橋梁自動化設備電源諧波勵磁電機有限元建模研究

施 杰，劉 博，黃克峰

(1.陸軍工程大學 國防工程學院，江蘇 南京 210007； 2.航天工程技術大隊，北京 100085)

0 引言

隨著交通運輸行業(yè)的發(fā)展，橋梁作為交通體系中的關鍵構成部分，其建設規(guī)模和速度不斷擴大和增快，這讓建筑市場的競爭也逐漸激烈。橋梁是高速公路建設中關鍵的構成部分，橋梁建設質量好與壞直接對橋梁投入使用的安全性有很大的影響，從而也對整條高速公路的質量造成影響。在科學技術逐漸進步之下，機械也逐漸自動化和集成化，這也讓橋梁施工更加現(xiàn)代化。橋梁施工的現(xiàn)代化和自動化就需要可靠的性能優(yōu)異的電源進行供電。

隨著電機產業(yè)的日益發(fā)展，發(fā)電機的類型變得更加多樣，自20世紀70年代起，國內展開了對三次諧波勵磁發(fā)電機的研究。采用三次諧波勵磁，一方面較好地利用了發(fā)電機中的諧波，省去了單獨的勵磁機裝置，使整個發(fā)電機裝置體積減小、成本降低；另一方面諧波繞組電壓會隨著負載的不同而變化，具有較好的相復勵特性，固有電壓調整率高且?guī)лd能力強，因而三次諧波勵磁發(fā)電機得到了迅速發(fā)展和廣泛應用[1]。

但是，由于三次諧波磁場受磁路飽和、氣隙、齒槽和磁極形狀的影響很大，還存在諧波勵磁發(fā)電機的空載特性曲線出現(xiàn)曲折變化，從而影響發(fā)電機運行的穩(wěn)定性；負載時的諧波電壓可能達到空載時的10倍，從而可能將勵磁調節(jié)器損壞等問題[2]。目前，對諧波勵磁發(fā)電機的諧波與勵磁的匹配缺乏準確的計算和設計手段，無法把握新產品的性能，在試制中經過反復調試也未必能達到預期的效果，這樣既延長了新產品開發(fā)周期，增加了開發(fā)成本，又不能保證發(fā)電機性能指標達到預期目標。通過有限元法建立電機的仿真模型，在此基礎上對發(fā)電機性能進行仿真測試可以簡化電機制造過程中的反復調試過程，對磁場相關問題進行歸納研究，又可以改善電機內部磁場情況，有效提高電機性能，因此，有限元仿真可以作為發(fā)電機生產過程中有效的輔助工具。從已發(fā)表的文獻來看，對諧波勵磁電機的仿真模型研究尚不深入，文獻[3-4]對諧波勵磁同步發(fā)電機的空載磁場進行了分析，提供了一種計算空載磁場氣隙磁密波形和磁密分布的方法，并給出了諧波電壓的計算結果；文獻[5]給出了一種計算負載基波電勢和諧波電勢的方法，分析了負載情況下電樞反應對諧波磁場的影響。文獻中所用穩(wěn)態(tài)有限元仿真的方法僅能模擬空載及帶不同功角的常規(guī)線性負載情況的磁場及電壓情況，然而目前電力系統(tǒng)電力電子化的趨勢，使負載類型多呈現(xiàn)非線性特征，不能通過單一時刻的靜態(tài)模擬得到其特性規(guī)律，故應用傳統(tǒng)方法并不能進行有效分析。因此本文采用時步有限元的分析手段，建立了諧波勵磁發(fā)電機及其勵磁調壓系統(tǒng)的有限元場路耦合聯(lián)合仿真模型，可以對發(fā)電機帶非線性負載的磁場及感應電壓情況進行動態(tài)模擬，進而分析其影響規(guī)律，為不同負載時諧波勵磁方式相復勵特性的性能發(fā)揮研究提供了可能性。

本文利用清華泰豪三波電機有限公司提供的某型號諧波勵磁發(fā)電機參數，基于Maxwell軟件搭建了諧波勵磁電機的主發(fā)電機和勵磁機模型，并利用Simplorer軟件建立了勵磁調壓系統(tǒng)，通過與同型號發(fā)電機的實測數據對比，驗證仿真模型的正確性。

1 仿真模型的搭建

1.1 發(fā)電機本體模型的搭建

目前常見的諧波勵磁電機分為有刷和無刷兩種，電機轉子產生的諧波磁場，在定子的諧波繞組上感應出交流電，經整流后得到直流電，若直接供給電機勵磁則為諧波勵磁的有刷同步發(fā)電機；若供給交流勵磁機，通過勵磁機電樞產生的交流電經旋轉整流器整流后供給主機勵磁則為諧波勵磁的無刷同步發(fā)電機。本文采用的為應用更為廣泛的無刷同步發(fā)電機，發(fā)電機參數來源于清華泰豪三波電機有限公司所提供的某型號發(fā)電機實際參數，相關發(fā)電機參數如下：

(1)電氣參數

額定功率PN=30 KW，額定頻率fN=50 Hz，額定轉速nN=3 000 r/min，功率因數cosφ=0.8。

(2)基本尺寸

主機定子長度為210 mm，內徑為95 mm，外徑為150 mm，定子槽數為36，沖片材料為DW470-50；主機轉子為一對極，長度為210 mm，內徑為25 mm，外徑為90 mm，沖片材料為冷扎鋼板DC01。

勵磁機定子長度為30 mm，內徑為95 mm，外徑為140 mm，定子槽數為10，沖片材料為冷扎鋼板Q235；勵磁機轉子長度為30 mm，內徑為67.5 mm，外徑為94.5 mm，轉子槽數為30，沖片材料為DW470-50。

阻尼條直徑為6 mm，阻尼板厚度為2 mm，材料均為紫銅T2M。

根據相應參數，建立的發(fā)電機主機仿真剖分圖如圖1所示。

圖1 主發(fā)電機模型

其中定子繞組為正弦繞組B型，線圈跨距自大到小分別為17，15，13，11，9，7，每圈匝數分別為6,5,4,4,3,2。諧波繞組為同心式繞組，線圈跨距自大到小分別為5,3，每圈匝數分別為6,4。轉子繞組每極420匝，2極共820匝。

提取發(fā)電機氣隙磁場的波形，如圖2所示。磁場呈類矩形波，且由于阻尼繞組和定子開槽的影響，將使氣隙磁感應強度分布不均勻，出現(xiàn)對應位置的凹陷，這也將導致電樞電壓的畸變。

圖2 主機氣隙磁密波形

圖3 繞組感應電動勢波形

將仿真步長設置為0.1 ms，得到電樞繞組三相電動勢和諧波繞組電動勢波形如圖3所示。由圖可見，氣隙磁場的不均勻導致輸出感應電動勢中存在齒諧波，齒諧波的存在對發(fā)電機輸出電能質量具有較大的影響，而在實際發(fā)電機制造時，往往可以通過斜槽、磁性極楔等方式，削弱齒諧波的影響，對輸出電壓波形有較大的改善作用。

在進行系統(tǒng)仿真時，Maxwell和Simplorer的聯(lián)合動態(tài)仿真計算量較大，仿真速度較慢，為提高仿真速度，在發(fā)電機動態(tài)仿真精度允許的條件下，適當提高仿真步長，設為0.5 ms，此時得到的電樞繞組三相電動勢和諧波繞組電動勢波形如圖4所示。

圖4 提高仿真步長后，繞組感應電動勢波形

由圖4可見，適當加大步長后，電樞電壓呈現(xiàn)較規(guī)則的正弦波，三次諧波也呈現(xiàn)類正弦波，考慮到仿真與實際發(fā)電機輸出波形的貼近性和仿真運行的快速性，此步長設置是可以接受的。

圖5 勵磁機模型

無刷勵磁發(fā)電機還附有同軸勵磁機，與主發(fā)電機不同的是，勵磁機的定子繞組為勵磁繞組，轉子繞組為電樞繞組，便于將產生的三相電樞電壓經旋轉整流器結構整流后供給主機勵磁，勵磁機仿真模型如圖5所示，其中定子繞組為疊繞組，每圈250匝，共10圈；電樞繞組為波繞組，線圈跨距為3，線圈每圈6匝。

與獨立勵磁源的發(fā)電機需要外加電流進行啟動不同，諧波勵磁同步發(fā)電機可以依靠轉子鐵心的剩磁建立電壓，通過諧波繞組感應出的較小的諧波電壓反饋給勵磁繞組使勵磁電流繼續(xù)加大，形成正反饋實現(xiàn)自啟動。而利用有限元對發(fā)電機進行仿真時，鐵心材料并不能體現(xiàn)剩磁性質，因此并不能在初始時刻通過諧波繞組感應出的剩磁電壓進行自勵啟動，進而無法進行后續(xù)的帶載分析。為解決這一矛盾，就需要采用其他方法模擬出發(fā)電機內部的剩磁用于自勵啟動。

本文采用外加剩磁繞組的方式模擬發(fā)電機中的剩磁，如圖1中所示，在勵磁繞組上方附加一套剩磁繞組，并在此繞組上通入恒定的直流電，這樣就會在氣隙中建立微弱的磁場，類似于電機中的剩磁，諧波繞組可利用此磁場感應出起始電壓，實現(xiàn)自勵啟動。剩磁繞組電流設置過小無法在諧波繞組上感應出有效的初始電壓，設置過大又會對氣隙磁場造成一定影響。通過發(fā)電機廠家提供的出廠試驗數據，發(fā)電機諧波繞組的剩磁電壓約為13.5 V，因此調整剩磁繞組的匝數和所加電流，使諧波繞組感應產生的電壓與實際剩磁電壓相等，以更準確模擬實際發(fā)電機中的剩磁情況。

1.2 勵磁調壓系統(tǒng)的搭建

諧波勵磁同步發(fā)電機具有一定的相復勵特性，其固有的電壓調整率在10%以內，能實現(xiàn)基本的恒壓效果，但在實際工程應用中對電壓的調整率以及調節(jié)時間都有明確的標準，尤其是脈沖負載系統(tǒng)對負載變化過程中電壓調節(jié)的響應時間提出更高的要求，因此勵磁調節(jié)系統(tǒng)對電壓的反饋控制作用是必不可少的。

勵磁調節(jié)系統(tǒng)的拓撲圖如圖6所示，其包含勵磁電源回路和勵磁控制回路。勵磁電源回路中S1為發(fā)電機諧波繞組，S2為勵磁機勵磁繞組，C1和VD5為勵磁繞組提供濾波和續(xù)流的作用。諧波繞組S1通過感應氣隙中的三次諧波產生交流電，經整流后為勵磁機勵磁繞組S2供電。勵磁控制回路采集發(fā)電機輸出端電壓U0作為信號，與參考電壓U0_ref進行對比得到電壓差值，再經過PID環(huán)節(jié)，通過控制信號與三角波比較得到PWM調制波，利用此調制波控制勵磁電源回路中IGBT的開通占空比，從而達到控制勵磁機勵磁電流大小的目的。U0為電機輸出端電壓的幅值，可用式(1)獲得：

(1)

式中，ua、ub、uc為三相電壓信號。

圖6 電壓調節(jié)系統(tǒng)拓撲

實際發(fā)電機的勵磁控制回路存在一定的時間延時，這主要由電壓檢測環(huán)節(jié)、信號處理環(huán)節(jié)等造成，使端電壓的變化到勵磁機勵磁繞組的電壓變化存在一定的響應時間。通過詢問相關生產廠家和查閱相關資料了解，此延時大概在近百毫秒。為使模擬更貼近于實際，在仿真中勵磁控制回路加入延時模塊，并將延時設置為80 ms。

至此發(fā)電機及其勵磁調壓系統(tǒng)整體模型搭建完成，其整體仿真模型如圖7所示。在圖7中，右側方箱為主發(fā)電機導入Simplorer軟件中的模塊顯示，其含有一對轉速接口，一對勵磁繞組接線端，一對諧波繞組接線端和三相電樞繞組接線端；左側方箱為勵磁機導入后的模塊顯示，其同樣含有轉速接口、勵磁繞組和三相電樞繞組接線端。因有限元發(fā)電機模塊可以體現(xiàn)出繞組電感性質，因此在外電路中僅需在繞組旁加入電阻模擬其等效電阻及在匝數較多的繞組旁加電感模擬其漏感。主機和勵磁機轉速接口均設置接入3 000 r/min的轉速。仿真系統(tǒng)利用模擬剩磁繞組和勵磁調壓系統(tǒng)可以使發(fā)電機自勵啟動并穩(wěn)定在額定狀態(tài)，便于進行帶負載的動態(tài)仿真。

圖7 發(fā)電機及勵磁調壓系統(tǒng)整體模型

2 仿真模型驗證

為檢驗所建有限元仿真模型的準確性，利用同型號電機的出廠試驗數據進行驗證，即給勵磁機勵磁繞組通恒定電流，確定發(fā)電機輸出三相電壓與勵磁機勵磁電流的對應關系。以相同方法進行仿真，得到試驗與仿真的對比數據，如表1所示。

表1 端電壓仿真與試驗結果對比

勵磁機勵磁電流一般很小，因為幾百毫安的勵磁電流即可在勵磁機電樞繞組上感應出幾伏至十幾伏的電壓，足以給主發(fā)電機勵磁使其正常運行。對比表1中試驗輸出電壓和仿真輸出電壓，誤差在5%以內，在可接受范圍內，說明該模型滿足系統(tǒng)仿真的精度要求。

3 結論

本文首先闡述了有限元動態(tài)仿真模型的優(yōu)勢和必要性，并參考清華泰豪三波電機有限公司提供的發(fā)電機參數，基于Maxwell和Simplorer仿真軟件搭建了諧波勵磁同步發(fā)電機的場路耦合聯(lián)合仿真模型。最后，對同型號發(fā)電機進行了數據實測，并與仿真結果進行對比，驗證了所搭建仿真模型的準確性。