 V，且变载侧电压不能突降为0，否则将严重影响电机使用。为验证负载切换后两个工作通道之间的电压影响情况，设定变载侧带载范围为5～75 A，恒载侧固定带载10 A，不改变发电机转速，切换变载侧所带负载，观察恒载侧电压值变化情况。实验平台如图8所示，变载侧通过调节电阻箱改变负载工况。

图8 负载切换实验平台连接图

变载侧负载工况变化时，恒载侧的输出电压变化情况如图9所示。图9中出现的尖端毛刺表示负载工况发生变化瞬间电压值的突变。

图9 负载切换恒载侧电压波形图

对比图5的有限元仿真结果和图9的实验结果可知，在带载工况突变时刻，恒载侧输出电压都会出现瞬时的跳变，然后快速恢复稳定，仿真与实验相互验证。图9显示，变载侧工况变化时，恒载侧输出电压最低降至29.8 V，整体保持在29.8～32.5 V，满足技术指标要求。

4.2 发电机稳压验证实验

本文设计的发电机要求恒载侧输出电压稳定输出(28～32.5 V)，变载侧输出电压(29～35 V)。试制样机架台进行实验验证，测试平台如图10所示。样机的两套电枢绕组引出后连接三相整流桥，两组并联后连接直流负载，控制开关控制通道的运行开断状态，电励磁调节装置控制励磁电流的大小和方向。

(a) 实验台实物图

(b) 实验台连接图

利用计算机控制台改变拖动台转速，并在同一转速下运行不同负载工况。实验对比9种工况：转速24 000 r/min双通道带载20 A/5 A，30 A/10 A，30 A/40 A；转速28 000 r/min双通道带载20 A/5 A，30 A/10 A，30 A/40 A；转速36 000 r/min双通道带载20 A/5 A，30 A/10 A，30 A/40 A。通过调节励磁电流，实现电机在变速和变载情况下输出要求范围内的电压，结果如表2所示。

通过实验得到表2的数据可知，发电机在变速、变载条件下进行实验，调节励磁电流可使发电机双通道输出电压在要求范围内，且恒载侧的输出电压基本稳定为31 V。实验验证了该电机的稳压性能较高，符合设计初衷，达到了设计指标。

表2 发电机输出电压实验数据

5 结 语

为实现高速发电机在运行时能够输出稳定电压，设计了一种双绕组冗余结构的混合励磁发电机。本文在分析其数学模型的基础上，建立了基于Ansoft软件的仿真系统，并搭建了高速实验台对其进行实验验证。仿真结果和实验结果都表明，该电机设计合理，变载侧负载工况发生变化时，恒载侧电压降符合技术要求；电机处于稳态工作时，输出电压不因负载或转速变化而变化。该高速发电机有较好的动态及稳态性能：负载突变时，输出电压经过瞬时的跳变后能够迅速达到新的稳定值；在正常工作时，电机能够提供稳定的直流电源。