CN116111571B - 一种基于非零相位谐波削极磁场注入的低纹波直流融冰电源系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于非零相位谐波削极磁场注入的低纹波直流融冰电源系统，属于多相发电机装置应用领域。该装置包括：依次连接的柴油发动机、永磁同步发电机、以及整流电路，柴油发动机拖动永磁同步发电机后经五相全桥整流电路后接融冰线路进行热力融冰；所述永磁同步发电机的转子采用基于非零相位谐波削极磁场注入的方式设计，其中五相永磁同步发电机根据负载特征和电机设计原理决定所需注入气隙三次谐波磁场的幅值及相位，使发电机输出特定的电压波形以获得整流后直流纹波更小的电压。通过对五相电机转子永磁体形状进行非零相削极实现对电机输出端电压中三次谐波电压的增强与移相，使得电机通过整流桥输出给负载的电压拥有更小的直流纹波。
Description
技术领域
本发明属于输电线路防灾减灾装置领域，具体涉及一种种基于非零相位谐波削极磁场注入的低纹波直流融冰电源系统
背景技术
覆冰是威胁电网安全运行的主要灾害，且存在明显的局部严重覆冰特征，90％的覆冰杆段不到2km，历次严重覆冰或覆冰舞动均会不同程度地给输电线路设备带来损坏。输电线路位于户外，沿途地理环境复杂多样，往往不可避免会途经微地形微气象区或存在“三跨”区段，且气候变化过程中存在多次重复性覆冰现象。线路覆冰后，及时采取技术手段除去导地线上的冰雪是解决线路覆冰问题的根本手段。
目前应用较为广泛的直流融冰装置是利用系统电源针对整条线路进行融冰，从电网取电，经过变压器与整流器后输出直流电融冰。这类直流融冰装置重达数十吨，日常维护十分困难，需针对变电站接线进行改造，耗费人力物力，投资巨大。另外，全线融冰时，在未覆冰区，大电流会使导线温度升高，存在因过热发生变形风险，融冰电流的选取受到限制，融冰效率与施工经济性需要平衡。结合输电线路覆冰风险存在局部严重性和线路覆冰存在多次重复性的特征，因此研究直流融冰电源装置对局部杆段的线路覆冰问题进行灵活分段融冰具有重大实用价值。
发明专利CN113783155A公开了一种针对铁路电网覆冰的移动式直流融冰系统可实现直流融冰融冰装置的便携移动，但是存在直流纹波较大的问题。由于绞制而成导线不可避免存在电感问题，整流后的直流纹波会造成无功损耗，降低直流融冰电源功率因素，纹波含量越高，功率因素低，因此降低直流融冰装置的直流纹波具有重要意义。
发明人研究发现，传统发电机的输出电压叠加上一定范围大小的三次谐波电压，经不控整流桥整流后，得到的输出电压直流纹波远小于不叠加三次谐波直接整流得到的输出电压的直流纹波。但由于三次谐波磁场会对三相电机形成较大的振动，影响电机正常运营。因此采用基于非零相位谐波削极磁场注入特殊设计转子的五相永磁同步发电机可有效减少直流融冰装置直流侧的纹波大小，有利于减少无功损耗的同时避免使用滤波器，提升系统效率的同时提高经济型，具有重要工程意义。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种新的直流融冰装置的设计，通过对发电机结构的特殊设计，实现使用更少的设备提供更容易控制与调节的直流融冰系统。
一种基于非零相位谐波削极磁场注入的低纹波直流融冰电源系统，包括：依次连接的柴油发动机、永磁同步发电机、以及整流电路，柴油发动机拖动永磁同步发电机后经五相全桥整流电路后接融冰线路进行热力融冰；所述永磁同步发电机的转子采用基于非零相位谐波削极磁场注入的方式设计。
进一步的，根据负载特性及同步发电机参数决定所需注入气隙三次谐波磁场的幅值及相位，通过对转子永磁体形状进行削极，实现对电机输出端电压中三次谐波电压的增强与移相，使发电机输出特定的电压波形，以获得整流后直流纹波更小的电压。
进一步的，所需注入的最优气隙三次谐波磁场的幅值及相位根据电路参数通过仿真实验获得，通过使用非零相三次谐波正弦永磁体削极的方式实现三次谐波磁场幅值和相位的改变。
进一步的，所述永磁同步发电机的转子永磁体经过磨削切片加工并进行电镀处理，使得永磁体厚度沿空间位置角变化。
进一步的，所述永磁体厚度沿空间位置角变化，具体包括：在制造永磁体时，使永磁体厚度与预期获得的磁动势关于永磁体空间位置角的函数关系相同，使其产生特定的磁动势；永磁体厚度与空间位置角函数关系如下：
Gw(θ)＝Z1sin(Pθ)+Z3sin(3Pθ+ψ)
Gv(θ)＝Ge+Gw(θ)
其中，Gv(θ)是永磁体的总厚度；Ge为永磁体的边沿厚度；Gw(θ)为永磁体的可变厚度；Z1与Z3分别为磁场正弦基波与三次谐波的幅值；θ为空间位置角度；ψ为三次谐波初始相位；P为极对数。
进一步的，所述永磁同步发电机的转子使用的相同牌号永磁体，保证永磁体剩磁基本一致。
进一步的，所述永磁同步发电机采用五相永磁同步发电机。
进一步的，所述整流电路采用五相不控整流全桥。
总而言之，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
本发明利用了增强特定次谐波磁势对电机输出电压波形的作用，对电机输出波形进行了改造，使其经整流后得到直流纹波更小的输出，且其输出直流电压大小可通过调整柴油发动机转速来控制，使用不控整流桥就可以控制输出电压，避免了使用可控整流器件与滤波装置，简化直流融冰装置；本发明利用了等效永磁体的概念，通过对剩余磁感应强度不变的永磁体进行厚度上的削极处理，可以方便的获得产生特定波形磁动势的永磁体，实现对电机三次谐波磁场的注入与移相，同时抑制了其他次谐波，对直流纹波的抑制起到正向作用。
附图说明
图1为本发明一实例提供的直流融冰装置系统示意图；
图2为本发明一实例输出电压与未采用本发明技术的系统输出电压波形图起其中曲线1表示未采用本发明技术的装置输出电压，曲线2表示采用本发明技术的装置输出电压；
图3为本发明一实例设计的永磁体形状及其产生的基波磁势与三次谐波磁势波形，其中3-永磁体形状；4-基波磁势；5-三次谐波磁势。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例公开了一种基于非零相位谐波削极磁场注入的低纹波直流融冰电源系统，五相永磁电机与五相不控整流桥连接，整流桥输出连接输电线路。采用本发明的电机设计方法设计五相电机。本实例中，发电机基波电压幅值设计值为100V，则三次谐波电压设计值为其基波幅值的0.2倍,即20V，则三次谐波磁场削极幅值Z3在考虑三次谐波绕组系数较基波绕组系数小后，选择为0.32倍的Z1幅值。三次谐波初始相位取滞后于基波的10.2°，电机相电阻为0.08Ω，由于为表贴永磁电机，dq轴电感相等，则同步电感为0.05mH。
永磁体厚度与空间位置角函数关系如下：
Gw(θ)＝Z1sin(Pθ)+Z3sin(3Pθ+ψ)
Gv(θ)＝Ge+Gw(θ)
其中，Gv(θ)是永磁体的总厚度；Ge为永磁体的边沿厚度，此例中为0；Gw(θ)为永磁体的可变厚度；Z1与Z3分别为磁场正弦基波与三次谐波的幅值；θ为空间位置角度；ψ为三次谐波初始相位；P为极对数。
如图3所示，将所述取值带入公式，可以得到预期永磁体厚度与空间位置角的关系，即永磁体形状。图3中序号1所示即为实例中永磁体形状。按照削极的方式处理永磁体，通过对剩余磁感应强度不变的永磁体进行厚度上的削极处理，可以方便的获得产生特定波形磁动势的永磁体，实现对电机三次谐波磁场的注入和移相，同时可满足对于其他次谐波磁场的抑制。
优选地，所述发电机与不控整流桥连接，后连接模拟输电线路的负载电阻，负载电阻为1Ω，其输出电压波形如图2所示，从图2中，我们清晰得到，采用本发明设计的五相同步发电机经整流桥后输出直流电压相较于为未采用本发明设计的五相同步发电机拥有更小的直流纹波，而直流电压平均仅仅下降了7V左右，同时从图中可看出注入的三次谐波电压不仅使得纹波更小，同时可减小电压畸变率。
本发明提供的直流融冰装置，可以用于输电线路的除冰，也可以用于其他需要提供直流电源的应用领域，用途广泛。该发明解决了传统直流融冰装置采用可控整流桥带来的系统结构复杂的问题，同时也在不采用滤波装置的情况下实现了对于纹波的抑制，减少滤波装置实现轻量化设计，同时采用不控全桥整流相对可控整流具备更高的经济性，从而提升经济效益。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于非零相位谐波削极磁场注入的低纹波直流融冰电源系统，其特征在于,包括：依次连接的柴油发动机、永磁同步发电机、以及整流电路，柴油发动机拖动永磁同步发电机后经五相全桥整流电路后接融冰线路进行热力融冰；所述永磁同步发电机的转子采用基于非零相位谐波削极磁场注入的方式设计；根据负载特性及同步发电机参数决定所需注入气隙三次谐波磁场的幅值及相位，通过对转子永磁体形状进行削极，实现对电机输出端电压中三次谐波电压的增强与移相，以获得整流后直流纹波更小的电压；所需注入的最优气隙三次谐波磁场的幅值及相位根据电路参数通过仿真实验获得，通过使用非零相三次谐波正弦永磁体削极的方式实现三次谐波磁场幅值和相位的改变；所述永磁同步发电机的转子永磁体经过磨削切片加工并进行电镀处理，在制造永磁体时，使永磁体厚度与预期获得的磁动势关于永磁体空间位置角的函数关系相同；永磁体厚度与空间位置角函数关系如下：
Gw(θ)＝Z1sin(Pθ)+Z3 sin(3Pθ+ψ)
Gv(θ)＝Ge+Gw(θ)
其中，Gv(θ)是永磁体的总厚度；Ge为永磁体的边沿厚度；Gw(θ)为永磁体的可变厚度；Z1与Z3分别为磁场正弦基波与三次谐波的幅值；θ为空间位置角度；ψ为三次谐波初始相位；P为极对数。
2.如权利要求1所述的基于非零相位谐波削极磁场注入的低纹波直流融冰电源系统，其特征在于：所述永磁同步发电机的转子使用的相同牌号永磁体，保证永磁体剩磁一致。
3.如权利要求1所述基于非零相位谐波削极磁场注入的低纹波直流融冰电源系统，其特征在于：所述永磁同步发电机采用五相永磁同步发电机。
4.如权利要求1所述的基于非零相位谐波削极磁场注入的低纹波直流融冰电源系统，其特征在于：所述整流电路采用五相不控整流全桥。
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