复合励磁发电技术讲解

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1、PowerPoint Design Template add your subheading 复合励磁同步发电技术 公超 2017.7.8 内容简介 复合励磁电机的结构与原理 2 复合励磁电机数学模型 3 复合励磁电机控制技术 4 发展与应用前景 5 简介 1 简介 根据励磁方式的不同可以将同步发电机分为电励磁 式、永磁式和复合励磁式同步发电机。 电励磁式同步电机与永磁电机相比，控制简单、不 怕振动、装配容易：只要控制励磁电流就可控制磁场强 度，达到调速的目的。实际应用中，由于励磁电流远小 于电枢电流，故励磁控制器简单、可靠性高，成本也 低。 永磁发电机与励磁发电机的最大区别在于它的励磁 磁场

2、是由永磁体产生的，永磁体在电机中既是磁源，又 是磁路的组成部分。 简介 电励磁式同步电机的缺点是当要求电机转速变化范 围很宽时，需要有足够的励磁绕组来产生磁势，导致电 机体积大、效率低、绕组利用率低的缺点，不适合于功 率密度要求高的场合。 虽然，永磁发电机结构简单、体积小、重量轻，但 存在着调压、调速困难的问题，在转速变化范围很宽 时，需依靠电力器件控制，造成损耗加大，可靠性变 差。 简介 为了兼顾效率和调压的问题，上世纪80年代，日本 学者Takayuki Mizuno等人提出了复合励磁电机的工作 原理：气隙磁场由两部分组成，一部分是永磁体产生的 主磁场，另一部分是辅助励磁绕组产生的电励磁磁

3、场， 用来调节磁场大小。 复合励磁同步发电机的出现，较好的解决了永磁同 步发电机电压调节难的问题，综合了永磁发电机和电励 磁发电机的优点，获得了优越的性能。 简介 复合励磁电机结构可以多种多样，根据励磁方式的 不同可以将复合励磁同步发电机分为串励式和并励式两 种。 图1为串励式电机结 构，电励磁绕组安装在 永磁体下面，由于在绕 组安放在转子上，需要 引入电刷，可靠性低； 图1 串励式 简介 另外，电励磁磁路经过永磁体作用于气隙，磁路磁 阻大，要求励磁电流加大，损耗高；同时，电励磁磁势 直接作用于永磁体，容易发生不可逆退磁。 简介 图2为并励式电机结构，永磁磁势与电励磁磁势在磁路 上呈并联关系。

4、励磁绕组产生的磁通并不直接穿过永磁体 ，所以不存在退磁问题。相互并联的磁路结构，便于实现 电机的增磁与弱磁运行，其弱磁能力优于串励式结构； 图2 并励式径向磁场型 简介 该电机结构简单，永磁磁路和电励磁磁路的磁阻较小，电 励磁效率较高。但部分磁路容易饱和，且励磁绕组安装空间 有限，增加电励磁比例的同时，加大了电机体积，降低了电 机功率密度； 图3 并励式 简介 除了上述的径向磁场型并联励磁同步电机结构外，目前 研究较多的并联结构还包括：轴向磁场型、组合转子型、并 列结构型等，如图4所示。 图4 由左至右： 轴向磁场型、组合转子型、并列结构型 结构与工作原理 v基本结构（以并励式径向磁场型为例）

5、 复合励磁同步发电机的励磁磁势由永磁体和直流励磁绕组 共同提供，其工作原理与一般地同步发电机有所不同。这种 电机有两个磁动势源，一个是永磁体，一个是直流励磁绕 组。 并励式径向磁场型电机结构如图2所示：复合励磁永磁同 步电机除了转子上的永磁体提供励磁磁通外，在定子上还有 一套直流励磁绕组，其气隙磁场是两种励磁方式所建立的合 成磁场。 结构与工作原理 电机的定子由定子绕组和定子铁心、定子背轭组成，定子 电枢绕组为通常的三相对称绕组，定子铁心被直流环形励磁 绕组分为N极侧铁心及S极侧铁心两部分，定子背轭把N极侧 铁心和S极侧铁心在机械上和磁场上连接起来； 电机的转子也分为两个部分：一部分为N极永磁

6、体和铁心 极交错排列，一部分为S极永磁体和铁心极交错排列，且两 部分间的永磁体也相互错开。在转子的铁心和转轴之间有一 实心导磁套筒转子背轭，用于转子的轴向导磁。 结构与工作原理 v磁路结构（以并励式径向磁场型为例） 由于两部分磁路被设计成相对独立的部分，在磁路分析时 变的相对简单。 图5 由左至右：定子电励磁磁通磁路、永磁体磁通路径 结构与工作原理 v工作原理（以并励式径向磁场型为例） 发电机气隙磁场的主要部分由稀土永磁体建立，而电压调 节部分所需的磁场变化靠辅助的电励磁绕组来实现，两部分 磁势在气隙磁路中并联合成。主发部分和辅助发电部分定子 绕组产生的感应电动势没有相差，在数量上是代数相加的

7、关 系，即发电机定子绕组的感应电势为永磁体主发部分和电励 磁辅助发电部分定子感应电势之和； 结构与工作原理 通入正向励磁电流时，其磁场在定子绕组感应的电势应与 永磁磁场感应的电势相加，通入反向励磁电流时，其感应电 势应与永磁磁场感应的电势相减，达到电压调节目的。 结构与工作原理 辅助电励磁部分电磁关系 电机中辅助电励磁部分励磁电流与磁势的关系是分析复合 励磁同步发电机运行特性的基础： 线圈的磁动势Ff与电流if成正比，设线圈匝数为Nf，则： 由此产生的磁通 为： 是辅助电励磁磁通路径的等效磁导。 结构与工作原理 从上式可以看出，在磁导为常数且不考虑磁路饱和的情况 下，辅助励磁产生的磁通与励磁电

8、流成正比关系；另外，由 于辅助电励磁调节系统采用发电机端电压反馈调节，在不需 要精确建模时，漏磁通的影响可以忽略不计 。 结构与工作原理 复合励磁同步发电机的空载运行 复合励磁稀土永磁同步发电机转子由原动机拖动到同步转 速，定子绕组开路时称为空载运行。空载运行时，电机气隙 中的磁势由主发电机部分的永磁体磁势和辅发电机部分的电 励磁磁势共同产生，同样，空载气隙磁通也有这两部分合成 ： 是空载气隙磁势； 永磁体磁势； 是电励磁磁势； 空载气隙磁通； 永磁体磁通； 电励磁磁通。 结构与工作原理 定子绕组的总的空载感应电势为主发电机部分和辅发电机 部分定子感应电势的代数和： 式中，E0是总空载电动势；

9、Em是永磁部分反电势；Ee0是 电励磁部分空载反电势。根据电动势和磁通的关系，有： f是发电机频率；W是每相串联匝数；Kw1是绕组系数。 结构与工作原理 总空载电动为： 由于主发电机部分是永磁发电机，在转速恒定时，永磁体 产生的感应电势受电励磁电流影响很小，基本上是恒定的， 所以复合励磁同步发电机的空载特性实质上反应了辅助电励 磁部分的空载感应电势与电励磁绕组电流之间的关系。 结构与工作原理 复合励磁同步发电机的负载运行 空载时，发电机磁路中的磁动势是永磁磁动势和电励磁磁 动势，当发电机定子接上对称负载后，这时负载电流产生了 第三个磁动势电枢磁动势，电枢磁动势改变了空载时的 气隙磁通，也就改变

10、了发电机的端 电压。当发电机外接阻感性负载时 ，则发电机的端电压矢量图如图6 所示： 图6 负载电压 矢量 结构与工作原理 端电压U与气隙电势 及电枢漏阻抗之间的关系： 从电机的主磁路的情况看，跨过气隙的气隙磁通，既有励 磁绕组和永磁体产生的磁通，又有电枢绕组产生的磁通。根 据磁路的全电流定律，气隙磁密 应由辅助电励磁磁势 加上永磁磁势 ，再加上电枢绕组的基波磁势 合成总的气 隙磁势 。即有 结构与工作原理 由电枢电流 I 产生的电枢基波磁势的大小为： 相应地，负载时的气隙合成磁通也包含三部分，即永磁体 产生的通、辅助电励磁绕组产生的磁通和电枢磁势产生的磁 通 式中， 负载时电励磁绕组产生的气

11、隙磁通； 电枢磁 势产生的磁通； 换算系数。 结构与工作原理 根据双反应理论，不计饱和时，可以用迭加原理分别求出 三个磁动势单独作用产生于电枢绕组每相的磁通和磁势，再 考虑电枢漏磁场产生于每相的漏磁通和漏电动势，以及电阻 压降，就可以得到复合励磁同步发电机的电压平衡方程式： 式中， 电枢基波磁势对应的电枢电势； 负载时电励 磁绕组产生的电势。 运行特性 复合励磁同步发电机的外特性和固有电压调整率 外特性是发电机最重要的特性，复合励磁同步发电机的外 特性和永磁同步发电机的外特性相同，永磁同步发电机的外 特性是指在某一恒定励磁、额定转 速及功率因数条件下，端电压U随 负载电流Ia变化的关系。该外特

12、性 除了与负载电流的大小有关外，还 与负载的性质也有关，如图7所示。 图7 不同性质负载 下的外特性 运行特性 同步发电机的端电压之所以会随负载电流的变化而变化， 主要是由于当励磁电流If一定而负载电流变化时，电枢反应的 作用将使电机气隙磁场及气隙电势发生变化。另外由于绕组 的电阻、漏抗的压降随负载电流的变化而变化，端电压也将 随之变化。由图8可以看出，对于感性负载（ ） ，在励磁电流不变的情况下，随着电枢电流的增大，主要由 于电枢磁场之直轴分量起去磁作用，故端电压随电流增加时 下降。带感性负载时，同步电机的外特性是下降的曲线。 运行特性 对于容性负载 ，电枢反应表现为增磁作用， 随着电枢电流

13、的增大，端电压反而增大。对于纯阻性负载， 外特性也是下降的，不过没有感性下降的厉害。 运行特性 复合励磁同步发电机的调节特性 对于永磁同步发电机来说，电机制成后，磁场几乎为恒定 的，对应于某种负载性质的特性为较硬的一条曲线，而不是 类似电磁式同步发电机的一簇曲线，不能实现调压。 复合励磁同步发电机，在不同的励磁电流下，具有一簇特 性较硬的外特性曲线，对应于不同的空载感应电势，外特性 基本上是一族平行的曲线，空载感应电势增加，外特性曲线 抬高，空载感应电势减小，外特性曲线下移，也就是电励磁 环节使同步发电机的外特性曲线发生了偏移，如图8。 运行特性 图8 电压调节 原理示意图 曲线0：电励磁辅发

14、 部分励磁电流为零时发电 机外特性 曲线1：电励磁辅发 部分正向励磁时发电 机外特性 曲线2：电励磁辅发 部分反向励磁时发电 机外特性 要保持发电机端电压的恒定，可以在负载电 流变化时，调 节辅助电励磁部分的磁场， 改变辅助电励磁部分定子 绕组的感应电势 ，使定子 绕组总 感应电势 改变，来 改变外特性，进而达到稳 定端电压的目的。 数学模型 复合励磁同步电机相对于PMSM多了一个可控的励磁电流 ，该电流产生的磁场与电枢电流和永磁体产生的磁场相互耦 合，导致复合励磁同步电机的建模 比PMSM更加困难。但是，混 合励磁电机的物理特性、电磁 特性与PMSM类似，同样可以 等效地在dq轴旋转坐标系中

15、建 立模型，如图9所示。 图9 dq坐标系下的复合励磁同步电机 数学模型 根据图9建立dq坐标系下的数学模型，磁链方程为： 式中， 是定子d轴磁链， 是定子q轴磁链， 为励磁 绕组匝链的磁链， 永磁体产生的磁链， 穿过励磁绕组的 永磁磁链，当电机结构不同时， 呈不同规律变化，Ld，Lq 是定子绕组d轴和q轴电感， Msf为d轴绕组与励磁绕组之间的 互感，id，iq 分别为d轴和q轴电流，if为励磁绕组电流。 数学模型 定子电压方程为： 式中，ud，uq分别是定子d轴q轴电压，uf为励磁绕组电压 ， 为电机旋转电角速度，Rs为定子相绕组电阻，Rf为励磁绕 组电阻。 数学模型 电磁转矩方程为： 式

16、中，Pe是电磁功率，p为电机极对数。 控制技术 控制策略 目前，复合励磁同步发电机控制方式多采用检测发电机端 电压，通过调节复合励磁同步发电机直流电励磁来调节发电 机的输出电压恒定。其调节原理图如图10所示。 图10 励磁控制系统框图 控制技术 这种复合励磁同步发电机控制方式包括一个闭环反馈 ， 就是通过检测发电机输出端电压，和给定输出电压作比 较，通过控制算法进行数字处理，来调节电励磁电流大 小和方向，实现复合励磁同步发电机励磁调节的闭环反 馈。 控制技术 除上述通过励磁调节改变输出电压的方式外，目前还采 用输出负载电压闭环调节的方法：发电机输出的电压通过 PWM占空比调节控制后给用户负载，通过检测负载电压， 改变PWM的占空比，实现输出负载电压恒定的闭环反馈。 这两个闭环反馈各自独立，经过两个闭环反馈调节后，复合 励磁同步发电机输出电压稳定、波纹系数小。 发展与应用前景 发展方向 由于复合励磁发电机中同时存在两个磁势源，两者磁通 路径相互藕合、相互影响，加之这类电机