雙勵雙控式混合勵磁永磁同步發電機勵磁系統原理分析

章建萍，梅 昆，韋覃程

（1.江西泰豪動漫職業學院，江西南昌 330200；2.江西清華泰豪三波電機廠，江西南昌 330096）

根據電機原理和機理的不同，目前所出現的混合勵磁永磁發電機可分為兩大類。一類是磁路復合式混合勵磁永磁發電機，另一類是電路復合式混合勵磁永磁發電機。磁路復合式混合勵磁永磁發電機又分為轉子磁分路式徑向結構混合永磁同步發電機和轉子磁分路式切向結構混合永磁同步發電機。

徑向結構混合永磁同步發電機結構是在徑向磁化結構永磁同步發電機的基礎上分別于轉子每極永磁體外側緊貼放置瓦片形附加導磁體。在徑向結構混合勵磁同步發電機中，由于附加導磁體、環形導磁橋以及附加氣隙的磁分路作用，永磁磁勢同時提供徑向磁通和軸向磁通。環形導磁橋內的勵磁繞組沒有勵磁電流時，由于附加氣隙相對于主氣隙較小，永磁體磁場主要提供軸向磁通，電機處于弱磁狀態。勵磁繞組通入正方向勵磁電流時，勵磁磁場可以阻礙永磁體產生的軸向磁通，從而增大主氣隙磁通；勵磁繞組通入反向電流時，可以進一步使主氣隙弱磁。通過調節勵磁電流大小和方向，就可調節氣隙中主磁場的大小，從而達到調節和自動恒定電壓的目的。

切向結構磁分路式混合永磁發電機工作原理與徑向結構磁分路式混合永磁發電機工作原理相同，只不過是永磁體從切向發出磁通。它也有徑向磁路和軸向磁路。徑向磁路經過定、轉子間的氣隙（主氣隙），再通過定子鐵心形成回路，叫主磁路（主磁通）。軸向磁路不經過主氣隙，是漏磁通性質的軸向磁分路。調節勵磁電流大小和方向，就可調節氣隙中主磁場的大小，從而達到調節和恒定電壓的目的。

電路復合式混合勵磁永磁同步發電機目前最常見的有兩種。一種為并列式混合勵磁永磁同步發電機，另一種為并列式混合勵磁雙凸極永磁同步發電機。

該兩型電機均結構復雜，工藝性差，工頻電機中未見成熟工業產品，所以一種新型雙勵雙控式混合永磁無刷同步發電機便出現了。

雙勵雙控式混合勵磁永磁同步發電機是在雙永磁混合勵磁永磁同步發電機基礎上升級換代發展出來的。雙勵雙控式混合勵磁永磁同步發電機成功地采用了傳統同步發電機結構，實現了無刷化的混合勵磁方案，應用廣泛，既能設計成中頻混合永磁發電機，也能設計成工頻混合永磁發電機，同時，直接對補償勵磁繞組進行勵磁控制，提高了反應速度。

但這種結構的發電機，勵磁調節器（AVR）放置在轉子上，直接對永磁勵磁機轉子電樞電壓進行正、反向勵磁調節。但這樣使AVR 操作、維修不方便。同時，由于AVR 是旋轉的，為確保其可靠性，AVR體積不能做得很大，影響了雙永磁工頻無刷同步發電機產品容量規格的擴大，也影響了派生功能的擴展。

所以，為提升雙勵雙控式混合勵磁永磁同步發電機的整體性能，提出了一種雙勵雙控式混合勵磁永磁同步發電機的更新換代產品，通過新型的勵磁系統將AVR 從旋轉的轉子上搬到了不旋轉的定子側，并同樣能實現正、反向勵磁功能，同時解決了雙永磁混合勵磁永磁工頻無刷同步發電機AVR 操作、維修不方便的問題，并能擴展AVR 的功能。

1 雙勵雙控式混合勵磁永磁同步發電機的產品結構

雙勵雙控式混合勵磁永磁同步發電機是在雙永磁混合勵磁永磁同步發電機基礎上發展而來，其主體結構與雙永磁發電機相同，只是它的勵磁系統是重新研發的。

它由前機蓋、前軸承、機座、復合定子、雙頻勵磁機定子、后機蓋、后軸承、永磁主轉子、電勵磁補償轉子、雙頻勵磁機轉子、內風扇（封閉式電機）、旋轉變壓器（又叫旋轉信號傳感器）、外風扇、風扇罩（封閉電機）、雙向旋轉整流器、旋轉整流方向控制器、雙控式AVR、出線盒等組成。

復合定子是由永磁主發電機定子和電勵磁補償發電機定子組成，二者左右放置，共用機座殼體，中間有間隙，作為補償轉子繞組端部的放置空間。根據設計需要，定子側的間隙可由鐵心定子沖片填充，這樣鐵心制作簡單，但增加重量；也可用齒壓板填充，但工藝稍復雜，不過可減重及進行電機內部合理風路設計。

復合定子由復合定子鐵心和共用的電樞三相主繞組組成。復合定子中還有勵磁機的勵磁源交流繞組——單相3次諧波繞組。

永磁主電機和電勵磁補償發電機的轉子各自獨立，中間有存放勵磁繞組端部的間隙。它們分別安裝在電機的轉軸上。

永磁主轉子由轉子軛和面貼式瓦形永磁體組成，永磁體用內六角螺釘固定在轉子軛上，與傳統永磁發電機結構相同。

電勵磁補償發電機轉子是凸極結構的沖片式迭壓轉子，其上繞有勵磁繞組，補償轉子上可增設阻尼繞組，以改善電機性能。

發電機轉子結構設計上應保證永磁轉子磁極與補償轉子磁極中心線對齊，預定極性要相同，即N 對N 極，S 對S 極。兩個電機的極弧系數不一定要相同，但要相近。

雙頻勵磁機是一種電勵磁式的勵磁機。它是定子為磁場，轉子為電樞的發電機。定子上有兩套勵磁繞組，其極數關系為：P1=2P2；轉子上有2套或3套電樞繞組，采用H 橋雙向旋轉整流電路則為兩套電樞繞組，一套為三相勵磁源繞組，另一套為單相控制信號源繞組，它們的頻率關系為f1=2f2。

采用雙路三相旋轉整流電路時，轉子電樞繞組為3套。其中2套三相繞組為同極數的正補和反補勵磁源繞組，頻率同為f1；另一套為單相控制信號源繞組，頻率為f2。二者頻率關系為f1=2f2。

2 雙勵雙控混合勵磁系統介紹

雙勵雙控混合勵磁系統主要包括：電勵磁的雙頻勵磁機（雙永磁發電機中是永磁勵磁機）、雙控式AVR、正反向勵磁控制信號傳遞的旋轉變壓器、雙向旋轉整流器和旋轉整流方向控制器。

從雙控AVR 的工作原理框圖可知，它由電壓信號檢測電路、信號比較放大電路、控制調節電路、勵磁電流控制電路、方向信號控制電路、交流方向控制電路、直流穩壓電源電路、電源變壓器、控制電機勵磁單元等組成。

雙控AVR 的工作原理為：直流穩壓電源電路提供雙控AVR 的12 VDC 直流電壓。電源變壓器副邊提供直流穩壓電路的工作電源、控制電機的直流勵磁電流及旋轉變壓器的交流信號電壓。AVR 電壓信號檢測電路將檢測采樣電壓信號輸入信號比較放大電路，進行比較放大，是高于設定電壓（基準電壓），還是低于設定電壓。比較放大后的差值信號電壓輸入到控制調節電路中，并根據差值電壓的正、負及其大小，通過該電路中的集成電路模塊的運算，可以獲得兩個控制信號：一個是勵磁機勵磁電流大小的控制信號；另一個是補償發電機轉子勵磁方向的控制信號。勵磁機勵磁電流大小控制信號輸入到勵磁電流控制電路中，對主勵磁電流大小進行脈寬調節，以保證發電機端電壓的恒定。

方向控制信號輸入到方向信號控制電路后，根據方向信號電壓的特性，發電機端電壓低時，直流方向信號電壓高，可使方向信號控制電路中直流光耦原邊電路導通，使交流方向信號電路中光偶副邊的交流電路導通，有交流方向信號電壓輸入到旋轉變壓器的原邊；當發電機端電壓高時，控制調節電路輸出的直流方向控制信號電壓低，方向信號控制電路中直流光耦原邊電路不能導通，使光耦副邊也不能導通。此時，無交流的方向信號電壓輸入到旋變（XB）的原邊。該AVR 既能控制勵磁電流大小，又能控制補償轉子勵磁電流的方向，故稱雙控AVR。

3 雙向旋轉整流器和旋轉整流方向控制器

雙向旋轉整流器原理電路見圖1，它由三相整流橋ZB 和開關管V1，V2，V3，V4及相關電阻元件組成，開關管V1，V2，V3，V4接成H 橋電路。H 橋輸入端接三相整流橋的正/負極，H 橋輸出端接補償發電機的轉子勵磁繞組F1、F2。

圖1 雙向旋轉整流器原理圖

當V1/V2開關管的控制極a1/b1和a2/b2收到旋轉整流方向控制器中驅動器輸出的相應a1/b1和a2/b2驅動電信號后，V1/V2開關管導通，V3/V4開關管關閉，直流勵磁電流從F1流向F2，補償發電機處于正補勵磁工作狀態；當V3/V4開關管的控制極c1/d1和c2/d2收到旋轉整流方向控制器中驅動器輸出的相應c1/d1和c2/d2驅動電信號后，開關管V3/V4導通，V1/V2開關管關閉，直流勵磁電流從F2流向F1，補償發電機將處于反補勵磁工作狀態。

旋轉整流方向控制器原理電路見圖2。它主要由單相整流橋U1、三端穩壓器N1、交流光偶開關U2、DC/DC 電源U3、U4、驅動器模塊N2和N3及一些電阻、電容元件組成。

圖2 旋轉整流方向控制器原理圖

U1通過L2提供旋轉整流方向控制器電路的直流工作電源；交流光偶將交流方向信號變換為直流方向信號。U3、U4起直流工作電源隔離作用。

當混合勵磁永磁發電機輸出端電壓低于額定電壓時，旋變XB（即L3）將得電，旋轉整流方向控制器中的交流光偶開關將閉合，直流電路導通，驅動器N2和N3獲得高電位信號，驅動器N2和N3的a1/b1和a2/b2輸出節點將輸出驅動信號到雙向旋轉整流器中的V1/V2控制極，使V1/V2導通（此時V3/V4關閉），補償發電機處于正補工作狀態。

當混合勵磁永磁發電機輸出端電壓高于額定電壓時，旋變L3將沒有電壓，旋轉整流方向控制器中的交流光偶開關將會是斷開的，控制器中的直流電路將不導通，驅動器N2和N3得到的是零電位（或低電位）信號，驅動器N2和N3中的c1/d1和c2/d2會輸出驅動信號到雙向旋轉整流器中的V3/V4的控制極，使V3/V4導通。此時，補償發電機處于反補工作狀態。

這種雙勵雙控混合勵磁系統，雖然旋轉整流方向控制器的電路較復雜，它有二路驅動電路，用了兩個驅動器模塊，但與之配套的雙頻勵磁機就可以設計得簡單些，總共只有4套繞組。定子上兩套，轉子電樞上兩套，其中一套為補償轉子正/反向勵磁的三相電源繞組；另一套為勵磁機中的控制信號電機的轉子單相電樞繞組，為轉子上的旋轉整流方向控制器提供工作電源。因此轉子電樞上的槽形面積容易也滿足設計要求。

4 結語

雙勵雙控式混合勵磁永磁同步發電機的勵磁主體是稀土永磁體，故仍為永磁發電機。為了使發電機的電壓能調節和恒定，增加了電勵磁的補償發電機，組成了混合勵磁發電機。雙勵雙控混合勵磁系統，即雙控AVR 也與常規電勵磁AVR 不一樣，常規AVR 只控制調節發電機的勵磁電流，而雙控AVR 卻有兩種控制調節功能，一是控制調節發電機的雙頻勵磁機的勵磁電流大小，二是控制調節補償發電機轉子勵磁電流的方向。

另一方面，將置于轉子上的旋轉AVR 轉移到不旋轉的定子側，解決了雙永磁混合勵磁永磁同步發電機AVR 操作、維修不方便的問題，還擴展了AVR 的功能；采用了電勵磁的雙頻式勵磁機；設計了專用的正、反向勵磁的雙向旋轉整流器裝置；設計了專門的旋轉整流方向控制器，實現正、反向勵磁狀態的自動轉換；設計了雙控式電壓調節器AVR，實現對混合勵磁永磁同步發電機的勵磁電流大小和方向的雙重控制。