一体化电机系统设计与分析

潮流360

一体化电机系统
于功山、张文昌、王怀杰
（济南吉美乐电源技术有限公司，山东 济南）
摘  要：本方案着重介绍了一体化电机系统中发电机的分析计算、整流器的分析计算和逆变器的分析计算，同时还做了实验验证总结。
关键词：发电机分析计算、整流器分析计算、逆变器分析计算
中图分类号：         文献标识码：         文章编号：
　　　1．引言
　　　通常称具有电机本体、变流器和控制器的电机系统为一体化电机系统，最常见的发电系统由中频永磁发电机和逆变模块组成，其中采用钕铁硼磁钢的中频永磁发电机，在大部分场合下不适和直接输出使用，而通过逆变模块变换为230V，50Hz标准工频电能后，具有电压稳定、频率稳定，性能指标得到较大提高，系统由于采用了除电机本体之外的变流器、控制器对电能进行变换和控制，使其运行特性由自然特性变为可控特性，系统具有规范化、模块化设计，便于扩容，工作频率可以做得较高，功率密度可以做得较大等特点，因而，得到了广泛的应用。
　　　
　　　2．系统设计
　　　2.1发电系统工作原理
　　　三相中频电能(本文以三相介绍)，再经过逆变器进行AC/DC/AC转换，输出工频交流电能（50Hz,230V）。
　　　方案框图：
　　　
　　　　　　　　   　      交流中频电能   　　　         交流工频供电
　　　                    500Hz,400V                    50Hz,230V输出　
　　　
　　　
　　　
　　　逆变器主逆变系统的设计采用高集成度数字化智能功率模块（IPM）的电路方案，逆变器的基本工作原理如图所示，发电机产生的三相交流电送入逆变器的输入端，三相交流电经三相整流桥整流，电容EC2滤波，变成平滑的直流电，然后，通过控制功率管Q1、Q2、Q3、Q4按照预定的频率和脉宽周期性的开关，在L1、L2前端就可获得频率固定、脉宽不等的PWM波，PWM波经电感、电容滤波后，得到要求的交流电压。
2.2永磁中频发电机设计：
　　　发电机设计为中频永磁发电机，结构采用外转子结构型式，利用永磁材料直接提供发电机旋转励磁磁场。为防止磁性材料在高温和振动环境中退磁，充磁后的转子再进行老化处理，使转子磁场能够稳固不变；定子安装在电机外壳上，定子铁芯与线圈之间设计有1.5mm厚注射成型的聚砜绝缘层，并且线圈绕制后再进行浸漆处理，确保绝缘良好；另外，在转子上设计安装大流量冷却风扇，对定子和转子进行冷却；同时，为进一步保证其可靠性，发电机的功率设计和冷却散热设计都实施了较大幅度的降额；
　　　主要参数表1：
型号        额定电压（V）         极对数        转速范围            (rpm)        功率(kW)        重  量
　(kg)        外形尺寸
　（mm）
JML8000        　　400        　　10        2500～3600        8.5        　　19        　　φ370×170
2.3逆变器设计：
　　　将永磁发电机输出的中频电能进行AC/AC变换，逆变成50Hz/230V工频电能。
选用应用广泛且可靠性高，性能稳定的元器件，从而保证逆变稳压器的性能指标
　　主电路及控制器设计
a．逆变控制电路采用全数字化方式，由专用DSP芯片实现基准正弦波发生、频率设定、电压调节、直流平衡、软启动、正弦脉宽调制、驱动脉冲形成、故障保护等全部功能，其输出控制信号可直接驱动IPM模块，；控制软件借鉴成熟的现代工业控制技术，并固化于DSP芯片内部的FLASH存储器，性能稳定可靠。
b．逆变器采用富士第四代工业级IPM（智能功率模块），使逆变主回路达到智能化和最简化；IPM采用第四代IGBT功率器件，内部集成了智能化的驱动、控制与保护电路，驱动参数达到最优化，抗干扰能力强，并具备防直通功能； IGBT功率芯片内部集成有温度传感器和电流传感器，实现可靠的过热保护、过流保护和短路保护；保护时采取软关断技术，可有效防止产生尖峰电压冲击。IPM电压、电流级别选用时采取大幅度降额，额定工作状态下电压应力系数仅为0.5左右，电流应力系数仅为0.28左右，保证充足的过载能力和抗误用能力。
c．输出滤波电抗器采用进口优质铁芯和优化磁路设计，效率高，损耗低，滤波电容采用损耗低，自愈性能优良的金属化聚丙烯电容器，并采用计算机辅助设计手段设计滤波器参数，保证良好的输出电压质量，高效率，高可靠性。
3．系统运行特性的分析与计算
　　　在由原动机直接驱动型发电系统中，由于发电机出口电压的幅值和频率总在变化，需要先通过整流电路将该交流信号变换为直流电，然后再经过逆变器变换为恒频恒压的工频交流电能，因而一体化发电系统的性能与电机、整流器、逆变器均有很大关系, 特别对于这种发电模式下，其中发电机的某些参数如相数、频率、电压外特性等，并不需要进行严格的界定，中频发电机由于不直接输出，其性能间接影响系统的最终输出，因此对系统运行特性进行分析时，必须将发电机、整流器、逆变器作为一个整体来综合考虑，
　　　直接对电机系统的方程组进行解析分析并求解，在同样的条件下,较之数值求解更为直观，在多数情况下,对一体化发电系统的稳态运行特性进行综合分析时，成为经常采用的手段,以下采用这种模式对发电系统进行分析。
　　　系统主电路结构如下：
　　　
　　　
　　　                   图1 主电路结构图
　　　
　　　3.1发电机的分析计算
　　　发电机每相绕组交联的磁链ψ峰值，ψ=Nkw1Bδavτ1Lef              （1）
　　　每一相绕组中感应的反电动势e=dψ/dθ*dθ/dt，                 (2)
　　　等效同步电抗Xs∝kmN2 Lefλm                                                  (3)
　　　发电机最大传输功率P=E*U/Xs                                （4）
　　　发电机输出电压U=e-Ls*di/dt-Ra*I                              （5）
　　　　　　　　
　　　              图2 发电机一相等效电路
　　　3.2 整流器的分析计算
　　　电路结构如图3所示。采用三相桥式不控整流桥，Up为二极管整流器的输出整流直流电压; C1为直流滤波电容。
     
　　　　　　　　　　图3 整流电路
三相不控整流桥的输出电压Up可表示为:
　　　　　　　                    （6）
　　　其中，U2为交流输入相电压有效值;ωP为输入电压基波频率。
　　　
　　　3.3逆变器分析计算
　　　　　　
　　　　　　　　　图4 单相逆变桥主电路
　　　逆变器基本结构如图4所示，采用单相桥式逆变电路，输出滤波器为LC滤波器。Up为直流母线电压;L2为输出滤波电感;C2为滤波电容;
　　　逆变桥中各功率开关器件都工作在开关状态，是一个线性与非线性相结合的系统。由于开关频率fs远高于调制频率，可以利用平均状态空间法和线性化技术，建立PWM逆变器的线性化模型，可得电流、电压方程
　　　首先设Si为二值开关函数，即
　　　
　　　则：UL=Up*(S1-S3)= Up*(S2-S4)
　　　考虑到同一桥臂的上下两个开关管不能同时开通或同时关断，则有：
　　　
　　　        于是，UL=Up*(2S1-1)= Up*(2S2-1)                      （7）
　　　根据基尔霍夫定律可得电压回路的方程
　　　           UL -UO =R*i+L*di/dt
　　　  则有UO=  UL -（R*i+L*di/dt）= Up*(2S1-1) -（R*i+L*di/dt）  （8）
　　　
　　　
　　　
　　　
　　　
　　　4．试验验证
　　　一体化发电系统的设计是根据输出特性的要求完成给定的直流侧参数设定，然后根据母线电压和传输功率进行中频发电机、逆变器和滤波器的设计。
　　　在对系统特性进行分析时，依据上述的系统内部相互关系，借助公式(5)、(6)、(8)对影响系统外特性的各量进行一定的数量分析，当系统要求一定的功率密度条件下，还要求对输出电压特性等进行局部参数的优化时，综合考虑滤波电感、中频发电机绕组电抗参数、逆变器控制系统pi设置等。
　　　测试参数如下：
　　　试验样机是一台采用一体化发电技术的6kW小型化发电机组，关于中频发电机的具体数据参见表1。
　　　中频发电机的空载线电压波形
　　　
　　　满载线电压波形
　　　
　　　母线电压波形
　　　
　　　输出工频电压波形
　　　
　　　满载时电压波形谐波分析
　　　
　　　主要电气参数表
性  能  指  标        传统同步发电机        一体化发电系统
　频率稳态调整率(%)        ±3        0
　频率波动率(%)        0.5        0
　频率稳定时间(s)        2        0
　频率瞬态调整率(%)        ±7        0
　电压稳态调整率(%)        ±0.8        ±0.8
　电压波动率(%)        ±0.1        ±0.1
　电压稳定时间(s)        1        1
　电压稳定时间(s)        1        1
　　　
　　　5.结束语
　　　采用一体化发电技术的某型号电站经过实验证明各项技术指标都达到了设计的要求，已顺利通过军方的基地试验。经过在雷达系统中的长期稳定可靠的运行，能满足恶劣电磁环境下运行的要求，表明该方案采用的上述分析方法基本合理，能够用于指导实际工程设计。
　　　一体化发电系统的运行方式近年来得到越来越广泛的应用，对于这类系统的本质认识尚浅，有许多问题尚待进一步的探讨和验证，文中难免存在不妥之处，恳请同行、专家质疑指正，共同探讨、提高。
　　　本文是作者和项目组成员长期研究和实践工作的结晶。参加研制的人员有张文昌、王怀杰、张瑞英、陈爱伟等。 最后特别感谢长期给予大力支持的山大华天公司的李建明、迟恩先教授，向他们高尚的品格和对电源技术的不倦追求精神致敬。