1 引言
雙凸極電機(jī)是近幾年來(lái)電工科學(xué)領(lǐng)域繼開關(guān)磁阻電機(jī)之后又一全新的研究方向，電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)較永磁雙凸極電機(jī)由于采用勵(lì)磁繞組取代永磁體勵(lì)磁，就可以通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，不需要可控功率變換器和位置檢測(cè)裝置，從而結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，可靠性更高，成本更低。但電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)要發(fā)出直流電就必須外接三相整流橋，并且輸出端需要加一個(gè)大的濾波電容，這樣使得整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)很大。傳統(tǒng)的調(diào)壓器僅僅引入輸出電壓與給定值相比較后的值經(jīng)pi調(diào)節(jié)作為勵(lì)磁回路開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)，這樣輸出電壓的穩(wěn)態(tài)性能往往不能滿足要求。本文以一臺(tái)12/8極，28.5v直流輸出的電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象，采用在傳統(tǒng)調(diào)壓器的基礎(chǔ)上引入勵(lì)磁電流負(fù)反饋的方法來(lái)改善發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能[1]。
2 電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理
2.1 電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成
本文所論述的電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電系統(tǒng)主要由電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)本體，三相不可控整理橋，模擬調(diào)壓器等三部分組成。
文中用到的電機(jī)為一臺(tái)三相12/8極結(jié)構(gòu)的電勵(lì)磁式雙凸極電機(jī)，圖1為其截面圖。電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)轉(zhuǎn)子上無(wú)任何繞組，勵(lì)磁繞組和電樞繞組全部集中在定子上。這臺(tái)電機(jī)的定子極弧為定子齒距的1/2。這樣保證了一個(gè)極下轉(zhuǎn)子齒與定子齒的重疊角恒等于轉(zhuǎn)子極弧[2]，而與轉(zhuǎn)子位置無(wú)關(guān)，從而使電機(jī)中的合成氣隙磁導(dǎo)為一個(gè)常數(shù)。
圖 1 12/8極dsem電機(jī)截面圖
2.2 電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)的工作原理
電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)發(fā)電運(yùn)行時(shí)，輸出電壓需經(jīng)過(guò)三相整流橋變換成直流電。其工作原理[2]是：當(dāng)勵(lì)磁繞組加上恒定直流電時(shí)，就產(chǎn)生了勵(lì)磁磁通。其中大部分磁通經(jīng)過(guò)定子軛部，定子齒部，氣隙，轉(zhuǎn)子軛部，轉(zhuǎn)子齒部形成閉合回路。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子在外力作用下沿某一個(gè)方向持續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于磁阻的變化，電樞繞組所匝鏈的磁鏈發(fā)生變化而產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如果外接負(fù)載時(shí)，電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)將向外輸出電能。當(dāng)負(fù)載或者電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小來(lái)維持輸出電壓的恒定。
3 電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)的調(diào)壓系統(tǒng)
電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)調(diào)壓主要是通過(guò)控制勵(lì)磁電流來(lái)實(shí)現(xiàn)的[3][4]。傳統(tǒng)的調(diào)壓方式是：取電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)經(jīng)整流后輸出的電壓uport+，uport-，并經(jīng)過(guò)差分比例運(yùn)算電路作為電壓負(fù)反饋接入sg3525的反相輸入端，再與給定值相比較后經(jīng)過(guò)pi調(diào)節(jié)控制勵(lì)磁回路開關(guān)管。在傳統(tǒng)的調(diào)壓電路的基礎(chǔ)上我們?cè)僖雱?lì)磁電流負(fù)反饋，本文勵(lì)磁回路中的mosfet管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路如圖2所示。
圖2 調(diào)壓電路驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路
勵(lì)磁電流經(jīng)過(guò)電流互感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)uif后也接入sg3525的反相輸入端。輸出電壓負(fù)反饋，勵(lì)磁電流負(fù)反饋均采用pi 調(diào)節(jié)。因?yàn)橹恍枰宦份敵?，我們使用sg3525的13腳作為輸出信號(hào)，由于13腳是反邏輯輸出的，我們?cè)谳敵龊蠼由弦粋€(gè)oc門電路來(lái)實(shí)現(xiàn)正確的開通信號(hào)。勵(lì)磁電流檢測(cè)電路如圖3所示。
圖3 勵(lì)磁電流檢測(cè)電路
勵(lì)磁電流檢測(cè)使用的是磁場(chǎng)平衡式電流傳感器（lem模塊），采用正負(fù)15v供電。 它將互感器，磁場(chǎng)放大器、霍爾元件和電子線路集成在一起，套在勵(lì)磁線圈上就可以工作。lem具有精度高，零漂小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快及抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。由于該電流傳感器輸出為電流信號(hào)，因此在它的輸出端需要加合適的采樣電阻。本文所使用的電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)的額定勵(lì)磁工作電流約為if=20a，因?yàn)閯?lì)磁電流的最大電流較大，可達(dá)25a左右，選用的電流傳感器的電流變比ki=1:1000，在額定工作點(diǎn)，霍爾傳感器輸出電流it=20a/1000=20ma，選r1=200ω，則勵(lì)磁電流的反饋量uif =r21×it= 200×0.02=4v。運(yùn)算放大器lm358構(gòu)成射極跟隨器，用于提高帶載能力和抗干擾能力。
4 兩種調(diào)壓方式對(duì)穩(wěn)態(tài)特性影響比較
4.1利用simubbbb仿真對(duì)兩種調(diào)壓方法比較
由于調(diào)壓系統(tǒng)環(huán)節(jié)眾多，電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，往往為高階系統(tǒng)，使得模型建立和分析相當(dāng)困難[5]。matlab軟件中的simubbbb工具箱是電機(jī)仿真的重要工具。matlab軟件從5.2版本開始推出電氣模塊庫(kù)（power system blockset psb），psb涵蓋了電力電子，電力系統(tǒng)等電工科學(xué)中常用的基本元件和系統(tǒng)仿真模型。雖然psb是在simubbbb的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，但psb信號(hào)與simubbbb的信號(hào)不同，需要通過(guò)中間接口模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)兩種信號(hào)的傳遞。
dsem發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型主要包括磁鏈方程和電壓方程。由于dsem電機(jī)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)決定了dsem電機(jī)每相繞組間自感和相繞組與勵(lì)磁繞組間的互感都隨著轉(zhuǎn)子位置改變而改變。對(duì)相繞組間的自感，相繞組與勵(lì)磁繞組間的互感采取分段線性化處理。
磁鏈方程和電壓方程可以表示為：
(1)
三相繞組電流數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
(2)
(3)
式中，ua，ub，uc分別表示a、b、c相對(duì)中性點(diǎn)n的電壓；uf，if表示勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流。ra，rb，rc表示每相繞組的電阻；l表示每相繞組的自感或互感；ia，ib，ic表示三相電流；p表示微分算子。
利用simubbbb和psb模塊庫(kù)搭建電勵(lì)磁雙凸極發(fā)電機(jī)調(diào)壓系統(tǒng)的模型。首先進(jìn)行只引入輸出電壓負(fù)反饋，在轉(zhuǎn)速4775r/min，勵(lì)磁電流20a，負(fù)載20a時(shí)的仿真。圖4是其輸出電壓的仿真波形，從圖4中可以看出在只有輸出電壓負(fù)反饋時(shí)的輸出電壓脈動(dòng)比較大，△u<1v。
然后在輸出電壓負(fù)反饋的基礎(chǔ)上，再引入勵(lì)磁電流負(fù)反饋。在轉(zhuǎn)速4775r/min，勵(lì)磁電流20a，負(fù)載20a時(shí)進(jìn)行仿真。圖5是其輸出電壓的仿真波形，從圖5中可以看出再加上勵(lì)磁電流負(fù)反饋后的輸出電壓脈動(dòng)比較小，△u<0.4v。
圖4 n=4775r/min，i0=20a時(shí)僅有電壓負(fù)反饋的調(diào)壓方式
從仿真波形可以看出，引入勵(lì)磁電流負(fù)反饋后，能夠明顯改善輸出電壓的穩(wěn)態(tài)精度，減小輸出電壓脈動(dòng)。
4.2 通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)兩種調(diào)壓方法進(jìn)行比較
在上述仿真結(jié)論的基礎(chǔ)上，我們?cè)偻ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)考察引入勵(lì)磁電流負(fù)反饋對(duì)輸出電壓性能的影響。圖6、圖7是轉(zhuǎn)速4860r/min，勵(lì)磁電流20a，負(fù)載在12a下分別只有電壓負(fù)反饋和加上勵(lì)磁電流負(fù)反饋的調(diào)壓波形。其中通道1為勵(lì)磁回路中開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形，使用差分探頭縮小20倍觀測(cè)；通道3為輸出電壓的交流分量，也是使用差分探頭縮小20倍觀測(cè)；通道4是電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)a相電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)后的波形，a相電流通過(guò)lem縮小1000倍后流過(guò)20ω的檢測(cè)電阻后轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，使用普通探頭檢測(cè)電阻兩端電壓達(dá)到觀測(cè)a相電流的目的。
圖5 n=4775r/min，i0=20a時(shí)有兩種負(fù)反饋的調(diào)壓方式
從圖6、圖7中的通道3波形對(duì)比可以看出在相同的轉(zhuǎn)速，負(fù)載等條件下，加上勵(lì)磁電流負(fù)反饋的調(diào)壓電路輸出電壓紋波(約為0.8v)要遠(yuǎn)小于僅有電壓負(fù)反饋的調(diào)壓電路的輸出電壓紋波（約為2.1v）。
圖6 i0=13a時(shí)僅有電壓負(fù)反饋的調(diào)壓實(shí)驗(yàn)波形
圖7 i0=13a時(shí)加上勵(lì)磁電流負(fù)反饋的調(diào)壓實(shí)驗(yàn)波形
圖8、圖9是轉(zhuǎn)速4750r/min，勵(lì)磁電流20a，負(fù)載在30a下分別只有電壓負(fù)反饋和加上勵(lì)磁電流負(fù)反饋的調(diào)壓波形。使用的探頭同圖6、圖7。
圖8 i0=30a時(shí)僅有電壓負(fù)反饋的調(diào)壓實(shí)驗(yàn)波形
圖9 i0=30a時(shí)加上勵(lì)磁電流負(fù)反饋的調(diào)壓實(shí)驗(yàn)波形
從圖8、圖9中的通道3波形對(duì)比也可以看出在相同的條件下，加上勵(lì)磁電流負(fù)反饋的調(diào)壓電路輸出電壓紋波（約為1v）要遠(yuǎn)小于僅有電壓負(fù)反饋的調(diào)壓電路的輸出電壓紋波（約為2.5v）。同時(shí)也可以看出隨著負(fù)載電流的增大兩種調(diào)壓方式下的輸出電壓紋波均有所增大[6]。這是因?yàn)殡S著負(fù)載電流的增加，電樞反應(yīng)會(huì)使相繞組磁鏈隨位置角變化的波形發(fā)生變化。電樞反應(yīng)的退磁作用將使相磁鏈減小，電樞反應(yīng)的增磁作用使相繞組磁鏈增加，當(dāng)磁路飽和時(shí)退磁作用大。在磁路完全退飽和前，隨著負(fù)載電流的增加，輸出直流電壓紋波會(huì)緩慢增加。當(dāng)負(fù)載電流足夠大，使磁路完全退飽和，相磁鏈峰值減小量大，相電勢(shì)峰值隨負(fù)載電流增加而減小，使輸出直流電壓紋波減小。所以對(duì)輸出電壓紋波有很高的要求時(shí)可以再考慮引入負(fù)載電流負(fù)反饋。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文介紹了電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)的發(fā)電原理，詳細(xì)分析比較了兩種調(diào)壓方式下的直流輸出紋波大小。首先利用simubbbb軟件對(duì)兩種調(diào)壓方式進(jìn)行仿真，看出僅有電壓負(fù)反饋的調(diào)壓方式輸出紋波遠(yuǎn)大于有電壓負(fù)反饋和勵(lì)磁電流負(fù)反饋的調(diào)壓方式。然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)在不同的負(fù)載下兩種調(diào)壓方式對(duì)輸出電壓紋波的影響。可以看出引入勵(lì)磁電流后可以大大減小輸出電壓的脈動(dòng)。勵(lì)磁電流負(fù)反饋能夠改善輸出電壓的原因是因?yàn)樗a(bǔ)償了由于勵(lì)磁電流變化導(dǎo)致的占空比變化。最后簡(jiǎn)單介紹了下負(fù)載電流對(duì)輸出電壓也有一定的影響。
作者簡(jiǎn)介
陳 明（1983-） 男 碩士研究生，研究方向?yàn)楹娇针娫?，電機(jī)控制。
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