艦艇雙繞組發電機組模擬機組的設計

蘇正偉 冉墨男 柏瀾 陳兵

（武漢第二船舶設計研究所， 武漢 430064）

模擬電機的使用給科學研究工作帶來極大的好處，如一些大型電機因為試驗條件不具備，而無法進行試驗；有些試驗具有破壞性，在原型機上進行試驗將對原型機造成損害，造成巨大經濟浪費；數字仿真往往是在較多簡化和假設的條件下進行的，往往無法全面考慮各種影響因素的作用，等等。在這些情況下，都需要采用模擬電機來進行相關試驗和研究。模擬電機已經成為電力系統動態模擬和研究、大型或者特殊電機設計研究的重要手段。

雙繞組發電機作為能同時發出交流電和直流電的特殊電機，在艦艇上的使用優點是顯而易見的。通過對其原型機組的模擬，設計出電磁結構、電氣參數相近的模擬機組，為研究新型電機對艇上交、直流供電系統穩定性的影響提供新的途徑。

1 設計依據和原則

1.1 理論依據

模擬電機對原型電機的特性進行模擬，是一種物理模擬（動態模擬）。物理模擬中最重要的理論為相似原理。相似第一定理是牛頓在1686年首先提出，而后由俄羅斯學者A.費捷而曼等人進行了補充，拓展出了相似理論第二定理、第三定理，它們確定了相似系統的必要條件，以及兩過程應該具備什么條件才相似[1]。相似定理最簡潔的表達式為：相似現象的相似指標等于1。

在電機的模擬中，將電機的所有電氣參數及電磁參數換算成相應標么值，作為模擬機與原型機的相似指標[2]。

1.2 設計原則

模擬電機與原型電機的以標幺值形式表示的參數和時間常數盡量接近，以標幺值表示的空載特性相近，電磁結構盡量相同。具體的設計原則為：

1） 模擬電機以標幺值表示的參數和時間常數與原型電機的盡量接近，并在一定范圍內可調。

2） 模擬電機以標幺值表示的空載特性與原型電機相近。

3）模擬電機的電動勢波形要求接近正弦波。

4） 模擬電機的電磁結構盡量與原型發電機相同。

5）盡量經濟、可靠和拆裝方便。

2 模擬雙繞組發電機設計

2.1 原型雙繞組發電機特性

原型雙繞組發電機可以同時輸出交流和直流功率，其性能參數按直流不輸出功率（工況Ⅰ）和直流輸出功率（工況Ⅱ）考核。

工況Ⅰ：原型雙繞組發電機在直流不輸出功率的情況下，可以作為三相交流主發電機使用，此時主要性能數據為：

交流額定電壓： UACN＝390 V

額定功率因數： cosφN＝0.8（滯后）

相數： m1＝3

繞組接法： Y接法

工況Ⅱ：原型雙繞組發電機同時輸出交流和直流功率時，直流側主要性能數據為：

十二相繞組經整流后輸出直流額定工作電壓范圍： UDC＝235 V～275 V

繞組相數： m2＝12

繞組接法： 4Y移15o接法

整流橋接法：4個三相不可控整流橋在直流側并聯輸出。

原型雙繞組發電機的參數較多，既有轉子勵磁、阻尼繞組參數，也有定子交流繞組和整流繞組參數，詳細參數可查閱相關文獻資料，在此不便列出。

2.2 模擬雙繞組發電機電磁設計

2.2.1設計重點和難點

用小電機模擬大電機時，小電機和大電機的特性和參數具有各自的特點，其中最為顯著的是大電機電阻的標幺值比較小，而小電機電阻的標幺值比較大，因此在模擬電機設計時需要加以特殊考慮，采用不同的手段實現模擬電機對原型電機的模擬。

模擬雙繞組發電機除了具有一般模擬電機的特點外，還有特殊之處，交流和整流繞組除了各自自身的電感參數外，還增加了交流繞組和整流繞組之間的互感參數，情況更為復雜。此外，雙繞組發電機定子上有一套三相交流繞組和四套三相整流繞組，交流和整流繞組都是雙層繞組，且均勻布置在所有定子槽中，因此定子槽內有四層繞組，參數計算也更加困難，一些參數的計算沒有現成的計算公式。

由于雙繞組發電機的參數多，且相互影響，因此用模擬雙繞組發電機來模擬原型發電機時，設計的靈活性更小，與普通模擬發電機相比，實現所有參數模擬的困難性更大。

模擬雙繞組發電機的設計，以普通電機設計方法和公式為基礎，根據模擬電機的特點，結合雙繞組發電機的特殊之處，在設計中，重點在以下兩個方面：

（1）槽漏抗的計算

雙繞組發電機每個定子槽中都放置四層繞組——兩層交流繞組和兩層整流繞組，同一槽內的各層繞組之間均存在互漏感。由于兩套繞組節距不一定相同，各層繞組所屬的相均可能不同，計算更加復雜，以往用于計算雙層繞組槽漏抗的計算公式根本無法直接使用。

本設計中采用電機設計理論中槽漏抗計算的最基本原理來計算，按照每槽內導體的高度，利用安培環路定律、數值積分方法累計計算各層繞組之間的槽比漏磁導，再根據各槽中導體與各相之間的所屬關系，計算各相繞組自身的自漏抗和各相繞組之間的互漏抗。

（2）端部漏抗的計算

同樣，由于每槽中有四層繞組，且節距不同，以往的繞組端部漏抗計算公式也不適用。

本設計中采用畢奧-沙伐定律，將繞組端部電流看成多個小的電流單元；計算各個電流單元在自身和其他線圈中產生的磁場大小；對線圈的不同區域進行積分，得到總的磁鏈，進而得到端部漏抗，即按照分段分部積分的方法計算端部漏抗。具體計算方法見參考文獻[3]的附錄部分。

2.2.2設計方案

模擬雙繞組發電機的設計，需要進行交流繞組參數設計、整流繞組參數設計、轉子繞組參數設計、空載特性設計、磁路設計、時間常數設計、線熱負荷設計等。在設計中，要使模擬對象的所有參數都得到和原型機的重合一致是不可能的，也是不必要的，因此設計中，保證了原型雙繞組發電機的主要參數和特性得到合理的模擬，其它次要參數和特性給予適當近似的模擬。

經過反復調整和計算，得到了模擬雙繞組發電機的設計方案。其具體參數和電氣技術指標不再列出，表 1～表4給出了模擬雙繞組發電機的主要設計參數與原型機的相似比較值。

表1 交流繞組參數的比較

表2 整流繞組和轉子繞組相關參數的比較

表3 發電機空載特性的比較

表4 發電機時間常數的比較

從以上模擬電機設計結果與原型電機的比較可以看出，經過多種設計方案的比較和尺寸參數的調整，進行了反復設計，并采取了必要的措施，所有參數都與原型電機的參數吻合較好。表5列出了模擬雙繞組發電機的主要設計尺寸。

表5 模擬雙繞組發電機的主要尺寸(cm)

3 模擬雙繞組發電機組的構成

模擬雙繞組發電機組包括模擬雙繞組發電機、模擬交流勵磁機、原動機、測速發電機等各一臺，示意圖見圖 1。圖中，模擬雙繞組發電機與模擬勵磁機裝在同一電機機座內，三個滑環是為了對勵磁電壓等控制量進行測量和控制，飛輪片用于改變機組的轉動慣量，使用時固定在轉軸上與轉子一道旋轉。

圖1 模擬雙繞組發電機組構成示意圖

模擬雙繞組發電機工作時需要與外部連接，其接口包括電氣接口和機械接口。

（1）電氣接口

模擬雙繞組發電機的定子繞組為3相交流繞組和由4個移相15°的3相Y接繞組組成的12相繞組，3相交流繞組Y接引出4根出線，與外部的交流負載相連，4個3相Y接繞組分別接4個三相不可控整流橋，4個整流橋并聯輸出直流電。模擬雙繞組發電機轉子勵磁繞組兩端分別與滑環1、3相連，輸入直流電。3相交流繞組和12相繞組的引出線接至接線盒中。4個三相整流橋安裝在發電機機座頂部。

勵磁機的定子勵磁繞組與外部電路相連提供勵磁。轉子電樞繞組經整流橋整流給發電機勵磁繞組提供勵磁，整流橋兩個輸出端分別與滑環2、3相接。

3個滑環均通過電刷與外部電路相連，其引出線接到發電機的接線盒內。

（2）機械接口

模擬雙繞組發電機的轉軸與其原動機相連，由原動機輸入機械功率。

測速發電機轉軸與模擬雙繞組發電機轉軸相連，以測量轉速。考慮到模擬雙繞組發電機一端已放置飛輪片，所以將測速發電機裝到原動機側。

4 模擬雙繞組發電機組的試驗

兩臺模擬雙繞組發電機組由蘭州電機廠最終生產和裝配，并作為成套電源裝置安裝于某電力系統保障試驗室中，以對艦艇上的電力系統進行動態模擬試驗和研究。

特別注意，在對艦艇上的電力系統進行模擬試驗時，需對原型電力系統中的所有構成要件按照統一的模擬比進行模擬設計，主要內容包括：

1） 原型雙繞組發電機由一臺同軸勵磁機提供勵磁，也需要進行模擬。模擬勵磁機同樣采用無刷勵磁方式，設計方法與模擬雙繞組發電機的設計相同。勵磁系統的控制部分由程序進行模擬。

2） 圖1中的原動機采用直流電動機代替汽輪機進行機械功率輸入。原動機的調速系統特性需要進行建模和仿真，使其控制特性與汽輪機的輸出特性相似。具體設計內容可參考文獻[4]。

3） 模擬雙繞組發電機機組到交、直流配電板的電纜，以及其它相關電氣連接電纜，需要參考艦艇上的原型電力系統電纜按照相同的模擬比設計阻抗值。

在電力系統模擬實驗室中，我們對模擬雙繞組發電機組進行了諸多試驗，包括失磁/過速/過流/過壓保護試驗、空載特性試驗、(工況Ⅰ、工況Ⅱ)靜態/動態特性試驗、、突加突卸負載試驗、交/直流短路試驗、雙機并聯試驗等等。圖2至圖4列出了各種工況下短路試驗的部分數據。

圖2 （工況Ⅰ－交流半載，直流空載，三相突然短路）A相電流波形

圖3 (工況Ⅱ－交流半載,直流空載,直流短路)直流電壓波形

圖4 （工況Ⅱ－交流半載，直流空載，直流短路）直流電流波形

與已有的原型雙繞組發電機組的試驗數據對比，模擬雙繞組發電機組的特性能在很大程度上與原型機吻合。

5 結束語

雙繞組發電機常運用于獨立的供電系統，裝配于艦艇上在國內還處于起步階段。本文設計的模擬雙繞組發電機機組，無論從設計計算結果和實際試驗數據來看，都在很大程度上接近原型機組的特性。在電力系統動態模擬試驗室中，為科研人員提供了相關試驗和研究的平臺。

[1]張蘭. 電力系統動態模擬及其應用綜述. 湖南工程學院學報,2004(3)

[2]金啟玫. 電力系統物理模擬綜述. 電工技術雜志,1999 (1).

[3]高景德等. 交流電機及其系統分析. 北京：清華大學出版社,2005.

[4]冉墨男，蘇正偉，彭召升. 艦艇原動機及其調速系統的研究. 船電技術,2009(3).