消磁脉冲交流发电机定子电流的数值计算

李志新，张国友

（海军工程大学电气工程学院，武汉 430033）

消磁脉冲交流发电机定子电流的数值计算

李志新，张国友

（海军工程大学电气工程学院，武汉 430033）

论文首先阐述了基于同步发电机不控整流的消磁脉冲电源的原理及组成，接着研究了消磁工况下同步发电机的工作特性，求得了同步发电机定子电流的解析表达式，并采用数值逼近法计算出了定子电流瞬时值及相关参数，最后某消磁站的实验数据表明，理论计算结果和实验测量值相符，证明了数值计算方法的正确性。

消磁脉冲电源 同步发电机不控整流 换相电抗 数值计算

0 引言

在舰船消磁勤务中，为达到消除舰船固定磁场的目的，消磁主电源需产生图1所示的正负交替、幅值逐步衰减的脉冲电流，电流波形（上升下降时间、超调量等）要求严格，且首脉冲幅值达数千安培甚至更大，末脉冲幅值则仅为数十安培，这就对消磁主电源提出了很高的要求[1]。

传统的基于直流发电机的消磁主电源有着控制便捷等优点，但存在大功率时换相难、功率密度小、体积大、造价高等缺点，尤其是随着舰船吨位的不断增大，消磁勤务所需脉冲电流的幅值随之增大，基于直流发电机的消磁脉冲电源的局限性日益突出。同步交流发电机有着输出功率大、功率密度大、造价低、可靠性高等优点，基于同步交流发电机的消磁脉冲电源能突破基于直流发电机的消磁主电源的局限性，是消磁电源的发展趋势[2]。但在消磁工况下，同步发电机工作于不对称状态，定子电流与对称时有很大的区别，本文着重对其进行分析计算。

1 同步发电机不控制整流消磁脉冲电源

基于同步电机不控整流的消磁脉冲电源为电力二极管三相全波整流，得到的消磁脉冲波形好，且有可靠性高的显著优势，如图2所示。

柴油机拖动飞轮和同步发电机至额定转速（1500 r/min），励磁控制装置根据接收到的控制信号和反馈信号产生励磁电压，给同步发电机提供励磁电流，发电机输出的交流电经不控整流整成直流电，换相柜根据脉冲电流的方向需求将直流电输送至消磁绕组，从而得到图1所示的正负交替、幅值逐步衰减的脉冲式消磁工作电流。发电机以同步转速旋转，在某一脉冲期间，励磁电流不变，机端电压为对称三相电压，eφ为相电压幅值，如图3所示。

2 同步电机定子电流的解析解

同步发电机带不控整流负载时电路模型如图4所示：D1至D6为电力二极管，组成三相不控整流桥，eA、eB、eC为发电机三相对称电势，如式（1）所示；r为电枢电阻；x为电枢感抗，由于电机带整流负载，工作在不对称状态，所以x为同步电机超瞬态感抗；LD、RD分别为消磁绕组电感和电阻；ID为消磁电流，虽然消磁电流为正负交替、幅值逐步衰减的脉冲电流，但在每一个脉冲期间，ID可视为不变（电阻RD很小，相比之下LD显得大，故时间常数较大）

根据电机铭牌参数以及相关的实验数据，得图4所示电路的参数为：单相电枢电阻r=0.00095 Ω；电机的xd≈xq，超瞬态感抗x=0.011456 Ω；消磁绕组电阻RD=0.07 Ω。

理想的三相全波整流直流侧的电压波形如图5所示，但由于电枢感抗x的存在，电流不能突变，各相由导通到截止或由截止到导通的过程中，有个电流换相过程，以电流从B相换到C相为例分析同步电机定子电流的解析解。如图1所示，换相前A相电压值最大，B相电压值最小，故有

自然换相点在ωt=0.5π，但由于电阻r的存在，换相点会提前到ωt=δ。此时：电流由B相向C相换流时，B、C两相短路，电路如图6所示。

由图6有：

换相结束到下一次换相开始前，电路如图7所示。

三相不控整流每个脉波的周期为π/3，换流时（ωt=δ至ωt=θ1）消磁绕组两端的电压如式（3）所示，换流后（ωt=θ1至ωt=δ+π/3）消磁绕组两端电压如式（6）所示，所以，在不计电力二极管的管压降ΔU时，消磁绕组两端电压为

3 同步电机定子电流的数值计算

设Ud=K1eφ，式（5）中的非周期分量衰减系数则相关参数的计算流程框图如图8所示：1）程序开始后设定K1的初值与三相全波不控整流不考虑换流时的值相同，1.654；2）根据式(2）可计算出换相起始角δ；3)设置K2的初值为1.0（K2恒小于1.0）；4）根据式（5）计算换相结束角θ1；5）根据δ和θ1计算K2；6）将计算得到的K2值与设定的K2值比较，若二者之差大于设定值的0.3%，则将K2设定值减小0.0001，回到第4步。若二者之差小于设定值的0.3%，则进行下一步的计算；6）根据前面得到的δ和θ1和式（8），计算Ud，进而计算K1；7）将计算得到的K1值与设定的K1值比较，若二者之差大于设定值的0.3%，则将K1设定值减小0.0001，回到第2步。若二者之差小于设定值的0.3%，则结束计算。

计算得到K1=1.4076、K2=0.9372、δ=89.3681°、θ=132.7076°，换相角1θ1-δ=43.3395°、换相提前角（比自然换相角提前角度）π/2-δ=0.6319°。设eφ=1.0，根据δ、θ1和式（4）可计算出iB瞬时值，进而根据三相电流的关系，得出iA、iC瞬时值，其波形如图9所示。再根据式（3）和式（6），可计算出直流侧电压Ud瞬时值，其波形如图10所示。

4 实验结果分析

基于同步电机不控整流的消磁主电源系统在某消磁站的改造中首次使用，运行过程中，用录波仪录得发电机定子电流波形如图11所示（由于条件限制，仅录了两相）：与图9所示的仿真波形基本一致，电流脉冲顶部平坦，与脉冲期间ID不变的假设相符；换流过程约为2.3 ms（对应电角度41.4°），计算值为43.3395°。读取发电机机端电压和直流侧电压，并计算K1，如表1所示，与计算得到的K1=1.4076很相近。实验结果与理论分析相符。

5 小结

本文在阐述基于同步发电机不控整流的消磁主电源的原理和组成的基础上，对消磁工况下同步发电机不控整流的工作特性进行了研究，并结合消磁绕组这一特殊负载的特点，充分考虑电流换相过程，得到了同步发电机电子电流的解析表达式，并用数值逼近法计算出了定子电流的瞬时值及相关参数。某消磁站的实验表明，计算结果与测量值相符。

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[1] 张国友. 发电机模式的消磁主电源系统设计与实践[C]. 2012年舰艇消磁发展方向研讨会论文集, 2012.

[2] 李志新. 基于同步发电机不控整流的消磁脉冲电源励磁控制系统研究[J]. 船电技术，2013，33（8）23-25.

Numerical Calculation of Stator Current of Pulse Alternator for Deperming

Li Zhixin, Zhang Guoyou
(College of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033，China)

The principle and composing of the deperming pulse power source based on synchronous generator-uncontrolled rectifier are expatiated in this paper , the characteristics of the synchronous generator for deperming are researched, the stator current’s analytical formula of the synchronous generator are calculated, and the numerical approximation technologies are used to calculate the stator’s instantaneous current and correlative parameter. The experiment data of one deperming station show that the results of calculation and the data from experiment measure are wholly consistent, and the numerical calculation method is effective.

deperming pulse power source; synchronous generator-uncontrolled rectifier; commutating reactance; numerical calculation

TM46

A

1003-4862（2014）03-0001-04

2013-09-19

国家自然科学基金（51277176）

李志新 (1981-)，男，硕士，讲师。研究方向：电工理论与新技术。