夏永洪，張 聰，溫子健，張景明，陳 瑛

(南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院，南昌 330031)

0 引 言

小水電為清潔可再生能源，無(wú)污染，且可循環(huán)利用。小水電產(chǎn)生不需要消耗任何形式化石燃料，環(huán)境污染物的排泄基本為零，清潔效益明顯[1]。作為大電網(wǎng)的有力補(bǔ)充，小水電站在解決農(nóng)村用電，促進(jìn)農(nóng)村電氣化，農(nóng)村經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展等方面發(fā)揮了重要作用。

目前，幾乎所有的小水電站都使用電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，由于小型水電站以徑流式為主，其輸出功率受季節(jié)影響較大，使得發(fā)電機(jī)在枯水期效率低下，為提高水利資源的利用效率，提出了采用永磁同步發(fā)電機(jī)代替小型水電站電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的思路[2-3]。相較于傳統(tǒng)電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)，永磁同步發(fā)電機(jī)以永磁體替代電勵(lì)磁繞組建立電機(jī)主磁場(chǎng)，具有高效率的特點(diǎn)。然而，永磁同步發(fā)電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)困難，通常需要通過(guò)變流器連接到電網(wǎng)[4]，這增加了小型水電站的建設(shè)成本，如圖1所示。

圖1 永磁水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行原理圖

[5-6]

[8-9]

圖2 混合勵(lì)磁爪極發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖3 混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

因此，在現(xiàn)有混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)上，提出一種可滿足小型水電站運(yùn)行要求的混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)，簡(jiǎn)述其結(jié)構(gòu)和氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)原理。采用電磁場(chǎng)有限元法，計(jì)算其運(yùn)行性能，并研制混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)樣機(jī)加以驗(yàn)證。

1 發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

為了保持傳統(tǒng)小型水輪發(fā)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)方便的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)提高其運(yùn)行效率，將電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的部分磁極替換為永磁磁極，形成一種混合勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)，如圖3所示。該混合勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子由4個(gè)永磁磁極和4個(gè)鐵磁磁極組成，空載氣隙磁場(chǎng)由永磁體和電勵(lì)磁繞組共同建立，其中永磁體在氣隙中產(chǎn)生一個(gè)基本不變的磁場(chǎng)，電勵(lì)磁繞組通過(guò)改變輸入的直流勵(lì)磁電流大小和方向，可以調(diào)節(jié)氣隙磁場(chǎng)，因此，該混合勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)仍具有良好的氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)能力，可以滿足小型水輪同步發(fā)電機(jī)無(wú)功調(diào)節(jié)的要求。此外，為了實(shí)現(xiàn)其快速滅磁，在永磁磁極也布置一套勵(lì)磁繞組，當(dāng)該發(fā)電機(jī)定子發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，通過(guò)輸入直流電流產(chǎn)生相反氣隙磁場(chǎng)，以抵消由永磁體建立的氣隙磁場(chǎng)。

圖4 混合勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)截面圖

2 氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)原理

圖4所示的混合勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子有兩套勵(lì)磁繞組：運(yùn)行勵(lì)磁繞組和滅磁勵(lì)磁繞組。下面分別針對(duì)兩套勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行分析，主要參數(shù)如表1所示。

表1 混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

2.1 運(yùn)行勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)

當(dāng)在運(yùn)行勵(lì)磁繞組通入不同勵(lì)磁電流時(shí)，其產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)空間分布如圖5所示。

圖5 不同勵(lì)磁電流時(shí)的氣隙磁場(chǎng)空間分布

圖6 不同勵(lì)磁電流的磁力線分布圖

由圖5(a)可知，當(dāng)勵(lì)磁電流為0時(shí)，電勵(lì)磁磁極下的氣隙磁密也為0，氣隙磁場(chǎng)僅由永磁磁極建立。當(dāng)勵(lì)磁電流正向增加時(shí)，電勵(lì)磁磁極下的氣隙磁密隨之增大，氣隙磁場(chǎng)由永磁磁極和鐵磁磁極共同建立，如圖5(b)所示。當(dāng)勵(lì)磁電流反向時(shí)，電勵(lì)磁磁極產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向與相鄰的永磁磁極相同，由于相鄰磁極的電樞繞組反向串聯(lián)，因此，電樞繞組磁鏈減小如圖5(c)所示。不同勵(lì)磁電流的磁力線分布圖如圖6所示。

2.2 滅磁勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)

當(dāng)發(fā)電機(jī)定子發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，可以給滅磁勵(lì)磁繞組輸入勵(lì)磁電流，產(chǎn)生與永磁磁場(chǎng)相反的氣隙磁場(chǎng)，如圖7所示。

圖7 滅磁勵(lì)磁繞組工作時(shí)的氣隙磁場(chǎng)

由圖7可知，隨著滅磁勵(lì)磁電流從4A增加到6A時(shí)，永磁磁極下的基波氣隙磁場(chǎng)由0.453T減小為0.426T，當(dāng)滅磁勵(lì)磁電流增加到30.3A，其產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)完全與永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)相抵消，可以起到滅磁的作用。

3 仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該混合勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)方案的正確性，采用有限元軟件建立了該混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)仿真模型，針對(duì)該發(fā)電機(jī)兩套勵(lì)磁繞組分別輸入不同勵(lì)磁電流的情況進(jìn)行了計(jì)算，得到了該發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性及電樞繞組電壓波形。同時(shí)，研制了一臺(tái)混合勵(lì)磁水輪同步發(fā)電機(jī)樣機(jī)，并建立了樣機(jī)性能測(cè)試平臺(tái)，如圖8所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用變頻器對(duì)異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持恒定，可調(diào)直流電源用于為混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組提供所需要的直流電流，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x用于測(cè)量異步電動(dòng)機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，同時(shí)采用示波器采集樣機(jī)的電樞電壓波形。計(jì)算結(jié)果和樣機(jī)測(cè)試結(jié)果如圖9～圖10所示，以及表2所示。

圖8 發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖9 運(yùn)行勵(lì)磁繞組輸入正、反向電流時(shí)的空載特性

勵(lì)磁電流/A電樞繞組電壓/V計(jì)算結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果0248.20251.04-1241.45239.46-2232.26230.98-3222.94221.94-4213.49213.13-5203.93204.37-6194.12195.10-7184.24185.18-8174.20176.72

圖10 滅磁勵(lì)磁繞組電流為4A時(shí)空載線電壓波形

由圖9可知，當(dāng)運(yùn)行勵(lì)磁繞組電流由-6A增加到6A時(shí)，電樞繞組線電壓由19.85V增加到493.18V，說(shuō)明該發(fā)電機(jī)具有良好的氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)能力，可以滿足小型水電站無(wú)功功率的調(diào)節(jié)要求。當(dāng)在滅磁勵(lì)磁繞組通入反向勵(lì)磁電流，產(chǎn)生與永磁體相反的氣隙磁場(chǎng)，從而導(dǎo)致電樞繞組電壓的下降，如表2所示。當(dāng)輸入的勵(lì)磁電流達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，完全可以使電樞繞組電壓下降為0，從而達(dá)到滅磁的目的。實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了防止永磁體產(chǎn)生不可逆去磁，施加的勵(lì)磁電流較小。此外，計(jì)算波形與實(shí)驗(yàn)波形也吻合較好。

4 結(jié) 語(yǔ)

圍繞提出的小型混合勵(lì)磁水輪同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行了研究，介紹了其基本結(jié)構(gòu)和氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)原理，采用有限元方法對(duì)該混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行了計(jì)算，并研制了電機(jī)，驗(yàn)證了該方案的正確性。與電勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)相比，該混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)具有較高的運(yùn)行效率。