新聞主題	永磁發(fā)電機(jī)的應(yīng)用

 

摘要：永磁發(fā)電機(jī)采用永磁體生成發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)，無(wú)需勵(lì)磁線(xiàn)圈也無(wú)需勵(lì)磁電流、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此，永磁發(fā)電機(jī)是很好的節(jié)能發(fā)電機(jī)。隨著高性能永磁材料的問(wèn)世和控制技術(shù)的迅速發(fā)展，被柴油發(fā)電機(jī)組行業(yè)廣泛應(yīng)用，逐漸替代原先的無(wú)刷發(fā)電機(jī)和相復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)。由于永磁同步發(fā)電機(jī)具有勵(lì)磁不可調(diào)導(dǎo)致輸出電壓不可調(diào)這一根本的問(wèn)題不可避免，因而決定了永磁發(fā)電機(jī)的應(yīng)用方式。

 

一、永磁發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)

 

      永磁發(fā)電機(jī)是現(xiàn)代材料科學(xué)、電子電力科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。永磁發(fā)電機(jī)是利用永磁材料產(chǎn)生磁場(chǎng)，替代傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)由電流勵(lì)磁產(chǎn)生的磁場(chǎng)，使得永磁發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、體積小、重量輕、損耗小、效率高等優(yōu)點(diǎn)、所以永磁發(fā)電機(jī)近幾年來(lái)發(fā)展很快。

1、高效

      由于永磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上設(shè)置了永磁體，這些永磁體不需要外部電源供電，因此可以直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，使得轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)更加靈活，發(fā)電效率更高。也因?yàn)橛来虐l(fā)電機(jī)無(wú)需勵(lì)磁電流，相對(duì)傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)可以減少電能轉(zhuǎn)換過(guò)程中的損耗。

2、可靠

      永磁發(fā)電機(jī)由于無(wú)需勵(lì)磁電流和滑環(huán)，不存在勵(lì)磁繞組和滑環(huán)帶來(lái)的摩擦損耗等問(wèn)題，因此相較于傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)更加可靠。同時(shí)由于永磁發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，因此也提高了其可靠性。

3、環(huán)保

      相較于傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)，永磁發(fā)電機(jī)減少了一些有害金屬材料的使用，也減少了一些有害氣體的排放，更符合低碳環(huán)保的要求。同時(shí)由于永磁發(fā)電機(jī)的工作穩(wěn)定，噪音也比傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)低。

4、節(jié)能

      由于永磁發(fā)電機(jī)無(wú)需外部電源供電，相對(duì)傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，減少了功耗，同時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速度更快更穩(wěn)定，因此也減少了能量浪費(fèi)的情況。

5、低噪音

      永磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速度高，摩擦力小，因此噪音要比傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)低得多。這也是永磁發(fā)電機(jī)被廣泛應(yīng)用于需要低噪音的場(chǎng)合的原因。

二、永磁發(fā)電機(jī)的應(yīng)用

 

1、工頻永磁發(fā)電機(jī)

      工頻永磁發(fā)電機(jī)即發(fā)電機(jī)從定子繞組輸出端即為工頻電壓，結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種永磁發(fā)電機(jī)充分體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、高可靠性的特點(diǎn)，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上永磁磁極對(duì)數(shù)同電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)分別為2對(duì)（轉(zhuǎn)速為1500r/min）和1對(duì)（3000r/min）磁極，整個(gè)發(fā)電機(jī)單相兩線(xiàn)、三相四線(xiàn)輸出，雖然永磁發(fā)電機(jī)電壓調(diào)整率小，但接近額定負(fù)載或過(guò)載狀況將使發(fā)電機(jī)輸出電壓有所下降，同時(shí)轉(zhuǎn)速下降對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電壓影響也較為明顯。

2、中頻永磁發(fā)電機(jī)

      為了提高永磁發(fā)電機(jī)組的功率/重量比，轉(zhuǎn)子的磁極可達(dá)10對(duì)左右，原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速最高可達(dá)6000r/min，發(fā)電機(jī)輸出電能的頻率為（以磁極對(duì)數(shù)為10，轉(zhuǎn)速分別為1500r/min、3000r/min、6000r/min為例）250、500、1000Hz，所以稱(chēng)為中頻。而工頻為50Hz或60Hz，因而中頻永磁發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能不能直接使用，需要將發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電通過(guò)整流技術(shù)變成直流電，然后通過(guò)逆變技術(shù)再將直流變?yōu)榻涣?，且在?biāo)定的輸出功率范圍內(nèi)和一定的轉(zhuǎn)速（頻率）變化范圍內(nèi)保持恒頻恒壓的電壓輸出。大功率永磁中頻發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。這種永磁發(fā)電機(jī)為中頻永磁發(fā)電機(jī)與整流逆變控制單元的組合。

 

圖1  工頻永磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖2  大功率永磁中頻發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

 

三、永磁發(fā)電機(jī)的控制

 

      整流逆變控制單元的逆變電路采用SPWM正弦脈寬調(diào)制控制，如圖3所示，為單級(jí)式脈寬調(diào)制波的產(chǎn)生原理。所謂SPWM波形就是與正弦波形等效的一系列幅值相等而寬度不等的矩形脈沖波形。這樣第n個(gè)脈沖的寬度就與該處正弦波值近似成正比，因此半個(gè)周期正弦波的SPWM波是兩側(cè)窄、中間寬，脈寬按正弦規(guī)律逐漸變化的序列脈沖波形。

      以SPWM三相逆變橋?yàn)槔M(jìn)行說(shuō)明，如圖4所示為雙電平三相四橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。SPWM三相逆變器的主電路由8個(gè)全控式功率開(kāi)關(guān)器件（分別是U、V、W、N對(duì)應(yīng)的上管T₁、T₃、T₅、T₇和下管T₂、T₄、T₆、T₈）構(gòu)成的三相四橋臂逆變橋，它們各有一個(gè)續(xù)流二極管反并聯(lián)。圖中U_c為等腰三角形的載波，U_r為正弦調(diào)制波，調(diào)制波和載波的交點(diǎn)決定了SPWM脈沖序列的寬度和脈沖間的間隔寬度。當(dāng)某相的U_r＞U_c時(shí)，該相的管導(dǎo)通，輸出正弦脈沖電壓U_O，當(dāng)U_r＜U_c時(shí)，該相的上管關(guān)斷，輸出正弦脈沖電壓U_O＝0，在U_ra負(fù)半周，用同樣方法控制該相的下管，輸出負(fù)的脈沖電壓序列，改變調(diào)制波頻率時(shí)，輸出電壓基波頻率隨之改變，降低調(diào)制波幅值U_r時(shí)，各段脈沖的寬度變窄，輸出電壓基波幅值減少。

      在基本正弦脈寬調(diào)制控制的原理上，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化計(jì)算PWM開(kāi)關(guān)角，使輸出電壓基波幅值最大，同時(shí)負(fù)載電流中的高次諧波含量最小。因而電路具有效率高，體積重量小的特點(diǎn)，其電氣特性?xún)?yōu)良，電壓精度不超過(guò)±1％、THD小于3％、頻率波動(dòng)小于0.1Hz，且可并聯(lián)、并網(wǎng)工作。目前，主功率器件IGBT的工作頻率為20kHz，整機(jī)效率在95％以上。若采用新一代的高速I(mǎi)GBT，可設(shè)計(jì)功率電路工作頻率在40～50kHz，這將進(jìn)一步減小輸出濾波器的體積和重量。

      由此可見(jiàn)，以上兩種永磁同步發(fā)電機(jī)是一種高品質(zhì)的電源設(shè)備，永磁同步發(fā)電機(jī)的輕便性、可靠性和高品質(zhì)電路是戰(zhàn)時(shí)電源保障和應(yīng)急電源的最佳設(shè)備。但由永磁同步發(fā)電機(jī)引入了整流逆變環(huán)節(jié)，成本提高，比同功率電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的一次性投資大。

 

圖3  永磁發(fā)電機(jī)SPWM信號(hào)原理示意圖

圖4  永磁發(fā)電機(jī)雙電平三相四橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

 

總結(jié)：

      總之，永磁發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)體現(xiàn)在體積小、重量輕、響應(yīng)速度快、效率高等方面，其應(yīng)用廣泛，包括柴油發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電、太陽(yáng)能發(fā)電等領(lǐng)域，同時(shí)也應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)和機(jī)械制造等領(lǐng)域。

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