船舶軸帶無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究*

呂雨農(nóng),劉萬(wàn)太,周展

(湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院風(fēng)能工程學(xué)院,湖南湘潭411101)

0 引言

船舶主柴油機(jī)一般依據(jù)額定功率110%～115%的標(biāo)準(zhǔn)選用,并長(zhǎng)期運(yùn)行于85%額定功率及以下的負(fù)荷狀態(tài),主機(jī)驅(qū)動(dòng)船舶的同時(shí),附帶驅(qū)動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī)運(yùn)行,可顯著提高主機(jī)容量利用率,并能充分滿足船舶航行時(shí)的電力需求。

船舶軸帶無(wú)刷雙饋電機(jī)相比于軸帶同步電機(jī),具有優(yōu)秀的調(diào)速性能,更適合因復(fù)雜水況要求船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速多變的變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)[1]。主機(jī)軸的運(yùn)行轉(zhuǎn)速多變,要求電機(jī)能在次同步、同步和超同步三種不同工況下正常運(yùn)行,并能在三者間實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定和可靠的轉(zhuǎn)換。船舶軸帶無(wú)刷雙饋發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,擁有2套定子繞組,在空間上互呈正交分布,不直接耦合,經(jīng)與轉(zhuǎn)子電磁耦合,間接實(shí)現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)換[2];功率繞組連接船舶負(fù)荷電網(wǎng),輸出電能;控制繞組連接幅值、頻率、相序和相位均可調(diào)節(jié)的勵(lì)磁控制回路。

本文針對(duì)額定功率為5kW的小型內(nèi)河船舶軸帶無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng),基于有限元分析法,建立船舶軸帶無(wú)刷雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型,進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)與優(yōu)化,并通過(guò)Ansoft Maxwell完成仿真分析,驗(yàn)證了該船舶軸帶無(wú)刷雙饋電機(jī)設(shè)計(jì)方案的可行性。

1 電機(jī)數(shù)學(xué)模型

設(shè)電機(jī)定/轉(zhuǎn)子繞組均對(duì)稱,極對(duì)數(shù)是p,船舶負(fù)荷電網(wǎng)頻率是f1。針對(duì)功率繞組施加頻率為f1的額定電壓,即產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)①,其轉(zhuǎn)速為n1。

(1)

針對(duì)控制繞組施加頻率為f2(變換器輸出)的可變交流電流,即產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)②,依據(jù)式(1),其轉(zhuǎn)速為n2。

假設(shè)f1為50Hz,為確保不同轉(zhuǎn)速條件下發(fā)電機(jī)輸出電壓的頻率恒定,要求n1為恒定值,可得

n1=n±n2或f1=f±f2

(2)

n與n1存在大于、等于和小于三種情況,分別對(duì)應(yīng)發(fā)電機(jī)超同步、同步和次同步三種運(yùn)行工況,本文僅針對(duì)超同步和次同步兩種運(yùn)行工況進(jìn)行分析[3]。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n小于或大于n1,且處于變化狀態(tài)時(shí),可通過(guò)調(diào)節(jié)n2或f2的值,和勵(lì)磁電流的相序確保n1為恒定值。

1.1 功率平衡方程

雙饋軸帶發(fā)電機(jī)的輸入功率存在兩種來(lái)源：一是由發(fā)電機(jī)吸收主軸的機(jī)械功率PSG;二是由變換器反饋給發(fā)電機(jī)的電功率PC。不計(jì)船舶電網(wǎng)損耗,系統(tǒng)功率平衡方程為[4]

(3)

1.2 磁鏈方程

d-q坐標(biāo)系下,無(wú)刷雙饋電機(jī)的磁鏈方程為

(4)

式中,Ls、Lr、Lm—指d-q坐標(biāo)系下經(jīng)等效變換后的定子繞組自感、轉(zhuǎn)子繞組自感和定/轉(zhuǎn)子繞組互感;ψ、i—指電機(jī)的磁鏈和電流,其下標(biāo)d和q分別是指d軸和q軸上的分量,其下標(biāo)s和r分別是指定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)數(shù)據(jù),以下各式同樣按此標(biāo)注。

1.3 電壓方程

定子繞組與轉(zhuǎn)子繞組在d-q坐標(biāo)系下的電壓方程

(5)

式中,u—指定子繞組輸出電壓;Rs、Rr—定子、轉(zhuǎn)子側(cè)繞組阻抗;p—指微分算子;ωsl—轉(zhuǎn)差角速度,ωsl=ωs-ωr(ωs是指同步角速度,ωr是指轉(zhuǎn)子角速度)。

1.3 定子功率方程

定子繞組輸出的有功功率和無(wú)功功率方程

(6)

式中,ψs=ψmsin(ωt+α)

2 定子繞組設(shè)計(jì)

無(wú)刷雙饋電機(jī)定子采用雙繞組設(shè)計(jì),一為功率繞組,一為控制繞組,兩者繞組系數(shù)皆可獨(dú)立調(diào)整,相比于單繞組結(jié)構(gòu)電機(jī),諧波抑制效果有較大優(yōu)勢(shì)[5]。

功率繞組采取3Y/△繞組聯(lián)結(jié)方案,每相繞組各有三段,A相繞組是A1、A2和A3,B相繞組是B1、B2和B3,C相繞組是C1、C2和C3[6]。圖2所示功率繞組設(shè)計(jì)方案遵循如下原則：三個(gè)下標(biāo)相同的繞組分段分別短接于中性點(diǎn)上,構(gòu)建三個(gè)Y繞組,再將Y繞組的兩個(gè)分段組成一相繞組主體,最后構(gòu)建成△繞組;即A1、B1和C1短接于N1構(gòu)成第一Y繞組;A2、B2和C2短接于N2構(gòu)成第二Y繞組;A3、B3和C3短接于N3構(gòu)成第三Y繞組。

圖2 3Y/△聯(lián)結(jié)功率繞組聯(lián)結(jié)方案

經(jīng)過(guò)多次算例設(shè)計(jì)與分析,本文將功率繞組設(shè)計(jì)為36槽2對(duì)極3Y/△聯(lián)結(jié)繞組結(jié)構(gòu),每相占12個(gè)槽,等分成3條支路,每條支路占4個(gè)槽,可靈活調(diào)整每相支路槽號(hào),顯著降低三相繞組不對(duì)稱對(duì)電磁性能的不利影響,槽號(hào)分配方案如圖3所示。

圖3 Y/△聯(lián)結(jié)槽號(hào)相位圖

依據(jù)3Y/△聯(lián)結(jié)繞組結(jié)構(gòu)圖和Y/△聯(lián)結(jié)槽號(hào)相位圖可得功率繞組實(shí)際接線圖,如圖4所示。

圖4 功率繞組實(shí)際接線圖

控制繞組只要求有效控制勵(lì)磁電流,所以選用常規(guī)聯(lián)結(jié)方式即可,本文將其設(shè)計(jì)為4對(duì)極60度相帶Y型聯(lián)結(jié),節(jié)距yc=4,如圖5所示。

圖5 控制繞組結(jié)構(gòu)

圖6 凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

3 深槽加導(dǎo)條式凸極轉(zhuǎn)子

本文考慮到磁障式磁阻轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)具有較好磁耦合能力,因此參考其設(shè)計(jì)思想,在凸極轉(zhuǎn)子的凸極處設(shè)計(jì)深槽,并借鑒鼠籠轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì),將導(dǎo)條內(nèi)置深槽中,得到深槽導(dǎo)條式凸極轉(zhuǎn)子[7]。深槽不導(dǎo)磁,開(kāi)Pr個(gè)深槽,由于深槽高磁阻率的阻礙作用,諧波磁通路徑被限值成Pr個(gè),減少了非相鄰?fù)箻O間的磁通流量,這樣可以增加有效諧波占比,同時(shí)減少無(wú)效諧波占比。轉(zhuǎn)子導(dǎo)條切割諧波磁場(chǎng)磁力線時(shí),由于導(dǎo)條阻抗很小,因此導(dǎo)條上將感應(yīng)出一個(gè)較大的電流,進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)較大的反向磁通,該反向磁通能夠有效抑制無(wú)效諧波磁場(chǎng),從而進(jìn)一步加強(qiáng)新型轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)調(diào)制能力[8]。

本文針對(duì)5kW BDFM完成了電磁方案設(shè)計(jì),其主要尺寸如下：定子外徑是240mm,定子內(nèi)徑是150mm,鐵心軸向長(zhǎng)度是140mm,最小氣隙長(zhǎng)度是0.5mm,最大氣隙長(zhǎng)度是0.75mm。初步設(shè)定普通凸極轉(zhuǎn)子尺寸：D1=15mm,D2=80mm,a=8mm,b=11mm,h1=5mm,h=55mm,w=50mm。之后,在普通凸極轉(zhuǎn)子尺寸的基礎(chǔ)上對(duì)深槽寬度c和深槽深度d進(jìn)行分析和選取。

本文針對(duì)深槽寬度c,從0.5mm開(kāi)始,每間隔0.5mm依次遞增,到5mm結(jié)束,應(yīng)用最優(yōu)點(diǎn)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,得到不同深槽寬度轉(zhuǎn)子耦合性能數(shù)據(jù),如表1所示。

表1 不同深槽寬度轉(zhuǎn)子耦合性能

由表1可知,隨著深槽寬度的增加,有效諧波占比上升,說(shuō)明轉(zhuǎn)子耦合能力趨強(qiáng),其中深槽寬度c從3.5mm變化到5mm,轉(zhuǎn)子耦合能力變強(qiáng)幅度較小,再考慮到深槽寬度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子鐵心磁阻較大,因此選取深槽寬度c為4mm。

本文針對(duì)深槽深度d,從1mm開(kāi)始,每間隔2mm依次遞增,到21mm結(jié)束,應(yīng)用最優(yōu)點(diǎn)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,得到不同深槽深度轉(zhuǎn)子耦合性能數(shù)據(jù),如表2所示。

表2 不同深槽深度轉(zhuǎn)子耦合性能

由表2可知,隨著深槽深度的增加,有效諧波占比下降,說(shuō)明轉(zhuǎn)子的耦合作用變?nèi)?其中深槽深度d從1mm變化到9mm,變?nèi)醴容^明顯,再考慮轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和鐵心磁阻的影響,因此選取深槽深度d為5mm。

4 電機(jī)有限元分析

本文基于Ansoft Maxwell針對(duì)該船舶軸帶無(wú)刷雙饋電機(jī)構(gòu)建有限元分析模型,并進(jìn)行相應(yīng)仿真分析,得到了深槽式凸極轉(zhuǎn)子BDFM的磁力線分布圖,如圖7所示。

圖7 深槽式凸極轉(zhuǎn)子BDFM磁力線分布

由圖7可知,使用短路導(dǎo)條會(huì)促使BDFM磁力線分布更加規(guī)則,在功率繞組單獨(dú)勵(lì)磁或控制繞組單獨(dú)勵(lì)磁時(shí)尤為明顯,能夠有效改善BDFM磁場(chǎng)諧波。

船舶軸帶無(wú)刷雙饋電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí),通常工作于超同步和亞同步兩種運(yùn)行狀態(tài),本文對(duì)這兩種轉(zhuǎn)速運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了仿真分析。由于電機(jī)轉(zhuǎn)速變化會(huì)引起功率繞組的電流頻率和電壓發(fā)生相應(yīng)變化,為確保這兩個(gè)電磁參數(shù)不隨轉(zhuǎn)速而變,本文針對(duì)電機(jī)模型的轉(zhuǎn)速設(shè)置和外部激勵(lì)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)[9]。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行于超同步轉(zhuǎn)速nr=650r/min,將控制繞組頻率設(shè)置成fc=15Hz,外部激勵(lì)設(shè)置成14.5A;當(dāng)電機(jī)運(yùn)行于亞同步轉(zhuǎn)速nr=400r/min,將控制繞組頻率設(shè)置成fc=10Hz,外部激勵(lì)設(shè)置成11.0A,仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 發(fā)電時(shí)功率繞組a相電壓

由圖8可知,當(dāng)電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速為nr=400r/min時(shí),功率繞組A相線電壓如圖8(a)所示,其頻率為50Hz,幅值約為520V。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速為nr=650r/min時(shí),功率繞組A相線電壓如圖8(b)所示,其頻率為50Hz,幅值約為540V,此兩種運(yùn)行狀態(tài)發(fā)出的三相電壓波形穩(wěn)定,皆可滿足船舶發(fā)電需求。

5 樣機(jī)測(cè)試

樣機(jī)試驗(yàn)原理圖如圖9所示,由一臺(tái)轉(zhuǎn)速范圍250r/min～850r/min的變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)作原動(dòng)機(jī),用于模擬船舶主柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)軸帶無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況。

圖9 樣機(jī)試驗(yàn)原理圖

首先合上K1,給變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)通電,使其轉(zhuǎn)速達(dá)到300r/min,再合上K3,利用蓄電池給雙向變頻器通電,使其提供相應(yīng)頻率的電壓給控制繞組,然后合上K2、K4和K5,使得軸帶電機(jī)發(fā)出電能提供給船舶電網(wǎng),經(jīng)能量回饋單元整流后的電能可以向雙向變頻器供電,此時(shí)斷開(kāi)K3,切除蓄電池支路,整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)即可完成獨(dú)立發(fā)電功能,樣機(jī)對(duì)拖試驗(yàn)臺(tái)如圖10所示。樣機(jī)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3,其表現(xiàn)了不同轉(zhuǎn)速功率繞組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí),功率繞組電壓和控制繞組電流變化情況。由表3可知,功率端電壓偏差不超過(guò)2%,控制繞組電流基本保持不變。

表3 樣機(jī)測(cè)試結(jié)果

圖10 樣機(jī)對(duì)拖試驗(yàn)圖

6 結(jié)語(yǔ)

本文中的無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)定子繞組選用3Y/△聯(lián)結(jié)繞組設(shè)計(jì),工藝簡(jiǎn)單,且靈活多樣。設(shè)計(jì)了一款深槽加導(dǎo)條式凸極轉(zhuǎn)子,并對(duì)深槽的深度和寬度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),結(jié)合有限元分析,探討了無(wú)導(dǎo)條和加導(dǎo)條對(duì)該凸極轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)調(diào)制性能的影響。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,3Y/△聯(lián)結(jié)繞組配合深槽加導(dǎo)條式凸極轉(zhuǎn)子,優(yōu)化了運(yùn)行諧波分量,加強(qiáng)了磁耦合能力,提高了轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)調(diào)制性能,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的正確性。