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永磁發電機的應用

 

摘要：永磁發電機采用永磁體生成發電機的磁場，無需勵磁線圈也無需勵磁電流、效率高、結構簡單，因此，永磁發電機是很好的節能發電機。隨著高性能永磁材料的問世和控制技術的迅速發展，被柴油發電機組行業廣泛應用，逐漸替代原先的無刷發電機和相復勵發電機。由于永磁同步發電機具有勵磁不可調導致輸出電壓不可調這一根本的問題不可避免，因而決定了永磁發電機的應用方式。

 

一、永磁發電機的特點

 

      永磁發電機是現代材料科學、電子電力科學相結合的產物。永磁發電機是利用永磁材料產生磁場，替代傳統發電機由電流勵磁產生的磁場，使得永磁發電機具有結構簡單、運行可靠、體積小、重量輕、損耗小、效率高等優點、所以永磁發電機近幾年來發展很快。

1、高效

      由于永磁發電機的轉子上設置了永磁體，這些永磁體不需要外部電源供電，因此可以直接驅動發電機轉子旋轉，使得轉子的運動更加靈活，發電效率更高。也因為永磁發電機無需勵磁電流，相對傳統發電機可以減少電能轉換過程中的損耗。

2、可靠

      永磁發電機由于無需勵磁電流和滑環，不存在勵磁繞組和滑環帶來的摩擦損耗等問題，因此相較于傳統發電機更加可靠。同時由于永磁發電機的結構簡單，易于維護，因此也提高了其可靠性。

3、環保

      相較于傳統發電機，永磁發電機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，更符合低碳環保的要求。同時由于永磁發電機的工作穩定，噪音也比傳統發電機低。

4、節能

      由于永磁發電機無需外部電源供電，相對傳統發電機的轉子，減少了功耗，同時轉子轉動速度更快更穩定，因此也減少了能量浪費的情況。

5、低噪音

      永磁發電機的轉子轉動速度高，摩擦力小，因此噪音要比傳統發電機低得多。這也是永磁發電機被廣泛應用于需要低噪音的場合的原因。

二、永磁發電機的應用

 

1、工頻永磁發電機

      工頻永磁發電機即發電機從定子繞組輸出端即為工頻電壓，結構如圖1所示。這種永磁發電機充分體現了結構簡單、效率高、高可靠性的特點，轉子結構上永磁磁極對數同電勵磁發電機分別為2對（轉速為1500r/min）和1對（3000r/min）磁極，整個發電機單相兩線、三相四線輸出，雖然永磁發電機電壓調整率小，但接近額定負載或過載狀況將使發電機輸出電壓有所下降，同時轉速下降對發電機輸出電壓影響也較為明顯。

2、中頻永磁發電機

      為了提高永磁發電機組的功率/重量比，轉子的磁極可達10對左右，原動機轉速最高可達6000r/min，發電機輸出電能的頻率為（以磁極對數為10，轉速分別為1500r/min、3000r/min、6000r/min為例）250、500、1000Hz，所以稱為中頻。而工頻為50Hz或60Hz，因而中頻永磁發電機發出的電能不能直接使用，需要將發電機發出的三相交流電通過整流技術變成直流電，然后通過逆變技術再將直流變為交流，且在標定的輸出功率范圍內和一定的轉速（頻率）變化范圍內保持恒頻恒壓的電壓輸出。大功率永磁中頻發電機結構如圖2所示。這種永磁發電機為中頻永磁發電機與整流逆變控制單元的組合。

 

圖1  工頻永磁發電機結構圖

圖2  大功率永磁中頻發電機結構圖

 

三、永磁發電機的控制

 

      整流逆變控制單元的逆變電路采用SPWM正弦脈寬調制控制，如圖3所示，為單級式脈寬調制波的產生原理。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個脈沖的寬度就與該處正弦波值近似成正比，因此半個周期正弦波的SPWM波是兩側窄、中間寬，脈寬按正弦規律逐漸變化的序列脈沖波形。

      以SPWM三相逆變橋為例進行說明，如圖4所示為雙電平三相四橋臂拓撲結構圖。SPWM三相逆變器的主電路由8個全控式功率開關器件（分別是U、V、W、N對應的上管T₁、T₃、T₅、T₇和下管T₂、T₄、T₆、T₈）構成的三相四橋臂逆變橋，它們各有一個續流二極管反并聯。圖中U_c為等腰三角形的載波，U_r為正弦調制波，調制波和載波的交點決定了SPWM脈沖序列的寬度和脈沖間的間隔寬度。當某相的U_r＞U_c時，該相的管導通，輸出正弦脈沖電壓U_O，當U_r＜U_c時，該相的上管關斷，輸出正弦脈沖電壓U_O＝0，在U_ra負半周，用同樣方法控制該相的下管，輸出負的脈沖電壓序列，改變調制波頻率時，輸出電壓基波頻率隨之改變，降低調制波幅值U_r時，各段脈沖的寬度變窄，輸出電壓基波幅值減少。

      在基本正弦脈寬調制控制的原理上，利用神經網絡優化計算PWM開關角，使輸出電壓基波幅值最大，同時負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，其電氣特性優良，電壓精度不超過±1％、THD小于3％、頻率波動小于0.1Hz，且可并聯、并網工作。目前，主功率器件IGBT的工作頻率為20kHz，整機效率在95％以上。若采用新一代的高速IGBT，可設計功率電路工作頻率在40～50kHz，這將進一步減小輸出濾波器的體積和重量。

      由此可見，以上兩種永磁同步發電機是一種高品質的電源設備，永磁同步發電機的輕便性、可靠性和高品質電路是戰時電源保障和應急電源的最佳設備。但由永磁同步發電機引入了整流逆變環節，成本提高，比同功率電勵磁同步發電機的一次性投資大。

 

圖3  永磁發電機SPWM信號原理示意圖

圖4  永磁發電機雙電平三相四橋臂拓撲結構圖

 

總結：

      總之，永磁發電機的特點體現在體積小、重量輕、響應速度快、效率高等方面，其應用廣泛，包括柴油發電機、風力發電、水力發電、太陽能發電等領域，同時也應用于電動汽車和機械制造等領域。

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