（电机与电器专业论文）双馈永磁发电机电压调节器的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed o u b l e - f e dp e r m a n e n t - m a g n e tg e n e r a t o ri so n ek i n do fn e wm i xe x c i t a t i o n m a g n e t oe l e c t r i cm a c h i n e t h e r ea r et w os e t so fw i n d i n g so ni t ss t a t o r ，o rn o t w i n d i n g so nt h er o t o r i th a st h em e r i to fs i m p l es t r u c t u r e ，b r u s h l e s s ，a n dd o e sn o t h a v et h ee x c i t e r , t h ep o w e rd e n s i t yh i g ha n dt h ee f f i c i e n c yh i g h e r t h i sl ( i n do f e l e c t r i c a lm a c h i n e r ye x c i t a t i o ni st h r o u g ha d ju s t st h ee l e c t r i c a lm a c h i n e r yt h ec o n t r o l w i n d i n ge l e c t r i cc u r r e n tt or e a l i z e t h i sa r t i c l eh a sc o n d u c t e dt h er e s e a r c ht ot h e d o u b l e f e dp e r m a n e n t - m a g n e tg e n e r a t o rv o l t a g er e g u l a t o r ；e n a b l et h ed o u b l e - f e d p e r m a n e n t m a g n e tg e n e r a t o r t oh a v et h ev e r yg o o dv o l t a g er e g u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h ed o u b l e f e d p e r m a n e n t - m a g n e tg e n e r a t o r b a s i c s t r u c t u r ea n dt h eb a s i cp r i n c i p l eo fw o r k ，a n dh a v ee s t a b l i s h e di t sm a t h e m a t i c a l m o d e l ，i nv i e wo fi t ss t a b l es t a t em o v e m e n tw h e nc o n t r o l l e dt h ew i n d i n gt h ef u n c t i o n t oc a r r yo nt h ea n a l y s i sa n dt h er e s e a r c h ，a n dh a sc o n d u c t e dt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yt o t h eg e n e r a t o r ，c o n f i r m e dm i g h tm a k et h eg e n e r a t o rt e r m i n a lv o l t a g em a i n t a i n i n v a r i a b l yt h r o u g ht h er e g u l a t i n gt h es i z eo ft h ec o n t r o lw i n d i n g s h o r t - c i r c u i tc u r r e n t t h i sa r t i c l ea c c o r d i n gt ot h eg e n e r a t o rt h em a t h e m a t i c a lm o d e lt op r o p o s eu s e d t h et h y r i s t o rc o n t r o lt h ev o l t a g er e g u l a t o rm a i nc i r c u i ts t r u c t u r e ，a n dt h r o u g ht h e a n a l y t i cs o l u t i o nt ot h ev o l t a g er e g u l a t o rt w ok i n do fm a i nc i r c u i ts t r u c t u r e ( y oa n d t h e c o n n e c t i o n ) ，h a sc a r r i e d o nt h eo v e r t o n ea n a l y s i sa n dt h ea d ju s t m e n t c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i s ，h a dp o i n t e do u tt h et u r n i n go nm e d i a nl i n et h r e e - p h a s ef o u r y 0c o n n e c t i o nh a r m o n i cc o n t e n t ，t h ea d j u s t m e n tc h a r a c t e r i s t i c ，t h et r i g g e r i n gc o n t r o l s u r p a s s e dt h et h r e e p h a s et h r e ey c o n n e c t i o n t h i sa r t i c l eh a sg i v e nt h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h eg e n e r a t o ra n dt h ev o l t a g e r e g u l a t o r ，w h i c hw e r ee s t a b l i s h e di nm a t l a ba n dh a v e b e e nc a r r i e do nt h e s i m u l a t i o na n a l y s i s t h ev o l t a g er e g u l a t o rs i m u l a t i o nr e s u l t sh a v ec o n f i r m e dt h e a n a l y t i cs o l u t i o np r o f i l ea n a l y s i s ；t h eg e n e r a t o ro p e n - l o o pc o n t r o ls i m u l a t i o np r o v e d t h r o u g ht h ep h a s es h i f t i n gt r i g g e r i n gt h y r i s t o r st h a th a sb e e na b l et oa d j u s tt h eo u t p u t v o l t a g eo fg e n e r a t o r ；t h eg e n e r a t o rc l o s e d l o o pc o n t r o ls i m u l a t i o ni n d i c a t e dt h e v o l t a g er e g u l a t o rm a yc a u s et h eo u t p u tv o l t a g eo ft h eg e n e r a t o rm a i n t e n a n c et ob e i i a b s t r a c t s t a b l e t h i sa r t i c l eh a sd e s i g n e dt h e i n t e g r a t e d c i r c u i to ft h ed o u b l e f e d p e r m a n e n t - m a g n e tg e n e r a t o re x c i t a t i o n c o n t r o ld e v i c eb a s e do nt h ec 8 0 51f 0 2 0 m o n o l i t h i c ；t h i se q u i p m e n th a r d w a r ep a r tm a i n l yi n c l u d e sf o u rb i gm o d u l e s ：t h e p o w e rm o d u l e ，t h ee x a m i n a t i o nm o d u l e ，t h ep h a s es h i f t i n gp u l s et h em o d u l e ，t h e p o w e rs o u r c em o d u l e t h ep a r to fs o f t w a r ei n c l u d i n gf o u rb i gm o d u l e s ：s y s t e m i n i t i a l i z a t i o nm o d u l e ，s a m p l i n ga dm o d u l e ，c o n t r o lc o m p u t a t i o nm o d u l e ，d a o u t p u tm o d u l e t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e db r i e f l yt h ev o l t a g er e g u l a t o re x p e r i m e n t a le n v i r o n m e n t a n dt h ee q u i p m e n t ，h a v eb u i l tt h ed o u b l e - f e dp e r m a n e n t m a g n e tg e n e r a t o re x c i t a t i o n c o n t r o lt e s t p l a t f o r m ，a n d c a r r i e do n as e r i e so fd e b u g g i n ge x p e r i m e n t s ，t h e e x p e r i m e n te x a m i n e dt h eg e n e r a t o rt e r m i n a lv o l t a g et h e 行e q u e n c y ，t h es y n c h r o n i z e d s i g n a lo ft h eg e n e r a t o rc o n t r o l st h ew i n d i n g ，t h et h y r i s t o rp h a s es h i f t i n gp u l s es i g n a l ， a sw e l la st h ee l e c t r i c a lm a c h i n e r ya u t o m a t i ca c c e n tp r e s s e do u t p u tv o l t a g ep r o f i l e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ev o l t a g er e g u l a t o rc a nt h r o u g ht h et h y r i s t o r p h a s es h i f t i n gt r i g g e rp u l s es i g n a lw h i c hc o n t r o l st h ew i n d i n gt h ee x c i t i n gc u r r e n t ， a n dm a k e st h ep o w e rw i n d i n go u t p u tv o l t a g em a i n t e n a n c et ob es t a b l e k e yw o r d s ：d o u b l e f e de l e c t r i c a lm a c h i n e r y ；m a g n e t o e l e c t r i cm a c h i n e ；v o l t a g e r e g u l a t o r ；t h y r i s t o rc o n t r o lr e a c t a n c e i i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我二同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谓 意。 白 学位论文作者签名( 手写) ：寻瓠 签字同期：矽，d 年j 月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权南昌史学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。j ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写) ： 签字f 1 期：沙r 口年，月 学位论文作者毕业后去向： 工作单位 通讯地址： 导师签名( 手写) 琶彳叫 签字日期：矽fo 年1 月) 日 电话： 邮编： 钐1 、 矿 日 么弋乡 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 选题背景及其意义 交流发电机系统是一种重要的电源系统，而交流发电机的输出电压往往随负 载变化而变化。为保证用电器能在稳定的电压下工作，一般是通过改变其内部磁 场强度来稳定其输出电压，从而使交流发电机端电压不随负载的变化而变化。 交流发电机电压调节器的作用就是在发电机输出电压变化时，改变输入发电机励 磁绕组电流的大小，从而改变磁场的强度，达到控制发电机输出电压的目的。 永磁电机作为交流发电机运行，具有结构简单，体积小，质量轻，高功率 密度和高效率等诸多优点，它的应用领域非常广阔，功率大的如航空、航天飞 行器中的发电机、大型火电站用副励磁机，功率小的如汽车、拖拉机用发电机、 风力发电机、小型水力发电机、小型内燃发电机组、柴油发电机等等。除此之 外，永磁同步发电机还可以作为备用电源或独立供电电源使用，尤其适合偏远 的远离电网的地区。 虽然永磁发电机具有以上诸多优点和广泛的应用前景，但是相对于电励磁 同步发电机来说，永磁发电机虽然取消了集电环和电刷，实现了无刷化。但是 由于稀土永磁体的高矫顽力，使得永磁发电机的磁场难以调节，同时，永磁材 料的温度系数较大，当发电机的负载或转速变化时引起输出电压的变化，影响 负载的正常工作。因此，永磁同步发电机电压的调节成为制约永磁发电机发展 的一个瓶颈问题。 针对上述问题，许多学者都提出了各自的解决方案，但各种方案都存在不 足之处，有的方案因不能实现无刷而使可靠性降低，有的方案降低了电机的功 率密度和材料利用率，有的方案因需要的电励磁磁功率大而降低了永磁发电机 的效率。 本课题来源于国家自然科学基金项目采用无刷无励磁机谐波励磁的混 合励磁永磁电机的研究。本项目充分利用谐波励磁与永磁励磁的各自优势，将 两者优势有效结合形成的无刷无励磁机谐波励磁的混合励磁永磁电机，并对其 进行系统深入的研究，以解决永磁电机磁场调节困难的问题。本论文将通过对 混合励磁永磁发电机特殊要求的分析，将晶闸管控制电抗器运用到混合励磁永 双馈永磁发电机电压调节器的研究 磁发电机中，进行实验研究，证明混合励磁永磁电机能够根据外部需求实时动 态地调节励磁从而达到调节电压的目的，可以解决约束永磁发电机广泛应用的 难题。 1 2 国内外研究现状和存在的问题 1 2 1 混合励磁永磁电机研制的现状 针对永磁电机磁场无法调节的问题，许多发达国家都投入大量的人力、物 力和财力进行研究，提出了采用混合励磁的方式，充分利用电励磁电机励磁调 节方便的特点，将永磁励磁与电励磁结合，克服永磁电机磁场调节困难的缺点。 俄罗斯、美国、日本和英国等国家的学者都提出了一些混合励磁方案，也进行 了研究和试制，有些已经应用。我国的研究起步较晚，近些年自然科学基金委 和一些省科技部门资助过混合励磁方面的研究【l - 3 1 ，在对该类电机的原理、分类、 特点、研究现状和应用等都有了较深认识的基础上，提出了一些方案，并进行 了深入研究。这些项目研究加深了科技人员对混合励磁电机的认识，促进了其 在我国的发展和应用。 对于永磁电机磁场无法调节的问题，可以采用两种方式来解决：一是从电 机外部进行解决，永磁电机通过电力电子装置与外部电源或负载相连，通过电 力电子装置改变电机输出端电压或者改变外部电源电压。但这种方式需要与电 机容量匹配的电力电子装置，因此装置容量大，输出电压波形较差，成本高， 系统复杂，可靠性降低。二是从电机内部采取措施解决，在电机内部增加电励 磁方式实现混合励磁，结合永磁电机与电励磁电机的优点。这种方式不需要大 容量的电力电子装置，成本低，系统简单，工作可靠。正是基于以上原因，混 合励磁方式多年来一直是研究的热点，各国学者提出了多种混合励磁方案，进 行了深入研究，不同方案各具特点和优势，但是也都存在不足。目前主要的混 合励磁方案有： ( 一) 爪极励磁与永磁励磁组合的励磁方式。 图1 6 为俄罗斯学者提出的混合励磁同步电机，其特点是在普通永磁电机转 子表面贴装的永磁体外部，布置爪极电励磁磁极。该方式在爪极励磁部分增加 了两个附加气隙的条件下可以保持永磁电机的无刷特点。但是永磁励磁与电励 磁两者磁动势在磁路中属于串联方式，由于永磁体导磁率与空气接近，电励磁 2 第1 章绪论 磁动势产生的磁通经过永磁体，因此所需要的励磁磁动势较大，励磁电流大， 降低了永磁电机的效率。另外该方案中附加气隙多，磁路长，漏磁大，功率密 度低。 文献f 4 】在该方案基础上，将永磁励磁和爪极电励磁分开为两段，两者磁路独 立，共用同一个定子。改进方案的永磁励磁与电励磁两者磁动势属于并联关系， 电励磁磁动势的磁场不经过永磁体，降低了需要的电励磁磁动势。但是爪极励 磁 l 壤轴2 - n 援3 导磁支如s 板；5 一豳磁绕组 6 定子铁心 7 球黛体8 聱磁性材辩知援辘l o _ 转子背辘晟奔黜口气凉 图1 6 爪极励磁与永磁励磁组合的励磁方式的示意图 方式附加气隙大，漏磁大，功率密度低的缺点未能得到改善。再者，采用分段 方式，永磁磁通和电励磁磁通并不是在气隙中合成，若是作为电动机弱磁运行， 永磁段的磁通并没有真正降低，因此铁损耗增大很快，性能降低。 文献【5 】采用直接在爪极电励磁电机的两个相邻的爪极之间的空隙中加入永 磁体的方式实现混合励磁，减小了对电励磁磁动势的需要，降低励磁损耗。但 同样爪极励磁方式附加气隙大，漏磁大，功率密度低的缺点未能得到改善。 ( 二) 分段式转子的混合励磁方式 文献【6 】采用分段式转子实现磁场调节，定子与普通电机一样，转子分为两段， 一段是与普通永磁电机相同的永磁转子，另一段采用d 、q 轴磁阻不同的磁阻转 子，如图1 7 所示。该电机主要作为电动机运行，用磁阻段转子为电机在高速时 提供弱磁能力。由于永磁段与磁阻段的磁通相对独立，气隙中的磁通并不是两 者的合成，永磁磁通在高速运行时不变，因此铁损耗增大很快，性能降低。再 者，该方案电机的功率密度低，定子电枢反应磁动势直接作用在永磁体上，容 易产生不可恢复的去磁。 文献【7 l 将磁阻段转子改为电励磁转子，实现了励磁调节。但是文献【6 】的问题 烈馈永磁发电机电压搁节器的研究 仍存在，而且电机还增加了电刷和滑环 q d 。邮 0 。kr l hh p lj k t - r e l u c t c ep a r tk r p m 蚓1 7 分段式转于的永磁电机示意蚓 ( 三) 交替磁撮式的混合励磁方式 文献【8 1 采用交替磁极转子实现磁场调节。其定子和转子都分为两段，定子的 两段之间布置环形的周向励磁线圈，两段定子外圆通过导磁的铁轭相连；转子 两段分别由臀铁心磁极和n 极永磁磁极或者铁心磁极和s 极永磁磁极，每段上 的铁心磁极与永磁磁极交替靠置，两段也通过内圆的铁轭连接，如图1 8 所示。 在定子励磁线圈中通电，产生的磁通将增强或减弱定子绕组中的磁通，达到调 节磁场的目的。该方案中磁路既有径向磁路，也有轴向磁路，电机的轴向长度 不宜过k ；定转子都存在铁心与铁轭之间的磁路联接，存在附加的气隙，增大 了磁路磁阻；电机结构较复杂。文献1 9 1 还提出了该方案的轴向电机形式但是其 原理基本相同，存在的不足也相同。 图18 交替磁极式的混台励磁方式示意创 ( 四) 同步，永磁混合励磁方式 文献 ”魄出了一种同步，永磁混合励磁电机，其转子上有四个永磁磁极和两 第1 章绪论 个电励磁磁极，如图1 9 所示，通过电励磁绕组电流的方向，可以使转子励磁磁 场的磁极对数为2 或者6 。定子绕组在转子磁场极对数改变，以及电励磁磁场大 小变化时感应电动势发生改变。该方案电机磁路与传统电机相似，结构简单， 但是转子电励磁绕组与外部的联接仍需要滑环和电刷，不能实现无刷化。 图1 9 同步，永磁混合励磁方式示意图 ( 五) 双凸极混合励磁方式 文献【1 2 】提出了混合励磁双凸极永磁电机，定子、转子均为凸极齿槽结构， 永磁体和励磁绕组均布置在定子上，电枢绕组为套在定子齿上的集中绕组。转 子无绕组，转子结构简单，坚固。通过改变励磁绕组的电流，可以调节磁场。 该方案电励磁磁动势与永磁磁动势属于串联结构，因此所需电励磁磁动势较大； 再者定子线圈交链的磁通是由于转子磁阻变化产生，为单方向磁通，因此铁心 的利用率不高，功率密度低。 i 定严 芡心 由a l o ri r o n 2 定f - 绕组两坤ri r 0 1 1 1 1 | w i m l i n g 3 定于 ￥堍l f l l # l a l o ro j i r t - 4 獭雅绕钰lf i e l dw i m l i n g 5 承疆体p c - r m m h e t l lm 瑚口州6 韩ri f l m ，r 图1 1 0 同步永磁混合励磁方式示意图 5 双馈永磁发电机电压调节器的研究 另外文献【l l 】提出了一种用于电动机弱磁控制的方案，利用了较为复杂的空 间结构将永磁磁通与电励磁磁通分开，实现磁场的调节。电励磁绕组布置在定 子上，实现了无刷化。但是该方案磁路复杂，且功率密度不高，漏磁大。 俄罗斯于1 9 8 8 年率先完成了混合励磁同步发电机的研制并在移动电源方面 获得了应用。美国w i s c o n - s i n - m a d i s o n 大学在2 0 0 0 年、2 0 0 2 年分别研制成功 3 k w 、l o k w 两种不同结构的混合励磁同步( h e s m ) 电机，日本k a n a z a w at e c h n i c a l 大学也在2 0 0 1 年完成了0 7 5 k w 电机的研制，这些研究推动了混合励磁同步 ( h e s m ) 电机的技术发展。我国对混合励磁同步( h e s m ) 电机的研究起步较晚， 尚处于初期阶段，导师黄劭刚教授，在国内外相关研究的基础上，提出了一种 在电机转子上增加永磁材料的无刷双馈电机，即永磁谐波混合励磁无刷双馈电 机，该电机是一种全新的电机，将具有可靠的输出特性及良好的节能功效。 1 2 2 国内外永磁发电机调压、稳压的方法 综合国内外调压、稳压的方法甚多，但总起来说，主要有两方面： 一、适当的选择发电机本身的结构参数，使外特性曲线设计的比较平坦，使负 载运行时电压调整率不超过允许值。 二、外部加稳定系统来稳压措施，具体如下： 1 ) 采用串、并联电容调压【1 3 】【1 4 l 【l5 j 串联电容的调压方法，是在发电机的输出端串联电容器，依靠容抗x c 补偿 发电机同步感抗x s 的作用来达到电压调节的目的，其电路图和矢量简化图分别 如图( a ) 、( b ) 所示。这种方法虽然简单，但实际效果很差，稳压精度很低。 卜- 卜- 卜 x c = 0 x c = x sx c x s 如图( a )图( b ) 。， 并联电容器通常通过饱和变压器并联到负载端，其接线方式有两种：当电容 器的工作电压大于电网额定线电压时，按三角形连接；当其工作电压低于线电 压而高于电网额定相电压时，按星形连接。 6 第1 章绪论 电容补偿不足之处，即当电流i 和功率因数c o s ( p 改变时，所需补偿的电压 u c 随之改变，因此一个确定的电容值c 仅适合一个i 和c o s 矽值。 2 ) 利用电力电子变换器调压 这种方法靠发电机输出端的电力电子变换器及其控制系统来调节电压。有 两种方案，一种是交一直一交方案，另一种是交一交方案。交一直一交方案是 将永磁发电机输出电压通过可控整流器整流成直流，再将直流通过逆变器，成 为所需电压和频率输出；交一交方案是按一定规律对1 8 只晶闸管进行触发控 制，可以将发电机变化的电压( 包括频率和大小) 直接变换成恒频恒压输出。利 用电力电子变换器调压的方法技术复杂、成本高，如果只用来稳定电压值是不 合算的。 3 ) 双转子或双定子调压 双转子调压法是用两台同轴永磁发电机，将它们的定子绕组相串联，通过 液压系统或差动齿轮调节两台转子之间相对角位移，使发电机两个定子绕组输 出电压矢量之和为常数，达到输出电压恒定的目的。显然，调节两台旋转着的 电机定子的相对位置，结构复杂、难度大。 双定子调压法是这样实现电机有内外两个定子都装有电枢绕组，在内外定 子之间安放稀土永磁转子，将内外定子电枢绕组串联。这样，改变内外定子的 相对角位置，就可以改变两个定子绕组电压矢量和的大小，从而达到调压的目 的。 上述调压方法的缺点是，由于用机械方法实现控制，故电压调节速度慢、 时间常数大并且也降低了发电机的利用率。 4 ) 组合励磁稀土永磁发电机 英国的s p o o n e re 等提出了一种横向磁通混合励磁结构【l q ；英国的 e a s t h a m j f 等研究了一种双盘式混合励磁结构【1 1 7 1 ；此外，同本的t a k a v u k im i z u n o 1 5 j 、n o b u y u k in a o e 19 1 ，美国的x i a o g a n gl u o 和l i p oa t 2 0 1 ，智利的t a p i a ，j a f 2 l 】等都提出了各自不同结构的混合励磁永磁电机，在俄罗斯这种发电机已经形 成小功率( 至4 0 k w ) 系列，在民用移动电源方面获得应用。这些电机大都是永磁 磁场和电励磁磁场混合的磁路结构。国内许多科研机构也进行了积极的开发研 究，提出了不同结构的混合励磁电机，如东南大学研究的双凸极混合励磁电机【2 2 1 和无刷爪极电动机【2 3 】，合肥工业大学研究的混合励磁爪极发电机【2 4 1 ，浙江大学 研究的混合励磁直线同步电机【2 5 】，上海大学研究的磁极分割型混合励磁电机【2 6 】， 7 双馈永磁发电机电压调1 了器的研究 沈阳工业大学研究的混合励磁永磁同步发电机【3 】等等。 这种发电机气隙磁场的主要部分由稀土永磁磁体建立，而电压调节所需的 磁场变化部分靠辅助的电励磁绕组来实现，形成组合励滋。这种电机具有永磁 发电机的优点，且又依靠附加的电励磁绕组解决永磁发电机的电压调节问题。 实践表明，采用稀土永磁材料的组合励磁永磁同步发电机的体积、质量与同容 量的有刷电励磁发电机或旋转整流器式电励磁无刷发电机相当。虽然这种方法 有一定优势，但它牺牲了永磁发电机质量轻、功率密度高的优点。 由以上分析可知，永磁发电机的调压问题并没有得到真j 下解决，特别是在负 载大范围变化的场合更显出问题的严重性。也正是调压和短路保护的问题，严 重限止了这种小体积、质量轻、性能优越的永磁发电机在航空、铁路等方而的 应用，针对以上问题导师黄劭刚提出采用先进静止无功发生器的装置( 晶闸管 控制电抗器) 对双馈永磁发电机的谐波混合励磁的进行实时的控制，从而达到 调节电压的目的。 1 2 3 晶闸管控制电抗器( t c r ) 的国内外研究现状与趋势 静止无功补偿器( s v c ) 怛“酬是目前世界电力系统应用最多、最为成熟的并 联补偿设备之一，它也是一类较早得到应用的f a c t s 装置。i e e e 将静止无功 补偿器( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r , s v c ) 定义为一种并联型的静止无功发生器或吸 收器，其输出可以调节以交换容性或者感性电流，从而维持或者控制电力系统 中的某些特定参数( 一般为母线电压) 。它包括与负载并联的电抗器或者电容器， 或者二者的组合，且具有可调或者可控部分。可调或可控电抗器包括晶闸管控 制电抗器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r , t c r ) 、晶闸管投切电抗器( t h y r i s t o r s w i t c h e dr e a c t o r , t s r ) 、饱和电抗器( s a t u r a t e dr e a c t o r , s r ) 和晶闸管控制变压器 ( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dt r a n s f o r m e r , t c t ) 。电容器一般包括与谐波滤波电路结合在 一起的固定电容器( f i x e dc a p a c i t o r , f c ) 或者机械投切电容器( m e c h a n i c a l l y s w i t c h e dc a p a c i t o r ，m s c ) ，或在需要对电容进行高速或者非常频繁投切时所采用 的晶闸管投切的电容器( t h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r , t s c ) 等形式。随着电力电 子技术的发展及其在电力系统中的应用，将使用晶闸管的静止无功补偿装置推 上了电力系统无功功率控制的舞台。1 9 7 7 年美国g e 公司首次在实际电力系统中 演示运行了其使用晶闸管的静止无功补偿装置。1 9 7 8 年，在美国电力研究院 ( e l e c t r i cp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 的支持下，西屋电气公司( w e s t i n g h o u s e e l e c t r i cc o r p ) 制造的使用晶闸管的静止无功补偿装置投入实际运行。到2 0 世纪 8 第1 章绪论 9 0 年代，基于t c r 的s v c 装置在国外电力系统中得到相当广泛的应用。 最 大补偿容量已达1 0 0 0 m v a r 以上，应用的最高系统电压为7 6 5 l 。以日本为例， 日本1 9 7 2 年引进该技术，到2 0 0 1 年时，日本共生产s v c 装置2 6 4 台，总容量 达到9 0 1 8 m v a r ，其中日本国内安装1 1 k v 以上的s v c 装置1 5 2 台，装置容量为 5 6 2 3 9 m v a r 。英国国家电网有3 2 套各种s v c 装置在输电网运行，以提高北爱尔 兰向南部伦敦等负荷中心电力的输送能力和稳定受端电压。s v c 目前仍作为输配 电系统动态无功补偿的主要实用技术手段之一，至今全世界有近4 0 0 套s v c ，总 容量约3 0 g v a r 的s v c 在输配电系统运行：超过5 0 0 套、总容量约2 5 g v a r 的s v c 在工业部门使用。其应用领域包括输配电系统、高压直流输电( h i g hv o l t a g e d i r e c tc u r r e n t ，h v d c ) 换流站的无功补偿和抑制电弧炉等大型冲击负荷造成的 电压波动等。 晶闸管控制电抗器咄圳u w ( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r , t c r ) 是s v c 中最重要 的组成部件之一，本课题组将晶闸管控制电抗器t c r 直接应用于双馈永磁发电 机上，来对双馈永磁发电机的励磁系统进行调节，从而达到调节电压的目的。 1 3 本课题研究的主要内容 本课题研究的是双馈永磁发电机电压调节器的研究，主要拟解决以下问题： ( 1 ) 对双馈永磁发电机的基本结构、工作原理、工作特性等做相应的研究 与分析，并建立其稳态运行和动态运行的数学模型。 ( 2 ) 对电压调节器主电路的基本结构、工作原理、工作特性等做相应的研 究与分析，并建立其稳态运行和动态运行的数学模型。 ( 3 ) 根据双馈永磁发电机的基本结构、工作原理、工作特性，结合电压调 节器的特点进行研究与分析。 ( 4 ) 根据双馈永磁发电机的电压特征，对电压调节器的控制方法进行深入 的研究，并根据所建立的电压调节器的稳态和动态模型在m a t l a b 中搭建仿真系统进行仿真研究。 ( 5 ) 将电压调节器应用于双馈永磁发电机中进行控制绕组的励磁控制，对 双馈永磁发电机的调压特性进行仿真分析。 9 双馈永磁发电机电压调节器的研究 ( 6 ) 设计和研制电压调节器的硬件电路，并编制了相应的软件程序，将电 压调节器应用到双馈永磁发电机的电压谐波励磁控制中，搭建试验平 台，进行一系列实验，测试整个系统的运行效果。 1 0 第2 章双馈永磁发电机的稳态分析 第2 章双馈永磁发电机的稳态分析 2 1 概述 由于双馈永磁发电机是一种新型的电机模型，本章将首先对双馈永磁发电 机的结构和原理进行详细阐述和分析。然后根据双馈永磁发电机的磁链方程和 电压方程建立双馈永磁发电机的数学模型，接着对双馈永磁电机的稳态运行过 程进行分析和研究，并对双馈永磁电机的静态运行的过程进行计算分析。 2 2 双馈永磁发电机的基本结构和工作原理 永磁双馈电机【3 l 】【3 2 】是本课题组在实施国家自然科学基金项目采用无刷 无励磁机谐波励磁的混合励磁永磁电机过程中所提出的一种新型电机。图2 1 为 双馈永磁发电机系统的总体框图，定子上有两套绕组，功率绕组直接接入电网， 控制绕组由三相功率全控桥组成的电压调节器来控制，而电压调节器的输入一 般直接接电容或其它直流电源，本论文采用直接短接。通过控制三相功率全桥 的管子导通时间，来改变控制绕组的励磁电流，以稳定功率绕组的交流电压以 实现调压功能。 ” 电网v w 永磁磁阻好 7 图2 1 双馈永磁发电机系统框图图2 2 双馈永磁电机结构示意图 双馈永磁发电机结构示意图如图2 2 所示：1 、机壳；2 、定子铁心；3 、功 率绕组；4 、控制绕组；5 、n 极永磁体；6 、s 极永磁体；7 、转轴；8 、转子铁 心。 双馈永磁发电机电压调节器的研究 图2 3 是图2 2 中电机转子部分a a 截面图。转子结构可以分成6 极，其中 4 个极下加入永磁体，另外2 极不加永磁体，为铁磁材料。控制绕组是通过改变 铁磁磁极下的磁场分布来调节功率绕组电压，所以控制绕组磁势的轴线必须与 铁磁磁极轴线重合，永磁体与控制绕组共同作用可以产生近似3 对极或者1 对 极的空间旋转磁势，通过改变控制绕组电流大小、方向可以调节功率绕组输出 电压大小。当控制绕组电流往负方向调节时，功率绕组电压会下降；当控制绕 组电流往正方向调节时，功率绕组电压会随着控制绕组电流的增加先上升后下 降。控制绕组就是通过改变铁磁磁体极下的磁场分布达到调节功率绕组电压的 目的。该电机性能的优越性在于通过改变定子侧的控制绕组电流可以方便地调 节功率绕组电压，实现了无刷，无励磁机、功率密度高和效率高的特点，同时 解决了永磁励磁磁场调节难的问题。 图2 3 双馈永磁电机机转于结构 2 3 双馈永磁发电机的数学模型 由于双馈永磁发电机是一种新型的电机，为了建立其数学模型，首先在a b e 静止坐标系下建立其电压方程，现假定定子为发电机惯例，转子为电动机惯例， 并忽略电机转子凸极效应，其电压方程与磁阻式无刷双馈电机电压方程相似， 如下式所示： u = p 甲+ r i ( 2 1 ) 1 2 第2 章双馈永磁发电机的稳态分析 其中：磁链一、王，= ，】1 电压一u = 【甜州，甜加，“p c ，甜叫，z f 出，u 以】2 电流一歹= 【1 。p , 4 ，i ，8 ，i ，c ，i c , 4 ，屯，k t 电阻一尺= d i a g r p ，名，名，乞，名，】 p 一功率绕组，c - - 控制绕组，p = 导 a b c 静止坐标系下磁链方程为： 荔； = l i 三l 印p p 三z 。p 。c ；二 + 荔耋 c 2 2 ， 式中：妙励= 彦c o s o p ，少彦c o s ( 8 p 一1 2 0 ) ，沙彦c o s ( o p + 1 2 0 ) 1 7 y 历= 【少弦c o s o c , l 吵弦c o s ( o 。一1 2 0 ) ，i 弦c o s ( o 。+ 1 2 0 ) 】7 1 吃一转轴轴线( 永磁体轴线) 与功率绕组么轴夹角的电角度 包一转轴轴线( 永磁体轴线) 与控制绕组彳轴夹角的电角度 转予永磁体对功率绕组产生的磁链，为一恒定值 佬转子永磁体对控制绕组产生的磁链，为一恒定值 三，m + 三p f一0 5 三p 。一0 5 三p 。 三即= i _ o 5 l p 朋三p 肘+ l p j o 5 l p 。l | - 一o 5 l 尹。一o 5 l 尹。l ，。+ l p ，- j i 三。+ 三：f 一0 5l 。一0 5 。卅i l 。= i o 5 三。埘 三。+ l 。， 一0 5 三。加i l 一0 5 l 。，一0 5 。+ 。，j lc o s 0c o s ( o + 1 2 0 ) c o s ( o - 1 2 0 ) l 三肛= 易= lc o s ( o 一1 2 0 ) c o s 0c o s ( o + 1 2 0 ) l lc o s ( o + 1 2 0 ) c o s ( o - 1 2 0 ) c o s 0 l 移= ( c o 。一缈。) ， 其中：三胛功率绕组自感，三p ，一功率绕组漏电感 k 功率绕组自感，厶一功率绕组漏电感 双馈永磁发电机电压调节器的研究 由坐标系下的电压方程为： 值 间角位移量。 ( 2 3 ) 亨p i d p + p v 如一国。vq p r p i q p + p vq p + p 沁如斗vp ) 名f 出+ p 妙d c 一缈c 妙口c ( 2 4 ) f + p 妙g c + 彩c ( 妙d f + 妙c ) 链方程为： 0 0 0 0 一厶 筇坐标系下的电压方程为： ( 2 5 ) = r p i 使p p v 口p = r 口l b p + p vb p = 之。+ p 。+ ( 一纹) 妙如 ( 2 6 ) 2 绉。+ p g t 口。一( 彩p c o 。) 口。 可以将上面由坐标系下的变量写成复数形式，其复数形式如下： u s p2 u s e2u d c 将( 2 5 ) 、 + j 稚驴 + j u q c s p = j 却+ j i 弹 甲s p = v 印七j v 护 i 。= i d c + j i c v s c = l ；，d c + j v q c ( 2 6 ) 式写成复数形式可得： 1 4 瓶髓一一一 纛怍 唧螂喇吵 1，j k 1，j o 厶o 乞 厶 ，、 oo 乞o 勿 卵 如 筘嘣 ，叩励肪 邗 r、l系厂l，；l 枋 坚 ! |口 筇 印 肋 风 咖咖缸缈 ，_lj_j、-iiiflli_l_l 第2 章双馈永磁发电机的稳态分析 u s p 2 r p l 币七j p v 币 “ t l w2r c l s c 七j c l ， v 甲= l s p i 甲七l m i s c + l ；，p l ；，s c = l s ci s c + l mi s n + v c ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 将式( 2 9 ) 、( 2 10 ) 代入式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 可得： l l 甲2 r p j 申+ j p q i p i 甲+ l m i s c + v 0 = r p i s p + j x i p i 甲七j p l m i 。七j pq 。1 1 、 s c = r ci 。+ j c t l s ci 。+ l mi s p + l f ，j = r ci s