永磁同步發電機電壓調整方法

明捷 喬訓龍 謝晉 劉海鋼 張軼

【摘 要】針對永磁同步發電機輸出電壓隨內部磁場的變化產生變化[1]，影響供電質量的缺點，提出一種永磁同步發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接入發電機輸出端，利用電壓測量裝置控制高低壓繞組變比實現發電機輸出電壓的穩定。仿真結果表明，該方法可將變化明顯偏離要求的輸出電壓調整到指標范圍之內，使電壓滿足要求。

【關鍵詞】永磁同步發電機；電壓調節；變壓器繞組；無觸點開關

【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，不需要從電網吸取滯后的勵磁電流，大大節約了無功。永磁同步發電機并具有結構簡單，運行可靠，體積小，質量輕等眾多優點。近幾年在汽車電源以及其他移動電源應用場合比傳統的電勵磁發電機有更多的優勢，在移動電源領域永磁同步發電機越來越多的取代傳統同步發電機。但是隨著使用時間的變長，永磁總存在失磁現象，磁場變弱，導致輸出電壓不能滿足要求。

目前，永磁同步發電機通過主要采用混合勵磁中的電勵磁部分來調節電機內部的磁場[2]，從而調節發電機的輸出電壓，使之滿足電壓調整率要求。但是，混合勵磁發電機結構較為復雜，成本較高。

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

2、帶電壓調整的永磁同步發電機[4]系統結構

利用雙繞組變壓器調節永磁同步發電機的系統結構如圖1所示，主要由原動機，永磁同步發電機，多抽頭雙繞組變壓器，變比控制器組成。抽頭開關的關斷采用晶閘管[ 5]實現。主要是利用晶閘管關斷額定電流大，額定電壓高，無電弧產生，并且可以實現高頻變換的眾多優點。

3、 電壓調節工作原理

如圖所示，三相雙繞組變壓器的高壓邊連接永磁發電機的輸出端，將高壓繞組不同的抽頭通過控制開關接到輸出端上。當發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增加繞組匝數；否則，通過控制開關減少繞組匝數。從而實現的不同變比的調節。

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的晶閘管門極電壓信號，晶閘管觸發導通即抽頭實現了換接，利用變壓器變比實現電壓調節，使電壓在可接受的范圍內變化。

當檢測到的輸出電壓U在以下范圍時，所相對應的變壓器變壓比K如下所示：

通過上述控制裝置，當發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節功能，使二次側電壓穩定在Un2（1±2.5%）范圍內，即實現率輸出電壓的調節。

4、系統仿真實驗

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工具箱建立了系統的數學模型，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，永磁同步發電機采用一個交流電壓源代替，實驗中通過調節交流電壓源的電壓有效值，來模擬永磁同步發電機因磁場變化而導致輸出電壓的變化。

在實際中，永磁同步發電機使用時間過久后，永磁體的磁場會變弱，導致輸出電壓變小。但也有可能使用時收到外界磁場的干擾導致磁場增強。最終會出現兩種結果：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，有調節裝置和無調節裝置時，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。有調節裝置時，通過調節裝置來實現不同的變比，從而實現與額定電壓380V相差甚小，最大相差不到30V（相差小于10%）實現了調壓作用。無調節裝置，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，本文所設計的電壓調節裝置可以使輸出電壓調整離額定電壓偏差較小的范圍內，起到了電壓調節的作用。

5、結論

利用本文提出了永磁發電機輸出電壓外部調節控制的方法，采用了多抽頭變壓器與發電機串聯的方式，通過調節變壓器的抽頭方法來改變輸出電壓，避免了采用價格昂貴、結構復雜的混合勵磁機。利用晶閘管來實現無觸點切換抽頭，使切換時不會出現電弧危險，并且可以實現高頻率的變化。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，FU Xinghe，ZOU Jibin，QI Wenjuan.混合勵磁同步發電機電壓控制原理分析與實現[N].西南交通大學學報， 2010，45（1）：2-5

[3] 吳義勇，孫旭東，柴建云，WU Yi-yong，SUN Xu-dong，CHAI Jianyun. 永磁磁阻發電機的電壓控制[J].電工電能新技術，2006，25（4）：1-3

[4] 胡雪松. 直驅永磁同步風力發電系統功率平滑策略的研究與控制系統設計[D].重慶： 重慶大學博士學位論文， 2010.5

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