李春艷

（黑龍江大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150080）

0 引 言

永磁同步發(fā)電機(jī)取消了容易出現(xiàn)故障的集電環(huán)和電刷，具有效率高，高功率／質(zhì)量比，體積小，結(jié)構(gòu)結(jié)實(shí)，可靠性好等優(yōu)點(diǎn)[1]。但是永磁電機(jī)制成以后，勵(lì)磁便不能調(diào)節(jié)，當(dāng)負(fù)載和功率因數(shù)變化時(shí)，電壓調(diào)整率便會(huì)隨著發(fā)生變化[2]。通過(guò)在表面貼式永磁體結(jié)構(gòu)的永磁同步發(fā)電機(jī)兩個(gè)相鄰的磁極間添加軟磁材料[3－5]增加交軸電抗，同時(shí)盡可能保持直軸電抗不變。電機(jī)運(yùn)行時(shí)軟磁材料的增磁作用減少電樞反應(yīng)對(duì)電機(jī)的影響，從而減小了電壓調(diào)整率。高凸極率是該電機(jī)的顯著特點(diǎn)，因此對(duì)其電抗參數(shù)的計(jì)算和測(cè)量尤為重要。由于永磁電機(jī)中永磁體形狀和布置多種多樣，轉(zhuǎn)子交軸和直軸磁路復(fù)雜，電抗參數(shù)值不僅與磁路飽和有關(guān)，還與直軸和交軸磁路間的交叉飽和有關(guān)，使得永磁同步電機(jī)的直軸和交軸電抗參數(shù)的測(cè)試方法與傳統(tǒng)的電勵(lì)磁的同步電機(jī)有很大的差別，不能沿用電勵(lì)磁電機(jī)的試驗(yàn)方法。筆者針對(duì)該永磁同步發(fā)電機(jī)用有限元方法計(jì)算了直軸和交軸電抗參數(shù)，并在香港理工大學(xué)電機(jī)工程系實(shí)驗(yàn)室用直接負(fù)載方法測(cè)量了考慮飽和的直交軸電抗參數(shù)。

1 高凸極率永磁同步發(fā)電機(jī)電抗參數(shù)計(jì)算

高凸極率永磁同步發(fā)電機(jī)（High saliency permanent magnet synchronous generator（PMSG））的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，在兩個(gè)相鄰磁極間添加了4塊軟鐵。電機(jī)凸極率定義為交軸電抗與直軸電抗的比值，即Xq／Xd。凸極率可由適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)氣隙長(zhǎng)度，永磁體的極弧和極間軟鐵寬度獲得。在特定負(fù)載下可能達(dá)到0甚至負(fù)的電壓調(diào)整率。

圖1 永磁同步發(fā)電機(jī)橫截面圖Fig.1 Structure of the PMSG

借助于電磁場(chǎng)有限元仿真軟件ANSOFT，計(jì)算交直軸電樞反應(yīng)電抗的方法如下：①建立電機(jī)模型使三相繞組中A相繞組軸線和某一磁極中心線重合（直軸）或者和磁極的中心線正交（交軸）；②令永磁體面電流為0；③A相繞組輸入額定電流I，B和C相繞組通入－0.5I。此時(shí)電樞反應(yīng)磁場(chǎng)的軸線與直軸或交軸重合，計(jì)算出直軸磁鏈或交軸磁鏈，直交軸電感就等于磁鏈除以電流。即：

直軸電感和交軸電感乘以角速度就得到直軸電抗和交軸電抗。圖2為分別通入直軸電流或交軸電流為額定電流時(shí)的發(fā)電機(jī)磁力線分布。

用有限元方法計(jì)算出來(lái)的直軸電樞反應(yīng)電抗和交軸電樞反應(yīng)電抗分別為0.891Ω和2.401Ω（電機(jī)設(shè)計(jì)值為0.88Ω和2.23Ω），見(jiàn)表1。電機(jī)的有限元法計(jì)算的數(shù)值與磁路方法計(jì)算的電抗數(shù)值基本相符。

圖2 磁通分布Fig.2 Distributions of magnetic flux

表1 電機(jī)直交軸電抗Table1 D-axis reactance and q-axis reactance

2 高凸極率永磁同步發(fā)電機(jī)電抗參數(shù)的測(cè)試

電樞反應(yīng)電抗是分析永磁同步電機(jī)的一組重要參數(shù)，按照雙反應(yīng)理論，負(fù)載運(yùn)行時(shí)永磁同步電機(jī)直軸上有永磁體磁動(dòng)勢(shì)和直軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)兩個(gè)激磁源，交軸方向上有交軸電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)一個(gè)激磁源。由于交軸和直軸部分磁路是相互重合的，直軸方向的磁動(dòng)勢(shì)必然會(huì)影響交軸磁路的飽和程度，反之亦然。即使磁路不飽和，鐵芯仍有磁壓降，且主磁場(chǎng)對(duì)電樞反應(yīng)產(chǎn)生較大的影響。因此，對(duì)永磁電機(jī)來(lái)說(shuō)，飽和的電樞反應(yīng)電抗更具有實(shí)際意義和實(shí)用價(jià)值。目前永磁電機(jī)的電抗參數(shù)的測(cè)量方法主要有3種：①直接負(fù)載法[6]；②直軸衰減法[7]；③電壓積分法[8]。本文提出了適用于實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的直接負(fù)載法來(lái)測(cè)量電抗參數(shù)。

2.1 直接負(fù)載法測(cè)試原理

永磁同步發(fā)電機(jī)帶純阻性負(fù)載時(shí)的相量圖見(jiàn)圖3。圖中E0為每相空載電動(dòng)勢(shì)；U 為每相輸出電壓；I為每相電流；R為每相電樞電阻；Xd為直軸同步電抗，Xq為交軸同步電抗；θ為功率角；Id為直軸電流分量，Iq為交軸電流分量。

當(dāng)永磁同步電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，測(cè)得空載反電勢(shì)E0，電樞端電壓U，電流I和功率角θ，由相量圖可知，Id＝Isinθ，Iq＝Icosθ，則直軸電抗Xd和交軸電抗Xq可由式（3）和式（4）求出：

由式（3）和式（4）可知用直接負(fù)載法測(cè)試永磁同步電機(jī)參數(shù)的主要困難在于測(cè)量功率角。

圖3 永磁同步發(fā)電機(jī)相量圖Fig.3 Phasor diagram of PMSG

2.2 功率角的測(cè)量

功率角定義為電機(jī)的端電壓U與勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)E0間的相角差。電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，端電壓信號(hào)可直接用電壓表測(cè)量，但永磁體勵(lì)磁的電動(dòng)勢(shì)信號(hào)不能用電壓表直接獲取，只能通過(guò)間接的方式測(cè)量，我們通過(guò)一個(gè)與勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)E0頻率相同，相差固定的周期信號(hào)來(lái)代替勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)E0，用來(lái)與端電壓進(jìn)行相位比較，從而得到相角差即為功率角。

圖4為實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)易的功率角測(cè)量的框圖。永磁同步發(fā)電機(jī)由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速1500r／min，發(fā)電機(jī)接純阻性負(fù)載。

圖4 功率角測(cè)量原理圖Fig.4 Test schematic diagram of the power angle

型號(hào)為E6B2-CWZ6C的旋轉(zhuǎn)編碼器與發(fā)電機(jī)同軸連接，用來(lái)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的頻率與電機(jī)電樞端電壓頻率相同，其相位能反映勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)E0的相位。當(dāng)電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，編碼器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電脈沖信號(hào)，將脈沖信號(hào)輸入示波器，得到比較信號(hào)E1；發(fā)電機(jī)電樞繞阻三相引出端引出任意兩端，由電壓互感器降為低電壓后將電壓信號(hào)輸入示波器，得到比較信號(hào)U1，拍攝兩個(gè)信號(hào)，可以求取兩個(gè)信號(hào)的相位差，即可得到功率角。這種測(cè)量功率角的方法簡(jiǎn)易可行，適合實(shí)驗(yàn)室操作。

2.3 直接負(fù)載法的特殊形式

作為直接負(fù)載法的一個(gè)特殊運(yùn)行方式，負(fù)載可選用純電感，在忽略定子電阻的前提下可以避免測(cè)量功率角，但是只能測(cè)量直軸電抗。帶有純感性負(fù)載的永磁同步發(fā)電機(jī)相量圖見(jiàn)圖5。改變純電感負(fù)載大小可得到不同去磁電流I所對(duì)應(yīng)的直軸電抗Xd。對(duì)功率大的電機(jī)或Xd比相電阻大得多的電機(jī)來(lái)說(shuō)這種假設(shè)引起的誤差還是很小的。

圖5 永磁同步發(fā)電機(jī)純電感負(fù)載運(yùn)行相量圖Fig.5 Phasor diagram of PMSG with inductive load

3 直交軸電抗測(cè)試

選用純電感負(fù)載法測(cè)得的直軸電抗和用直接負(fù)載法測(cè)得的交軸電抗見(jiàn)圖6和圖7。直軸電抗數(shù)值約為0.872Ω，交軸電抗在小電流時(shí)為2.28Ω，電流最大時(shí)數(shù)值減小為1.82Ω。

圖6 純電感負(fù)載法測(cè)直軸電抗Fig.6 Test of d-axis reactance with the method of inductive load

圖7 直接負(fù)載法測(cè)交軸電抗Fig.7 Test of q-axis reactance with the method of direct load

直軸電流增大至8A，直軸電抗變化小，這是因?yàn)橛来朋w串聯(lián)在直軸磁路中，而永磁體磁導(dǎo)率與空氣接近，磁阻很大。因此直軸電流增加到8A并未使電機(jī)達(dá)到飽和，因而直軸電抗受直軸電流的影響較小。

交軸電抗在交軸電流＜4A時(shí)為2.28Ω，交軸電流繼續(xù)增加，電機(jī)飽和程度增加，交軸電抗變小，當(dāng)交軸電流為9.3A時(shí)，交軸電抗下降至1.82Ω與電機(jī)未飽和時(shí)相比，交軸電抗下降20.2%，可見(jiàn)交軸電流對(duì)交軸電抗的影響很大。這是因?yàn)榻惠S磁路上引入軟鐵，軟鐵磁導(dǎo)率很大，磁阻很小，磁通易通過(guò)，電機(jī)交軸磁路容易飽和，因此對(duì)交軸電抗影響較大。

電機(jī)凸極率設(shè)計(jì)值Xq／Xd＝2.53，有限元仿真計(jì)算為2.69，實(shí)驗(yàn)測(cè)試為2.62。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與磁路設(shè)計(jì)計(jì)算和有限元仿真兩種方法相符，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)的正確性。圖8為高凸極率永磁同步發(fā)電機(jī)的實(shí)際測(cè)量U～I(xiàn)曲線。

圖8 永磁同步發(fā)電機(jī)U～I(xiàn)特性Fig.8 U-I characteristics of the PMSG

永磁同步發(fā)電機(jī)在電機(jī)電流從0A增加至9.3 A，電機(jī)電壓從66.05V下降至61.95V，電壓差為4.1V，電壓調(diào)整率為6%。由此可見(jiàn)高凸極率的永磁同步發(fā)電機(jī)的電壓調(diào)整率是較小的。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)高凸極率永磁同步發(fā)電機(jī)的分析與電抗參數(shù)計(jì)算和測(cè)量，所得結(jié)論如下：

1）發(fā)電機(jī)的U～I(xiàn)特性曲線驗(yàn)證了添加軟鐵的永磁同步發(fā)電機(jī)能夠降低電壓調(diào)整率。

2）直軸電抗受直軸電流的影響很小，交軸電抗受飽和影響大，交軸電抗隨著電流的增大而下降。

3）有限元法計(jì)算和直接負(fù)載法測(cè)得的直軸電抗與電機(jī)實(shí)際設(shè)計(jì)值相符，驗(yàn)證了分析方法和測(cè)試手段的正確性。

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