寬范圍穩(wěn)壓的組合轉(zhuǎn)子同步發(fā)電機(jī)
陽朝輝，黃守道，劉嬌
(湖南大學(xué)，湖南長沙410082)
摘要：研究了一種寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)穩(wěn)壓的組合轉(zhuǎn)子同步發(fā)電機(jī)。該發(fā)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)與普通發(fā)電機(jī)相同，轉(zhuǎn)子由起主發(fā)電用的永磁部分和調(diào)壓用的電勵(lì)磁部分組成，他們同軸安裝，共用同一套電樞繞組。電勵(lì)磁部分采用內(nèi)勵(lì)磁無刷爪板結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)其勵(lì)磁電流來改變氣隙磁通大小，從而達(dá)到穩(wěn)壓目的。對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、運(yùn)行原理和電磁設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)分析證明了該種電機(jī)在寬轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)穩(wěn)壓性良好的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：組合轉(zhuǎn)子；爪極結(jié)構(gòu)；電勵(lì)磁部分；寬轉(zhuǎn)速范圍
中圖分類號(hào)：TM341 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2008)08-0026—03
0前言
永磁同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠，但電機(jī)制成后氣隙磁場無法調(diào)節(jié)。當(dāng)轉(zhuǎn)速或負(fù)載變化時(shí)，發(fā)電機(jī)保持恒壓是比較困難的，對(duì)于穩(wěn)定性要求較高的場合，必須采用電力電子變換器調(diào)壓、雙轉(zhuǎn)子或雙定子調(diào)壓等方法，這會(huì)增加成本，降低動(dòng)態(tài)性能。本文研究的組合轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)有效地解決永磁同步發(fā)電機(jī)調(diào)壓困難的難題，在寬轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了電壓的穩(wěn)定輸出。該發(fā)電機(jī)的定子與普通同步發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)相同，轉(zhuǎn)子由兩部分組成：永磁部分和輔助電勵(lì)磁部分。當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，通過調(diào)節(jié)輔助電勵(lì)磁部分的磁場就可以調(diào)節(jié)輸出電壓，從而使發(fā)電機(jī)的輸出電壓保持恒定。
輔助電勵(lì)磁部分采用內(nèi)勵(lì)磁爪極結(jié)構(gòu)，與永磁體部分同軸安裝。兩個(gè)相互交錯(cuò)咬合的法蘭盤將勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的軸向磁通轉(zhuǎn)化為徑向磁通，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)電機(jī)的無刷化。由于解決了永磁發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)難的問題，這種組合轉(zhuǎn)子同步發(fā)電機(jī)能廣泛應(yīng)用于各種不同的領(lǐng)域。
1發(fā)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)與原理
本文研究的組合轉(zhuǎn)子同步發(fā)電機(jī)是通過二極管不可控整流后給負(fù)載供電的，因此只需考慮轉(zhuǎn)速變化時(shí)穩(wěn)定電壓大小的問題，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。定子結(jié)構(gòu)與普通同步發(fā)電機(jī)相同，轉(zhuǎn)子由永磁段和電勵(lì)磁段組成。永磁部分采用切向槽楔式結(jié)構(gòu)，電勵(lì)磁部分采用無刷爪極結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)電機(jī)的無刷化，提高了電機(jī)的可靠性。
 當(dāng)發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，通過與發(fā)電機(jī)配套設(shè)計(jì)的數(shù)字勵(lì)磁調(diào)節(jié)器自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流Ie，且使Ie=0，此時(shí)只有永磁部分發(fā)電，輸出額定電壓。當(dāng)發(fā)電機(jī)在低速區(qū)運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流大小，且使Ie>O，此時(shí)電勵(lì)磁部分產(chǎn)生的氣隙磁通與永磁部分產(chǎn)生的氣隙磁通同向，使得發(fā)電機(jī)氣隙總磁通增加，從而保證發(fā)電機(jī)輸出電壓穩(wěn)定。這時(shí)整臺(tái)發(fā)電機(jī)可以看成是一臺(tái)永磁發(fā)電機(jī)與一臺(tái)電勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)串聯(lián)發(fā)電，只是他們問的電壓串聯(lián)是在電樞繞組中的每根導(dǎo)條中實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行在高速區(qū)時(shí)，調(diào)節(jié)Ie且使Ie<O，此時(shí)電勵(lì)磁部分產(chǎn)生的氣隙磁通與永磁部分產(chǎn)生的氣隙磁通方向相反，使得發(fā)電機(jī)氣隙總磁通減少，從而維持發(fā)電機(jī)輸出電壓恒定。這時(shí)仍然可把發(fā)電機(jī)分成兩部分來分析，永磁部分仍作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，但電勵(lì)磁部分作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。這時(shí)做發(fā)電機(jī)運(yùn)行的永磁部分一方面給負(fù)載供電，另一方面給作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的電勵(lì)磁部分供電。而作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的電勵(lì)磁部分又反過來與外部輸入轉(zhuǎn)矩一起驅(qū)動(dòng)永磁部分發(fā)電。
當(dāng)電機(jī)在對(duì)稱負(fù)載下運(yùn)行時(shí)，根據(jù)雙反應(yīng)理論與疊加原理可寫出電壓平衡方程：
式中：E。——空載電動(dòng)勢，
E0=4．44fNKdp(Φδ0m+Φδ0e)；
u——發(fā)電機(jī)輸出電壓；
R——電樞繞組電阻；
Id、Iq——電樞電流直軸與交軸分量；
Xad、Xaq——直軸、交軸電樞反應(yīng)電抗；
X1、N——漏抗與每相串聯(lián)匝數(shù)；
Φδ0m——永磁部分提供的氣隙基波磁通；
Φδe——電勵(lì)磁部分提供的氣隙基波磁通。
從上述式子可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，調(diào)節(jié)電勵(lì)磁部分的磁通， |
