低壓大電流輸出的雙繞組感應(yīng)發(fā)電機系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計
劉陵順， 周洪慶， 胡育文
（1海軍航空工程學(xué)院，山東煙臺264001；2南京航空航天大學(xué)，江蘇南京250016）
摘要：提出通過提高定子雙繞組感應(yīng)發(fā)電機控制繞組與功率繞組的匝數(shù)比來升高控制繞組的電壓，從而降低控制繞組勵磁變換器電流的設(shè)計策略，同時可以省去功率側(cè)的勵磁電容器和控制側(cè)的濾波電感，由此構(gòu)成一種小電流勵磁控制大電流功率輸出的新型勵磁控制系統(tǒng)。利用改進(jìn)的粒子群算法對1臺整流橋輸出18 kW、28 V的樣機在轉(zhuǎn)速變比為1:25的運行條件下進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。結(jié)果表明，該優(yōu)化設(shè)計策略有效降低了控制繞組勵磁變換器的電流及系統(tǒng)的成本、體積和重量。
關(guān)鍵詞：低壓大電流；雙繞組感應(yīng)發(fā)電機；優(yōu)化設(shè)計
中圖分類號：TM346文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1673-6540( 2009) 11-0001-05
 0 引 言 低壓直流電源系統(tǒng)在戰(zhàn)車、飛機中仍有廣泛應(yīng)用，如現(xiàn)役坦克電源是28 V直流輸出，現(xiàn)役飛機電源電有一部分是28 V直流輸出，當(dāng)它們輸出18 kW的功率時，直流輸出電流將達(dá)642 A，要采用電力電子變換器直接控制這種低壓大電流的電源系統(tǒng)將會非常困難。新型的定子雙繞組感應(yīng)發(fā)電機系統(tǒng)(DWIC)如圖1所示，其定子具有兩套統(tǒng)組，一套為功率繞組，輸出端通常接有整流橋負(fù)載，可以輸出直流電或輸出變頻交流電；另一套為控制繞組，接有靜止的勵磁變換器( SEC)，由變換器提供所需的無功電流，采用一定的控制策略，可以有效地調(diào)節(jié)功率繞組輸出電壓的幅值保持恒定。兩套定子繞組的極數(shù)相同，共用同一個旋轉(zhuǎn)磁場【1-2】。因此可以利用DWIC定子上具有兩套繞組的特點，即在功率繞組中只接有整流橋負(fù)載，輸出低壓大電流的電能，將可控的電力電子變換器放在與功率電路完全隔離的控制繞組回路中，通過改變兩套繞組匝數(shù)比可以把勵磁回路的電壓等級適當(dāng)?shù)靥岣�，使勵磁電流降低，為系統(tǒng)的控制提供了極大的方便，從而實現(xiàn)了用小電流的勵磁變換器控制大電流的功率輸出的目的，這是雙繞組感應(yīng)發(fā)電機的一大優(yōu)點。
 國內(nèi)外對于雙繞組感應(yīng)發(fā)電系統(tǒng)已取得一系列的研究成果，其中文獻(xiàn)[14]的分析是在原動機轉(zhuǎn)速基本不變的情況下進(jìn)行的。對于轉(zhuǎn)速變化范圍較寬的雙繞組感應(yīng)發(fā)電系統(tǒng)，為了實現(xiàn)控制繞組勵磁容量的最小，文獻(xiàn)[5]分析了功率繞組在不同勵磁電容下所對應(yīng)的控制繞組勵磁電流的變化規(guī)律及勵磁電容的選擇原則。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[6]提出了通過電機本體參數(shù)與勵磁電容同時優(yōu)化的設(shè)計策略，并對一臺18 kW、270 V高壓整流輸出的樣機在1:2.5寬轉(zhuǎn)速變比下進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，可使控制繞組勵磁變換器的容量降到額定輸出功率的1/3左右，從而使勵磁變換器的電流降低到15A以下，勵磁電容只有120μF左右，實現(xiàn)了用小容量的變換器控制大功率輸出的目的。
對于轉(zhuǎn)速范圍較寬的大功率整流橋低壓直流輸出的雙繞組感應(yīng)發(fā)電機系統(tǒng)，因其輸出電流很大，電機的電感值較小，發(fā)電機需要的無功電流會很大。為了降低控制繞組勵磁變換器的電流，如果仍然在功率繞組側(cè)并接勵磁電容，則系統(tǒng)需要的優(yōu)化勵磁電容值會很大，文獻(xiàn)[7]對一臺28 V輸出的樣機進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，該勵磁電容高達(dá)2000μF以上。試驗表明，過大的勵磁電容會對控制側(cè)勵磁變換器的交流諧波產(chǎn)生較大的振蕩放大作用，因此需要在控制繞組交流輸出側(cè)串聯(lián)較大的濾波電感，這對于降低系統(tǒng)的體積、重量非常不利。如果將功率側(cè)并接的過大的勵磁電容器去掉，只靠控制繞組勵磁變換器單獨勵磁，會省去控制繞組勵磁變換器交流端的濾波電感，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)得到很大的簡化，如圖1所示。采用本文提出的提高控制繞組與功率繞組匝數(shù)比的設(shè)計策略，即可實現(xiàn)這個目標(biāo)，同時使控制繞組勵磁電流得到較大程度的降低。下面將從電機繞組結(jié)構(gòu)、目標(biāo)函數(shù)、數(shù)學(xué)模型及優(yōu)化算法等方面進(jìn)行闡述。
1 優(yōu)化設(shè)計策略
1.1 電機參數(shù)對控制繞組電流的影響
為分析電機等效電路參數(shù)對控制繞組電流的影響規(guī)律，假定：(1)忽略電機的磁滯和渦流損耗；(2)控制繞組提供純無功電流，即與勵磁電流同相位；(3)負(fù)載等效為純阻性負(fù)載。則定子雙繞組感應(yīng)發(fā)電機的等效電路及相量圖見圖2。
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