混合励磁水轮同步发电机结构与原理

夏永洪，张 聪，温子健，张景明，陈 瑛

(南昌大学 信息工程学院，南昌 330031)

0 引 言

小水电为清洁可再生能源，无污染，且可循环利用。小水电产生不需要消耗任何形式化石燃料，环境污染物的排泄基本为零，清洁效益明显[1]。作为大电网的有力补充，小水电站在解决农村用电，促进农村电气化，农村经济和社会发展等方面发挥了重要作用。

目前，几乎所有的小水电站都使用电励磁同步发电机进行发电，由于小型水电站以径流式为主，其输出功率受季节影响较大，使得发电机在枯水期效率低下，为提高水利资源的利用效率，提出了采用永磁同步发电机代替小型水电站电励磁同步发电机的思路[2-3]。相较于传统电励磁同步发电机，永磁同步发电机以永磁体替代电励磁绕组建立电机主磁场，具有高效率的特点。然而，永磁同步发电机的气隙磁场调节困难，通常需要通过变流器连接到电网[4]，这增加了小型水电站的建设成本，如图1所示。

图1 永磁水轮发电机运行原理图

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图2 混合励磁爪极发电机结构图

图3 混合励磁同步发电机结构图

因此，在现有混合励磁同步发电机的基础上，提出一种可满足小型水电站运行要求的混合励磁同步发电机，简述其结构和气隙磁场调节原理。采用电磁场有限元法，计算其运行性能，并研制混合励磁同步发电机样机加以验证。

1 发电机结构

为了保持传统小型水轮发电机气隙磁场调节方便的优点，同时提高其运行效率，将电励磁同步发电机的部分磁极替换为永磁磁极，形成一种混合励磁水轮发电机，如图3所示。该混合励磁水轮发电机转子由4个永磁磁极和4个铁磁磁极组成，空载气隙磁场由永磁体和电励磁绕组共同建立，其中永磁体在气隙中产生一个基本不变的磁场，电励磁绕组通过改变输入的直流励磁电流大小和方向，可以调节气隙磁场，因此，该混合励磁水轮发电机仍具有良好的气隙磁场调节能力，可以满足小型水轮同步发电机无功调节的要求。此外，为了实现其快速灭磁，在永磁磁极也布置一套励磁绕组，当该发电机定子发生内部故障时，通过输入直流电流产生相反气隙磁场，以抵消由永磁体建立的气隙磁场。

图4 混合励磁水轮发电机截面图

2 气隙磁场调节原理

图4所示的混合励磁水轮发电机转子有两套励磁绕组：运行励磁绕组和灭磁励磁绕组。下面分别针对两套励磁绕组产生的气隙磁场进行分析，主要参数如表1所示。

表1 混合励磁同步发电机主要参数

2.1 运行励磁绕组产生的磁场

当在运行励磁绕组通入不同励磁电流时，其产生的气隙磁场空间分布如图5所示。

图5 不同励磁电流时的气隙磁场空间分布

图6 不同励磁电流的磁力线分布图

由图5(a)可知，当励磁电流为0时，电励磁磁极下的气隙磁密也为0，气隙磁场仅由永磁磁极建立。当励磁电流正向增加时，电励磁磁极下的气隙磁密随之增大，气隙磁场由永磁磁极和铁磁磁极共同建立，如图5(b)所示。当励磁电流反向时，电励磁磁极产生的磁场方向与相邻的永磁磁极相同，由于相邻磁极的电枢绕组反向串联，因此，电枢绕组磁链减小如图5(c)所示。不同励磁电流的磁力线分布图如图6所示。

2.2 灭磁励磁绕组产生的磁场

当发电机定子发生内部故障时，可以给灭磁励磁绕组输入励磁电流，产生与永磁磁场相反的气隙磁场，如图7所示。

图7 灭磁励磁绕组工作时的气隙磁场

由图7可知，随着灭磁励磁电流从4A增加到6A时，永磁磁极下的基波气隙磁场由0.453T减小为0.426T，当灭磁励磁电流增加到30.3A，其产生的气隙磁场完全与永磁体产生的气隙磁场相抵消，可以起到灭磁的作用。

3 仿真计算与实验验证

为了验证该混合励磁水轮发电机方案的正确性，采用有限元软件建立了该混合励磁发电机仿真模型，针对该发电机两套励磁绕组分别输入不同励磁电流的情况进行了计算，得到了该发电机的运行特性及电枢绕组电压波形。同时，研制了一台混合励磁水轮同步发电机样机，并建立了样机性能测试平台，如图8所示。实验时，采用变频器对异步电动机进行调速，使发电机转速保持恒定，可调直流电源用于为混合励磁同步发电机转子励磁绕组提供所需要的直流电流，转矩转速测量仪用于测量异步电动机输出的转矩和转速，同时采用示波器采集样机的电枢电压波形。计算结果和样机测试结果如图9～图10所示，以及表2所示。

图8 发电机实验平台

图9 运行励磁绕组输入正、反向电流时的空载特性

励磁电流/A电枢绕组电压/V计算结果实验结果0248.20251.04-1241.45239.46-2232.26230.98-3222.94221.94-4213.49213.13-5203.93204.37-6194.12195.10-7184.24185.18-8174.20176.72

图10 灭磁励磁绕组电流为4A时空载线电压波形

由图9可知，当运行励磁绕组电流由-6A增加到6A时，电枢绕组线电压由19.85V增加到493.18V，说明该发电机具有良好的气隙磁场调节能力，可以满足小型水电站无功功率的调节要求。当在灭磁励磁绕组通入反向励磁电流，产生与永磁体相反的气隙磁场，从而导致电枢绕组电压的下降，如表2所示。当输入的励磁电流达到一定数值时，完全可以使电枢绕组电压下降为0，从而达到灭磁的目的。实验时，为了防止永磁体产生不可逆去磁，施加的励磁电流较小。此外，计算波形与实验波形也吻合较好。

4 结 语

围绕提出的小型混合励磁水轮同步发电机进行了研究，介绍了其基本结构和气隙磁场调节原理，采用有限元方法对该混合励磁同步发电机进行了计算，并研制了电机，验证了该方案的正确性。与电励磁水轮发电机相比，该混合励磁同步发电机具有较高的运行效率。