新聞主題	永磁發(fā)電機的應用

 

摘要：永磁發(fā)電機采用永磁體生成發(fā)電機的磁場，無需勵磁線圈也無需勵磁電流、效率高、結(jié)構(gòu)簡單，因此，永磁發(fā)電機是很好的節(jié)能發(fā)電機。隨著高性能永磁材料的問世和控制技術(shù)的迅速發(fā)展，被柴油發(fā)電機組行業(yè)廣泛應用，逐漸替代原先的無刷發(fā)電機和相復勵發(fā)電機。由于永磁同步發(fā)電機具有勵磁不可調(diào)導致輸出電壓不可調(diào)這一根本的問題不可避免，因而決定了永磁發(fā)電機的應用方式。

 

一、永磁發(fā)電機的特點

 

      永磁發(fā)電機是現(xiàn)代材料科學、電子電力科學相結(jié)合的產(chǎn)物。永磁發(fā)電機是利用永磁材料產(chǎn)生磁場，替代傳統(tǒng)發(fā)電機由電流勵磁產(chǎn)生的磁場，使得永磁發(fā)電機具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、體積小、重量輕、損耗小、效率高等優(yōu)點、所以永磁發(fā)電機近幾年來發(fā)展很快。

1、高效

      由于永磁發(fā)電機的轉(zhuǎn)子上設(shè)置了永磁體，這些永磁體不需要外部電源供電，因此可以直接驅(qū)動發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使得轉(zhuǎn)子的運動更加靈活，發(fā)電效率更高。也因為永磁發(fā)電機無需勵磁電流，相對傳統(tǒng)發(fā)電機可以減少電能轉(zhuǎn)換過程中的損耗。

2、可靠

      永磁發(fā)電機由于無需勵磁電流和滑環(huán)，不存在勵磁繞組和滑環(huán)帶來的摩擦損耗等問題，因此相較于傳統(tǒng)發(fā)電機更加可靠。同時由于永磁發(fā)電機的結(jié)構(gòu)簡單，易于維護，因此也提高了其可靠性。

3、環(huán)保

      相較于傳統(tǒng)發(fā)電機，永磁發(fā)電機減少了一些有害金屬材料的使用，也減少了一些有害氣體的排放，更符合低碳環(huán)保的要求。同時由于永磁發(fā)電機的工作穩(wěn)定，噪音也比傳統(tǒng)發(fā)電機低。

4、節(jié)能

      由于永磁發(fā)電機無需外部電源供電，相對傳統(tǒng)發(fā)電機的轉(zhuǎn)子，減少了功耗，同時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動速度更快更穩(wěn)定，因此也減少了能量浪費的情況。

5、低噪音

      永磁發(fā)電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動速度高，摩擦力小，因此噪音要比傳統(tǒng)發(fā)電機低得多。這也是永磁發(fā)電機被廣泛應用于需要低噪音的場合的原因。

二、永磁發(fā)電機的應用

 

1、工頻永磁發(fā)電機

      工頻永磁發(fā)電機即發(fā)電機從定子繞組輸出端即為工頻電壓，結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種永磁發(fā)電機充分體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡單、效率高、高可靠性的特點，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上永磁磁極對數(shù)同電勵磁發(fā)電機分別為2對（轉(zhuǎn)速為1500r/min）和1對（3000r/min）磁極，整個發(fā)電機單相兩線、三相四線輸出，雖然永磁發(fā)電機電壓調(diào)整率小，但接近額定負載或過載狀況將使發(fā)電機輸出電壓有所下降，同時轉(zhuǎn)速下降對發(fā)電機輸出電壓影響也較為明顯。

2、中頻永磁發(fā)電機

      為了提高永磁發(fā)電機組的功率/重量比，轉(zhuǎn)子的磁極可達10對左右，原動機轉(zhuǎn)速最高可達6000r/min，發(fā)電機輸出電能的頻率為（以磁極對數(shù)為10，轉(zhuǎn)速分別為1500r/min、3000r/min、6000r/min為例）250、500、1000Hz，所以稱為中頻。而工頻為50Hz或60Hz，因而中頻永磁發(fā)電機發(fā)出的電能不能直接使用，需要將發(fā)電機發(fā)出的三相交流電通過整流技術(shù)變成直流電，然后通過逆變技術(shù)再將直流變?yōu)榻涣?，且在標定的輸出功率范圍?nèi)和一定的轉(zhuǎn)速（頻率）變化范圍內(nèi)保持恒頻恒壓的電壓輸出。大功率永磁中頻發(fā)電機結(jié)構(gòu)如圖2所示。這種永磁發(fā)電機為中頻永磁發(fā)電機與整流逆變控制單元的組合。

 

圖1  工頻永磁發(fā)電機結(jié)構(gòu)圖

圖2  大功率永磁中頻發(fā)電機結(jié)構(gòu)圖

 

三、永磁發(fā)電機的控制

 

      整流逆變控制單元的逆變電路采用SPWM正弦脈寬調(diào)制控制，如圖3所示，為單級式脈寬調(diào)制波的產(chǎn)生原理。所謂SPWM波形就是與正弦波形等效的一系列幅值相等而寬度不等的矩形脈沖波形。這樣第n個脈沖的寬度就與該處正弦波值近似成正比，因此半個周期正弦波的SPWM波是兩側(cè)窄、中間寬，脈寬按正弦規(guī)律逐漸變化的序列脈沖波形。

      以SPWM三相逆變橋為例進行說明，如圖4所示為雙電平三相四橋臂拓撲結(jié)構(gòu)圖。SPWM三相逆變器的主電路由8個全控式功率開關(guān)器件（分別是U、V、W、N對應的上管T₁、T₃、T₅、T₇和下管T₂、T₄、T₆、T₈）構(gòu)成的三相四橋臂逆變橋，它們各有一個續(xù)流二極管反并聯(lián)。圖中U_c為等腰三角形的載波，U_r為正弦調(diào)制波，調(diào)制波和載波的交點決定了SPWM脈沖序列的寬度和脈沖間的間隔寬度。當某相的U_r＞U_c時，該相的管導通，輸出正弦脈沖電壓U_O，當U_r＜U_c時，該相的上管關(guān)斷，輸出正弦脈沖電壓U_O＝0，在U_ra負半周，用同樣方法控制該相的下管，輸出負的脈沖電壓序列，改變調(diào)制波頻率時，輸出電壓基波頻率隨之改變，降低調(diào)制波幅值U_r時，各段脈沖的寬度變窄，輸出電壓基波幅值減少。

      在基本正弦脈寬調(diào)制控制的原理上，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化計算PWM開關(guān)角，使輸出電壓基波幅值最大，同時負載電流中的高次諧波含量最小。因而電路具有效率高，體積重量小的特點，其電氣特性優(yōu)良，電壓精度不超過±1％、THD小于3％、頻率波動小于0.1Hz，且可并聯(lián)、并網(wǎng)工作。目前，主功率器件IGBT的工作頻率為20kHz，整機效率在95％以上。若采用新一代的高速IGBT，可設(shè)計功率電路工作頻率在40～50kHz，這將進一步減小輸出濾波器的體積和重量。

      由此可見，以上兩種永磁同步發(fā)電機是一種高品質(zhì)的電源設(shè)備，永磁同步發(fā)電機的輕便性、可靠性和高品質(zhì)電路是戰(zhàn)時電源保障和應急電源的最佳設(shè)備。但由永磁同步發(fā)電機引入了整流逆變環(huán)節(jié)，成本提高，比同功率電勵磁同步發(fā)電機的一次性投資大。

 

圖3  永磁發(fā)電機SPWM信號原理示意圖

圖4  永磁發(fā)電機雙電平三相四橋臂拓撲結(jié)構(gòu)圖

 

總結(jié)：

      總之，永磁發(fā)電機的特點體現(xiàn)在體積小、重量輕、響應速度快、效率高等方面，其應用廣泛，包括柴油發(fā)電機、風力發(fā)電、水力發(fā)電、太陽能發(fā)電等領(lǐng)域，同時也應用于電動汽車和機械制造等領(lǐng)域。

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