寬范圍穩(wěn)壓的組合轉(zhuǎn)子同步發(fā)電機
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。該發(fā)電機的定子結(jié)構(gòu)與普通發(fā)電機相同，轉(zhuǎn)子由起主發(fā)電用的永磁部分和調(diào)壓用的電勵磁部分組成，他們同軸安裝，共用同一套電樞繞組。電勵磁部分采用內(nèi)勵磁無刷爪板結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)其勵磁電流來改變氣隙磁通大小，從而達(dá)到穩(wěn)壓目的。對電機的結(jié)構(gòu)特點、運行原理和電磁設(shè)計進行了分析。樣機實驗分析證明了該種電機在寬轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)穩(wěn)壓性良好的特點。
關(guān)鍵詞：組合轉(zhuǎn)子；爪極結(jié)構(gòu)；電勵磁部分；寬轉(zhuǎn)速范圍
中圖分類號：TM341 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004—7018(2008)08-0026—03
0前言
永磁同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠，但電機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，發(fā)電機保持恒壓是比較困難的，對于穩(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，這會增加成本，降低動態(tài)性能。本文研究的組合轉(zhuǎn)子發(fā)電機有效地解決永磁同步發(fā)電機調(diào)壓困難的難題，在寬轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)實現(xiàn)了電壓的穩(wěn)定輸出。該發(fā)電機的定子與普通同步發(fā)電機定子結(jié)構(gòu)相同，轉(zhuǎn)子由兩部分組成：永磁部分和輔助電勵磁部分。當(dāng)轉(zhuǎn)速變化時，通過調(diào)節(jié)輔助電勵磁部分的磁場就可以調(diào)節(jié)輸出電壓，從而使發(fā)電機的輸出電壓保持恒定。
輔助電勵磁部分采用內(nèi)勵磁爪極結(jié)構(gòu)，與永磁體部分同軸安裝。兩個相互交錯咬合的法蘭盤將勵磁線圈產(chǎn)生的軸向磁通轉(zhuǎn)化為徑向磁通，實現(xiàn)了整個電機的無刷化。由于解決了永磁發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)難的問題，這種組合轉(zhuǎn)子同步發(fā)電機能廣泛應(yīng)用于各種不同的領(lǐng)域。
1發(fā)電機基本結(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)電機相同，轉(zhuǎn)子由永磁段和電勵磁段組成。永磁部分采用切向槽楔式結(jié)構(gòu)，電勵磁部分采用無刷爪極結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)整個電機的無刷化，提高了電機的可靠性。
當(dāng)發(fā)電機在額定轉(zhuǎn)速下運行時，通過與發(fā)電機配套設(shè)計的數(shù)字勵磁調(diào)節(jié)器自動調(diào)節(jié)勵磁電流Ie，且使Ie=0，此時只有永磁部分發(fā)電，輸出額定電壓。當(dāng)發(fā)電機在低速區(qū)運行時，調(diào)節(jié)勵磁電流大小，且使Ie>O，此時電勵磁部分產(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)電機氣隙總磁通增加，從而保證發(fā)電機輸出電壓穩(wěn)定。這時整臺發(fā)電機可以看成是一臺永磁發(fā)電機與一臺電勵磁爪極發(fā)電機串聯(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)條中實現(xiàn)的。當(dāng)發(fā)電機運行在高速區(qū)時，調(diào)節(jié)Ie且使Ie<O，此時電勵磁部分產(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)電機氣隙總磁通減少，從而維持發(fā)電機輸出電壓恒定。這時仍然可把發(fā)電機分成兩部分來分析，永磁部分仍作發(fā)電機運行，但電勵磁部分作電動機運行。這時做發(fā)電機運行的永磁部分一方面給負(fù)載供電，另一方面給作電動機運行的電勵磁部分供電。而作電動機運行的電勵磁部分又反過來與外部輸入轉(zhuǎn)矩一起驅(qū)動永磁部分發(fā)電。
當(dāng)電機在對稱負(fù)載下運行時，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。——空載電動勢，
E0=4．44fNKdp(Φδ0m+Φδ0e)；
u——發(fā)電機輸出電壓；
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，調(diào)節(jié)電勵磁部分的磁通， |
