专利名称：一种并列结构混合励磁同步发电机的交流励磁控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于同步电机交流发电设备领域。特别涉及一种并列结构混合励磁同步发电机的交流励磁控制系统。
背景技术：
永磁同步电机具有可靠性高、效率高以及体积小等优点，相对于传统的电励磁同步电机具有许多优势。但是永磁电机由于转子采用永磁磁钢励磁，气隙磁场调节困难，作为发电机运行，当温度升高时，永磁磁钢产生可逆退磁，使发电机输出电压降低，另外，当发电机负载改变时，尤其是当感性负载增大时，输出电压进一步降低。通常永磁发电机的电压变化率在士 10%左右，影响负载设备的可靠运行。于是混合励磁同步电机被提出并进行了大量的研究，出现了多种结构的混合励磁电机，按电励磁磁场与永磁磁场的叠加方式可分为串励式、并励式和混励式三种结构，它们的主要思想是永磁磁场依然作为电机的主磁场，电励磁部分调节电动势需要调节的部分，从而保证了发电机输出电压的稳定。从现有混合励磁电机的技术上看，电励磁部分大多采用直流电流励磁，由于直流电流产生的是相对于励磁绕组位置固定不变的磁场，为了在定子绕组中感应大小可调节的交流感应电动势，常见的直流电流励磁方案大致有三类。第一类方案类似于传统的电励磁发电机，通过电刷和滑环把直流励磁电流引入到转子上的励磁绕组，依靠转子旋转使电励磁磁场旋转起来，如发明专利号为ZL. 200310106347. 6的混合励磁同步电机，该种方案由于电刷和滑环的存在降低了电机的可靠性以及环境适应性。第二类方案是采用双凸极结构的混合励磁电机，流过电机定子上励磁绕组的直流电流产生位置固定不变的磁动势，通过转子旋转时磁路磁阻的变化使定子磁通发生变化，从而在电枢绕组中感应交变的电动势，如发明专利号为ZL. 200310106346. 1的双凸极混合励磁同步电机，该种方案由于利用磁阻式工作原理，使输出电压正弦性不是很理想。第三类方案的电励磁部分采用爪极励磁结构，励磁绕组放置在电机端盖部分，电励磁部分转子相邻的爪极依次为N极和S极，从而在电励磁部分的定子电枢绕组中感应交流电动势，通过改变直流励磁电流的大小来改变电励磁感应电动势的大小，例如申请号为 200810024775. 7的并列结构混合励磁无刷同步电机。但是该种方案在电励磁磁路上除了工作气隙，还存在附加气隙，爪极之间漏磁也比较大，需要消耗更多的电励磁磁动势，降低了电励磁效率。在直流励磁电流控制上，对于较大的励磁功率通常采用可控整流将交流电变换为可调节的直流电压加在励磁绕组上。对于较小的励磁功率多采用MOSFET或IGBT等全控型电力电子开关控制加在励磁绕组上的电流大小，从而调节感应电动势的大小，比如申请号为200910181397. 8的发明专利公布了一种自励混合励磁同步电机交流发电系统及其控制方法，控制系统根据检测到的输出电压、负载电流以及实际励磁大小采用数字信号处理器控制H桥式电力电子开关的导通和关断，控制直流励磁电流的方向和大小实现了混合励磁发电机输出电压的自动调节。[0007]上述可以看出混合励磁电机的电励磁部分采用直流电流励磁，虽然励磁控制相对简单，技术也比较成熟，但是混合励磁同步电机或者电刷和滑环的存在使电机可靠性较低以及环境适应性较差，或者双凸极电机使输出电压正弦性不好，或者爪极电励磁使结构复杂，且需要消耗较多的电励磁磁动势，降低了电励磁效率。
实用新型内容本实用新型的目的是针对现有技术中永磁电机由于转子采用永磁磁钢励磁，气隙磁场调节困难，作为发电机运行，当温度升高时，永磁磁钢产生可逆退磁，或发电机负载改变时，使发电机输出电压降低的不足，而提出一种并列结构混合励磁同步发电机的交流励磁控制系统，所述并列结构混合励磁同步发电机包括永磁部分和电励磁部分，它们在磁路上彼此独立，并且永磁部分和电励磁部分在同一机壳内，沿轴向并列安装，两部分电机定子铁芯彼此独立，但共用一套定子电枢绕组，永磁定子铁芯和电励磁定子铁芯具有相同的齿槽数；永磁转子铁芯和电励磁转子铁芯装在同一转轴上，转轴的两端与轴承固定，两端轴承分别固定在机壳两端的端盖上；其特征在于，该交流励磁控制系统包括并列结构的混合励磁同步发电机、输出电压检测调理电路、三个电流传感器、励磁电流检测调理电路、转子位置检测处理电路、整流桥、滤波电容、数字调压交流励磁控制器；其中数字调压交流励磁控制器的三相输出分别接混合励磁同步发电机三相励磁绕组的首端，三相励磁绕组的尾端在电机内部采用星型连接；在三相励磁绕组的输入端分别设置电流传感器，三个电流传感器的输出经过励磁电流检测调理电路后接数字调压交流励磁控制器的输入端；放置于发电机内部的永磁转子位置传感器的输出经过转子位置检测处理电路后接数字调压交流励磁控制器的输入端；混合励磁发电机的三相输出端分别接输出电压检测调理电路、整流桥和负载的输入端；整流桥的输出经过滤波电容后接数字调压交流励磁控制器的输入端；输出电压检测调理电路的输出接数字调压交流励磁控制器的输入端。所述的数字调压交流励磁控制器包括DSP数字信号处理器、驱动隔离放大电路、 三相交流励磁逆变器和宽输入范围的DC/DC控制电源，其中宽输入范围的DC/DC控制电源的输入端与励磁主电路的输入端并联，DC/DC控制电源的输出端分别接DSP数字信号处理器、输出电压检测调理电路、转子位置检测处理电路、励磁电流检测调理电路、驱动隔离放大电路的电源输入端。本实用新型的并列结构混合励磁同步发电机的交流励磁控制系统与现有技术相比，具有以下特点1.电励磁部分采用交流励磁电流控制，通过控制三相对称励磁电流的大小和相位实现发电机输出电压的调节。2.交流励磁采用矢量控制方法，使励磁电流中只有直轴分量，电励磁磁场被定向在与发电机永磁磁极轴线平行的方向上，使电励磁电动势和永磁励磁电动势同相位或反相位。3.电励磁绕组位于电机的定子部分，实现了励磁的无刷化，增加了电机的可靠性及环境适应性。4.电励磁部分磁路不存在附加气隙，电励磁所需的磁动势少，电励磁效率高。5.通过定子电枢绕组分布形式、励磁绕组分布形式、永磁转子磁极结构的设计以及交流励磁控制系统的设计，可以得到高质量的发电机输出电压。
图1是无电励磁转子的并列结构混合励磁发电机轴向剖面示意图。图2是电励磁部分双定子的并列结构混合励磁同步发电机轴向剖面示意图。图3是并列结构混合励磁同步发电机励磁电流为零时的负载特性曲线。图4是并列结构混合励磁同步发电机的交流励磁控制系统结构图。图5是数字调压交流励磁控制器结构示意图。图6是数字调压交流励磁控制器的励磁主电路图。图7是并列结构混合励磁同步发电机交流励磁控制原理图。图中标号名称1转轴，2轴承，3端盖，4永磁转子铁芯，5电枢绕组，6永磁磁钢，7 永磁电机气隙，8不锈钢非导磁螺钉，9永磁定子铁芯，10电励磁绕组，11电励磁定子铁芯， 12机壳，130型密封垫圈，14风扇，15风扇罩，16永磁转子位置传感器，17永磁部分，18电励磁部分，19电励磁转子铁芯，20电励磁部分气隙，21电励磁部分内导磁圆环，22电励磁部分内定子铁芯。AX混合励磁发电机永磁部分A相绕组，BY混合励磁发电机永磁部分B相绕组，CZ 混合励磁发电机永磁部分C相绕组，AlXl混合励磁发电机电励磁部分A相等效电枢绕组， BlYl混合励磁发电机电励磁部分B相等效电枢绕组，ClZl混合励磁发电机电励磁部分C相等效电枢绕组，AeNe混合励磁发电机电励磁A相绕组，BeNe混合励磁发电机电励磁B相绕组，CeNe混合励磁发电机电励磁C相绕组。
具体实施方式
本实用新型提出了一种并列结构混合励磁发同步电机的交流励磁控制系统。该并列结构混合励磁发电机包括永磁部分和电励磁部分，它们在磁路上彼此独立，电励磁部分采用无刷交流电流励磁，电励磁部分磁路结构上不存在附加气隙，电励磁效率高，环境适应性好。交流励磁电流控制系统采用矢量控制的方法使调节励磁电流大小和相位，从而调节电励磁电动势的大小和相位，达到使输出电压稳定的目的。
以下结合附图和优选实施例对本实用新型说明如下实施例1由图1可知，并列结构无刷混合励磁同步发电机由左边的永磁部分17和右边的电励磁部分18两部分组成，两部分同轴并列安装在同一个机壳12内。永磁部分定子铁芯9 和电励磁部分定子铁芯11具有同样的齿槽数，本实施例为36槽，电励磁部分定子齿槽比永磁部分的深，以容下三相电枢绕组5和三相励磁绕组10为准；因此电励磁转子铁芯19比永磁转子铁芯4直径小。两部分定子共用一套三相电枢绕组5，三相电枢绕组5采用单层分布绕组，每极每相槽数为3，绕组节距为9，在电励磁定子铁芯11中还嵌放有和电枢绕组5 有相同分布形式的三相励磁绕组10，三相励磁绕组10相轴线和三相电枢绕组5轴线分别重合。永磁转子铁芯4和电励磁转子铁芯19装在同一转轴1上，转轴1通过轴承2支持在端盖3，端盖3固定在机壳12的两端，由0型密封垫圈13密封；永磁电机转子铁芯4为4极， 采用表面磁钢结构，永磁磁钢6采用不锈钢螺钉8固定在永磁电机转子铁芯4上，永磁磁钢经过极弧优化设计，以降低永磁气隙7中的谐波磁密，永磁电机转子铁芯4为二十号钢。电励磁转子铁芯19为由圆型硅钢片叠压而成的光滑圆柱体，上面没有励磁绕组，电励磁部分的气隙20比永磁电机气隙7要小，以达到提高电励磁效率的目的；风扇14固定在电励磁部分端盖外的转轴1端头上，风扇罩15套在机壳12的这一端上，混合励磁发同步电机永磁部分的空载电压设计值高于额定电压，如图3所示。如图4所示为并列结构混合励磁同步发电机交流励磁控制系统的结构，由并列结构混合励磁同步发电机、整流桥、滤波电容、励磁电流传感器、励磁电流检测调理电路、输出电压检测调理电路、转子位置检测处理电路、数字调压交流励磁控制器构成。并列结构混合励磁同步发电机的三相电枢绕组5输出端接负载，输出电压检测调理电路的输入端连接三相交流输出线Uab、Ubc和Uca，检测三相交流输出线电压；三相励磁绕组10的Ae相绕组、 Be相绕组、Ce相绕组的首端分别接数字调压交流励磁控制器的励磁输出端，同时三相励磁绕组10的Ae端、Be端和Ce端分别穿过三个电流传感器，三个电流传感器的输出分别接励磁电流检测调理电路的输入端，从而检测三相励磁电流iae、ibe和‘；转子位置检测处理电路连接永磁转子位置传感器16，检测永磁转子位置θ。上述检测到的交流输出电压、交流励磁电流和转子位置信息都送到数字调压交流励磁控制器。交流励磁控制系统中的整流桥提供励磁电源和数字调压交流励磁控制器的控制电源，因此选择较小容量的整流器。数字调压交流励磁控制器的结构见图5。数字调压交流励磁控制器内有一个宽输入范围DC/DC控制电源，其输入端由混合励磁同步发电机的三相交流输出(Uab，Ubc, Uca) 经过整流桥和滤波电容Co滤波后得到的直流电压提供电源，该宽输入范围DC/DC控制电源的输入范围应能适应图3所示的混合励磁同步发电机从空载到满载无励磁电流时的三相输出电压，DC/DC控制电源的输出为数字信号处理器(DSP)、驱动隔离放大电路、转子位置检测处理电路、励磁电流检测调理电路和输出电压检测调理电路供电。混合励磁同步发电机的三相输出电压经过调理电路调理后，送到数字信号处理器(DSP)芯片的ADC变换采样模块；混合励磁同步发电机的励磁电流经过电流传感器采集，并处理为适合数字处理器 (DSP)接收的电压信号，送到数字信号处理器(DSP)芯片的ADC变换采样模块。经过量化后，发电机的输出电压和励磁电流信号在数字信号处理器(DSP)内转换为数字信号。发电机内的永磁转子位置传感器输出信号经过位置检测处理电路处理为数字位置信号后送到数字信号处理器(DSP)的数字I/O 口。图6是数字调压交流励磁控制器的励磁主电路，为三相H桥结构，其输入端也由混合励磁同步发电机的三相交流输出(Uab，Ubc, Uca)经过整流桥和滤波电容滤波后得到的直流电压提供电源，励磁主电路由六个开关管0il，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6)以及分别与它们并联的六个续流二极管(Dl，D2，D3，D4，D5，D6)组成，六个开关管的PWM驱动信号依次对应为 T1，T2，T3，T4，T5和T6，由数字信号处理器(DSP)的PWM端口输出并经过驱动隔离放大电路提供。通常开关管和续流二极管会集成在一个模块里，本实施例中六个开关管选用MOSFET 功率管的型号为IRFP260N。数字信号处理器(DSP)输出的SVPWM信号经过隔离放大驱动电路后驱动由MOSFET 构成的三相逆变器，三相逆变器的输出分别接混合励磁同步发电机的三相交流励磁绕组， 通过控制SVPWM信号的脉冲宽度调节加在三相励磁绕组中的交流励磁电流大小与相位。由于励磁电流交轴分量的给定值设定为零，励磁电流中只有直轴分量，三相励磁电流合成的磁场被定向控制在永磁转子磁极轴线平行的方向上，从而使电枢绕组电励磁部分感应的电动势和永磁电动势同相位或反相位，通过两部分电动势在电枢绕组中的叠加使发电机的输出电压稳定(如图7所示)。实施例2图1所示是无电励磁转子的并列结构混合励磁发电机轴向剖面示意图。其永磁磁钢经过极弧宽度设计，以降低永磁励磁电动势中的谐波成分。在电励磁部分定子铁芯11的内圆增加一导磁圆环21，导磁圆环21作为内磁轭为电励磁磁场和电枢电流磁场提供通路， 为了减小电励磁部分旋转磁场在导磁圆环21上产生涡流损耗，导磁环21采用圆环形硅钢片叠压而成。导磁圆环21和电励磁定子铁芯11之间没有气隙，提高了电励磁磁动势的励磁效率。混合励磁发电机永磁部分的空载电压设计值高于额定电压，如图3所示。本实施例的并列结构混合励磁同步发电机交流励磁控制系统及控制方法同实施例1。实施例3图2所示为电励磁部分双定子的并列结构混合励磁同步发电机轴向剖面示意图， 其整体结构和图1所示的并列结构混合励磁同步发电机轴向剖面示意图相同；只是铁芯长度不一样，两部分定子共用一套三相电枢绕组5，三相电枢绕组5采用双层短距分布绕组， 定子铁芯槽数为36，每极每相槽数为3，绕组节距为7，在电励磁定子铁芯11的内圆有一用硅钢片叠压而成的内定子铁芯22，内定子铁芯22和电励磁定子铁芯11之间没有气隙，它们具有相同的齿槽数；内定子铁芯22中放置有三相励磁绕组10，三相励磁绕组10与三相电枢绕组5具有相同分布形式，以降低电励磁定子铁芯11中励磁磁场产生的谐波磁场，使三相电枢绕组5中的电励磁感应电动势中谐波尽量小。三相励磁绕组10与三相电枢绕组5 轴线重合。永磁转子为4极，采用表面磁钢结构，永磁磁钢6经过极弧宽度设计，永磁转子铁芯4的材料为二十号钢。混合励磁发电机永磁部分的空载电压设计值高于额定电压，如图3所示。本实施例的并列结构混合励磁同步发电机交流励磁控制系统及控制方法同实施例1。
权利要求1.一种并列结构混合励磁同步发电机的交流励磁控制系统，所述并列结构混合励磁同步发电机括永磁部分和电励磁部分，它们在磁路上彼此独立，并且永磁部分和电励磁部分在同一机壳内，沿轴向并列安装，两部分电机定子铁芯彼此独立，但共用一套定子电枢绕组，永磁定子铁芯和电励磁定子铁芯具有相同的齿槽数；永磁转子铁芯和电励磁转子铁芯装在同一转轴上，转轴的两端与轴承固定，两端轴承分别固定在机壳两端的端盖上；其特征在于，所述交流励磁控制系统包括并列结构的混合励磁同步发电机、输出电压检测调理电路、三个电流传感器、励磁电流检测调理电路、转子位置检测处理电路、整流桥、滤波电容、 数字调压交流励磁控制器；其中数字调压交流励磁控制器的三相输出分别接混合励磁同步发电机三相励磁绕组的首端，三相励磁绕组的尾端在电机内部采用星型连接；在三相励磁绕组的输入端分别设置电流传感器，三个电流传感器的输出经过励磁电流检测调理电路后接数字调压交流励磁控制器的输入端；放置于发电机内部的永磁转子位置传感器的输出经过转子位置检测处理电路后接数字调压交流励磁控制器的输入端；混合励磁发电机的三相输出端分别接输出电压检测调理电路、整流桥和负载的输入端；整流桥的输出经过滤波电容后接数字调压交流励磁控制器的输入端；输出电压检测调理电路的输出接数字调压交流励磁控制器的输入端。
2.根据权利要求1所述一种并列结构混合励磁同步发电机的交流励磁控制系统，其特征在于，所述的数字调压交流励磁控制器包括DSP数字信号处理器、驱动隔离放大电路、三相交流励磁逆变器和宽输入范围的DC/DC控制电源，其中宽输入范围的DC/DC控制电源的输入端与励磁主电路的输入端并联，DC/DC控制电源的输出端分别接DSP数字信号处理器、 输出电压检测调理电路、转子位置检测处理电路、励磁电流检测调理电路、驱动隔离放大电路的电源输入端。
专利摘要本实用新型公开了属于同步电机交流发电设备领域的一种并列结构混合励磁同步发电机的交流励磁控制系统。所述交流励磁控制系统包括并列结构混合励磁同步发电机、输出电压检测调理电路、三个电流传感器、励磁电流检测调理电路、转子位置检测处理电路、整流桥、滤波电容和数字调压交流励磁控制器。混合励磁发电机的永磁部分和电励磁部分在同一机壳内，沿轴向并列安装，两部分定子铁芯彼此独立，但共用一套定子电枢绕组，励磁绕组的分布形式和电枢绕组相同，布置在电励磁部分的定子铁芯中；交流励磁电流控制系统采用矢量控制方法调节励磁电流大小和相位，从而调节电励磁电动势的大小和相位，使发电机输出电压稳定；实现宽转速、大负载范围内恒压输出。
文档编号H02K16/00GK202111599SQ20102060100
公开日2012年1月11日 申请日期2010年11月8日 优先权日2010年11月8日
发明者于斌, 刘明基, 吉阳, 李祥永 申请人:华北电力大学