新型混合勵磁發(fā)電系統(tǒng)用無刷勵磁機電磁性能分析

張春莉，宮海龍,2，王 亮，張艷竹，宋敏慧

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新型混合勵磁發(fā)電系統(tǒng)用無刷勵磁機電磁性能分析

張春莉1，宮海龍1,2，王 亮1，張艷竹1，宋敏慧1

（1. 哈爾濱大電機研究所，哈爾濱150040；2. 水力發(fā)電設(shè)備國家重點實驗室（哈爾濱大電機研究所），哈爾濱 150040）

本文提出了新型混合勵磁發(fā)電系統(tǒng)，它由混合勵磁發(fā)電機、無刷勵磁機和旋轉(zhuǎn)整流器構(gòu)成，其中混合勵磁發(fā)電機轉(zhuǎn)子由結(jié)構(gòu)上獨立的兩部分——永磁體和電勵磁組成，定子鐵心沿軸向分為三段：永磁部分定子鐵心、電勵磁部分定子鐵心以及中間部分定子鐵心，其中中間部分定子鐵心采用非導(dǎo)磁材料。新型混合勵磁系統(tǒng)具有永磁電機高效、高功率密度的優(yōu)點。本文僅針對新型混合勵磁發(fā)電系統(tǒng)中的無刷勵磁機進行分析，無刷勵磁機結(jié)構(gòu)與繞線式異步電機結(jié)構(gòu)相似，定、轉(zhuǎn)子均采用三相繞組，無刷勵磁機的轉(zhuǎn)子與混合勵磁發(fā)電機轉(zhuǎn)子同軸，轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)固定在同發(fā)電機轉(zhuǎn)軸上的二極管整流將交流變?yōu)橹绷?，供給混合勵磁發(fā)電機勵磁。同時本文采用電磁場有限元法對無刷勵磁運行機理和電磁性能進行分析，其中包括供電電源類型、定子電流特性和轉(zhuǎn)矩特性等。本研究成果對掌握無刷勵磁機運行特性具有重要作用。

發(fā)電系統(tǒng)；無刷勵磁機；混合勵磁；電磁性能；有限元法

前言

永磁同步電機具有效率高、功率密度大的突出優(yōu)點。但是，永磁電機氣隙磁場難以調(diào)節(jié)，導(dǎo)致發(fā)電機輸出電壓調(diào)節(jié)和滅磁困難，從而限制了高效永磁電機的應(yīng)用。同時，由于永磁電機直軸磁路中存在磁導(dǎo)率很低的永磁體，使得直軸電樞反應(yīng)電抗較電勵磁同步發(fā)電機小很多，因而其固有電壓調(diào)整率低。同時在實際應(yīng)用中，永磁電機一旦制成，由于制造工藝及永磁體工作點變化等原因，往往導(dǎo)致電機在負載變化范圍內(nèi)輸出電壓無法滿足需求，即因其電壓難以調(diào)整而無法使用[6]。

由此，本文提出了新型混合勵磁發(fā)電系統(tǒng)，新型混合勵磁發(fā)電系統(tǒng)由混合勵磁發(fā)電機、無刷勵磁機和旋轉(zhuǎn)整流器構(gòu)成。混合勵磁發(fā)電機定子結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)同步電機定子相同，但定子鐵心沿軸向分為三段：永磁部分定子鐵心、電勵磁部分定子鐵心以及中間部分定子鐵心，其中中間部分定子鐵心采用非導(dǎo)磁材料。轉(zhuǎn)子由結(jié)構(gòu)上獨立的兩部分——永磁體和電勵磁組成?；旌蟿畲烹姍C中同時存在兩種磁勢源：永磁磁動勢和電勵磁磁動勢。混合勵磁發(fā)電機氣隙磁場主要由永磁部分產(chǎn)生，電勵磁磁動勢產(chǎn)生的磁場主要是對永磁電動勢產(chǎn)生的磁場進行調(diào)解。無刷勵磁機與混合勵磁發(fā)電機同軸。整個新型混合勵磁發(fā)電系統(tǒng)布置如圖1。

為了徹底杜絕因碳刷和滑環(huán)接觸不良、碳刷長期磨損而發(fā)生的各種電機故障，提出新型混合勵磁發(fā)電機勵磁部分采用無刷勵磁系統(tǒng)提供勵磁，此無刷勵磁系統(tǒng)由無刷勵磁機和旋轉(zhuǎn)整流兩部分組成，其系統(tǒng)簡單示意如圖2所示。無刷勵磁機結(jié)構(gòu)與繞線式異步電機結(jié)構(gòu)相似，定、轉(zhuǎn)子均采用三相繞組，無刷勵磁機的轉(zhuǎn)子與混合勵磁發(fā)電機轉(zhuǎn)子同軸。當無刷勵磁機定子三相繞組通過三相交流調(diào)壓器通電后，就會在無刷勵磁機轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)出交流三相電動勢，經(jīng)過固定在同發(fā)電機轉(zhuǎn)軸上的二極管整流后變?yōu)橹绷麟娏?，供給混合勵磁發(fā)電機勵磁[8,9,11]。混合勵磁發(fā)電機勵磁電流的調(diào)節(jié)可以通過控制無刷勵磁機的定子磁場來實現(xiàn)[2,10,11]。其中定子三相交流電可以由混合勵磁發(fā)電機發(fā)出的電直接提供，大大節(jié)約了能源的消耗。

1-無刷勵磁機轉(zhuǎn)子鐵心；2-無刷勵磁機定子鐵心；3-無刷勵磁機定子機座；4-混合勵磁發(fā)電機定子繞組；5-永磁部分定子鐵心；6-永磁體；7-電勵磁部分定子鐵心；8-電勵磁轉(zhuǎn)子鐵心；9-整流環(huán)；10-整流橋；11-電勵磁轉(zhuǎn)子繞組；12-交流引出線；13-無刷勵磁機轉(zhuǎn)子繞組

圖2 無刷勵磁系統(tǒng)

本文根據(jù)新型混合勵磁發(fā)電系統(tǒng)用無刷勵磁機特點，采用電磁場有限元法對無刷勵磁機電磁性能及對其產(chǎn)生主要影響的因素進行了計算與分析，本研究成果對掌握無刷勵磁機運行特性具有重要作用。

2 數(shù)學(xué)模型和邊界條件

由于傳統(tǒng)的解析計算方法有很多簡化處理，無法模擬電機實際結(jié)構(gòu)、瞬變運行狀態(tài)及飽和的影響，因此本文采用二維瞬變有限元數(shù)值方法對無刷勵磁機進行計算與分析[13]。本文以7.5kW新型混合勵磁發(fā)電系統(tǒng)用無刷勵磁機為例進行計算與分析，無刷勵磁機基本數(shù)據(jù)如表1，其設(shè)計方法參考文獻[1,3,4,12,16]。

表1 無刷勵磁機基本參數(shù)

采用瞬變有限元法求解時，其矢量磁位方程和求解場域所滿足的邊值問題為

所建立的無刷勵磁機有限元求解區(qū)域如圖3所示，剖分網(wǎng)格如圖4所示。定義定子外表面I為一類齊次邊界條件，AB、GF、CD、ED定義為整周期邊界條件。

圖3 無刷勵磁機求解區(qū)域

3 額定負載運行電磁性能分析

額定運行下要求無刷勵磁機在3000r/min額定轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)整流器整流后，勵磁電流達到4.5A。為模擬此運行狀態(tài)，在二維磁場數(shù)值分析中，需在有限元模型（圖3）基礎(chǔ)上搭建外電路，以場路耦合方式模擬電機真實狀態(tài)。當定子繞組通三相反相序交流電時，通過調(diào)解定子電壓幅值，使轉(zhuǎn)子輸出電流達到所需值，此時所需能量最少（詳細分析見第4部分），其外電路如圖5所示。

圖4 無刷勵磁機剖分網(wǎng)格

圖5 無刷勵磁機外電路

圖5(a)定子繞組回路中：FA、FB、FC分別為A、B、C三相定子繞組，u、u、u為定子三相電壓源，通反相序電壓：

定子電壓波形如圖6所示。在圖5(b)轉(zhuǎn)子繞組回路中：FU、FV、FW分別為U、V、W三相轉(zhuǎn)子繞組，R1和L1分別為混合勵磁發(fā)電機電勵磁轉(zhuǎn)子繞組電阻和電感。

圖6 定子電壓波形

由場路耦合有限元分析，得到定子電流、轉(zhuǎn)子電流和轉(zhuǎn)子整流后電流波形分別如圖7（a）、（b）和（c）所示。由于無刷勵磁機負載是一個經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器供電的阻感負載（是一個非線性負載），加之由于轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)電抗的存在，換相時要阻止電流突變，即整流時轉(zhuǎn)子電流不能瞬間從一相轉(zhuǎn)換到另一相，而需要一定的“時間”，因此轉(zhuǎn)子輸出電流波形如7(b)，其諧波分析結(jié)果見文獻[16]。某一時刻磁場分布如圖8所示。

圖7 電流波形

圖8 某一時刻磁場分布

4 無刷勵磁機電磁性能分析

無刷勵磁機電磁性能影響因素有很多，下面對其不同電源類型及不同轉(zhuǎn)差率影響進行計算與分析。

4.1 三相交流電源供電

定子繞組施加三相交流電壓源，可以有正序和負序兩種通電方式。在正序和負序電源供電下，使無刷勵磁機額定負載運行，即3000r/min轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)整流器整流后勵磁電流達到4.5A，計算得到定子電壓、定子電流、功率因數(shù)等參數(shù)結(jié)果見表2。

表2 額定運行時正序和負序電源供電情況下定子參數(shù)計算結(jié)果

由表2計算結(jié)果可見，額定負載運行時定子三相交流負序電源所需能量比正序小很多，而且有功部分占比較大；同時定子電壓、定子電流、定子電密也小，這樣可以降低定子繞組發(fā)熱并降低電機成本。

4.2 單相交流電源供電

三相電機的電源應(yīng)為三相電源，但實際上常會遇到只有單相電源的問題，特別是在家用電器上。因此必須對定子繞組做適當?shù)母慕?，以使三相電機適應(yīng)于單相電源而正常工作。

當三相繞組串聯(lián)時，定子通入單相交流電時磁場是脈動磁場,每相磁勢相同，因此在轉(zhuǎn)子每相繞組中感應(yīng)的電壓基本相同，使得電勢差近似為零，在轉(zhuǎn)子繞組中無感應(yīng)電流產(chǎn)生，無法達到要求。因此定子繞組接線要保證內(nèi)部兩個繞組的位置有空間角度差，使兩相電流在時間上有一定的相位差。

圖9 整流后轉(zhuǎn)子輸出電流波形

接線方法：可將無刷勵磁機定子繞組中的任意兩相繞組首先串聯(lián)，然后再與另一相繞組并聯(lián)接入電源，此時定子電流在時間上產(chǎn)生相位差。計算得到額定負載運行下,定子單相交流電源電壓的有效值為7.8V，定子繞組最大電流有效值為9.98A，其對應(yīng)電密為4.72A/mm2。額定負載運行單相交流電源供電時，定子電密分布不均勻，最大電密大約為三相交流負序電源供電時的2倍；同時經(jīng)整流后轉(zhuǎn)子輸出電流波動較大，如圖9所示，波動范圍大概在4%左右。

4.3 直流電源供電

直流電源供電與單相交流電源原理相同，因此也采用4.2中采取的接線方法。計算得到額定負載運行下定子直流電源電壓為1.33V，定子繞組最大電流有效值為11.98A，其對應(yīng)電密為5.67A/ mm2。定子電密大約為三相交流負序電源供電時的2.5倍；經(jīng)整流后轉(zhuǎn)子輸出電流波動很小。

4.4 定子電流特性

下面無刷勵磁機特性計算都是在負序三相交流電源供電下進行的。

4.4.1 轉(zhuǎn)子輸出功率不變時

保持轉(zhuǎn)子輸出功率不變（80W），此時轉(zhuǎn)子整流輸出電流為4.5，對不同轉(zhuǎn)速運行下的性能進行了計算，結(jié)果見表3。

表3 不同轉(zhuǎn)速運行下電機參數(shù)計算結(jié)果

由表3計算結(jié)果可見，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越低，即轉(zhuǎn)差率越低，所需定子能量越大，定子電流越大。定子電流1隨轉(zhuǎn)速變化曲線如圖10所示。

圖10 定子電流隨轉(zhuǎn)速變化曲線I1=f(n)

4.4.2 轉(zhuǎn)子輸出功率變化時

轉(zhuǎn)子輸出功率變化時，保持電機轉(zhuǎn)速不變（3000r/min），定子電流1與轉(zhuǎn)子輸出功率2之間的關(guān)系如圖11。隨著負荷增大，定子電流逐漸增大。

圖11 定子電流隨輸出功率變化曲線I1=f(P2)

4.5 轉(zhuǎn)矩特性

4.5.1 轉(zhuǎn)子輸出功率不變時

轉(zhuǎn)子輸出功率不變(80W)時，電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系如圖12所示。隨著轉(zhuǎn)速增大，電磁轉(zhuǎn)矩逐漸減小。

圖12 電磁轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化曲線Te=f(n)

4.5.2 轉(zhuǎn)子輸出功率變化時

圖13 電磁轉(zhuǎn)矩隨輸出功率變化曲線Te=f(P2)

轉(zhuǎn)子輸出功率變化時，保持電機轉(zhuǎn)速不變（3000r/min），電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)子輸出功率2之間的關(guān)系如圖13所示。隨著負荷增大，電磁轉(zhuǎn)矩逐漸增大。

5 結(jié)論

本文針對新型混合勵磁發(fā)電系統(tǒng)要求，對供給混合勵磁發(fā)電機勵磁的無刷勵磁機進行了設(shè)計，同時對其性能進行了計算與分析。

本文無刷勵磁機定、轉(zhuǎn)子均采用三相繞組，其轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)的交流三相電動勢，經(jīng)過整流為混合勵磁發(fā)電機提供勵磁。通過電磁場有限元法獲得無刷勵磁機性能如下：

（1）采用三相交流負序電源定子電密比正序電源、單相交流電和直流電要小很多，可以降低定子繞組發(fā)熱并降低電機成本。

（2）轉(zhuǎn)子輸出功率不變時，轉(zhuǎn)速越低，所需定子能量越大，定子電流越大；轉(zhuǎn)子輸出功率變化時，隨著負荷增大，定子電流逐漸增大。

（3）轉(zhuǎn)子輸出功率不變時，隨著轉(zhuǎn)速增大，電磁轉(zhuǎn)矩逐漸減??；轉(zhuǎn)子輸出功率變化時，保持電機轉(zhuǎn)速不變，隨著負荷增大，電磁轉(zhuǎn)矩逐漸增大。

本研究成果對掌握無刷勵磁機運行特性及同類產(chǎn)品的開發(fā)具有重要作用。

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Performance Analysis of Brushless Exciter in a Novel Hybrid Excitation Power System

Zhang Chunli1, GONG Hailong1,2,WANG Liang1, ZHANG Yanzhu1, SONG Minhui1

（1. Harbin Institute of Large Electrical Machinery, Harbin 150040,China;2. State Key Laboratory of Hydro-power Equipment(HILEM), Harbin 150040, China）

A novel hybrid excitation power system is presented in this paper. It is consist of hybrid excitation generator, brushless exciter and rotating rectifier. The rotor of hybrid generator is made of permanent magnet (PM) and electro-exciting similar with the rotor of non-salient synchronous machine. The stator core of hybrid generator is divided into three parts, corresponding to the PM, electro-exciting and parts between them separately. Only brushless exciter in the system is analyzed. The structure of the exciter is similar with the wounded rotor induction machine, and the rotor windings are connected to the electro-exciting of the hybrid generator by the rectifier. The theory and performance of exciter are calculated using the finite element method (FEM), which include the type of power supply, stator current characteristics, and electromagnetic torque characteristics.

power generating system; brushless exciter；hybrid excitation generator；electromagnetic performance；finite element method(FEM)

TM301.4.+4

A

1000-3983(2017)04-0029-05

國家自然科學(xué)基金項目(51407040)

2017-01-24

張春莉（1975-），1997年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)微特電機及控制電器專業(yè)，主要從事電機電磁場的理論研究與分析工作，高級工程師。

宮海龍（1981-），2011年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)電機與電器專業(yè)，博士，目前主要從事永磁電機研發(fā)與設(shè)計，高級工程師。（通訊作者）