永磁同步發(fā)電機電壓調(diào)整方法

明捷 喬訓(xùn)龍 謝晉 劉海鋼 張軼

【摘 要】針對永磁同步發(fā)電機輸出電壓隨內(nèi)部磁場的變化產(chǎn)生變化[1]，影響供電質(zhì)量的缺點，提出一種永磁同步發(fā)電機電壓控制的方法，通過將多抽頭雙繞組變壓器高壓邊繞組串聯(lián)接入發(fā)電機輸出端，利用電壓測量裝置控制高低壓繞組變比實現(xiàn)發(fā)電機輸出電壓的穩(wěn)定。仿真結(jié)果表明，該方法可將變化明顯偏離要求的輸出電壓調(diào)整到指標范圍之內(nèi)，使電壓滿足要求。

【關(guān)鍵詞】永磁同步發(fā)電機；電壓調(diào)節(jié)；變壓器繞組；無觸點開關(guān)

【中圖分類號】TB857+.3【文獻標識碼】A【文章編號】1672-5158（2013）07-0384-01

1、引言

永磁同步發(fā)電機機采用永磁體取代電勵磁，在運行中不存在勵磁損耗，不需要從電網(wǎng)吸取滯后的勵磁電流，大大節(jié)約了無功。永磁同步發(fā)電機并具有結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，體積小，質(zhì)量輕等眾多優(yōu)點。近幾年在汽車電源以及其他移動電源應(yīng)用場合比傳統(tǒng)的電勵磁發(fā)電機有更多的優(yōu)勢，在移動電源領(lǐng)域永磁同步發(fā)電機越來越多的取代傳統(tǒng)同步發(fā)電機。但是隨著使用時間的變長，永磁總存在失磁現(xiàn)象，磁場變?nèi)酰瑢?dǎo)致輸出電壓不能滿足要求。

目前，永磁同步發(fā)電機通過主要采用混合勵磁中的電勵磁部分來調(diào)節(jié)電機內(nèi)部的磁場[2]，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機的輸出電壓，使之滿足電壓調(diào)整率要求。但是，混合勵磁發(fā)電機結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本較高。

本研究利用變壓器原理，在發(fā)電機外部進行電壓調(diào)節(jié)[3]。當(dāng)永磁同步發(fā)電機輸出電壓偏離額定要求時，通過控制裝置調(diào)節(jié)變壓器的變壓比，對負載電壓進行調(diào)節(jié)，使發(fā)電機到負載的輸出電壓滿足要求。

2、帶電壓調(diào)整的永磁同步發(fā)電機[4]系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

利用雙繞組變壓器調(diào)節(jié)永磁同步發(fā)電機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由原動機，永磁同步發(fā)電機，多抽頭雙繞組變壓器，變比控制器組成。抽頭開關(guān)的關(guān)斷采用晶閘管[ 5]實現(xiàn)。主要是利用晶閘管關(guān)斷額定電流大，額定電壓高，無電弧產(chǎn)生，并且可以實現(xiàn)高頻變換的眾多優(yōu)點。

3、 電壓調(diào)節(jié)工作原理

如圖所示，三相雙繞組變壓器的高壓邊連接永磁發(fā)電機的輸出端，將高壓繞組不同的抽頭通過控制開關(guān)接到輸出端上。當(dāng)發(fā)電機輸出電壓高于負載的額定電壓時，將此變壓器的高壓邊繞組通過控制開關(guān)增加繞組匝數(shù)；否則，通過控制開關(guān)減少繞組匝數(shù)。從而實現(xiàn)的不同變比的調(diào)節(jié)。

變壓器高壓繞組各抽頭均用晶閘管控制通斷，電壓檢測裝置把輸出電壓反饋到控制器中，控制器在不同范圍的電壓下提供給相應(yīng)的晶閘管門極電壓信號，晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通即抽頭實現(xiàn)了換接，利用變壓器變比實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)，使電壓在可接受的范圍內(nèi)變化。

當(dāng)檢測到的輸出電壓U在以下范圍時，所相對應(yīng)的變壓器變壓比K如下所示：

通過上述控制裝置，當(dāng)發(fā)電機的電壓為額定電壓的0.87至1.25倍時，通過利用變壓器高壓繞組抽頭的切換的調(diào)節(jié)功能，使二次側(cè)電壓穩(wěn)定在Un2（1±2.5%）范圍內(nèi)，即實現(xiàn)率輸出電壓的調(diào)節(jié)。

4、系統(tǒng)仿真實驗

為驗證本文方案的可行性，按照上述思路，在matlab平臺下利用Simulink工具箱建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，進行仿真實驗。由于三相電壓的對稱性，此次仿真只對一相電壓進行仿真實驗。為了使模型簡化，永磁同步發(fā)電機采用一個交流電壓源代替，實驗中通過調(diào)節(jié)交流電壓源的電壓有效值，來模擬永磁同步發(fā)電機因磁場變化而導(dǎo)致輸出電壓的變化。

在實際中，永磁同步發(fā)電機使用時間過久后，永磁體的磁場會變?nèi)?，?dǎo)致輸出電壓變小。但也有可能使用時收到外界磁場的干擾導(dǎo)致磁場增強。最終會出現(xiàn)兩種結(jié)果：隨著時間的推移，輸出電壓的有效值在逐漸變小；隨著時間的推移，輸出電壓的有效值在逐漸變大。所有的這些變化都是較長時間累計的結(jié)果，就某次短時間使用永磁機而言，其輸出電壓一般不會變化，但輸出電壓會偏離額定值較大。兩個圖分別反映了在兩種情況下，有調(diào)節(jié)裝置和無調(diào)節(jié)裝置時，負載電壓有效值的變化趨勢。仿真實驗中，我們以380V作為額定電壓。（見圖2、3）

觀察圖像可得，隨著輸出電壓的變化。有調(diào)節(jié)裝置時，通過調(diào)節(jié)裝置來實現(xiàn)不同的變比，從而實現(xiàn)與額定電壓380V相差甚小，最大相差不到30V（相差小于10%）實現(xiàn)了調(diào)壓作用。無調(diào)節(jié)裝置，輸出電壓隨著時間的推移變化幅度很大，這種情況下，負載往往由于電壓過高或者過低而不能正常工作。

通過對比可以得知，本文所設(shè)計的電壓調(diào)節(jié)裝置可以使輸出電壓調(diào)整離額定電壓偏差較小的范圍內(nèi)，起到了電壓調(diào)節(jié)的作用。

5、結(jié)論

利用本文提出了永磁發(fā)電機輸出電壓外部調(diào)節(jié)控制的方法，采用了多抽頭變壓器與發(fā)電機串聯(lián)的方式，通過調(diào)節(jié)變壓器的抽頭方法來改變輸出電壓，避免了采用價格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的混合勵磁機。利用晶閘管來實現(xiàn)無觸點切換抽頭，使切換時不會出現(xiàn)電弧危險，并且可以實現(xiàn)高頻率的變化。最后對該方法進行了仿真，驗證了該方法的可行性。

參考文獻

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[2] 付興賀，鄒繼斌，齊文娟，F(xiàn)U Xinghe，ZOU Jibin，QI Wenjuan.混合勵磁同步發(fā)電機電壓控制原理分析與實現(xiàn)[N].西南交通大學(xué)學(xué)報， 2010，45（1）：2-5

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[4] 胡雪松. 直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)功率平滑策略的研究與控制系統(tǒng)設(shè)計[D].重慶： 重慶大學(xué)博士學(xué)位論文， 2010.5

[5] 姚海燕，劉連光，蘭健.晶閘管電壓調(diào)節(jié)器控制器設(shè)計[J].電力自動化設(shè)備，2004，24（1）：2-4