单相永磁同步发电机的结构原理和运行特性分析

王爱元

(上海电机学院 电气学院， 上海 201306)

在边远山区、海岛、草原牧场等三相电网无法达到的地区采用单相交流发电机有一定技术优势，由于大部分民用电器使用单相交流电，采用单相交流发电机可以免去三相交流供电的不平衡，以及三相交流电经整流逆变成单相交流电时的装置和损耗。野外作业、应急救援、海洋工程等对单相交流发电机也有一定的需求。

与三相交流电动机相比较，单相交流电动机效率低，功率因数、起动性能差，因此，目前的工程应用局限于民用、医疗等领域的小功率的单相异步电动机。

单相交流电动机的设计是电机领域的一项热门研究课题，尤其是小容量的单相交流发电机，在独立运行的可再生能源发电领域获得了广泛研究。由于单相自激式异步发电机造价低、坚固耐用的优点，已有一定的应用。文献[1-8]提出了单相自激式异步发电机的结构，并从设计、运行分析、电负载控制、高效率运行等多个角度进行了大量研究。文献[9]采用光伏电池给发电机提供可变的励磁，使离网运行的单相异步发电机能够宽速运行。文献[10]研究了三相异步电动机应用于单相异步发电机的动态模型。文献[11]研究了应用于混合微电网的单相自激式异步发电机的调压调频自适应控制。文献[12]对提高单相异步发电机的供电质量进行了研究。Abu-Elhaija等[13]提出了一种单相自激式磁阻发电机，以及转速波动和负载变化时最小辅助电容的确定方法。近十几年来随着永磁材料的开发应用也有单相永磁同步发电机的研究[14-18]，单相永磁同步发电机具有效率高、功率因数高、电压调整率低等优势，有广阔的应用前景。

本文阐述了单相永磁同步发电机的结构原理和输出特性，通过分析电机的相量图对移相电容进行选择，合理分配两相绕组的功率。最后通过场路耦合有限元方法计算了输出电流、输出功率、效率等运行特性，分并网和接入不同功率因数负载的独立运行两种方式分析了移相电容、效率、固有电压调整率等性能指标，与三相同步发电机的相关性能做了比较，说明其优势和适用范围。

1 单相永磁同步发电机的结构原理

单相电机通常指单相异步电动机，定子上有起动绕组和运行绕组，起动绕组主要应用于电机的起动阶段，产生旋转磁场，两相绕组空间相差90°电角度，但结构上不对称，运行绕组占有2/3的槽数，起动绕组与电容串联后再与运行绕组并联。

工作原理同一般的三相永磁同步发电机，单相永磁同步发电机的转子装设永磁体产生电机内的主磁场，在原动机的作用下，定子绕组切割转子的旋转磁场产生电动势，并向外输出电功率。

单相永磁同步发电机不存在起动问题，转子上的永磁体产生旋转磁场，如果只采用一相绕组输出电功率，电枢绕组产生脉振磁场，振动加剧，电机的转矩/功率密度下降，因此，发电机通常采用两相对称的正交绕组，减少振动，提高了转矩/功率密度，也利于散热。单相永磁同步发电机的转子结构与三相永磁同步发电机相同。图1为表贴式的单相永磁同步发电机定子绕组轴向排列图，电机为8极48槽。

图1 单相永磁同步发电机定子绕组轴向排列

理论上三相交流电动机的输入输出不含3次和3的倍数次谐波，最低次数谐波为5次。不同于三相交流电动机，单相永磁同步发电机含有3次和3的倍数次谐波，对电机的输出波形影响大，因此，通过短距绕组或分布绕组设计消除3次和5次谐波。

图2 忽略了绕组电阻压降的相量图

考虑到绕组的散热和发电机的运行平衡，移相电容的选择应确保两相绕组负载时的电流相等，即IA=IB，因此，移相电容为

(1)

根据式(1)B相绕组中的电流随发电机负载的变化而变化，为减小发电机的振动和高效率运行，接入移相电容的容量随发电机负载变化，才能保证IA=IB。工程中可配置一组不同容量的电容并联在一起，并联电容的总容量为发电机额定负载时对应的电容容量，根据发电机负载的变化接入不同容量的电容。当发电机接近空载运行时，接入最小电容，其他电容切除。

2 发电机运行特性的仿真分析

发电机的运行分为并网运行和独立运行两种情况。两种运行方式下根据负载电流的变化，通过实时调节B相绕组串入电容的大小，使两相绕组电流大小相等，发电机内部的电枢反应磁场近似工作在对称状态，有利于电机的散热、减少振动噪声并提高效率。本文通过有限元仿真计算了额定功率为10 kW、额定电压为220 V、频率为50 Hz的发电机在两种运行状态下的特性，发电机主要参数如表1所示。

表1 发电机的主要设计参数

2.1 并网运行时的特性

当接入单相电网时，电网的容量相对于单台发电机的容量足够大，电网为220 V、50 Hz交流电，功率因数由电网的负载决定。随着输入机械功率的增大，发电机内部功率角增大，输出的电功率随之发生相应变化。图3为发电机输出功率发生变化时，输出电流、移相电容、效率和功率因数的变化曲线。

图3 并网时发电机的运行特性

图3(a)表明，输出电流和移相电容随输出功率的增大而线性增大，根据这一特性，发电机实际运行时可根据输出电流的大小自动切换调节接入到绕组B中的电容，保持发电机的高效率、低噪声振动运行。

图3(b)表明，发电机的功率因数随输出功率的增大而增大，与三相同步发电机基本相同；发电机效率随输出功率的增大先上升后减小，这是由于发电机接近空载时空载机械损耗占比较大、效率低，发电机轻载时输出功率为0.1～0.3PN，有一定的输出功率，效率高达93.5%，随着输出功率的进一步增大，电流增大，由于两相绕组中电流相位不等于90°，电枢反应磁场为不对称的，发电机的损耗增大、效率下降，不同于三相同步发电机，在额定输出功率时效率为89.5%，不是最高的。

2.2 独立运行时的特性

独立运行时发电机给负载直接供电，通过一定的装置控制发电机的转速恒定，输出交流电的频率保持为50 Hz，发电机的输出功率和输出电压随负载的变化而变化，负载的功率因数基本不变。独立运行时一般要求发电机的输出功率大、电压调整率低、效率高。

由于发电机的B相绕组串联电容，当接入容性功率因数的负载时，两相绕组中电流相位差大于90°，绕组之间的环流增大，输出电流下降，发电机效率下降，因此，发电机不适合容性功率因数的负载供电。如果需要容性功率因数的负载供电可采用单绕组供电的方式，但发电机的容量下降、振动加剧。

表2为发电机接入功率因数为0.8的容性负载单相绕组输出时运行特性，表明随着负载阻抗的

表2 容性负载功率因数为0.8时独立运行发电机的特性

降低，输出电流增大、输出功率增大、效率下降，同并网运行时发电机的运行特性；而输出电压增大，同同步发电机的输出电压特性，固有电压调整率为4.39%。

表3～5分别为负载的功率因数为1、0.97(感性)和0.8(感性)时独立运行发电机的特性，表明随着负载阻抗的降低，输出功率、串联电容和输出电流增大，效率下降。同并网运行时发电机的特性，电容随输出电流线性增大，因此实际运行时可以根据输出电流实时调节移相电容的容量。负载功率因数为1时输出电压增大，负载功率因数为0.8时输出电压下降，而负载功率因数为0.97时输出电压基本不变。

表3 负载功率因数为1时独立运行发电机的特性

表4 感性负载功率因数为0.97时独立运行发电机的特性

图4为3种不同感性负载功率因数运行时，效率和输出电压随输出功率变化的比较。当负载功率因数为0.97时，发电机满载运行的效率高，输出功率较大，并且输出电压基本不变,固有电压调整

表5 感性负载功率因数为0.8时独立运行发电机的特性

率为3%；当负载功率因数为1和0.8时，发电机满载运行的效率低，输出电压变化较大，固有电压调整率分别为-10.6%和20.9%。因此，发电机比较适合功率因数为0.97的感性负载。

图4 独立运行的发电机的输出特性

3 结 论

本文对单相永磁同步发电机的结构原理进行了研究，分析了发电机并网运行和独立运行时的运行特性，得出以下结论：

(1) 两相绕组电机的3次和5次谐波比较严重，通过合理设计绕组消除低次谐波；

(2) 根据输出功率调整移相电容的容量，确保两相绕组电流相等，发电机近似运行在对称状态；

(3) 不同于三相同步发电机，由于不对称的电枢反应磁场，随着负载的增大，效率下降；

(4) 对于容性功率因数的负载，发电机采用单相绕组供电。

单相永磁同步发电机更适合接入阻性或感性功率因数的负载，具有效率高、固有电压调整率低的优越性能，未来的工作是推进单相永磁同步发电机的工程化和产品化。