第期电工技术学报 年月永磁同步发电机带整流负载时的最大输出功率及参数量测一加罗李隆年黄立培刘士祥清华大学 内容提要本文推导了同步发电机单机带纯电阻负载时的最大输出功率约计算公式并分析了接整流负载的永磁同步发电机的最大输出功率电机输出的途径同时指出负载中有蓄电池时其电压的匹配问题提出一些提高十算结果与实验结果接近作者建议根据同步电机的相量图通过测得的电压电流及转矩角去计算水磁同步电机的同步电抗及丫该方法简便实验结果令人满意 !! !一一一 !∀ 飞 !,rPhasordiagramsthroughandtllesitmeasuredresultsavoltagesresats一Ive一lientifacrory.一概述维护方便作为独立电源广泛用于风力发电及其池场合图l是爪极永磁电机的转子结构示意图永磁式同步发电机具有结构简单当发电机带整流器对蓄电池充电或直接供给成本低效率高等优点负载时其系统原理图如图2所示厂、、一产气~、~、、厂、一厂g尸、一厂、、厂、ion一产、、厂、~、、一劝eshenerat〔EE.TransonMAGNEll(:LZ了SergioPissanetzkyd1m0。之ionofrhree0生8〔ensional.a.:〔3」JD杰克逊著朱培豫泽《经典电动力学》上册..:[4口JASrraztonEleetromagnericTheory1911电工技术学报1986年5月…一:.几:奈,J二基本假定及系统模型厂刁凳报、从由宇整流元件的非线性流从而造成电机的电电压波形是非正弦的以及电机内部磁场的非稳态变化因而仔细分析同步发电机带整流负载结合永磁机的特点r」时的工作状况是十分复杂的在本文的分析过程中作如下假定2.磁路为线性叫猛全部电抗为常数;图l爪极永磁同步机转子结构为左极爪)ab)为环形永久磁钢d)为转子装配.3只考虑基波感应电势及基波电压;4.发电机的转速为恒定值;5.当把电机隐极化处理时其平均同步电抗忽略挤流效应即认为定子电阻为常数;c)为右爪极x:为1丸=丁(x、+戈,)(1)本图2永磁同步发电机带整流负载时的系统原理图7.换相重迭角对=负载直流电流无脉动T73/;且换相电流接线性变;化(参阅图3).8转子磁铁在定子绕组中产生的电势E不受负载变化的影响在这些假定下电路图来描述该系统中的同步发电机的最大输出功率是一项重要性能指标图2所示系统可以用图4等效图4中下角标a分别表示a利用数值计算方法虽可对此进行分相的量析计算但实用上是很繁琐的本文对电机的稳态运行进行分析出功率的计算公式匹配问题首先导出了三相同步发电机单机带三相对称电阻负载的最大输接着分析了接整流负载的永磁、同步发电机的最大输出功率讨论了蓄电池的电压e与由于永磁电机自身的特点计算公式中x、无法使用滑差法测出又因永磁电机的激磁不可调故无法测得空载曲线同时小功率电机定子电阻值较大短路实验时E与电枢电流I的夹角不图3尸=:3/时的相电流及负载电流波形为90因而不能用无载短路法测x、的不饱和值本文采用根据相量图的关系测量介的方法较为简便实验结果令人满意量测时需要量测.转矩角夕即E与电机端电压U之夹角我们采用,“光电脉冲法测量夕角其测量精度能满足一般幸工程要求对一台风力发电用三相永磁同步发电机算根据量测出的电机参数及数据进行了最大输出功率的计取得了与实验值相当接近的结果在此基础上本文讨论了提高电机出力的一些措施图4系统模型第1期永磁同步发电机带整流负载时的最大辘出功率及参数量侧:(,,对图3所示情况相电流i的基波分量I、:效值)与负载电流l的关系为有角形0AB为等腰三角形时只达到最大I妇二.07421礴:(2)点的轨迹应在以OA为直径的圆周上位于OA的中垂线上只才为最大又因C而只有B点所以当三同步发电机单机带纯电阻负载尸二J取得最大值时的功率角夕.总是小于46的最大输出功率首先讨论隐极同步发电机的情况如图5所示即夕_若忽略;则夕.二琪>叙下面推导凸极同步发电机单机带纯电阻负载时的输出功率计算公式此时的相量图如图7所示‘域盆图5三相隐极同步发电机带纯电阻负载oP月—负载每相电阻—当发电机摘出功率不难证明则P图7(3)凸极同步发电机单机带纯电+xR.二丫r二二m有最大值P阻负载时的相量图由图7的几何关系有尸二E3只r(下飞、此时的相电流I,为I,:二咋石)蔽牙;-E石(4)又因1(5)I“I,105i(Rn.+r夕+I己xJ(7)、=夕(8)ox。=。=I,(R.+r夕II,eos夕:g,=图6是隐极同步发电机带对称电阻负载时的相十牛-八!了r量图于是得口=井二二二二井花井二井==书共升:训x十(代十厂)、冲少寻“一R份布,不德于币砰芍币于-(10)将式(8)。相电流I为=E0代入式(7)可以求得丫(R图6宁汀溯甲片了尸‘x,(11)此时的输出功率尸隐极同步发电机带纯电阻负载的相量图p为3E毛二x布十孟〔R(*.r+少仁(R“、x由图6的几何关系及式(3)可以看出当三(12)电工技术学报1986年5月可以推证(R.+r十3rjx当R满足下式时.一)Z‘Rrx(一子x、x。.+;十电流波形如图8所示图sa)为蓄图sb)为电阻负载由图可以看出。它们的相电流i与图3所示波形很接近时的电压电池负载十Z一x,x、一Zx)子(RI+r=玲0(13)P{可达极大不过求解该方程式是比较繁琐的7J因此我们按如下办法计算凸极同步发电机单机带纯电阻负载的最大输出功率首先按式(3)求匹配电阻2)计算最大输出功率再按式(1显然这样两步处理求得的最大输出功率比隐极化处理更片井~少声接近实际情况xz二r一J本以一台实际电机为例电机参数及有关数据为20..189985;lx(=3.049;介!二!=2.。而按式按式(3)求得的匹配电阻R97:=2.‘!=‘13)求得的匹配电阻R623分别将R2.79贝及RI=2.36见及上述数据代入式(12)..65w求得的输出功率分别为597w及5由此可贝;E卜一一一一一—见凸极同步发电机单机带电阻负载的匹配电阻可按隐极化处理大对计算最大输出功率的影响并不‘4)但不能按式参数为例尸p.975W一求最大输出功率仍以上面当按式(4)即按隐极化公式求得的而按式(12)即按凸极参数求得的图8整流器接两种不同负载时电压电流波形a)蓄电池b)电阻可见.实测值尸.二.579w由此那么根据前面的假定若只考虑图8的基波电流前述按两步处理求最大输出功率是可行的整流器负载对发电机的作用可以用一个三四三相永磁同步发电机经桥式整相对称电阻去等效只要等效前后不改变发电机的流器接纯电阻时的最大输出功率根据前面的假定可以看出当整流器的负载为。纯电阻时发电机的相电压u。与相电流l的基波基波电流大小对发电机而言其作用并没有什么.差别显然所以能进行这样等效是考虑了发电机输出最大功率时的相电流是接近正弦波的连续电流如果换相重迭角”:23.电流出现断续则分量同相位同时我们规定输出功率为发电机的机端输出功率而不是经整流后的功率二者之差电机内部的电磁过程要复杂得多须慎重处理由此可以很方便地写出发电机接整流器负载的最大输出功率计算公式及对应的相电流计算公为整流器本身消耗的功率输出功率达到最大时身的最人值.其值较小当发电机的整流后的功率亦十分接近本式:观察图5所示电路及式(3)可以看出电机输出最大功率时匹配,3石污阮}」R当发_E.(R.+r仁丫‘R+r二。〕回路的电阻值与电抗值要相一(K一无不干户厂一故其数值大体相近可以想见因而回路的时间常数大体与不3相近当发电机带整流负载输.,,T7出最大功率时换相重迭角也将与厂3相近因而交流侧的电流波形就接近图3所示波形我们量式落,(、5下标二曾拍摄了一台发电机带整流器在输出接近最大功率:/了下如r中的下标表示整流器负载时的各为基波分量两式中的R为,·、十‘、’第1期永磁同步发电机带整流负载时的最大输出功率及参数量测再利用式(2),,可得负载直流电流I‘户,为将x,,代入式(14)中的x,,即可求出一洁万…巧)与式(11)(16)的形式串电容后的发电机最大输出功率表3是一台发电机在串不同容抗x后接整流负载的最大输出功率的计算值与实测值虽然式(14)类似但适用范围有很大区别其中式〔14)仅用于汁算整流负载时的最大输出功率及相应的电》可用于一流而式(It)般性能计算—一一~表〔‘3一一,~--甲--~~~~~——一一一一一一一一一一下一-妇56计算值每相串联容抗值最大输出功率(W)1.45.口{85}83..-.[86表l是被试永磁发电机带整流负载时最大输出功率及单机带对称纯电阻负载时的最大输出功率以及输出最大功率时的相电流大小810392实测值.543表l最大输出功率fw)相电流六整流器的负载为蓄电池时的最大输出功率及蓄电池的匹配电压当整流器的负载为蓄电池时(A)单机带三相纯电阻负载57.9.5432因蓄电池有反电单机带整流器负载2.75势而且在充电前后及充电过程中反电势并非恒定表l的数据均为实测值并不大由此表1可以看出两种负载状况下的最大输出功率及对应的相电流值相差表2是被试发电机带整流负载的计算值与实测值的比较(电机参数同前)其中按隐极化参数计、算的公式参阅式(4)这就给分析及至实验都带来了一.相定的困难但由图8可以看出当负载电流1..同(均为36A)负载电压U,相同(均为11sv)时其线电压及相电流的波形的差别并不显著(此值也不便调整时发电机的输出功率已接近其最大输出功率)从P表.2二r物理过程看只要蓄电池反电势没有大于自然换相.点的电压那么蓄电池对电机内部的电磁过程的影响与整流器的负载为电阻的区别并不大因此当.整流器的负载为蓄电池时发电机所能输出的最大计算值隐极化化凸极4了.Z56W2.3之A3.1IA功率与整流器负载为纯电阻时的最大输出功率相-当在此护础匕可以确定蓄电池的电压为多大实测值表注54.3W带2.75A.3.67A时发电机将提供最大功率:的值为相电流有效值假设整流元件的正向压降为零蓄电池的内阻.,为零再考虑到整流器空载电压U…与E成比例考虑了凸极效应以后其最二大输出功率的计算液与实测佰的误差为3电流的误差约为5左右由表2可以看出参考图6可以尺致估计出输出最人功率时蓄电池的电压扫与创厂二.,。l的关系则当,若时五参数的变化对最大输出功率的影响..打J07()7U.已将获得最人功率‘:增加_‘都可使最大输出功率增大l由式(曰)可以看出石减小r或xr若之j、则当二.05右i时,r作者试验并计算了利用串电容提高最人输出功它将获得最大功率.r对f实际电机.22.()5之从均不为零.因而蓄电池率的效果、出联电容后l,轴的同步电抗戈:分别为弋获得最人充电功率的匹配电压应该满足丫,r.丫,一x(17)如果考虑到整流元件的压降及蓄电池的内阻.对f电工、*1技术学报1986月5月,.小功率永磁同步发电机蓄电池的电压约为05un所示此时光电脉冲与u之零点相差时间电角时可获得最大充电功率a,,度为七参数的测试、的原理由实验数据计算出被试电机参数勺1.根据相量图关系测x,,的主要依据是凸极同步电机单机带纯电阻负载时的电势相量图(参见图7)及转矩角夕。。我们分别测出U由这些数据及图7所示几何关系可以得出计算电机参数x,、的计算公式为,+rI,。夕(19)IE.一(U。+I,尹、)cos夕I户5in夕实验数据整理如表4_序号U表4l夕石尤度)(‘2))0l(‘2)1800.匕」,{20.,计算出x之平均值为304。范围士3.2%土6:x.8%,8之平均值为21.实验数据波动。实验数据波图10空载时的线电压与光电脉冲动范围为量测转矩角刀的.光电脉冲法参考文献〔6〕所提的方法转子轴伸上任意固定一块反光片每当反光片转到图中M处时照射到反光片上如图9所示在当电机旋转时光电传感器发出的光在光电同时经反光片反射后传感器中获得一个光电脉冲信号示此光电脉冲波形用示波器可以显图n将图10刀与空载线电压e所示波形,.B(根据光电脉冲的前沿(或后沿)c线电压)的相位关系可以负载时的线电压及光电脉冲图11对照观察表示转子轴线与定子轴线之相对位置情况0如图1为可知负载时的转矩角在图g所示瞬间因而冲相空载电压。。,为最大值.、(刀“(,一(122即可求得负载运行的转矩角夕(20)若用e,二0再过“空间电角度就会产生光电脉之零点为因此只要分别量测电机空载及负载两种工况所以图10中光电脉冲距时间下的“电角度冲前e,.“e因与e,时间上相差90故光电脉.时间电角度应为e之最大值带上负载后示波器上光电脉冲依然存在测得的为U但光线示波器记录这些波形一个周期的波形长度为...a.。,0mm5量测的分辨距离为02mm则之.‘3量测精度可精确至(02这对一06已不能量测到其波形图如图般工程量测来说已足够准确了第l期永磁同步发电机带整济负载时的最大输出功率及参数量测J、结论角方法较简便实验结果令人满意1.同步发电机单机带纯电阻负载时的最大输出功率主要由电机的参数所决定参〔1〕高景德考文献它是一个阻抗匹张麟征《电机过渡过程的基本理论及分配问题析方法今下册科学出版社年同步发电机带整流负载时的最大输出功〔2〕章名涛主编《电机学》下册科学出版社率析可以用同步发电机带纯电阻负载去作近似分年[3〕P考虑了凸极效应后计算出的最大输出功率与实测值相当接近七当整流器的负载为蓄电池时为了充分发挥同步发电机的效能应注意蓄电池的电动势要与..〔4〕B^‘^月^ryPoB曰xeaTopoBCnoeTo介Pv“K曰a.洲M发电机电势相匹配《3月EKTPoTExH^》改善磁钢性能以提高发电机空载电势降..〕TJE低发电机定子电阻电抗以及定子回路串电容都可乍roc.以提高发电机的最大输出功率1EEEAnnualMeetingonIAS〔6〕刘玉成抛载法测同步电机参数清华大学电机《电通过量测转矩角夕及有关电压电流电。阻去计算永磁同步电机的参数x,对分析电机运系实验报告〔7〕中国科学院沈阳计算技术研究所等单位编行性能及改进设计均有重要意义文中采用的测夕子计算机常用算法》科学出版社年