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永磁发电机的应用

 

摘要：永磁发电机采用永磁体生成发电机的磁场，无需励磁线圈也无需励磁电流、效率高、结构简单，因此，永磁发电机是很好的节能发电机。随着高性能永磁材料的问世和控制技术的迅速发展，被柴油发电机组行业广泛应用，逐渐替代原先的无刷发电机和相复励发电机。由于永磁同步发电机具有励磁不可调导致输出电压不可调这一根本的问题不可避免，因而决定了永磁发电机的应用方式。

 

一、永磁发电机的特点

 

      永磁发电机是现代材料科学、电子电力科学相结合的产物。永磁发电机是利用永磁材料产生磁场，替代传统发电机由电流励磁产生的磁场，使得永磁发电机具有结构简单、运行可靠、体积小、重量轻、损耗小、效率高等优点、所以永磁发电机近几年来发展很快。

1、高效

      由于永磁发电机的转子上设置了永磁体，这些永磁体不需要外部电源供电，因此可以直接驱动发电机转子旋转，使得转子的运动更加灵活，发电效率更高。也因为永磁发电机无需励磁电流，相对传统发电机可以减少电能转换过程中的损耗。

2、可靠

      永磁发电机由于无需励磁电流和滑环，不存在励磁绕组和滑环带来的摩擦损耗等问题，因此相较于传统发电机更加可靠。同时由于永磁发电机的结构简单，易于维护，因此也提高了其可靠性。

3、环保

      相较于传统发电机，永磁发电机减少了一些有害金属材料的使用，也减少了一些有害气体的排放，更符合低碳环保的要求。同时由于永磁发电机的工作稳定，噪音也比传统发电机低。

4、节能

      由于永磁发电机无需外部电源供电，相对传统发电机的转子，减少了功耗，同时转子转动速度更快更稳定，因此也减少了能量浪费的情况。

5、低噪音

      永磁发电机的转子转动速度高，摩擦力小，因此噪音要比传统发电机低得多。这也是永磁发电机被广泛应用于需要低噪音的场合的原因。

二、永磁发电机的应用

 

1、工频永磁发电机

      工频永磁发电机即发电机从定子绕组输出端即为工频电压，结构如图1所示。这种永磁发电机充分体现了结构简单、效率高、高可靠性的特点，转子结构上永磁磁极对数同电励磁发电机分别为2对（转速为1500r/min）和1对（3000r/min）磁极，整个发电机单相两线、三相四线输出，虽然永磁发电机电压调整率小，但接近额定负载或过载状况将使发电机输出电压有所下降，同时转速下降对发电机输出电压影响也较为明显。

2、中频永磁发电机

      为了提高永磁发电机组的功率/重量比，转子的磁极可达10对左右，原动机转速最高可达6000r/min，发电机输出电能的频率为（以磁极对数为10，转速分别为1500r/min、3000r/min、6000r/min为例）250、500、1000Hz，所以称为中频。而工频为50Hz或60Hz，因而中频永磁发电机发出的电能不能直接使用，需要将发电机发出的三相交流电通过整流技术变成直流电，然后通过逆变技术再将直流变为交流，且在标定的输出功率范围内和一定的转速（频率）变化范围内保持恒频恒压的电压输出。大功率永磁中频发电机结构如图2所示。这种永磁发电机为中频永磁发电机与整流逆变控制单元的组合。

 

图1  工频永磁发电机结构图

图2  大功率永磁中频发电机结构图

 

三、永磁发电机的控制

 

      整流逆变控制单元的逆变电路采用SPWM正弦脉宽调制控制，如图3所示，为单级式脉宽调制波的产生原理。所谓SPWM波形就是与正弦波形等效的一系列幅值相等而宽度不等的矩形脉冲波形。这样第n个脉冲的宽度就与该处正弦波值近似成正比，因此半个周期正弦波的SPWM波是两侧窄、中间宽，脉宽按正弦规律逐渐变化的序列脉冲波形。

      以SPWM三相逆变桥为例进行说明，如图4所示为双电平三相四桥臂拓扑结构图。SPWM三相逆变器的主电路由8个全控式功率开关器件（分别是U、V、W、N对应的上管T₁、T₃、T₅、T₇和下管T₂、T₄、T₆、T₈）构成的三相四桥臂逆变桥，它们各有一个续流二极管反并联。图中U_c为等腰三角形的载波，U_r为正弦调制波，调制波和载波的交点决定了SPWM脉冲序列的宽度和脉冲间的间隔宽度。当某相的U_r＞U_c时，该相的管导通，输出正弦脉冲电压U_O，当U_r＜U_c时，该相的上管关断，输出正弦脉冲电压U_O＝0，在U_ra负半周，用同样方法控制该相的下管，输出负的脉冲电压序列，改变调制波频率时，输出电压基波频率随之改变，降低调制波幅值U_r时，各段脉冲的宽度变窄，输出电压基波幅值减少。

      在基本正弦脉宽调制控制的原理上，利用神经网络优化计算PWM开关角，使输出电压基波幅值最大，同时负载电流中的高次谐波含量最小。因而电路具有效率高，体积重量小的特点，其电气特性优良，电压精度不超过±1％、THD小于3％、频率波动小于0.1Hz，且可并联、并网工作。目前，主功率器件IGBT的工作频率为20kHz，整机效率在95％以上。若采用新一代的高速IGBT，可设计功率电路工作频率在40～50kHz，这将进一步减小输出滤波器的体积和重量。

      由此可见，以上两种永磁同步发电机是一种高品质的电源设备，永磁同步发电机的轻便性、可靠性和高品质电路是战时电源保障和应急电源的最佳设备。但由永磁同步发电机引入了整流逆变环节，成本提高，比同功率电励磁同步发电机的一次性投资大。

 

图3  永磁发电机SPWM信号原理示意图

图4  永磁发电机双电平三相四桥臂拓扑结构图

 

总结：

      总之，永磁发电机的特点体现在体积小、重量轻、响应速度快、效率高等方面，其应用广泛，包括柴油发电机、风力发电、水力发电、太阳能发电等领域，同时也应用于电动汽车和机械制造等领域。

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