双励双控式混合励磁永磁同步发电机励磁系统原理分析

章建萍，梅 昆，韦覃程

（1.江西泰豪动漫职业学院，江西南昌 330200；2.江西清华泰豪三波电机厂，江西南昌 330096）

根据电机原理和机理的不同，目前所出现的混合励磁永磁发电机可分为两大类。一类是磁路复合式混合励磁永磁发电机，另一类是电路复合式混合励磁永磁发电机。磁路复合式混合励磁永磁发电机又分为转子磁分路式径向结构混合永磁同步发电机和转子磁分路式切向结构混合永磁同步发电机。

径向结构混合永磁同步发电机结构是在径向磁化结构永磁同步发电机的基础上分别于转子每极永磁体外侧紧贴放置瓦片形附加导磁体。在径向结构混合励磁同步发电机中，由于附加导磁体、环形导磁桥以及附加气隙的磁分路作用，永磁磁势同时提供径向磁通和轴向磁通。环形导磁桥内的励磁绕组没有励磁电流时，由于附加气隙相对于主气隙较小，永磁体磁场主要提供轴向磁通，电机处于弱磁状态。励磁绕组通入正方向励磁电流时，励磁磁场可以阻碍永磁体产生的轴向磁通，从而增大主气隙磁通；励磁绕组通入反向电流时，可以进一步使主气隙弱磁。通过调节励磁电流大小和方向，就可调节气隙中主磁场的大小，从而达到调节和自动恒定电压的目的。

切向结构磁分路式混合永磁发电机工作原理与径向结构磁分路式混合永磁发电机工作原理相同，只不过是永磁体从切向发出磁通。它也有径向磁路和轴向磁路。径向磁路经过定、转子间的气隙（主气隙），再通过定子铁心形成回路，叫主磁路（主磁通）。轴向磁路不经过主气隙，是漏磁通性质的轴向磁分路。调节励磁电流大小和方向，就可调节气隙中主磁场的大小，从而达到调节和恒定电压的目的。

电路复合式混合励磁永磁同步发电机目前最常见的有两种。一种为并列式混合励磁永磁同步发电机，另一种为并列式混合励磁双凸极永磁同步发电机。

该两型电机均结构复杂，工艺性差，工频电机中未见成熟工业产品，所以一种新型双励双控式混合永磁无刷同步发电机便出现了。

双励双控式混合励磁永磁同步发电机是在双永磁混合励磁永磁同步发电机基础上升级换代发展出来的。双励双控式混合励磁永磁同步发电机成功地采用了传统同步发电机结构，实现了无刷化的混合励磁方案，应用广泛，既能设计成中频混合永磁发电机，也能设计成工频混合永磁发电机，同时，直接对补偿励磁绕组进行励磁控制，提高了反应速度。

但这种结构的发电机，励磁调节器（AVR）放置在转子上，直接对永磁励磁机转子电枢电压进行正、反向励磁调节。但这样使AVR 操作、维修不方便。同时，由于AVR 是旋转的，为确保其可靠性，AVR体积不能做得很大，影响了双永磁工频无刷同步发电机产品容量规格的扩大，也影响了派生功能的扩展。

所以，为提升双励双控式混合励磁永磁同步发电机的整体性能，提出了一种双励双控式混合励磁永磁同步发电机的更新换代产品，通过新型的励磁系统将AVR 从旋转的转子上搬到了不旋转的定子侧，并同样能实现正、反向励磁功能，同时解决了双永磁混合励磁永磁工频无刷同步发电机AVR 操作、维修不方便的问题，并能扩展AVR 的功能。

1 双励双控式混合励磁永磁同步发电机的产品结构

双励双控式混合励磁永磁同步发电机是在双永磁混合励磁永磁同步发电机基础上发展而来，其主体结构与双永磁发电机相同，只是它的励磁系统是重新研发的。

它由前机盖、前轴承、机座、复合定子、双频励磁机定子、后机盖、后轴承、永磁主转子、电励磁补偿转子、双频励磁机转子、内风扇（封闭式电机）、旋转变压器（又叫旋转信号传感器）、外风扇、风扇罩（封闭电机）、双向旋转整流器、旋转整流方向控制器、双控式AVR、出线盒等组成。

复合定子是由永磁主发电机定子和电励磁补偿发电机定子组成，二者左右放置，共用机座壳体，中间有间隙，作为补偿转子绕组端部的放置空间。根据设计需要，定子侧的间隙可由铁心定子冲片填充，这样铁心制作简单，但增加重量；也可用齿压板填充，但工艺稍复杂，不过可减重及进行电机内部合理风路设计。

复合定子由复合定子铁心和共用的电枢三相主绕组组成。复合定子中还有励磁机的励磁源交流绕组——单相3次谐波绕组。

永磁主电机和电励磁补偿发电机的转子各自独立，中间有存放励磁绕组端部的间隙。它们分别安装在电机的转轴上。

永磁主转子由转子轭和面贴式瓦形永磁体组成，永磁体用内六角螺钉固定在转子轭上，与传统永磁发电机结构相同。

电励磁补偿发电机转子是凸极结构的冲片式迭压转子，其上绕有励磁绕组，补偿转子上可增设阻尼绕组，以改善电机性能。

发电机转子结构设计上应保证永磁转子磁极与补偿转子磁极中心线对齐，预定极性要相同，即N 对N 极，S 对S 极。两个电机的极弧系数不一定要相同，但要相近。

双频励磁机是一种电励磁式的励磁机。它是定子为磁场，转子为电枢的发电机。定子上有两套励磁绕组，其极数关系为：P1=2P2；转子上有2套或3套电枢绕组，采用H 桥双向旋转整流电路则为两套电枢绕组，一套为三相励磁源绕组，另一套为单相控制信号源绕组，它们的频率关系为f1=2f2。

采用双路三相旋转整流电路时，转子电枢绕组为3套。其中2套三相绕组为同极数的正补和反补励磁源绕组，频率同为f1；另一套为单相控制信号源绕组，频率为f2。二者频率关系为f1=2f2。

2 双励双控混合励磁系统介绍

双励双控混合励磁系统主要包括：电励磁的双频励磁机（双永磁发电机中是永磁励磁机）、双控式AVR、正反向励磁控制信号传递的旋转变压器、双向旋转整流器和旋转整流方向控制器。

从双控AVR 的工作原理框图可知，它由电压信号检测电路、信号比较放大电路、控制调节电路、励磁电流控制电路、方向信号控制电路、交流方向控制电路、直流稳压电源电路、电源变压器、控制电机励磁单元等组成。

双控AVR 的工作原理为：直流稳压电源电路提供双控AVR 的12 VDC 直流电压。电源变压器副边提供直流稳压电路的工作电源、控制电机的直流励磁电流及旋转变压器的交流信号电压。AVR 电压信号检测电路将检测采样电压信号输入信号比较放大电路，进行比较放大，是高于设定电压（基准电压），还是低于设定电压。比较放大后的差值信号电压输入到控制调节电路中，并根据差值电压的正、负及其大小，通过该电路中的集成电路模块的运算，可以获得两个控制信号：一个是励磁机励磁电流大小的控制信号；另一个是补偿发电机转子励磁方向的控制信号。励磁机励磁电流大小控制信号输入到励磁电流控制电路中，对主励磁电流大小进行脉宽调节，以保证发电机端电压的恒定。

方向控制信号输入到方向信号控制电路后，根据方向信号电压的特性，发电机端电压低时，直流方向信号电压高，可使方向信号控制电路中直流光耦原边电路导通，使交流方向信号电路中光偶副边的交流电路导通，有交流方向信号电压输入到旋转变压器的原边；当发电机端电压高时，控制调节电路输出的直流方向控制信号电压低，方向信号控制电路中直流光耦原边电路不能导通，使光耦副边也不能导通。此时，无交流的方向信号电压输入到旋变（XB）的原边。该AVR 既能控制励磁电流大小，又能控制补偿转子励磁电流的方向，故称双控AVR。

3 双向旋转整流器和旋转整流方向控制器

双向旋转整流器原理电路见图1，它由三相整流桥ZB 和开关管V1，V2，V3，V4及相关电阻元件组成，开关管V1，V2，V3，V4接成H 桥电路。H 桥输入端接三相整流桥的正/负极，H 桥输出端接补偿发电机的转子励磁绕组F1、F2。

图1 双向旋转整流器原理图

当V1/V2开关管的控制极a1/b1和a2/b2收到旋转整流方向控制器中驱动器输出的相应a1/b1和a2/b2驱动电信号后，V1/V2开关管导通，V3/V4开关管关闭，直流励磁电流从F1流向F2，补偿发电机处于正补励磁工作状态；当V3/V4开关管的控制极c1/d1和c2/d2收到旋转整流方向控制器中驱动器输出的相应c1/d1和c2/d2驱动电信号后，开关管V3/V4导通，V1/V2开关管关闭，直流励磁电流从F2流向F1，补偿发电机将处于反补励磁工作状态。

旋转整流方向控制器原理电路见图2。它主要由单相整流桥U1、三端稳压器N1、交流光偶开关U2、DC/DC 电源U3、U4、驱动器模块N2和N3及一些电阻、电容元件组成。

图2 旋转整流方向控制器原理图

U1通过L2提供旋转整流方向控制器电路的直流工作电源；交流光偶将交流方向信号变换为直流方向信号。U3、U4起直流工作电源隔离作用。

当混合励磁永磁发电机输出端电压低于额定电压时，旋变XB（即L3）将得电，旋转整流方向控制器中的交流光偶开关将闭合，直流电路导通，驱动器N2和N3获得高电位信号，驱动器N2和N3的a1/b1和a2/b2输出节点将输出驱动信号到双向旋转整流器中的V1/V2控制极，使V1/V2导通（此时V3/V4关闭），补偿发电机处于正补工作状态。

当混合励磁永磁发电机输出端电压高于额定电压时，旋变L3将没有电压，旋转整流方向控制器中的交流光偶开关将会是断开的，控制器中的直流电路将不导通，驱动器N2和N3得到的是零电位（或低电位）信号，驱动器N2和N3中的c1/d1和c2/d2会输出驱动信号到双向旋转整流器中的V3/V4的控制极，使V3/V4导通。此时，补偿发电机处于反补工作状态。

这种双励双控混合励磁系统，虽然旋转整流方向控制器的电路较复杂，它有二路驱动电路，用了两个驱动器模块，但与之配套的双频励磁机就可以设计得简单些，总共只有4套绕组。定子上两套，转子电枢上两套，其中一套为补偿转子正/反向励磁的三相电源绕组；另一套为励磁机中的控制信号电机的转子单相电枢绕组，为转子上的旋转整流方向控制器提供工作电源。因此转子电枢上的槽形面积容易也满足设计要求。

4 结语

双励双控式混合励磁永磁同步发电机的励磁主体是稀土永磁体，故仍为永磁发电机。为了使发电机的电压能调节和恒定，增加了电励磁的补偿发电机，组成了混合励磁发电机。双励双控混合励磁系统，即双控AVR 也与常规电励磁AVR 不一样，常规AVR 只控制调节发电机的励磁电流，而双控AVR 却有两种控制调节功能，一是控制调节发电机的双频励磁机的励磁电流大小，二是控制调节补偿发电机转子励磁电流的方向。

另一方面，将置于转子上的旋转AVR 转移到不旋转的定子侧，解决了双永磁混合励磁永磁同步发电机AVR 操作、维修不方便的问题，还扩展了AVR 的功能；采用了电励磁的双频式励磁机；设计了专用的正、反向励磁的双向旋转整流器装置；设计了专门的旋转整流方向控制器，实现正、反向励磁状态的自动转换；设计了双控式电压调节器AVR，实现对混合励磁永磁同步发电机的励磁电流大小和方向的双重控制。