新聞主題	永磁發(fā)電機(jī)的電壓參數(shù)和運(yùn)行特性

 

摘要：高速永磁同步發(fā)電機(jī)與電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的主要區(qū)別在于高速永磁同步發(fā)電機(jī)磁路中有永磁體存在，導(dǎo)致磁路結(jié)構(gòu)有所不同。由于永磁材料磁性能很高，而其磁導(dǎo)率又很小，這就使永磁發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)更加突出，從而使永磁同步發(fā)電機(jī)在性能、參數(shù)、特性、電壓調(diào)節(jié)及電磁設(shè)計(jì)方法等方面出現(xiàn)了與電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)不同的特點(diǎn)。下面將分析其中兩個(gè)重要的性能指標(biāo)-固有電壓調(diào)整率和輸出電壓波形正弦性畸變率。為此，需要先討論勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)和交、直軸電樞反應(yīng)電抗的計(jì)算。

 

一、永磁發(fā)電機(jī)的作用

 

      單定子永磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，雙定子永磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。永磁體在高速永磁同步發(fā)電機(jī)中主要有以下兩個(gè)作用：

1、作為發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁源

      用永磁體勵(lì)磁，使它對(duì)外磁路提供的磁勢(shì)F和磁通中M可隨外磁路的磁導(dǎo)和電樞反應(yīng)磁通在小范圍內(nèi)變化，并可以由此引起漏磁通的變化，從而影響電樞反應(yīng)磁勢(shì)在小范圍內(nèi)變化，并可以由此引起漏磁通的變化，從而影響電樞繞組的感應(yīng)電勢(shì)。

2、構(gòu)成較大磁阻的磁路段

      由于永磁體的磁導(dǎo)率與空氣磁導(dǎo)率接近，在電機(jī)磁路中對(duì)直軸電樞反應(yīng)磁勢(shì)來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的磁阻。因此，電樞反應(yīng)磁場(chǎng)被削弱，并且除通過(guò)永磁體外，還有相當(dāng)一部分沿漏磁路徑閉合，這就決定了高速永磁同步發(fā)電機(jī)直軸電樞反應(yīng)電抗比電勵(lì)磁式同步發(fā)電機(jī)的直軸電樞反應(yīng)電抗小。在切向磁化結(jié)構(gòu)中，還可以使直軸電樞反應(yīng)電抗小于交軸電樞反應(yīng)電抗。

 

圖1 永磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2 雙定子永磁發(fā)電機(jī)的鐵芯結(jié)構(gòu)

 

二、電抗參數(shù)和矢量圖

 

      永磁同步發(fā)電機(jī)在空載運(yùn)行時(shí)，空載氣隙基波磁通在電樞繞組中產(chǎn)生勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)E₀（V）；在負(fù)載運(yùn)行時(shí)，氣隙合成基波磁通在電樞繞組中產(chǎn)生氣隙合成電動(dòng)勢(shì)E_δ（V），計(jì)算公式如下：

E₀=4.44fNK_dpΦ_δ0KΦ

E_δ=4.44fNK_dpΦ_δNKΦ

式中，N——電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù)；

K_dp——繞組因數(shù)；

K——氣隙磁通的波形系數(shù)；

Φ_δ0——每極空載氣隙磁通（Wb）；

Φ_δN——每極氣隙合成磁通（Wb）。

      電抗參數(shù)對(duì)同步發(fā)電機(jī)的性能和特性影響很大。電抗之間有如下關(guān)系：

X_d=X_ad＋X_δ

X_q=X_aq＋X_δ

式中，X_ad——直軸電樞反應(yīng)電抗；

X_aq——交軸電樞反應(yīng)電抗；

X_d——直軸同步電抗；

X_q——交軸同步電抗；

X_δ——漏抗。

      直軸電樞反應(yīng)電抗是指直軸磁路中單位直軸電流產(chǎn)生的交變磁鏈在電樞繞組中所感應(yīng)電勢(shì)的大小。其他電抗的物理意義與其類(lèi)似。從電抗的物理意義出發(fā)，根據(jù)永磁同步發(fā)電機(jī)的磁路特點(diǎn)，其電抗參數(shù)與電勵(lì)磁式同步發(fā)電機(jī)有兩點(diǎn)重要區(qū)別。

（1）由于永磁體的磁導(dǎo)率低，且它又是磁路的一部分，所以永磁同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)電抗X_ad、X_aq比電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的小。

（2）對(duì)電勵(lì)磁凸極同步發(fā)電機(jī)，一般有X_ad＞X_aq，這是因?yàn)橹陛S磁路磁導(dǎo)總是大于交軸磁路磁導(dǎo)。從對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)的分析可知，如對(duì)于徑向磁化結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)，直軸磁路和交軸磁路磁導(dǎo)近似相等，故其電抗也近似相等，即X_ad≈X_aq。根據(jù)電抗參數(shù)可以畫(huà)出永磁同步發(fā)電機(jī)不飽和矢量圖，如圖4所示。它的基本規(guī)律與電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)相同，但由于X接近等于X_ad，所以，I_dX_ad/I_qX_ad（I_d為直軸電流，I_q為交軸電流）將小于電勵(lì)磁式同步發(fā)電機(jī)。

      電勢(shì)平衡方程式為

E₀=U＋jI_dX_ad＋j/I_qX_ad＋I(R₁＋jX₁)

式中，E₀——相電動(dòng)勢(shì)；

U——相電壓；

I——相電流；

R₁——電樞繞組直流相電阻；

X₁——漏電抗。

 

圖3  永磁同步交流發(fā)電機(jī)線框圖

圖4  永磁同步發(fā)電機(jī)不飽和矢量圖.

 

三、外特性、固有電壓調(diào)整率

 

      同步發(fā)電機(jī)在負(fù)載變化時(shí)，由于漏阻抗壓降和電樞反應(yīng)的作用，使端電壓發(fā)生變化。對(duì)高速永磁同步發(fā)電機(jī)，漏阻抗壓降的作用與電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)是相同的，差別較大的是電樞反應(yīng)的影響。同步發(fā)電機(jī)通常帶感性負(fù)載，其電樞反應(yīng)是去磁的，端電壓將隨負(fù)載增加而下降；漏阻抗壓降隨負(fù)載的增加而增加，它的作用也使端電壓下降，因此外特性是下降的如圖5所示。傳統(tǒng)的電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)可以通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子上的勵(lì)磁控制輸出電壓，使其穩(wěn)定。但是永磁同步發(fā)電機(jī)制成后，氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)困難。因此，為使其能得到大量推廣，需要對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)的固有電壓調(diào)整率進(jìn)行研究，還要深入研究降低固有電壓調(diào)整率的措施。

      發(fā)電機(jī)的固有電壓調(diào)整率是指在負(fù)載變化而轉(zhuǎn)速保持不變時(shí)出現(xiàn)的電壓變化，其數(shù)值完全取決于發(fā)電機(jī)本身的基本特征，用額定電壓的百分?jǐn)?shù)表示，即

ΔU＝(E₀－U)/U_n×100%

      式中，U——輸出電壓。

      為了降低電壓調(diào)整率，必須在給定E₀值基本不變的情況下盡量增大輸出電壓U；而要增大輸出電壓U，則既要設(shè)法降低電樞反應(yīng)引起的去磁磁通量，又要減小電樞繞組電阻R₁和漏抗X₁的壓降。

（1）為了降低電樞反應(yīng)引起的去磁磁通量，首先要增大永磁體的抗去磁能力，即增大永磁體的抗去磁磁動(dòng)勢(shì)，為此應(yīng)選用矯頑力H_c大、回復(fù)磁導(dǎo)率R_r小的永磁材料；同時(shí)，增大永磁體磁化方向長(zhǎng)度，使工作點(diǎn)提高，削弱電樞反應(yīng)的影響。其次，需要減少電樞繞組每相串聯(lián)元件數(shù)，增加轉(zhuǎn)子漏磁通以削弱電樞反應(yīng)對(duì)永磁體的去磁作用。為此，應(yīng)選用剩磁密度B_r大的永磁材料；并且應(yīng)增加永磁體提供每極磁通的截面積，這時(shí)磁通明顯增加，可以有效減小每相串聯(lián)元件數(shù)。

（2）為了減小定子漏抗X₁，需要選擇寬而淺的定子槽形；減少電樞繞組每相串聯(lián)的元件數(shù)，但要注意小的電樞繞組每相串聯(lián)匝數(shù)使短路電流增大；縮短繞組端部長(zhǎng)度，適當(dāng)加大氣隙長(zhǎng)度，加大長(zhǎng)徑比等。

（3）為了減小電樞電阻，需要減少電樞繞組每相串聯(lián)的元件數(shù)，增大導(dǎo)體截面積。

      雖然上述各種措施在一定程度上可以減小固有電壓調(diào)整率，但將耗用更多的永磁體材料，增大了發(fā)電機(jī)的體積和重量，且為滿足規(guī)定的性能指標(biāo)，對(duì)電機(jī)參數(shù)的要求也非常高，增加了設(shè)計(jì)工藝的復(fù)雜性。更為重要的是，這些措施都無(wú)法改變永磁同步發(fā)電機(jī)“勵(lì)磁不可調(diào)導(dǎo)致輸出電壓不可調(diào)”這一根本的問(wèn)題。因此，單靠發(fā)電機(jī)體設(shè)計(jì)上的改進(jìn)，這一問(wèn)題沒(méi)有得到真正的解決。

 

圖3 永磁同步發(fā)電機(jī)外特性

 

 

四、電動(dòng)勢(shì)波形和正弦性畸變率

 

      工業(yè)上對(duì)同步發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)波形的正弦性有嚴(yán)格的要求，實(shí)際電動(dòng)勢(shì)（通常指空載線電壓）波形與正弦波形之間的偏差程度用電壓波形正弦性畸變率來(lái)表示。電壓波形正弦性畸變率是指該電壓波形不包含基波在內(nèi)的所有各次諧波有效值二次方和的二次方根值與該波形基波有效值的百分比。

      為減小調(diào)整永磁同步發(fā)電機(jī)輸出電壓波形的正弦性畸變率，在設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)時(shí)，除了要采用分布繞組、短距繞組、正弦繞組和斜槽等措施外，還應(yīng)改善氣隙磁場(chǎng)波形，它不但和氣隙形狀有關(guān)，還與穩(wěn)磁處理方法有關(guān)。在對(duì)電壓波形要求嚴(yán)格的場(chǎng)合，需對(duì)發(fā)電機(jī)的極靴形狀進(jìn)行加工，使氣隙磁場(chǎng)分布盡可能地接近正弦。

 

五、損耗與效率

 

      效率高是高速永磁同步發(fā)電機(jī)的一大優(yōu)點(diǎn)，這是指在同等條件下與電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)比較而言的，其原因如下。

（1）無(wú)勵(lì)磁損耗和電刷集電環(huán)摩擦損耗。

（2）轉(zhuǎn)子表面光滑，使得發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)的風(fēng)阻損耗大為降低。

（3）當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)載增大時(shí)，永磁同步發(fā)電機(jī)鐵損耗可以近似認(rèn)為不變；而電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)外特性軟，隨負(fù)載的增大，必須同時(shí)增加其氣隙磁通量，才能保持輸出電壓的不變，故鐵耗也相應(yīng)增加，效率降低。

 

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