王愛(ài)元

(上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院， 上海 201306)

在邊遠(yuǎn)山區(qū)、海島、草原牧場(chǎng)等三相電網(wǎng)無(wú)法達(dá)到的地區(qū)采用單相交流發(fā)電機(jī)有一定技術(shù)優(yōu)勢(shì)，由于大部分民用電器使用單相交流電，采用單相交流發(fā)電機(jī)可以免去三相交流供電的不平衡，以及三相交流電經(jīng)整流逆變成單相交流電時(shí)的裝置和損耗。野外作業(yè)、應(yīng)急救援、海洋工程等對(duì)單相交流發(fā)電機(jī)也有一定的需求。

與三相交流電動(dòng)機(jī)相比較，單相交流電動(dòng)機(jī)效率低，功率因數(shù)、起動(dòng)性能差，因此，目前的工程應(yīng)用局限于民用、醫(yī)療等領(lǐng)域的小功率的單相異步電動(dòng)機(jī)。

單相交流電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)是電機(jī)領(lǐng)域的一項(xiàng)熱門(mén)研究課題，尤其是小容量的單相交流發(fā)電機(jī)，在獨(dú)立運(yùn)行的可再生能源發(fā)電領(lǐng)域獲得了廣泛研究。由于單相自激式異步發(fā)電機(jī)造價(jià)低、堅(jiān)固耐用的優(yōu)點(diǎn)，已有一定的應(yīng)用。文獻(xiàn)[1-8]提出了單相自激式異步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，并從設(shè)計(jì)、運(yùn)行分析、電負(fù)載控制、高效率運(yùn)行等多個(gè)角度進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[9]采用光伏電池給發(fā)電機(jī)提供可變的勵(lì)磁，使離網(wǎng)運(yùn)行的單相異步發(fā)電機(jī)能夠?qū)捤龠\(yùn)行。文獻(xiàn)[10]研究了三相異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于單相異步發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)模型。文獻(xiàn)[11]研究了應(yīng)用于混合微電網(wǎng)的單相自激式異步發(fā)電機(jī)的調(diào)壓調(diào)頻自適應(yīng)控制。文獻(xiàn)[12]對(duì)提高單相異步發(fā)電機(jī)的供電質(zhì)量進(jìn)行了研究。Abu-Elhaija等[13]提出了一種單相自激式磁阻發(fā)電機(jī)，以及轉(zhuǎn)速波動(dòng)和負(fù)載變化時(shí)最小輔助電容的確定方法。近十幾年來(lái)隨著永磁材料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用也有單相永磁同步發(fā)電機(jī)的研究[14-18]，單相永磁同步發(fā)電機(jī)具有效率高、功率因數(shù)高、電壓調(diào)整率低等優(yōu)勢(shì)，有廣闊的應(yīng)用前景。

本文闡述了單相永磁同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理和輸出特性，通過(guò)分析電機(jī)的相量圖對(duì)移相電容進(jìn)行選擇，合理分配兩相繞組的功率。最后通過(guò)場(chǎng)路耦合有限元方法計(jì)算了輸出電流、輸出功率、效率等運(yùn)行特性，分并網(wǎng)和接入不同功率因數(shù)負(fù)載的獨(dú)立運(yùn)行兩種方式分析了移相電容、效率、固有電壓調(diào)整率等性能指標(biāo)，與三相同步發(fā)電機(jī)的相關(guān)性能做了比較，說(shuō)明其優(yōu)勢(shì)和適用范圍。

1 單相永磁同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理

單相電機(jī)通常指單相異步電動(dòng)機(jī)，定子上有起動(dòng)繞組和運(yùn)行繞組，起動(dòng)繞組主要應(yīng)用于電機(jī)的起動(dòng)階段，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，兩相繞組空間相差90°電角度，但結(jié)構(gòu)上不對(duì)稱，運(yùn)行繞組占有2/3的槽數(shù)，起動(dòng)繞組與電容串聯(lián)后再與運(yùn)行繞組并聯(lián)。

工作原理同一般的三相永磁同步發(fā)電機(jī)，單相永磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子裝設(shè)永磁體產(chǎn)生電機(jī)內(nèi)的主磁場(chǎng)，在原動(dòng)機(jī)的作用下，定子繞組切割轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，并向外輸出電功率。

單相永磁同步發(fā)電機(jī)不存在起動(dòng)問(wèn)題，轉(zhuǎn)子上的永磁體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，如果只采用一相繞組輸出電功率，電樞繞組產(chǎn)生脈振磁場(chǎng)，振動(dòng)加劇，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩/功率密度下降，因此，發(fā)電機(jī)通常采用兩相對(duì)稱的正交繞組，減少振動(dòng)，提高了轉(zhuǎn)矩/功率密度，也利于散熱。單相永磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與三相永磁同步發(fā)電機(jī)相同。圖1為表貼式的單相永磁同步發(fā)電機(jī)定子繞組軸向排列圖，電機(jī)為8極48槽。

圖1 單相永磁同步發(fā)電機(jī)定子繞組軸向排列

理論上三相交流電動(dòng)機(jī)的輸入輸出不含3次和3的倍數(shù)次諧波，最低次數(shù)諧波為5次。不同于三相交流電動(dòng)機(jī)，單相永磁同步發(fā)電機(jī)含有3次和3的倍數(shù)次諧波，對(duì)電機(jī)的輸出波形影響大，因此，通過(guò)短距繞組或分布繞組設(shè)計(jì)消除3次和5次諧波。

圖2 忽略了繞組電阻壓降的相量圖

考慮到繞組的散熱和發(fā)電機(jī)的運(yùn)行平衡，移相電容的選擇應(yīng)確保兩相繞組負(fù)載時(shí)的電流相等，即IA=IB，因此，移相電容為

(1)

根據(jù)式(1)B相繞組中的電流隨發(fā)電機(jī)負(fù)載的變化而變化，為減小發(fā)電機(jī)的振動(dòng)和高效率運(yùn)行，接入移相電容的容量隨發(fā)電機(jī)負(fù)載變化，才能保證IA=IB。工程中可配置一組不同容量的電容并聯(lián)在一起，并聯(lián)電容的總?cè)萘繛榘l(fā)電機(jī)額定負(fù)載時(shí)對(duì)應(yīng)的電容容量，根據(jù)發(fā)電機(jī)負(fù)載的變化接入不同容量的電容。當(dāng)發(fā)電機(jī)接近空載運(yùn)行時(shí)，接入最小電容，其他電容切除。

2 發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性的仿真分析

發(fā)電機(jī)的運(yùn)行分為并網(wǎng)運(yùn)行和獨(dú)立運(yùn)行兩種情況。兩種運(yùn)行方式下根據(jù)負(fù)載電流的變化，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)B相繞組串入電容的大小，使兩相繞組電流大小相等，發(fā)電機(jī)內(nèi)部的電樞反應(yīng)磁場(chǎng)近似工作在對(duì)稱狀態(tài)，有利于電機(jī)的散熱、減少振動(dòng)噪聲并提高效率。本文通過(guò)有限元仿真計(jì)算了額定功率為10 kW、額定電壓為220 V、頻率為50 Hz的發(fā)電機(jī)在兩種運(yùn)行狀態(tài)下的特性，發(fā)電機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)電機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的特性

當(dāng)接入單相電網(wǎng)時(shí)，電網(wǎng)的容量相對(duì)于單臺(tái)發(fā)電機(jī)的容量足夠大，電網(wǎng)為220 V、50 Hz交流電，功率因數(shù)由電網(wǎng)的負(fù)載決定。隨著輸入機(jī)械功率的增大，發(fā)電機(jī)內(nèi)部功率角增大，輸出的電功率隨之發(fā)生相應(yīng)變化。圖3為發(fā)電機(jī)輸出功率發(fā)生變化時(shí)，輸出電流、移相電容、效率和功率因數(shù)的變化曲線。

圖3 并網(wǎng)時(shí)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性

圖3(a)表明，輸出電流和移相電容隨輸出功率的增大而線性增大，根據(jù)這一特性，發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)可根據(jù)輸出電流的大小自動(dòng)切換調(diào)節(jié)接入到繞組B中的電容，保持發(fā)電機(jī)的高效率、低噪聲振動(dòng)運(yùn)行。

圖3(b)表明，發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)隨輸出功率的增大而增大，與三相同步發(fā)電機(jī)基本相同；發(fā)電機(jī)效率隨輸出功率的增大先上升后減小，這是由于發(fā)電機(jī)接近空載時(shí)空載機(jī)械損耗占比較大、效率低，發(fā)電機(jī)輕載時(shí)輸出功率為0.1～0.3PN，有一定的輸出功率，效率高達(dá)93.5%，隨著輸出功率的進(jìn)一步增大，電流增大，由于兩相繞組中電流相位不等于90°，電樞反應(yīng)磁場(chǎng)為不對(duì)稱的，發(fā)電機(jī)的損耗增大、效率下降，不同于三相同步發(fā)電機(jī)，在額定輸出功率時(shí)效率為89.5%，不是最高的。

2.2 獨(dú)立運(yùn)行時(shí)的特性

獨(dú)立運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)給負(fù)載直接供電，通過(guò)一定的裝置控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定，輸出交流電的頻率保持為50 Hz，發(fā)電機(jī)的輸出功率和輸出電壓隨負(fù)載的變化而變化，負(fù)載的功率因數(shù)基本不變。獨(dú)立運(yùn)行時(shí)一般要求發(fā)電機(jī)的輸出功率大、電壓調(diào)整率低、效率高。

由于發(fā)電機(jī)的B相繞組串聯(lián)電容，當(dāng)接入容性功率因數(shù)的負(fù)載時(shí)，兩相繞組中電流相位差大于90°，繞組之間的環(huán)流增大，輸出電流下降，發(fā)電機(jī)效率下降，因此，發(fā)電機(jī)不適合容性功率因數(shù)的負(fù)載供電。如果需要容性功率因數(shù)的負(fù)載供電可采用單繞組供電的方式，但發(fā)電機(jī)的容量下降、振動(dòng)加劇。

表2為發(fā)電機(jī)接入功率因數(shù)為0.8的容性負(fù)載單相繞組輸出時(shí)運(yùn)行特性，表明隨著負(fù)載阻抗的

表2 容性負(fù)載功率因數(shù)為0.8時(shí)獨(dú)立運(yùn)行發(fā)電機(jī)的特性

降低，輸出電流增大、輸出功率增大、效率下降，同并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性；而輸出電壓增大，同同步發(fā)電機(jī)的輸出電壓特性，固有電壓調(diào)整率為4.39%。

表3～5分別為負(fù)載的功率因數(shù)為1、0.97(感性)和0.8(感性)時(shí)獨(dú)立運(yùn)行發(fā)電機(jī)的特性，表明隨著負(fù)載阻抗的降低，輸出功率、串聯(lián)電容和輸出電流增大，效率下降。同并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)發(fā)電機(jī)的特性，電容隨輸出電流線性增大，因此實(shí)際運(yùn)行時(shí)可以根據(jù)輸出電流實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)移相電容的容量。負(fù)載功率因數(shù)為1時(shí)輸出電壓增大，負(fù)載功率因數(shù)為0.8時(shí)輸出電壓下降，而負(fù)載功率因數(shù)為0.97時(shí)輸出電壓基本不變。

表3 負(fù)載功率因數(shù)為1時(shí)獨(dú)立運(yùn)行發(fā)電機(jī)的特性

表4 感性負(fù)載功率因數(shù)為0.97時(shí)獨(dú)立運(yùn)行發(fā)電機(jī)的特性

圖4為3種不同感性負(fù)載功率因數(shù)運(yùn)行時(shí)，效率和輸出電壓隨輸出功率變化的比較。當(dāng)負(fù)載功率因數(shù)為0.97時(shí)，發(fā)電機(jī)滿載運(yùn)行的效率高，輸出功率較大，并且輸出電壓基本不變,固有電壓調(diào)整

表5 感性負(fù)載功率因數(shù)為0.8時(shí)獨(dú)立運(yùn)行發(fā)電機(jī)的特性

率為3%；當(dāng)負(fù)載功率因數(shù)為1和0.8時(shí)，發(fā)電機(jī)滿載運(yùn)行的效率低，輸出電壓變化較大，固有電壓調(diào)整率分別為-10.6%和20.9%。因此，發(fā)電機(jī)比較適合功率因數(shù)為0.97的感性負(fù)載。

圖4 獨(dú)立運(yùn)行的發(fā)電機(jī)的輸出特性

3 結(jié) 論

本文對(duì)單相永磁同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行了研究，分析了發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行和獨(dú)立運(yùn)行時(shí)的運(yùn)行特性，得出以下結(jié)論：

(1) 兩相繞組電機(jī)的3次和5次諧波比較嚴(yán)重，通過(guò)合理設(shè)計(jì)繞組消除低次諧波；

(2) 根據(jù)輸出功率調(diào)整移相電容的容量，確保兩相繞組電流相等，發(fā)電機(jī)近似運(yùn)行在對(duì)稱狀態(tài)；

(3) 不同于三相同步發(fā)電機(jī)，由于不對(duì)稱的電樞反應(yīng)磁場(chǎng)，隨著負(fù)載的增大，效率下降；

(4) 對(duì)于容性功率因數(shù)的負(fù)載，發(fā)電機(jī)采用單相繞組供電。

單相永磁同步發(fā)電機(jī)更適合接入阻性或感性功率因數(shù)的負(fù)載，具有效率高、固有電壓調(diào)整率低的優(yōu)越性能，未來(lái)的工作是推進(jìn)單相永磁同步發(fā)電機(jī)的工程化和產(chǎn)品化。