桥梁自动化设备电源谐波励磁电机有限元建模研究

施 杰，刘 博，黄克峰

(1.陆军工程大学 国防工程学院，江苏 南京 210007； 2.航天工程技术大队，北京 100085)

0 引言

随着交通运输行业的发展，桥梁作为交通体系中的关键构成部分，其建设规模和速度不断扩大和增快，这让建筑市场的竞争也逐渐激烈。桥梁是高速公路建设中关键的构成部分，桥梁建设质量好与坏直接对桥梁投入使用的安全性有很大的影响，从而也对整条高速公路的质量造成影响。在科学技术逐渐进步之下，机械也逐渐自动化和集成化，这也让桥梁施工更加现代化。桥梁施工的现代化和自动化就需要可靠的性能优异的电源进行供电。

随着电机产业的日益发展，发电机的类型变得更加多样，自20世纪70年代起，国内展开了对三次谐波励磁发电机的研究。采用三次谐波励磁，一方面较好地利用了发电机中的谐波，省去了单独的励磁机装置，使整个发电机装置体积减小、成本降低；另一方面谐波绕组电压会随着负载的不同而变化，具有较好的相复励特性，固有电压调整率高且带载能力强，因而三次谐波励磁发电机得到了迅速发展和广泛应用[1]。

但是，由于三次谐波磁场受磁路饱和、气隙、齿槽和磁极形状的影响很大，还存在谐波励磁发电机的空载特性曲线出现曲折变化，从而影响发电机运行的稳定性；负载时的谐波电压可能达到空载时的10倍，从而可能将励磁调节器损坏等问题[2]。目前，对谐波励磁发电机的谐波与励磁的匹配缺乏准确的计算和设计手段，无法把握新产品的性能，在试制中经过反复调试也未必能达到预期的效果，这样既延长了新产品开发周期，增加了开发成本，又不能保证发电机性能指标达到预期目标。通过有限元法建立电机的仿真模型，在此基础上对发电机性能进行仿真测试可以简化电机制造过程中的反复调试过程，对磁场相关问题进行归纳研究，又可以改善电机内部磁场情况，有效提高电机性能，因此，有限元仿真可以作为发电机生产过程中有效的辅助工具。从已发表的文献来看，对谐波励磁电机的仿真模型研究尚不深入，文献[3-4]对谐波励磁同步发电机的空载磁场进行了分析，提供了一种计算空载磁场气隙磁密波形和磁密分布的方法，并给出了谐波电压的计算结果；文献[5]给出了一种计算负载基波电势和谐波电势的方法，分析了负载情况下电枢反应对谐波磁场的影响。文献中所用稳态有限元仿真的方法仅能模拟空载及带不同功角的常规线性负载情况的磁场及电压情况，然而目前电力系统电力电子化的趋势，使负载类型多呈现非线性特征，不能通过单一时刻的静态模拟得到其特性规律，故应用传统方法并不能进行有效分析。因此本文采用时步有限元的分析手段，建立了谐波励磁发电机及其励磁调压系统的有限元场路耦合联合仿真模型，可以对发电机带非线性负载的磁场及感应电压情况进行动态模拟，进而分析其影响规律，为不同负载时谐波励磁方式相复励特性的性能发挥研究提供了可能性。

本文利用清华泰豪三波电机有限公司提供的某型号谐波励磁发电机参数，基于Maxwell软件搭建了谐波励磁电机的主发电机和励磁机模型，并利用Simplorer软件建立了励磁调压系统，通过与同型号发电机的实测数据对比，验证仿真模型的正确性。

1 仿真模型的搭建

1.1 发电机本体模型的搭建

目前常见的谐波励磁电机分为有刷和无刷两种，电机转子产生的谐波磁场，在定子的谐波绕组上感应出交流电，经整流后得到直流电，若直接供给电机励磁则为谐波励磁的有刷同步发电机；若供给交流励磁机，通过励磁机电枢产生的交流电经旋转整流器整流后供给主机励磁则为谐波励磁的无刷同步发电机。本文采用的为应用更为广泛的无刷同步发电机，发电机参数来源于清华泰豪三波电机有限公司所提供的某型号发电机实际参数，相关发电机参数如下：

(1)电气参数

额定功率PN=30 KW，额定频率fN=50 Hz，额定转速nN=3 000 r/min，功率因数cosφ=0.8。

(2)基本尺寸

主机定子长度为210 mm，内径为95 mm，外径为150 mm，定子槽数为36，冲片材料为DW470-50；主机转子为一对极，长度为210 mm，内径为25 mm，外径为90 mm，冲片材料为冷扎钢板DC01。

励磁机定子长度为30 mm，内径为95 mm，外径为140 mm，定子槽数为10，冲片材料为冷扎钢板Q235；励磁机转子长度为30 mm，内径为67.5 mm，外径为94.5 mm，转子槽数为30，冲片材料为DW470-50。

阻尼条直径为6 mm，阻尼板厚度为2 mm，材料均为紫铜T2M。

根据相应参数，建立的发电机主机仿真剖分图如图1所示。

图1 主发电机模型

其中定子绕组为正弦绕组B型，线圈跨距自大到小分别为17，15，13，11，9，7，每圈匝数分别为6,5,4,4,3,2。谐波绕组为同心式绕组，线圈跨距自大到小分别为5,3，每圈匝数分别为6,4。转子绕组每极420匝，2极共820匝。

提取发电机气隙磁场的波形，如图2所示。磁场呈类矩形波，且由于阻尼绕组和定子开槽的影响，将使气隙磁感应强度分布不均匀，出现对应位置的凹陷，这也将导致电枢电压的畸变。

图2 主机气隙磁密波形

图3 绕组感应电动势波形

将仿真步长设置为0.1 ms，得到电枢绕组三相电动势和谐波绕组电动势波形如图3所示。由图可见，气隙磁场的不均匀导致输出感应电动势中存在齿谐波，齿谐波的存在对发电机输出电能质量具有较大的影响，而在实际发电机制造时，往往可以通过斜槽、磁性极楔等方式，削弱齿谐波的影响，对输出电压波形有较大的改善作用。

在进行系统仿真时，Maxwell和Simplorer的联合动态仿真计算量较大，仿真速度较慢，为提高仿真速度，在发电机动态仿真精度允许的条件下，适当提高仿真步长，设为0.5 ms，此时得到的电枢绕组三相电动势和谐波绕组电动势波形如图4所示。

图4 提高仿真步长后，绕组感应电动势波形

由图4可见，适当加大步长后，电枢电压呈现较规则的正弦波，三次谐波也呈现类正弦波，考虑到仿真与实际发电机输出波形的贴近性和仿真运行的快速性，此步长设置是可以接受的。

图5 励磁机模型

无刷励磁发电机还附有同轴励磁机，与主发电机不同的是，励磁机的定子绕组为励磁绕组，转子绕组为电枢绕组，便于将产生的三相电枢电压经旋转整流器结构整流后供给主机励磁，励磁机仿真模型如图5所示，其中定子绕组为叠绕组，每圈250匝，共10圈；电枢绕组为波绕组，线圈跨距为3，线圈每圈6匝。

与独立励磁源的发电机需要外加电流进行启动不同，谐波励磁同步发电机可以依靠转子铁心的剩磁建立电压，通过谐波绕组感应出的较小的谐波电压反馈给励磁绕组使励磁电流继续加大，形成正反馈实现自启动。而利用有限元对发电机进行仿真时，铁心材料并不能体现剩磁性质，因此并不能在初始时刻通过谐波绕组感应出的剩磁电压进行自励启动，进而无法进行后续的带载分析。为解决这一矛盾，就需要采用其他方法模拟出发电机内部的剩磁用于自励启动。

本文采用外加剩磁绕组的方式模拟发电机中的剩磁，如图1中所示，在励磁绕组上方附加一套剩磁绕组，并在此绕组上通入恒定的直流电，这样就会在气隙中建立微弱的磁场，类似于电机中的剩磁，谐波绕组可利用此磁场感应出起始电压，实现自励启动。剩磁绕组电流设置过小无法在谐波绕组上感应出有效的初始电压，设置过大又会对气隙磁场造成一定影响。通过发电机厂家提供的出厂试验数据，发电机谐波绕组的剩磁电压约为13.5 V，因此调整剩磁绕组的匝数和所加电流，使谐波绕组感应产生的电压与实际剩磁电压相等，以更准确模拟实际发电机中的剩磁情况。

1.2 励磁调压系统的搭建

谐波励磁同步发电机具有一定的相复励特性，其固有的电压调整率在10%以内，能实现基本的恒压效果，但在实际工程应用中对电压的调整率以及调节时间都有明确的标准，尤其是脉冲负载系统对负载变化过程中电压调节的响应时间提出更高的要求，因此励磁调节系统对电压的反馈控制作用是必不可少的。

励磁调节系统的拓扑图如图6所示，其包含励磁电源回路和励磁控制回路。励磁电源回路中S1为发电机谐波绕组，S2为励磁机励磁绕组，C1和VD5为励磁绕组提供滤波和续流的作用。谐波绕组S1通过感应气隙中的三次谐波产生交流电，经整流后为励磁机励磁绕组S2供电。励磁控制回路采集发电机输出端电压U0作为信号，与参考电压U0_ref进行对比得到电压差值，再经过PID环节，通过控制信号与三角波比较得到PWM调制波，利用此调制波控制励磁电源回路中IGBT的开通占空比，从而达到控制励磁机励磁电流大小的目的。U0为电机输出端电压的幅值，可用式(1)获得：

(1)

式中，ua、ub、uc为三相电压信号。

图6 电压调节系统拓扑

实际发电机的励磁控制回路存在一定的时间延时，这主要由电压检测环节、信号处理环节等造成，使端电压的变化到励磁机励磁绕组的电压变化存在一定的响应时间。通过询问相关生产厂家和查阅相关资料了解，此延时大概在近百毫秒。为使模拟更贴近于实际，在仿真中励磁控制回路加入延时模块，并将延时设置为80 ms。

至此发电机及其励磁调压系统整体模型搭建完成，其整体仿真模型如图7所示。在图7中，右侧方箱为主发电机导入Simplorer软件中的模块显示，其含有一对转速接口，一对励磁绕组接线端，一对谐波绕组接线端和三相电枢绕组接线端；左侧方箱为励磁机导入后的模块显示，其同样含有转速接口、励磁绕组和三相电枢绕组接线端。因有限元发电机模块可以体现出绕组电感性质，因此在外电路中仅需在绕组旁加入电阻模拟其等效电阻及在匝数较多的绕组旁加电感模拟其漏感。主机和励磁机转速接口均设置接入3 000 r/min的转速。仿真系统利用模拟剩磁绕组和励磁调压系统可以使发电机自励启动并稳定在额定状态，便于进行带负载的动态仿真。

图7 发电机及励磁调压系统整体模型

2 仿真模型验证

为检验所建有限元仿真模型的准确性，利用同型号电机的出厂试验数据进行验证，即给励磁机励磁绕组通恒定电流，确定发电机输出三相电压与励磁机励磁电流的对应关系。以相同方法进行仿真，得到试验与仿真的对比数据，如表1所示。

表1 端电压仿真与试验结果对比

励磁机励磁电流一般很小，因为几百毫安的励磁电流即可在励磁机电枢绕组上感应出几伏至十几伏的电压，足以给主发电机励磁使其正常运行。对比表1中试验输出电压和仿真输出电压，误差在5%以内，在可接受范围内，说明该模型满足系统仿真的精度要求。

3 结论

本文首先阐述了有限元动态仿真模型的优势和必要性，并参考清华泰豪三波电机有限公司提供的发电机参数，基于Maxwell和Simplorer仿真软件搭建了谐波励磁同步发电机的场路耦合联合仿真模型。最后，对同型号发电机进行了数据实测，并与仿真结果进行对比，验证了所搭建仿真模型的准确性。