并列结构混合励磁同步发电机及其交流励磁控制系统技术方案

本发明专利技术公开了属于同步电机交流发电技术领域的一种并列结构混合励磁同步发电机及其交流励磁控制系统。该发电机的永磁部分和电励磁部分在同一机壳内沿轴向并列安装，两部分的定子铁心彼此独立，但共用一套定子电枢绕组，永磁感应电动势和电励磁感应电动势在电枢绕组中进行叠加，永磁部分定子铁心和电励磁定子铁心具有相同的齿槽数，通过电枢绕组分布形式、励磁绕组分布形式、永磁转子磁极形状的设计以及励磁电流的控制以达到改善感应电动势波形的目的；通过矢量控制使交流励磁电流中只有直轴分量，可调节电枢绕组中电励磁感应电动势的大小和相位，从而调节发电机总输出电压的大小，使发电机输出电压稳定；实现宽转速、大负载范围内恒压输出。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于同步电机交流发电的
特别涉及一种并列结构混合励磁同步 发电机及其交流励磁控制系统。
技术介绍
永磁同步电机具有可靠性高、效率高以及体积小等优点，相对于传统的电励磁同 步电机具有许多优势。但是永磁电机由于转子采用永磁磁钢励磁，气隙磁场调节困难，作为 发电机运行，当温度升高时，永磁磁钢产生可逆退磁，使发电机输出电压降低，另外，当发电 机负载改变时，尤其是当感性负载增大时，输出电压进一步降低。通常永磁发电机的电压变 化率在士 10%左右，影响负载设备的可靠运行。于是混合励磁同步电机被提出并进行了大 量的研究，出现了多种结构的混合励磁电机，按电励磁磁场与永磁磁场的叠加方式可分为 串励式、并励式和混励式三种结构，它们的主要思想是永磁磁场依然作为电机的主磁场，电 励磁部分调节电动势需要调节的部分，从而保证了发电机输出电压的稳定。从目前混合励磁电机的技术上看，电励磁部分大多采用直流电流励磁，由于直流 电流产生的是相对于励磁绕组位置固定不变的磁场，为了在定子绕组中感应大小可调节的 交流感应电动势，常见的直流电流励磁方案大致有三类。第一类方案类似于传统的电励磁 发电机，通过电刷和滑环把直流励磁电流引入到转子上的励磁绕组，依靠转子旋转使电励 磁磁场旋转起来，如专利技术专利号为ZL. 200310106347. 6的混合励磁同步电机，该种方案由 于电刷和滑环的存在降低了电机的可靠性以及环境适应性。第二类种方案是采用双凸极结构的混合励磁电机，流过电机定子上励磁绕组的直 流电流产生位置固定不变的磁动势，通过转子旋转时磁路磁阻的变化使定子磁通发生变 化，从而在电枢绕组中感应交变的电动势，如专利技术专利号为ZL. 200310106346. 1的双凸极 混合励磁同步电机，该种方案由于利用磁阻式工作原理，使输出电压正弦性不是很理想。第三类方案的电励磁部分采用爪极电励磁结构，励磁绕组放置在电机端盖部分， 电励磁部分转子相邻的爪极依次为N极和S极，从而在电励磁部分的定子电枢绕组中感应 交流电动势，通过改变直流励磁电流的大小来改变电励磁感应电动势的大小，例如申请号 为200810024775. 7的并列结构混合励磁无刷同步电机。但是该种方案在电励磁磁路上除 了工作气隙，还存在附加气隙，爪极之间漏磁也比较大，需要消耗更多的电励磁磁动势，降 低了电励磁效率。在直流励磁电流控制上，对于较大的励磁功率通常采用可控整流将交流电变换为 可调节的直流电压加在励磁绕组上。对于较小的励磁功率多采用MOSFET或IGBT等全控 型电力电子开关控制加在励磁绕组上的电流大小，从而调节感应电动势的大小，比如申请 号为200910181397. 8的专利技术专利公布了一种自励混合励磁电机交流发电系统及其控制方 法，控制系统根据检测到的输出电压、负载电流以及实际励磁大小采用数字信号处理器控 制H桥式电力电子开关的导通和关断，控制直流励磁电流的方向和大小实现了混合励磁发 电机输出电压的自动调节。上述可以看出混合励磁电机的电励磁部分采用直流电流励磁，虽然励磁控制相对 简单，技术也比较成熟，但是混合励磁同步电机或者电刷和滑环的存在使电机可靠性较低 以及环境适应性较差，或者双凸极电机使输出电压正弦性不好，或者爪极电励磁使结构复 杂，且需要消耗较多的电励磁磁动势，降低了电励磁效率。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种并列结构混合励磁同步发电机及其交流励磁控制系统， 该发电机电励磁部分采用无刷交流电流励磁，电励磁部分磁路结构上不存在附加气隙，电 励磁效率高，环境适应性好。一种并列结构混合励磁同步发电机，混合励磁同步发电机包括永磁部分和电励磁 部分，它们在磁路上彼此独立，其特征在于，所述并列结构混合励磁同步发电机的永磁部分 和电励磁部分在同一机壳内，沿轴向并列安装，两部分电机定子铁心彼此独立，但共用一套 定子电枢绕组，永磁感应电动势和电励磁感应电动势在电枢绕组中进行叠加，永磁部分定 子铁心和电励磁定子铁心具有相同的齿槽数，通过电枢绕组分布形式、电励磁绕组分布形 式以及永磁转子磁极形状的设计来改善电枢绕组中感应电动势波形，使其电动势为正弦 波，从而使发电机输出电压正弦波形畸变达到很小。所述永磁转子磁极采用表面式磁钢结构或内永磁磁钢结构。所述电励磁部分定子铁心内有两套三相绕组电枢绕组和励磁绕组；励磁绕组和 电枢绕组具有相同的绕组分布形式，并且三相励磁绕组轴线和电枢绕组轴线分别重合。所述电枢绕组采用传统的分布式绕组形式。所述电励磁绕组放置在电励磁部分的定子铁心内，实现无刷励磁。一种并列结构混合励磁发电机的交流励磁控制系统，其特征在于，采用数字电压 调节器控制加在三相励磁绕组中电流的大小和相位，可调节电枢绕组中电励磁感应电动势 的大小和相位，从而调节发电机总输出电压的大小，使发电机输出电压稳定；该交流励磁控制系统包括并列结构的混合励磁同步发电机、输出电压检测调理电 路、三个电流传感器、励磁电流检测调理电路、转子位置检测处理电路、整流桥、滤波电容、 数字调压交流励磁控制器；其中数字调压交流励磁控制器的三相输出分别接混合励磁同步 发电机三相励磁绕组的首端，三相励磁绕组的尾端在电机内部采用星型连接；在三相励磁 绕组的输入端分别设置电流传感器，三个电流传感器的输出经过励磁电流检测调理电路后 接数字调压交流励磁控制器的输入端；安装于发电机内部的永磁转子位置传感器的输出经 过转子位置检测处理电路后接数字调压交流励磁控制器的输入端；混合励磁发电机的三相 输出端分别接输出电压检测调理电路、整流桥和负载的输入端；整流桥的输出经过滤波电 容后接数字调压交流励磁控制器的输入端；输出电压检测调理电路的输出接数字调压交流 励磁控制器的输入端。所述的数字调压交流励磁控制器包括DSP数字信号处理器、驱动隔离放大电路、 三相交流励磁逆变器和宽输入范围的DC/DC控制电源，其中宽输入范围的DC/DC控制电源 的输入端与励磁主电路的输入端并联，即励磁主电路和DC/DC控制电源的输入电源都是由 混合励磁同步发电机的三相交流输出经过整流桥和滤波电容后提供；DC/DC控制电源的输 出端分别接数字信号处理器(DSP)、输出电压检测调理电路、转子位置检测处理电路、励磁电流检测调理电路、驱动隔离放大电路的电源输入端；DSP数字信号处理器输出的PWM信号 经过驱动隔离放大电路后控制三相交流励磁逆变器的开关管。所述的并列结构混合励磁同步发电机的交流励磁采用内、外双反馈环控制，所述 外环为电压反馈环，将电压给定基准与实际输出电压反馈值比较后经过第一个PI调节器 计算，输出励磁电流直轴分量调节量；所述内环为电流反馈环，调节励磁电流直轴分量与励 磁电流交轴分量；所述第一个PI调节器的输出作为直轴励磁电流环的给定值，将检测并计算得到 的三相励磁电流的直轴分量与直轴励磁电流给定值进行比较后经过第二个PI调节器计 算，输出直轴励磁电压的调节量；交轴励磁电流的给定值设定为0，将检测并计算得到的三 相励磁电流的交轴分量与交轴励磁电流的给定值进行比较后经过第三个PI调节器计算， 输出交轴励磁电压的调节量；交、直轴励磁电压调节量经过坐标变换、PWM生成及隔离放大 后驱动三相交流励磁逆变器的开关管，从而调节三相励磁电流的大小和相位。通过上述三本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种并列结构混合励磁同步发电机，混合励磁同步发电机包括永磁部分和电励磁部分，它们在磁路上彼此独立，其特征在于，所述并列结构混合励磁同步发电机的永磁部分和电励磁部分在同一机壳内，沿轴向并列安装，两部分电机定子铁心彼此独立，但共用一套定子电枢绕组，永磁感应电动势和电励磁感应电动势在电枢绕组中进行叠加，永磁部分定子铁心和电励磁定子铁心具有相同的齿槽数，通过电枢绕组分布形式以及永磁转子磁极形状的设计以改善电枢绕组中感应电动势波形，其电动势为正弦波，从而使发电机输出电压正弦波形畸变达到很小。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘明基，于斌，李祥永，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]