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永磁發(fā)電機(jī)工作原理和結(jié)構(gòu)圖 |
摘要:永磁發(fā)電機(jī)(Permanent Magnet Generator 簡(jiǎn)稱PGM)具有高效、高控制精度、高轉(zhuǎn)矩密度、良好的轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)性及低振動(dòng)噪聲的特點(diǎn),通過(guò)合理設(shè)計(jì)永磁磁路結(jié)構(gòu)能獲得較高的弱磁性能,在康明斯發(fā)電機(jī)組產(chǎn)品上具有很高的應(yīng)用價(jià)值。永磁同步發(fā)電機(jī)得到較快發(fā)展,特別是在柴油發(fā)電機(jī)組中開(kāi)始逐步取代最常用的交流無(wú)刷發(fā)電機(jī),由于永磁同步發(fā)電機(jī)的性能優(yōu)越,目前來(lái)看是一種很有前途的節(jié)能電機(jī)。康明斯公司在本文重點(diǎn)介紹了永磁發(fā)電機(jī)工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、特性曲線和數(shù)學(xué)建模等相關(guān)知識(shí)以及計(jì)算方程式。
一、永磁同步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)
永磁同步發(fā)電機(jī)分為正弦波驅(qū)動(dòng)電流的永磁同步發(fā)電機(jī)和方波驅(qū)動(dòng)電流的永磁同步發(fā)電機(jī)。這里介紹的主要是以三相正弦波驅(qū)動(dòng)的永磁同步發(fā)電機(jī)。永磁發(fā)電機(jī)的主要是由轉(zhuǎn)子、端蓋及定子等各部件組成。其定子結(jié)構(gòu)與普通的交流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)非常相似,轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與交流發(fā)電機(jī)的最大不同是在轉(zhuǎn)子上放有高質(zhì)量的永磁體磁極,根據(jù)在轉(zhuǎn)子上安放永磁體的位置的不同,永磁發(fā)電機(jī)通常被分為表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。
1、表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)
圖1中已經(jīng)標(biāo)出了兩種表面式轉(zhuǎn)子的d軸線與q軸線的位置,d軸線與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極所在的軸線重合,q軸線超前d軸90電角度,即相鄰兩個(gè)磁極的集合中性軸線。由于在不同轉(zhuǎn)子中的磁極對(duì)數(shù)不一樣,所以q軸與d軸之間的機(jī)械角度差時(shí)不同的,但是電角度的差都是90度。
對(duì)于這種表面式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),永磁體貼在轉(zhuǎn)子圓形鐵芯外側(cè),由于永磁體材料磁導(dǎo)率與氣隙磁導(dǎo)率接近,即相對(duì)磁導(dǎo)率接近1,其有效氣隙長(zhǎng)度是氣隙和徑向永磁體厚度總和;交直軸磁路基本對(duì)稱,發(fā)電機(jī)的凸極率p=Lq/Ld≈1,所以表面式PMSM是典型的隱極發(fā)電機(jī),無(wú)凸極效應(yīng)和磁阻轉(zhuǎn)矩;該類發(fā)電機(jī)交、直軸磁路的等效氣隙都很大,所以電樞反應(yīng)比較小,弱磁能力較差,其恒功率弱磁運(yùn)行范圍通常較小。由于永磁體直接暴露在氣隙磁場(chǎng)中,因而容易退磁,弱磁能力受到限制。由于制造工藝簡(jiǎn)單、成本低,應(yīng)用較廣泛,尤其適宜于方波式永磁發(fā)電機(jī)。
2、內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)
顧名思義永磁體埋于轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)部,其表面與氣隙之間有鐵磁物質(zhì)的極靴保護(hù),永磁體受到極靴的保護(hù)。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。對(duì)于內(nèi)置式PMSM其q軸的電感大于d軸的電感,有利于弱磁升速,由于永磁體埋于轉(zhuǎn)子鐵芯內(nèi)部,轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)更加牢固,易于提高發(fā)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)的安全性。內(nèi)置式PMSM轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)包括徑向式、切向式和混合式。
(1)徑向式轉(zhuǎn)子磁路
永磁體置于轉(zhuǎn)子的內(nèi)部,適用于高速運(yùn)行場(chǎng)合;有效氣隙較小,d軸和q軸的電樞反應(yīng)電抗較大,從而存在較大的弱磁升速空間。另外,d軸的等效氣隙較q軸等效氣隙更大,所以發(fā)電機(jī)的凸極率p=Lq/Ld>1。轉(zhuǎn)子交、直軸磁路不對(duì)稱的凸極效應(yīng)所產(chǎn)生的磁阻轉(zhuǎn)矩有助于提高發(fā)電機(jī)的功率密度和過(guò)載能力,而且易于弱磁擴(kuò)速,提高發(fā)電機(jī)的恒功率運(yùn)行范圍。
(2)切向式轉(zhuǎn)子磁路
對(duì)于切向式的IPMQ的轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu),相鄰兩個(gè)磁極并聯(lián)提供一個(gè)極距下的磁通。所以可以得到更大的每極磁通。當(dāng)發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)較多時(shí),該結(jié)構(gòu)更加突出。采用切向式結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)的磁阻轉(zhuǎn)矩在發(fā)電機(jī)的總電磁轉(zhuǎn)矩中的比例可達(dá)40%。
(3)混合式轉(zhuǎn)子磁路
混合式結(jié)構(gòu)的PMSM,它結(jié)合了徑向式和切向式的優(yōu)點(diǎn),但結(jié)構(gòu)和工藝復(fù)雜,成本高。
徑向式結(jié)構(gòu)的PMSM漏磁系數(shù)較小,不需要采取隔離措施,極弧系數(shù)易于控制,轉(zhuǎn)子強(qiáng)度高,永磁體不易變形。切向式結(jié)構(gòu)的PMSM漏磁系數(shù)大,需要采取隔離措施,每極磁通大,極數(shù)多,磁阻轉(zhuǎn)矩大。
圖1 永磁發(fā)電機(jī)表面嵌入式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖 |
圖2 永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)置式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖 |
二、永磁同步發(fā)電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)
永磁發(fā)電機(jī)與自勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的最大區(qū)別在于它的勵(lì)磁磁場(chǎng)是由永磁磁鐵產(chǎn)生的,處于發(fā)電機(jī)位置如圖3所示。永磁體在電機(jī)中既是磁源,又是磁路的組成部分。永磁體的磁性能不僅與生產(chǎn)廠的制造工藝有關(guān),還與永磁體的形狀和尺寸、充磁機(jī)的容量和充磁方法有關(guān),具體性能數(shù)據(jù)的離散性很大。而且永磁體在電機(jī)中所能提供的磁通量和磁動(dòng)勢(shì)還隨磁路其余部分的材料性能、尺寸和電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)而變化。同步交流無(wú)刷發(fā)電機(jī)三維模擬圖如圖4所示。
1、優(yōu)點(diǎn)
(1)用永磁體取代繞線式同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁繞組,從而省去了勵(lì)磁線圈、滑環(huán)和電刷,以電子換向?qū)崿F(xiàn)無(wú)刷運(yùn)行,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,運(yùn)行可靠。
(2)永磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電源頻率間始終保持準(zhǔn)確的同步關(guān)系,控制電源頻率就能控制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
(3)永磁同步發(fā)電機(jī)具有較硬的機(jī)械特性,對(duì)于因負(fù)載的變化而引起的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的擾動(dòng)具有較強(qiáng)的承受能力。
(4)永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為永久磁鐵無(wú)需勵(lì)磁,因此發(fā)電機(jī)可以在很低的轉(zhuǎn)速下保持同步運(yùn)行,調(diào)速范圍寬。
(5)永磁同步發(fā)電機(jī)與異步發(fā)電機(jī)相比,不需要無(wú)功勵(lì)磁電流,因而功率因數(shù)高,定子電流和定子銅耗小,效率高。
(6)永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的采用,使發(fā)電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)排列的很緊湊,體積、重量大大減少。永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,還使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量減少,實(shí)用轉(zhuǎn)速增加,比功率(即功率、體積比例)達(dá)到一個(gè)很高的值。
(7)結(jié)構(gòu)多樣化,應(yīng)用范圍廣。永磁式發(fā)電機(jī)特別適合于潮濕或灰塵多的惡劣環(huán)境下工作,環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)。
2、缺點(diǎn)
(1)溫度敏感性:
永磁體的磁性會(huì)受到溫度的影響,如果溫度過(guò)高,磁性可能會(huì)下降,從而影響發(fā)電機(jī)的輸出性能和壽命。
(2)成本較高
相對(duì)于傳統(tǒng)發(fā)電機(jī),永磁發(fā)電機(jī)使用的磁體材料價(jià)格昂貴,且制造和裝配過(guò)程需要精細(xì)處理,導(dǎo)致其加工和裝配成本也相對(duì)較高。
(3)無(wú)法調(diào)節(jié)輸出電壓:
傳統(tǒng)的交流發(fā)電機(jī)可以通過(guò)勵(lì)磁調(diào)節(jié)產(chǎn)生不同的電壓和電流輸出,而永磁發(fā)電機(jī)的輸出電壓和電流是由磁體和轉(zhuǎn)速來(lái)決定的,因此在需要不同電壓和電流輸出的場(chǎng)景下,永磁發(fā)電機(jī)就不太可行。
(4)功率限制:
在恒功率模式下,永磁發(fā)電機(jī)的操縱較為復(fù)雜,控制系統(tǒng)成本較高,弱磁能力差,調(diào)速范圍有限,功率范圍較小,受磁材料工藝的限制。
(5)可能退磁:
如果使用不當(dāng),如在過(guò)高或過(guò)低溫度下工作,或在沖擊電流所產(chǎn)生的電樞反應(yīng)作用下,或者在劇烈的機(jī)械振動(dòng)下,有可能產(chǎn)生不可逆的退磁,使發(fā)電機(jī)的性能下降,甚至無(wú)法使用。
圖3 同步發(fā)電機(jī)的永久磁鐵位置示意圖 |
圖4 同步交流無(wú)刷發(fā)電機(jī)三維模擬圖 |
三、發(fā)電機(jī)運(yùn)行原理與特性
1、電樞反應(yīng)
永磁同步發(fā)電機(jī)帶負(fù)載時(shí),氣隙磁場(chǎng)是永磁體磁動(dòng)勢(shì)和電樞磁動(dòng)勢(shì)共同建立的。電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)氣隙磁場(chǎng)有影響,電樞磁動(dòng)勢(shì)的基波對(duì)氣隙磁場(chǎng)的影響稱為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)不僅使氣隙磁場(chǎng)波形發(fā)生畸變,而且還會(huì)產(chǎn)生去磁或增磁作用,因此,氣隙磁場(chǎng)將影響永磁同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性。
2、電壓方程式
忽略磁飽和效應(yīng)的影響,永磁同步發(fā)電機(jī)的電壓方程式為
U=E?+ⅠαRα+jⅠdXd+jⅠqXq
式中,U——為電樞端電壓;
E0——為勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì);
Ⅰα——為電樞電流;
Ⅰd——為電樞電流在d軸的分量;
Ⅰq——為電樞電流在q軸的分量;
Rα——為電樞繞組電阻;
Xd——為直軸同步電抗;
Xq——為交軸同步電抗。
3、功率與轉(zhuǎn)矩
當(dāng)永磁同步發(fā)電機(jī)具有滯后功率因數(shù)并考慮電樞電阻的影響,發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)輸入的電功率為
式中,cosφ——為發(fā)電機(jī)的功率角。
發(fā)電機(jī)的電磁功率為:
Ρe=Ρ1-Ρcuα
式中,Ρcuα——為發(fā)電機(jī)的電樞繞組銅耗。
如果忽略電樞電阻的影響,則
上式的前半部分稱為基本電磁功率,由永磁磁場(chǎng)與電樞磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生;后半部分因凸極效應(yīng)產(chǎn)生,稱為附加電磁功率或磁阻功率。
電磁功率與功率角的關(guān)系稱為永磁同步發(fā)電機(jī)的功角特性。
4、運(yùn)行特性
永磁同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性主要是機(jī)械特性和工作特性。
(1)機(jī)械特性
機(jī)械特性是為平行于橫軸的直線,調(diào)節(jié)電源頻率來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí),轉(zhuǎn)速將嚴(yán)格地與頻率成正比例變化。永磁同步發(fā)電機(jī)機(jī)械特性曲線圖如圖5所示。
(2)工作特性
工作特性指當(dāng)電源電壓恒定時(shí),發(fā)電機(jī)的輸入功率、電樞電流、效率、功率因數(shù)等隨輸出功率變化的關(guān)系。永磁同步發(fā)電機(jī)工作特性曲線圖如圖6所示。
圖5 永磁同步發(fā)電機(jī)機(jī)械特性曲線圖 |
圖6 永磁同步發(fā)電機(jī)工作特性曲線圖 |
四、發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型
建立永磁同步電動(dòng)機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)的數(shù)學(xué)模型,包括連續(xù)域模型和離散域型,也包括三相ABC坐標(biāo)系、兩相靜止坐標(biāo)系、兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的模型,并且以綜合矢量的視角解釋他們的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系。
1、假定條件
此處建立的模型基于以下假設(shè)條件:
(1)磁路不飽和,發(fā)電機(jī)電感不受電流變化影響,不計(jì)渦流和磁滯損耗;
(2)忽略齒槽、換相過(guò)程和電樞反應(yīng)的影響;
(3)發(fā)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)是正弦的;
(4)發(fā)電機(jī)各相繞組電阻相等;
(5)轉(zhuǎn)子上無(wú)阻尼繞組,永磁體也沒(méi)有阻尼作用。
2、靜止坐標(biāo)
三相繞組的靜止坐標(biāo)系(ABC)電壓方程為:
通過(guò)坐標(biāo)變換,可以將永磁同步發(fā)電機(jī)在ABC三相靜止坐標(biāo)系下的電壓電流量變換到轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系下,如圖5所示。由此可以得:
電磁轉(zhuǎn)矩方程為:
與定子磁鏈空間矢量同相, 且定子磁鏈與永磁體產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)間的空間角度,則:
id=iscosβ
iq=issinβ
下式代入上式得到:
由上式可以看出,永磁同步發(fā)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩中包含兩個(gè)分量,第一項(xiàng)是由兩磁場(chǎng)互相作用所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩,第二項(xiàng)是由凸極效應(yīng)引起,并與兩軸電感參數(shù)的差值成正比的磁阻轉(zhuǎn)矩。永磁發(fā)電機(jī)d軸線和q軸線示意圖如圖6所示。
3、PMSM的綜合矢量模型
綜合矢量最初是來(lái)自磁場(chǎng)疊加原理,將空間中的磁鏈?zhǔn)噶窟M(jìn)行矢量合成,得到氣隙總磁鏈。為了將方程推廣到綜合矢量的形式下,對(duì)于電壓、電流等物理量,也提出綜合矢量的概念。
4、PMSM的離散域模型
在電流預(yù)測(cè)控制、高速低載波比控制等場(chǎng)合,常用到PMSM的離散時(shí)間模型。對(duì)連續(xù)模型進(jìn)行離散化的方法很多,包括前向歐拉法,改進(jìn)歐拉法,雙線性變換法,z變換法等方法。
圖5 發(fā)電機(jī)靜止三相坐標(biāo)圖 |
圖6 永磁發(fā)電機(jī)dq軸線示意圖 |
總結(jié):
永磁發(fā)電機(jī)和普通發(fā)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在較大差異。通常來(lái)說(shuō),永磁發(fā)電機(jī)會(huì)采用永磁體產(chǎn)生磁場(chǎng),而普通發(fā)電機(jī)則需要通過(guò)外部勵(lì)磁產(chǎn)生磁場(chǎng)。因此,永磁發(fā)電機(jī)內(nèi)部部件相對(duì)較少,結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,維護(hù)成本也較低。盡管永磁發(fā)電機(jī)和普通發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)、工作原理、發(fā)電效率、可靠性和使用成本等方面存在一定差異,但它們都是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的重要設(shè)備。總之,永磁發(fā)電機(jī)在技術(shù)上比傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)更加成熟,已經(jīng)成為當(dāng)前發(fā)電領(lǐng)域的熱門(mén)技術(shù)之一,隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和完善,永磁發(fā)電機(jī)的應(yīng)用范圍還將繼續(xù)拓展。
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