（电力电子与电力传动专业论文）复合励磁同步发电机励磁控制系统的研究与设计.pdf

复合励磁州步发| i l 机励磁拄制系统鲫研究与殴计 a b s t r a c t f h e p a p e rp r o p o s e dad i g i t a le x c i t a t i o n c o n t r o ls y s t e md e s i g n e df o rt h en o v e l h y b rd e x c i t a t i o ns y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ( h e s g ) ，w h i c hi sw i d e l ya p p l i e di nt h e m e d i a n & s m a l ls c a l es e p a r a t ep o w e rs u p p l ys y s t e m s t h ei m p o r t a n c eo ft h er e s e a r c h o i lt h eh y b r i d - e x c i t a t i o ns y n c h r o n o u sg e n e r a t i n gt e c h n o l o g yi s d e m o n s t r a t e d ，a n di t s p r i n c i p l e ，t h ee x c i t a t i o nc o n t r o lp a r ta n ds u p e r v i s o r yp a r ti sd e e p l ys t u d i e d a tf i r s t t h eu n l o a d & l o a dc u r v e sw i l lb eg a i n e db a s e do nt h ed e e p l ya n a l y z i n go f h e s g sb a s i cp r i n c i p l e a f t e rt h i s ，c o m b i n i n gt h en e wa s s u m e dc o n d i t i o n s ，t h eb a s i c v o l t a g ea n dm a g n e t i s mc h a i ne q u a t i o n sc a nb ed e r i v e d ，b u i l ti nt h e3p h a s es t a t i c c o o r d i n a t ea n dt h er o t a t ed - qc o o r d i n a t e t h e r e f o r e ，t h ec o r r e s p o n d i n gm a t h e m a t i c s m o d e la n ds i m p l ee q u i v a l e n c ec i r c u i tw e r es e tu p ，a n dh a so f f e r e dt h ee s s e n t i a l t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rr e s e a r c h ，d e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ee x c i t a t i o n a n dt h e n ，t h et r a n s f e rf u n c t i o no ft h i ss y s t e mw i l lb e g a i n e db a s e do nt h e a n a l y z i n go ft h eg e n e r a t o rs y s t e m ，i n c l u d i n gt h es u p e r v i s o r yp a r t h o w e v e r , n e i t h e r t h i sm o d e ln o rt h et r a n s f e rf u n c t i o ni sa c c u r a t eb e c a u s eo f t h ec o m p l e x e l e c t r o m a g n e t i c r e l a t i o n s h i pi n t h em a c h i n e d u et ot h ec o m p l i c a t e ds t r u c t u r ea n dt h ed u a lo u t p u t p o w e rw i n d i n g s ，t h e r ei st o om u c he l e c t r o m a g n e t i cc o u p l i n g s oi t i sd i f f i c u l tt ob u i l d a na c c u r a t em o d e lb yc a l c u l a t i n gt h em a c h i n e sp a r a m e t e r s i ti sw e l lk n o w nt h a tt h e f u z z yl o g i cc o n t r o lm e t h o dc a ni g n o r et h ea c c u r a c yo ft h ec o n t r o l l e do b j e c t sm o d e l ， s ow ec a l li n t r o d u c ef l ct ot h i se x c i t a t i o ns y s t e m t h u st h es i m u l a t i o nm o d e lo ff u z z y c o n t r o l l i n ge x c i t a t i o na n dt h eh e s gs y s t e mi sb u i l tb a s e do nu s i n gt h ep s b ，f i sa n d f u z z yl o g i ct o o l b o xe t ci nm a t l a b a tl a s t t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g nt 、o rt h e w h o l ep o w e rs y s t e mi sc o m p l e t e db a s e do nt h e8 0 c19 6 k c ，a n dt h ep e r f e c tp r o t e c t f u n c t i o n sa r ea d d e da c c o r d i n gt ot h es y s t e mn e e d s t h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n d e x d e r i m e n t a t i o np r o v et h a tt h ep r o p o s e df u z z y c o n t r o l l i n ge x c i t a t i o ns y s t e m i s f e a s i b l ea n dp r a c t i c a l ，a n dt h ep r o t e c tp a r t sw o r ki nt i m e m e a n w h i l e ，o t h e ri n t e l l i g e n t c o n t r o ls t r a t e g ya p p l i e dp r o b l e mi nt h i ss y s t e mi sd i s c u s s e d ，s u c ha sa d a p t i v ef u z z y p i dc o n t r o l ，f u z z yn e u r a ln e t w o r ke t c ，e s t a b l i s h i n gaf o u n d a t i o nf o rd e e pr e s e a r c h k e yw o r d s ：h y b r i d - e x c i t a t i o ns y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ( h e s g ) ；p e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ( p m s g ) ；f u z z yl o g i cc o n t r o l ( f l c ) ；s i m u l a t i o n ； s i n g l e - c h i p ；8 0 c 1 9 6 k c 1 i - 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成采。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： x s ( 3 ) 并联电容器调压。并联电容器通常是通过饱和变压器并联到负载端，如图 1 2 所示。 图1 2 并联电容器补偿电路固 稳压原理为：空载时，变压器的感性电流由电容器的容性电流补偿，为一谐 振电路。当负载增加时，发电机的端电压趋向减小，变压器的饱和程度降低，感 性电流减小，整个稳压器的电流为容性 稳定。由此可知，当发电机电压降低时 补偿了发电机的电抗压降，使电压趋于 稳压器为容性负载，促使发电机的电压 回升；当端电压升高时，稳压器又成为一个感性负载，促使电压降低。但会造成 系统重量、体积的增大。 ( 4 ) 附加直流磁化绕组调压。改变电枢铁心磁阻调压的方法，是在电枢铁心的 内外表而均开槽，安装一套环形直流磁化绕组。它的磁势在电枢轭中产生附加磁 通，并使轭部饱和，以增加轭部的磁阻。直流磁化绕组的磁势只对永磁体磁势。 在一个极的磁路中起增磁作用，而在相邻一对极的磁路中起去磁作用，由于磁路 饱和的作用，等值磁势f 的增磁利去磁对磁通变化的效果4 i 相同，i x l 此通过i t 女变 ，- 的人小就呵以改变每极磁通量，从而达到调压的目的。 ( 5 ) 利用电力电子变换器调压。这种方法是依靠发电机输端的r 也力f u 子变换 器及其控制系统来调节电压，比较常用的是交一直一交力案和交一交方案。要使变换 器的输出电压能在发电机转速较大的变动范围内维持恒定，所需电力电子器件的 容量势必很高，在大容量时，还有可能需要并联使用，使成本提高很多，并不是 经济的方法。 利用电力电予变换器进行调压的方法技术复杂，而且，相对于永磁电机米说， 用逆变器和整流器来调压也是不合算的，但是在航空航天上，在匕机的变速恒频 供电系统中，发动机的转速是变化的，从而使永磁发电机输出电压的大小和频率 都在随转速不断变化，用电力电子变换的方法，可以问时达到恒压和恒频的目的。 ( 6 ) 双转子或双定子调压。双转子调压法是用两台同轴永磁发电机，将它们的 定子绕组相串联，通过液压系统或差动齿轮调节两台转子之间的相对角位移，馒 发电机两个定子绕组输出电压矢量和为常数，达到输出电压恒定的目的。显然， 调节两台旋转着的电机转子的相对位置，结构复杂，难度大。双定子调压法是这 样实现的，电机内外两个定予都装有电枢绕组，在内外定子之间安放稀土永磁转 予，将内外定子电枢绕组串联。这样，改变内外定予的相对角位置，就可以改变 两个定子绕组电压矢量和的大小，从而达到调压的曰的。由于此法是靠改变定子 之间角位移来进行调压，与双转子调压法比较，当然比改变旋转转子之问的角位 移简单、方便。虽然如此这硒种方法由于都是采用机械方法来控制，因此电压 调节的速度很慢、时间常数大，并且降低了发电机的利用率。 ( 7 ) 复合励磁稀土永磁同步发电机。近几年来，国外很多的研究机构提出了。 种新的解决永磁同步发电机的电压调节的方法一一复合励磁永磁同步发电机，复 合励磁永磁同步发电机采用稀土永磁体和电励磁绕组组合励磁，发电机气隙磁场 的主要部分由稀土永磁体建立，而电压调节所需的磁场由辅助的电励磁绕组来实 现。这种发电机既有永磁同步发电机的优点，而且很方便的解决了永磁发电机的 电压调节问题，它具有以下优点： i t 实现了无刷化，结构简单： b 电励磁部分损耗小，具有永磁发电机高效率的特点； e 通过调节电励磁绕组部分来调节磁遥，达到了调压的目的。 目前，大多的复合励磁同步发电机一般采用并联磁路结构，同时可以设计成 慨部分磁路相互独立，便于电机的设计计算以及调压器的设计。这种调压方法特 别适合于中小型独立供电系统。 还有很多其他的调压方法，如串联或并联可控饱和电抗器等方法。从这些调 压方法来看，基本上可以分为两类：一类是从电机结构的本体设计上，通过增加 刖加绕纠或装黄实现电机的内调脏；另一类是从发电机的外部，通过电力电予变 换装置或串联q 王容渊压，实现外调节。其中的复合励磁则是两者的结合，存结构 l 较为简单。 术文涉及的l 司步发电机也是采用这种结构的复合励磁l 司步发电机，重点是针 列这。发i 乜机采用合理的控制算法设计出合适的励磁调节器，维持输出端电压的 恒定。 1 4 励磁控制技术的发展 我们知道电磁式同步发电机的励磁控制技术一直随着励磁技术、计算机技术 以及控制理论的发展而不断的发展 9 a o 】。 一般的励磁系统可以用图1 3 所示的结构简图来表示。 图1 3 励磁控制系统框图 图中，励磁系统分为励磁功率单元和励磁控制器两个部分，整个励磁控制系 统则由励磁功率单元、励磁控制器和同步发电机构成，通过调节励磁系统的激磁 电流的大小，便可以实现同步发电机输出电压稳压输出。励磁功率单元主要负责 向同步发电机转子提供励磁电流，实质上它是一个发电机专用的可控直流电源。 励磁控制器通过检测同步发电机的电压、电流、功率、转速等状态量，按给定的 控制规律对励磁功率单元发出控制信号，控制励磁功率单元的输出，实现对励磁 系统的控制功能。控制器的基本功能是调节同步发电机的机端电压和无功功率。 励磁控制系统的发展包括三个方面的内容：一是励磁方式，即励磁功率单元 的改进与发展：二是励磁控制器的硬件结构的改进与发展；三是励磁控制理论和 算法上的改进与发展。并且这几方面的发展是互相关联的。 1 4 1 动磁方式的发展 从励磁功率单元的发展来看，由于电力电子技术及器件的发展，励磁方式的 设计得到了不断的改进和提高。从有刷的直流励磁机到交流励磁机f 包括无刷励 磁) ，从有辅助励磁机的方式到无辅助励磁机的方式，从一般反应速度的励磁设备 到商反应速度的励磁设备，从有旋转电机的励磁方式到全静态励磁方式f 即晶闸管 向并励励磁方式) ，励磁技术向着结构简单、设备可靠性高、调节速度快、造价低 廉的方向发展。目前，以晶闸管整流装置为代表的静态自并励励磁方式正在逐步 州加绕组或装筒实现电机的内调压：另 类是从发电帆的外部，通过 乜力电j 7 蹙 换漱肖或串联电容调压实现外制节。其i _ | 的复合励磁则是两者的结台，在结 匀 冀为简单。 小殳涉及的l 刮步发电机也足采用这种结构的复含励磁i 口j 步发电机，重点是针 剞这奠_ f 乜机采用合理的控铂 算法设计出台适的励磁调节器，维持输出端电压的 恒定。 1 4 励磁控制技术的发展 我们知道电磁式同步发电机的励磁控翻技术一直随着励磁技术、汁算机技术 以及控制理论的发展而不断的发展1 9 , 1 0 ) 。 一般的融磁系统可以用图1 3 所示的结构简幽来表示。 圈i 3 励磁控制系统框圈 图中，励磁系统分为励磁功率单元和励磁控制罂两个部分。整个威磁控制系 统则由励磁功率单元、励磁控制器和同步发电机构成，通过调节励磁系统的激磁 电流的大小，便可以实现同步发电机输出电压稳压输出。抽磁功率单元主要负责 向同步发电机转子提供励磁电流，实质上它是个发电机专用的町控南流电源。 励磁控制器通过检测同步发电机的电压、电流、功率、转速等状态量，按给定的 控制规律剥励磁功率卑兀发出控制信号，控制励磁功率单元的输出，实现对励磁 系统的控制功能。控制器的基本功能是调节同步发电机的机端电压和无功功率。 励磁控制系统的发展包括三个方面的内容：是励磁方式，印励磁功率单兀 的改进与发展：二是励磁控制器的硬件结构的改进与发展；三足励磁挣制理论荆 算法上的改进与发展。并且这几方面的发展是互相关联韵。 1 4 1 励磁方式的发展 从励磁功率单元的发展来看，由于电力电子技术及器件的发展，励磁方式的 设引得到了不断的改进和提高。从有删的直流励磁机到交流励磁机( 包括无刷励 磁1 ，从有辅助励磁机的方式到无辅助励磁机的方式，从一般反应谜度的励磁设高 到高反应速度的励磁设备，从有旋转电机的励磁方式到全静态励磁方式i 即晶闸管 自并励励磁方式) ，励磁技术向着结构苘单j 设备可靠性高、调节速度快、造价低 廉的方向发展。目前，以晶闸管整流装置为代表的静态自井励励磁西式正在逐步 廉的方向发展。目前，以晶闸管整流装置为代袭的静态自井励励磁力式正在逐步 刖加绕纠或装黄实现电机的内调脏；另一类是从发电机的外部，通过电力电予变 换装置或串联q 王容渊压，实现外调节。其中的复合励磁则是两者的结合，存结构 l 较为简单。 术文涉及的l 司步发电机也是采用这种结构的复合励磁l 司步发电机，重点是针 列这。发i 乜机采用合理的控制算法设计出合适的励磁调节器，维持输出端电压的 恒定。 1 4 励磁控制技术的发展 我们知道电磁式同步发电机的励磁控制技术一直随着励磁技术、计算机技术 以及控制理论的发展而不断的发展 9 a o 】。 一般的励磁系统可以用图1 3 所示的结构简图来表示。 图1 3 励磁控制系统框图 图中，励磁系统分为励磁功率单元和励磁控制器两个部分，整个励磁控制系 统则由励磁功率单元、励磁控制器和同步发电机构成，通过调节励磁系统的激磁 电流的大小，便可以实现同步发电机输出电压稳压输出。励磁功率单元主要负责 向同步发电机转子提供励磁电流，实质上它是一个发电机专用的可控直流电源。 励磁控制器通过检测同步发电机的电压、电流、功率、转速等状态量，按给定的 控制规律对励磁功率单元发出控制信号，控制励磁功率单元的输出，实现对励磁 系统的控制功能。控制器的基本功能是调节同步发电机的机端电压和无功功率。 励磁控制系统的发展包括三个方面的内容：一是励磁方式，即励磁功率单元 的改进与发展：二是励磁控制器的硬件结构的改进与发展；三是励磁控制理论和 算法上的改进与发展。并且这几方面的发展是互相关联的。 1 4 1 动磁方式的发展 从励磁功率单元的发展来看，由于电力电子技术及器件的发展，励磁方式的 设计得到了不断的改进和提高。从有刷的直流励磁机到交流励磁机f 包括无刷励 磁) ，从有辅助励磁机的方式到无辅助励磁机的方式，从一般反应速度的励磁设备 到商反应速度的励磁设备，从有旋转电机的励磁方式到全静态励磁方式f 即晶闸管 向并励励磁方式) ，励磁技术向着结构简单、设备可靠性高、调节速度快、造价低 廉的方向发展。目前，以晶闸管整流装置为代表的静态自并励励磁方式正在逐步 驭代旋转整流器构成的传统三机励磁力式，被世界各犬电力系统j “泛采用。，这_ ；i | 静态励磁方式，肖去了一个中问惯性环节一励磁机，由品闸镑整流桥冉接供应霸 测川r q 步发电机的磁场能量，具柏4 寺柏的高反应速度特性。 1 4 2 励磁控制器硬件结构的发展 励磁控制器硬件结构的发展轨迹与励磁方式的发展有紧密的联系。经历了早 期的响廊速度慢、存在死区的机电型励磁控制器：2 0 世纪5 0 年代，电力系统广 泛应用于直流励磁机系统具有时滞性的电磁型励磁控制器；2 0 世纪6 0 年代的半 导体励磁控制器，到7 0 年代，半导体励磁控制器已经广泛的应用于他励交流励 磁机系统。上述电磁型、半导体型励磁控制器均属于模拟式的控制器，所有功能 均由硬件完成。若要增加新的功能则必须增加新的硬件电路。因此模拟式的控制 器结构复杂，操作繁琐，维护困难p j 。 大规模集成电路，数字控制技术和计算机技术的迅速发展和成熟，使得以微 处理器为主要特征的数字电子技术正逐步应用到现代励磁控制系统中，取代传统 的模拟式励磁控制器。微机励磁控制器除保留了模拟式励磁调节器的全部功能 外，还增加了很多以往在模拟式励磁系统中难以实现的控制功能。到目前为止， 微机励磁控制器采用的硬件结构已经具有多种形式，如单板机结构、单片机结构、 工控机结构以及可编程程序控制器结构等。微机励磁控制器的发展为更复杂和高 级的控制理论在励磁控制上的应用铺平了道路。 1 4 3 励磁控制理论和算法的发晨 励磁控制器控制算法的改进总是紧紧依赖于控制理论的发展，可以说励磁控 制方式的每一次突破都是以控制理论的发展为契机的。控制理论及其应用的提高 和发展趋势总是由单变量到多变量，由线性到非线性，最后到包含智能化的控制 疗式，励磁控制方式的发展也经历了一条与之完全相适应的过程。 七j 前，广泛应用的各种励磁控制系统，都是建立在单机一无穷大系统上的， 要考虑的量很多，既需要调节电压，还要进行无功控制。随着电网容量的不断提 高和控制要求的升级，先后出现了采用发电机端电压偏差进行调节的常规励磁控 制器( 包括p i d 控制器) ，抑止电力系统中阻尼特性恶化、低频振荡等现象的具有多 变量输入的辅助励磁控制方式一电力系统稳定器( p s s ) 9 - 1 4 ，同期的原苏联的多 变量强作用式励磁控制器【l ”，2 0 世纪6 0 7 0 年代的线性最优励磁控制器( l o e c ) ，”。1 ，已经实用化。文献2 0 2 2 1 将非线性p i d 引入励磁控制问题，但没有解决 非线性组合单元中参数配置问题，离实用化还有一段距离。 随着电力网的扩大和电压等级的不断提高，电力系统的结构日趋复杂，电力 网的运行方式也发生了较大的变化。由于电力系统本省的非线性及参数的随机 州，使搿电力系统数学模型的变得越来越不精确，使基 ：数学模型而设计的控制 器在麻州卜变得困难起来。冈此采用智能化的控制方法显得尤为重要。在发电机 控制方面，人t 智能也取得了丰硕的成果。针对电力系统的强非线性、多扰动等 特点，研究人员提出了符种辑样的智能控制方法，以求提高控制性能。 模糊控制应用在励磁控制领域是从8 0 年代术9 0 年代初开始的。目前大多数 的研究集中在设计模糊式电力系统稳定器( f p s s ) 方面 2 ”27 1 。在常规模糊控制器的 设计过程中，并不需要被控对象精确的数学模型，其控制效果是由模糊控制规则 及其对系统运行变化的适应能力决定的。因此，从理论上讲，可以设计出调节性 能优异、适应性强的励磁控制器。但模糊控制规则的确定在很大程度上依赖于专 家经验，并且模糊控制器参数的确定没有完熬的理论可依靠，限制了其在电力系 统中的应用。 可见，各种励磁方式的优缺点都很明显，针对于本课题的单桃单负载系统丽 青，没有电力系统那么复杂，将成熟的传统控制方法和人工智能控制方法相交叉， 相互取长补短，可以设计出适合于复合励磁发电机系统的励磁控制器。 1 5 斩控技术及功率器件的发展 随着半导体制造技术的发展，励磁系统的功率器件的性能有了很大提高。 个理想的功率器件，应当具有下列理想的静态和动态性能：在阻断状态能承受高 电压；在导通状态时，具有高的电流密度和低的导通压降；在开关状态转换嘲， 具有短的关断和开通时间，能够承受高的d i d t 和d v d t ，以及具有全控功能。5 0 年代硅晶闸管问世，6 0 年代开始大量使用可控硅，在励磁装置上半导体器件代替 _ 电磁元件。6 0 年代后划，可关断晶闸管g t o 实现了门极可关断功能。到了8 0 年代存种全控器件相继问世。这些全控器件不仅具有理想的高频、高压、大电流 的特点，而且也带来了控制和变换方式的进步，从相位控制方式发展到斩波控制 及频率控制方式。文献2 8 应用斩波控制技术，提出和研制了电力系统纵横调节 器。全控器件包括可关断晶闸管g t o 、功率场效应管m o s f e t 、绝缘栅双极型晶 体管i g b t 和m o s 栅控晶闸管m c t 等，目前12 0 0 a 16 0 0 v 的i g b t 模块已投 入市场l ”l 。将全控器件廊用到励磁控制系统，使直流回路的开通和关断变得更迅 速、更容易：励磁系统的性能得到更大的改善。 1 - 6 本文研究的主要内容 本文针对复合励磁同步发电机发电系统开发了基于i n t e t 8 0 c 1 9 6 k c 的监控 系统，主要是辅助励磁控制系统的研究设计。 本文首先介绍了复合励磁同步发电机的工作原理；进而深入分析了永磁体磁 场和电励磁绕组磁场与发电机输出电压的关系，建i 辅助励磁电流或m m1 _ 发 电机输m 电压之问的数学模型；接着利用已建立的数：学模型构建了辆l 功【b 励磁测 常的模糊控制仿真模型，进行仿真分析，并探讨了其他智能控制如臼调整模糊 f ，i d 、模糊利1 经网络等在该系统中的应用问题：然后详细设计了基j i n t e l 8 0 c l9 6 k c 的复合励磁同步发电机监控系统，实现_ ：r 复合励磁永磁同步发i b 机的恒压输出，并提供较为完备的系统保护；最后完成了系统润试，并对实验数 掘分析，针对发电机及其监控系统提出了改进和优化措施。 本文的创新点是将模糊控制应用于复合励磁同步发电机辅助励磁控制系统 的设计中，取得了不错的效果，动、静态性能均能满足要求；将低电磁辐射的电 力电子变换装置应用于发电机系统中，保证了系统的电磁兼容性能。 第2 章复合励磁同步发电机的基本原理及运行特性 2 1 引言 近年来，世界资源的短缺越来越严重，如何提高能源的利用率是世界各国都 十分关心和重视的问题。同时，在需要独立供电系统中，对电能质量的要求越来 越高，尤其是直流设备、电予设备等。永磁发电机由于具有高功率密度、高效率、 高可靠性、体积小等优点，在节能方面有着独特豹优势，但其制成后磁场的不好 调节，导致其输出电压随着转速或负载的变化而产生波动，影响了供电质量。另 一方面，一般的电磁式同步发电机，可以很方便的调节励磁电流，使输出电压趋 于稳定，在磁场调节方面具有永磁电机所达不副的优势。 基于上述考虑，我们在设计中取长补短，设计了以永磁体励磁为主，阻电励 磁为辅的复合励磁同步发电机，采用部分爪极式转子，实现了无刷化，消除了容 易产生电火花的环节，减少了电磁干扰，提高整体效率和可靠性；同时，通过调 节辅助励磁电流可以实现发电机的稳压输出，提高供电质量，延长用电设备的使 用寿命。 2 2 复合励磁同步发电机系统的整体设计 本课题的任务是针对应用于车载独立电源系统的复合励磁同步电机发计其 相应的监控装置，包括励磁控制和系统保护两大部分。该独立电源系统的设计任 务书要求： 在有限的空间内设计独立电源系统。 能够提供交商流不同等级的双电源，即交流输出额定功率为4 5 k v a ，额定 电2 2 0 v ，频率为4 0 0 h z ：直流输出6 k w ，额定电压2 8 v 。 电压稳定时间不超过0 2 s 。 发电机动力驱动由柴油机提供，额定转速为4 8 0 0 r m i n 。 根据上述要求，在设计发电机时，采用两个输出功率绕组，分别对应于两个 不同的电压等级，依据它们的用途分别称为交流绕组和整流绕组。在理论上，两 个输出可以同步变化，因此在实际的设计中可以采用功率因数较高的小控整流 将整流绕组的输出变换为直流输出，满足用电系统的需求。整个独立电源系统的 框图如图2 i 所示。 图2 1 复台励磁同步发电机系统简图 图中的蓄电池组既可以作为车载电子设备的电源，也为励磁调节提供电源， 在发电机稳态时，由整流绕组向其充电。 根据同步电机的转速h 与频率，基本公式，可以求出该同步发电机的极剥数 p ，即， 6 0 f p = 二一( 2 1 ) 仃 可以得出，所需的极对数p 为5 。 2 3 复合励磁同步发电机的基本原理 2 3 1 复合励磁同步发电机的基本结构 本文研究的复合励磁同步发电机的基本结构简图如图2 2 所示。 图2 2 复合励磁同步发电机轴向结构示意图 1 转轴2 非导磁挡板3 励磁绕组支架4 励磁绕组5 水平磁极 6 隔磁支架7 垂直磁极8 定子铁心9 隔磁板1 0 永磁体1 1 转子铁心 复合励磁同步发电机的转子由两部分构成，即永磁磁钢部分和爪极部分( 如1 - 4 23 所示) 。在爪极的空腔内装有辅助电励磁绕组，改绕组固定在导磁隔套的支架 h 并不随转子一起旋转。在设计刚，可以使爪极部分工作在非饱和状态。 圉2 3 爪极部分结构圈 1 前爪2 后爪3 隔磁挡板4 永磁转予部分5 转轴 6 气隙17 隔磁托架8 辅助电励磁绕组9 气隙2 复合励磁同步发电机的励磁系统由永磁体和辅助电励磁绕组豫部分构成，且 在其中间加装了非导磁挡板，使两部分磁路相互独立。发电机内部的气隙磁场也 就由这两部分磁势的合成激磁磁势产生，辅助电励磁只占很少的一部分；然后， 当电机被拖动旋转时，在电枢绕组中将感应出电动势。两部分共用一个电枢，电 枢绕组感应电势也包含两部分，分别对应永磁体产生的磁势和电励磁绕组产生的 磁势。 2 3 2 复合励磁同步发电机的磁路分析 由于两部分磁路被设计成相对独立的，在磁路分析时变的相对简单。 对于爪极部分，在两块爪极的空腔内装有磁轭，其上套有辅助电励磁绕组， 当有励磁电流通过时，产生轴向磁通，使得一块爪极被磁化为极，另一块被磁 化为s 极，从而形成互补交叉的n 、s 磁极。励磁线圈产生的轴向磁通依靠爪极 的帮助转化为径向磁通。其磁路为励磁线圈极一气隙1 一后爪一电枢气隙一定 子铁心一电枢气隙一前爪一气隙2 一励磁线圈s 极，气踩1 是励磁线圈一端与转 子问的气隙，气隙2 是前爪与端益间的气隙( 如图2 3 所示) 。当励磁线圈通以 反向的励磁电流时，相应的磁通路径也与上述的相反。实现了辅助励磁的正反向 调节，更能满足系统的需求。 对永磁体部分则没有什么改变。采用实心转子表面嵌装永磁体作为同步发电 机的励磁源。基本的磁通路径为：转予永磁体极一气隙一定子铁心一气隙一转 水磁体s 极。 另外，爪极部分的磁场分布足以立体状态变化的，这是n | 于爪极转了的磁极 足爪：1 人的，其磁通量的大小随着截而变化而变化，其气隙磁感应不仪沿转予的吲 嗣是变化的，而且沿转子的4 = i i 向也是变化的。 两部分磁路并爿；足完全隔离的。当通以反向的励磁电流时，爪极部分和永磁 体部分之间的漏磁效应明显增大，造成同样大小的励磁电流，使发电机端电压产 生的增量并不一致，实验结果也证实了这一分析。 2 3 3 复合励磁同步发电机工作原理 由前面的叙述知道，可以将同步发电机的两个输出功率绕组设计成同步变化 的，即不论那边负载产生的电枢反应引起的是整个电机气隙磁场的变化，在发电 机的两个电枢绕组内的感应电动势会发生相同比率的变化。这样，在进行复合励 磁同步发电机的运行特性分析时，可以只考虑一个输出功率绕组，进一步简化了 浚电机的模型。下面就针对套电枢绕组的复台励磁同步发电机空载汞i 负载的运 行状况进行分析，在分析这些之前，有必要先摘清楚该电机中辅助电励磁部分励 磁电流与磁势的关系。 2 3 3 1 辅助电励磁部分的电磁关系 辅助电励磁部分对应于复合励磁同步发电机的爪极部分，这部分的磁势是由 其中的通电环形励磁线圈产生的，根据物理学的一般知识，线圈的磁动势f ，与电 流i ，成正比，设线网的匝数为，则 。n ，i ， ( 2 2 ) 出此产z t 的磁通m 。为， 由! = a 。f f = a ? n f i f ( 2 3 ) ，中，无辅助电励磁磁通路径的等效磁导。 从上式可以看出，在磁导为常数时，辅助励磁产生的磁通与励磁电流成正比 关系。但是，由于这一部分采用的是爪极式结构，存在的漏磁通很多很复杂，由 励磁电流产生的磁通并不是气隙的有效磁通。因此有必要对爪极式结构的漏磁通 进行分析。 在爪极结构的电机气隙中，气隙磁密沿轴向爪根爪根气隙磁密最低，爪尖气 隙磁密最高：沿圆周方向爪极的平均气隙磁密与爪极的形状有关。由于其磁通路 径很复杂，所以爪极转子的漏磁通较多。带电励磁线圈的爪极转子装入定子铁心 之内时，其漏磁通可咀分为电磁线圈本身的漏磁通o 。和爪极之间的漏磁通中。两 部分。电磁线圈的漏磁通可分为( 图2 4 ) 轴向两端法兰盘外寝面之间的漏磁通m 。 和电磁线圈内孔闭合的漏磁通西，。爪极之间的漏磁通可分为爪子侧面之间的漏 磁通m 爪了与日t 磁线罔之问的漏磁通巾还有爪极上爪尖与爪根之间的漏磁 通町) ，。 t 述并项漏磁通。1 。，巾 o ：和中，；的值最大，因为采用非磁性材料的转轴 或套侗，所以巾。，很小；当正确选择爪极结构时，中。，也很小。有关资料表i 纠， 漏磁迎( 巾，+ 巾，：) 1 1 i 五项漏磁通的8 0 左右“1 。 图2 4 爪极的漏磁通简豳 当辅助电励磁调节系统采用发电机端电压反馈调节时，这些漏磁通的影响可 以忽略，只是在精确建模时，需要考虑。在本文中，为不失一般精度方使后面分 析时，可以将辅助电励磁的总磁通乘+ 个小于l 的正系数女j ，计算有效磁通o 。， 中。= 后，m 。( 2 4 ) 将式( 2 ，3 ) 代入式( 2 4 ) 可得辅助励磁有效磁通与励磁电流的关系， 巾c n2 k , t n f ， f 2 5 1 2 k j 。i j 式中，k ，= 女j 也，可以看成常量。在不考虑磁路饱和的情况下，辅助电励磁电流与其 有效磁通仍然可咀看成是线形的。 2 3 3 2 复合励磁同步发电机的空载运行 根据电机的有关理论，在空载运行时，复合励磁同步发电机的空载磁势，；。是 由永磁体磁势f 。和辅助电励磁磁势f 。o 合成的，其中永磁体磁势可以看成恒定不 变的，辅助电励磁磁势是由励磁电流产生的。这个合成磁势将产生空载气隙磁通 巾m 那么相应的空载气隙磁通也是由两部分合成的，即存在下式， j f 那么 k = 声m + l i 毒舢= $ 。+ 毒巾f d ) 空载气隙磁通； 巾。一永磁体磁势产生的磁通，大小也是一；变的 m 。o 电励磁电流产生空载有效磁通。 根据感应电动势和磁通的关系，可以得到， e o = e 。，+ e 。0 e m2 4 4 4 s k i 中m k m e 种= 4 4 4 s k 由l 由神k m ( 2 6 ) ( 2 7 ) 式中，函复合励磁同步发电机的空载感应电动势； e 。永磁体在电枢中的感应电动势； e 。0 空载时，辅助电励磁在电枢中的感应电动势； 氓电枢绕组中的每相串联匝数； k 。，电枢绕组中的绕组系数： k 气隙磁通的波形系数。 从卜面的分析可以看出，空载时电枢绕组中的电动势，是由对应的永磁体和 辅助电励磁两部分合成的，在设计时使爪极磁极与永磁体转子相对应，两者可以 看成是同相位的，可以进行简单的代数迭加：同时永磁体磁势产生的感应电动势 也可以看成是恒定的，而辅助电励磁部分是随着激磁电流的变化而变化的，这样 叫以通过调节辅助电励磁绕组的励磁电流，实现合成磁势的恒定，也就是维持r 发电机输出端电压的稳定。空载时的合成电动势可以看成图2 5 所示的串联电压 源形式。 e m 图2 , 5 合成空载电势简圈 为了，充分利用永磁材料，在设计电机时， 般会把工作点设计在额定负载时， 由永磁同步发电机的外特性曲线2 1 知道，空载时的励磁电势瓦将高于额定输出端 电脏f ，。而永磁体的磁通不可调节：在复合励磁同步发电机中，可以调节通过 辅助【札励磁绕组的电流i ，使发电机的端电压反等于u 。，或在v 。附近自小的波 动此j 剥应的励磁电流即为窄载励磁电流i 在般情况f 有 i ，o i f m a x l “，( 2 8 ) 2 “m 。亏l 式中，“，辅助励磁最大供电直流电压； ，辅助励磁绕组等效电阻。 2 3 3 3 复合励磁同步发电机的负载运行 在对称负载运行时，定子三相绕组中电流不再为零，由于这些电流的存在， 发电机的端电压降不再等于空载电势e d 了。有两方面的原因： ( 1 ) 由于电枢绕组在有电流时产生了电阻，和漏电抗凰的压降。这里的漏电抗 压降主要是由于槽部和端接部分的交交漏磁通所感应的。 ( 2 ) 由于电流在电枢绕组中产生了电枢磁势f a ，改变了空载时由励磁磁势产 生的气隙磁通( 电枢磁势的这种影响称为“电枢反应”) 。因此，加负载后，尽管 励磁磁势没有变，气隙磁通也改变了，在电枢绕组里感应的电势也不是空载时的 数值了。 对于第一种原因，如图2 6 所示的发电机外接星形阻感负载时的情况， j x s 圈2 6 同步发电机端电压向量髓 “上图可得，端电压u 与气隙电势岛阻及电抠漏阻抗的关系 u = e 6 一l r 一1 i x s = ea s ( r 十j x s 、= e5 一i zs ( 按相值计算) ( 2 9 ) 式t 扎z 。= r + 豇。称为同步电机的电枢漏阻抗。 对于第二种原因，由电机学知，电枢磁势是分为基波和许多高次谐波的。 它们不但极数不同，转速、转向也各不相同。基波电枢磁势与励磁磁势之间没有 相对运动，网此基波电枢磁势对励磁磁势产生着固定的作用。而高次谐波电枢磁 势产生的磁通的路径与励磁磁势的不一样，在这里将高次谐波电枢磁势产生的磁 - 巫算确：漏磁通皿而，称为差漏磁通。将差漏抗、樽漏抗和端接漏抗一i 者加在起， 称为m 步f 乜机定子绕纠的漏电t j t ；，用弘表示( 其r i ，后两者是主要的) 。这蝗漏l ! 抗虽然性质不样，但在r t t 枢绕组坐都能感应m 基波频率的t 乜势，m j 且这“叫，辨 的大小义与i b 枢绕组的电流成正比。 从电机的主磁路的情况看，跨过气隙的气隙磁通，既链上励磁绕组和永磁体， 也与电枢绕组交链。根据磁路的全也流定律来看，气隙磁密乓应南辅助电励磁磁 势，f ，加i ：永磁磁势f m 再加l ：电枢基波磁势f 。合成磁势j ；产生的，由此存电 枢中产生感应电动势厶，即有， f 6 = k j f s + f m + f 。 由电枢电流l 产生的电枢基波磁势f a 的大小为 f o ：1 3 5 n s k 1 ， p 上面的各种关系，归结起来表述如下图， z ( 2 1 0 ) ( 2 i i ) 图2 7 复合励磁i g l 步发电机电磁关系图 与此相对应的负载时的气隙合成磁通币。也包含三部分，即永磁体产生i 拘磁 通、辅助电励磁绕组产生的磁通和由电枢磁势产生的磁通，这是因为存往电枢反 应。 南。：南。+ 占。+ $ 。】 ( 2 i2 ) 巾。= 无f 。 箕中”2 - - i ，r t 。j 小竺2 p 式中， 中一负载时电励磁绕组产生的气隙磁通： 巾。电枢磁势产生的磁通； 屯换算系数； ，等效磁极长度，包括永磁体铁心长度和辅助电励磁磁轭长度： - g 极距： 万气隙宽度； 女，。气隙系数，考虑了定予丌槽的影响等效的使气隙增大了 d 定予的内狰： 一真空磁导率，f 。= 4 ；r 1 0 h i m 。 所以舀二小饱和线形化的条件下，电势方程为 e 5 = e m + e c n 七e a ee n = 4 - 4 4 州s k m 电e nk e n2 4 a 4 丑q s k “由nk 。 ( 2 13 ) 式中，e 电枢基波磁势对应的电枢电势。 在上式中，电枢基波磁势产生的电枢电势巴是随着负载变化而变化的，假设 负载电流变化了d ，由式( 2 9 ) 和式( 2 ，1 3 ) 女f l ，要维持端电压u 的恒定，即a u = 0 ， 则合成感应电动势e s 也要相应变化，因此有 “肚，? 卜? u ( 2 1 4 ) = e a i z s + ( a e c n + e 心一i z s 即有 a e 。”= 一a e a + a iz 、 ( 2 15 ) 也就是说，这时的辅助电励磁绕组的电动势的增量能够补偿电枢反应；i 起的电势 增量和漏阻抗引起的压降两部分，才能维持发电机端电压的恒定。 联或式( 2 t 1 ) ( 2 1 3 ) 可以求出， 主。：6 02 - - f ( n s k d p 。) 2 足m j ( 2 16 ) 联立式( 24 ) 和( 2 1 3 ) 口- f 知， a e e 一= 4 4 4 k s f n s 髟。i j 岛a i r ( 2 17 ) 将式( 2 1 6 ) 和式( 2 1 7 ) 代入式( 2 15 ) ，稍加整理可得励磁电流变化量与电枢电流 增量的关系， 西：乏娑a j 4 4 4 k 。 n 。k 。k 、 可见，由负载电流变化带来的端电压的变化，可以对相应的辅助励磁电流按 照，e ( 2 i8 ) 进行调节，即通过实时检测负载电流的增量，来计算所需励磁电流的 忆啦。拒线形化的假设条什下，这种关系是一种简单的比例关系。 舟ii f i 】的分析推导巾，是将电枢反应电盼单独考虑计算的，从计算过f ! 米行， 警数众多，且比较麻烦。如粜能够找到个像同步电机漏阻抗那样的参数，就r ，j 【i 将此参数1 j 漏抗放柏：一起考虑，在计算时，将带来方便。下帕1 针对殴套隐极 - q 发i 乜机系统，分析其【u 枢反应，寻找这个参数，画山等值电路i 鞠“，为计辩 带来方便。 2 3 3 4 复合励磁同步发电机电枢反应电抗及其等值电路 我们知道，电枢反应电势e 。是由电枢反应磁势凡产生的气隙磁密b 。所产q 一 的。它们之间都是线形关系( 采用气隙线分析) ，而磁势f 。是由电枢电流，并且 正比于该电流，所以电势主。和电流；也成正比。我们让乞滞后j 9 0 0 ，引入一个比 例常数屯，可以列出 e 。= 一j i x ， t 2 1 9 1 在电路理论上知道，x 。相当于一个电感电抗，由于其对应于电枢反应磁势产生