CN102005876A - 并列结构混合励磁同步发电机及其交流励磁控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于同步电机交流发电技术领域的一种并列结构混合励磁同步发电机及其交流励磁控制系统。该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，两部分的定子铁心彼此独立，但共用一套定子电枢绕组，永磁感应电动势和电励磁感应电动势在电枢绕组中进行叠加，永磁部分定子铁心和电励磁定子铁心具有相同的齿槽数，通过电枢绕组分布形式、励磁绕组分布形式、永磁转子磁极形状的设计以及励磁电流的控制以达到改善感应电动势波形的目的；通过矢量控制使交流励磁电流中只有直轴分量，可调节电枢绕组中电励磁感应电动势的大小和相位，从而调节发电机总输出电压的大小，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。

Description

并列结构混合励磁同步发电机及其交流励磁控制系统

技术领域

本发明属于同步电机交流发电的技术领域。特别涉及一种并列结构混合励磁同步发电机及其交流励磁控制系统。

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±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。

从目前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。

第二类种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电励磁结构，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。

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。

发明内容

本发明的目的是提出一种并列结构混合励磁同步发电机及其交流励磁控制系统，该发电机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。

一种并列结构混合励磁同步发电机，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，其特征在于，所述并列结构混合励磁同步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，两部分电机定子铁心彼此独立，但共用一套定子电枢绕组，永磁感应电动势和电励磁感应电动势在电枢绕组中进行叠加，永磁部分定子铁心和电励磁定子铁心具有相同的齿槽数，通过电枢绕组分布形式、电励磁绕组分布形式以及永磁转子磁极形状的设计来改善电枢绕组中感应电动势波形，使其电动势为正弦波，从而使发电机输出电压正弦波形畸变达到很小。

所述永磁转子磁极采用表面式磁钢结构或内永磁磁钢结构。

所述电励磁部分定子铁心内有两套三相绕组：电枢绕组和励磁绕组；励磁绕组和电枢绕组具有相同的绕组分布形式，并且三相励磁绕组轴线和电枢绕组轴线分别重合。

所述电枢绕组采用传统的分布式绕组形式。

所述电励磁绕组放置在电励磁部分的定子铁心内，实现无刷励磁。

一种并列结构混合励磁发电机的交流励磁控制系统，其特征在于，采用数字电压调节器控制加在三相励磁绕组中电流的大小和相位，可调节电枢绕组中电励磁感应电动势的大小和相位，从而调节发电机总输出电压的大小，使发电机输出电压稳定；

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；安装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，即励磁主电路和DC/DC控制电源的输入电源都是由混合励磁同步发电机的三相交流输出经过整流桥和滤波电容后提供；DC/DC控制电源的输出端分别接数字信号处理器(DSP)、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；DSP数字信号处理器输出的PWM信号经过驱动隔离放大电路后控制三相交流励磁逆变器的开关管。

所述的并列结构混合励磁同步发电机的交流励磁采用内、外双反馈环控制，所述外环为电压反馈环，将电压给定基准与实际输出电压反馈值比较后经过第一个PI调节器计算，输出励磁电流直轴分量调节量；所述内环为电流反馈环，调节励磁电流直轴分量与励磁电流交轴分量；

所述第一个PI调节器的输出作为直轴励磁电流环的给定值，将检测并计算得到的三相励磁电流的直轴分量与直轴励磁电流给定值进行比较后经过第二个PI调节器计算，输出直轴励磁电压的调节量；交轴励磁电流的给定值设定为0，将检测并计算得到的三相励磁电流的交轴分量与交轴励磁电流的给定值进行比较后经过第三个PI调节器计算，输出交轴励磁电压的调节量；交、直轴励磁电压调节量经过坐标变换、PWM生成及隔离放大后驱动三相交流励磁逆变器的开关管，从而调节三相励磁电流的大小和相位。

通过上述三相励磁电流的矢量控制调节励磁电流的大小和相位，使电枢绕组中电励磁感应电动势和永磁电动势同相位或反相位，或使电枢绕组中电励磁感应电动势和发电机输出电压同相位或反相位，通过电励磁感应电动势和永磁电动势在电枢绕组中的叠加使发电机输出电压稳定。

本发明的并列结构混合励磁同步发电机及其交流励磁控制系统与现有技术相比，具有以下特点：

1.发电机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、永磁转子磁极形状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。

附图说明

图1是并列结构混合励磁同步发电机轴向剖面示意图。

图2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3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4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5为并列结构混合励磁同步发电机空载时的时空相矢量图。

图6为并列结构混合励磁同步发电机轻负载时的时空相矢量图。

图7为并列结构混合励磁同步发电机中度负载时的时空相矢量图。

图8为并列结构混合励磁同步发电机重负载时的时空相矢量图。

图9是并列结构混合励磁同步发电机及其交流励磁控制系统结构图。

图10是数字调压交流励磁控制器结构示意图。

图11是数字调压交流励磁控制器的励磁主电路图。

图12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永磁转子铁心，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永磁定子铁心，10电励磁绕组，11电励磁定子铁心，12机壳，13O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电励磁转子铁心，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心。

-永磁励磁磁动势基波矢量，

-A相电枢电枢绕组中永磁励磁电动势向量，-电励磁绕组A相电流向量，

-电励磁电流合成旋转磁动势矢量，

-A相电枢绕组中电励磁电动势向量，

-A相电枢绕组中合成电动势向量，

-发电机A相输出电压向量，

-A相电枢绕组电流向量，Xc-发电机同步电抗。

AX混合励磁发电机永磁部分A相等效电枢绕组，BY混合励磁发电机永磁部分B相等效电枢绕组，CZ混合励磁发电机永磁部分C相等效电枢绕组，A1X1混合励磁发电机电励磁部分A相等效电枢绕组，B1Y1混合励磁发电机电励磁部分B相等效电枢绕组，C1Z1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Ae相绕组，BeNe混合励磁发电机电励磁Be相绕组，CeNe混合励磁发电机电励磁Ce相绕组。

具体实施方式

本发明提出了一种并列结构混合励磁发同步电机及其交流励磁控制系统。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。

下面结合附图和优选实施例对本发明说明如下：

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和右边的电励磁发部分18两部分组成，两部分同轴并列安装在同一个机壳12内。永磁部分定子铁心9和电励磁部分定子铁心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；因此电励磁转子铁心19比永磁转子铁心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，在电励磁定子铁心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。永磁转子铁心4和电励磁转子铁心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O型密封垫圈13密封；永磁电机转子为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心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，永磁电机转子铁心4为二十号钢。电励磁转子铁心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固定在转轴1非机械输入端的端头上，风扇罩15套在机壳12的这一端上。

所述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4所示。

三相励磁绕组中通入对称交流励磁电流时，在电励磁部分的空间上形成旋转励磁磁场，旋转励磁磁场的大小与励磁电流有关，励磁电流越大，磁场越强；旋转磁场的空间相位与励磁电流的相位有关。调节励磁电流大小和相位，即可调节电枢绕组中电励磁感应电动势的大小和相位。

如图5所示，当发电机空载运行时，输出电压(即空载电压

)通常高于额定电压，此时在电励磁绕组中通入三相交流励磁电流，控制励磁电流的大小和相位，使励磁电流合成磁场

在空间上和永磁磁场

相位相反，即励磁电流合成磁场在永磁磁极轴线的平行线上，但方向和永磁磁场相反，从而在电枢绕组的电励磁部分中产生的电励磁电动势

与永磁部分的电动势

反相位，由于永磁部分电动势和电励磁电动势在电枢绕组中相叠加，即

于是总的输出电压降低到额定电压附近，此时的励磁电流相当于起去磁作用。

当发电机带上较轻负载运行时，如果忽略发电机的电阻，则有

如果励磁电流和空载时一样不调整，则输出电压低于额定电压，因此此时需要降低励磁电流大小，使励磁部分的感应电动势

变小，使电枢绕组中的合成电动势适当增大，从而使输出电压继续维持在额定电压附近，时空相矢量图如图6所示，此时的励磁电流依然相当于起去磁作用。

当发电机所带负载继续增大，即电枢电流增大到某一数值时，永磁部分产生的电动势

刚好和额定电压以及同步电抗压降相平衡，此时不需要提供励磁电流，如图7所示。即励磁电流为零，输出电压维持在额定电压附近。

当发电机负载继续增大时，电枢电流变大，电机阻抗压降进一步增大，另外发电机温升也会使永磁感应电动势降低，使输出电压低于额定电压，此时需要调节励磁电流大小和相位，使电励磁电流合成的磁场

和永磁部分的磁场

在空间上同相位，即励磁电流合成磁场在永磁磁极轴线的平行线上，并且方向和永磁磁场相同，从而电励磁磁场在电枢绕组中感应的电动势

和永磁磁场感应的电动势

在时间上同相位，电枢绕组中的合成电动数

大于永磁电动势

励磁电流相当于起增磁作用，输出电压继续维持在额定电压附近，时空矢量图如图8所示。

如图9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i_ae、i_be和i_ce；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10。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C0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4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11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C0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(Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6)以及分别与它们并联的六个续流二极管(D1，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，本实施例六个开关管选用MOSFET功率管的型号为IRFP260N。

在数字信号处理器(DSP)内实现的双环交流励磁控制算法如图12所示。具体控制方法如下：

1)交流励磁双反馈控制环的外环为电压反馈环。通过给定基准电压U_ref与反馈电压U_s比较后经过第一个PI调节器计算，输出为励磁电流直轴分量的调节量混合励磁同步发电机的反馈电压计算如下：

(1.1)混合励磁同步发电机的输出线电压瞬时值Uab，Ubc，Uca经过输出电压检测调理电路调理之后输出到数字信号处理器(DSP)的信号为Uab′，Ubc′，Uca′。

(1.2)经过CLARK变换计算输出电压在两相静止坐标系α-β中值Uα和Uβ：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{\α}}=U_{\mathrm{ab}}^{\′}\×\frac{\sqrt{3}}{2}-U_{\mathrm{ca}}^{\′}\×\frac{\sqrt{3}}{2}\\ U_{\mathrm{\β}}=U_{\mathrm{ab}}^{\′}\×\frac{1}{2}-U_{\mathrm{bc}}^{\′}+U_{\mathrm{ca}}^{\′}\×\frac{1}{2}\end{array}\right.---\left(1\right)$

(1.3)用(1)式得到的Uα和Uβ计算输出电压空间矢量的幅值Us，即为输出电压的反馈值U_s。

$U_s=\sqrt{U_{\mathrm{\α}}^2+U_{\mathrm{\β}}^2}---\left(2\right)$

2)内环为电流反馈环，有两个励磁电流分量需要调节：励磁电流直轴分量与励磁电流交轴分量；电流反馈环的输出是直轴励磁电压的调节量和交轴励磁电压的调节量。

(2.1)经过励磁电流检测调理电路调理后得到三相励磁电流值i_ae，i_be，i_ce，对三相励磁电流进行CLARK变换得到励磁电流在两相静止坐标系中的量i_αe和i_βe。

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\αe}}=i_{\mathrm{ac}}-\frac{1}{2}{i}_{\mathrm{be}}-\frac{1}{2}{i}_{\mathrm{ce}}\\ i_{\mathrm{\βe}}=\frac{\sqrt{3}}{2}{i}_{\mathrm{be}}-\frac{\sqrt{3}}{2}{i}_{\mathrm{ce}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

(2.2)结合转子位置传感器经过位置检测处理电路处理并送入数字处理芯片的永磁转子位置信号θ对励磁电流两个分量i_αe和i_βe进行PARK变换，得到在旋转坐标系中励磁电流的交直轴分量i_qe和i_de。

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{de}}=i_{\mathrm{\αe}}\cos \mathrm{\θ}+i_{\mathrm{\βe}}\sin \mathrm{\θ}\\ i_{\mathrm{qe}}=-i_{\mathrm{\αe}}\sin \mathrm{\θ}+i_{\mathrm{\βe}}\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right.---\left(4\right)$

(2.3)第一个PI调节器的输出

作为直轴励磁电流反馈环的给定值，将检测并由(4)式计算得到的三相励磁电流的直轴分量i_de与直轴励磁电流给定值

进行比较后经过第二个PI调节器计算，输出直轴励磁电压的调节量

(2.4)交轴励磁电流的给定值

设定为0，将检测并计算得到的三相励磁电流的交轴分量i_qe与交轴励磁电流的给定值0进行比较后经过第三个PI调节器计算，输出交轴励磁电压的调节量

3)结合永磁转子位置信号θ，对第二PI调节器和第三个PI调节器输出的励磁电压的交直轴调节量

进行PARK逆变换，得到励磁电压在两相静止坐标系中的调节量

和

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\αe}}^{*}=V_{\mathrm{de}}^{*}\cos \mathrm{\θ}-V_{\mathrm{qe}}^{*}\sin \mathrm{\θ}\\ V_{\mathrm{\βe}}^{*}=V_{\mathrm{de}}^{*}\sin \mathrm{\θ}+V_{\mathrm{qe}}^{*}\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right.---\left(5\right)$

4)根据PARK逆变换得到的

和

在空间矢量生成单元中生成分别驱动三相励磁逆变器的6个开关管的空间矢量SVPWM信号，其中在驱动每一相桥臂的上下两个开关管的信号为互补信号，同时为了防止上下开关管直通损坏开关管，在上下开关管的驱动信号中加入死区时间，最后SVPWM信号由数字信号处理器(DSP)的PWM端口输出。

5)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，使电枢绕组中电励磁感应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。

实施例2

图2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；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心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和电励磁定子铁心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4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3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；只是铁心长度不一样，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，定子铁心槽数为36，每极每相槽数为3，绕组节距为7，以削弱电枢绕组中感应电动势的谐波含量。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，永磁转子铁心4的材料为二十号钢。

在电励磁定子铁心11的内圆有一用硅钢片叠压而成的内定子铁心22，内定子铁心22和电励磁定子铁心11之间没有气隙，它们具有相同的齿槽数。内定子铁心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心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。

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4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。

Claims (9)

1.一种并列结构混合励磁同步发电机，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，其特征在于，所述并列结构混合励磁同步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，两部分电机定子铁心彼此独立，但共用一套定子电枢绕组，永磁感应电动势和电励磁感应电动势在电枢绕组中进行叠加，永磁部分定子铁心和电励磁定子铁心具有相同的齿槽数，通过电枢绕组分布形式以及永磁转子磁极形状的设计以改善电枢绕组中感应电动势波形，其电动势为正弦波，从而使发电机输出电压正弦波形畸变达到很小。

2.根据权利要求1所述并列结构混合励磁同步发电机，其特征在于，所述永磁转子磁极采用表面式磁钢结构或内永磁磁钢结构。

3.根据权利要求1所述并列结构混合励磁同步发电机，其特征在于，所述电励磁部分定子铁心内有两套三相绕组：电枢绕组和励磁绕组；励磁绕组和电枢绕组具有相同的绕组分布形式，并且三相励磁绕组轴线和电枢绕组轴线分别重合。

4.根据权利要求1所述并列结构混合励磁同步发电机，其特征在于，所述电枢绕组采用传统的分布式绕组形式。

5.根据权利要求1所述并列结构混合励磁同步发电机，其特征在于，所述电励磁绕组放置在电励磁部分的定子铁心内，实现无刷励磁。

6.一种并列结构混合励磁发电机的交流励磁控制系统，其特征在于，采用数字电压调节器控制加在三相励磁绕组中电流的大小和相位，即可调节电枢绕组中电励磁感应电动势的大小和相位，从而调节发电机总输出电压的大小，使发电机输出电压稳定；

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；安装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。

7.根据权利要求6所述并列结构混合励磁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，即励磁主电路和DC/DC控制电源的输入电源都是由混合励磁同步发电机的三相交流输出经过整流桥和滤波电容后提供；DC/DC控制电源的输出端分别接数字信号处理器(DSP)、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；DSP数字信号处理器输出的PWM信号经过驱动隔离放大电路后控制三相交流励磁逆变器的开关管。

8.根据权利要求6所述并列结构混合励磁发电机的交流励磁控制系统，其特征在于，所述的并列结构混合励磁同步发电机的交流励磁采用内、外双反馈环控制，所述外环为电压反馈环，将电压给定基准与实际输出电压反馈值比较后经过第一个PI调节器计算，输出励磁电流直轴分量调节量；所述内环为电流反馈环，调节励磁电流直轴分量与励磁电流交轴分量。

9.根据权利要求6所述并列结构混合励磁发电机的交流励磁控制系统，其特征在于，所述第一个PI调节器的输出作为直轴励磁电流环的给定值，将检测并计算得到的三相励磁电流的直轴分量与直轴励磁电流给定值进行比较后经过第二个PI调节器计算，输出直轴励磁电压的调节量；交轴励磁电流的给定值设定为0，将检测并计算得到的三相励磁电流的交轴分量与交轴励磁电流的给定值进行比较后经过第三个PI调节器计算，输出交轴励磁电压的调节量；交、直轴励磁电压调节量经过坐标变换、PWM生成及隔离放大后驱动三相交流励磁逆变器的开关管，调节三相励磁电流的大小和相位，从而调节电枢绕组中电励磁电动势的大小，并且相位和永磁电动势相同和相反。通过永磁电动势和电励磁电动势在电枢绕组中的叠加使发电机输出电压稳定；或者通过三相励磁电流的矢量控制，使电枢绕组中电励磁感应电动势和发电机输出电压同相位或反相位，从而使发电机的输出电压稳定。

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