明捷 喬訓(xùn)龍 謝晉 劉海鋼 張軼

【摘 要】針對(duì)永磁同步發(fā)電機(jī)輸出電壓隨內(nèi)部磁場(chǎng)的變化產(chǎn)生變化[1]，影響供電質(zhì)量的缺點(diǎn)，提出一種永磁同步發(fā)電機(jī)電壓控制的方法，通過(guò)將多抽頭雙繞組變壓器高壓邊繞組串聯(lián)接入發(fā)電機(jī)輸出端，利用電壓測(cè)量裝置控制高低壓繞組變比實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)輸出電壓的穩(wěn)定。仿真結(jié)果表明，該方法可將變化明顯偏離要求的輸出電壓調(diào)整到指標(biāo)范圍之內(nèi)，使電壓滿足要求。

【關(guān)鍵詞】永磁同步發(fā)電機(jī)；電壓調(diào)節(jié)；變壓器繞組；無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)

【中圖分類(lèi)號(hào)】TB857+.3【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1672-5158（2013）07-0384-01

1、引言

永磁同步發(fā)電機(jī)機(jī)采用永磁體取代電勵(lì)磁，在運(yùn)行中不存在勵(lì)磁損耗，不需要從電網(wǎng)吸取滯后的勵(lì)磁電流，大大節(jié)約了無(wú)功。永磁同步發(fā)電機(jī)并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，體積小，質(zhì)量輕等眾多優(yōu)點(diǎn)。近幾年在汽車(chē)電源以及其他移動(dòng)電源應(yīng)用場(chǎng)合比傳統(tǒng)的電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)有更多的優(yōu)勢(shì)，在移動(dòng)電源領(lǐng)域永磁同步發(fā)電機(jī)越來(lái)越多的取代傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)。但是隨著使用時(shí)間的變長(zhǎng)，永磁總存在失磁現(xiàn)象，磁場(chǎng)變?nèi)?，?dǎo)致輸出電壓不能滿足要求。

目前，永磁同步發(fā)電機(jī)通過(guò)主要采用混合勵(lì)磁中的電勵(lì)磁部分來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)內(nèi)部的磁場(chǎng)[2]，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的輸出電壓，使之滿足電壓調(diào)整率要求。但是，混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本較高。

本研究利用變壓器原理，在發(fā)電機(jī)外部進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)[3]。當(dāng)永磁同步發(fā)電機(jī)輸出電壓偏離額定要求時(shí)，通過(guò)控制裝置調(diào)節(jié)變壓器的變壓比，對(duì)負(fù)載電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，使發(fā)電機(jī)到負(fù)載的輸出電壓滿足要求。

2、帶電壓調(diào)整的永磁同步發(fā)電機(jī)[4]系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

利用雙繞組變壓器調(diào)節(jié)永磁同步發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由原動(dòng)機(jī)，永磁同步發(fā)電機(jī)，多抽頭雙繞組變壓器，變比控制器組成。抽頭開(kāi)關(guān)的關(guān)斷采用晶閘管[ 5]實(shí)現(xiàn)。主要是利用晶閘管關(guān)斷額定電流大，額定電壓高，無(wú)電弧產(chǎn)生，并且可以實(shí)現(xiàn)高頻變換的眾多優(yōu)點(diǎn)。

3、 電壓調(diào)節(jié)工作原理

如圖所示，三相雙繞組變壓器的高壓邊連接永磁發(fā)電機(jī)的輸出端，將高壓繞組不同的抽頭通過(guò)控制開(kāi)關(guān)接到輸出端上。當(dāng)發(fā)電機(jī)輸出電壓高于負(fù)載的額定電壓時(shí)，將此變壓器的高壓邊繞組通過(guò)控制開(kāi)關(guān)增加繞組匝數(shù)；否則，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)減少繞組匝數(shù)。從而實(shí)現(xiàn)的不同變比的調(diào)節(jié)。

變壓器高壓繞組各抽頭均用晶閘管控制通斷，電壓檢測(cè)裝置把輸出電壓反饋到控制器中，控制器在不同范圍的電壓下提供給相應(yīng)的晶閘管門(mén)極電壓信號(hào)，晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通即抽頭實(shí)現(xiàn)了換接，利用變壓器變比實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)，使電壓在可接受的范圍內(nèi)變化。

當(dāng)檢測(cè)到的輸出電壓U在以下范圍時(shí)，所相對(duì)應(yīng)的變壓器變壓比K如下所示：

通過(guò)上述控制裝置，當(dāng)發(fā)電機(jī)的電壓為額定電壓的0.87至1.25倍時(shí)，通過(guò)利用變壓器高壓繞組抽頭的切換的調(diào)節(jié)功能，使二次側(cè)電壓穩(wěn)定在Un2（1±2.5%）范圍內(nèi)，即實(shí)現(xiàn)率輸出電壓的調(diào)節(jié)。

4、系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證本文方案的可行性，按照上述思路，在matlab平臺(tái)下利用Simulink工具箱建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。由于三相電壓的對(duì)稱(chēng)性，此次仿真只對(duì)一相電壓進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。為了使模型簡(jiǎn)化，永磁同步發(fā)電機(jī)采用一個(gè)交流電壓源代替，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)調(diào)節(jié)交流電壓源的電壓有效值，來(lái)模擬永磁同步發(fā)電機(jī)因磁場(chǎng)變化而導(dǎo)致輸出電壓的變化。

在實(shí)際中，永磁同步發(fā)電機(jī)使用時(shí)間過(guò)久后，永磁體的磁場(chǎng)會(huì)變?nèi)?，?dǎo)致輸出電壓變小。但也有可能使用時(shí)收到外界磁場(chǎng)的干擾導(dǎo)致磁場(chǎng)增強(qiáng)。最終會(huì)出現(xiàn)兩種結(jié)果：隨著時(shí)間的推移，輸出電壓的有效值在逐漸變?。浑S著時(shí)間的推移，輸出電壓的有效值在逐漸變大。所有的這些變化都是較長(zhǎng)時(shí)間累計(jì)的結(jié)果，就某次短時(shí)間使用永磁機(jī)而言，其輸出電壓一般不會(huì)變化，但輸出電壓會(huì)偏離額定值較大。兩個(gè)圖分別反映了在兩種情況下，有調(diào)節(jié)裝置和無(wú)調(diào)節(jié)裝置時(shí)，負(fù)載電壓有效值的變化趨勢(shì)。仿真實(shí)驗(yàn)中，我們以380V作為額定電壓。（見(jiàn)圖2、3）

觀察圖像可得，隨著輸出電壓的變化。有調(diào)節(jié)裝置時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的變比，從而實(shí)現(xiàn)與額定電壓380V相差甚小，最大相差不到30V（相差小于10%）實(shí)現(xiàn)了調(diào)壓作用。無(wú)調(diào)節(jié)裝置，輸出電壓隨著時(shí)間的推移變化幅度很大，這種情況下，負(fù)載往往由于電壓過(guò)高或者過(guò)低而不能正常工作。

通過(guò)對(duì)比可以得知，本文所設(shè)計(jì)的電壓調(diào)節(jié)裝置可以使輸出電壓調(diào)整離額定電壓偏差較小的范圍內(nèi)，起到了電壓調(diào)節(jié)的作用。

5、結(jié)論

利用本文提出了永磁發(fā)電機(jī)輸出電壓外部調(diào)節(jié)控制的方法，采用了多抽頭變壓器與發(fā)電機(jī)串聯(lián)的方式，通過(guò)調(diào)節(jié)變壓器的抽頭方法來(lái)改變輸出電壓，避免了采用價(jià)格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的混合勵(lì)磁機(jī)。利用晶閘管來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)觸點(diǎn)切換抽頭，使切換時(shí)不會(huì)出現(xiàn)電弧危險(xiǎn)，并且可以實(shí)現(xiàn)高頻率的變化。最后對(duì)該方法進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了該方法的可行性。

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