混合励磁发电机谐波无刷励磁系统设计研究

第27卷㊀第6期
2023年6月
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电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报Electri c ㊀Machines ㊀and ㊀Control
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Vol.27No.6Jun.2023
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混合励磁发电机谐波无刷励磁系统设计研究
夏永洪1,㊀周琳1,2,㊀王名名1,㊀简缵道3,㊀陈瑛1,㊀熊永康1
(1.南昌大学信息工程学院,江西南昌330031;2.国网南通供电公司,江苏南通226001;
3.江西清华泰豪三波电机有限公司,江西南昌330096)
摘㊀要:为解决永磁发电机气隙磁场调节问题并保持其无刷化的优点,提出一种基于谐波磁场的混合励磁发电机无刷励磁原理,推导转子励磁绕组电流与定子谐波励磁绕组电流之间的关联关系㊂给出了谐波无刷励磁系统的设计原则和方法,包括输入直流电流和不同频率交流电流励磁时的定子谐波励磁绕组极对数㊁转子谐波绕组和励磁绕组节距,以及构成谐波无刷励磁系统的绕组匝数的确定方法㊂以一台48槽㊁2对极的混合励磁发电机为例,详细分析了定子谐波励磁绕组㊁转子谐波绕组和励磁绕组设计过程,得到了相应的绕组展开图和绕组布置示意图㊂针对定子谐波励磁绕组极对数分别为8㊁12和24三种情况进行了仿真计算,电枢绕组空载线电压谐波分析与转子谐波绕组感应的谐波电动势次数均与理论分析相符㊂研制了一台谐波无刷混合励磁同步发电机样机,测试结果验证理论分析和计算的正确性㊂
关键词:混合励磁;永磁发电机;同步发电机;无刷励磁;谐波励磁;励磁系统DOI :10.15938/j.emc.2023.06.009
中图分类号:TM341
文献标志码:A
文章编号:1007-449X(2023)06-0073-12
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收稿日期:2022-04-16
基金项目:国家自然科学基金(52067015)
作者简介:夏永洪(1978 ),男,博士,教授,研究方向为电机及其控制;
周㊀琳(1996 ),女,硕士研究生,研究方向为电机及其控制;王名名(1997 ),男,硕士研究生,研究方向为电机及其控制;
简缵道(1967 ),男,学士,高级工程师,研究方向为发电机及永磁电机设计;陈㊀瑛(1973 ),女,硕士,副教授,研究方向为电机及其控制;熊永康(1992 ),男,博士,讲师,研究方向为电力电子控制㊂
通信作者:熊永康
Design research of harmonic brushless excitation system for
hybrid excitation generator
XIA Yonghong 1,㊀ZHOU Lin 1,2,㊀WANG Mingming 1,㊀JIAN Zandao 3,
㊀CHEN Ying 1,㊀XIONG Yongkang 1
(1.School of Information Engineering,Nanchang University,Nanchang 330031,China;2.State Grid Nantong Power Supply
Company,Nantong 226001,China;3.Jiangxi Tsinghua Tellhow Sanbo Electric Machinery Co.Ltd.,Nanchang 330096,China)
Abstract :In order to solve the problem of air gap magnetic field regulation of permanent magnet generator and maintain its brushless advantages,a brushless hybrid excitation synchronous generator (HESG)based on harmonic excitation is proposed.The relation between rotor excitation winding current and stator harmonic excitation winding current was deduced.The design principle and method of harmonic brushless
excitation system were given,including the number of pole pairs of the stator harmonic winding for input-ting DC current and different frequency AC current,the pole pitch of the rotor harmonic winding and ex-citation winding,and the method to determine the winding turns of the harmonic brushless excitation sys-tem.Taking a 48-slot,4-pole hybrid excitation generator as an example,the design process of stator har-
monic winding,rotor harmonic winding and excitation winding was analyzed in detail.The corresponding
winding expansion diagram and winding layout diagram were obtained.Simulation calculations were made for the three cases when the number of pole pairs of the stator harmonic excitation windings are8,12and 24.The harmonic analysis of no-load line voltage of the armature winding and the harmonic EMF induced by rotor harmonic winding were agreed with the theoretical analysis.A brushless HESG prototype based on harmonic excitation was developed,the correctness of theoretical analysis and calculation were verified by test results.
Keywords:hybrid excitation;permanent magnet generator;synchronous generator;brushless excitation; harmonic excitation;excitation system
0㊀引㊀言
为了克服永磁电机气隙磁场难以调节的缺点,学者们提出了许多混合励磁永磁电机方案[1-5]㊂这种新型永磁电机包含两种磁动势:永磁磁动势和电励磁磁动势㊂通过改变电励磁绕组中的电流大小及方向,可以方便地调节电机气隙磁场㊂目前,大部分混合励磁电机方案均可以方便地调节气隙磁场,但由于励磁绕组仍布置在转子上,需要借助电刷和滑环输入励磁电流,从而失去了永磁电机无刷化的优点[6-8]㊂
实际上,采用谐波励磁方式可以较好地解决电机无刷化的问题㊂文献[9]利用定子齿谐波磁导引起的齿谐波磁场,在转子侧谐波绕组中感应齿谐波电动势,整流后提供给同步电机的励磁绕组进行励磁,该方案无需电刷滑环或者交流励磁机㊂当齿谐波励磁方式应用于电励磁同步电机时,为了获得足够的励磁功率,其定子槽口比普通电机宽较多,导致定子电枢绕组中含有较强的齿谐波电动势,引起波形畸变,并且带负载的能力较差㊂文献[10-11]利用三相电枢绕组谐波磁动势产生的谐波磁场在转子谐波绕组中感应的谐波电动势整流后作为励磁电源,因谐波磁动势较小,提供的励磁功率有限㊂文献[12-14]通过控制三相电枢绕组中的电流,利用其产生的三次谐波脉振磁场在转子谐波绕组中感应的电动势,整流后输出励磁电源㊂但该电机增加了功率变换器㊂以上这些谐波无刷励磁方式,均是应用于电励磁同步电机中,且通过转子谐波绕组感应的电动势提供励磁功率,发电机运行时,起励不便㊁带负载时励磁功率不足仍是亟需解决的问题㊂混合励磁发电机因永磁体的存在,具有起励方便㊁建压迅速的优点㊂此外,在混合励磁同步电机中,通常以永磁磁动势为主,电励磁磁动势作为辅助调节,所需要的励磁功率较小㊂为此提出一种基于谐波磁场的无刷混合励磁发电机,阐述其谐波无刷励磁原理,推导转子励磁电流与定子谐波励磁电流之间的数学表达;详细分析构成谐波无刷励磁系统的定子谐波励磁绕组㊁转子谐波绕组和励磁绕组的设计方法,以具体电机为例,给出这些绕组的设计过程㊁绕组布置方式和绕组排列图,并进行仿真计算㊂最后,研制1台谐波无刷混合励磁发电机样机加以验证㊂
1㊀谐波无刷励磁原理
图1为谐波无刷混合励磁发电机原理图[15-16]㊂在传统混合励磁发电机已有的定转子铁心㊁电枢绕组㊁励磁绕组㊁永磁体和转轴等基础上,分别在定子铁心中布置一套谐波励磁绕组以及在转子铁心中布置一套谐波绕组㊂定子谐波励磁绕组产生的谐波磁场会在转子谐波绕组中感应谐波电动势,对于谐波励磁绕组和谐波绕组而言,相当于一台旋转电枢式的同步发电机㊂转子谐波绕组通过二极管整流电路与转子励磁绕组相连,因此,该混合励磁发电机借助定子谐波励磁绕组和转子谐波绕组之间的电磁耦合关系实现了无刷化
㊂
图1㊀谐波无刷混合励磁发电机原理图
Fig.1㊀Schematic diagram of brushless hybrid excita-tion generator based on harmonic magnetic field
假定电机的极对数为p,定子谐波励磁绕组的极对数为kp(k为正整数且kȡ2),定子谐波励磁绕
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组电流为
i hfd=I hfdm n cos(nωt)㊂(1)式中:I hfdm n为n次谐波电流幅值(nȡ0),当n=0时,表示输入的谐波励磁电流为直流电流;ω为电流角频率;t为时间㊂
定子谐波励磁绕组电流产生的气隙磁场可表示为
b(α)=λ0F mνk[cos(νkα-nωt)+
cos(νkα+nωt)]=b1(α)+b2(α)㊂
(2)式中:α为定子坐标系电角度;λ0为平均气隙磁导;
F mνk为νk次谐波励磁磁动势的幅值,且F mνk= N hfd I hfdm sin[π/(2ν)]/νπ,ν为奇数;N hfd为定子谐波励磁绕组匝数㊂
由式(2)可知,气隙磁密由两部分组成㊂第一部分气隙磁密的次数为νk,相对定子的转速为nω/νk,在定子绕组中感应n次谐波电动势;相对转子转速为(ω-nω/νk),在转子绕组中感应(νk-n)次谐波电动势,其主要分量为(k-n)次㊂第二部分气隙磁密的次数为νk,相对定子的转速为-nω/νk,在定子绕组中感应n次谐波电动势;相对转子转速为(ω+nω/νk),在转子绕组中感应(νk+n)次谐波电动势,其主要分量为(k+n)次㊂
气隙磁场b1(α)的主要分量在转子绕组中感应的谐波电动势有效值为
E hr1=22π(k-n)k f1λ0lτN hr N hfd I hfdm㊂(3)式中:l为电机铁心长度;N hr为转子谐波绕组有效匝数;f1为基波频率;τ为基波极距㊂
气隙磁场b2(α)的主要分量在转子绕组中感应的谐波电动势有效值为
E hr2=22π(k+n)k f1λ0lτN hr N hfd I hfdm㊂(4)为了简化分析,假设气隙磁场b1(α)和b2(α)在转子谐波绕组中感应的谐波电动势相位相同,则谐波励磁系统提供的励磁电流为
I fd=42k d f1λ0lτN hr N hfd I hfdm
π(R fd+R hr+2πX hr)
㊂(5)
式中:k d为整流系数,对于单相桥式不可控整流电路,k d=0.9;R fd为励磁绕组电阻;R hr为转子谐波绕组电阻;X hr为转子谐波绕组电抗㊂
由式(5)可知,通过控制定子谐波励磁绕组电流可以调节转子励磁电流的大小,从而调节混合励磁同步发电机的气隙磁场和端电压,取消了电刷和滑环㊂2㊀谐波无刷励磁系统设计方法
谐波无刷励磁系统是混合励磁发电机系统的一个主要组成部分,由定子谐波励磁绕组㊁转子谐波绕组和励磁绕组构成㊂为了减少谐波无刷励磁系统对电机性能和成本的影响,其设计拟遵循以下原则:
1)产生的附加谐波磁场尽量不要影响电枢绕组的线电压波形畸变率;
2)定子谐波励磁绕组和转子谐波绕组的嵌线方便,且两者充分耦合,以减少谐波绕组的用铜量;
3)谐波无刷励磁系统的调节和控制方便㊂2.1㊀定子谐波励磁绕组极对数确定
定子谐波励磁绕组中可以输入直流或者交流电流,下面对定子谐波励磁绕组电流产生的谐波磁场进行讨论:
1)当n=0时,则i hfd=I hfdm,即定子谐波励磁绕组输入的电流为直流电㊂此时,定子谐波励磁绕组电流产生的谐波磁场b1(α)=b2(α)=λ0F mνk cos(νkα)与定子相对静止,这些谐波磁场不会在定子电枢绕组中感应谐波电动势,故不会影响定子电枢绕组电压波形的正弦性㊂当转子以同步转速旋转时,则静止的谐波磁场b1(α)和b2(α)均在转子谐波绕组中感应相同频率的谐波电动势㊂
2)当n=νk时,谐波磁场b1(α)在转子谐波绕组中感应的谐波电动势为0,谐波磁场b2(α)会在转子谐波绕组中感应(2n)th或者(2νk)th谐波电动势,即转子谐波绕组中只得到一种频率的谐波电动势,便于谐波无刷励磁系统的调节和控制㊂(1)若n=νk=3m(mȡ1),则定子谐波励磁绕组电流产生的谐波磁场b1(α)和b2(α)在定子电枢绕组中会感应n(或者3m)次谐波电动势,但不会影响其线电压波形畸变率㊂
(2)若n=νkʂ3m(mȡ1),则定子谐波励磁绕组电流产生的谐波磁场b1(α)和b2(α)在定子电枢绕组中感应的谐波电动势,会使电枢绕组线电压波形畸变㊂3)当nʂνk时,谐波磁场b1(α)和b2(α)会在转子谐波绕组中感应(νk-n)次和(νk+n)次两种不同频率的谐波电动势,不便于谐波励磁系统的调节和控制㊂
根据上面的分析,定子谐波励磁电流可以为直流电流,定子谐波励磁绕组的极对数为kp(kȡ2),或者定子谐波励磁电流为i hfd=I hfdm cos(3mωt),定子谐波励磁绕组的极对数为kp=3mp(mȡ1)㊂在
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第6期夏永洪等:混合励磁发电机谐波无刷励磁系统设计研究
此基础上,定子谐波励磁绕组的实际极对数还需要考虑定子槽数Z 1和基波极对数p 等因素㊂
2.2㊀谐波无刷励磁系统绕组节距确定谐波无刷励磁系统绕组节距的确定方法,如图2所示㊂电枢绕组的节距可以根据电机定子槽数和基波极数确定,为了改善电枢绕组电动势波形,电枢绕组的极距通常设计成短距㊂根据输入的定子谐波励磁电流㊁电机基波极对数,以及定子槽数,可以确定定子谐波励磁绕组的极对数和节距㊂对于谐波无刷励磁系统之间的磁场耦合关系,希望转子谐波绕组获得最大的谐波电动势,转子谐波绕组节距应等于定子谐波励磁绕组节距,而转子励磁绕组感应的谐波电动势希望等于0,因此,转子励磁绕组的节距应为定子谐波励磁绕组节距的2倍
㊂
图2㊀谐波无刷励磁系统绕组节距的确定方法Fig.2㊀Determination method of winding pitch of har-monic brushless excitation system
2.3㊀谐波无刷励磁系统绕组匝数设计
图3是谐波无刷励磁系统绕组匝数的综合设计流程㊂为了提高该混合励磁同步发电机的运行效率,当发电机空载运行时,谐波无刷励磁系统不工作,其空载额定电压仅由永磁体建立,可视为一台永磁同步发电机㊂因此,其结构参数㊁电枢绕组和永磁体的设计方法可以参考传统的永磁发电机的设计㊂通过对发电机空载运行和额定负载运行的比较,得
出谐波无刷励磁系统所需提供的电励磁磁动势㊂根据励磁绕组电流密度㊁励磁绕组导体截面积和电励磁磁动势,可以得到励磁绕组的匝数及其电阻值R fd ㊂计算转子谐波绕组不同匝数时的电抗X hr ,当谐波绕组电抗X hr =πR fd /2时,谐波无刷励磁系统提供的励磁电流最大,从而得到转子谐波绕组的匝数㊂最后,根据定子谐波励磁绕组与转子谐波绕组之间的磁场耦合关系,计算额定负载运行时所需的定子谐波励磁绕组磁动势,根据谐波励磁绕组电流密度㊁谐波励磁绕组导体截面积和所需的谐波励磁绕组磁动势,最终确定定子谐波励磁绕组匝数
㊂
图3㊀谐波无刷励磁系统绕组匝数设计流程Fig.3㊀Design flow of winding turns of harmonic brush-less excitation system
3㊀谐波无刷励磁系统设计分析
根据上面无刷谐波励磁系统理论分析,当定子
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谐波励磁绕组输入直流或者交流时,以一台48槽2对极的混合励磁发电机为例,讨论谐波无刷励磁系统的设计㊂
3.1㊀谐波励磁绕组通入直流电流
当定子谐波励磁电流为直流电流时,定子谐波
励磁绕组的极对数p h =kp (k ȡ2),由于电机定子槽数为48,极对数为2,因此定子谐波励磁绕组的极对数可以为4㊁6㊁8㊁12㊁24㊂
1)定子谐波励磁绕组的极对数p h 为4㊂当p h =4时,转子只需开8个槽,则励磁绕组布
置于切向充磁永磁体的上方,其产生的磁场需要经过永磁体形成闭合的磁回路,相当于串联磁路,各绕组排列如图4所示
㊂
图4㊀p h =4时的谐波励磁系统绕组排列图Fig.4㊀Winding arrangement diagram of harmonic ex-citation system when p h =4
2)定子谐波励磁绕组的极对数p h 为6㊂当p h =6时,转子需要开12个槽布置谐波绕
组,并且谐波绕组和励磁绕组不方便共用同一个转子槽,因此每个磁极还得开2个槽布置励磁绕组,故转子总槽数位为20,各绕组排列如图5所示
㊂
图5㊀p h =6时的谐波励磁系统绕组排列图Fig.5㊀Winding arrangement diagram of harmonic ex-citation system when p h =6
3)定子谐波励磁绕组的极对数p h 为8㊂
当p h =8时,定子谐波励磁绕组和转子谐波绕
组均为8个线圈构成,转子需要开16个槽布置谐波
绕组和励磁绕组,且谐波绕组和励磁绕组可以共用同一个槽,因此转子总槽数为16,各绕组排列如图6所示㊂
7
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图6㊀p h=8时的谐波励磁系统绕组排列图Fig.6㊀Winding arrangement diagram of harmonic ex-citation system when p h=8
4)定子谐波励磁绕组的极对数p h为12㊂
当p h=12时,定子谐波励磁绕组和转子谐波绕组均由12个线圈构成,其展开图如图7所示㊂根据前面的分析,转子励磁绕组的节距为定子谐波励磁绕组极距的2l倍,l为正整数,且关于磁极中心对称,以一个磁极为例,转子励磁绕组可以布置在转子2号槽和6号槽,或者转子3号槽和5号槽,从气隙磁场调节效果来讲,转子励磁绕组布置在转子2号槽和6号槽更好,励磁绕组排列如图8所示㊂5)定子谐波励磁绕组的极对数p h为24㊂
当p h=24时,定子谐波励磁绕组和转子谐波绕组均由24个线圈构成,为了获得最大的谐波电动势,转子谐波绕组的节距应等于定子谐波励磁绕组节距,所以两种绕组排列相同,图9给出了定子谐波励磁绕组展开图㊂由前面的理论可知,转子励磁绕组共有四种布置方式,一个磁极为例,可以放置在转子槽号:2-12㊁3-11㊁4-10㊁5-9,分别如图10(a)~图10(d)所示㊂综合考虑磁路饱和以及气隙磁场调节效果,排列方式2和3比排列方式1和4更好
㊂
图7㊀p h=12时的定子谐波励磁绕组和转子谐波绕组展开图
Fig.7㊀Expanded diagram of stator harmonic excitation winding and rotor harmonic winding when
p h=
12
图8㊀p h=12时的励磁绕组布置示意图
Fig.8㊀Layout diagram of field winding when p h=12
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图9㊀p h =24时的定子谐波励磁绕组展开图Fig.9㊀Expanded diagram of stator harmonic excitation
winding when p h =
24
图10㊀p h =24时的励磁绕组布置图和展开图Fig.10㊀Layout diagram of field winding when p h =24
3.2㊀谐波励磁绕组通入交流电流
由上面分析可知,当定子谐波励磁电流输入的
交流电流为i hfd =I hfdm cos(3mωt ),m ȡ1时,定子谐波励磁绕组的极对数为kp =3mp ㊂由于定子谐波励磁绕组的实际极对数还与定子槽数Z 和基波极对
数p 等因素有关,为了更好地理解,同样以一台定子48槽㊁2对数极的混合励磁电机为例,可以确定该混合励磁发电机的定子谐波励磁绕组极对数为6㊁12㊁
24三种情况,其定子谐波励磁绕组㊁转子谐波绕组和转子励磁绕组的布置方式,与谐波励磁绕组通入直流电流时相同㊂
4㊀谐波无刷励磁系统性能计算
为了验证理论分析的正确性,建立了混合励磁发电机系统有限元模型,针对定子谐波励磁绕组输入直流电流,计算了定子谐波励磁绕组为8对极㊁12对极和24对极三种情况时的谐波无刷励磁系统的性能㊂为了便于对比,计算不同方案时保持定子谐波励磁绕组总匝数为624匝㊁转子谐波绕组总匝数为120匝,且输入的直流励磁电流均为7.5A㊂
1)定子谐波励磁绕组的极对数p h 为8㊂当定子谐波励磁电流为0和7.5A 时,得到了
直槽和斜槽时的电枢绕组线电压波形及其主要谐波分量与基波的百分比值,以及转子谐波绕组电压波形,分别如图11~图14㊂
2)定子谐波励磁绕组的极对数p h 为12㊂
当定子谐波励磁电流为0和7.5A 时,计算了
励磁绕组第2种布置方式,得到了直槽和斜槽时的电枢绕组线电压主要谐波分量与基波的百分比值,以及转子谐波绕组电压波形,分别如图15㊁图16所示㊂
3)定子谐波励磁绕组的极对数p h 为24㊂
针对励磁绕组第4种布置方式,计算得到了直
槽和斜槽时的电枢绕组线电压主要谐波分量与基波的百分比值,以及转子谐波绕组电压波形,分别如图17㊁图18所示㊂
4)计算结果分析㊂
由图13㊁图15和图17可知,对于定子谐波励
磁绕组极对数分别为8㊁12和24三种情况,当其不施加电流与输入7.5A 直流电流时,无论定子直槽还是斜槽,其发电机空载线电压谐波分量基本相同,
与理论分析相符,即定子谐波励磁绕组通直流电流产生的静止谐波磁场不会在定子电枢绕组中感应谐波电动势㊂
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图11㊀p h =8时的直槽线电压波形
Fig.11㊀Line voltage waveform of straight slot when p h
=8
图12㊀p h =8时的斜槽线电压波形
Fig.12㊀Line voltage waveform of skewed slot when p h
=8
图13㊀p h =8时的发电机线电压波形分析
Fig.13㊀Line voltage waveform analysis of the genera-tor when p h =
8
图14㊀p h =8㊁I hfd =7.5A 时的转子谐波绕组电压波形Fig.14㊀Voltage waveform of rotor harmonic winding
when p h =8㊁I hfd =7.5
A
图15㊀p h =12时的发电机线电压波形分析Fig.15㊀Line voltage waveform analysis of the genera-tor when p h =12
然而,对于不同的定子谐波励磁绕组极对数,电枢绕组空载线电压波形中的某些主要次数的谐波略
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有不同,其主要原因是转子开槽在电枢绕组中产生的齿谐波电动势㊂当p h 为8时,转子槽数Z 2=16,其在电枢绕组中产生的一阶齿谐波电动势的次数为Z 2/p ʃ1=7和9,故图13中的7次谐波分量相对更高;当p h 为12时,转子槽数Z 2=24,故图15中的11次谐波分量相对更高;当p h 为24时,转子槽数Z 2=48,由于定子槽数Z 1也是48槽,定转子开槽在电枢绕组中引起的一阶齿谐波电动势次数相同,均为23次和25次,故图13㊁图15和图17中直槽时的23次和25次谐波分量比其他谐波分量高,但图17中的23次谐波因叠加了转子齿谐波电动势导致其数值更大㊂此外,通过对比直槽和斜槽电压波形的谐波分量发现,波形畸变的主要原因是23次和25次等一阶齿谐波电动势含量过高,经斜槽处理后一阶齿谐波电动势被大大削弱,线电压波形正弦性得到较大改善
㊂
图16㊀p h =12㊁I hfd =7.5A 时的转子谐波绕组电压波形Fig.16㊀Voltage waveform of rotor harmonic winding
when p h =12㊁I hfd =7.5
A
图17㊀p h =24时的发电机线电压波形分析Fig.17㊀Line voltage waveform analysis of the genera-tor when p h =24
当定子谐波励磁绕组的极对数为kp =8(其中p 为2)时,则k =4,转子谐波绕组感应νk 次谐波电动势,其主要分量为4倍频的谐波电动势,如图14所示;当kp =12时,k =6,转子谐波绕组感应νk 次谐波电动势,其主要分量为6倍频的谐波电动势,如图16所示;当kp =24时,k =12,转子谐波绕组感应νk 次谐波电动势,其主要分量为12倍频的谐波电动势,如图18所示,均与理论分析吻合
㊂
图18㊀p h =24㊁I hfd =7.5A 时的转子谐波绕组电压波形Fig.18㊀Voltage waveform of rotor harmonic winding
when p h =24㊁I hfd =7.5A
5㊀实验验证
为了验证理论分析的正确性,研制了一台基于
谐波无刷的混合励磁发电机样机,在样机轴端安装了电刷和滑环以测量转子侧绕组的电压和电流,其主要参数如表1所示,表中的绕组匝数均是其串联匝数,并搭建了样机测试平台,如图19所示㊂
表1㊀混合励磁同步发电机主要参数
Table 1㊀Main parameters of the brushless hybrid
excitation synchronous generator based on harmonic excitation
1
8第6期夏永洪等:混合励磁发电机谐波无刷励磁系统设计研究
图19㊀谐波无刷混合励磁同步发电机样机测试平台Fig.19㊀Test platform of brushless hybrid excitation
synchronous generator prototype based on harmonic excitation
㊀㊀实验时,测量了定子电枢绕组空载线电压波形和转子谐波绕组空载电压波形,如图20和图21所示
㊂
图20㊀电枢绕组空载线电压实验波形
Fig.20㊀Experimental waveform of no-load line voltage
of armature
winding
图21㊀转子谐波绕组电压实验波形
Fig.21㊀Experimental waveform of rotor harmonic
winding voltage
由图20可知,为了加工方便,该样机在制造时定子铁心没有斜槽,定转子开槽引起的23次和
25次等一阶齿谐波电动势较大,导致波形畸变严重,与理论计算的电枢绕组线电压波形相似,如图11所示㊂
由于样机的定子谐波励磁绕组的极对数为kp =24,当定子谐波励磁绕组输入7.0A 的直流电流时,其产生的12次静止的谐波磁场,在转子谐波绕组中感应12倍频的谐波电动势,如图21所示,与理论计算波形一致㊂
为了验证谐波励磁系统的性能,将转子谐波绕组与转子励磁绕组通过二极管整流桥相连,在定子谐波励磁绕组中输入不同的直流电流,测试了转子
谐波绕组电流㊁转子励磁电流和电枢绕组空载线电压,如图22所示,谐波绕组和励磁绕组电流波形如图23所示㊂测试了混合励磁发电机带不同功率因数负载时的谐波励磁系统性能,图24为功率因数为0.9(滞后)和功率因数为1.0时的发电机电枢电流和励磁电流实验波形
㊂
图22㊀谐波励磁系统工作时的实验结果
Fig.22㊀Experimental results when the harmonic exci-tation system
works
图23㊀转子谐波绕组和励磁绕组电流实验波形Fig.23㊀
Experimental waveforms of rotor harmonic winding and field winding current
由图23可知,通过控制定子谐波励磁绕组电
2
8电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀
流,可以调节转子谐波绕组和励磁绕组电流,以及发电机的端电压㊂此外,当发电机带不同功率因数负载时,谐波励磁系统仍能够输出相应的励磁电流,如
图24所示
㊂
图24㊀不同功率因数下混合励磁发电机电枢电流和励
磁电流实验波形
Fig.24㊀Experimental waveforms of armature current
and excitation current of hybrid excitation generator under different power factors
6㊀结㊀论
针对混合励磁同步发电机的谐波无刷励磁系统设计进行了研究,包括以下部分:
1)根据混合励磁发电机谐波无刷励磁原理,推
导了转子励磁绕组电流与定子谐波励磁绕组电流之间的关联关系,通过控制定子谐波励磁绕组电流,可
实现混合励磁发电机气隙磁场和端电压的调节㊂2)分析了谐波无刷励磁系统定子谐波励磁绕组极对数㊁转子谐波绕组和励磁绕组节距以及绕组匝数的确定方法㊂当定子谐波励磁电流为直流电流时,定子谐波励磁绕组的极对数为kp (k ȡ2),或者当定子谐波励磁电流为i hfd =I hfdm cos(3mωt ),定子谐波励磁绕组的极对数为kp =3mp (m ȡ1)㊂转子谐波绕组节距应等于定子谐波励磁绕组节距,而转子励磁绕组的节距应为定子谐波励磁绕组节距的2倍㊂
3)以一台48槽㊁2对极的混合励磁发电机为例,给出了相应的绕组展开图和绕组布置示意图,并对3种不同定子谐波励磁绕组极对数的电机方案进行了仿真计算㊂当谐波励磁绕组不施加电流与输入7.5A 直流电流时,无论定子直槽还是斜槽,其发电机空载线电压谐波分量基本相同;当定子谐波励磁绕组的极对数为kp =8㊁12和24时,转子谐波绕组感应谐波电动势的次数分别为4㊁6和12,均与理论分析相符㊂样机测试结果验证了理论分析和谐波无刷励磁系统原理的正确性㊂
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8第6期夏永洪等:混合励磁发电机谐波无刷励磁系统设计研究。