永磁同步发电机电压调整方法

明捷 乔训龙 谢晋 刘海钢 张轶

【摘 要】针对永磁同步发电机输出电压随内部磁场的变化产生变化[1]，影响供电质量的缺点，提出一种永磁同步发电机电压控制的方法，通过将多抽头双绕组变压器高压边绕组串联接入发电机输出端，利用电压测量装置控制高低压绕组变比实现发电机输出电压的稳定。仿真结果表明，该方法可将变化明显偏离要求的输出电压调整到指标范围之内，使电压满足要求。

【关键词】永磁同步发电机；电压调节；变压器绕组；无触点开关

【中图分类号】TB857+.3【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）07-0384-01

1、引言

永磁同步发电机机采用永磁体取代电励磁，在运行中不存在励磁损耗，不需要从电网吸取滞后的励磁电流，大大节约了无功。永磁同步发电机并具有结构简单，运行可靠，体积小，质量轻等众多优点。近几年在汽车电源以及其他移动电源应用场合比传统的电励磁发电机有更多的优势，在移动电源领域永磁同步发电机越来越多的取代传统同步发电机。但是随着使用时间的变长，永磁总存在失磁现象，磁场变弱，导致输出电压不能满足要求。

目前，永磁同步发电机通过主要采用混合励磁中的电励磁部分来调节电机内部的磁场[2]，从而调节发电机的输出电压，使之满足电压调整率要求。但是，混合励磁发电机结构较为复杂，成本较高。

本研究利用变压器原理，在发电机外部进行电压调节[3]。当永磁同步发电机输出电压偏离额定要求时，通过控制装置调节变压器的变压比，对负载电压进行调节，使发电机到负载的输出电压满足要求。

2、带电压调整的永磁同步发电机[4]系统结构

利用双绕组变压器调节永磁同步发电机的系统结构如图1所示，主要由原动机，永磁同步发电机，多抽头双绕组变压器，变比控制器组成。抽头开关的关断采用晶闸管[ 5]实现。主要是利用晶闸管关断额定电流大，额定电压高，无电弧产生，并且可以实现高频变换的众多优点。

3、 电压调节工作原理

如图所示，三相双绕组变压器的高压边连接永磁发电机的输出端，将高压绕组不同的抽头通过控制开关接到输出端上。当发电机输出电压高于负载的额定电压时，将此变压器的高压边绕组通过控制开关增加绕组匝数；否则，通过控制开关减少绕组匝数。从而实现的不同变比的调节。

变压器高压绕组各抽头均用晶闸管控制通断，电压检测装置把输出电压反馈到控制器中，控制器在不同范围的电压下提供给相应的晶闸管门极电压信号，晶闸管触发导通即抽头实现了换接，利用变压器变比实现电压调节，使电压在可接受的范围内变化。

当检测到的输出电压U在以下范围时，所相对应的变压器变压比K如下所示：

通过上述控制装置，当发电机的电压为额定电压的0.87至1.25倍时，通过利用变压器高压绕组抽头的切换的调节功能，使二次侧电压稳定在Un2（1±2.5%）范围内，即实现率输出电压的调节。

4、系统仿真实验

为验证本文方案的可行性，按照上述思路，在matlab平台下利用Simulink工具箱建立了系统的数学模型，进行仿真实验。由于三相电压的对称性，此次仿真只对一相电压进行仿真实验。为了使模型简化，永磁同步发电机采用一个交流电压源代替，实验中通过调节交流电压源的电压有效值，来模拟永磁同步发电机因磁场变化而导致输出电压的变化。

在实际中，永磁同步发电机使用时间过久后，永磁体的磁场会变弱，导致输出电压变小。但也有可能使用时收到外界磁场的干扰导致磁场增强。最终会出现两种结果：随着时间的推移，输出电压的有效值在逐渐变小；随着时间的推移，输出电压的有效值在逐渐变大。所有的这些变化都是较长时间累计的结果，就某次短时间使用永磁机而言，其输出电压一般不会变化，但输出电压会偏离额定值较大。两个图分别反映了在两种情况下，有调节装置和无调节装置时，负载电压有效值的变化趋势。仿真实验中，我们以380V作为额定电压。（见图2、3）

观察图像可得，随着输出电压的变化。有调节装置时，通过调节装置来实现不同的变比，从而实现与额定电压380V相差甚小，最大相差不到30V（相差小于10%）实现了调压作用。无调节装置，输出电压随着时间的推移变化幅度很大，这种情况下，负载往往由于电压过高或者过低而不能正常工作。

通过对比可以得知，本文所设计的电压调节装置可以使输出电压调整离额定电压偏差较小的范围内，起到了电压调节的作用。

5、结论

利用本文提出了永磁发电机输出电压外部调节控制的方法，采用了多抽头变压器与发电机串联的方式，通过调节变压器的抽头方法来改变输出电压，避免了采用价格昂贵、结构复杂的混合励磁机。利用晶闸管来实现无触点切换抽头，使切换时不会出现电弧危险，并且可以实现高频率的变化。最后对该方法进行了仿真，验证了该方法的可行性。

参考文献

[1] 刘林，吴强.永磁发电机电压变化率的研究[J].船电技术，2011， 31（8）：2-3

[2] 付兴贺，邹继斌，齐文娟，FU Xinghe，ZOU Jibin，QI Wenjuan.混合励磁同步发电机电压控制原理分析与实现[N].西南交通大学学报， 2010，45（1）：2-5

[3] 吴义勇，孙旭东，柴建云，WU Yi-yong，SUN Xu-dong，CHAI Jianyun. 永磁磁阻发电机的电压控制[J].电工电能新技术，2006，25（4）：1-3

[4] 胡雪松. 直驱永磁同步风力发电系统功率平滑策略的研究与控制系统设计[D].重庆： 重庆大学博士学位论文， 2010.5

[5] 姚海燕，刘连光，兰健.晶闸管电压调节器控制器设计[J].电力自动化设备，2004，24（1）：2-4