基于电力综合集成的多绕组双流发电机技术分析

杨　阳，赵徐成，刘章龙

（空军勤务学院航空四站系，江苏徐州221000）

基于电力综合集成的
多绕组双流发电机技术分析

杨阳，赵徐成，刘章龙

（空军勤务学院航空四站系，江苏徐州221000）

为解决采用传统发电机的移动电站输出电源种类单一，而采用多台发电机又会造成底盘过载影响机动性的问题，文章基于电力综合集成技术，分析研究实现发电机的双流发电的关键技术，突破发电机多绕组发电及励磁解耦等难题，减小了电机体积、降低了电机重量，有利于移动电站的多功能化与小型化设计。

双流发电机；电力综合集成；多绕组发电技术；励磁解耦

电力综合集成技术是基于综合集成思想，将电力技术与信息技术、电力电子技术、新材料技术等高新技术交叉融合，拓展和延伸发电技术研究领域，同时以模块化，集成化为核心思想，将发电系统发展为每个模块都是高度集成的完整系统的技术［1］。双流发电机作为电力集成技术的成果，采用一台复合式励磁机同时为多绕组发电机提供励磁电流，减小了机体体积和重量，实现了交直流电的独立输出［2］。

1　电力综合集成技术

电力集成是现代综合集成技术在电力技术方向的深化和扩展，是集成化、智能化和通用化在电力系统中的集中体现。电力集成使电机及其控制系统高度集成，摆脱传统的单一发电机生产制造模式，与传统发电系统比较，体积更小，重量更轻，性能更可靠［3］。

1.1集成系统的特征

电力集成的基本特征可以概括为沉浸、交互和自控，可用一个“集成技术三角形”来说明，见图1［4］。

图1　集成系统的特征图Fig.1 Characteristics of the integrated system

“沉浸”指的是系统各部分互为存在，缺一不可；“交互”则体现系统各模块之间不仅在物理上的连接，更重要的是互相作用，互为影响。“自控”则表现为系统自身构成反馈调节功能。这3个方面是电力综合集成的3个基本特征，它强调了系统中各个部分相互沉浸、作用、依赖的关系，是实现系统各个环节有机结合，达到系统最优的关键因素。

1.2电力集成技术内容

电力综合集成技术是研究电力装备集成以及电力系统集成的技术。装备集成是将相关的发配电、电能变换、电气传动与控制等电力设备中的多个功能模块集成于一体，实现电力设备的高功率密度、高可靠性、高性能；系统集成是在电力设备集成化的基础上采用总线技术将各设备有机地组合起来，及时传递、分析和处理系统运行状态信息。

2　双流发电机电力集成技术分析

双流发电机是一种主要通过电力设备集成化设计技术实现的新型交直流供电系统，方案采用多绕组方式将交、直流双流发电机与电源变换器综合集成设计，利用一台发电机同步实现交直流电输出，减小电机体积、降低电机重量。

2.1双流发电机设计思想及设备构成

为满足移动电站对发电机小型化、轻型化的要求，设计多绕组发电机，并以1台复合励磁机为多绕组发电机提供励磁电流。同时，基于电力综合集成技术实现励磁机的无刷励磁。双流发电机主要由机座、传动轴、冷却装置、高压中频发电机、低压直流发电机、复合励磁机以及旋转整流器组成，其结构见图2。双流发电机与整流装置以及冷却装置集成为一体，共用一套励磁装置，共轴排列并刚性连接在传动轴上。

图2　多绕组双流发电机整体结构图Fig.2 Structure of multi-winding double current power generator

2.2双流发电机主要技术分析

双流发电机采用多绕组发电技术实现交直流独立输出，通过复合式交流励磁机实现双流发电机的无刷发电［5］。该励磁机能够集成2套励磁电源来分别实现对高压中频绕组与低压直流绕组的独立励磁［6-7］。

2.2.1多绕组发电技术

交流励磁机将电枢绕组、旋转整流器和发电机的励磁绕组固定在在转子上一道旋转，毋须电刷和滑环等部件，称无刷励磁，见图3［8］。由图3可看出：交流励磁机的励磁绕组经自动电压调节器A.V.R接到主发电机定子三相输出的某一相上；励磁机电枢绕组发出的三相中频电经三相桥式整流之后又为主发电机励磁。

图3　发电机无刷励磁结构图Fig.3 Structure of brushless excitation generator

高压绕组交流发电：主发电机和交流励磁机是通过相互励磁而自励发电的［9］。交流励磁机依靠其定子上永久磁铁产生的磁场，在电枢绕组内感应出很微弱的电势和电流。这一微弱电流经三相桥式整流之后加到主发电机的励磁绕组上，使主发电机气隙建立了很微弱的旋转磁场，继而在其定子三相绕组中产生一微弱电势。自动电压调节器获得主发电机某相送出的这一微弱电势后，经整流、判断、又加给励磁机的励磁绕组，增强了励磁机的气隙磁场。同时，使得主发电机励磁绕组的直流电流也迅速增大，主发电机电枢绕组的感应电势随之增强，并经电压调节器给予励磁机励磁绕组的电流迅速增大。最终，进一步增强了励磁机的气隙磁场。如此反复，直到发电机绕组达到磁饱和使气隙磁密度不再继续上升，最终获得稳定的三相中频电势。

低压绕组直流发电：直流发电采用了12脉波整流技术来提高直流电源输出的质量。对于交流电输入来说，采用多重联结不仅可以减少交流输入电流的谐波，同时也可以减少直流输出电压中的谐波幅值并提高纹波频率。因此，在低压三相整流的设计中，为了保证输出电压脉动量的指标要求，采用双三相交流电源经桥式整流并直流侧并联的设计思路，其中三相电流由互差30°相位而电压幅值相等的两套低压绕组组成（三相交流电源间相位互差30°可使得输出电压在每个交流电源周期内脉动12次，故称12脉波整流）。

2.2.2励磁解耦技术

实现交直流电源独立输出，解决励磁机多绕组磁场耦合问题，是双流发电机电力集成技术的关键［10-16］。

在复合励磁机的设计中，励磁机磁极和电枢采用公用铁心，定子磁极分别为16极磁极（高压绕组）和8极磁极（低压绕组）；而转子对应地采用16极和8极2套电枢绕组。转子设计为48槽，高压绕组对应励磁机的极数为16极，其极距τ=3，低压绕组对应励磁机的极数为8极，其极距τ=6。

交流励磁机定子有16个铁心磁极，每个铁心磁极套一个线圈就能形成16极磁场，每相邻2个铁心磁极套一个线圈就能形成8极磁场。其各自的气隙磁势及磁场分布见图4。虽然各自的磁路在同一铁心中形成，但小磁极的磁势N2和S2合成为0，因而大小磁极的磁势不会相互影响。

图4　励磁机气隙磁势及磁场分布图Fig.4 Distribution map of exciter madine air-gap and magnetic field

16极电枢绕组在16极磁场中感应电势见图5。励磁机的每极每相的槽数1，极距（每个主磁极在电枢表面占据的距离或者相邻两主极间的距离，用所跨弧长或弧长对应的虚槽数表示）τ=3，在16极磁极的N极中产生的感应电动势为e，在S极中产生的感应电动势为-e，每对磁极下感应电动势为E=e-（-e）=2e，每相Ua=E×8=e×16。

图5　16极电枢绕组在16极磁场中感应电势图Fig.5 Induced EMF of 16 magnetic fields in 16 armature windings

16极电枢绕组在8极磁场中感应电势见图6。励磁机磁极每极每相的槽数2，极距τ=6。转子电枢绕组每极跨3个槽。在16极磁极的N极中产生的感应电动势为e，在S极中产生的感应电动势为也为e，则该绕组在每对磁极下产生的感应电动势为E=e-e=0，每相Ua=0，即8极磁极对16极电枢绕组输出无影响。

与16极电枢绕组在16极磁场中相同，8极电枢绕组在8极磁极的N极中产生的感应电动势为e，在S极中产生的感应电动势为-e，每对磁极下感应电动势为E=e-（-e）=2e，不过每相电压变为16极的一半，即Ua=E×4=e×8。8极电枢绕组在16极磁场中，励磁机磁极每极每相的槽数1，三相共3个槽，极距τ=3。转子上8极电枢绕组每极跨6个槽，是16极的2倍，在每个磁极上，产生的感生电动势为E=e-e=0，即16极磁极对8极电枢绕组输出没有影响。

图6　16极电枢绕组在8极磁场中感应电势图Fig.6 Induced EMF of 16 magnetic fields in 8 armature windings

基于上述原理分析，中频高压发电机主磁场励磁电流由16极三相电枢感应的电势整流成直流提供，而直流低压发电机主磁场励磁电流由8极三相电枢感应的电势整流成直流提供，在技术上解决了交、直流发电励磁解耦的关键问题。

3　结束语

电力综合集成技术是实现移动电站多功能化、小型化、高可靠性的基础，双流发电机正是一种基于电力集成技术的新型电力系统。

双流无刷发电机采用基于三相桥式整流技术的旋转整流器同时合理设计励磁机磁极与励磁绕组结构解决了无刷励磁与励磁解耦的难题，实现高品质多种电源输出，同时降低电机重量，提高移动电站机动性能。

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Technologies Analysis of Multi-Winding Double Current Power Generator Based on Power Meta-Synthesis

YANG Yang，ZHAO Xucheng，LIU Zhanglong
（Department of Aviation Four Stations，Air Force Logistics College，Xuzhou Jiangsu 221000，China）

To solve the problem of the mobile power station with traditional power generator such as singularity of the pow⁃er output and with few generators such as the overload of the vehicle，in this paper，the key technologies of double current power generator based on the power system comprehensive integration technology and realizes the breakthrough of multiwinding power generation technology and excitation decoupled was realized.At the same time，the double current genera⁃tor equiped with smaller volume and lighter weight compared with ordinary aiternating-current generator.This research was conductived to realize the multi-functionalization and miniaturization of mobile power station.

double current generator；power meta-synthesis；multi-winding power generation technology；excitation decou⁃pled

TM31

A

1673-1522（2015）06-0582-05DOI：10.7682/j.issn.1673-1522.2015.06.016

2015-07-25；

2015-10-15

杨阳（1992-），男，硕士生。