专利名称：一种可控励磁双绕组永磁交流发电机的制作方法
技术领域：
本实用新型属于电机工程领域内的交流发电机励磁控制技术领域，具体涉及一种可控励磁的双绕组永磁交流发电机。
技术背景我国是世界稀土元素蕴藏量大国，稀土永磁材料的研究开发也已达到世界先进水平。稀土永磁交流发电机具有体积小、质量轻、效率高和可靠性高等突出优点，在航空、国防以及需要独立电源的领域有广阔应用前景。然而，永磁交流发电机一经制成，它的励磁恒定无法调节。因而当负载改变时其端电压随之变化，尤其带感性负载时，由于电枢反应的去磁作用，发电机的端电压变化更大，因此，永磁交流发电机要保持端电压恒定或有较小的电压变化率比较困难。目前，国内外采用了各种调压或稳压方法，如复合励磁法、双定子或双转子法、发电机加电力电子变换调压器法等等，这些方法的缺点不是结构复杂就是成本高，尤其对于大功率永磁交流发电机，难以得到发展。
发明内容
本实用新型的目的在于克服上述不足之处，提供一种可控励磁双绕组永磁交流发电机，它采用较简单的结构实现了永磁交流发电机端电压的可控调节，且其制造成本较低。
本实用新型提供的一种可控励磁双绕组永磁交流发电机，包括永磁交流发电机和补偿控制器。永磁交流发电机的电枢上安置有两套绕组，其中，一套为对称三相或多相主绕组，作为提供输出功率的电源绕组，另一套为对称三相或多相副绕组，作为补偿绕组。主绕组与副绕组极数相同，各对应相之间的相位差为α，α的取值范围为-90°≤α≤+90°。副绕组的出线端与发电机的主绕组的出线端相连，或与主绕组感应电动势同频率的外电源相连。补偿控制器由电流电压检测器和变换控制器构成，电流电压检测器根据检测到的主绕组的信号，实时跟踪电枢电流的大小、相位和频率信号；变换控制器根据电流电压检测器所提供的信号，向发电机的副绕组注入可控相位和大小的、与发电机主绕组有相同频率的电流，提供补偿绕组的激励磁势，以实现对发电机端电压的调节。
本实用新型具有以下技术效果与现行采用的复合励磁法、双定子或双转子法的永磁交流发电机相比较，本实用新型的发电机结构简单，因为它仅需要在同一个电枢上(定子或转子)的槽内增加一套绕组，用作为补偿绕组，而电机的永磁磁极结构(转子或定子)与正常的永磁发电机相同。与采用电力电子变换调压器法相比较，本实用新型的补偿控制器仅为补偿绕组提供可控相位与大小的电流，相对主绕组而言容量较小。同时由于补偿控制器可以采用现代数字化技术和电流电压实时跟踪，发电机的端电压可按照预先设定的指令要求随负载变化而自动调节，使之能达到很高的调节精度。
图1为本实用新型提供的一种控励磁双绕组永磁交流发电机原理接线图；图2为相量图，其中，E01为主绕组励磁相电势相量，U为主绕组端电压相量，I1为主绕组相电流相量，F1a为主绕组电枢反应磁势相量，F1ad为主绕组直轴电枢反应磁势相量，F1aq为主绕组交轴电枢反应磁势相量，Θ为主绕组励磁相电势相量与端电压相量之间的相角即功角，Ψ为主绕组的内功率因数角，为主绕组的外功率因数角，E02为副绕组励磁相电势相量，I2为副绕组相电流相量，F2a为副绕组电枢反应磁势相量，F2ad为副绕组直轴电枢反应磁势相量，F2aq为副绕组交轴电枢反应磁势相量，α为副绕组励磁相电势相量与主绕组励磁相电势相量之间的相角，β为副绕组相电流相量与副绕组励磁相电势相量之间的相角；图3为本实用新型的一个具体实施方式
的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本实用新型作进一步详细的说明。
如图1所示，本实用新型由两个单元构成永磁交流发电机1和补偿控制器2。
永磁交流发电机1包括磁极和电枢，发电机的磁极磁场由永久磁体激励；电枢上安置有两套绕组，它们可以放置在同一个槽内，也可以不放置在同一个槽内。其中，一套为对称三相主绕组ABC，即提供输出功率的电源绕组，另一套为对称三相副绕组abc，亦称补偿绕组。主绕组与副绕组有相同的极数。主绕组与副绕组的各对应相之间的空间布置，如A相与a相、B相与b相、C相与c相之间在空间可以同相位，也可以位移一个α角，视设计的需要而定。α为b相与B相(亦即a相与A相、c相与C相)之间的空间相位移角。补偿绕组的出线端R、S、T可以与发电机的主绕组的出线端U、V、W相连，此时，永磁交流发电机可用作为独立电源，由补偿绕组建立的磁势是处于自激状态；出线端R、S、T也可以与主绕组感应电动势同频率的外电源相连，此时由补偿绕组所建立的磁势处于它激状态。
电枢上安置的两套绕组，不仅可以是对称三相绕组，也可以是对称多相绕组。
补偿控制器2的功能是根据指令要求为补偿绕组提供可控相位和大小的电流，它由电流电压检测器2-1和变换控制器2-2构成。由电流和电压传感器检测到的信号(包括大小与相位)送入电流电压检测器2-1中，通过对电枢电流的大小、相位和频率实时跟踪，经由变换控制器2-2，向发电机的补偿绕组abc注入可控相位和大小的、与发电机主绕组ABC有相同频率的电流，提供补偿绕组的激励磁势，以补偿任意负载下由电枢电流产生的直轴电枢反应磁势，从而达到稳定发电机端电压的目的。这种装置也可以调节发电机的功率因数。
为减小发电机的体积、提高装置的整体效率，变换控制器2-2最好选用电力电子变换器。
如附图2所示，当补偿绕组在空间的位置超前于主绕组一个α角时，相应地，补偿绕组的感应电势相量E02也超前主绕组的感应电势相量E01一个α角。由电流电压传感器检测到电流I1的大小和相对于E01的相位角Ψ，将信号传送到变换控制器，使注入到补偿绕组内的电流能实时跟踪电枢电流的大小和相位，并进行数字控制I2大小和相位，例如使电流相量I2超前相量E02一个相位角β，由补偿绕组产生的电枢反应磁势F2a，其直轴电枢反应磁势F2ad，补偿由电枢电流产生的直轴电枢反应磁势F1ad，以实现电压调节。
三相主绕组直轴电枢反应磁势F1ad为F1ad＝F1asinψ式中，F1a-三相主绕组电枢反应合成磁势，Ψ-内功率因数角，即电枢主绕组相电流相量I1与主绕组励磁电势相量E01之间的相位角。当F2ad＝F1ad时，称为全补偿，当F2ad＜F1ad时，称为欠补偿，当F2ad＞F1ad时，称为过补偿。经理论计算表明，在全补偿情况下，永磁交流发电机的电压变化率可以控制在2％以内。如果进一步采用电压跟踪控制，稳压精度还可以提高。
实例如图3所示，三相永磁交流发电机3，额定电压380V，频率50Hz，并在定子安装补偿绕组，补偿绕组3-1与主绕组3-2同相位布置，相互绝缘。补偿控制器采用三相脉宽调制(PWM)逆变器6(AC-DC-AC方式)，用数字信号处理器(DSP)9进行数字控制。控制器的三相交流供电可外电源单独供电，也可以从本发电机供给，三相交流电源经过整流、滤波得到540V直流电压，为保护整流桥，在整流和滤波之间设计软启动电路。逆变器主电路采用智能功率模块(IMP)5，通过PWM方式逆变成三相交流提供补偿绕组的激励。控制单元的控制功能由DSP完成，主绕组的电压、电流及补偿绕组的电流通过传感器、前置放大4，7，被DSP的AD端口采样和转换，外部指令和参数通过键盘或串行通讯口12提供给DSP，部分状态(如电压、补偿相角、电流、功率因数)通过显示器10显示，装置设有故障检测8和电源的电压检测11。根据系统的设计，在控制算法上采取电流、电压双闭环结构，内环为补偿绕组电流闭环，用矢量控制技术，保证补偿绕组电流相位与主绕组同步，幅值和相位差跟踪给定值，调节器采用PI调节器。电压环主要实现主绕组稳压的闭环调节。
除上述实例外，本领域一般技术人员根据本实用新型提供的技术方案，可以采用多种方式具体实现本实用新型，在此不一一列举。
权利要求1.一种可控励磁双绕组永磁交流发电机，其特征在于包括永磁交流发电机(1)和补偿控制器(2)；永磁交流发电机(1)的电枢上安置有两套绕组，其中，一套为对称三相(ABC)或多相主绕组，作为提供输出功率的电源绕组，另一套为对称三相(abc)或多相副绕组，作为补偿绕组，主绕组与副绕组极数相同，各对应相之间的相位差为α，α的取值范围为-90°≤α≤+90°，副绕组的出线端(R、S、T)与发电机的主绕组的出线端(U、V、W)相连，或与主绕组感应电动势同频率的外电源相连；补偿控制器(2)由电流电压检测器(2-1)和变换控制器(2-2)构成，电流电压检测器(2-1)根据检测到的主绕组(ABC)的信号，实时跟踪电枢电流的大小、相位和频率信号；变换控制器(2-2)根据电流电压检测器(2-1)提供的信号，向发电机的副绕组(abc)注入可控相位和大小的、与发电机主绕组(ABC)有相同频率的电流，提供补偿绕组的激励磁势，以实现对发电机端电压的调节。
2.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于所述变换控制器(2-2)为电力电子变换控制器。
专利摘要本实用新型公开了一种可控励磁双绕组永磁交流发电机，它包括永磁交流发电机和补偿控制器。永磁交流发电机的电枢上安置有两套极数相同的主绕组和补偿绕组。补偿控制器的电流电压检测器根据检测到的主绕组的信号，实时跟踪电枢电流的大小、相位和频率；变换控制器根据跟踪信息，向发电机的副绕组注入可控相位和大小的、与主绕组相同频率的电流，提供补偿绕组的激励磁势。本实用新型的发电机结构简单，其补偿控制器仅为补偿绕组提供可控相位与大小的电流，相对主绕组而言容量较小。同时由于补偿控制器可以采用现代数字化技术和电流电压实时跟踪，发电机的端电压可按照预先设定的指令要求随负载变化而自动调节，使之能达到很高的调节精度。
文档编号H02K21/04GK2710241SQ20042001754
公开日2005年7月13日 申请日期2004年3月27日 优先权日2004年3月27日
发明者李朗如, 许强, 马志云 申请人:华中科技大学